大功率LED光调制和光脉冲整形技术研究

发布时间：2017-09-06 14:47

  本文关键词：大功率LED光调制和光脉冲整形技术研究

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【摘要】：LED以其高光效、长寿命、低压驱动、全固态和无汞环保等诸多优点,逐渐大规模应用于普通照明。LED还具有光电响应速度快的特点,在满足照明需求的同时可兼备数据传输的功能。作为光通信光源,LED与激光二极管(LD)相比,具有发射功率大、驱动控制简单、成本低和寿命更长的优点,较大的发散角使得对接收端的对准比较容易,或具有较好的移动性。因此基于LED的无线光通信引起了研究人员的广泛关注。但LED光电响应速率比LD慢,其光调制带宽比LD要低。而且,大功率LED比小功率LED的响应时间要慢,1W或以上的大功率LED响应带宽不到10MHz,在有限的调制带宽下,如何提高传输速率是需要解决的主要问题之一。不仅如此,为满足到接收端足够的信号强度和信噪比(SNR),较大的发散角也意味着光源需要较大的发射功率。考虑到专门设计高速响应LED对出光效率的影响、成本和实际应用问题,采用外部驱动电路提高现有大功率LED的调制速率是比较可行的措施。本文首先介绍了LED的发光原理并对其器件特性进行了详细的研究。然后分析了LED的光-电脉冲响应对其响应速率的影响。为找出影响LED响应速率的原因,设计了脉冲驱动下电子/空穴(载流子)的抽出实验,观察LED芯片表面的光场分布变化,揭示了LED脉冲响应延迟的原因,由此分析了载流子内部传输过程。研究了驱动电路晶体管大电流工作时的基区载流子存储对光信号质量的影响,采用在连续“1”出现的时候,通过对FPGA编程,在两个码元的高电平之间插入一个短暂的低电平间隙的方法,消除了载流子存储效应对晶体管调制速率的影响。在充分了解影响LED调制速率的因素的基础上,设计FPGA控制下的光脉冲整形方案来提高传输速率,信号脉冲经由FPGA后产生另外两路相位关联的短脉冲,控制驱动电路分别在信号脉冲上升沿施加一个瞬时高压加速载流子注入,在脉冲下降沿使LED两端短路将剩余载流子泄放掉。为了验证光脉冲整形电路的效果,采用PIN管作为光电检测器设计了光接收电路。眼图和误码率测试结果表明,在接近安培量级的峰-峰值调制电流下,通过这种同步控制方法使光信号质量得到改善,传输速率得到有效提高。
【关键词】：大功率LED 光调制 脉冲调制 无线光通信 FPGA
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM923.34
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• §1.1 研究背景8
• §1.2 LED与LD的对比8-9
• §1.3 国内外研究现状9-10
• §1.4 LED光通信的应用10-11
• §1.5 课题研究的意义11-12
• §1.6 论文研究内容与创新点12-14
• §1.6.1 论文研究内容12-13
• §1.6.2 论文的创新点13-14
• 第二章 LED的工作原理与特性研究14-19
• §2.1 LED的发光原理14-15
• §2.2 LED的器件特性15-18
• §2.2.1 LED的伏安特性15-16
• §2.2.2 LED的调制特性16-17
• §2.2.3 LED的光学特性17-18
• §2.3 本章小结18-19
• 第三章 大功率LED光调制和接收电路设计19-36
• §3.1 LED的脉冲调制特性19-20
• §3.2 脉冲驱动下LED表面光场分布与发光时延机制分析20-23
• §3.3 调制速率受电子器件的限制及改善23-25
• §3.4 光脉冲整形电路设计25-27
• §3.5 光接收系统27-35
• §3.5.1 光接收机的主要性能指标27-29
• §3.5.2 光电检测器29-31
• §3.5.3 前置放大器设计31-34
• §3.5.4 AGC技术34-35
• §3.6 本章小结35-36
• 第四章 基于FPGA的调制和控制信号设计36-45
• §4.1 系统软件整体设计36
• §4.2 伪随机序列的产生36-38
• §4.2.1 m序列产生原理36-37
• §4.2.2 基于FPGA的m序列发生器37-38
• §4.3 调制编码技术研究38-42
• §4.3.1 常用的调制编码技术38-39
• §4.3.2 几种调制方式的性能比较39-41
• §4.3.3 基于FPGA的PPM调制41-42
• §4.4 基于FPGA的多路相位关联控制信号42-44
• §4.5 本章小结44-45
• 第五章 电路调试与结果分析45-54
• §5.1 实验系统结构45-46
• §5.2 大功率LED脉冲调制实验46-47
• §5.3 眼图测量47-50
• §5.4 误码率测试50-52
• §5.5 失步功率测试52
• §5.6 本章小结52-54
• 第六章 总结与展望54-56
• §6.1 总结54-55
• §6.2 展望55-56
• 参考文献56-61
• 致谢61-62
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果62

【参考文献】

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本文编号：803755