#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

“砂器”手艺成就致富产业

  “我们的砂器用的是卧龙头村的优质高岭土(坩土),纯手工制作,你看放亮光的是用天然气烧制的,颜色暗一点的是用优质煤烧制的,这几年开发了砂锅、砂罐、砂壶、砂盆多个品种,一些砂器都加装了电功能。”在前不久闭幕的第十二届中国中部投资贸易博览会上,武乡县谷邦陶瓷有限公司经理周爱平向参观者介绍说。
  武乡县谷邦陶瓷有限公司坐落在长治市武乡县洪水镇南坪村,南坪村、卧龙头村有着悠久的砂器烧制历史,最早以家庭作坊式的形式出现,以制作家用生活炊具为主,之后延伸至一些生活用品,如砂罐,砂盆、砂壶等。随着时代的进步、技术的发展,针对人们的新要求,砂器制作工艺也不断推陈出新,在品类上逐渐形成自己的品牌。
  几年前,南坪村周爱平与苏峪村郝中平合伙成立了武乡县谷邦陶瓷有限公司,安排多名贫困户就业,使贫困户离土不离乡,实现顾家挣钱两不误。

  1砂器烧制凝结智慧

  “在20世纪中后期几十年间,农村家庭都采用土炕土火,铁器因为费用高,多数家庭铁锅砂锅大小搭配着用,当时武乡砂器师傅们制作的主要品种有砂锅、砂罐、砂壶、砂盆、砂笼、砂鏊、砂火锅等。后来时兴了铝制品炊具,接着又有了电饭锅……”周爱平向记者介绍了农村家用炊具的变迁和武乡砂锅的悠久历史。据清康熙版《武乡县志》记载,武乡砂锅“兴于唐,盛于宋元,为民间主要炊具。”在清朝光绪年间,武乡砂锅曾作为贡品进入皇宫,为宫廷御用。
  据周爱平介绍,砂器烧制对土质要求较高,一般烧制采用优质的高岭土(坩土)为原料。南坪村、卧龙头村有丰富的高岭土资源,砂器技艺薪火相传,人才辈出,可以说发展砂器产业应时、应景、应人,具有得天独厚的优势。要制作出精美的砂器产品,其实也不是一件简单的事情,要经过碾土、筛土、和泥、捏坯、定型、烘干、烧制等多道传统纯手工工艺。经过这些制作过程才能做成一件完美的砂器产品。
  “砂锅是庄户人的家中宝,卧龙头砂锅自成一体,皮薄质细、内外光洁、色泽晶莹、质地坚硬、厚薄均匀、耐酸耐碱、经久耐用,具有‘煎药不变性,煮肉不变味,煮饭不变色’的特点,既滚锅快又保温时间长,具有很强的养生保健功效,早些年已远销河南、河北、内蒙、山东、甘肃等地,深受当地人所喜爱。”说起卧龙头砂器的诸多好处,周爱平脸上露出喜悦之情。

  2 精准定位“老少皆宜”​

​  ​随着时代的发展,餐具家族不断增加新成员,除传统的铁制餐具、铝制餐具外,不锈钢餐具、铜制餐具大秀家用市场。传统手工制作的砂器由于其样式单一,销路变得越来越窄。如何由粗糙实用、小作坊制作,转变为精致讲究、规模生产成为周爱平努力的方向。

  经过多方考察论证,征求行内师傅的建议,2018年9月,周爱平联合苏峪村郝中平成立了武乡县谷邦陶瓷有限公司。公司注册了“卧龙头砂器”品牌,建起了厂房,购买了新机器,聘请了手艺精湛的砂器制作师傅,聘用的新工人经过培训才可以上岗。生产规模的扩大,真正将养家糊口一门手艺变成一份致富产业。
  新厂改进了部分砂器制作的工艺流程,做每一件产品都要经过注浆、脱模、阴干、安装、晾晒、打磨、烘干、烧制等20多道工序,前后花费半个月甚至更长时间才能完成。
  为了满足顾客需求,提高市场竞争力,做大做强企业,公司在巩固传统产业的基础上,组织研发团队,积极开展技术创新,进行电功能砂器产品研发,开发了电砂锅、电火锅、电茶壶等三个系列九种产品。加上原有的传统制作砂器,谷邦陶瓷有限公司已经能生产各类砂器产品20余种,并且还可以根据客户的要求进行定制生产,深受山东、河北、陕西等省内外客户的喜爱。

  3扶贫车间百姓所爱

  为实现当地贫困群众“稳定就业、脱贫增收”,谷邦陶瓷公司勇于担当,为贫困户开辟了多个工作岗位,被县政府列为“扶贫车间”,引导贫困户在参与脱贫攻坚中通过就业走向致富路。
  “扶贫车间”主要生产卧龙头纯手工砂器制作产品,有员工68人,全部通过培训录用,思想素质和技术水平均符合标准和要求。周爱平向记者解释说:“成立扶贫车间,就是为了让村民,尤其是农村留守妇女等闲散‘半劳力’能够在家门口就业,公司正式投产后,吸纳了附近苏峪、南坪、广志、阳坡庄等村和洪水镇易地扶贫搬迁安置点等52名贫困群众就业,加上一些灵活辅助岗位,共带动贫困人口200多人。”
  这些贫困户在谷邦陶瓷扶贫车间做一个砂锅4元钱,一天下来大概每人可以做20~30个,每天能挣到100元左右。贫困户杜国峰向记者说:“我是阳坡庄人,在这里上班已经3年了,每月可以挣3000多元,还不耽误照顾家里,家里人都为我高兴呢!”
  脱贫户王效义、周先平是夫妻俩,南坪村人。丈夫在加工车间,每月可以挣3000多元,妻子在职工食堂做饭,月工资2200多元。夫妻俩守家在地不误种地,还能打工挣钱贴补家用,去年他们家光荣脱贫,成为村里的增收模范户。
  “扶贫车间”给了留守人员一个挣钱的机会,妇女们在厂里按时上下班,可照看老人和孩子,还不误拾掇自己的承包地。这种两头兼顾,又能增收致富的工作模式,真正解决了当下农村的一些隐忧,做到了留守人员的心坎里,越来越得到留守妇女们的青睐。

  科学导报记者 武竹青

柏舟
佚名 〔先秦〕

泛彼柏舟,亦泛其流。耿耿不寐,如有隐忧。微我无酒,以敖以游。
我心匪鉴,不可以茹。亦有兄弟,不可以据。薄言往愬,逢彼之怒。
我心匪石,不可转也。我心匪席,不可卷也。威仪棣棣,不可选也。
忧心悄悄,愠于群小。觏闵既多,受侮不少。静言思之,寤辟有摽。
日居月诸,胡迭而微?心之忧矣,如匪浣衣。静言思之,不能奋飞。


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