白光LED调制特性及调制带宽的研究

HansJournalofWirelessCommunications无线通信,2012,2,7-12doi:10.4236/hjwc.2012.21002PublishedOnlineFebruary2012()Copyright©2012Hanspub7WhiteLEDModulationBandwidthandModulationCharacteristicsoftheStudyJieCao,ZhongchengLiang,ZhengbeiMaDepartmentofOpt-ElectronicEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,NanjingEmail:[e-mail]:Dec.15th,2011;revised:Dec.26th,2011;accepted:Jan.13th,2012Abstract:Thispaperconductsaprofoundresearchonmodulationfeaturesofcommercialhigh-powerwhiteLED,thelightsourceofVisibleLightCommunication(VLC).ThroughthewhiteLEDlightcommerciallightingprinciplesandtheanalysisofthecharacteristicsofwhiteLED,Comevisiblelightcommunicationsystemthebestchoiceforthetypeofexperiment.AnalysisofthemodulationcharacteristicsofwhiteLED,LEDmodulationbandwidthcharacteristicsforaVLCsystemisdesignedasanexperimentalplatform.Measureandcompareavarietyoftypesofcommercialhigh-powerLEDmodulationperformanceofexperimentaldataandconclusionsdrawn.ThroughtheanalysisofexperimentaldatatoconcludethatthecurrentcommercialwhiteLEDlightingmodulationcharacteristics.Itprovidestheoreticalguidanceforvisiblelightcommunicationsystemtochoosethelightsourcesinthefuture.Keywords:WhiteLED;VLC;ModulationCharacteristics;ModulationBandwidth白光LED调制特性及调制带宽的研究曹捷，梁忠诚，马正北南京邮电大学光电工程学院，南京Email:[e-mail]收稿日期：2011年12月15日；修回日期：2011年12月26日；录用日期：2012年1月13日摘要：本文对可见光通信(VLC)系统的光源——商用大功率照明白光LED的调制特性进行了研究。通过对白光LED发光原理和商用照明白光LED的特性的分析进而得出可见光通信系统光源实验的最佳选择类型。分析了白光LED的调制特性，针对LED调制带宽特性专门设计了一个VLC系统作为实验平台，测量并比较了多种型号的商用大功率LED的调制性能得出实验数据和结论。通过对实验数据进行分析从而总结出目前商用照明白光LED的调制特性，为今后可见光通信系统的光源选择提供理论指导。关键词：白光LED；VLC；调制特性；调制带宽1.引言近年来，LED设备广泛使用于人们生活的各个方面。室内可见光无线通信技术是随着白光LED照明技术的发展而兴起的无线光通信技术[1]。由于白光LED拥有节能，寿命长，可靠性高等优点，而且响应时间极短，可以在兼顾照明的同时组成室内可见光无线通信系统。可见光通信的信号光源可以为单色光和白光LED。通过以人眼无法感测的速度调制信号光源来传送数据，因而允许采用现有的照明基础设施，只需稍作改动即可(比如用LED来替换白炽灯光源)。白光LED的响应频率直接决定了可见光通信系统可用的带宽[2]。所以在追求大功率输出的同时，如何提高白光LED的频率响应、拓展其带宽是实现高速可见光白光LED调制特性及调制带宽的研究Copyright©2012Hanspub8通信必须要解决的难题之一。2.可见光通信系统光源选择依据目前的发光二极管一般只有红、绿、蓝三种，不存在直接发射白光的LED，要得到白光LED，必须将红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光。三芯片型发光材料主要有GaAsP、AlGaAs、GaP:Zn2O等，发红光；ALGalnP/GaAs、ALGalnP/GaP等，发红光和橙光；GaP:N发绿光；InGaN发蓝光。红、绿、蓝LED封装在一个包内，光效可达20lm/W，发光效率较高，显色性好。三原色LED混合，通过红、绿、蓝三原色光可以控制色彩。但三芯片三原色混合成本较高，并且有红、绿、蓝LED芯片光衰减不同而易产生变色现象等缺陷。蓝色LED芯片发出的蓝光激发黄绿荧光粉发光，使蓝光与黄、绿光混合发出白光。蓝光InGaN单芯片激发YAG荧光粉，发出白光，光效可达lm/W。这种方法发光，发光效率高，制备简单，温度稳定性高，显色性也好。但色彩随角度而变，光一致性差。显然，根据光度学原理，用蓝光激发红光、绿光荧光粉也可以发出白光。紫外光或紫外LED激发三原色荧光粉，发出白光。显然也选择用两基色、四基色、五基色荧光粉，同样可以实现白光LED。这种方法的白光决定于荧光粉，易实现较高的显色性，白光制备方法简便易行。但有发光效率低，温度稳定性差，紫光容易遗留等缺陷[3,4]。目前商品化的白光LED产品根据光谱成分的不同，主要分成两大类：1)蓝色光LED芯片+黄绿色荧光粉激发白光；2)将红、绿、蓝(RGB)三种LED芯片封装在一起，混合产生白光。两类白光LED的光谱如图1所示。从图1可以清楚看出两种LED发光光谱的差异。正是由于这种差异，将这两种白光LED应用于可见光通信系统存在差异。目前的研究工作重要是针对蓝光+荧光粉的LED，在这种情况下，大段的黄色荧光光谱并不受电流调制，导致LED的调制带宽很低。解决办法在于使用蓝色滤光片将荧光部分滤除后再进行光电信号转换，滤光后的调制特性有很大改善。至于RGB混合型白光LED，其优点在于：可以提供极高的光谱带宽，可以使用波分复用的方式提高信道1.00.80.60.40.20.0350450550650750400500600700Wavelength(nm)SpectralPowerDistribution-WhiteLEDRelativeSpecrtalPower(a)10050350450550650Wavelength(nm)Transmission(%)(b)Figure1.ContrasttwokindsofwhiteLEDspectra[5]图1.两种白光LED光谱对比[5]：(a)蓝光LED+黄绿色荧光粉；(b)RGB型白光LED容量[5]。但是由于较高的成本和复杂的调制电路，目前尚未见到采用这种LED设计的VLC系统。综上所述，白色荧光LED是现阶段最为可行的VLC系统光源。在实验中我们为可见光通信实验准备的LED芯片型号分别为CreeXlampXP-GNaturalWhiteQ5，CreeXlampXP-GNaturalWhiteR2，红色LED芯片，CreeXLampMC-E，带滤光镜的白色LED芯片等五种不同的LED芯片。3.白光LED调制特性LED的调制特性可以从三个方面来描述。首先，作为一种特殊的二极管，LED具有与普通二极管相似的伏安特性曲线，如图2所示。由曲线可知，LED单向导通，当正电压超过某个阈值VA(如2.25V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为I与V成正比，如图中所示的“工作区”。白光LED调制特性及调制带宽的研究Copyright©2012Hanspub9IBAOVAVVCCD反向死区反向击穿区工作区Figure2.LEDvolt-amperecharacteristiccurve图2.LED伏安特性曲线其次，LED的调制能力由其光功率–电流曲线(即P-I曲线)描述，如图3所示。从图中可知，LED的P-I曲线近似成线性，且没有阈值电流。定义LED的光调制度m为：12ImI∆=偏置(1)式中I∆表示信号的峰峰值电流。光调制度描述了交流信号与直流偏置之间的关系，调制度越高，光信号越容易被探测到，从而降低光接收端所需的光功率。驱动LED的偏置电流往往达数百毫安，要使信号电流也达到这个量级需要设计相应的放大电路。目前大多数实验的驱动能力达到百分之几到百分之十几的调制度，如果一味追求高调制度可能会导致调制带宽降低[6]，同样影响系统性能。最后一点，LED的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率，其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值得一半时(–3dB)的频率就是LED的调制带宽，如图4所示。图中的光带宽指光电探测器输出的信号电流变为原来一半时对应的带宽。LED的调制带宽受响应速率限制，而响应速率又受半导体内少子寿命cτ影响：3d32πBcfτ=对于III-V族(如GaAs)材料制成的发光二极管而言，cτ的典型值为100ps，故LED的理论带宽总是限制在2GHz以下[7]。当然，目前所有发光二极管的Figure3.FortheLEDtosimulatethemodulationofP-Icurve图3.对LED进行模拟调制时的P-I曲线频率电3-dB点光3-dB点10.7070.5电带宽光带宽光检测器输出电流：IoutFigure4.DiagramofLEDmodulationbandwidth图4.LED调制带宽示意图带宽都远远低于这个值，照明用的大功率白光二极管由于受其微观结构及光谱特性所限，带宽更低。较低的调制带宽限制了LED在高速通信领域(包括可见光通信系统)的应用，因此，设法提高LED的调制带宽是解决问题的关键。文献[7]给出了一种通过改进LED微观结构提高调制带宽的方法。4.LED调制特性的测量实验平台的设计LED调制特性的测量实验平台如图5所示，主要包括光信号发射端和接收端。在发射端，首先对从函数发生器产生的正弦波信号进行放大，以提高实验所需的LED调制深度；随后，将放大后的信号加载到由恒流源驱动的LED直流偏置电流上，这样LED就能够发出明暗闪烁的调制光信号了；而在接收端，主要是对光电检测器的光电流进行放大处理，并输出到示波器上。值得一提的是，实用的VLC往往会在光电检测器前加装蓝色滤光片，用于滤除白光LED中发出的黄色荧光分量，从而大幅提高系统带宽LED调制特性[8]。测量实验平台如图5所示，主要包括光信号发射端和接收端。在发射端，首先对从函数发生器产生的正弦波信号进行放大，以提高实验所需的白光LED调制特性及调制带宽的研究Copyright©2012Hanspub10示波器光电探测器放大器接收端Rx发射端Tx白光LED放大器信号源无线空间信道LED恒流源Figure5.LEDmodulationbandwidthmeasurementplatformdiagram图5.LED调制带宽测量平台示意图LED调制深度；随后，将放大后的信号加载到由恒流源驱动的LED直流偏置电流上，这样LED就能够发出明暗闪烁的调制光信号了；而在接收端，主要是对光电检测器的光电流进行放大处理，并输出到示波器上。VLC系统的发射端电路包括两方面主要功能：直流驱动LED正常工作；