#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

人类的第二次飞跃系列(之二)
宗教与科学的二度重合
序 言
我不是什么伟大的科学家,我只是世俗社会中一个基本细胞,以我的俗目与陋见,依托人类天生的灵感,有积累,似乎又有些顿悟的得到了些许人类进步的故事,并忠实于自己,把它记录了下来。这就是这部书成书的背景。
宗教与科学的二度重合
第二次飞跃不是一个瞬忽即成的变化,它是一个渐近的过程,由发生、发展、最后生成几个阶段构成。我们现在所处的是它正在发生的历史阶段,在这历史阶段中,人类从物质生产到精神生活,从经济基础到上层建筑,从社会文化到宗教进程,在自然与科学之间,在逻辑与道德之间,在哲学与神学之上都出现了许许多多概念上的转化与实质性的变革。
第二次飞跃开始以后,人类社会的发展呼唤宗教与科学的再度重合,这是第二次飞跃发展中一个最为重要的因素,没有宗教精神指导的科学是盲目的,最终将呈现泛滥之势而不可收拾,事实上,这种泛滥之势已初现端倪(爱因斯坦等科学人物在思想上已呈现回归上帝的趋势)。
宗教是人类精神的皈依,是人类精神的家园,无可替代,也不可替代。宗教同时也是历史,是人类历史的精神侧面,是人类的精血,维系着人类物质躯壳的存续。历史的看,这精血中既产生了神灵,又产生了科学。
前面我们已经提到,在哥白尼太阳中心说之前,宗教与科学是重合的,两者的发展始终是相辅相成的。无论是从形式上,还是从实质精神上都在同一个框架下存在、发展。历史上虽然不断的出现唯心与唯物的哲学纷争,但那终究是纯理性范围的争论,没有使自然科学与宗教对立起来。似乎唯物更倾向于科学,唯心更倾向于宗教,但只是倾向而已。
在人类宗教的发展史上,宗教精神一直是种学发展的引路灯与助推器。人类对于宗教历史与宗教现象的思考,不断的引领人类向着科学探索。宗教的发展最初借助的是自然力,由于人类认知水平的浅陋而对自然现象的无法解析,为宗教提供了神秘力量的来源,但是这种“神秘”的维系是有一定的限度的。随着各种“神秘”现象的不断重复,人为的“神秘”难免会出现纰漏,自然的“神秘”越来越引发人类的思考,而随着生产力水平的发展与人类认知水平提高的交互作用,许多自然的神秘现象被解析了。这种解析事实上是对宗教的一种批判和揭发,可是为什么那时的批判与揭发没有引出科学与宗教的根本对立与分道扬镳呢?
首先,当时的认知水平虽然解析了一些神秘现象,但并不能解析宇宙生成,天地人之间的关系等等宏观领域的大问题,而这些大问题恰恰是宗教的核心问题与起源的基础,所以宗教的基础没有动摇,宗教的“愤怒”也就没有达到十分强烈的程度。
另一方面,从历史的记载与宗教的传承文献中,让我们做一个浪漫的想象与推理,远古那些伟大的先知确实有足够的睿智,他们对于自己创造的神秘和自己借助的自然神力地被揭穿、被认知,并不是采取一味消极愤怒的态度,而是由此得到了警醒,意识到自身所维护的宗教体系还存在着许多的不完整、不缜密的地方。这种不完整或不缜密如果不及时地调整和补充修订,而是一味地遮盖,自己的精神地盘与宗教的传承将面临崩溃的危险。因此,他们在一个个科学新发现的警醒中,以伟大的、睿智的胸襟与气魄,不断的完善发展了人类的宗教,以至于祂可以延续至今。由此,我们也深刻地看到,人类一切事物的发展都要遵循这种变化发展的规律,从确立到认知到修正调整后再确立、再被认知,这其中调整与修正是人类社会得以发展的最伟大的态度。如果失去了或放弃了这种不断调整、修正、自我完善的态度与作风,人类将面临死亡。
正是由于这些伟大的先知的睿智与“容耐”,再加上人类对认识自然、改造自然、利用自然的强烈渴求,使得人类的科学得以在宗教的体系中萌芽、发展与传承。科学“孕育”于宗教之中,并非真正的脱胎于宗教,而只是一种重合的关系。之所以给人以“孕育”的假象,其中微妙的原因是因为先知们是最早归纳、掌握、传承人类知识的人,这就使得人类文化的发展成形最早起源于宗教,以及宗教人士。在古代社会,大部分生产劳动者对文化是默然的,他们不重视、不渴望文化。古代的农业生产把占社会绝大部分的农民束缚在土地上,思想局限在土地中,这样就使得他们在生产劳动中发现总结出的一些科学知识或经验难以形成系统或做理论上的归纳,所以理论归纳与形成系统的责任就落在了先知们的肩上。他们发现劳动者中被反复印证的规律,有些规律虽然与宗教原则相悖,但由于它合理的存在力量,逐渐被先知们接受了,并对宗教进行调整,与之调合。这样,宗教与科学的一度重合就诞生、发展起来了。
一度重合后的真正发展阶段是在奴隶社会与中世纪农业社会时期(原始社会中晚期是开始重合的阶段),这个阶段是宗教与科学平和发展的时期,它们之间绝少拼死的冲突,但同时也没有突破性、飞跃性的进展。这也是中世纪使我们感到沉闷的原因之一,即使在人类社会政治、文化发展异常活跃的奴隶社会,我们看到更多的也只是君王政权与宗教势力争夺权柄的斗争,无论是政权的分合与宗教教派的分立,都是形式上的交替与转换,在理论与精神实质上都未出现飞跃性的变革发展。
十六世纪,哥白尼提出的太阳中心说,以大量科学事实与合理推证重重撞击着当时宗教的基础理论“地心说”。这一伟大的学说开阔了人类的视野,使人类对于宇宙空间有了崭新的认识,进入了一个飞速发展的时期,但同时由于它的确立将打碎几千年来宗教理论的基础,所以也就走上了和宗教根本对立的道路。这种根本对立的形成,枯竭了伟大先知们对科学性、物质性认知的想象力,也剥夺了他们在一度重合中享受的“科学权威”的权利。从此,人类的物质发展走上了逐步摆脱精神控制独立发展的五百年,而宗教也越来越向纯粹精神领域攀升。
事实上我们看到了这样一个结果,曾经有一度,宗教离开了与科学性、物质性的合作发展,在纯粹形而上的层面上发展,就像一枝无土之花,虽然不失水性之润,但终难结果,几尽枯萎。而科学在摆脱了宗教桎梏之后,使得人类物质生产的发展出现了较之以往的跨越性进步,这一进步持续了五百年,人类的物质生活水准得到了空前的提高。进步虽进步,但这种物质性的进步虽以它社会基础的优势地位取得了一段时间的发展成功,但空前发展中孕育的疯狂已彰显无疑。
我们看到二战以后,美国社会这个物质发展的领头羊,从政府到人民在追求物质、享受物质的时候,开始重新寻找宗教的归属感,宗教的社会地位在被冷落了几百年后,又显得日益重要起来。人们发现,随物质发展而来的许多社会问题,其产生的根本原因,其难以控制、难以驾驭的根本原因都是由于人类缺乏了宗教的归属感,失去了自己精神家园的缘故。人类本身就是一种在物质条件支持下的精神动物,祂的精神性是使祂区别于所有其他物种的根本基础,失去了精神的人类成为真正的行尸走兽仅仅是一个时间的问题。
所以说,人类社会的进步与发展呼唤宗教与科学的二度重合,宗教需要科学的支持使自己日臻完善,科学需要宗教的指引才能从日趋纷乱、几尽疯狂的发展状态中整合出一条科学的发展之路。我们应该充分认识到,人类科学的科学整合是人类自身避免物质发展产生出的负面效应的恶性膨胀爆发而摧毁人类的唯一有效途径,更是人类向一个崭新的飞跃性发展时代飞升的唯一方法。
补充资料:《人类的破坏性剖析》P331可补充入文。
2002年12月

清晨的呼唤
推开窗映入眼帘的青翠远山
浓雾缭绕下更显得如梦如幻
清新的空气随微风拂面而来
呼唤着你与我同行开启运动
嘈杂的汽笛声远处悄然回荡
天空中的流云伴日已然东升
忘记昨日那些琐事整装出发
美好明天总会赋予收获成功
熟悉的路口变幻着不同风景
默默的陪伴感受着幸福心动
河水欢悦奔腾而过泛起涟漪
一份信念编织人生情缘痴梦
走心的人懂得珍惜感恩尊重
懂爱的人懂得知足理解包容
挚守的人总是觉得时间太快
相爱的人总是觉得岁月匆匆
无话不说才是真正红颜知己
毫无保留才是真正坦荡人生
没有承诺抓得更紧方显情真
毫不动摇无悔一世蒂固根深
清晨呼唤着你与我一起翱翔
愿你我携手来共赴余生时光
缘,妙不可言2021/8/6


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