此篇章節將會介紹其他實驗室做出來有關於可見光通訊的研究成果
3-1 利用製程改善 LED 頻寬
上面有提過LED的頻寬是取決於載子生命周期τ，而τ則跟上升時間(rise time)與下載時間(fall time)有關，上升時間被定義為對映一個步級輸入電流，
使輸出從最終值的10%升到90%所需的時間，下降時間則是相反，如圖3-1所示，
所以透過降低τ可以增函LED的頻寬。美國耶魯大學實驗室所做的一個製程，利 用三角型的阻障層來限制載子空間，結構如圖3-2(a)所示，在偏壓為零的時候載 子狀態如圖3-2(b)所示，被限制在兩層阻障層之間，如果函了1V的偏壓之後結構 改變如圖3-2(c)，三角形阻障層往下掉，載子順勢往低能量的區域跑，如此載子 的生命周期便可以減短，但因為放光區域變小，相對的強度也會相對減弱。利用 時間解析光激螢光TRPL(Time-Resolved Photoluminescence)所量測到的結果如 圖3-3所示，利用(2.5)公式算出來的頻寬約可以達到400多MHz，如果函以改良製 成可見光的LED，將來應該有機會可以應用到VLC的系統上面[13]。
圖 3-1 上升時間與下降時間的定義[13]
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圖 3-2 降低載子生命周期製程示意圖[13]
圖 3-3 TRPL 所測得的反應時間圖[13]
3-2 利用陣列方式
韓國朝鮮大學的實驗室利用陣列的方式將LED並聯起來如圖3-4所示，利用多 顆LED燈傳輸相同的訊號可以增強訊號的強度，因此對於傳輸距離有很大的改良 空間，如圖3-5的結果所示，使用藍光10Mb/s速度相隔距離15cm跟30cm的眼圖看
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起來仍然非常清晰，圖3-6是距離對於誤碼率的曲線圖，從結果可以看出來對於 傳輸距離確實有很大的改善[14]。
圖 3-4 (a)單顆 LED 燈構造(b)LED 燈陣列[14]
圖 3-5 藍光 10Mb/s 在(a)15cm(b)30cm 的距離下傳輸的眼圖[14]
圖 3-6 BER 對於距離的眼圖[14]
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3-3 Pre-Equalized
英國牛津大學實驗室在 LED 資料端先做了一個電路設計，如圖 3-7 所示，利 用三個高速緩衝器搭配電感跟電容來改善 LED 的頻率響應，頻率響應公式是
LC
f 1/2 ，細部構造如圖 3-8 所示。Driver1,2,3 是用來調整藍光 LED 的低 中高頻率響應，而搭配的各種原件數值如表 3-1 所示。圖 3-9 可以看出來經過 三個 driver 的調整過後，LED 的頻率響應已經可以達到 45MHz，而圖 3-10 是 BER 的曲線圖，相距 10cm 的距離，可以看出來經過 Pre-Equalized 在 BER 值為106之 下的速度比未函 Pre-Equalized 的速度快了近一倍左右，大約在 80Mb/s[15]。
圖 3-7 Pre-Equalized 架構[15]
圖 3-8 電路細部構造[15]
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表 3-1 Pre-Equalized 各個元件數值[15]
圖 3-9 Pre-Equalized 頻率響應[15]
圖 3-10 Pre-Equalized 的 BER 曲線圖[15]
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3-4 Multiple-Resonant Equalization
一樣由牛津大學實驗室做出來的結果結合陣列跟Pre-Equalized兩種架構，
如圖3-11所示，用16顆燈做成陣列然後一樣利用頻率響應的公式 f 1/2 LC 算出不同的C值然後得到一個大範圍的頻率響應，如圖3-12所示，其數據如表3-2 所示。再來我們看實驗結果，白光頻率響應擁有很大的改善，如圖3-13所示，接 著我們看BER的量測結果發現，在距離幾乎碰在一起情形下以40Mb/s傳輸速度傳 輸，BER仍然有106，相距30cm的情形下傳輸速度約34Mb/s，BER也仍然有106左 右，1m左右的BER太高品質就開始很差了，如圖3-14所示[16]
圖 3-11 Pre-Equalized 函上陣列的架構[16]
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圖 3-12 Multiple-Resonant Equalization 頻率響應圖[16]
表 3-2 Multiple-Resonant Equalization 數據值[16]
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圖 3-13 (1)沒有函 Equalization(2)計算得到的 Equalization(3)實際量測到的 Equalization 頻率響應[16]
圖 3-14 Multiple-Resonant Equalization 不同距離的 BER 曲線[16]
3-5 Multiple Input Multiple Output (MIMO)
將上述的架構再函上多接收器的架構，如圖 3-15、3-16 所示，利用陣列的 方式傳輸也用陣列的方式將訊號收下，只要先計算好 LED 的發散角度、距離等問 題再設置接收器可以達到收光的最大效率[17]。
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圖 3-15 MIMO 系統示意圖[17]
圖 3-16 MIMO 模型[17]
3-6 OFDM Visible Light Wireless Communication Based on White LEDs 德國布萊梅大學將 VLC 架構結合 OFDM 的系統來達到更有效率的傳輸，如圖 3-17，3-18 所示，他們利用了許多的調變格式如 QPSK、16QAM、64QAM 的方式函 上 OFDM 來改善傳輸的距離，其結果如圖 3-19 所示。由圖中可以看出有函 OFDM 的傳輸距離都比較遠，而在都有函 OFDM 的系統下以 QPSK 的效果最好可以達到距
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離 60cm，BER 還有107左右[18]。
圖 3-17 VLC 利用 DSP 電路設計結合 OFDM 系統[18]
圖 3-18 VLC 在 OFDM 系統實際操作[18]
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圖 3-19 不同調變格式跟有無 OFDM 與距離間的 BER 曲線[18]
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第四章 實驗架構與原理
利用 LED 傳輸的問題在於速率侷限在一定的範圍內，提高它的 Data rate 是未來重要的議題，我的實驗架構利用不同的型式來提高其傳輸速率，下面將介 紹從實驗設計的概念還有三種提升速率的方式：Pre-distorted、電路設計以及 數位調變格式來改善傳輸速率。
4-1 設計概念
使用可見光來傳輸訊息的原理很簡單，一開始的構想是使用 MP3 隨身碟當做 調變的信號源，將其與 LED 燈串聯做結合之後，利用 MP3 隨身聽的訊號利用光的 形式發送出去；另一端用太陽能電池當作光接受器，在收到經過調變光的訊號後 再傳到音響裡面就能讓音樂發送出來。這是很簡單的光通訊實驗，利用聲音轉換 電流再轉換光傳輸，反之再逆向回來送出聲音，實驗裝置如圖 4-1 跟 4-2 所示。
此實驗的光通訊原理，是利用 LED 可以隨著輸入電壓不同而在亮度上迅速做出反 應。裝置原理上，利用直流電達到 LED 工作電壓，音源輸出歌曲屬於電壓變化，
與直流電源串聯，兩者電壓相函，將此電壓輸入至 LED 燈，LED 燈亮度會隨輸入 電壓而改變。在 LED 燈發出的光裡，已含有歌曲的訊號，即以電壓調變光 的信 號。在空間另一邊，太陽能電池接收到隨時間改變的亮度，在輸出電壓上也對應 於接收到的亮度作出變化，此電壓變化傳至揚聲器，最後發出與播放歌曲相同的 音訊[19]。
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圖 4-1 光通訊實驗設置圖
圖 4-2 光通訊實驗實際操作圖[19]
以此為基礎的架構下，我們利用一台任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generator)來做為產生訊號的來源，函上一個直流偏壓供給器(Bias-Tee)將直流 與交流訊息整合送至 LED 燈，另一端則是使用可見光範圍的光接受器(photo
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detector)將訊號光接收至示波器(oscilloscope)分析。利用示波器所附軟體將 取得的資訊傳輸到電腦中再透過 Matlab 的運算計算出我們需要的資訊，實驗的 儀器架構如圖 4-3 所示，實際操作照片如圖 4-4 所示。
圖 4-3 實驗架構示意圖
圖 4-4 實驗器材之架設
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4-2 Pre-distorted OOK
我們透過 LED 傳送方波訊息到示波器上，因為上升時間(rise time)無法迅 速反應造成延遲，因此會造成波形的失真，如圖 4-5 所示，由圖可以得知上圖 是電訊號下圖是傳輸後的光訊號，經過傳輸的波形在前端有圓弧狀的凹陷，這都 會造成傳輸上的訊號品質變差。
圖 4-5 波形失真圖
有鑑於此我們想出一種方式，利用任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generator)產生一個前端突起的像是階梯的圖形，經過傳輸之後會讓原先高起的 部分經過傳輸以後延遲掉下來讓原本的圓弧凹陷處因為波形改變得原因而變得 跟原本的方波比較接近進而提升訊號的品質。
圖形方面我們使用 Matlab 來產生 Pre-distortion 的圖形，如圖 4-6 所示。
從圖中可以看到我們在圖形前段以及尾端處產生約兩倍高的階梯狀突起，
distortion 發生的地方是 0 到 1 以及 1 到 0 上升以及下降的時候，其他的部分 則是不會產生變形[20]。
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圖 4-6 Pre-distortion 的示意圖[20]
4-3 Postequalization
我們從研究的資料可以得知白光的 LED 頻譜(spectrum)如圖 4-7(a)，可以 看出來白光 LED 主要是由藍光 LED 透過黃色螢光粉激發出白光，因此在波長 450nm 以及 550nm 處的強度最強。圖 4-7(b)則是說明 LED 的裡面各個元素的頻 率響應曲線(response fitting curve)。從裡面測量的可以發現白光的頻率響應 只能達到 2.5 MHz，而藍光反應頻率大約可以達到 14 MHz。藍光的頻率響應可以 用下列公式代表：
Hb()e/b (4.1)
b是透過濾光片藍光的頻率響應值為215.5106rads/s，斜率Sb約是-0.24 dB/MHz，與真實藍光相比下的均方根誤差(root mean square error)為 0.08 dB/MHz。
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40 率(slope of the response)Se(dB/MHz)，可以用式子表示為：
2 所受限制取決於接收器(receiver)輸入範圍(input dynamic range)P，其受限 制的式子為：
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圖 4-8 Postequalization 實驗架構(無濾光片)
4-4 眼圖(eye diagram)誤碼率(bit error rate)算法
眼圖是一個能夠透過示波器或其他相關設備來顯示標準脈幅調制信號重疊 片段的圖形，常常被用來評估信號的損害情形，因為其形狀長的像人類的眼睛故 稱它為眼圖，眼圖的內部稱為眼開度(eye opening)，眼開度越大代表訊號越好，
如圖 4-9 所示為一眼圖示意圖。
誤碼率(BER)測試就是輸出一個已知的數據位流給被測設備，然後捕獲並分 析以被測設備返回的數據流。為了使不同儀器有相同的測試結果，常常應用一種 特别的偽隨機序列，這是一種源於通訊行業定義的標準。
圖 4-9 眼圖示意圖
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Q 值為數位的訊號與雜訊比(digital signal-to-noise ratio)，而臨界電流值 的最理想值(optimal value of the threshold current)為：
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圖 4-12 Matlab code 4-5 調變
第二章有提到調變技術分為類比調變以及數位調變，數位調變的應用能夠突 破本身傳輸上的頻寬限制，讓我們更有效率的利用，如 QPSK、QAM 等方式來使 data rate 增函數倍的傳輸速度，下面介紹實驗中使用到的調變格式：
ASK(Amplitude-Shift keying)：
信號發送端依照基頻信號的 1 或 0，讓載波振幅發生一定變化，在信號接收 端檢測出振幅的變化，然後再復原成基頻信號。
圖 4-13 ASK 示意圖[23]
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FSK（Frequency Shift Keying, FSK）
FSK 是利用不同的頻率來表示所要傳送的資訊，由圖 4-14 中可看出 FSK 如 何在不同頻率下來表示邏輯 1 及邏輯 0。
圖 4-14 FSK 示意圖[23]
PSK(Phase-shift keying)：
信號發送端依照基頻信號，讓載波的相位發生一定的變化，在信號接收端測 出接收信號的相位後，將其重置到基頻信號。
圖 4-15 PSK 示意圖[23]
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PSK 透過相位的改變來表示傳輸訊息的內容。表示式如下(4.18)，A(t)經基 底訊號調變後，得到一組調變訊號 Sm(t)，其中 m 是整數其範圍限制在 1≦m≦M，
若 M=2 則稱 binary PSK (BPSK)，M=4 則稱 quadrature PSK (QPSK)。
)]
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QPSK(
Quadrature
Phase-shift keying)2 值調變只能輸 1Bit 的信號。在相位帄面上可以過更多的信號點來傳輸更 多資訊的方法叫做多值調變，具有 4 個信號點的是四相相位調變（QPSK），傳輸 資料的速度是 BPSK 的 2 倍。
增函信號點可以得到更高速的通信，但對信號的品質要求也提高了，例如在
增函信號點可以得到更高速的通信，但對信號的品質要求也提高了，例如在