可見(jiàn)光通信系統(tǒng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)前端研究

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）

0 引 言

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)。

1 可見(jiàn)光通信驅(qū)動(dòng)機(jī)理

1.1 LED驅(qū)動(dòng)原理

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

1.2 直流偏置驅(qū)動(dòng)方式

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)。

1.3 MOS管驅(qū)動(dòng)原理

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。

2 可見(jiàn)光發(fā)射裝置

2.1 LED實(shí)物

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)

2.2 發(fā)射端實(shí)物

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

4 結(jié) 論

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。

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