通信链路及通信链路中荧光型LED的带宽拓展方法

通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法
技术领域
1.本公开涉及光学通信技术领域，尤其涉及一种通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，无需滤光片，能够对大功率荧光型led带宽进行拓展。


背景技术：

2.随着光学无线通信技术的发展，可见光通信受到越来越多的关注。相比于传统的射频通信，可见光通信有较强的抗电磁干扰特性，并且由于使用可见光波段进行信息传输，可见光通信有着巨大的不受管控的频谱资源。此外可见光通信使用led作为系统光源，led又常用于照明，因此可见光通信能够同时满足照明和通信的需求，这显著地降低了通信系统的功耗。
3.荧光型led由于其低成本、低复杂度的优点被广泛用于室内照明，因此室内可见光通信常用荧光型led作为系统发射端的光源。荧光型led通过pn结自发辐射产生蓝光，通过蓝光激发荧光粉，荧光粉受激辐射产生黄光，黄光和蓝光混合形成白光。由于荧光粉发光存在余辉，导致受激辐射产生的黄光的响应较慢，因此黄光只会增强荧光型led在低频时的响应。此外为了兼顾照明的需求，室内可见光通信技术常用大功率(＞1w)的led作为光源，然而大功率led调制带宽很窄，很难支持高速的数据传输。因此对于使用大功率荧光型led的可见光通信系统，现有的带宽拓展方案受到自身缺点的限制，很难实现高速的可见光通信系统。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.基于上述问题，本公开提供了一种通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，以缓解现有技术中大功率荧光型led调制带宽很窄，难以实现高速的可见光通信等技术问题。
6.(二)技术方案
7.本公开的一个方面，提供一种通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，包括：操作s1-操作s3。
8.操作s1：构建基于荧光型led光源的原始通信链路；
9.操作s2：在所述原始通信链路中加入无源均衡电路，通过所述无源均衡电路对输入电信号进行均衡处理以抑制荧光型led的黄光响应；以及
10.操作s3：加入有源均衡电路，通过有源均衡电路对输入电信号的低频信号进行抑制并对高频信号进行放大，实现通信链路中荧光型led的带宽扩展。
11.根据本公开实施例，操作s2包括：操作s21：确定无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|；以及操作s22：根据所述无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|配置所述无源均衡电路。
12.根据本公开实施例，操作s21包括：操作s211：测量原始通信链路中荧光型led的第
一幅频响应|h(jω)|；操作s212：测量在荧光型led后使用蓝色滤光片的情况下的的第二幅频响应|h
′
(jω)|；以及操作s213：根据所述第一幅频响应|h(jω)|和第二幅频响应|h
′
(jω)|得到幅频响应差值|δh(jω)|，从而确定无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|。
13.根据本公开实施例，操作s22中，改变无源均衡电路对应的零极点和增益来改变无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|。
14.根据本公开实施例，操作s3包括：操作s31：测量所述无源均衡电路级联荧光型led后的led的第三幅频响应|h
″
(jω)|；操作s32：根据所述第三幅频响应|h
″
(jω)|，以及通信链路给定的目标增益g，确定有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|；以及操作s33：根据所述有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|，配置所述有源均衡电路。
15.根据本公开实施例，操作s32中，得到第三幅频响应及给定的目标增益g后，通过下式得到有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|：
16.20log
10
(|h
active
(jω)|
×
|h
″
(jω)|)＝g。
17.根据本公开实施例，操作s33中，根据有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|，配置有源均衡电路对应的零极点，以得到满足给定的目标增益g的情况下的有源均衡电路的元件设置参数。
18.本公开的另一方面，提供一种通信链路，包括：光源，无源均衡电路，以及有源均衡电路。
19.其中，光源为荧光型led；无源均衡电路用于对输入电信号进行均衡处理以抑制荧光型led的黄光响应；有源均衡电路用于对输入电信号的低频信号进行抑制并对高频信号进行放大，以实现通信链路中荧光型led的带宽扩展。
20.根据本公开实施例，无源均衡电路基于定阻桥t型网络改进。
21.根据本公开实施例，有源均衡电路包括第一均衡支路zc，以及第二均衡支路ze。其中，第一均衡支路zc由电阻和电感构成，用于对输入电信号的低频信号进行抑制，所述均衡支路zc连接到npn型晶体管的集电极；第二均衡支路ze由电阻和电容构成，用于对输入电信号的高频信号进行放大，所述均衡支路ze连接到npn型晶体管的发射极。
22.(三)有益效果
23.从上述技术方案可以看出，本公开通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
24.(1)摒弃了现有技术中需要使用蓝色滤光片滤除荧光型led中黄光分量的方法，而是通过使用无源均衡电路抑制低频处黄光分量的影响，由于无源均衡电路不会像蓝色滤光片一样对光学信号引入衰减，因此无源均衡电路在抵消低频处较强响应的同时并不会对高频信号引入较大的损耗；
25.(2)有源均衡电路同时将抑制低频信号和放大高频信号的带宽拓展技术相结合，能够在抑制低频信号的同时也能对高频信号进行放大，可以有效避免这两种带宽拓展技术的缺点，同时该有源均衡电路的增益可调，提高了可见光通信系统在设计过程中的灵活性，通过使用该有源均衡电路可以更简单、高效的实现高速的可见光通信系统。
附图说明
26.图1为本公开实施例实例的通信链路中荧光型led的带宽拓展方法的原理示意图；
27.图2为本公开实施例的通信链路中荧光型led的带宽拓展方法的流程图；
28.图3为本公开实施例的一种无源均衡电路结构示意图；
29.图4为本公开实施例的一种有源均衡电路结构示意图；
30.图5为本公开实施例实的通信链路系统的电路结构示意图；
具体实施方式
31.本公开提供了一种通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，无需滤光片，首先通过无源均衡电路对输入信号进行预处理，替代蓝色滤光片抑制黄光的响应，以消除荧光型led较强的黄光分量对幅频响应特性的影响；然后通过基于电感和电容的有源均衡电路对输入的低频信号进行抑制，并且对输入的高频信号进行放大，以实现大功率荧光型led的带宽拓展。上述带宽拓展方法能够至少用于解决蓝色滤光片对高频信号的衰减以及现有带宽拓展技术均衡能力有限的问题。
32.在实现本公开的过程中发明人发现，现有的针对大功率荧光型led的带宽拓展技术主要分为两大类，一种是通过无源均衡抑制低频信号，进而提高led的调制带宽，另一种是通过有源均衡放大高频信号，以补偿led对高频信号的衰减。此外为消除荧光型led中黄光分量的影响，以上两种带宽拓展技术往往结合蓝色滤光片使用，通过蓝色滤光片滤除荧光型led产生的黄光，以降低均衡电路设计的复杂度。但是这种均衡电路结合蓝色滤光片的技术路线并不适用于高速的可见光通信系统，因为蓝色滤光片的作用是滤除黄光分量，但是不可避免的也会造成蓝光分量的衰减，这就导致了高频信号的损失，对于可见光通信系统高频信号是更加珍贵的。并且以上提到的两种带宽拓展技术存在固有的缺陷，随着拓展的带宽增加，通过抑制低频信号提升led调制带宽的方式会导致led产生的光信号信噪比变差，通过放大高频信号提升led调制带宽的方式对均衡电路的增益要求变高，这增加了均衡电路的设计难度。要想实现高速的数据传输，不仅要克服调制带宽的限制，还要消除低频时黄光产生的影响。从而，本公开提供一种通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法。
33.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
34.在本公开实施例中，提供一种通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，结合图1至图5所示，所述通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，包括：
35.操作s1：构建基于荧光型led光源的原始通信链路；
36.在本公开实施例中，首先搭建使用大功率荧光型led作为光源的可见光通信链路，使用网络分析仪对可见光通信链路进行频率特性扫描，得到在特定频率范围内的幅度响应曲线，即可得到该大功率荧光型led的幅频响应|h(jω)|；
37.进一步地，将蓝色滤光片放置在可见光通信链路中荧光型led的后侧，滤除荧光型led产生的黄光分量，测量此时可见光通信链路的幅频特性，得到使用蓝色滤光片后led的幅频响应|h
′
(jω)|，其中ω是角频率，ω等于2πf，是关于频率f的变量。
38.操作s2：在原始通信链路中加入无源均衡电路，通过所述无源均衡电路对输入电信号进行均衡处理以抑制荧光型led的黄光响应；
39.在本公开实施例中，操作s2，包括：
40.操作s21：确定无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|；以及
41.操作s22：根据所述无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|配置所述无源均衡电路。
42.可选地，操作s21，包括：
43.操作s211：测量原始通信链路中荧光型led的第一幅频响应|h(jω)|；
44.操作s212：测量在荧光型led后使用蓝色滤光片的情况下的的第二幅频响应|h
′
(jω)|；以及
45.操作s213：根据所述第一幅频响应|h(jω)|和第二幅频响应|h
′
(jω)|得到幅频响应差值|δh(jω)|，从而确定无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|。
46.|δh(jω)|体现了蓝色滤光片在基于荧光型led的可见光通信系统中的作用。如图3所示，其示意性给出一种基于定阻桥t型网络的用于抑制黄光响应的无源均衡电路，该无源均衡电路的传递函数h
passive
(s)可以用二阶零极点的形式表示如下：
[0047][0048]
其中ka为该传递函数的增益，ka为实数，z
a1
和z
a2
为该传递函数对应的零点，p
a1
和p
a2
为该传递函数的极点，z
a1
、z
a2
、p
a1
和p
a2
为复数。该无源均衡电路对应的幅频响应为：
[0049]
|h
passive
(jω)|＝|h
passive
(s)|
s＝jω
ꢀꢀꢀ
(2)；
[0050]
如图3所示，无源均衡电路中电阻r0为负载电阻，选取50欧姆，串联的的电阻r
a3
和r
a4
的电阻值均等于r0，基于定阻桥t型网络的电路结构有很好的高频特性，并且通过设置t型网络中的阻抗均衡支路z
11
和z
12
即可改变无源均衡电路的幅频响应。为实现使用无源均衡电路代替蓝色滤光片消除黄光分量的影响，首先需要根据差值|δh(jω)|确定无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|；根据公式(2)，无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|由无源均衡电路的传递函数h
passive
(s)确定，根据公式(1)，无源均衡电路的传递函数由增益ka以及零点z
a1
、z
a2
和极点p
a1
、p
a2
决定，因此可以通过改变无源均衡电路对应的零极点和增益来改变无源均衡电路的幅频响应|h
passive
(jω)|；其中|δh(jω)|的变化集中在低频处，当频率大于一定值后，|δh(jω)|几乎不再随着频率变化，而是接近一个常数，因此在设计时|h
passive
(jω)|主要针对|δh(jω)|在低频处变化较大的区域进行衰减，在频率较高时|h
passive
(jω)|理论上应该为常数1；通过配置无源均衡电路对应的增益ka以及零点z
a1
、z
a2
和极点p
a1
、p
a2
，得到理论上的幅频响应|h
passive
(jω)|，根据公式(1)，得到此时无源均衡电路对应的传递函数h
passive
(s)。
[0051]
该无源均衡电路包含的均衡支路z
11
和z
12
的阻抗表达式为：
[0052][0053][0054]
根据无源均衡电路对应的传递函数h
passive
(s)即可得到均衡支路z
11
和z
12
的阻抗表达式，通过滤波器综合计算法计算得到无源均衡电路包含的均衡支路的元件参数。本公开
中通过计算得到的均衡支路z
11
和z
12
的电路结构如图3所示，阻抗均衡支路z
11
中包括并联设置的电容(c
a1
)、电阻(r
a2
)、以及串联的电感l
a1
和电阻r
a1
，阻抗均衡支路z
12
一端连接至串联的电阻r
a3
和r
a4
之间，另一端连接地，阻抗均衡支路z
12
中包括串联设置的电感l
a2
和电阻r
a5
，以及并联的电容(c
a2
)、电阻(r
a6
)。
[0055]
操作s3：加入有源均衡电路，通过有源均衡电路对输入电信号的低频信号进行抑制并对高频信号进行放大，实现通信链路中荧光型led的带宽扩展。
[0056]
在本公开实施例中，操作s3包括：
[0057]
操作s31：测量所述无源均衡电路级联荧光型led后的led的第三幅频响应|h
″
(jω)|；
[0058]
操作s32：根据所述第三幅频响应|h
″
(jω)|，以及通信链路给定的目标增益g，确定有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|；以及
[0059]
操作s33：根据所述有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|，配置所述有源均衡电路。
[0060]
在本公开实施例中，需要最终无源均衡电路和有源均衡电路级联，共同对输入信号进行预处理，因此在设计有源均衡电路之前需要先测量无源均衡电路级联荧光型led的幅频响应|h
″
(jω)|。将操作s2后得到的无源均衡电路与大功率荧光型led级联，通过网络分析仪扫描此时可见光通信链路的幅度特性，得到无源均衡电路级联荧光型led的幅频响应|h
″
(jω)|。
[0061]
根据本公开实施例，如图4所示，给出一种同时具有放大高频信号和抑制低频信号功能的有源均衡电路，该有源均衡电路包含两个均衡支路zc和ze，以及一个npn型晶体管q
b1
，其中第一均衡支路zc由电阻和电感构成，用于实现对低频信号的抑制功能，第二均衡支路ze由电阻和电容构成，用于实现对高频信号的放大。该有源均衡电路的可以用二阶零极点的形式表示：
[0062][0063]
其中kb为该传递函数的增益，kb为实数，z
b1
和z
b2
为该传递函数对应的零点，p
b1
和p
b2
为该传递函数的极点，由于该有源均衡电路的均衡支路zc只包含电感(l
b1
)和电阻(r
b6
)元件，均衡支路ze只包含电容(c
b1
)和电阻(r
b5
)元件，因此该有源均衡电路对应的零极点z
b1
、z
b2
、p
b1
和p
b2
为实数。该有源均衡电路对应的幅频响应为：
[0064]
|h
active
(jω)|＝|h
active
(s)|
s＝jω
ꢀꢀꢀ
(5)
[0065]
有源均衡电路中的电阻r
b1
、r
b2
、r
b3
和r
b4
用于设置晶体管q
b1
的静态工作点，使得晶体管工作在线性放大区，电阻r
b1
、r
b2
、r
b3
和r
b4
的具体取值根据晶体管的静态工作点计算得到，电阻r
l
是负载，选取50欧姆的电阻，电阻r
b7
用于阻抗匹配，选取20欧姆的电阻。
[0066]
操作s32中，得到第三幅频响应及给定的目标增益g后，通过下式得到有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|：
[0067]
20log
10
(|h
active
(jω)|
×
|h
″
(jω)|)＝g
ꢀꢀꢀ
(6)。
[0068]
理想条件下，大功率led在经过无源均衡和有源均衡后的幅频响应是一个常量，g为均衡后基于大功率led的可见光通信链路的整体增益，因此为确定有源均衡电路的元件
参数，首先应该给出可见光通信链路所需的整体增益g，本发明实施实例中选取g为0db；根据公式(5)，有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|由有源均衡电路的传递函数h
active
(s)确定，根据公式(4)，有源均衡电路的传递函数由增益kb以及零点z
b1
、z
b2
和极点p
b1
、p
b2
决定，因此可以通过改变有源均衡电路对应的零极点和增益来改变有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|；根据有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|，配置有源均衡电路对应的零极点，以得到满足给定的目标增益g的情况下的有源均衡电路的元件设置参数。按照公式(6)中的约束条件，根据幅频响应||h
″
(jω)|配置有源均衡电路的零极点，使得有源均衡电路的幅频响应|h
active
(jω)|和无源均衡电路级联荧光型led的幅频响应|h
″
(jω)|的乘积近似为常数1，此时整个可见光通信链路对应的增益g为0db，得到此时有源均衡电路的增益kb以及零点z
b1
、z
b2
和极点p
b1
、p
b2
。如图4所示的有源均衡电路的均衡支路元件取值满足如下表达式：
[0069][0070][0071][0072][0073][0074]
将得到的有源均衡电路的增益kb以及零点z
b1
、z
b2
和极点p
b1
、p
b2
代入公式(7a)-(7e)，即可计算得到有源均衡电路中两条均衡支路的元件参数。
[0075]
本公开还提供一种基于上述带宽拓展方法构建的通信链路，如图5所示，该通信链路包括：
[0076]
光源，为荧光型led；
[0077]
无源均衡电路a，用于对输入电信号进行均衡处理以抑制荧光型led的黄光响应；以及
[0078]
有源均衡电路b，用于对输入电信号的低频信号进行抑制并对高频信号进行放大，以实现通信链路中荧光型led的带宽扩展。
[0079]
在本公开实施例中，所述无源均衡电路基于定阻桥t型网络改进。结合图1至图5所示，无源均衡电路a和有源均衡电路b通过阻抗匹配电路进行级联；为驱动大功率荧光型led，在对输入信号进行预均衡处理后，使用商用的驱动模块将信号加载到led上。其中有源均衡电路中的第一均衡支路zc由电阻和电感构成，用于对输入电信号的低频信号进行抑制，所述均衡支路zc连接到npn型晶体管的集电极；有源均衡电路中的第二均衡支路ze由电阻和电容构成，用于对输入电信号的高频信号进行放大，所述均衡支路ze连接到npn型晶体
管的发射极，后面再连接至功率放大器pa后连接荧光型led，从而实现通信链路中荧光型led的带宽扩展。
[0080]
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0081]
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法有了清楚的认识。
[0082]
综上所述，本公开提供了一种通信链路及通信链路中荧光型led的带宽拓展方法，无需蓝色滤光片，能够有效解决现有技术中蓝色滤光片对高频信号的衰减以及现有带宽拓展技术均衡能力有限的问题。
[0083]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
[0084]
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
[0085]
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0086]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。