CN112702814B - 一种基于led电热模型的偏置电流的优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法及系统，方法包括：基于照明约束确定偏置电流的量级，根据通信性能需求计算所需的信号约束；基于偏置电流的量级和信号约束确定调制深度范围；在调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。本发明能够根据电流，温度和光通量三者的关系，对偏置电流有效的进行优化，以提升光效，以及在满足场景照明的基础上，能够尽可能的优化通信性能。

Description

一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法及系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法及系统。

背景技术

LED设计之初是用于照明而非通信，百兆级的开关键控(OOK)和吉赫兹级的正交频分复用(OFDM)虽然早已被实现，但这些高速的通信技术往往忽略了LED对照明的严格限制。兼顾照明的可见光通信技术期望在不损失照明功能的前提下，用快速调制LED进行数据传输。然而，LED的电流与输出光通量存在很强的凹特性，调制将引起光通量的损失。为补偿通量损失，将采用增加偏置电流以满足设计所需要的照度需求。但是，偏置电流的增加会消耗更多的功率，进而引起温度上升和效率下降等诸多问题。

此外，结温也将作为制约LED光通量的另一个因素，制造商提供的数据仅在结温为25℃有效，发光效率会随温度提升而显著降低，在正常的结温下，发光效率会下降25％以上，进而降低输出的光通量，工业常用的典型值为-2.1lm/℃。结温取决于LED的功率，且直接依赖于驱动电流的均方值。为降低温度的影响，常采用具有更大规格的散热系统，该方法一定程度上降低了热效应的影响，却增加了LED系统的体积，规模化集成增加难度。

因此，如何有效的对偏置电流进行优化，以提升光效，在满足场景照明的基础上，尽可能的优化通信性能，是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法，能够根据电流，温度和光通量三者的关系，对偏置电流有效的进行优化，以提升光效，以及在满足场景照明的基础上，能够尽可能的优化通信性能。

本发明提供了一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法，包括：

基于照明约束确定偏置电流的量级；

根据通信性能需求计算所需的信号约束；

基于所述偏置电流的量级和所述信号约束确定调制深度范围；

在所述调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。

优选地，根据通信性能需求计算所需的信号约束，包括：

根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束，包括：

根据信噪比，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束，包括：

根据误码率，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述通信参数包括：接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益。

一种基于LED电热模型的偏置电流的优化系统，包括：

第一确定模块，用于基于照明约束确定偏置电流的量级；

计算模块，用于根据通信性能需求计算所需的信号约束；

第二确定模块，用于基于所述偏置电流的量级和所述信号约束确定调制深度范围；

第三确定模块，用于在所述调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。

优选地，所述计算模块在执行根据通信性能需求计算所需的信号约束时，具体用于：

根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述计算模块在执行根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束时，具体用于：

根据信噪比，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述计算模块在执行根据通信性能需求，通过通信参数计算所需的信号约束时，具体用于：

根据误码率，通过通信参数计算所需的信号约束。

优选地，所述通信参数包括：接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益。

综上所述，本发明公开了一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法，当需要对偏置电流进行优化时，首先基于照明约束确定偏置电流的量级；根据通信性能需求计算所需的信号约束；然后基于偏置电流的量级和信号约束确定调制深度范围；在调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。本发明能够根据电流，温度和光通量三者的关系，对偏置电流有效的进行优化，以提升光效，以及在满足场景照明的基础上，能够尽可能的优化通信性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种LED的静态等效模型示意图；

图2为本发明公开的一种LED的光通量输出与电流变化关系示意图；

图3为本发明公开的一种调制引起的光效改变示意图；

图4为本发明公开的一种不同偏置点所允许的照明和信号通量示意图；

图5为本发明公开的一种偏置点与所允许的交流分量示意图；

图6为本发明公开的一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法实施例1的方法流程图；

图7为本发明公开的一种基于LED电热模型的偏置电流的优化系统实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为实现对偏置电流的优化，使得在不改变室内照明的前提下，通过合理优化偏置电流，尽可能的优化通信性能，首先对LED的电流与功率关系、LED的热学影响、电热影响下的LED光通量输出和调制引起的光电热变化进行分析。

(1)LED的电流与功率关系

对于被平稳且遍历的随机信号调制的LED，其功率的期望取决于驱动电流的概率密度函数：

其中，I(t)＝(1+S(t))*I_b，f(I)为调制电流的概率密度函数，S(t)为LED的调制模式，I_b为LED的偏置电流，V₀为LED的开启电压，R_L为LED的直流电阻。

(2)LED的热学影响

LED的输出特性同样受温度所约束。在热学模型中，需要考虑LED随结温的变化速率K_v，结合LED的电学行为和热学行为，LED的静态等效模型如下图1所示，在图1的左侧表示LED的电域，右侧表示热域，该热学行为受LED的功率影响，进而反馈影响LED的偏置电压V_b。

在热域侧，节点电压实际上代表这些点的温度。根据该等效电路，可以计算散热器温度(T_hs)和结温(T_j)。

T_hs＝T_a+R_hsP_LEDK_h

T_j＝T_hs+R_jcP_LEDK_h

其中，R_hs和R_jc分别表示散热器到环境的热阻和结到外壳的热阻，T_a是环境温度，k_h是指LED功率变成加热到LED的辐射功率。根据该模型，可计算出受热域影响的LED的偏置电压表达式为：

该式的建模依据LED的温度效应以及电气行为，并假定热稳态运行，可以得到描述LED的静态直流特性。

(3)电热影响下的LED光通量输出

依据LED的PET理论，LED的结温和调制电流为光通量特性建模的主要因素。可表示如下：

其中，对温度和电流的影响归一化为线性结果，K₁为温度系数，d₁为电流系数。LED的光通量输出与电流变化关系如图2所示。

以2PAM调制为例，对于不采用调制LED的光通量为FB，采用调制后的平均光通量为FA，显然，调制引起了光通量的下降，这是由于电流与通量间的下垂效应导致的(凹函数关系)。为了达到场景的照度需求，需要将增加偏置电流增加到Ia，以达到相同的光通量。

(4)调制引起的光电热变化

(4.1)调制引起的结温变化

对于被调制的LED，其温度主要受功率影响，LED的功率由电流的直流分量和交流分量共同组成。

T_j＝T_a+R_hsK_h(P_AC+P_DC)+R_jaK_h(P_AC+P_DC)

其中LED的直流功率和交流功率可分别计算为：

从公式可以看出，LED的功率主要取决于调制电流的均方值I_rms，I_rms值则与偏置电流I_b高度相关。所以，通过控制偏置电流，可以实现对结温的控制，进而可根据需求，选择合适的光效。

(4.2)调制引起的光效下降

对于LED照明系统优化起主要作用的是发光效率而非能源效率，所以有必要尽可能的优化LED的光效，以保障LED的照明分量和交流信号分量。其中，LED的交流分量为：

LED的光效可通过被计算为：

其中，F_avg为平均光通量，P_LED为LED的功率。因调制引起的光效改变如图3所示。

从图3中可明显的观察出调制深度的增加引起的光效下降。由于调制深度的增加，LED电流的有效值增加，使得结温增加，LED的光效下降。并且偏置电流越大，系统的光效越低。

(4.3)不同偏置点所允许的照明和信号通量

由上述可知，偏置电流和调制深度都将引起光效的降低，为了研究偏置点的选择对照明和通信的影响，可分析每个偏置点所允许的最大照明通量和最大信号分量，并且允许调制深度在每个偏置点均可达到最大。图4中的曲线依次对应偏置电流0.3A至0.7A的，显然，随着偏置电流的提升，可允许的最大照明分量增加，但照明分量的增量减小，这是因为偏置电流的增加，使得LED的功率和温度增加，引起光效的下降，进而表现为照明分量的增量减小。每个偏置点所允许的最大交流分量取决于调制深度和光效。选择较大的偏置点，却因为光效较小，使得系统的交流分量受限。显然，通过提升偏置点以补偿照明分量的方法可能要接受通信性能损失的代价。

通过构建电热模型仿真，并固定LED照明分量，结果如图5所示。LED选择不同偏置点所允许的交流信号分量不同，当偏置点较大时，可允许的照明分量有所提升，而所允许的信号分量降低显著。从理论分析和仿真结果来看，适当的降低偏置点，有助于交流分量的提升。

基于上述分析，如图6所示，为本发明公开的一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法实施例1的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S601、基于照明约束确定偏置电流的量级；

当需要对偏置电流进行优化时，首先根据场景的室内照明需求，即根据照明约束确定出偏置电流的大致量级。

S602、根据通信性能需求计算所需的信号约束；

然后，根据通信性能需求计算所需的交流分量大小，即计算所需的信号约束。

具体的，在通信性能需求计算所需的信号约束时，可以根据信噪比或者误码率计算所需的信号约束。该计算可以通过接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益等通信参数确定。

S603、基于偏置电流的量级和信号约束确定调制深度范围；

然后根据确定出的偏置电流的量级，以及计算出的信号约束，确定出所允许的调制深度。

S604、在调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。

最后，在所允许的调制深度范围内，将调制深度的最大值作为偏置电流的选择准则，即可获得在该照明要求下的最优通信点。

综上所述，本发明从LED的电热机理出发，结合温度因素，聚焦电热引起的光特性变化，主要为光效，照明分量和信号分量的变化，发掘偏置电流与温度、光效和信号分量彼此的关联，以通过降低偏置点的方法实现不降低室内照明的前提下，尽可能的保持较高的信号分量，同时，本发明与传统LED的照明调制方案相比，具有更高的光效和更低的能耗。本发明可依据具体的场景照度要求和通信性能需求，给出最为合理偏置点电流选择，该偏置点可实现在恒定照度下的最优误码性能。

如图7所示，为本发明公开的一种基于LED电热模型的偏置电流的优化系统实施例1的结构示意图，所述系统可以包括：

第一确定模块701，用于基于照明约束确定偏置电流的量级；

当需要对偏置电流进行优化时，首先根据场景的室内照明需求，即根据照明约束确定出偏置电流的大致量级。

计算模块702，用于根据通信性能需求计算所需的信号约束；

然后，根据通信性能需求计算所需的交流分量大小，即计算所需的信号约束。

具体的，在通信性能需求计算所需的信号约束时，可以根据信噪比或者误码率计算所需的信号约束。该计算可以通过接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益等通信参数确定。

第二确定模块703，用于基于偏置电流的量级和信号约束确定调制深度范围；

然后根据确定出的偏置电流的量级，以及计算出的信号约束，确定出所允许的调制深度。

第三确定模块704，用于在调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流。

最后，在所允许的调制深度范围内，将调制深度的最大值作为偏置电流的选择准则，即可获得在该照明要求下的最优通信点。

综上所述，本发明从LED的电热机理出发，结合温度因素，聚焦电热引起的光特性变化，主要为光效，照明分量和信号分量的变化，发掘偏置电流与温度、光效和信号分量彼此的关联，以通过降低偏置点的方法实现不降低室内照明的前提下，尽可能的保持较高的信号分量，同时，本发明与传统LED的照明调制方案相比，具有更高的光效和更低的能耗。本发明可依据具体的场景照度要求和通信性能需求，给出最为合理偏置点电流选择，该偏置点可实现在恒定照度下的最优误码性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种基于LED电热模型的偏置电流的优化方法，其特征在于，包括：

基于照明约束确定偏置电流的量级；

根据通信性能需求计算所需的信号约束；

基于所述偏置电流的量级和所述信号约束确定调制深度范围；

在所述调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流；

其中，所述根据通信性能需求计算所需的信号约束，包括：

根据信噪比或误码率，通过通信参数计算所需的信号约束；其中，所述通信参数包括：接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益。

2.一种基于LED电热模型的偏置电流的优化系统，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于基于照明约束确定偏置电流的量级；

计算模块，用于根据通信性能需求计算所需的信号约束；

第二确定模块，用于基于所述偏置电流的量级和所述信号约束确定调制深度范围；

第三确定模块，用于在所述调制深度范围内，将调制深度的最大值对应的偏置电流确定为目标偏置电流；

其中，所述计算模块在执行根据通信性能需求计算所需的信号约束时，具体用于：

根据信噪比或误码率，通过通信参数计算所需的信号约束；其中，所述通信参数包括：接收端与发射端的距离、辐射角、接收角、滤光片增益和聚光片增益。

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