LED实现在阳光下稳定传输数据

妙思：在阳光下通信的 LED

在一个晴朗的下午，当阳光直射强度超过 90,000 勒克斯（lux）时，光线通常是光通信（optical communications）的敌人。然而，Tokyo Polytechnic University（东京工艺大学）的一个小型团队构建了一个能在这种环境下稳定运行的可见光链路。通过结合现成硬件——Raspberry Pi（树莓派）、运行自定义序列化器/解序列化器（SerDes）逻辑的 FPGA，以及一种专门设计的名为 8B13B 的线路码（line code），研究人员展示了在约三米距离内、速率高达 3.48 Mbit/s 的稳定户外数据传输，对于 893 位数据包，丢包率在 10⁻⁴–10⁻⁵ 数量级。

信号工程：在阳光中存续

可见光通信（VLC），有时也以 Li-Fi 为名进行市场推广，长期以来一直承诺利用照明来实现无线链路。但户外的真正挑战是双重的：环境光可能淹没光电探测器，且 LED 固有的电学和光学特性会使编码数据的波形产生畸变。这项新工作在软件和硬件层面解决了这些问题。该团队设计的 8B13B 线路码采用归零（return-to-zero）格式，并强制保持逻辑 1 和 0 的数量平衡，以抑制可见闪烁并保持同步稳定。关键在于，接收器逻辑关注光脉冲的上升沿（rising edges），而非依赖脉冲宽度，因为后者极易受到 LED 物理特性导致的与数据相关的收缩影响。这一转变使链路能够抵御那种破坏了许多户外 VLC 原型机的脉冲畸变。

在光学方面，研究人员在接收端将多个光电二极管与窄带滤光片配对，以减少来自阳光的宽带噪声。这种组合——精细编码、上升沿定时和光学过滤——让一个简单的 LED 灯在以前需要高度专业化硬件的条件下，也能充当中速数据发射器。所有关键电子元件，包括 LED 驱动器、光电探测器和 FPGA 板，都是市售产品，这使得该实验易于复现。

该实现融合了廉价的计算能力和可编程逻辑。Raspberry Pi 生成数据流并通过标准串行外设接口（SPI）将其发送到 FPGA；FPGA 则使用 Verilog 语言实现 SerDes 和 8B13B 编码器/解码器。这种架构在保持发射器简单的同时，将对定时敏感的任务交给 FPGA 处理。研究人员还发布了他们的 SerDes 源代码，为其他实验室和学生团队复现并基于此成果进行开发降低了门槛。

发布电路图和 FPGA 代码是使 VLC 成为一个开放的实验平台，而非封闭的专有技术的重要组成部分。它让学术团体、爱好者和交通实验室能够快速测试真实场景，并在统一基准上比较不同的方法。对于一种通常在严格受控的室内环境中展示的技术，这种开放性正是该领域向实际运行测试迈进所需要的。

在无线通信领域中的地位

高速 VLC 演示已存在一段时间：使用先进调制方案和专用发射器的实验室系统在短距离内可以达到每秒千兆比特（Gbps）的速率。但这些实验通常在黑暗或室内进行，并依赖专为通信而非普通照明设计的光学器件和 LED。Tokyo Polytechnic 的原型机采取了不同的路径：它牺牲了极限速度，以换取稳健性、可复现性和成本优势。虽然在几米范围内的 3.48 Mbit/s 速率慢于许多室内 Li-Fi 演示，但其在阳光直射下的稳定性令人瞩目。

可见光与无线电具有互补优势。它不会干扰对射频（RF）敏感的设备，在可见波长附近提供了极大的未利用频谱，并且可以通过照明光束进行空间约束。这使得 VLC 作为车联网（V2I）消息传递、短程传感器数据卸载或嵌入路灯及交通信号灯的信息信标的一种额外通道具有吸引力。建立混合系统模型的研究人员已提议将 VLC 与其他频段（包括太赫兹链路）结合，以便各媒介互补短板。这些混合方法强调，实际应用可能会融合多种技术，而非选出单一的胜出者。

潜在用例与实际障碍

Tokyo Polytechnic 团队在开展工作时考虑到了智能交通系统（ITS）：交通灯、路灯或路侧单元可以直接向车辆上的摄像头或光电二极管阵列广播路口状态、摄像机馈送或盲区警告。基于光的广播通道可以向附近的接收器提供高保真、低延迟的遥测数据，而不会占用拥挤的射频频段。由于原型机成本低廉且使用广泛可得的零件，市政当局和汽车制造商无需数百万欧元的基建计划即可试用这一理念。

但重大障碍依然存在。可见光需要视距（line-of-sight）或近视距传输，因此安装位置、车辆遮挡和光束引导成为了工程问题。天气和大气散射（雨、雾、尘埃）会衰减光链路；虽然窄带滤波可以应对阳光，但它无法消除雾气或微粒散射。上行链路（uplink）仍是一个待解决的设计问题：汽车和设备需要发射器或利用其他通道（射频、红外或基于摄像头的反射）来回传数据。此外，扩展到城市级覆盖范围需要稳健的多路复用、寻址和介质访问控制，这些目前仍是活跃的研究课题。

未来路径：光学、调制与标准

提高通信范围和吞吐量有明确的技术路线。光学器件（透镜和聚光镜）可以在不增加发射器驱动电流的情况下提高接收信号功率。先进的调制和多路复用技术——正交频分复用（OFDM）、波分复用（WDM）或空间复用（MIMO）——可以成倍增加容量，但也会增加复杂性。关于更高速 LED 和 OLED 的材料研究已经将实验室链路推向了千兆速率；将更好的发射器与 8B13B 系统中所使用的这类稳健编码相结合，可以缩小实验室速度与户外可靠性之间的差距。将该原型的低成本方法与光学器件及车辆集成相结合的实地测试，将展示这一理念是否能超越概念验证进行规模化应用。

标准和互操作性同样重要。对于 ITS 用途，基于光的广播通道需要一致的消息格式和面向安全的安全失效（failover）行为，以确保光链路的丢失不会导致危险的误判。该团队采用的这种可复现、开源的态度是一个充满希望的开始：它使联盟、城市实验室和行业合作伙伴能够共同迭代硬件和协议，而不是重复发明基础构建模块。

Tokyo Polytechnic 的研究结果并不是城市无线拥堵或自动驾驶汽车联网的最终答案，但它是迈向真实世界 VLC 的切实一步：这是一套描述清晰、可复现、能在阳光下存续，且能由预算有限的学生或工程师构建的套件。如果社区采纳了这些开源代码和电路设计，预计在未来两年内会看到更多旨在提升距离、稳健性并将其集成到车辆和交通系统中的后续测试。

来源

• Electronics and Signal Processing (期刊) — "使用 8B13B 码进行可见光通信的 SerDes 逻辑研究"
• Tokyo Polytechnic University — 工程研究生院（研究人员 Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida）
• University of Edinburgh — 早期 Li-Fi 研究与演示