CN106375002B - 一种pwm/ofdm调光调制的led照明与vlc通信电路与方法 - Google Patents

一种pwm/ofdm调光调制的led照明与vlc通信电路与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路与方法，该电路的第一LED驱动电源的正极与第一LED灯负载的阳极相连，第一LED灯负载的阴极与第一开关管的漏极相连；第二LED驱动电源与第二LED灯负载的阳极相连，第二LED灯负载的阴极与第二开关管的漏极相连；第一开关管的源极分别与第二开关管的源极、网络变压器副边绕组的一端相连；第一LED驱动电源的负端分别与网络变压器副边绕组的另一端、第二LED驱动电源的负端相连；可见光通信数据源一端与网络变压器原边绕组的一端相连，可见光通信数据源另一端与网络变压器原边绕组的另一端相连。本发明既实现VLC通信OFDM快速算法，又兼顾照明调光光学特性需求。

Description

一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路与方法
技术领域
本发明属于可实现照明调光和高通信速率可见光通信的照明与通信调光领域，具体涉及一种组合PWM调光与OFDM的LED照明与可见光通信调光电路及其方法。
背景技术
LED作为第四代照明光源，是一种半导体固态照明器件。相比于白炽灯和节能灯，LED不仅具有效率高、寿命长、体积小，更具有响应时间短、调制性能好等优点。
可见光通信（Visible Light Communication ,VLC）技术是利用白光LED高速的响应速度和调制性能，在人的眼睛完全感觉不到LED闪烁的前提下，将信号调制到LED灯发出的可见光上，实现照明与通信的双重作用。IEEE制订了在可见光通信系统中常用的调制方式有OOK、CSK和VPPM等。随着研究的深入，为了提高传输的速率和解决码间干扰等问题，这些调制方式的数据传输速率已经不能满足通信要求。因此近年来研究人员在VLC系统中引入了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制技术。
目前，适合VLC系统的调制解调方式是低成本、易实现的强度调制/直接检测(IM/DD) 技术。对于采用IM/DD技术的VLC系统而言，光强不可为负值，所以不能直接采用双极性信号，因此需要将双极性的OFDM符号转换为只有正极性的信号，常采用的方式是在OFDM信号上叠加一个直流偏置。
随着 LED在通用照明的推广使用，对 LED照明调光应用的需要也越来越广泛。LED照明调光可以节约能源提高光效，调节空间视觉效果，同时还可以延长 LED 的使用寿命，提高 LED 灯的可靠性，因此对 LED照明调光技术的研究越来越多。现在常用的调光方案有：模拟调光和PWM调光。在采用OFDM调制的可调光VLC通信系统中，采用调节直流偏置的方式来实现模拟调光，这种通过改变流过LED的电流的调光方式会使LED色温产生严重偏移，其调光范围有限，且会使得整个电路的效率降低很多。若采用PWM调光方式，则能够弥补模拟调光存在的缺陷。因此PWM调光方式在对调光要求较高的场合得到了广泛的应用。但是PWM调光方式在调光开关管"off"状态的时候存在着双极性OFDM信号截止的问题，影响了VLC通信系统的传输性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决双极性OFDM在PWM调光只有"on"的状态可以传送OFDM信号， "off"状态的时候OFDM信号截止的问题，提供一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路与方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术解决方案：
一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路，其特征在于：包括第一LED驱动电源、第二LED驱动电源、第一LED灯负载、第二LED灯负载、第一开关管、第二开关管、网络变压器及可见光通信数据源；所述第一LED驱动电源的正极与第一LED灯负载的阳极相连，第一LED灯负载的阴极与第一开关管的漏极相连；第二LED驱动电源与第二LED灯负载的阳极相连，第二LED灯负载的阴极与第二开关管漏极相连；第一开关管源极分别与第二开关管源极、网络变压器副边绕组的一端相连；第一LED驱动电源的负端分别与网络变压器副边绕组的另一端、第二LED驱动电源的负端相连；可见光通信数据源一端与网络变压器原边绕组的一端相连，可见光通信数据源另一端与网络变压器原边绕组的另一端相连。
在本发明一实施例中，所述第一开关管、第二开关管均为高频功率MOSFET管。
在本发明一实施例中，所述第一LED灯负载为大功率照明灯负载，其功率大于第二LED灯负载。
在本发明一实施例中，所述网络变压器为高频变压器，其中网络变压器原边绕组的一端与网络变压器副边绕组的一端互为同名端，网络变压器原边绕组的另一端与网络变压器副边绕组的另一端互为同名端。
本发明还提供一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路的方法，其特征在于：第一开关管与第二开关管的驱动信号为互补信号，流过第一LED灯负载的电流为幅值高于流过第二LED灯负载的电流幅值；工作模式包括照明不调光通信模式及PWM照明调光与VLC通信模式。
进一步的，所述照明不调光通信模式工作方法为：第一开关管处于导通状态，第二开关管处于关断状态； 第一LED驱动电源的正输出端通过第一开关管与网络变压器的副边向第一LED灯负载供电，此时流过第一LED灯负载的直流电流为I 0，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第一LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第一LED灯负载的电流高频变化，从而使得第一LED灯负高频光输出变化，将信号调制到第一LED灯负载上，通过光载波传递出去；
所述PWM照明调光与VLC通信模式包括照明调光与VLC通信模式及辅助VLC通信模式；其中照明调光与VLC通信模式工作方法为：当第一开关管调光驱动信号u gs1 为高电平时，第二开关管调光驱动信号u gs2 处于低电平，第一开关管为导通状态，第二开关管为截止状态；第一LED驱动电源的正输出端通过第一开关管与网络变压器的副边向第一LED灯负载供电，此时流过第一LED灯负载的直流电流为I 0，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第一LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第一LED灯负载的电流高频变化，从而使得第一LED灯负载高频光输出变化，将信号调制到第一LED灯负载上，通过光载波传递出去；辅助VLC通信模式工作方法为：当第二开关管的调光驱动信号u gs2 为高电平时，第一开关管的调光驱动信号u gs1 处于低电平，第一开关管为截止状态，第二开关管为导通状态，电路工作于辅助VLC通信模式；第二LED驱动电源的正输出端通过第二开关管与网络变压器的副边给第二LED灯负载供电，此时流过第二LED灯负载的直流电流为I 1，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第二LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第二LED灯负载的电流高频变化，从而使得第二LED灯负载高频光输出变化，将信号调制到第二LED灯负载上，通过光载波传递出去；从PWM照明调光与VLC通信模式的一个完整的PWM调光周期看，对于第一LED灯负载给定的一个输出电流幅值I m，通过控制第一开关管的导通时间，从而控制流过第一LED灯负载的平均电流，达到调光效果，其平均电流表达式如式（1）所示。同时由于提供了一个辅助的VLC通信光源，解决了双极性OFDM在主照明PWM调光只有"on"的状态可以传送OFDM信号，在 "off"状态的时候OFDM信号截止的问题。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果是：(1)在实现高速可见光通信的条件下，根据照明调光需求可以采用PWM调光，更适合于对通信速率和照明调光性能要求比较高的应用场合；(2) 解决了双极性OFDM在PWM调光只有"on"的状态才可以传送OFDM信号， "off"状态的时候OFDM信号截止的问题；(3)采用网络变压器注入OFDM信号，使得调制信号能够方便地调制到LED灯上，从而提高传输的速率和解决码间干扰等问题。
附图说明
图1是本发明一实施例的具体电路图。
图2是本发明的一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路在50%的PWM调光下，驱动信号与驱动电源工作的对应关系。
图3是本发明的一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路驱动电源1工作模式的等效电路图。
图4是本发明的一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路驱动电源2工作模式的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明提供一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路，其包括第一LED驱动电源、第二LED驱动电源、第一LED灯负载、第二LED灯负载、第一开关管、第二开关管、网络变压器及可见光通信数据源；所述第一LED驱动电源的正极与第一LED灯负载的阳极相连，第一LED灯负载的阴极与第一开关管的漏极相连；第二LED驱动电源与第二LED灯负载的阳极相连，第二LED灯负载的阴极与第二开关管的漏极相连；第一开关管的源极分别与第二开关管的源极、网络变压器副边绕组的一端相连；第一LED驱动电源的负端分别与网络变压器副边绕组的另一端、第二LED驱动电源的负端相连；可见光通信数据源一端与网络变压器原边绕组的一端相连，可见光通信数据源另一端与网络变压器原边绕组的另一端相连。
较佳的，所述第一开关管、第二开关管均为高频功率MOSFET管。所述第一LED灯负载的功率大于第二LED灯负载。所述网络变压器为高频变压器，其中网络变压器原边绕组的一端与网络变压器副边绕组的一端互为同名端，网络变压器原边绕组的另一端与网络变压器副边绕组的另一端互为同名端。
具体实施例的电路原理图参见图1。图1中的LED驱动电源1，LED灯负载1，高频功率MOSFET管S1、网络变压器Tx，可见光通信数据源构成主照明调光与VLC通信发送回路；LED驱动电源2，LED灯负载2，高频功率MOSFET管S2、网络变压器Tx，可见光通信数据源构成辅助VLC通信发送回路。
图2为50%的PWM调光下，驱动信号与驱动电源工作的对应关系。u gs1 为高频功率MOSFET管S1的驱动信号，u gs2 为高频功率MOSFET管S2的驱动信号，两个驱动信号为互补信号。流过LED灯负载1的电流为幅值较高的电流，流过LED灯负载2的电流幅值相较于LED灯负载1的电流较小。一个PWM调光周期可以分为主照明调光与VLC通信模式和辅助VLC通信模式。
下面结合具体实施例分析照明不调光通信与PWM照明调光通信的工作原理与工作过程。
一：照明不调光通信模式
当照明不采用PWM调光时，由于LED灯负载的两个开关是互补工作，开关管S1一直处于导通状态，开关管S2一直处于关断状态；VLC数据通过OFDM网络变压器调制发送，处于正常不调光照明进行可见光通信状态。此时等效电路如图3所示。
LED驱动电源1的正输出端通过高频功率MOSFET管S1与网络变压器的副边给LED灯负载1供电，此时流过LED灯负载1的直流电流为I 0，VLC通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得LED灯负载1上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过LED灯负载1的电流高频变化，从而使得LED灯负载1高频光输出变化，将信号调制到LED灯负载1上，通过光载波传递出去。
二：PWM照明调光与VLC通信模式
（1）照明调光与VLC通信模式
当调光驱动信号u gs1 为高电平时，u gs2 处于低电平，高频功率MOSFET管S1为导通状态，S2为截止状态，电路工作于照明调光与通信模式，此时等效电路如图3所示。
LED驱动电源1的正输出端通过高频功率MOSFET管S1与网络变压器的副边给LED灯负载1供电，此时流过LED灯负载1的直流电流为I 0，VLC通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得LED灯负载1上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过LED灯负载1的电流高频变化，从而使得LED灯负载1高频光输出变化，将信号调制到LED灯负载1上，通过光载波传递出去。
（2）辅助VLC通信模式
当调光驱动信号u gs2 为高电平时，u gs1 处于低电平，高频功率MOSFET管S1为截止状态，S2为导通状态，电路工作于辅助VLC通信模式，此时等效电路如图4所示。
LED驱动电源2的正输出端通过高频MOSFET管S2与网络变压器的副边给LED灯负载2供电，此时流过LED灯负载2的直流电流为I 1，VLC通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得LED灯负载2上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过LED灯负载2的电流高频变化，从而使得LED灯负载2高频光输出变化，将信号调制到LED灯负载2上，通过光载波传递出去。
从一个完整的PWM调光周期看，对于第一LED灯负载的一个输出电流幅值I m，通过控制主照明调光电路开关管S1的导通时间“on”，从而控制流过第一LED灯负载的平均电流：
（1）
式中，T on是在调光开关管一个调光周期T dim内的导通时间。这样，通过调节调光占空比D dim，改变流过LED的平均电流，达到调光效果。同时由于提供了一个辅助的VLC通信光源，解决了双极性OFDM在主照明PWM调光只有"on"的状态可以传送OFDM信号，在 "off"状态的时候OFDM信号截止的问题，同时提高照明调光质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限定本发明，在不脱离本发明基本构思的前提下所做的若干等同替代和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信方法，提供一PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信电路，该电路包括第一LED驱动电源、第二LED驱动电源、第一LED灯负载、第二LED灯负载、第一开关管、第二开关管、网络变压器及可见光通信数据源，其特征在于：第一开关管与第二开关管的驱动信号为互补信号，流过第一LED灯负载的电流为幅值大于流过第二LED灯负载的电流幅值；工作模式包括照明不调光通信模式及PWM照明调光与VLC通信模式；
所述照明不调光通信模式工作方法为：第一开关管处于导通状态，第二开关管处于关断状态；第一LED驱动电源的正输出端通过第一开关管与网络变压器的副边向第一LED灯负载供电，此时流过第一LED灯负载的直流电流为I0，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第一LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第一LED灯负载的电流高频变化，从而使得第一LED灯负载高频光输出变化，将信号调制到第一LED灯负载上，通过光载波传递出去；
所述PWM照明调光与VLC通信模式包括主照明调光与VLC通信模式及辅助VLC通信模式；其中照明调光与VLC通信模式工作方法为：当第一开关管调光驱动信号ugs1为高电平时，第二开关管调光驱动信号ugs2处于低电平，第一开关管为导通状态，第二开关管为截止状态；第一LED驱动电源的正输出端通过第一开关管与网络变压器的副边向第一LED灯负载供电，此时流过第一LED灯负载的直流电流为I0，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第一LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第一LED灯负载的电流高频变化，从而使得第一LED灯负载高频光输出变化，将信号调制到第一LED灯负载上，通过光载波传递出去；
辅助VLC通信模式工作方法为：当第二开关管的调光驱动信号ugs2为高电平时，第一开关管的调光驱动信号ugs1处于低电平，第一开关管为截止状态，第二开关管为导通状态，电路工作于辅助VLC通信模式；第二LED驱动电源的正输出端通过第二开关管与网络变压器的副边给第二LED灯负载供电，此时流过第二LED灯负载的直流电流为I1，可见光通信数据源调制产生高频OFDM信号，通过高频网络变压器的原边传递到网络变压器的副边，使得第二LED灯负载上的直流电压叠加上一个高频交流电压信号，变化的高频交流电压信号使得流过第二LED灯负载的电流高频变化，从而使得第二LED灯负载高频光输出变化，将信号调制到第二LED灯负载上，通过光载波传递出去；
从PWM照明调光与VLC通信模式的一个完整的PWM调光周期看，对于第一LED驱动电源给定的一个输出电流幅值Im，通过控制第一开关管的导通时间，从而控制流过LED的平均电流：
式中，Ton是在调光开关管一个调光周期Tdim内的导通时间，通过调节调光占空比Ddim，改变流过LED1平均电流，达到调光效果，同时由于提供了一个辅助的VLC通信光源，解决了双极性OFDM在主照明PWM调光只有"on"的状态可以传送OFDM信号，在"off"状态的时候OFDM信号截止的问题。
2.根据权利要求1所述的PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信方法，其特征在于：所述第一LED驱动电源的正极与第一LED灯负载的阳极相连，第一LED灯负载的阴极与第一开关管一端相连；第二LED驱动电源与第二LED灯负载的阳极相连，第二LED灯负载的阴极与第二开关管的漏极相连；第一开关管的源极分别与第二开关管的源极、网络变压器副边绕组的一端相连；第一LED驱动电源的负端分别与网络变压器副边绕组的另一端、第二LED驱动电源的负端相连；可见光通信数据源一端与网络变压器原边绕组的一端相连，可见光通信数据源另一端与网络变压器原边绕组的另一端相连。
3.根据权利要求1所述的PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信方法，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管均为高频功率MOSFET管。
4.根据权利要求1所述的PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信方法，其特征在于：所述第一LED灯负载的功率大于第二LED灯负载。
5.根据权利要求1所述的PWM/OFDM调光调制的LED照明与VLC通信方法，其特征在于：所述网络变压器为高频变压器，其中网络变压器原边绕组的一端与网络变压器副边绕组的一端互为同名端，网络变压器原边绕组的另一端与网络变压器副边绕组的另一端互为同名端。
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