2.2 VLC关键器件

在VLC系统中，可视光源作为信号发射器，空气作为传输介质或信道，以及信号接收设备用来接收信号。

2.2.1 发射器件

VLC的主要发射器为LED，近几年也出现了LD与SLD。

发光LED光源是一个完整的照明单元，由LED灯、镇流器、外壳和其他组件组成。LED灯可以包括一个或多个LED，还包括一个驱动电路，该电路通过控制流经LED的电流，以控制其亮度。当LED灯具用于通信时，通过修改驱动电路，实现使用发射的光实现调制数据。例如，在简单的OOK调制中，数据位“0”和“1”可以通过选择两个不同的光强级别来传输。VLC系统的一个关键设计要求是照明，这是LED灯具的主要作用，不应受到通信使用的影响。因此，VLC系统的性能也会受到LED灯具设计方式的影响。白光是目前室内应用和室外应用中最常用的照明形式，这是因为在白光下看到的物体的颜色与自然光下物体的颜色非常相似。在固态照明中，白光通过磷光蓝色LED和RGB组合两种方式产生。在磷光蓝色LED中，白光是通过使用具有黄色磷光体涂层的蓝色LED产生的。当蓝光穿过黄色涂层时，这种组合产生白光，白光的不同强度变化是通过改变磷光体层的厚度产生的。在RGB组合中，红光、绿光、蓝光适当混合产生白光。在这种方法中，使用三个独立的LED，与使用蓝色LED和磷光体相比，这增加了LED灯具的成本。由于易于实施且成本较低，第一种采用蓝色LED和磷光体的方法更常用于设计白色LED。而在通信方面，一方面，磷光涂层限制了LED的切换速度；另一方面，RGB组合更适用于通信，该方法通过三种不同颜色波长的LED来使用色移键控进行调制数据。

随着半导体技术的发展，出现了多种新材料的LED，如Si-LED、SP-LED和离轴LED。目前LED方法的主要缺点是调制带宽有限，因此需要设计高效无线技术来提高系统数据速率。例如，有研究者提出并制作了一种硅基共阳极GaN五基色LED，该LED可以提供性能更好的线性度。

LD具有大带宽，可以实现更高数据速率与长距离传输。LD需要实现和接收器之间的精确对准。但是在成本方面，LD的价格要比LED高得多，不适用于集成到大规模阵列。作为一种新兴技术，SLD结合了LD的光束方向性和LED的宽发散特性，还具有大带宽、高亮度和无斑点特性。

2.2.2 接收器件

可以使用光电探测器、光电管和成像传感器作为接收器来接收由LED光源发射的信号。

（1）光电探测器如图2.2所示：光电探测器也被称为PD或非成像接收器。光电探测器是一种将光转换为电流的半导体器件。

图2.2 光电探测器成像原理

（2）光电管：光电管是一种更大的光电探测器，用于收集尽可能多的光能，光电管检测可见光范围内的光和其他电磁辐射，如红外线。

（3）成像传感器：成像传感器也称为照相机传感器，这是一个可以用来提高数据速率的光电探测器阵列。成像传感器的“卷帘”特性可以实现接收数据的更高速率。图2.3所示为如何利用卷帘快门过程来提高数据速率。假设发射机使用了ON-OFF调制，发射器可以在比扫描一行像素所需的时间更短的时间内改变其状态，发射下一个符号。发射器首先处于开启状态，这导致第一列像素的高强度输出。在下一次实例中，它通过切换到关闭状态来改变其状态，这可以被记录为第二列像素的低强度输出。一旦扫描完所有的列，图像的所有列都可以转换成二进制数据。

接收端的PD通常为PIN和APD。PIN的成本低于APD，但是APD的灵敏度高于PIN。另外通过集成PIN阵列，可以获得比单个PIN更高的性能。

未来，在更高性能的VLC系统中，需要基于新材料的新光源、探测器与光电器件，基于新材料的VLC光源应具有更宽的调制带宽与更高的效率，VLC探测器需要提高可见光的选择性吸收。未来还需要更先进的光电器件，如外部调制器、放大器、复用器/解复用器、光开关和收发器等。