CN111431599A - 一种基于可见光通信的发射系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于可见光通信的发射系统，其特征是包括共集电极放大电路、模拟预均衡器、LED电流驱动电路、发光二极管；共集电极放大电路与模拟均衡器相连，模拟预均衡器与LED电流驱动电路相连，LED电流驱动电路与发光二极管相连。模拟均衡器在第三电阻、第一电容并联后连接在均衡器的输入端与输出端之间，第四电阻连接在均衡器的输出端与地之间。本发明在共集电极放大电路与LED电流驱动电路构成的有源电路之间，插入无源模拟预均衡器。在模拟预均衡器后使用了共基极结构的设计，具有极小的输入阻抗，保证了模拟预均衡器的频率响应在高频段不过早地趋向平坦，可有效地对LED的频率响应进行补偿修正，提高系统的调制带宽和数据传输速率。

Description

一种基于可见光通信的发射系统
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，具体涉及一种基于可见光通信的发射系统。
背景技术
随着无线通信的发展，频谱资源日益稀缺，寻找更宽、更高效的通信频带和更利于推广的无线接入方式迫在眉睫。可见光通信技术在这个背景下孕育而生，它能够以较低的成本同时实现高速信息通信与日常照明两大功能。相对于传统的射频通信技术，可见光通信技术具有安全、绿色环保、无电磁干扰、频带宽等特点，适合在智能家居、智能交通、水下高宽带通信、医院医疗等众多领域应用。
由于一般商用的LED具有电感特性，其-3dB带宽不到1MHz，其对低频信号的响应会高于高频信号，随着信号的频率增大，信号衰减越大。因此，当LED用于可见光信号调制时，信号的频率响应会受LED的频率特性影响，信号的高频分量会受到抑制，使信号产生严重失真，系统的误码率变大，影响系统的稳定性。
在可见光通信系统中，由于LED发射管、光电接收管存在频率响应曲线不平坦特性，光信道具有多径效应严重、背景噪声干扰大等问题，VLC系统的调制带宽、数据传输速率受到了严重的制约。虽然采用OFDM等高阶调制技术、DMT等多载波调制技术能够在一定程度上增加VLC系统的信道容量、提高数据传输速率，但是受限于VLC系统有限的调制带宽，其传输性能难以得到有效提升。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于可见光通信的发射系统。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于可见光通信的发射系统，包括：共集电极放大电路、模拟预均衡器、LED电流驱动电路、发光二极管；共集电极放大电路与模拟均衡器相连，模拟预均衡器与LED电流驱动电路相连，LED电流驱动电路与发光二极管相连。
所述的共集电极放大电路包括：第一电阻、第二电阻、电阻和第一三极管；第一三极管的基极与第一电阻、第二电阻以及电信号的输入端相连；第一三极管的集电极与第一电阻、电源连接；电阻连接在第一三极管的发射极与地之间。
其中，所述共集电极放大电路的输入阻抗为50Ω。
其中，所述第一电阻、第二电阻用来为所述第一三极管提供静态偏置电压。
所述共集电极放大电路，获得对后级极小的输出阻抗的同时，能够很容易对整个电路输入端口进行阻抗匹配。
所述的模拟均衡器包括：第一电容、第三电阻与第四电阻；第三电阻、第一电容并联后连接在均衡器的输入端与输出端之间；第四电阻连接在均衡器的输出端与地之间；
其中，所述第四电阻为所述驱动电路的等效输入阻抗。
其中，第三电阻大于第四电阻，第三电阻与第四电阻为均衡器提供低频拐点；第一电容与第四电阻为均衡器提供高频拐点。
所述模拟预均衡器，用于对LED频率响应进行补偿。即减小低频信号的幅度响应，并增强高频信号的幅度响应，使发射系统的频率响应尽可能的平坦。
所述的LED电流驱动电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二三极管、第三三极管和LED灯串；第六电阻连接在电源Vcc与所述第二三极管基集之间，第七电阻连接在地与第二三极管基集之间，第八电阻连接在第二三极管的发射极与地之间；第二三极管的集电极与前级的信号输入相连，第二三极管的发射极与第三三极管的基集相连；第五电阻连接在第二三极管的集电极与第三三极管的集电极之间，第九电阻连接在第三三极管的发射极与地之间，LED灯串连接在第三三极管的集电极与电源之间。
其中，第二三极管为模拟预均衡器提供极小的输出阻抗。
其中，第五电阻为所述LED驱动电路的跨级直流负反馈。
所述LED电流驱动电路，向所述模拟均衡器提供较小的输出阻抗，并将均衡后的直流信号与交流信号进行耦合，驱动发光二极管发光。
本发明提出了“三明治”结构的模拟预均衡器设计，即在所述共集电极放大电路与所述LED电流驱动电路构成的有源电路之间，插入无源模拟预均衡器。由于最后一级的LED驱动电路输入阻抗不可控，在所述模拟预均衡器后使用了共基极结构的设计，具有极小的输入阻抗，保证了所述模拟预均衡器的频率响应在高频段不过早地趋向平坦，可有效的对LED的频率响应进行补偿修正，提高系统的调制带宽和数据传输速率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明实施例1中共集电极放大电路图。
图3为本发明实施例1中均衡器电路图。
图4为本发明中LED幅频响应曲线图。
图5为本发明实施例1中均衡器幅频响应曲线图。
图6为本发明实施例1中LED电流驱动电路图。
图7为本发明实施例1中未加均衡的系统幅频响应曲线图。
图8为本发明实施例1中均衡后的系统幅频响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明进一步的说明。
如图1为本发明所述的一种可见光通信发射系统，包括：共集电极放大电路、模拟预均衡器、LED电流驱动电路、发光二极管。所述共集电极放大电路与所述模拟均衡器相连，所述模拟预均衡器与所述LED电流驱动电路相连，所述LED电流驱动电路与所述发光二极管相连。
所述共集电极放大电路，获得对后级极小的输出阻抗的同时，能够很容易对整个电路输入端口进行阻抗匹配。
如图2为本发明具体实施例的共集电极放大电路，由第一电阻R1、第二电阻R2、电阻Re，第一三极管Q1和电源Vcc构成。
第一三极管Q1的基极与第一电阻R1、第二电阻R2以及电信号的输入端相连，第一三极管Q1的集电极与第一电阻R1和电源Vcc连接，第一三极管Q1的发射极与电阻Re连接，电阻Re的另一端与地连接。其中，输入端信号为任意波形发生器输出的交流信号。
第一电阻R1、第二电阻R2为基极偏置电阻，为静态工作点提供基极的直流偏置电压。电阻Re为发射极电阻，rbe为第一三极管Q1基极与发射极间的结电阻，β为第一三极管Q1的放大倍数。
输出阻抗Ro计算公式如下：
Ro＝Re||(1+β)rbe
输出阻抗Ro为Re和(1+β)rbe的并联。
在本实施例中，电阻Re＝100Ω，第一三极管Q1选择BFQ591，放大倍数β＝100，rbe＝1.275Ω。计算得到第一三极管Q1共集电极放大电路的输出阻抗Ro＝58.29Ω。
可以通过调节电阻Re的大小控制放大电路的输出阻抗，并为后级提供阻抗匹配。
所述模拟预均衡器，用于对LED频率特性进行均衡处理。
如图3为本发明具体实施例的模拟预均衡器，由第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1构成。
第三电阻R3与第一电容C1并联后的前端与输入端连接，其后端与第四电阻R4、LED驱动器连接，第四电阻R4另一端与地连接。
第三电阻R3与第一电容C1并联构成信号的微分器，减小低频信号的幅度响应，并增强高频信号的幅度响应。其中第四电阻R4为后一级LED驱动器的等效输入电阻。
均衡器的传输函数为：
Figure BDA0002453797520000031
其中，
Figure BDA0002453797520000032
均衡器的幅度响应方程为：
Figure BDA0002453797520000033
均衡器的直流响应为：
Figure BDA0002453797520000041
直流响应的3dB带宽为：
Figure BDA0002453797520000042
则：
Figure BDA0002453797520000043
均衡器的幅度响应曲线如图5所示，该均衡器模型可以抑制低频信号幅度响应，并增强高频信号的幅度响度响应，频率在ω1与ω2之间时，信号的幅度响应呈线性增加。
在本实施例中，第三电阻R3＝100Ω，第四电阻R4＝33Ω，第一电容C1＝330pF。这样，使均衡器对LED幅频响应有较好的补偿特性。
所述LED电流驱动电路，将均衡后的直流信号与交流信号进行耦合，并且驱动发光二极管发光。
如图6为本发明具体实施例的LED电流驱动电路，由电阻第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9，第二三极管Q2、第三三极管Q3和LED灯串构成。
第六电阻R6连接在电源Vcc与第二三极管Q2基极之间，第七电阻R7连接在地GND与第二三极管Q2基极之间，第八电阻R8连接在第二三极管Q2的发射极与地GND之间；第二三极管Q2的集电极与前级的信号输入相连，第二三极管Q2的发射极与第三三极管Q3的基极相连；第五电阻R5连接在第二三极管Q2的集电极与第三三极管Q3的集电极之间，第九电阻R9连接在第三三极管Q3的发射极与地GND之间，LED灯串连接在第三三极管Q3的集电极与电源Vcc之间。
由于流过LED的电流很大，为了稳定LED电流，在第二三极管Q2与第三三极管Q3的集电极之间串接一个第五电阻R5引入直流反馈，从而使第三三极管Q3的输出电流达到稳定。
进一步地，因为LED驱动器前一级均衡电路所需的负载阻抗很小，需要将LED驱动器的输入阻抗降低。因此在LED驱动器前端增加一级共基极放大电路，将LED驱动器的输入阻抗降低。
采用LED灯珠串联的方式，提高光强度和系统效率。
在本实施例中，第五电阻R5＝200Ω，第六电阻R6＝3.3kΩ，第七电阻R7＝3.3kΩ，第八电阻R8＝51Ω，第九电阻R9＝0.33Ω，第二三极管Q2选择BFT93，第三三极管Q3选择BFQ591。这样，使得LED驱动器具有较小的输入阻抗与较好的驱动性能。
另外，对本实施例进行了带宽测试，具体如下：接收端的PIN光电接收器使用的是NEWPORT公司生产的Silicon PIN Detector(Model 818-BB-21)，其光谱范围为350-1100nm，带宽大于1.2GHz，测试仪器使用网络分析仪，ROHDE&SCHWARZ公司的ZNB 20VECTORNETWORK ANALYZER，其带宽在100KHz-20GHz。其中，图7与图8为实际测得的系统前向传输增益(S21)的曲线。图7为未加均衡器得到的前向增益曲线，如图中Marker 2所标记，系统的-3dB带宽约为7MHz。增加模拟均衡模块后，如图8所示，系统的-3dB带宽大幅提高至90MHz。

Claims (3)

1.一种基于可见光通信的发射系统，其特征是包括共集电极放大电路、模拟预均衡器、LED电流驱动电路、发光二极管；共集电极放大电路与模拟均衡器相连，模拟预均衡器与LED电流驱动电路相连，LED电流驱动电路与发光二极管相连；
所述的模拟均衡器包括：第一电容、第三电阻与第四电阻；第三电阻、第一电容并联后连接在均衡器的输入端与输出端之间；第四电阻连接在均衡器的输出端与地之间；
其中，所述第四电阻为所述驱动电路的等效输入阻抗，第三电阻大于第四电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的发射系统，其特征是所述的共集电极放大电路包括：第一电阻、第二电阻、电阻和第一三极管；第一三极管的基极与第一电阻、第二电阻以及电信号的输入端相连；第一三极管的集电极与第一电阻、电源连接；电阻连接在第一三极管的发射极与地之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的发射系统，其特征是所述的LED电流驱动电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二三极管、第三三极管和LED灯串；第六电阻连接在电源Vcc与所述第二三极管基集之间，第七电阻连接在地与第二三极管基集之间，第八电阻连接在第二三极管的发射极与地之间；第二三极管的集电极与前级的信号输入相连，第二三极管的发射极与第三三极管的基集相连；第五电阻连接在第二三极管的集电极与第三三极管的集电极之间，第九电阻连接在第三三极管的发射极与地之间，LED灯串连接在第三三极管的集电极与电源之间。
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