#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

【包起帆:扬起创新的征帆 | 数风流人物 】

“艰难可以摧残人的肉体,死亡可以夺走人的生命,但没有任何力量能够动摇中国共产党人的理想信念。”回顾我们党走过的百年历程,涌现出无数感天动地的英雄模范,一代又一代奋斗者顽强拼搏、不懈奋斗,他们用智慧和汗水、甚至鲜血和生命,为国家富强、民族振兴、人民幸福书写了可歌可泣的壮丽篇章。5月6日起,中国文明网推出“奋斗百年路 启航新征程·数风流人物”系列报道,一起来感悟英雄模范的崇高品格,汲取精神力量。

数风流人物

扬起创新的征帆包起帆

在位于上海第二工业大学校区内的包起帆创新之路陈列馆,参观者络绎不绝,有高校的师生,有工厂的员工……他们来到这里,都为寻找一个答案:创新的持续动力来自什么?

包起帆,从码头工人,到技术骨干、企业带头人、物流专家、国际标准的领衔制定者……在众人眼中,包起帆的人生充满惊叹号,而包起帆自己认为,他只是从未在平凡的岗位上画上创新的句号。

1987年4月9日,包起帆凭借“15吨滑块式单索多瓣抓斗”项目获第15届日内瓦国际发明与新技术展览会金奖。2015年,同一个授奖台上,他再次获得3枚国际金奖。时隔28年,港口生产实现了由人力化向机械化,由机械化到数字化,再到自动化、智能化的数次跨越,他的持续创新和卓越贡献,令主办方都惊诧不已!

而他的发明远远不止于抓斗。他参与开辟我国港口首条内贸标准集装箱航线,参与建设我国首座集装箱自动化无人堆场,积极推进国际首套全自动散矿装卸设备系统的研发,领衔制定了集装箱—RFID货运标签系统国际标准。

上海港是中国航运经济扬帆起航的见证者,而包起帆就是港口生产自动化创新的践行者。40多年来,包起帆连续五届荣获全国劳动模范称号,荣获全国优秀共产党员、第一届全国敬业奉献道德模范称号。他带领团队技术创新,获国家发明奖3项、国家科学技术进步奖3项,获巴黎、日内瓦等国际发明展金奖36项。如今,他带领团队仍奋战在创新一线。

创新就在脚下,但创新之路并不平坦,唯有孜孜以求、不断探索。

包起帆的老同事王伟平讲述了一个“三上圆珠笔厂”的故事。包起帆无意中发现圆珠笔的启闭结构正是抓斗所需要的,但如何将这个原理应用到抓斗中呢?包起帆找到圆珠笔厂希望能够看看图纸,但不是吃闭门羹就是被推脱,最终他三上圆珠笔厂,见到了图纸解开了谜团,抓斗新的启闭结构得到实现。

“如果浅尝辄止,知难而退,就没有创新的成功。其实,所有的技术革新都有一个破题、解题的艰难过程。”王伟平说,“关键是面对困难时,你是选择迎难而上,还是退避三舍,包起帆总是选择前者。”

哪里不安全,哪里效率低,哪里成本高,哪里质量要提升,包起帆就在哪里动脑筋。从业40多年中,围绕码头自动化、信息化、智能化和节能减排的需求,他的创新版图不断扩大。

2006年5月,在巴黎国际发明博览会上,包起帆发明的诸多应用获得4枚金奖,成为105年来在该展会上一次获得金奖最多的人。

包起帆提出的公共码头与大型钢铁企业间无缝隙物流配送新模式,成为资源节约型、环境友好型码头建设的优秀典范,为此,2009年他获得世界工程组织联合会“阿西布·萨巴格优秀工程建设奖”。

进入21世纪,我国成为世界集装箱港口吞吐量第一大国,但在这一领域国际标准的制定中却鲜有中国的声音,更难有拥有自主知识产权的中国发明进入国际标准。

经过数年攻坚,包起帆团队制定的中国集装箱电子标签相关国际标准——ISO 18186(2011)终于在日内瓦ISO中央秘书处正式发布。这成为我国自1978年开始参与ISO活动以来,在物流、物联网领域首个由中国发起、起草和主导的国际标准。

抓创新就是抓发展,谋创新就是谋未来。包起帆在岗位上播下创新的种子,更让团队的创新之树根深叶茂。分享成果、共同成长,是包起帆十分注重的团队发展理念。他认为,扎实的团队是创新的基础,对团队的技能培训是关键。

苟日新,日日新,又日新。包起帆践行生命不止,创新不竭。他在工作中坚持创新,就是因为发展的道路上会不断遇到新的问题,需要破除瓶颈,释放活力。包起帆说:“我们艰苦创业需要付出汗水更需要奉献智慧,要以创造性劳动为国家做出更大的贡献,我们要在创新路上继续前行。”

来源:新华社

【满满的新鲜感!#上海#花博会各展园展馆开启第一次集中换花】#花博会开启第一次集中换花# 第十届中国花卉博览会开园运营至今已有11天,记者从花博会主办方了解到,针对园内些许花卉开始凋零,这两天,除了公共区域计划的换花外,各展园展馆也进入第一次集中换展换花的阶段,为游客提供更好的参观体验。
在花博会的室内展馆,调整规模较大的属花艺馆和百花馆,这两个馆可不是简单的展品更新调整,而是参展者的更换,参展主题的更新,将完全以崭新的面貌呈现在观众面前。
主办方表示,花博会的参展内容不是一成不变的,而是持续调整更新,有的参展主题只有两周左右,有的展品只有三五天的展期。因此热忱地欢迎市民游客能抓紧来园内游赏,可以多来几次参观不同主题的展览。(东方网记者:王泳婷)详细请戳→https://t.cn/A6VChYOi


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