不同可见光接收元件对LED调制效率影响研究

宋素真,桂 林,张 华,魏 巍,郑艺璇,韦晓琪

(上海第二工业大学 计算机与信息工程学院,上海201209)

0 引言

可见光通信(visible light communication,VLC)是一种新型的无线光通信技术,它以发光二极管(light emitting diode,LED)为发射器件,以自由空间为载体来传输信号,并同时实现了无线光通信和照明的双重功能。VLC技术具有无电磁辐射,抗电磁干扰,节能高效的优点[1-2]。在无线频谱资源严重紧缺情况下,VLC是实现短距离、宽带通信的有效技术手段,已经被纳入新一代移动通信技术体系[3-5]。作为近些年来的热点研究问题,国内外学者在VLC领域取得了可喜的突破,其通信速率也已经提升至10 Gb/s[6]。

从VLC系统的器件构成来看,目前VLC的接收端主要以硅光电池作为检测器,通过接收LED器件发射的信号来完成VLC的功能。从降低整体系统成本的角度考虑,也有研究人员将LED器件直接作为VLC系统接收端的光电探测器来使用,从而实现发射和接收端均采用LED器件,且成本更为低廉的VLC系统[7-10]。除了以上两种VLC接收器件外,光电传感器也可作为接收器件来探测光电信号。由于测量发射端LED器件的调制效率,离不开接收端光电探测器的辅助,如果接收端采用不同种类的光电探测器,对发射端LED调制效率的测量有何影响,成为了VLC领域中有待解决的问题,然而目前很少有研究人员从实验上针对该问题进行研究与数据分析。

因此,本文使用了硅光电池、光电传感器和LED3种不同种类的光接收元件,在偏置电压为3.4 V且发射端与接收端之间距离为10 cm的条件下,以LED作为发射端,实现VLC信息传输。测量并比较白色LED作为发射端,硅光电池、LED和光电传感器作为光接收端3种情况下的调制效率。实验结果表明,在射频信号频率为500 kHz,交流信号峰峰值电压在0.5～2.1 V和2.2～5 V范围内,硅光电池作为光接收元件具有更高的传输效率和更好的调制特性。当光电传感器为光接收元件时,其调制效率为硅光电池调制效率的66.15%～82.67%。当LED为接收元件时,在调制效率较高的2.2～5.0 V区域内,其调制效率仅仅为硅光电池的34.48%。

1 系统模型与结构

具有电压偏置功能的任意波形发生器(arbitrary waveform generator,AWG)在实验中用于生成带有偏置电压的正弦波形。由于偏置三通已经集成至AWG中,因此可以直接用来驱动LED器件。射频信号源由直流分量和交流分量组成,可表示为:

式中:VDC为电压直流分量,V;Vt为加载在发射端LED器件上的总电压,V;Vrf为电压交流分量的幅度,V;f c为射频信号的频率,Hz;t为时间,s。发射器调制输入信号,并通过LED源进行驱动。将调制信号加载到LED上时,LED器件将其上所加载电压Vt和该器件中的电流It等电信号转化为光信号(Pt)并将其发送至自由空间。在接收端,通过空间传输的光信号(Pt)收敛至光电探测器表面,光电探测器端的光功率为Pr,光电探测器将该光信号转化为电流信号Ir,进而转化为电压信号Vr,信号转换过程如图1所示。

图1 发射-接收信号转换示意图Fig.1 Schematic diagram of transmit-receive signal conversion

实验中,VLC系统主要由两部分组成:包含LED的发射机和包含不同接收器件的光接收机。两者间的距离为10 cm,如图2所示。

图2 实验装置图Fig.2 Experimental setup diagram

射频(radio frequency,RF)信号的强度通过电子频谱分析仪(Tektronix,MDO3052六合一混合域示波器的频谱分析功能)测量。以0.1 V(峰-峰值)为幅度间隔将RF电压(峰-峰值,下同)从0.5 V增加到5.0 V,测量得到的原始数据如图3所示,其中图3(a)为RF电压在区间0.5～2.1 V不同器件接收端原始射频功率的情况,图3(b)为RF电压在区间2.2～5.0 V时的情况。LED器件的截止电压和饱和电压分别为2.3 V和4.5 V,假设该区域的V-I曲线近似为线性,为保证LED尽可能的工作在线性区域,因此LED的偏置电压选择为截止电压和饱和电压的中点,即3.4 V。通过将测量得到的数据与线性模型拟合,可以得到LED的调制效率,即Vr-Vrf曲线的斜率,如表1所示。Pr为光电探测器的接收光功率,Vr为Pr转化得到的RF功率,Vrf为加载在发射端LED器件上的交流电压幅度。

图3 不同发射端RF电压条件下,测得的不同器件接收端原始射频功率数据(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 结果与讨论

P1为接收端接收到的射频功率随输入端所加射频电压幅度变化的斜率,其数值越大,调制效率越高。R2为拟合曲线和原始曲线之间的误差参数,数值越接近于1,线性度越好。当R2接近1时,Vr-Vt曲线呈线性。从表1可以看出,在0.5～2.1 V区域,当检测器是硅光电池时,调制效率最高,P1达到31.1μW/V;当检测器是光电传感器时,调制效率为硅光电池的66.24%,但其线性度最高,即R2最大,达到了0.971 1。在2.2～5.0 V区域,当检测器是硅光电池时,调制效率最高,且线性度最好(R2=0.990 6),而此条件下,光电传感器的调制效率可以达到硅光电池的82.76%,其线性度与硅光电池的较为接近。而LED作为光电探测器,其调制效率在两个区间中均最低,以其调制效率较高的2.2～5.0 V区域为例,其数值仅仅为硅光电池的34.48%,且LED作为光电探测器的线性度也明显较差,R2均小于0.9。

表1 在f c=500 kHz时,不同光探测器在不同电压下的数据拟合Tab.1 The data fitting for different light detectors at different voltages when f c=500 kHz

当LED用作光接收元件时,透射效率差。为了提升数据和模型的拟合程度,增加多项式拟合的阶数,发现当阶数增加到8时,R2达到0.9以上,如表2所示。由此可见,LED作为接收元器件时,存在大量的非线性失真。相比之下,当多项式拟合阶数为1时,硅光电池和光电传感器(作为光接收元件)已达到0.95以上。因此,LED作为光接收元件,效果并不理想。

表2 不同电压区域下LED作为光接收元件的不同阶次线性拟合结果Tab.2 Linear fitting results of different orders for different voltages when LED as light receiving element

3 结 论

综上所述,本文研究了3种常见的接收端光元件对于发射端LED调制效率的影响。对于VLC系统中最为常见的硅光电池作为光接收元件时,发射端的LED调制效率最高,线性度也最好,一次拟合的R2数值可以达到0.95以上,因此,研究人员在VLC实验中,通常选择硅光电池作为光接收元件;如果选择成本较低的光电传感器为光接收元件时,其调制效率也可以达到硅光电池为光接收元件时调制效率的66.15%～82.67%。当LED为光接收元件时,即收发两端均选用LED器件时,在调制效率较高的2.2～5.0 V区域内,其调制效率仅仅为硅光电池为光接收元件时调制效率的34.48%。在此基础上,工程技术人员可以根据VLC系统的成本、调制效率等要求,较为灵活的选择VLC系统中的光接收元件。