 Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2012, 2, 7-12 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2012.21002 Published Online February 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc) White LED Modulation Bandwidth and Modulation Characteristics of the Study Jie Cao, Zhongcheng Liang, Zhengbei Ma Department of Opt-Electronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing Email: Caojielh123@126.com Received: Dec. 15th, 2011; revised: Dec. 26th, 2011; accepted: Jan. 13th, 2012 Abstract: This paper conducts a profound research on modulation features of commercial high-power white LED, the light source of Visible Light Communication (VLC). Through the white LED light commercial lighting principles and the analysis of the characteristics of white LED, Come visible light communication system the best choice for the type of experiment. Analysis of the modulation characteristics of white LED, LED modulation bandwidth characteristics for a VLC system is designed as an experimental platform. Measure and compare a variety of types of commercial high- power LED modulation performance of experimental data and conclusions drawn. Through the analysis of experimental data to conclude that the current commercial white LED lighting modulation characteristics. It provides theoretical guidance for visible light communication system to choose the light sources in the future. Keywords: White LED; VLC; Modulation Characteristics; Modulation Bandwidth 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: Caojielh123@126.com 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 Copyright © 2012 Hanspub 7  白光 LED调制特性及调制带宽的研究 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20 lm/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 l m/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 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 350450550650 750400500600700 Wavelength (nm) Spectral Power Distribution - White LED Relative Specrtal Power (a) 100 50 350 450550 650 Wavelength (nm) Transmission(%) (b) Figure 1. Contrast two kinds of white LED spectra[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 Cree Xlamp XP-G Natural White Q5，Cree Xlamp XP-G Natural White R2，红色 LED 芯片，Cree XLamp MC-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2.25 V)，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”。 Copyright © 2012 Hanspub 8  白光 LED调制特性及调制带宽的研究 I B A O VAV VC C D 反向死区 反 向 击 穿 区 工 作 区 Figure 2. LED volt-ampere characterist ic curve 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： 1 2 I mI 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(–3 dB)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 c 影响： 3d 3 2π Bc f 对于 III-V 族(如GaAs)材料制成的发光二极管而 言， c 的典型值为 100 ps，故 LED 的理论带宽总是 限制在 2 GHz以下[7]。当然，目前所有发光二极管的 Figure 3. For the LED to simulate the m odulation of P-I curve 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 1 0.707 0.5 电带宽 光带宽 光检测器输出电流：I out Figure 4. Diagram of LED modulation bandwidth 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 Copyright © 2012 Hanspub 9  白光 LED调制特性及调制带宽的研究 Copyright © 2012 Hanspub 10 数为： 12 1 RR 1 R u A 放大器输出的信号电流大小由输出电压和负载 电阻共同决定：在设计该独立电路模块时，我们接入 了一个大小为5 Ω的对地负载电阻(当接入 LED 调制 电路时，负载就是 LED 的内阻了)。这样，当信号源 输出的信号电压设置为V，输出电 流可以达到 100 mA，从而使调制度达到 10%左右。 ppout 500 mVV Figure 5. LED modulation bandwidth measurement platform diagram 图5. LED调制带宽测量平台示意图 时 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。 恒流源驱动电路，其主要作用是驱动并使 LED 正常工作。本实验使用了市售的、用于驱动 LED 照 明灯具的恒流源，由 SD42522芯片及外围电路构成， 输入电压为 12 V直流电源，标称输出 700 mA 的恒定 电流。考虑到部分信号 LED 的正常工作电流在350 mA 左右，并接 R4分流电阻，由电感电容构成的T型 滤波装置，如图 3中所示。 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；将交流信号调制到直流偏置 电流上。因此，我们将整个电路分为信号放大部分和 恒流源驱动部分，彼此独立设计，中间采用隔直流电 容C1隔开。整个发射端电路图如图 6所示。 5. 数据的分析及结论 本实验一共测量了 5种型号的大功率 LED 的调 制带宽，见表 1；详细记录了其中一种LED 的接收信 号幅度随频率变化，如表 2。 信号放大电路设计。大功率LED 的正常工作电 流的范围通常在350 mA~700 mA，根据调制度的 计算公式(1)，加载到LED 上的信号电流峰峰值 I偏置 I 也 要达到 100 mA的量级，才能保证调制度达到 10%。 考虑到信号源的电压值可以手动调整，而电流值不 行，固将放大电路设计成仅具有电流放大能力、而电 压放大倍数为 1的射随电路。见图3，电阻 R1、R2、 R3和放大器本身构成了这个射随电路，电压的放大倍 并使用 MATLAB 软件绘制出频率响应曲线，见 图7。 由表 1可知，红光 LED的调制带宽比所有白光 型号要宽，而在白光 LED 中，以 Cree XLamp XP-G Q5 型的带宽最大。图 7中电压幅度下降 3 dB点对应的 R1 1kΩ 恒流源 570mA R2 100Ω R3 100Ω VCC 5V 大功率 LE D L2 22uH C4 4.2uF L1 22uH R4 7Ω 信号源 500mVpk 1MHz 0° VDD -5V 信号放大电路 AC 恒流源驱动电路 DC U1 T HS 3001 3 27 4 6C1 100uF C2 47uF C5 110nF C3 110nF C6 47uF Figure 6. LED modulation bandwidth measurement platform transmitter circuit 图6. LED调制带宽测量平台发射端电路  白光 LED调制特性及调制带宽的研究 Table 1. The modulation bandwi dth o f high- po wer LED 表1. 各型大功率 LED 调制带宽 大功率 LED 型号 调制带宽 Cree XLamp XP-G R2 型白光 LED 1.5 MHz 红光 LED 3 MHz Cree XLamp XP-G Q5 型白光 LED 2.3 MHz Cree XLamp MC-E 型白光 LED 0.7 MHz 带滤镜白光 LED 1.7 MHz Table 2. White LED experimental data measured 表2. 白光 LED 实验测得数据 某型白光 LED EOE 信道频率响应 信号源频率(KHz) 接收端输出电压(mV) 输出电压的对数值(dB) 100 800 58.06179974 300 800 58.06179974 500 800 58.06179974 700 760 57.61627185 900 730 57.38463439 1100 660 56.39087871 1300 620 55.84783379 1500 580 55.26855987 1700 560 54.96376054 1900 550 54.80725379 2100 540 54.6478752 2300 530 53.97940009 2500 525 52.46498581 Figure 7. LED frequency response curve 图7. LED的频率响应曲线 频率就是该 LED 的调制带宽。白光LED 的带宽比红 光的小，很可能是由于受到其光谱的荧光分量影响。 实验测得红光 LED 的带宽在 3 MHz，而白光 LED 最大带宽为 2.3 MHz，这与三星公司的研究小组测得 的白光 LED 带宽相近(2.5 MHz)[9]。不过，该小组先后 在系统中添加了蓝色滤光镜和均衡网络，最终将系统 带宽提高到了50 MHz。 经过对各种LED 特性的测量，得出如下结论： 1) 红光 LED的开启电压比较低，调制带宽更宽， 比白光宽约一倍，所以选用三色光混合而成的白光更 适合白光 LED通信，其中红光专门用作通信用，只 是这比其他的成本更高； 2) 有无滤光镜，对 LED 调制带宽影响不大； 3) 单芯片 LED 发光亮度只能作为台灯照明，近 距离比较亮，超过 300 lx，适合台灯传输，但无法作 为室内照明并通信，需要用多芯片LED； 4) 多芯片 LED 的应用于可见光通信较困难，比 如本实验中，多芯片 LED的调制带宽只有 0.7 MHz， 远低于单芯片LED，同时成本又比较好，本实验采用 的多 LED 芯片价格高达上百元，很难作为照明； 5) 现在白光 LED 作为照明和通信双用最适合的 场合(成本可接受)首选是太空舱，然后是汽车和客车 内，只有当照明 LED 大量投产，价格大幅度降低才 可用于实际办公室通信照明系统中； 6) 当前普通照明 LED 调制带宽只有几 MHz 到几 十MHz，如果要达到最前沿的几百MHz 甚至上 GHz， 需要高亮度特殊LED，价格及其高昂，很难达到使用， 而普通发光 LED 的带宽又很难满足下一代通信需求， 所以现在急需新型低成本、高亮度、高带宽的白光 LED 投入商用。 6. 总结 针对大功率 LED 调制带宽的测量实验较为复杂。 我们首先设计并调试了 VLC 系统的发射端电路和接 受端电路，以此构成调制带宽的测量平台。该平台具 有结构简单可靠、低噪声、高带宽、光调制度大等特 点，完全满足大功率 LED调制特性的研究实验。随 后开展的实验中，我们共测量并比较了 5种大功率 LED，实际测得最大的调制带宽是红光 LED 的3 MHz，而白光 LED 由于存在荧光分量的干扰，调制 带宽稍低。 LED 的调制带宽主要受到自身结构所限，各家厂 商制作 LED 的材料不同，生产工艺也不一样，因此 调制特性存在较大差异。只有测量更多的大功率 LED，才能找出调制特性最佳的型号。当前的商用大 功率白光LED 主要用于照明，其内部结构相对简单， 并没有考虑到通信系统的需求。目前已经有研究人员 着手讨论如何通过设计更加复杂的LED 微观结构， 来缩短 LED 上升、下降时间，进而提高调制带宽以 用于高速通信系统[10]。如果有朝一日能够研发出兼顾 Copyright © 2012 Hanspub 11  白光 LED调制特性及调制带宽的研究 带宽和发光效率的大功率白光LED，并且实现大规模 生产，将是理想的 VLC 系统光源。 由于大功率 LED 调制带宽的测量平台实际上是 一个简单的可见光通信系统，对调制带宽的测量相当 于测量系统的电–光–电信道频率响应带宽。未来的 实验可以尝试通过改进发射端–接收端电路和光路 来补偿 LED 的带宽，进而提升整个系统的频响特性， 以此提高系统的传输速率。另一方面，我们还可以基 于这个实验平台，加装调制、解调等设备，使之成为 一个实用的 VLC 系统，用以探讨整个通信系统的性 能。 参考文献 (References) [1] H. 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