CN107592163B - 光通信***中的最佳led串联数量的确定方法 - Google Patents

光通信***中的最佳led串联数量的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了光通信***中LED串联为最优的LED连接方式,并且提供了一种光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,其步骤包括:使用矢量网络分析仪确定不同串联数量的LED阵列交流小信号模型;使用Multisim仿真得到流经不同串联数量LED阵列的交流电流;使用Matlab结合朗伯体辐射方程确定接收端的等效总电流;最终根据总电流最大的导通LED数量作为最佳LED串联数量。本发明验证了LED阵列串联有利于提高光通信***中的发射机效率,并且提供了确定最佳LED串联数量的方法。

Description

光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法
技术领域
本发明涉及光通信领域,具体而言涉及一种光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法。
背景技术
光通信技术近年来逐渐成为通信领域研究的热点。其拥有独立于射频频谱的宽带频谱资源,无电磁干扰和辐射,绿色安全,易于隔断信号,保密性好等优点。在光通信***设计中,发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)由于其技术条件上的优势,成为光通信***中电光转换器件的首选。
在基于LED的光通信方案中,在发射端通过LED将电信号转化为光信号,用光强表示信号幅度,在接收端检测光强来收取信号。在发射端增加LED管的数量,能增加发射光强,从而提高整个***的信噪比,改善***性能,LED串联又是最简单有效的优化方法。
发明内容
技术问题:本发明的目的在于提出了串联是光通信***中最优的LED连接手段,提供了一种光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,在光发射机其余参数不变的条件下,找到最佳的LED串联数量,使得发射交流功率最大化。
技术方案:为达成上述目的,本发明采的一种光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法用技术方案为:
使用N个LED管串联构成LED阵列,假设LED阵列中每个LED管可独立受控导通或截止,改变串联LED管导通数量,使用矢量网络分析仪确定不同导通数量下的串联LED阵列的交流小信号电路模型,使用电路仿真确定流经不同导通数量下LED阵列的交流小电流;固定接收位置,固定LED阵列N个LED管串联布局,改变LED管导通数量,使得接收等效电流最大的串联数量即为LED最佳串联数量。
其中:
所述使用矢量网络分析仪确定不同导通数量下的串联LED阵列的交流小信号电路模型,具体步骤包括:
1)设置矢量网络分析仪的测试频率范围为300kHz-100MHz,设置端口1的信号输出功率为-30dBm,使用开路负载、短路负载以及50Ω匹配负载校准网络分析仪的端口1,并保存校准参数;
2)参照实验***图连接好电路,保证LED阵列中仅有一盏灯可导通;
3)调整直流电流源输出电流从1mA-10mA,步进1mA,由小变大,分别保存矢量网络分析仪测量得到的不同频点下的阻抗参数;
4)改变LED阵列中的导通LED数量,重复步骤3);
5)参照单个LED交流小信号电路模型,其输入阻抗为
Figure BDA0001403887330000021
其中,Rs为等效电路串联电阻,Rd和Cd为等效并联电路的电阻和电容,Ls为等效电路串联电感;可确定单个LED交流小信号电路模型中的Rs、Rd、Ls、Cd参数;
6)通过步骤4)得到的结果,多个LED管串联的交流小信号模型可近似等效为单个LED管小信号模型间的串联。
所述使用电路仿真确定流经不同导通数量下LED阵列的交流小电流,具体体现在:使用通过搭建电路图的方式进行电路仿真的Windows平台软件Multisim提供的接入交流信号的功率放大器,改变LED阵列中LED的导通数量,将不同导通数量下的LED阵列等效电路串联在功率放大器后级,测量流经等效电路的交流电流,得到不同导通数量的LED阵列等效交流电流。
所述固定接收位置,固定LED阵列N个LED管串联布局,改变LED管导通数量,使得接收等效电流最大的串联数量即为LED最佳串联数量,具体为:
1)假设不同LED管到接收端路径损耗近似相同,利用不同串联数量下流经LED阵列的交流电流,并且每一个LED管在接收端的电流都有一个加权系数,不同情况下电流的加权和即为等效接收功率,每一个灯的权重由朗伯体辐射方程确定,方程如下:
E=cosmθ
其中E为归一化辐射功率,θ为辐射角度,m是功率衰减阶数,取决于LED发光区域与球面密封材料的曲率中心的相对位置。
有益效果:本发明提供的光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,其有益效果在于:
1.使用LED管串联在提升光通信发射功率优于其他各种LED管的连接方式;
2.在最大化发射功率的条件下,同时找到了最佳的LED管的串联数量,降低了***成本,实现性价比最大化。
附图说明
图1为本发明的实验***图。
图2为LED交流小信号电路模型。
图3为选用TSFF6410LED管为实例,在单个LED管导通状态下,在300kHz至100MHz频率范围内,通过矢量网络分析仪测量得到的LED阻抗的实部与虚部。
图4为选用TSFF6410LED管为实例,在300kHz的频率下,阻抗的模与偏置电流倒数折线图。
图5为实例给出的LED阵列的排布方式及相应LED灯编号。
图6为选用TSFF6410LED管为实例,在不同LED灯串联数量下的等效总电流。
具体实施方式
利用N个LED管,串联构成LED阵列。假设LED阵列中每个LED可独立受控导通或截止,改变串联LED管导通数量,使用矢量网络分析仪确定不同导通数量下的串联LED阵列的交流小信号电路模型。使用接入交流信号的功率放大器,将不同导通数量下的LED阵列等效电路串联在功率放大器后级,测量流经等效电路的交流电流,得到不同导通数量的LED阵列电流。固定接收位置,根据LED的朗伯体辐射方程,确定每个导通LED管可接收到的电流权重。电流权重大的LED管为优先导通的LED管。根据不同权重得到加权后的总电流,总电流最大的导通LED数量,即为最佳LED串联数量。本发明能在使用多个LED提高***信噪比的情况下,找到最佳的LED连接方式及最佳串联数量。
具体来说,上述方案中的测量及仿真包括如下步骤:
1)设置矢量网络分析仪的测试频率范围为300kHz-100MHz,设置端口1的信号输出功率为-30dBm,使用开路负载、短路负载以及50Ω匹配负载校准网络分析仪的端口1,并保存校准参数;
2)参照图1连接,保证LED阵列中仅有一盏灯可导通;
3)调整电流源输出电流从1mA-10mA,步进1mA,由小变大,分别保存矢量网络分析仪所测量得到的不同频点下的阻抗参数;
4)改变LED阵列中的导通LED数量,重复步骤(3);
5)参照单个LED交流小信号电路模型,见附图2,其输入阻抗为
Figure BDA0001403887330000031
根据公式
Figure BDA0001403887330000032
其中Rs可由此一次曲线的截距得到,则Rd=|Zin|-Rs.
LED的3dB带宽可通过LED阻抗实部确定,记为
Figure BDA0001403887330000033
进一步得到Cd.最后根据阻抗的虚部,得到Ls.
6)通过步骤4)测量得到的结果,多个LED管串联的交流小信号模型可近似等效为单个LED管小信号模型间的串联,即可进一步得到LED阵列等效电路。
7)参照附图1在Multisim中进行电路仿真,读出交流电流表数值,改变LED阵列等效电路中的串联网络数量,从而得到不同串联数量下LED的等效交流电流。
8)固定接收位置,固定LED阵列N个LED管串联布局,假设不同LED管到接收端路径损耗近似相同,改变LED管导通数量,利用不同串联数量下流经LED阵列等效电路的交流电流,并且每一个LED管在接收端的等效功率都有一个加权系数,不同情况下电流的加权和即为等效接收功率,记为:
Figure BDA0001403887330000041
其中为I为不同导通数量下LED阵列等效电路的交流电流。
每一个灯的权重Ej由朗伯体辐射方程确定,方程如下:
E=cosmθ
其中E为归一化辐射功率,θ为辐射角度,m取决于LED发光区域与球面密封材料的曲率中心的相对位置。
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。实例说明:
LED管选型:TSFF6410
阵列大小:N=16
阵列排布:方形排布,相邻LED管间隔0.2m,见附图5
接收点位置:接收点与LED阵列中心的连线垂直于LED阵列所在平面,接收点距离LED阵列所在平面1m
朗伯体辐射方程为:
E=cos9θ
图2给出了LED交流小信号电路模型,相应阻抗为
Figure BDA0001403887330000042
图3给出了在单个LED管导通状态下,在300kHz至100MHz频率范围内,通过矢量网络分析仪测量得到的LED阻抗的实部与虚部。
图4给出了在300kHz的频率下,阻抗的模与偏置电流倒数的折线,根据公式
Figure BDA0001403887330000043
拟合出折线截距,可得到Rs=2.65Ω,Rd=14.125Ω.
根据LED管的3dB带宽31.207MHz,因此τc=RdCd=32.044ns.最终,我们得到Cd=0.36nF.根据图3给出LED阻抗的虚部,进一步拟合得到Ls=22nH.
表1给出了在不同LED串联数量下,在10MHz的交流信号驱动下,流经LED阵列等效电路的交流电流。
LED管导通数 LED阵列等效电路的交流电
1 21.576
2 17.467
3 14.667
4 12.683
5 11.099
6 9.894
7 8.924
8 8.127
9 7.461
10 6.895
11 6.409
12 5.987
13 5.617
14 5.290
15 5.000
16 4.739
表1
表2给出了按照图4提供的LED阵列布局及各LED编号,对应的LED管在接收端的等效功率。
Figure BDA0001403887330000051
Figure BDA0001403887330000061
表2
图5给出了在不同串联LED数量下接收端的等效功率。对比下可得到最大的等效功率为12个LED串联得到的,即12为最佳串联数量。进一步考虑到在LED管数量增加的前提下,成本的提高和接收端等效总电流增加的趋势,选择4-5个LED管为最佳性价比。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,其特征在于:使用N个LED管串联构成LED阵列,若LED阵列中每个LED管可独立受控导通或截止,改变串联LED管导通数量,使用矢量网络分析仪确定不同导通数量下的串联LED阵列的交流小信号电路模型,使用电路仿真确定流经不同导通数量下LED阵列的交流小电流;固定接收位置,固定LED阵列N个LED管串联布局,改变LED管导通数量,使得接收等效电流最大的串联数量即为LED最佳串联数量;
所述使用矢量网络分析仪确定不同导通数量下的串联LED阵列的交流小信号电路模型,具体步骤包括:
1)设置矢量网络分析仪的测试频率范围为300kHz-100MHz,设置端口1的信号输出功率为-30dBm,使用开路负载、短路负载以及50Ω匹配负载校准网络分析仪的端口1,并保存校准参数;
2)参照实验***图连接好LED阵列电路,保证LED阵列中仅有一盏灯可导通;
3)调整直流电流源输出电流从1mA-10mA,步进1mA,由小变大,分别保存矢量网络分析仪测量得到的不同频点下的阻抗参数;
4)改变LED阵列中的导通LED数量,重复步骤3);
5)参照单个LED交流小信号电路模型,其输入阻抗为
Figure FDA0002257358880000011
其中,Rs为等效电路串联电阻,Rd和Cd为等效并联电路的电阻和电容,Ls为等效电路串联电感;可确定单个LED交流小信号电路模型中的Rs、Rd、Ls、Cd参数;
6)通过步骤4)得到的结果,多个LED管串联的交流小信号模型可近似等效为单个LED管小信号模型间的串联。
2.根据权利要求1所述的光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,其特征在于,所述使用电路仿真确定流经不同导通数量下LED阵列的交流小电流,具体体现在:使用通过搭建电路图的方式进行电路仿真的Windows平台软件Multisim提供的接入交流信号的功率放大器,改变LED阵列中LED的导通数量,将不同导通数量下的LED阵列等效电路串联在功率放大器后级,测量流经等效电路的交流电流,得到不同导通数量的LED阵列等效交流电流。
3.根据权利要求1所述的光通信***中的最佳LED串联数量的确定方法,其特征在于,所述固定接收位置,固定LED阵列N个LED管串联布局,改变LED管导通数量,使得接收等效电流最大的串联数量即为LED最佳串联数量,具体为:
若不同LED管到接收端路径损耗近似相同,利用不同串联数量下流经LED阵列的交流电流,并且每一个LED管在接收端的电流都有一个加权系数,不同情况下电流的加权和即为等效接收功率,每一个灯的权重由朗伯体辐射方程确定,方程如下:
E=cosmθ
其中E为归一化辐射功率,θ为辐射角度,m是功率衰减阶数,m取决于LED发光区域与球面密封材料的曲率中心的相对位置。
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