譚家杰

（衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421002）

0 引 言

可見光通信 （Visible Light Communication，VLC）是利用大功率LED的響應時間短、高速調制特性而產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，其市場前景廣闊，它與傳統(tǒng)的射頻通信具有對人眼無傷害，不占有無線電頻譜、無輻射、節(jié)能等優(yōu)點，是光通信目前研究的熱點之一［1－3］。

目前普遍采用的VLC調制方法有：開關鍵控、脈沖位置調制、多脈沖位置調制、差分脈沖位置調制、脈沖間隔調制，這些調制方法都來源于自由空間光通信的調制方式，經(jīng)改進后應用于可見光通信中［4－8］。張建昆在分析研究脈沖位置、脈沖間隔調制的基礎上，提出了反向脈沖位置調制、反向脈沖間隔調制，增加了LED發(fā)光機會，從而提高了照明效率。同時，提出PWM載波進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)中的正交頻分復用方式調制，是利用離散傅立葉逆變換、離散傅立葉變換完成這種調制、解調方法［10－13］。這些調制方式，其實現(xiàn)的方式可用微控制器，或用可編程控制器件或數(shù)字信號處理器件完成調制信號產生。所謂調制驅動前端是指介于LED的前端與產生調制信號器件之間存在的裝置。一般來說輸出的調制信號為TTL或LVTTL電平，它們不能直接驅動大功率LED發(fā)光。調制驅動前端的作用是將TTL信號或LVTTL信號轉換成能驅動大功率LED的信號。

常用的驅動前端主要有三極管和緩沖器兩類［4，14－16］。首先，論文探討了 LED 的調制驅動基本原理，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管驅動多個LED的方法，將LED布設成4×3陣列。用NMOS管驅動3個LED產生PPM信號，其余9個LED恒流驅動，它們的信號在空間上疊加到達需要效果。這種方法不同于以往的驅動方式，且驅動性能良好，具有散熱性能好的優(yōu)點。

1 可見光通信驅動機理

1.1 LED驅動原理

可見光通信光發(fā)射端（調制驅動端），一般采用強度調制方式；接收端用直接解調（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性關系，LED的發(fā)光強度隨電信號變化，其實質對LED進行數(shù)字或模擬信號的電流調制，這種調制方式稱為強度調制（Intensity Modulation，IM）。接收裝置的傳感器易于探測光強變化的信號，強度調制可分為數(shù)字型調制和模擬型調制。其關鍵技術是：（1）設置合適的靜態(tài)工作點。（2）將編碼信號和偏置電流信號進行疊加。（3）減少LED電流輸出光功率非線性對調制的影響。為了分析LED驅動方式，以LED的伏安特性及電流與輸出光功率關系來說明驅動電路的設計原理。

圖1（a）為LED的伏安特性，LED兩端電壓輸入變化微小，流過LED的電流變化很大，所以在LED照明過程中，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性關系，在時間進程中，輸入的電流信號決定輸出光功率的大小。在電路方面來說，驅動電路必須產生恒I0流部分，而則由I1－I0TTL或LVTTL電平轉換而來。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。當發(fā)送“0”電信號，電路輸入的電流為I0；當傳送“1”電信號，對應驅動電流為I1。如果將兩部分分開，則可以用恒流源加上編碼信號來驅動LED。其中P0部分用于照明，而P1－P0由于隨時間快變化而不易被人眼覺察，一方面達到既滿足照明又能傳輸信號的目的，另一方面?zhèn)鬏敼庑盘枙r，只能是單極性信號，恰恰是偏置光功率P0保證了傳輸信號為正極性。

圖1 LED伏安特性及驅動特性

1.2 直流偏置驅動方式

韓國 Chung Ghiu Lee 2007年在 Optical Engineering雜志上首次提出直流偏置加傳輸信號的方式驅動LED，并用實驗證明了可見光通信的可能性，并指出調制帶寬僅為12MHz［15］。2008年，Hoa Le Minh提出多諧振均衡方式驅動LED，其調制驅動如圖2所示，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到100Mb／s。明確提出直流偏置驅動方式（Bias Tee）［14，18］。調制信號通過電阻輸入緩沖器，而緩沖器的實質是高速集成運放，它的作用是將TTL或LVTTL調制信號轉換為電流信號。恒流源通過電感與調制信號疊加，電容的作用是隔離恒流信號。當脈沖信號為低電平時，僅有恒流信號直接驅動LED發(fā)光；當調制信號為高電平時，通過電容C將脈沖電流信號加上恒流信號驅動LED輸出光強變化以達到傳輸信息的目的。用高速集成運放的驅動前端能使傳輸速率很高，熒光粉LED的調制帶寬可以擴展至25MHz，傳輸速率可以到達40Mbit／s［19］。采用這種方式主要問題在于緩沖器問題，既要考慮將其轉換為電流，還需要考慮速度，速度快則成本高。

圖2 LED調制驅動［14］

駱宏圖提出用三極管組成的共射極驅動電路，該數(shù)字等效電路是利用三極管的開關特性來完成LED的調制驅動。當輸入VIN為高電平時，Q1三極管處于飽和導通狀態(tài)，LED燈發(fā)光可以送出“1”的編碼；當VIN為低電平時，Q1截止，LED不發(fā)光，則為傳輸“0”信號。其中C1作用是為了提高系統(tǒng)的開關速度，R2為限流電阻，R3為Q1提供偏置電流［16］。

圖3 共射極驅動電路［16］

文獻［4］提出用NPN對管組成驅動裝置，盡管能較好地完成驅動，這種驅動方式優(yōu)缺點并存，如果三極管基極直接接高電平，以到達直流加編碼信號目的。利用三極管進行驅動的特點是：當三極管導通時，由于Rce的電阻值過大，致使LED的發(fā)射光強低，LED的亮度不夠。此外，三極管的集－射極間的電壓過大，導致三極管發(fā)熱嚴重的缺點。

1.3 MOS管驅動原理

增強型NMOS管是利用電場控制電流大小，具有高速的開關特性。論文提出用NMOS管驅動方法，用12個1瓦LED組成了可見光通信的光源，其中9個是恒流驅動，另外3個被NMOS管驅動并發(fā)射PPM信號。這種方法的優(yōu)點是：增強型NMOS具有導通電壓低，導通電阻小，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動過熱的現(xiàn)象。驅動前端由R1、C1、R2、Q1、C2、發(fā)光二極管D1－D3組成。NMOS管Q1為增強型，三個LED可以并聯(lián)也可以是串聯(lián)電路拓撲。C1和R1組成發(fā)送予均衡器，可增加驅動的調制帶寬。但是NMOS管存在米勒效應，柵源、柵漏極間存在寄生電容影響了NMOS管的開關速度。因此在Q1的柵極接下拉電阻R2，當VIN輸入由高到低電平轉換時，快速泄露Q1柵極存在的電荷，從而保證NMOS管Q1快速轉換以完成高速調制目的。

2 可見光發(fā)射裝置

2.1 LED實物

制作出的LED發(fā)射實物如圖5所示，LED布設為4×3陣列，每行三個LED串聯(lián)。LED布設的行間距為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，驅動方式如圖4所示。沒有發(fā)送PPM脈沖信號的LED，則在柵極恒輸入高電平，保持驅動源為恒流狀態(tài)，并用于室內照明。

圖4 NMOS驅動原理圖

圖5 LED實物

接下來探討LED陣列是否滿足照明要求，分別選擇第二行、第三行LED來發(fā)送PPM信號。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)光強度滿足（1）式。

式（1）中的θ為光線出射角，I0為中心光強。根據(jù)LED出射光強模型，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，θ光線的入射角。將式（2）中極坐標轉換為笛卡爾坐標系，得到照射面的照度為：

第i個LED在照射面產生的照度為：

為了求出照射面處的照度，先將照射面分為256×256小格柵，接下來計算第i個LED在第j個柵格的照度，最后把所有LED的貢獻相加。用matlab計算出各格柵中的照度，得到照度分布如圖6所示，照度等高線見圖7。根據(jù)ISO標準，室內照明或辦公照明條件必須滿足300－1500Lux［20］。仿真的結果表明：按照通信和照明分開驅動LED在照明方面是可行的，滿足室內照應要求；LED4×3陣列布設方式LED間隔小，無論是在哪一行發(fā)送PPM信號，照度分布變化不大且在0.5m×0.5m范圍內滿足照度均勻分布。

圖6 照度分布圖

圖7 照度等高線

2.2 發(fā)射端實物

可見光通信的發(fā)射裝置如圖8所示，按照明和通信分開驅動的原則，用增強NMOS管分別制作了四路驅動，圖8中電路用黑色框圈出部分為驅動前端。產生PPM的器件為EPM240T100C5N型可編程邏輯器（Complex Programmable Logic Device，CPLD），在50MHz晶振時鐘信號作用下，分頻后根據(jù)按鈕產生的信源信號，將其變?yōu)槊}沖位置信號。PPM信號通過驅動前端致使LED陣列的第二行產生脈沖信號，接收端的PIN傳感器先將光信號轉換成電流信號，由于照明信號為直流部分，因此可以用電容將這部分隔開。這種驅動的解調信號處理完全用以往方式完成。

圖8 可見光發(fā)送端實物

3 實驗結果

為了驗證該驅動前端是否能夠滿足照明要求，用TS1330A照度計測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、最小值的相對誤差分別為9.8%和7.3%，完全滿足室內照明要求。測試了PPM信號的波形，示波器帶寬為100MHz，型號為UTD2102CEX，接收裝置傳感器為PIN管。為對比不同傳輸速率的信號情況，分別用按鈕控制傳輸速度和發(fā)送不同的符號編碼。觀察時，固定接收傳感器的位置，通過按鈕變換不同的LED發(fā)射信號及傳輸速度，圖9為系統(tǒng)發(fā)送41H不同速率的PPM信號。用示波器觀察接收電流轉換成電壓的信號，得到1Mbit／s和100Kbit／s情況下的波形，實驗表明得到的波形良好，達到了預期的目的。

圖9 1Mbit／s和100Kbit／s的PPM 波形圖

4 結 論

論文提出的方式制作的驅動前端，既滿足照明需要又滿足通信的調制。采用該方法完成的可見光發(fā)射裝置能克服驅動器件散熱問題，且具有成本低、可靠性高的優(yōu)點。提出的方法不足處對LED的調制速度研究不夠深入，這也是下一步應努力的方向。

［1］譚家杰，鄒常青.室內白光LED照明通信的現(xiàn)狀與展望［J］.衡陽師范學院學報，2011，32（3）：39－44.

［2］張建昆，楊宇，陳弘達.室內可見光通信調制方法分析［J］.中國激光，2011，38（4）：137－140.

［3］駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光LED室內可見光通信的關鍵技術 ［J］.光通信技術，2011（2）：56－59.

［4］譚家杰，楊克成，夏珉.大功率LED脈沖位置調制解調設計 ［J］.光學與光電技術，2011，9（5）：75－78.

［5］譚家杰.脈沖間隔調制解調研究 ［J］.電子測量技術，2012，35（11）：120－123.

［6］郭樹旭，臧玲玲，韓明珠，等.可見光通信的間隔多脈沖位置調制 ［J］.光學精密工程，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，等.基于單片機STC89C52的無線可見光發(fā)射機 ［J］.半導體光電，2014，35（1）：81－84.

［9］張建昆，劉博，楊宇，等.一種室內可見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.離散多音頻技術在可見光通信中的應用 ［J］.電工技術學報，2014，29（4）：160－165.

［11］羅亞賽，梁進波，郎磊.可見光通信中多載波調制技術比較分析 ［J］.無線電工程，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，黃開枝，等.降低可見光通信不均勻限幅正交頻分復用系統(tǒng)非線性限幅失真的功率分配方法［J］.光學學報，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可見光通信技術研究［D］.廣州：暨南大學，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可見光通信技術 ［M］.北京：清華大學出版社，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.