不同可見光接收元件對(duì)LED調(diào)制效率影響研究

宋素真,桂 林,張 華,魏 巍,鄭藝璇,韋曉琪

(上海第二工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

可見光通信(visible light communication,VLC)是一種新型的無線光通信技術(shù),它以發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)為發(fā)射器件,以自由空間為載體來傳輸信號(hào),并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無線光通信和照明的雙重功能。VLC技術(shù)具有無電磁輻射,抗電磁干擾,節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。在無線頻譜資源嚴(yán)重緊缺情況下,VLC是實(shí)現(xiàn)短距離、寬帶通信的有效技術(shù)手段,已經(jīng)被納入新一代移動(dòng)通信技術(shù)體系[3-5]。作為近些年來的熱點(diǎn)研究問題,國內(nèi)外學(xué)者在VLC領(lǐng)域取得了可喜的突破,其通信速率也已經(jīng)提升至10 Gb/s[6]。

從VLC系統(tǒng)的器件構(gòu)成來看,目前VLC的接收端主要以硅光電池作為檢測器,通過接收LED器件發(fā)射的信號(hào)來完成VLC的功能。從降低整體系統(tǒng)成本的角度考慮,也有研究人員將LED器件直接作為VLC系統(tǒng)接收端的光電探測器來使用,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收端均采用LED器件,且成本更為低廉的VLC系統(tǒng)[7-10]。除了以上兩種VLC接收器件外,光電傳感器也可作為接收器件來探測光電信號(hào)。由于測量發(fā)射端LED器件的調(diào)制效率,離不開接收端光電探測器的輔助,如果接收端采用不同種類的光電探測器,對(duì)發(fā)射端LED調(diào)制效率的測量有何影響,成為了VLC領(lǐng)域中有待解決的問題,然而目前很少有研究人員從實(shí)驗(yàn)上針對(duì)該問題進(jìn)行研究與數(shù)據(jù)分析。

因此,本文使用了硅光電池、光電傳感器和LED3種不同種類的光接收元件,在偏置電壓為3.4 V且發(fā)射端與接收端之間距離為10 cm的條件下,以LED作為發(fā)射端,實(shí)現(xiàn)VLC信息傳輸。測量并比較白色LED作為發(fā)射端,硅光電池、LED和光電傳感器作為光接收端3種情況下的調(diào)制效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在射頻信號(hào)頻率為500 kHz,交流信號(hào)峰峰值電壓在0.5～2.1 V和2.2～5 V范圍內(nèi),硅光電池作為光接收元件具有更高的傳輸效率和更好的調(diào)制特性。當(dāng)光電傳感器為光接收元件時(shí),其調(diào)制效率為硅光電池調(diào)制效率的66.15%～82.67%。當(dāng)LED為接收元件時(shí),在調(diào)制效率較高的2.2～5.0 V區(qū)域內(nèi),其調(diào)制效率僅僅為硅光電池的34.48%。

1 系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)

具有電壓偏置功能的任意波形發(fā)生器(arbitrary waveform generator,AWG)在實(shí)驗(yàn)中用于生成帶有偏置電壓的正弦波形。由于偏置三通已經(jīng)集成至AWG中,因此可以直接用來驅(qū)動(dòng)LED器件。射頻信號(hào)源由直流分量和交流分量組成,可表示為:

式中:VDC為電壓直流分量,V;Vt為加載在發(fā)射端LED器件上的總電壓,V;Vrf為電壓交流分量的幅度,V;f c為射頻信號(hào)的頻率,Hz;t為時(shí)間,s。發(fā)射器調(diào)制輸入信號(hào),并通過LED源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。將調(diào)制信號(hào)加載到LED上時(shí),LED器件將其上所加載電壓Vt和該器件中的電流It等電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)(Pt)并將其發(fā)送至自由空間。在接收端,通過空間傳輸?shù)墓庑盘?hào)(Pt)收斂至光電探測器表面,光電探測器端的光功率為Pr,光電探測器將該光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)Ir,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Vr,信號(hào)轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

圖1 發(fā)射-接收信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmit-receive signal conversion

實(shí)驗(yàn)中,VLC系統(tǒng)主要由兩部分組成:包含LED的發(fā)射機(jī)和包含不同接收器件的光接收機(jī)。兩者間的距離為10 cm,如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup diagram

射頻(radio frequency,RF)信號(hào)的強(qiáng)度通過電子頻譜分析儀(Tektronix,MDO3052六合一混合域示波器的頻譜分析功能)測量。以0.1 V(峰-峰值)為幅度間隔將RF電壓(峰-峰值,下同)從0.5 V增加到5.0 V,測量得到的原始數(shù)據(jù)如圖3所示,其中圖3(a)為RF電壓在區(qū)間0.5～2.1 V不同器件接收端原始射頻功率的情況,圖3(b)為RF電壓在區(qū)間2.2～5.0 V時(shí)的情況。LED器件的截止電壓和飽和電壓分別為2.3 V和4.5 V,假設(shè)該區(qū)域的V-I曲線近似為線性,為保證LED盡可能的工作在線性區(qū)域,因此LED的偏置電壓選擇為截止電壓和飽和電壓的中點(diǎn),即3.4 V。通過將測量得到的數(shù)據(jù)與線性模型擬合,可以得到LED的調(diào)制效率,即Vr-Vrf曲線的斜率,如表1所示。Pr為光電探測器的接收光功率,Vr為Pr轉(zhuǎn)化得到的RF功率,Vrf為加載在發(fā)射端LED器件上的交流電壓幅度。

圖3 不同發(fā)射端RF電壓條件下,測得的不同器件接收端原始射頻功率數(shù)據(jù)(a)0.5～2.1 V和(b)2.2～5.0 VFig.3 Measured raw data of RF power on the different detector for different RF voltages in transmitter(a)0.5～2.1 V and(b)2.2～5.0 V

2 結(jié)果與討論

P1為接收端接收到的射頻功率隨輸入端所加射頻電壓幅度變化的斜率,其數(shù)值越大,調(diào)制效率越高。R2為擬合曲線和原始曲線之間的誤差參數(shù),數(shù)值越接近于1,線性度越好。當(dāng)R2接近1時(shí),Vr-Vt曲線呈線性。從表1可以看出,在0.5～2.1 V區(qū)域,當(dāng)檢測器是硅光電池時(shí),調(diào)制效率最高,P1達(dá)到31.1μW/V;當(dāng)檢測器是光電傳感器時(shí),調(diào)制效率為硅光電池的66.24%,但其線性度最高,即R2最大,達(dá)到了0.971 1。在2.2～5.0 V區(qū)域,當(dāng)檢測器是硅光電池時(shí),調(diào)制效率最高,且線性度最好(R2=0.990 6),而此條件下,光電傳感器的調(diào)制效率可以達(dá)到硅光電池的82.76%,其線性度與硅光電池的較為接近。而LED作為光電探測器,其調(diào)制效率在兩個(gè)區(qū)間中均最低,以其調(diào)制效率較高的2.2～5.0 V區(qū)域?yàn)槔?其數(shù)值僅僅為硅光電池的34.48%,且LED作為光電探測器的線性度也明顯較差,R2均小于0.9。

表1 在f c=500 kHz時(shí),不同光探測器在不同電壓下的數(shù)據(jù)擬合Tab.1 The data fitting for different light detectors at different voltages when f c=500 kHz

當(dāng)LED用作光接收元件時(shí),透射效率差。為了提升數(shù)據(jù)和模型的擬合程度,增加多項(xiàng)式擬合的階數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)階數(shù)增加到8時(shí),R2達(dá)到0.9以上,如表2所示。由此可見,LED作為接收元器件時(shí),存在大量的非線性失真。相比之下,當(dāng)多項(xiàng)式擬合階數(shù)為1時(shí),硅光電池和光電傳感器(作為光接收元件)已達(dá)到0.95以上。因此,LED作為光接收元件,效果并不理想。

表2 不同電壓區(qū)域下LED作為光接收元件的不同階次線性擬合結(jié)果Tab.2 Linear fitting results of different orders for different voltages when LED as light receiving element

3 結(jié) 論

綜上所述,本文研究了3種常見的接收端光元件對(duì)于發(fā)射端LED調(diào)制效率的影響。對(duì)于VLC系統(tǒng)中最為常見的硅光電池作為光接收元件時(shí),發(fā)射端的LED調(diào)制效率最高,線性度也最好,一次擬合的R2數(shù)值可以達(dá)到0.95以上,因此,研究人員在VLC實(shí)驗(yàn)中,通常選擇硅光電池作為光接收元件;如果選擇成本較低的光電傳感器為光接收元件時(shí),其調(diào)制效率也可以達(dá)到硅光電池為光接收元件時(shí)調(diào)制效率的66.15%～82.67%。當(dāng)LED為光接收元件時(shí),即收發(fā)兩端均選用LED器件時(shí),在調(diào)制效率較高的2.2～5.0 V區(qū)域內(nèi),其調(diào)制效率僅僅為硅光電池為光接收元件時(shí)調(diào)制效率的34.48%。在此基礎(chǔ)上,工程技術(shù)人員可以根據(jù)VLC系統(tǒng)的成本、調(diào)制效率等要求,較為靈活的選擇VLC系統(tǒng)中的光接收元件。