可见光通信关键技术全解
可见光通信系统的工作原理
可见光通信系统的工作原理一、引言可见光通信系统是一种新兴的无线通信技术，利用可见光传输信息的原理，实现高速、安全、可靠的数据传输。
本文将深入探讨可见光通信系统的工作原理，包括组成部分、信号传输原理、应用场景等。
二、可见光通信系统的组成部分可见光通信系统主要由光源、调制器、传感器、接收器和处理器等组成。
2.1 光源光源是可见光通信系统的核心部件，主要负责产生可见光信号。
一般采用LED或激光二极管作为光源，具有较高的光效和调制速度。
2.2 调制器调制器将需要传输的数据信号转换为可见光信号，常见的调制方式有频闪调制、亮度调制和颜色调制等。
通过改变光的亮度、频率或颜色来传递信息。
2.3 传感器传感器用于接收环境中的光信号，并将其转换为电信号。
传感器的性能直接影响到整个系统的接收能力和传输速度。
2.4 接收器接收器接收传感器传输过来的电信号，并将其转化为原始数据信号。
接收器的性能对信号重构和解码起着至关重要的作用。
2.5 处理器处理器负责处理接收到的数据信号，进行解码和错误纠正等操作。
处理器的性能决定了系统的数据处理能力和速度。
三、可见光通信系统的信号传输原理可见光通信系统利用光信号传输信息，其主要传输原理是通过调制光信号来传递信息。
3.1 频闪调制频闪调制是可见光通信系统一种常见的调制方式，通过改变光源闪烁的频率来传输信息。
具体而言，高频率的闪烁表示二进制数字1，低频率的闪烁表示二进制数字0。
3.2 亮度调制亮度调制是通过改变光的亮度来传递信息。
亮度较高的光表示二进制数字1，亮度较低的光表示二进制数字0。
3.3 色彩调制色彩调制是通过改变光的颜色来传递信息。
可以使用不同的光源或带有不同颜色的滤光片来实现颜色的调制。
四、可见光通信系统的应用场景可见光通信系统在许多领域都有广泛的应用，包括室内通信、室内定位和环境监测等。
4.1 室内通信可见光通信系统可以用于室内无线通信，取代传统的Wi-Fi技术。
由于可见光通信系统在频谱资源和安全性方面的优势，它能够提供更高的通信速度和更可靠的数据传输。
基于LED的可见光无线通信关键技术研究
结论：传输距离对 LED可见光无线通信 性能有显著影响，需 根据实际需求选择合 适的传输距离
通信安全：LED可见 光无线通信采用加密 技术，确保通信内容 不被窃取。
数据完整性：采用校 验码等技术，保证数 据传输的完整性。
抗干扰能力：LED可见 光无线通信具有较强的 抗干扰能力，能够抵御 其他无线通信设备的干 扰。
性能比较：与其他无线通信技术相 比，LED可见光无线通信在能耗和 效率方面的表现
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效率评估：LED可见光无线通信系 统的效率取决于数据传输速率和误 码率
优化策略：针对能耗和效率的优化 策略，如采用高效率的调制解调技 术、优化系统结构等
高速调制与解调技术
多径干扰与信道均衡技术
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LED可见光无线通信技术具有高速、 安全、抗干扰等优点，可广泛应用 于室内无线通信、物联网等领域。
LED可见光无线通信技术具有低成本、 低能耗等优势，可与其他无线通信技 术互补，共同构建未来的无线通信网 络。
高速传输：LED可见光无线通信技术可以实现高速数据传输，具有较高的带宽和传输速率。
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未来展望：未来，随着5G、6G等新一代通信技 术的发展，可见光无线通信技术有望在更广泛的 领域得到应用，如室外通信、远程通信等。
发射器：将信号转 换为光信号
调制方式：采用调 制技术将信号加载 到光载波上
光源：采用LED作 为光源，实现高速 传输
光学天线：将光信 号定向发射到接收 端
信道传输系统是LED可 见光无线通信系统的重 要组成部分，负责将信 号从发送端传输到接收 端。
定义：将高速数据流分割成多个低速数据流，并分别调制到多个载波上，实现并行传输
可见光通信
可见光通信简介可见光通信是一种通过利用可见光频谱进行数据传输的无线通信技术。
相较于传统的无线通信技术，如WiFi和蓝牙，可见光通信具有更高的安全性和较低的电磁辐射。
它利用可见光的波长范围进行数据传输，通过调制光源的强度或频率来传输信息。
可见光通信技术在室内定位、智能照明和无线接入等领域有广泛的应用。
原理可见光通信的原理是利用光的强度或频率来传输信息。
光源通常使用LED灯作为发射器，接收器则是通过光敏电池或光电二极管来接收信号。
强度调制在可见光通信中，一种常见的方法是采用强度调制来传输信息。
通过改变LED灯的亮度，可以模拟二进制的0和1。
当灯的亮度较高时表示1，灯的亮度较低时表示0。
接收器通过光敏电池或光电二极管将光信号转换为电信号，并进行解码。
频率调制另一种常用的方法是采用频率调制来传输信息。
LED灯的频率可以通过改变LED灯的驱动电流或使用PWM调制来调节。
通过调整频率的高低，可以表示不同的数据位。
接收器通过光敏电池或光电二极管感知光信号的频率，并进行解码。
优势可见光通信相比传统的无线通信技术具有一些明显的优势：1.高安全性：可见光通信的信号只能在可见光范围内传播，无法穿透墙壁，这样可以避免信号被窃听和干扰。
2.低电磁辐射：传统的无线通信技术在通信过程中会产生较强的电磁辐射，而可见光通信使用的是可见光频谱，电磁辐射较低，对人体健康无害。
3.广泛的应用领域：可见光通信技术可以应用于室内定位、智能照明和无线接入等领域。
在室内定位中，可以利用LED灯作为信号源，通过接收器获取位置信息；在智能照明中，LED灯可以不仅仅用于照明，还可以作为通信设备；在无线接入中，可见光通信可以提供高速、安全的无线网络连接。
应用案例室内定位可见光通信可以用于室内定位系统。
室内定位系统通过使用多个LED灯作为信号源，结合接收器，可以实现对人员或物品在室内的实时定位。
通过分析接收到的信号强度，可以确定接收器与每个LED灯之间的距离，进而得出定位信息。
可见光通信技术处理
可见光通信技术处理1. 可见光通信技术：介绍与应用现状近年来，随着智能手机、可穿戴设备和物联网的快速发展，对无线通信技术的需求越来越高。
传统无线通信技术如蓝牙、Wi-Fi、4G等已经不能满足人们的需求。
其中，可见光通信技术（Visible Light Communication，简称VLC）成为一个备受关注的新兴技术，其原理是通过LED等光源进行通信，具有宽带、安全、可靠、环保等特点，被视为未来无线通信的重要方向之一。
本文将介绍VLC技术的基本原理、应用现状及未来发展趋势。
2. 可见光通信技术的基本原理VLC技术是利用LED等光源进行数据传输的方法，通过相位、频率、波长等调制技术将数字信息转换为光信号，并将其发送到接收器进行解调。
相比传统的无线通信技术，VLC技术具有以下几个显著特点：- 宽带：VLC技术可以利用可见光的巨大频谱，实现高速率的数据传输。
目前的VLC技术已经可以达到数百Mbps的速率，甚至可以达到Gbps级别。
- 安全：由于可见光无法穿透建筑物和障碍物，因此VLC技术可以有效避免数据泄露的风险。
此外，由于光信号的传输距离有限，也可以减少对无关设备的干扰。
- 环保：VLC技术使用的是LED等绿色光源，不仅可以大大降低能源消耗，还可以避免电磁污染。
3. 可见光通信技术的应用现状目前，VLC技术已经在多个领域得到了应用，尤其是在室内定位、车联网、医疗和室内导航等方面表现突出。
- 室内定位：VLC技术可以利用灯光进行定位，通过灯光的强度和位置等信息，可以精确地确定人员和设备的位置，为室内导航和安全监控提供支持。
- 车联网：VLC技术可以通过车灯进行通信，实现车辆之间的数据交换和信息传输，可以提高车辆之间的交通安全，并帮助用户更加智能地管理车辆。
- 医疗：VLC技术可以通过照明进行医疗监测，可以实现对病人的心率、血压等重要指标进行实时监测，并及时报送医生，为患者提供更好的医疗服务。
- 室内导航：VLC技术可以通过灯光进行导航，通过灯光的闪烁和颜色变化等信号，可以引导用户到达目的地。
可见光通信 数字通信文献综述
数字通信文献综述：可见光通信的关键技术和应用第1章可见光通信概述一、背景和概念光通信的发展最初是从可见光通信开始的，比如旗语以及古代军事上的烽火狼烟都可以看做是可见光通信的最原始形式，但是在现代通信中，由于缺乏实用的光源和高信道衰落，所以在光纤出现后，发展方向迅速转向光纤通信。
本世纪初，随着短路无线通信的兴起和基于固态新型照明的大功率LED的不断发展，人们提出了可见光通信（Visible Light Communication，VLC），VLC的理论基础在于通过让LED 通/断切换的足够快以至于人眼无法分辨从而来传输数据。
在足够先进的技术支持下。
每种新的LED灯也能以有线方式接入网络，是室内任何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担，形成了新的短距光无线通信的应用。
白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。
利用这种技术做成的系统能够覆盖灯光达到的范围，接收设备不需要电线连接，与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。
二、主要发展过程2000年，日本庆应大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama提出利用LED灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。
2002年，Tanaka和Komine等人对LED可见光通信系统展开了具体分析，并于同年正式提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统。
2008年，在东京国际电子展上，日本太阳诱电公司向全世界首次现场展出了白光LED的通信系统，当时，它的最大传输距离仅20cm。
2009年，牛津大学的Brien等人利用均衡技术实现了100 Mbit/s的通信速率，并与次年展出了室内可见光通信演示系统，利用16个白光LED通信，完成了4路高清视频实时广播。
可见光通信技术
特点
1.无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、 昂贵、但效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮 助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率 只有5%。相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽， 尤其在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只 要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可 让灯泡变成无线网络发射器。
特点
2.该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线， 信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影 响通信速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号 敏感的医院等部门可以自由使用该系统。而且，光谱 比无线电频谱大10000倍，意味着更大的带宽和更高 的速度，网络设置又几乎不需要任何新的基础设施。
应用
应用
未来飞机上也能打电话 乘飞机“飞在天上”的数小时处于现代通讯覆盖“盲区”，会给生活、工作带 来不便。LED“光通讯”设备同样能很好地解决这个难题。在飞机飞行期间， 手机发出的无线信号会干扰飞行员与机场无线电的联系，还会干扰飞机罗 盘(飞机航向)的正确性，而LED光源所发出的可见光波段就不存在这样的隐 患，旅客可以通过座位上方的阅读灯发射，不仅可以实现打电话，带个平 板电脑上网也将不是难事，届时飞机将和火车一样，结束乘客的无通信时 代。
应用
“光通讯”运用于日常生活中 今年宽带上网速度从原先的2M免费提升至4M，而一般光纤宽带的网速也 只有上百兆，LED光通讯在家庭广泛运用后，网速上限可达几百M甚至上G， 远远超乎目前的水平，届时，在家看视频、下载电影再也不会有“卡”的现 象。和家庭无线路由器所发出的信号一样，LED光源发出的信号适用于几十 米内的短距离通信，这样就省去家里纷繁复杂的线路问题，打开一盏LED灯， 室内的电脑就可以高速上网，不需要任何无线路由器，屋里其他的电视、 热水器、空调也可以自动控制。
可见光通信的关键技术及应用浅析
• 188•白光LED 具有使用简单、价格便宜、寿命长等特点，是主流照明技术。
基于白光LED 的可见光通信技术由于兼具照明和通信功能，得到了业界广泛的研究和关注。
本文简单介绍可见光通信技术概况，分析了可见光通信的原理及关键技术，最后总结了可见光通信技术的应用。
1 可见光通信技术概况目前，通信行业是现代人最为基本的社会生活需求，人们对无线通信的需求呈井喷式的增长。
2015年，全球移动通信的用户超过了34亿。
无线通信技术发展至今，无线电的频谱资源已经越来越少，需要找到一种新的载波频段。
可见光波段属于空白波段，如图1所示，目前没有被占用，故不需要授权许可，因此有效的解决频谱资源短缺的问题。
白光LED 具有结构简单，价格便宜，寿命长等特点，广泛用于中短距离的通信系统。
可见光通信技术(VLC 技术)是利用白光LED 作为光源，将照明和通信结合的一种技术。
与其他无线通信技术对比，VLC 技术除了不需要无线电频谱认证，还有绿色环保、没有高频电磁辐射、不伤害人体应用场景广泛等特点，因此成为了国内外研究的热点技术。
图1 频谱资源示意图2 可见光通信原理如图2所示，可见光通信系统是由发送机、无线信道和接收机构成。
发送机主要由光源和调制器组成，由于LED 器件具有高速调制和响应时间短等特点，把LED 作为发送机的光源，需要传输的数据经过调制器将数据高速到适合光源传输的信号，TX 前端将调制后的数据比特流加载到光载波上，此时光载波的变化将随着数据比特流的变化而变化，实现电光转换。
接收机主要由光检测器件和解调器组成，光电检测器件的功能是实现光电转换，RX 前端的作用滤掉噪声，放大转换后的电信号。
解调器的作用是处理这些信号并恢复出最原始的数据。
图2 可见光通信系统模型3 可见光通信的关键技术3.1 LED的非线性效应问题LED 虽然具有高速调制等特点，但其调制带宽有限，且自身频谱也较宽，P-I 特性存在非线性效应，如图3所示。
可见光通讯的实验技术与传输算法
可见光通讯的实验技术与传输算法可见光通信（Visible Light Communication, VLC）作为一种新兴的无线通信技术，利用光波进行通信传输，正逐渐受到广泛关注。
相较于传统的无线通信技术，如Wi-Fi和蓝牙，可见光通信具有更高的传输速率和更安全的数据传输。
一、实验技术：在可见光通信的实验技术中，最常见的是基于白色LED的通信系统。
白色LED具有快速开关特性，可以通过频闪的方式传输二进制数据。
实验中，发送端通过控制LED的亮暗来表示数字0和1，接收端通过光敏电阻或光电二极管接收到光信号后，进行数字信号解码。
除了白色LED，其他颜色的LED也可以用于可见光通信实验。
例如，红色、绿色和蓝色LED可以分别表示不同的数据传输通道，通过同时开启多个LED，可以增加数据传输的吞吐量。
另外，还可以采用频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）和时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）等多路复用技术，在不同光通道间实现并行传输。
二、传输算法：在可见光通信中，传输算法对于保证数据传输的可靠性和效率起着重要作用。
一种常用的算法是基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）的调制技术。
OFDM将高速数据流分成多个低速子载波，并将数据流并行传输，从而提高传输速率和抗干扰能力。
另一种常用的传输算法是多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）技术。
MIMO利用多个发射天线和接收天线，通过多径传播效应，利用空间分集和空间复用技术，提高传输速率和系统容量。
通过合理安排发射天线和接收天线的位置，可以获得更好的信号覆盖范围和抗干扰能力。
此外，可见光通信还可以结合其他无线通信技术，如无线射频（Radio Frequency, RF）通信和红外通信，构建混合通信系统。
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lm/W,其发光效率(流明效率)已经超过白炽灯。白光LED的光效超过100 lm/W
并达到200lm/W(可以完全取代现有的照明设备)可望在不久的将来即可实现。
关键技术
光源
目前制造白光LED的方法主要有两种 ：
一种是利用黄色荧光粉将蓝光LED所发的 蓝光转换成双波长的白光。其中基于荧光 粉的白光产生方法因其生产过程和封装技 术均较简单，成本相对更低，所以是目前
4-DPPM 波形
差分脉冲位置调制
关键技术
调制解调技术
变 脉 冲 位 置 调 制 (Variable Pulse Position Modulation，VPPM)调制方式如图所 示，VPPM是IEEE 802.15.7标准中推荐的调制方式之一，结合了脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)和 2-PPM调制的特点，通信时使用 2-PPM，明暗控制时使 用PWM。
LED可见光通信是基于可见光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)比 荧光灯和白炽灯切换速度快的特点，利用配备LED的室内外大型显示屏、 照明设备、信号器和汽车前尾灯等发出的用肉眼观察不到的高速调制光 波信号来对信息调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收 光载波信号并获得信息。
开关键控
关键技术
调制解调技术
脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)方式如图所示，将b个原始数据 信息映射到 2b个时隙中去，接收端通过判断脉冲在时隙中位置获得携带信息。2b-PPM 占空比可表示为 2-b，当b较大时，占空比很低，所以b很大时的PPM调制不适合可见 光通信系统使用。与OOK类似，其数据传输速率也受到LED开关速度限制，当b很大 时，系统数据传输效率非常低。由于在接收机需要时隙同步和码元同步，PPM收发机 结构较OOK收发机复杂。
链路不同数据量和通信质量要求进行自适应的调制；方便与多址技术结合等。其
面临的主要挑战在于如何将信息有效地加载到OFDM载波上，以及如何对LED的 非线性进行补偿。 正交频分复用
结束语
可见光通信实现照明和通信2个功能，具有传输 数据率高、保密性强、无电磁干扰、无需频谱认证 等优点，与LTE、WiMAX、Wi-Fi和蓝牙存在互补 关系，而不是所谓的替代无线传输技术。可见光通 信是当前的研究热点，特别是在如何延长传输距离、 自动方向对准和降低设备成本等方面。如果能成功
关键技术
调制解调技术
为了尽可能提高系统的数据传输速率，需采用额外的措施来缓解系统带宽 受物理器件限制的影响，有效的缓解措施可总结为两类，一类是使用附加元件 或使用均衡技术来缓解，具体方法包括在接收端使用蓝色滤波片滤除响应速度 慢的黄光元素、在LED的驱动电路模块中使用预均衡技术以及在接收机端使用 后均衡技术；第二类方法是使用效率更高的调制技术，即一个发送符号可传递 尽可能多的信息。
4-PPM 波形 脉冲位置调制
关键技术
调制解调技术
子载波脉冲位置调制(Sub-Carrier Pulse Position Modulation，SC-PPM)调制方式 如图 所示，SC-PPM是日本可见光通信标准中所推荐的调制方式，在PPM的基础上用 子载波进行信息传输。
SC-4-PPM 波形
解决这些问题，那么可见光通信将发挥巨大潜能和
优势，成为无线通信领域一个新的亮点。
可见光通信关键技术
什么是可见光通信技术
什么是可见光通信技术
无需WIFI信号，就可在路灯下花0.2秒的时间下载一部电影
特点
室内通信，或设置 可见光不能透过的 障碍物
目前全世界的电灯泡数 量约有140亿盏，实际上， 这也意味可能成为互联 网接入点的数量。
VLC特点
宽频谱 它的泛在性能对当下 无线通信覆盖的盲区进行填补， 比如在无线受限（医院、机舱、矿井等）、 传输时媒介或障碍物的深度衰减环境（地铁、 隧道）、用户高度密集区、舰船舱内这类无 线通信非常不畅的地方采用LED光源进行通 信。
VPPM 波形 变脉冲位置调制
关键技术
调制解调技术
VPPM 调制技术考虑了闪烁缓解和明暗控制功能，但是其数据传输速率 也是受率会大幅降低， 从而数据传输速率也将减小，所以使用 VPPM 调制的室内可见光通信系统需 要在数据传输速率和明暗控制范围之间进行折中。
目前应用到可见光通信系统中的调制方式包括开关键控、脉冲位置调制、
差分脉冲位置调制，子载波脉冲位置调制，变脉冲位置调制，色移键控和正交 频分复用等，以下将对目前可见光通信系统中的调制进行简要介绍。 开关键控 脉冲位置 调制 子载波脉冲 位置调制 差分脉冲 位置调制 变脉冲 位置调制 正交频分 复用
关键技术
变脉冲位置调制
关键技术
调制解调技术
正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Technology, OFDM）被证明在高速通信情况下可有效抑制码间干扰（Intersystembol Interference, ISI）。该技术的优点在于，将数据进行串并转换后同时传输，在时 域上符号持续时间得到增加，能够减少信道时域弥散产生的ISI，并可通过插入循 环前缀的方法进一步消除信道ISI；具有较高的频谱利用率；调制解调过程中的快 速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换随着DSP技术的发展易于实现；可根据上下行
主流白光LED生产技术。但荧光粉作用会
引入额外的时间延迟，直接影响LED光的 上升和下降时间，最后将导致LED的调制 带宽下降。
关键技术
光源
目前制造白光LED的方法主要有两种 ：
另一种方法是将红光(波长约 626nm)、绿光(波长约 525nm)和蓝 光(波长约 470nm)按照一定的比例 结合，合成白光(或者其他颜色光)。
子载波脉冲位置调制
关键技术
调制解调技术
差分脉冲位置调制调制(Differencial Pulse Position Modulation，DPPM)方式如图 所示，通过去除PPM调制波形中多余的时隙，DPPM的带宽效率较PPM高，但也受系 统调制带宽限制。由于每个调制波形均以脉冲结束，所以DPPM的收发机结构会比 PPM的收发机结构简单，不需要码元同步。
现代通信理论与新技术
可见光通信关键技术
学号： 姓名：
可见光通信技术及其应用
1 概述
2 特点 3 关键技术
4 结束语
什么是可见光通信技术
LED与白炽灯的性能比较
LED高速的响应特性使得在照明的同时进行高速通信成为可能——
可见光通信（VLC）应运而生。
什么是可见光通信技术
可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段 的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直 接传输光信号的通信方式。
调制解调技术
开关键控(On-Off Keying，OOK)属数字基带调制方式，按照控制方式的差异， 可细分成非归零开关键控(Non-Reture-to-Zero OOK，NRZ-OOK)和归零开关键控 (Reture-to-Zero OOK，RZ-OOK)。下图 给出了NRZ-OOK和RZ-OOK的调制波形， NRZ-OOK光源开启表示“1”，光源关闭表示“0”。而RZ-OOK则每个脉冲结束都 回归到零电平，所以RZ-OOK的带宽要求高于NRZ-OOK，考虑到LED开关速度的限 制，NRZ-OOK比RZ-OOK更适合于调制带宽受限制的室内可见光通信系统。
每秒十兆至几十兆
可见光频谱的宽度可达到射频频谱 的1万倍。基于LED的可见光通信具有 宽频谱、无需频谱使用许可证，有LED 的地方就可能有通信——Lifi
关键技术
光源
室内可见光通信系统的可见光光源是在满足用户的照明要求的基础上实 现通信功能，由于白炽灯、日光灯和LED等常用人造光源在硬件结构上的不 同，并非所有类型的光源都适合作室内可见光通信系统的光源。 作为室内照明设备,它必须具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等 特点。另一方面,作为光通信系统的光源,它必须具有使用寿命长、调制性能 好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上两个方面,目前能满足要求 的最好选择就是白光LED。 目前,商品化的大功率白光LED功率已经达到5 W,发光效率也已经达到50