可见光通信系统调制驱动前端研究

谭家杰

（衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421002）

0 引 言

可见光通信 （Visible Light Communication，VLC）是利用大功率LED的响应时间短、高速调制特性而产生的一种新型的通信方式，集照明与通信于一体。随着大功率LED发光效率的不断提高，其市场前景广阔，它与传统的射频通信具有对人眼无伤害，不占有无线电频谱、无辐射、节能等优点，是光通信目前研究的热点之一［1－3］。

目前普遍采用的VLC调制方法有：开关键控、脉冲位置调制、多脉冲位置调制、差分脉冲位置调制、脉冲间隔调制，这些调制方法都来源于自由空间光通信的调制方式，经改进后应用于可见光通信中［4－8］。张建昆在分析研究脉冲位置、脉冲间隔调制的基础上，提出了反向脉冲位置调制、反向脉冲间隔调制，增加了LED发光机会，从而提高了照明效率。同时，提出PWM载波进行编码方式提高光源稳定度［2，9］。目前流行在数字系统中的正交频分复用方式调制，是利用离散傅立叶逆变换、离散傅立叶变换完成这种调制、解调方法［10－13］。这些调制方式，其实现的方式可用微控制器，或用可编程控制器件或数字信号处理器件完成调制信号产生。所谓调制驱动前端是指介于LED的前端与产生调制信号器件之间存在的装置。一般来说输出的调制信号为TTL或LVTTL电平，它们不能直接驱动大功率LED发光。调制驱动前端的作用是将TTL信号或LVTTL信号转换成能驱动大功率LED的信号。

常用的驱动前端主要有三极管和缓冲器两类［4，14－16］。首先，论文探讨了 LED 的调制驱动基本原理，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管驱动多个LED的方法，将LED布设成4×3阵列。用NMOS管驱动3个LED产生PPM信号，其余9个LED恒流驱动，它们的信号在空间上叠加到达需要效果。这种方法不同于以往的驱动方式，且驱动性能良好，具有散热性能好的优点。

1 可见光通信驱动机理

1.1 LED驱动原理

可见光通信光发射端（调制驱动端），一般采用强度调制方式；接收端用直接解调（Direct Detect，DD）［17］，将电流注入LED中，LED的发光随编码规律变化。如果LED输出的光功率与输入的电流呈线性关系，LED的发光强度随电信号变化，其实质对LED进行数字或模拟信号的电流调制，这种调制方式称为强度调制（Intensity Modulation，IM）。接收装置的传感器易于探测光强变化的信号，强度调制可分为数字型调制和模拟型调制。其关键技术是：（1）设置合适的静态工作点。（2）将编码信号和偏置电流信号进行叠加。（3）减少LED电流输出光功率非线性对调制的影响。为了分析LED驱动方式，以LED的伏安特性及电流与输出光功率关系来说明驱动电路的设计原理。

图1（a）为LED的伏安特性，LED两端电压输入变化微小，流过LED的电流变化很大，所以在LED照明过程中，恒流源更能得到稳定照明光源。图2（b）为输入电流与输出光功率呈线性关系，在时间进程中，输入的电流信号决定输出光功率的大小。在电路方面来说，驱动电路必须产生恒I0流部分，而则由I1－I0TTL或LVTTL电平转换而来。LED输出功率是由P0部分和P1－P0部分组成，其中P1－P0是由I1－I0决定的。当发送“0”电信号，电路输入的电流为I0；当传送“1”电信号，对应驱动电流为I1。如果将两部分分开，则可以用恒流源加上编码信号来驱动LED。其中P0部分用于照明，而P1－P0由于随时间快变化而不易被人眼觉察，一方面达到既满足照明又能传输信号的目的，另一方面传输光信号时，只能是单极性信号，恰恰是偏置光功率P0保证了传输信号为正极性。

图1 LED伏安特性及驱动特性

1.2 直流偏置驱动方式

韩国 Chung Ghiu Lee 2007年在 Optical Engineering杂志上首次提出直流偏置加传输信号的方式驱动LED，并用实验证明了可见光通信的可能性，并指出调制带宽仅为12MHz［15］。2008年，Hoa Le Minh提出多谐振均衡方式驱动LED，其调制驱动如图2所示，数据传输速率可以达到100Mb／s。明确提出直流偏置驱动方式（Bias Tee）［14，18］。调制信号通过电阻输入缓冲器，而缓冲器的实质是高速集成运放，它的作用是将TTL或LVTTL调制信号转换为电流信号。恒流源通过电感与调制信号叠加，电容的作用是隔离恒流信号。当脉冲信号为低电平时，仅有恒流信号直接驱动LED发光；当调制信号为高电平时，通过电容C将脉冲电流信号加上恒流信号驱动LED输出光强变化以达到传输信息的目的。用高速集成运放的驱动前端能使传输速率很高，荧光粉LED的调制带宽可以扩展至25MHz，传输速率可以到达40Mbit／s［19］。采用这种方式主要问题在于缓冲器问题，既要考虑将其转换为电流，还需要考虑速度，速度快则成本高。

图2 LED调制驱动［14］

骆宏图提出用三极管组成的共射极驱动电路，该数字等效电路是利用三极管的开关特性来完成LED的调制驱动。当输入VIN为高电平时，Q1三极管处于饱和导通状态，LED灯发光可以送出“1”的编码；当VIN为低电平时，Q1截止，LED不发光，则为传输“0”信号。其中C1作用是为了提高系统的开关速度，R2为限流电阻，R3为Q1提供偏置电流［16］。

图3 共射极驱动电路［16］

文献［4］提出用NPN对管组成驱动装置，尽管能较好地完成驱动，这种驱动方式优缺点并存，如果三极管基极直接接高电平，以到达直流加编码信号目的。利用三极管进行驱动的特点是：当三极管导通时，由于Rce的电阻值过大，致使LED的发射光强低，LED的亮度不够。此外，三极管的集－射极间的电压过大，导致三极管发热严重的缺点。

1.3 MOS管驱动原理

增强型NMOS管是利用电场控制电流大小，具有高速的开关特性。论文提出用NMOS管驱动方法，用12个1瓦LED组成了可见光通信的光源，其中9个是恒流驱动，另外3个被NMOS管驱动并发射PPM信号。这种方法的优点是：增强型NMOS具有导通电压低，导通电阻小，Rds为数十毫欧姆，落在NMOS漏源极间电压低，这样它能克服三极管驱动过热的现象。驱动前端由R1、C1、R2、Q1、C2、发光二极管D1－D3组成。NMOS管Q1为增强型，三个LED可以并联也可以是串联电路拓扑。C1和R1组成发送予均衡器，可增加驱动的调制带宽。但是NMOS管存在米勒效应，栅源、栅漏极间存在寄生电容影响了NMOS管的开关速度。因此在Q1的栅极接下拉电阻R2，当VIN输入由高到低电平转换时，快速泄露Q1栅极存在的电荷，从而保证NMOS管Q1快速转换以完成高速调制目的。

2 可见光发射装置

2.1 LED实物

制作出的LED发射实物如图5所示，LED布设为4×3阵列，每行三个LED串联。LED布设的行间距为21.27mm，列间距为17.78mm。可以选择其中第二行或第三行发送PPM脉冲信号，驱动方式如图4所示。没有发送PPM脉冲信号的LED，则在栅极恒输入高电平，保持驱动源为恒流状态，并用于室内照明。

图4 NMOS驱动原理图

图5 LED实物

接下来探讨LED阵列是否满足照明要求，分别选择第二行、第三行LED来发送PPM信号。这里将LED视为朗伯体，LED发射装置距照射面的垂直距离为1.2m，照射面的范围为0.5m×0.5m，用matlab软件编程计算照射面的照度。首先，从LED为朗伯体出发，因此LED的发光强度满足（1）式。

式（1）中的θ为光线出射角，I0为中心光强。根据LED出射光强模型，顾及照射面的参数，则照射面的照度如式（2）。

Ir为入射照射面的光强，θ光线的入射角。将式（2）中极坐标转换为笛卡尔坐标系，得到照射面的照度为：

第i个LED在照射面产生的照度为：

为了求出照射面处的照度，先将照射面分为256×256小格栅，接下来计算第i个LED在第j个栅格的照度，最后把所有LED的贡献相加。用matlab计算出各格栅中的照度，得到照度分布如图6所示，照度等高线见图7。根据ISO标准，室内照明或办公照明条件必须满足300－1500Lux［20］。仿真的结果表明：按照通信和照明分开驱动LED在照明方面是可行的，满足室内照应要求；LED4×3阵列布设方式LED间隔小，无论是在哪一行发送PPM信号，照度分布变化不大且在0.5m×0.5m范围内满足照度均匀分布。

图6 照度分布图

图7 照度等高线

2.2 发射端实物

可见光通信的发射装置如图8所示，按照明和通信分开驱动的原则，用增强NMOS管分别制作了四路驱动，图8中电路用黑色框圈出部分为驱动前端。产生PPM的器件为EPM240T100C5N型可编程逻辑器（Complex Programmable Logic Device，CPLD），在50MHz晶振时钟信号作用下，分频后根据按钮产生的信源信号，将其变为脉冲位置信号。PPM信号通过驱动前端致使LED阵列的第二行产生脉冲信号，接收端的PIN传感器先将光信号转换成电流信号，由于照明信号为直流部分，因此可以用电容将这部分隔开。这种驱动的解调信号处理完全用以往方式完成。

图8 可见光发送端实物

3 实验结果

为了验证该驱动前端是否能够满足照明要求，用TS1330A照度计测量了中心照度值最大为1406Lux，边缘最小照度值为493Lux，与仿真出的最大、最小值的相对误差分别为9.8%和7.3%，完全满足室内照明要求。测试了PPM信号的波形，示波器带宽为100MHz，型号为UTD2102CEX，接收装置传感器为PIN管。为对比不同传输速率的信号情况，分别用按钮控制传输速度和发送不同的符号编码。观察时，固定接收传感器的位置，通过按钮变换不同的LED发射信号及传输速度，图9为系统发送41H不同速率的PPM信号。用示波器观察接收电流转换成电压的信号，得到1Mbit／s和100Kbit／s情况下的波形，实验表明得到的波形良好，达到了预期的目的。

图9 1Mbit／s和100Kbit／s的PPM 波形图

4 结 论

论文提出的方式制作的驱动前端，既满足照明需要又满足通信的调制。采用该方法完成的可见光发射装置能克服驱动器件散热问题，且具有成本低、可靠性高的优点。提出的方法不足处对LED的调制速度研究不够深入，这也是下一步应努力的方向。

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