譚家杰
(衡陽(yáng)師范學(xué)院 物理與電子信息科學(xué)系,湖南 衡陽(yáng) 421002)
可見(jiàn)光通信 (Visible Light Communication,VLC)是利用大功率LED的響應(yīng)時(shí)間短、高速調(diào)制特性而產(chǎn)生的一種新型的通信方式,集照明與通信于一體。隨著大功率LED發(fā)光效率的不斷提高,其市場(chǎng)前景廣闊,它與傳統(tǒng)的射頻通信具有對(duì)人眼無(wú)傷害,不占有無(wú)線(xiàn)電頻譜、無(wú)輻射、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),是光通信目前研究的熱點(diǎn)之一[1-3]。
目前普遍采用的VLC調(diào)制方法有:開(kāi)關(guān)鍵控、脈沖位置調(diào)制、多脈沖位置調(diào)制、差分脈沖位置調(diào)制、脈沖間隔調(diào)制,這些調(diào)制方法都來(lái)源于自由空間光通信的調(diào)制方式,經(jīng)改進(jìn)后應(yīng)用于可見(jiàn)光通信中[4-8]。張建昆在分析研究脈沖位置、脈沖間隔調(diào)制的基礎(chǔ)上,提出了反向脈沖位置調(diào)制、反向脈沖間隔調(diào)制,增加了LED發(fā)光機(jī)會(huì),從而提高了照明效率。同時(shí),提出PWM載波進(jìn)行編碼方式提高光源穩(wěn)定度[2,9]。目前流行在數(shù)字系統(tǒng)中的正交頻分復(fù)用方式調(diào)制,是利用離散傅立葉逆變換、離散傅立葉變換完成這種調(diào)制、解調(diào)方法[10-13]。這些調(diào)制方式,其實(shí)現(xiàn)的方式可用微控制器,或用可編程控制器件或數(shù)字信號(hào)處理器件完成調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生。所謂調(diào)制驅(qū)動(dòng)前端是指介于LED的前端與產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)器件之間存在的裝置。一般來(lái)說(shuō)輸出的調(diào)制信號(hào)為T(mén)TL或LVTTL電平,它們不能直接驅(qū)動(dòng)大功率LED發(fā)光。調(diào)制驅(qū)動(dòng)前端的作用是將TTL信號(hào)或LVTTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)大功率LED的信號(hào)。
常用的驅(qū)動(dòng)前端主要有三極管和緩沖器兩類(lèi)[4,14-16]。首先,論文探討了 LED 的調(diào)制驅(qū)動(dòng)基本原理,然后分析了直流偏置方式的原理及主要方式,最后,提出采用NMOS管驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED的方法,將LED布設(shè)成4×3陣列。用NMOS管驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED產(chǎn)生PPM信號(hào),其余9個(gè)LED恒流驅(qū)動(dòng),它們的信號(hào)在空間上疊加到達(dá)需要效果。這種方法不同于以往的驅(qū)動(dòng)方式,且驅(qū)動(dòng)性能良好,具有散熱性能好的優(yōu)點(diǎn)。
可見(jiàn)光通信光發(fā)射端(調(diào)制驅(qū)動(dòng)端),一般采用強(qiáng)度調(diào)制方式;接收端用直接解調(diào)(Direct Detect,DD)[17],將電流注入LED中,LED的發(fā)光隨編碼規(guī)律變化。如果LED輸出的光功率與輸入的電流呈線(xiàn)性關(guān)系,LED的發(fā)光強(qiáng)度隨電信號(hào)變化,其實(shí)質(zhì)對(duì)LED進(jìn)行數(shù)字或模擬信號(hào)的電流調(diào)制,這種調(diào)制方式稱(chēng)為強(qiáng)度調(diào)制(Intensity Modulation,IM)。接收裝置的傳感器易于探測(cè)光強(qiáng)變化的信號(hào),強(qiáng)度調(diào)制可分為數(shù)字型調(diào)制和模擬型調(diào)制。其關(guān)鍵技術(shù)是:(1)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。(2)將編碼信號(hào)和偏置電流信號(hào)進(jìn)行疊加。(3)減少LED電流輸出光功率非線(xiàn)性對(duì)調(diào)制的影響。為了分析LED驅(qū)動(dòng)方式,以L(fǎng)ED的伏安特性及電流與輸出光功率關(guān)系來(lái)說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原理。
圖1(a)為L(zhǎng)ED的伏安特性,LED兩端電壓輸入變化微小,流過(guò)LED的電流變化很大,所以在LED照明過(guò)程中,恒流源更能得到穩(wěn)定照明光源。圖2(b)為輸入電流與輸出光功率呈線(xiàn)性關(guān)系,在時(shí)間進(jìn)程中,輸入的電流信號(hào)決定輸出光功率的大小。在電路方面來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)電路必須產(chǎn)生恒I0流部分,而則由I1-I0TTL或LVTTL電平轉(zhuǎn)換而來(lái)。LED輸出功率是由P0部分和P1-P0部分組成,其中P1-P0是由I1-I0決定的。當(dāng)發(fā)送“0”電信號(hào),電路輸入的電流為I0;當(dāng)傳送“1”電信號(hào),對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流為I1。如果將兩部分分開(kāi),則可以用恒流源加上編碼信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。其中P0部分用于照明,而P1-P0由于隨時(shí)間快變化而不易被人眼覺(jué)察,一方面達(dá)到既滿(mǎn)足照明又能傳輸信號(hào)的目的,另一方面?zhèn)鬏敼庑盘?hào)時(shí),只能是單極性信號(hào),恰恰是偏置光功率P0保證了傳輸信號(hào)為正極性。
圖1 LED伏安特性及驅(qū)動(dòng)特性
韓國(guó) Chung Ghiu Lee 2007年在 Optical Engineering雜志上首次提出直流偏置加傳輸信號(hào)的方式驅(qū)動(dòng)LED,并用實(shí)驗(yàn)證明了可見(jiàn)光通信的可能性,并指出調(diào)制帶寬僅為12MHz[15]。2008年,Hoa Le Minh提出多諧振均衡方式驅(qū)動(dòng)LED,其調(diào)制驅(qū)動(dòng)如圖2所示,數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到100Mb/s。明確提出直流偏置驅(qū)動(dòng)方式(Bias Tee)[14,18]。調(diào)制信號(hào)通過(guò)電阻輸入緩沖器,而緩沖器的實(shí)質(zhì)是高速集成運(yùn)放,它的作用是將TTL或LVTTL調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。恒流源通過(guò)電感與調(diào)制信號(hào)疊加,電容的作用是隔離恒流信號(hào)。當(dāng)脈沖信號(hào)為低電平時(shí),僅有恒流信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光;當(dāng)調(diào)制信號(hào)為高電平時(shí),通過(guò)電容C將脈沖電流信號(hào)加上恒流信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED輸出光強(qiáng)變化以達(dá)到傳輸信息的目的。用高速集成運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)前端能使傳輸速率很高,熒光粉LED的調(diào)制帶寬可以擴(kuò)展至25MHz,傳輸速率可以到達(dá)40Mbit/s[19]。采用這種方式主要問(wèn)題在于緩沖器問(wèn)題,既要考慮將其轉(zhuǎn)換為電流,還需要考慮速度,速度快則成本高。
圖2 LED調(diào)制驅(qū)動(dòng)[14]
駱宏圖提出用三極管組成的共射極驅(qū)動(dòng)電路,該數(shù)字等效電路是利用三極管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)完成LED的調(diào)制驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸入VIN為高電平時(shí),Q1三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài),LED燈發(fā)光可以送出“1”的編碼;當(dāng)VIN為低電平時(shí),Q1截止,LED不發(fā)光,則為傳輸“0”信號(hào)。其中C1作用是為了提高系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)速度,R2為限流電阻,R3為Q1提供偏置電流[16]。
圖3 共射極驅(qū)動(dòng)電路[16]
文獻(xiàn)[4]提出用NPN對(duì)管組成驅(qū)動(dòng)裝置,盡管能較好地完成驅(qū)動(dòng),這種驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)并存,如果三極管基極直接接高電平,以到達(dá)直流加編碼信號(hào)目的。利用三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是:當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí),由于Rce的電阻值過(guò)大,致使LED的發(fā)射光強(qiáng)低,LED的亮度不夠。此外,三極管的集-射極間的電壓過(guò)大,導(dǎo)致三極管發(fā)熱嚴(yán)重的缺點(diǎn)。
增強(qiáng)型NMOS管是利用電場(chǎng)控制電流大小,具有高速的開(kāi)關(guān)特性。論文提出用NMOS管驅(qū)動(dòng)方法,用12個(gè)1瓦LED組成了可見(jiàn)光通信的光源,其中9個(gè)是恒流驅(qū)動(dòng),另外3個(gè)被NMOS管驅(qū)動(dòng)并發(fā)射PPM信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:增強(qiáng)型NMOS具有導(dǎo)通電壓低,導(dǎo)通電阻小,Rds為數(shù)十毫歐姆,落在NMOS漏源極間電壓低,這樣它能克服三極管驅(qū)動(dòng)過(guò)熱的現(xiàn)象。驅(qū)動(dòng)前端由R1、C1、R2、Q1、C2、發(fā)光二極管D1-D3組成。NMOS管Q1為增強(qiáng)型,三個(gè)LED可以并聯(lián)也可以是串聯(lián)電路拓?fù)洹1和R1組成發(fā)送予均衡器,可增加驅(qū)動(dòng)的調(diào)制帶寬。但是NMOS管存在米勒效應(yīng),柵源、柵漏極間存在寄生電容影響了NMOS管的開(kāi)關(guān)速度。因此在Q1的柵極接下拉電阻R2,當(dāng)VIN輸入由高到低電平轉(zhuǎn)換時(shí),快速泄露Q1柵極存在的電荷,從而保證NMOS管Q1快速轉(zhuǎn)換以完成高速調(diào)制目的。
制作出的LED發(fā)射實(shí)物如圖5所示,LED布設(shè)為4×3陣列,每行三個(gè)LED串聯(lián)。LED布設(shè)的行間距為21.27mm,列間距為17.78mm。可以選擇其中第二行或第三行發(fā)送PPM脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)方式如圖4所示。沒(méi)有發(fā)送PPM脈沖信號(hào)的LED,則在柵極恒輸入高電平,保持驅(qū)動(dòng)源為恒流狀態(tài),并用于室內(nèi)照明。
圖4 NMOS驅(qū)動(dòng)原理圖
圖5 LED實(shí)物
接下來(lái)探討LED陣列是否滿(mǎn)足照明要求,分別選擇第二行、第三行LED來(lái)發(fā)送PPM信號(hào)。這里將LED視為朗伯體,LED發(fā)射裝置距照射面的垂直距離為1.2m,照射面的范圍為0.5m×0.5m,用matlab軟件編程計(jì)算照射面的照度。首先,從LED為朗伯體出發(fā),因此LED的發(fā)光強(qiáng)度滿(mǎn)足(1)式。
式(1)中的θ為光線(xiàn)出射角,I0為中心光強(qiáng)。根據(jù)LED出射光強(qiáng)模型,顧及照射面的參數(shù),則照射面的照度如式(2)。
Ir為入射照射面的光強(qiáng),θ光線(xiàn)的入射角。將式(2)中極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系,得到照射面的照度為:
第i個(gè)LED在照射面產(chǎn)生的照度為:
為了求出照射面處的照度,先將照射面分為256×256小格柵,接下來(lái)計(jì)算第i個(gè)LED在第j個(gè)柵格的照度,最后把所有LED的貢獻(xiàn)相加。用matlab計(jì)算出各格柵中的照度,得到照度分布如圖6所示,照度等高線(xiàn)見(jiàn)圖7。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn),室內(nèi)照明或辦公照明條件必須滿(mǎn)足300-1500Lux[20]。仿真的結(jié)果表明:按照通信和照明分開(kāi)驅(qū)動(dòng)LED在照明方面是可行的,滿(mǎn)足室內(nèi)照應(yīng)要求;LED4×3陣列布設(shè)方式LED間隔小,無(wú)論是在哪一行發(fā)送PPM信號(hào),照度分布變化不大且在0.5m×0.5m范圍內(nèi)滿(mǎn)足照度均勻分布。
圖6 照度分布圖
圖7 照度等高線(xiàn)
可見(jiàn)光通信的發(fā)射裝置如圖8所示,按照明和通信分開(kāi)驅(qū)動(dòng)的原則,用增強(qiáng)NMOS管分別制作了四路驅(qū)動(dòng),圖8中電路用黑色框圈出部分為驅(qū)動(dòng)前端。產(chǎn)生PPM的器件為EPM240T100C5N型可編程邏輯器(Complex Programmable Logic Device,CPLD),在50MHz晶振時(shí)鐘信號(hào)作用下,分頻后根據(jù)按鈕產(chǎn)生的信源信號(hào),將其變?yōu)槊}沖位置信號(hào)。PPM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)前端致使LED陣列的第二行產(chǎn)生脈沖信號(hào),接收端的PIN傳感器先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),由于照明信號(hào)為直流部分,因此可以用電容將這部分隔開(kāi)。這種驅(qū)動(dòng)的解調(diào)信號(hào)處理完全用以往方式完成。
圖8 可見(jiàn)光發(fā)送端實(shí)物
為了驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)前端是否能夠滿(mǎn)足照明要求,用TS1330A照度計(jì)測(cè)量了中心照度值最大為1406Lux,邊緣最小照度值為493Lux,與仿真出的最大、最小值的相對(duì)誤差分別為9.8%和7.3%,完全滿(mǎn)足室內(nèi)照明要求。測(cè)試了PPM信號(hào)的波形,示波器帶寬為100MHz,型號(hào)為UTD2102CEX,接收裝置傳感器為PIN管。為對(duì)比不同傳輸速率的信號(hào)情況,分別用按鈕控制傳輸速度和發(fā)送不同的符號(hào)編碼。觀察時(shí),固定接收傳感器的位置,通過(guò)按鈕變換不同的LED發(fā)射信號(hào)及傳輸速度,圖9為系統(tǒng)發(fā)送41H不同速率的PPM信號(hào)。用示波器觀察接收電流轉(zhuǎn)換成電壓的信號(hào),得到1Mbit/s和100Kbit/s情況下的波形,實(shí)驗(yàn)表明得到的波形良好,達(dá)到了預(yù)期的目的。
圖9 1Mbit/s和100Kbit/s的PPM 波形圖
論文提出的方式制作的驅(qū)動(dòng)前端,既滿(mǎn)足照明需要又滿(mǎn)足通信的調(diào)制。采用該方法完成的可見(jiàn)光發(fā)射裝置能克服驅(qū)動(dòng)器件散熱問(wèn)題,且具有成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。提出的方法不足處對(duì)LED的調(diào)制速度研究不夠深入,這也是下一步應(yīng)努力的方向。
[1]譚家杰,鄒常青.室內(nèi)白光LED照明通信的現(xiàn)狀與展望[J].衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011,32(3):39-44.
[2]張建昆,楊宇,陳弘達(dá).室內(nèi)可見(jiàn)光通信調(diào)制方法分析[J].中國(guó)激光,2011,38(4):137-140.
[3]駱宏圖,陳長(zhǎng)纓,傅倩,等.白光LED室內(nèi)可見(jiàn)光通信的關(guān)鍵技術(shù) [J].光通信技術(shù),2011(2):56-59.
[4]譚家杰,楊克成,夏珉.大功率LED脈沖位置調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì) [J].光學(xué)與光電技術(shù),2011,9(5):75-78.
[5]譚家杰.脈沖間隔調(diào)制解調(diào)研究 [J].電子測(cè)量技術(shù),2012,35(11):120-123.
[6]郭樹(shù)旭,臧玲玲,韓明珠,等.可見(jiàn)光通信的間隔多脈沖位置調(diào)制 [J].光學(xué)精密工程,2014,22(7):1760-1765.
[7]Lee K,Park H.Modulations for Visible Light Communications With Dimming Control[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,2011,23(16):1136-1138.
[8]張軍琴,付鵬飛,何強(qiáng),等.基于單片機(jī)STC89C52的無(wú)線(xiàn)可見(jiàn)光發(fā)射機(jī) [J].半導(dǎo)體光電,2014,35(1):81-84.
[9]張建昆,劉博,楊宇,等.一種室內(nèi)可見(jiàn)光通信亮度控制方法 [J].光電子激光,2011,22(7):1013-1017.
[10]王巍,梁繡滟,王寧,等.離散多音頻技術(shù)在可見(jiàn)光通信中的應(yīng)用 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(4):160-165.
[11]羅亞賽,梁進(jìn)波,郎磊.可見(jiàn)光通信中多載波調(diào)制技術(shù)比較分析 [J].無(wú)線(xiàn)電工程,2015,45(1):72-75.
[12]Elgala H,Mesleh R,Haas H.Indoor broadcasting via white LEDs and OFDM [J].Consumer Electronics,IEEE Transactions on,2009,55(3):1127-1134.
[13]陸慶峰,季新生,黃開(kāi)枝,等.降低可見(jiàn)光通信不均勻限幅正交頻分復(fù)用系統(tǒng)非線(xiàn)性限幅失真的功率分配方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(7):070604.
[14]Hoa Le M,O'Brien D,F(xiàn)aulkner G,Lubin Z,Kyungwoo L,Daekwang J,YunJe O.High-Speed Visible Light Communications Using Multiple-Resonant Equalization[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2008,20(14):1243-1245.
[15]Lee C G,Park C S,Kim J-H,Kim D-H.Experimental verication of optical wireless communication link using high-brightness illumination light-emitting diodes [J].Opt Eng,2007,46(12):1250051-1250057.
[16]駱宏圖.基于以太網(wǎng)的LED可見(jiàn)光通信技術(shù)研究[D].廣州:暨南大學(xué),2012.
[17]Kahn J M,Krause W J,B.C J.Experimental characterization of non-directed indoor infrared channels[J].Communications,IEEE Transactions on,1995,43(234):1613-1623.
[18]Hoa Le M,O'Brien D,F(xiàn)aulkner G,Lubin Z,Kyungwoo L,Daekwang J,YunJe O,Eun Tae W.100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED [J].Photonics Technology Letters,IEEE,2009,21(15):1063-1065.
[19]遲楠.LED可見(jiàn)光通信技術(shù) [M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.
[20]Komine.T,Nakagawa.M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].Consumer Electronics,IEEE Transactions on,2004,50(1):100-107.
衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)2015年3期