#你不知道的科学那些事儿# 【可见光通信了解一下[来]没有辐射隐忧,使用起来更安全[鼓掌]】可见光即电磁波谱中人眼可以感知的部分,除了提供给人类丰富的色彩世界、照亮夜晚的黑,业已被科研人员逐步发掘出更多潜力,可见光通信便是其中之一。

可见光通信技术的原理是将需要传输的信息调制到发光二极管(LED)的驱动电流上,使LED灯具以极高的频率闪烁。

闪烁频率可以躲过人眼,却绕不过光电探测器,后者只需检测到这种高频闪烁携带的通信信息,就可以对LED灯光照射下的电器进行万能遥控,还可以让计算机、手机连接上互联网。

近日,电子科技大学教授巫江与萨里大学、剑桥大学等科研人员共同在《自然—电子》上发表论文,系统论述了有机半导体、胶体量子点和金属卤化物钙钛矿材料的发展,及其LED器件的性能改进和器件创新,探讨了新型光源的带宽调制机理与外量子效率的优化策略,尤其是新型LED光源在片上光互连和Li-Fi(Light Fidelity)等应用场景。

可见光的妙用

谈到无线网,人们更熟悉的是肉眼不可见的电磁波。且不论是2G还是现在的5G,皆由其将移动终端接入互联网。而随着光纤通信的发展,光的传输又重回大众视野。其实,早在19世纪80年代,电话的发明人亚历山大·贝尔就曾提出“光子电话”的概念,即将语音信号调制在太阳光中,可以实现在数百米之外的地方接收并转换回语音信号。这个想法虽然过于“前卫”,但是光能传递信号一事却一直被可见光研究人员铭记于心。

“不论贝尔曾经提出的太阳光传输信号,还是现在的光纤通信乃至可见光通信,原理并无太大差异,都是由发射器发出信息,再由接收器‘翻译’,主要区别只是传输介质不同。”巫江在接受《中国科学报》采访时解释说。发射的信息只有0和1两种状态,但是经过编码的可见光波就可生成不同组合的编码,传递复杂的信息。“如果遮挡光线是0,无遮挡是1,那么可见光在人眼无法捕捉的快速闪烁中就可完成信息传递。”

在中国科学院半导体研究所可见光通信实验室中,一盏暖白色的灯在白天也亮着。它负责的不仅仅是照明,还将房间内的电脑、空调、电视等电器连接在一起,只需呼唤智能音箱,使用者便可借助灯光随意控制房间内任意电器。其秘密就在每个电器终端安装的一个小小接收器上。“你看我用手遮挡接收器时,智能音箱便无法将指令传过来。”中国科学院半导体研究所光电子研发中心研究员陈雄斌在接受《中国科学报》采访时进行了可见光智能家居系统的功能演示和原理讲解。

作为实验室负责人,他早在2008年就开始从事可见光通信技术研究。团队经过夜以继日的攻坚克难,先后在2009年的中国国际工业博览会和2010年的上海世博会上公开展示可见光通信技术研究成果。2017年,通过主持可见光通信国家重点研发计划项目,陈雄斌逐步将可见光通信技术工程化并进行了商业化推广。

在他眼中,可见光通信的劣势也是优势。“很多人担心光线容易被遮挡,影响信号传递,但反过来想,光是直线传播,虽然无法穿透不透明的阻隔,但如果在光线直射下,信号则会更强,而且保密性更佳。甚至即便是充当可见光发射点的两盏很近的灯,也不会互相产生影响,反而会因为两个点直射的信号覆盖范围不交叉而保证了很好的通信信噪比。”陈雄斌认为,可见光通信的信号使用安全性高、可见易控,靠透镜和灯罩就可以灵活控制信号覆盖区域,同时能通过肉眼观察信号覆盖区域,并能有效防止信息泄露,是保障室内人口密集区域通信容量的最佳选择。

就目前研究结论看,LED可见光通信除了信号光源发射功率高的优势外,还可以省去再额外拉线安装互联网接口的麻烦。且相较于电磁波而言,可见光没有辐射的隐忧,使用起来更安全。此外,像医院、核电站和空间站等对电磁干扰有严格限制的场合,可见光通信也能派上用场。由此,可见光通信既解决了无线频谱资源拓展的问题,也解决了能源环保问题。

为什么是LED

既然可见光通信具有独特的优势,那么为何白炽灯年代不推广可见光通信技术,而非得是LED时代呢?受访专家解释说,首先,LED具备多方面的优势,例如使用寿命长、安全可靠以及节能度高等,被普遍认为属于下一代主流照明技术;其次,用固态半导体芯片作为发光材料的LED,更容易被人“控制”。

而让LED成为可见光通信的载体,先要解决的是光信号接收问题。在LED可见光通信系统中,存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰,同时随着传输距离的加大,接收机接收到的信号十分微弱,因此需要更灵敏的接收器,同时要对信号进行前置处理,摒除干扰。

之后需要解决的就是调制、编码以及解调技术问题。目前,LED可见光无线通信系统大多采用强度调制的直接检测非相干系统,编码方式大多为二进制开关键控(OOK)编码,传递效率较低,也可以采用光学组编码形式如脉冲位置调制来达到更高的发送速率。

另外,还需要码间干扰克服技术支持。在室内LED可见光通信系统中,LED光源具有较大的发射功率和宽广的辐射角,光线分布在整个房间。OOK编码器输出的矩形脉冲在传播过程中,由于LED单元灯分布位置不同,以及大气信道中存在的粒子散射,导致了不同的传输延迟。光脉冲会在时间上延伸,每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内,产生码间干扰(ISI),此时就需要采用抗扰动滤波器的相关电平编码,降低ISI的影响。

随着研究的深入,除了最初的白光LED,国内外研究人员也对RGB LED、OLED、Micro LED,以及激光灯都进行了相关研究。

陈雄斌开始研究时也曾遇到过灯光闪烁、通信速率低等问题。但在其团队不懈努力下,能用室内照明最常用的荧光型LED做高速可见光通信成为了他们的技术特色。2014年,他们在Optics Express期刊上发表的成果显示,OOK调制速率可达550Mbps;2020年,在荧光型LED为光源、PIN管做探测器的前提下,OOK调制速率达到1.2Gbps、传输距离3.4米时,没加检错纠错时平均误码率1.61×10-5,系统的3dB带宽已经拓展到了498MHz。

未来可期

“随着环保节能减碳日益受到重视,半导体照明的应用也日益广泛。传统LED相对成本较低,虽然目前LED的主要赛道还是显示器与照明器材,但是随着通信技术的积累与材料的拓宽,可见光通信未来的应用场景将越来越广泛。”巫江说。

在论文中,巫江与其他作者设想了几种可见光通信的应用场景。例如,像自动驾驶这样对延时要求严格的短程通信集成组件,或者柔性生物传感器,再或者水下通信,以及用于精确跟踪和定位的物联网传感器和室内数据服务等。“我个人认为,可见光通信将在原来的电磁波无线网技术解决方案基础上提供更多的新内容,是增量的过程,而不是简单地重复现有的技术。”巫江举例说,“不久前郑州遭遇内涝时,基站罢工,手机信号全无,造成出行困难。如果可见光照明可以应用,那么只需要在高楼上安装灯塔就可以作为紧急的数据连接点,用于应急通信。如果遭遇大面积停电,使用无人机替代也可。”

不仅如此,如果将可见光与柔性织物相结合,那么柔性织物在进行显示的同时也可以成为无线网的发射或者接收方。

“既然光能传递信号,那么以后的电视广告,也不再需要在屏幕上显示二维码,有购买需求的观众只需打开摄像头就能自动扫描到电视机背光源传递的隐形产品链接。”陈雄斌说,“我希望可见光通信有更大空间施展拳脚,例如在金属密闭空间内,电磁波因为强反射可能会产生严重干扰,但是可见光不会,希望有机会与有需求的机构合作,拓宽可见光通信的应用范围。”

最后,巫江表示,虽然可见光应用领域广泛,但是信号发射器与接收器等元器件的集成、如何与现有平台更好地融合,以及国际应用标准的建立等都需要时间。https://t.cn/A6IePpxe

个人防护第一重要

昨天(八月九日)下午晚些时候,武汉大型商场“宜家—荟聚”突然封控全体核酸检测的消息在网上传开。后来得知,是因为一例核酸检测阳性者去过购物和进餐,所以迅速行动进行核酸检测筛查,并将根据阳性者行动轨迹和检测结果,迅速采取相应措施。这个突击检测还是很人性的,据说提供免费晚餐和车送。

今天(八月十日)检测结果公布,没有一例阳性,“宜家—荟聚”恢复正常营业。

武汉市在这一波疫情防控中行动中,“早发现”的果决和迅速,又一次给人留下深刻印象。

另据消息,截止8月9日,武汉已经征集并使用了三万多隔离房,另有近万隔离房正在征集中。武汉在疫情防控的“早隔离”方面,决心和力度之大,同样令人为之动容。

很明显,在疫情防控的“早发现和早隔离”方面,武汉把“早”又向更“早”大大推前了。

以前的“早发现”,最早都在核酸检测结果出来后。现在,不等检测结果,凡活动轨迹“红码”或“黄码”的,都采取相应的隔离措施。

自然,“早隔离”也就推前了。所以,武汉目前查出50多个病例,就隔离了三万多人,封控了一百多个小区。

武汉市民对严格的防控措施,给予了积极配合。因为大家都既明大道理,也懂小道理。

大道理是,对新冠病毒,确实不能有侥幸心理。如果给它生存发展空间,放弃严防严控而想着与它共生,它一定会变本加利地压缩人类的生存发展空间。

印度以为自己已经战胜疫情,放松了防控,结果纵容出来个德尔塔。美国自恃有好疫苗,指望不必再防控,就可以恢复正常生活。结果是疫情大规模反弹。而可以预知的进一步后果也不言自明:美国松弛出来的大规模新疫情,势将为世界“贡献”出新的、让疫苗越来越没办法的变异病毒。

小道理是,这回来的德尔塔,太邪乎。防控只能严而再严,否则,可能就防控不住了。

现在,武汉市民都希望通过严厉的管控,尽快扑灭此波疫情,回归正常生活。

其实,社会防控固然重要,也可以指望。但更为重要的,还是个人防护。如果人人都在个人防护方面对自己更严厉起来,让每个人的防护都不给病毒机会,则社会防控的胜利必将尽快到来。

已公布的武汉确诊病例流调情况,虽有些具体细节如在某个传染点戴没戴口罩未明其详,但还是看得出来,被感染与戴没戴口罩有着很大关系。说明疏于个人防范,正是造成疫情扩散的重要或主要原因。

但现在的问题是,在个人防护这一块,还是有人疏于防范,没有跟上整个社会严控的节奏。

我现在是非必要不出门。但偶尔的必须性出门,在戴口罩这方面,就看到过不靠谱的。

有一次乘公汽,前几排一个人,把口罩拉到下巴下面,在车上高谈阔论。我提醒他把口罩戴好了。坐后一排的一位乘客,很厌恶地看了这人一眼,马上转移了座位。

还有一次排队购物,听到后面两人在谈天。无意中回头看,发现其中一位居然是把口罩拉到了下巴下面在讲话。也是我提醒他把口罩戴好了。但因为我站在他们前面,心里别扭了好几天。

再还有那更离谱的,公共场所,正常呼吸,他戴着口罩,要咳嗽打喷嚏擤鼻涕吐痰时,他反而把口罩摘了。遇到这样的人,我提醒都来不及,赶紧“退避三舍”走人了事。

出门不多,就看到这些不好好防护的。如果用概率计算,武汉市会不会是很大个数字?但愿不是。真的有这么多人都把个人防护不当回事,那还得了?

疫情防控,个人防护是第一防线,也是第一重要。希望大家都对自己严厉一点,个人防护措施宁多勿缺,宁过勿短,决不可任何松懈。

另外,除了自己搞好防护,还有必要有责任督促他人。

我的经验表明,看到有人做得不好,不到位,给予及时提醒,一般都会被接受,也都会得到马上纠正。所以,自觉督促别人加强防护,纠正失误,作为人人加强防护的内容之一,不但需要提倡,也是可行的。

李显龙的忠告之所以引发热议,是因为我们传统文化丢失的太久太彻底的原故 ,大家的思维西化日久,看待事物的逻辑过于简单,非彼即此非敌即友非黑即白非对即错,更多的是关注二点的转变,而忽视了漫长的转化的过程。
旧的平衡一旦失衡,转化就会发动,这是一个漫长的过程,该过程极度危险充满了变数,它会以任何可能的方式转化,不受外部环境和力量的控制,认为一切可控并向有利于自己的方向转化,简直就是痴人说梦!这也是现代人类自以为是所结的恶果。
转化已经开始,新的平衡已经在酝酿中,我们人为的努力只是能延缓新平衡的到来,尽最大努力优化平衡结果,至于说迟滞这一过程并且阻止这一新平衡的到来,以我们人类现有的修为根本就做不到!
我个人认为,我们现在能做的恰恰是要加速这一过程,既然已经不可逆转,那不如就放手干点什么。
新平衡所付出的昂贵代价是肯定要付的,但不一定是战争的形式,美国肺炎在爆发初期我就明确的说过,该病毒可能就是那支优胜劣汰的手!就像几百年前玉米和土豆没有传入中国之前,中国人口的极限是八千万,一逼近这一数学,粮食这个看不见的手就开始进行调节,周而复始。
抗疫——是现在最重要的事情,把这事做好了,我们就有了出来收拾残局的资格。


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