一种通信照明共用LED器件的筛选方法及其装置
技术领域
本发明涉及LED技术领域，更具体地是涉及一种通信照明共用LED器件的筛选方法及其装置。
背景技术
随着科技的迅猛发展，越来越多的数字移动终端需要进行数据交互，数据流量呈现指数增长的趋势，终端用户对通信速率、容量的要求不断提升，5G、 Wi-Fi、BlueTooth等有限频谱的射频通信技术正在受到严重挑战，不久将会出现频谱危机。而可见光拥有400THz-800THz宽的频谱资源，频谱资源非常丰富，不需要申请许可证就可使用，可以有效缓解传统射频通信频谱资源匮乏的危机，可见光通信有希望成为传统射频通信的替代者或重要的补充。
目前可见光通信一般是利用LED作为信源，要发送的信息去调制LED发出的光，将电信号转换为光信号，LED发出肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息，使LED照明的同时可以进行高速通信。而LED设计的初衷是用于照明，一般追求它的照明指标，并没有考虑过将它用于通信领域，所以目前大部分的 LED的-3dB调制带宽非常有限，仅为几MHz，这就严重限制了可见光通信系统容量的提升。目前可以通过其他的技术如预均衡技术来提高LED的调制带宽，但预均衡技术对LED的原始调制带宽也有严格的要求，要求LED的原始频率响应缓慢，不能有过多的抖动和毛刺。因此，需要从商用LED筛选出合适的LED 器件。然而市面上的LED种类数不胜数，质量参差不齐，需要找到一种方法既不会对LED本身产生损害，又能快速高效地评价LED器件调制特性。
为解决上述问题，中国专利CN201721847429.X提供了一种可测量VLC装备发射调制性能的检测装置，包括发射调制性能分析模块、照度衰减模块、单轴运动控制模块、待测VLC装备夹具及箱体，通过调整LED灯及VLC接收设备的位置，记录下-3dB时刻的频率值，得出待测LED灯的调制带宽。但是这种检测装置和检测方法较为复杂，但是由于只经过网络分析仪来得到VLC系统中LED 的调制带宽，评价标准较为单一，且只能用于通信用LED器件的性能检测，其无法从商用LED中有效的筛选出通信和照明共用的LED器件和确定LED器件的偏置工作电流。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中只能检测出单一的调制带宽、无法有效筛选出多用LED器件及确定其偏置工作电流的不足，提供了一种从多个维度检测评价LED器件的调制特性、可以筛选出通信照明两用的LED器件以及确定其偏置工作电流的筛选方法及其装置。
在本技术方案中，提供了一种通信照明共用LED器件的筛选方法，包括以下步骤：
S1：测量LED的频率响应，查看频率响应曲线的衰减幅度F；
S2：对频率响应曲线进行归一化处理，得到-3dB调制带宽；
S3：对归一化后的频率响应曲线进行拟合处理，得到拟合结果；
S4：根据拟合结果量化频率响应曲线的震荡程度；
S5：根据衰减幅度F、-3dB调制带宽、震荡程度综合判断筛选LED，确定偏置工作电流。
本发明中通过测量LED的频率响应，得到频率响应曲线，并根据频率响应曲线得到LED器件的衰减幅度F、-3dB调制带宽、震荡程度，根据LED器件是否符合衰减幅度F小于-40dB、具备本征高的-3dB调制带宽、震荡程度小三个条件，综合评价LED器件的品质，并记录下其对应的直流偏置信号值，筛选出符合通信和照明两个用途要求的LED器件以及确定其合适的偏置工作电流，其方法简单，结果更加可靠。
优选地，上述的步骤S1包括以下步骤：
S11：打开矢量网络分析仪和直流电源，矢量网络分析仪输出正弦波信号到偏置树电路，外部直流电源输出直流偏置信号到偏置树电路；
S12：正弦波信号与直流偏置信号在偏置树电路中耦合后，输入到待测LED 中，待测LED器件将电信号转换成光信号；
S13：光信号经过第一会聚透镜和第二会聚透镜到达光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，输入到矢量网络分析仪，得到LED的频率响应曲线，记录下输入的直流偏置信号值；
S14：查看频率响应曲线1MHz-30MHz的衰减幅度F，判断F是否高于-40dB。
优选地，上述的步骤S2包括以下步骤：
S21：进行归一化处理，将频率响应曲线的值都减去频率响应曲线的最大值；
S22：分析归一化处理后的频率响应曲线，得到-3dB调制带宽。
优选地，上述的步骤S3包括以下步骤：
S31：将归一化处理后的频率响应曲线输入到MATLAB程序中；
S32：在MATLAB程序中利用函数f(x)＝a*eb*x+c*ed*x对归一化后的频率响应曲线进行指数函数拟合，得到拟合精度，记为RS，和拟合标准差，记为RM；
其中a、b、c、d、e、x均为待定项，由MATLAB程序拟合确定；
S33：将拟合标准差RM做平方运算得到拟合方差，记为M。
优选地，上述的步骤S4包括以下步骤：
S41：计算RS-1的绝对值，记为A；
S42：计算M-1的值，记为B；
S43：若A小于0.1，B小于1，则认为频率响应曲线的震荡程度小，若A 大于0.1，B大于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大，若A大于0.1，B小于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大，若A小于于0.1，B大于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大。
优选地，上述的步骤S5中衰减幅度F高于-40dB、具备高本征-3dB调制带宽、震荡程度小三个条件均满足，则认为该待测LED器件适用于通信照明共用 LED器件，同时确定该三个条件满足情况下的直流偏置信号值为该待测LED器件的偏置工作电流。
优选地，还包括一种通信照明共用LED器件的筛选装置，包括直流电源、矢量网络分析仪、偏置树电路、待测LED器件、透镜组、光电探测器，直流电源与偏置树电路电连接，矢量网络分析仪分别与偏置树电路、光电探测器电连接，偏置树电路与待测LED器件电连接，待测LED器件与光电探测器之间的距离为L，透镜组设置在待测LED器件与光电探测器之间，且透镜组和待测LED 器件、光电探测器排布在同一直线位置上。
优选地，上述的透镜组包括第一会聚透镜和第二会聚透镜，所述第一会聚透镜设置在靠近所述待测LED器件一端，所述第二会聚透镜设置在靠近所述光电探测器的一端。来自待测LED器件的光信号经过第一会聚透镜准直在自由空间传输，再经过第二会聚透镜聚焦到达光电探测器。
优选地，上述的距离L为一个范围，由第一会聚透镜和第二会聚透镜的焦距所确定，其中选用距离L的最大值与最小值所测得的频率响应曲线，计算得到的-3dB调制带宽值差值小于选用距离L的中间值测得的频率响应曲线计算得到的-3dB调制带宽值的5％。
优选地，上述的第一会聚透镜和第二会聚透镜的焦距为任意值。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中通过通过测量LED的频率响应，得到频率响应曲线，并根据频率响应曲线得到LED器件的衰减幅度F、-3dB调制带宽、震荡程度，根据LED器件是否符合衰减幅度小于-40dB、具备本征高的-3dB调制带宽、震荡程度小三个条件，综合评价LED器件的品质，并记录下其对应的直流偏置信号值，筛选出符合通信和照明两个用途要求的LED器件以及确定其合适的偏置工作电流，方法中通过电脑程序MATLAB对频率响应曲线进行分析，简单高效，且结果更加可靠。同时，本发明通过矢量网络分析仪测量LED器件的频率响应，不会对LED 产生任何的损害。
附图说明
图1为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法的流程图；
图2为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选装置的示意图；
图3为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的红光LED归一化频率响应曲线、-3dB调制带宽、拟合曲线及其结果示意图；
图4为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的黄光LED归一化频率响应曲线、-3dB调制带宽、拟合曲线及其结果示意图；
图5为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的蓝光LED归一化频率响应曲线、-3dB调制带宽、拟合曲线及其结果示意图；
图6为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的绿光LED归一化频率响应曲线、-3dB调制带宽、拟合曲线及其结果示意图；
图7为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的紫光LED归一化频率响应曲线、-3dB调制带宽、拟合曲线及其结果示意图；
图8为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的紫光、蓝光、绿光、黄光和红光LED在1MHz-50MHz频段频率响应曲线衰减幅度示意图；
图9为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的不同偏置工作电流下紫光LED的-3dB调制带宽和拟合结果示意图；
图10为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的不同偏置工作电流下蓝光LED的-3dB调制带宽和拟合结果示意图；
图11为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到的不同偏置工作电流下红光LED的-3dB调制带宽和拟合结果示意图；
图12为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到紫光LEDP-V特性曲线和P-I特性曲线；
图13为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到蓝光LEDP-V特性曲线和P-I特性曲线；
图14为本发明实施例通信照明共用LED器件的筛选方法得到红光LEDP-V特性曲线和P-I特性曲线。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1至图14为一种通信照明共用LED器件的筛选方法的实施例，包括以下步骤：
S1：测量LED的频率响应，查看频率响应曲线的衰减幅度F；
S2：对频率响应曲线进行归一化处理，得到-3dB调制带宽；
S3：对归一化后的频率响应曲线进行拟合处理，得到拟合结果；
S4：根据拟合结果量化频率响应曲线的震荡程度；
S5：根据衰减幅度F、-3dB调制带宽、震荡程度综合判断筛选LED，确定其偏置工作电流。
本实施例中的步骤S1包括以下步骤：
S11：打开矢量网络分析仪和直流电源，矢量网络分析仪输出正弦波信号到偏置树电路，外部直流电源输出直流偏置信号到偏置树电路；
S12：正弦波信号与直流偏置信号在偏置树电路中耦合后，输入到待测LED 中，待测LED器件将电信号转换成光信号；
S13：光信号经过第一会聚透镜和第二会聚透镜到达光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，输入到矢量网络分析仪，得到LED的频率响应曲线，记录下输入的直流偏置信号；
S14：查看频率响应曲线1MHz-30MHz的衰减幅度F，判断F是否高于-40dB。
本实施例中的步骤S2包括以下步骤：
S21：进行归一化处理，将频率响应曲线的值都减去频率响应曲线的最大值；
S22：分析归一化处理后的频率响应曲线，得到-3dB调制带宽。
本实施例中的步骤S3包括以下步骤：
S31：将归一化处理后的频率响应曲线输入到MATLAB程序中；
S32：在MATLAB程序中利用函数f(x)＝a*eb*x+c*ed*x对归一化后的频率响应曲线进行指数函数拟合，得到拟合精度，记为RS，和拟合标准差，记为RM；
其中a、b、c、d、e、x均为待定项，由MATLAB程序拟合确定；
S33：将拟合标准差RM做平方运算得到拟合方差，记为M。
本实施例中的步骤S4包括以下步骤：
S41：计算RS-1的绝对值，记为A；
S42：计算M-1的值，记为B；
S43：若A小于0.1，B小于1，则认为频率响应曲线的震荡程度小，若A 大于0.1，B大于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大，若A大于0.1，B小于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大，若A小于于0.1，B大于0，则认为频率响应曲线的震荡程度大。
本实施例中的步骤S5中衰减幅度F高于-40dB、具备高本征-3dB调制带宽、震荡程度小三个条件均满足，则认为该待测LED器件可以作为通信照明共用LED 器件，同时确定该三个条件满足情况下的直流偏置信号值为该待测LED器件的偏置工作电流。
如图2所示为一种通信照明共用LED器件的筛选装置，包括直流电源1、矢量网络分析仪2、偏置树电路3、待测LED器件4、透镜组、光电探测器5，直流电源1与偏置树电路3电连接，矢量网络分析仪2分别与偏置树电路3、光电探测器5电连接，偏置树电路3与待测LED器件4电连接，待测LED器件 4与光电探测器5之间的距离为L，透镜组设置在待测LED器件4与光电探测器 5之间，且透镜组和待测LED器件、光电探测器排布在同一直线位置上。
本实施例中的透镜组包括第一会聚透镜6和第二会聚透镜7，第一会聚透镜6设置在靠近待测LED器件4一端，第二会聚透镜7设置在靠近光电探测器 5的一端。来自待测LED器件的光信号经过第一会聚透镜准直在自由空间传输，再经过第二会聚透镜聚焦到达光电探测器。
本实施例中的距离L为一个范围，由第一会聚透镜6和第二会聚透镜7的焦距所确定，其中选用距离L的最大值与最小值所测得的频率响应曲线，计算得到的-3dB调制带宽值差值小于选用距离L的中间值测得的频率响应曲线计算得到的-3dB调制带宽值的5％。
本实施例中的第一会聚透镜6和第二会聚透镜7的焦距为任意值。因为透镜组只是起到传播光信号的作用，其焦距不会影响测试结果。
如图3至图7所示，通过本发明提出的通信照明共用LED器件的筛选方法，比较了在某一偏置工作电流下紫光LED、蓝光LED、绿光LED、黄光LED和红光LED的频率响应曲线拟合结果。得到紫光、蓝光、绿光、黄光和红光的-3dB调制带宽分别为22.9MHz、42.6MHz、16.7MHz、31.1MHz和26.8MHz，都比常规LED的-3dB调制带宽大。
如图3所示，红光LED拟合结果中拟合精度R-square为0.9973，拟合标准差RMSE为0.4489，计算拟合方差MSE为0.20151，拟合方差MSE小于1。
如图4所示，黄光LED拟合结果中拟合精度R-square为0.8571，拟合标准差RMSE为3.234，计算拟合方差MSE为10.45876，拟合方差MSE也大于1；黄光LED的S21曲线在400MHz开始出现尖锐的毛刺，数量极多，变得极不平滑，其指数函数拟合精度小于0.9。
如图5所示，蓝光LED拟合结果中拟合精度R-square为0.9945，拟合RMSE 为0.5394，计算拟合方差MSE为0.29095，拟合方差RMSE小于1。
如图6所示，绿光LED拟合结果中拟合精度R-square为0.9482，拟合标准差RMSE为2.004，计算拟合方差MSE为4.01602，拟合方差MSE则大于1；绿光LED的频率响应曲线在500MHz开始抖动起来，变得不平滑。
如图7所示，紫光LED拟合结果中拟合精度R-square为0.9926，拟合标准差RMSE为0.7241，计算拟合方差MSE为0.52432，拟合方差MSE小于1；紫光LED、蓝光LED和红光LED在1GHz频率范围内平滑衰减，没有较多的抖动和毛刺。
可以得到，除了黄光LED之外，其余波长的LED的指数函数拟合精度均大于0.9，拟合精度越接近1，代表曲线拟合效果越好，频率响应曲线比较符合指数曲线分布。紫光LED、蓝光LED和红光LED的拟合方差均小于1，绿光LED和黄光LED的拟合方差则大于1，利用拟合精度和拟合方差来量化LED器件的频率响应曲线的震荡程度，表明紫光LED、蓝光LED和红光LED的频率响应曲线震荡程度小，绿光LED和黄光LED的频率响应曲线震荡程度大。
如图8所示，通过本发明提出的通信照明共用LED器件的筛选方法，比较了某一偏置工作电流下紫光LED、蓝光LED、绿光LED、黄光LED和红光LED在 1MHz-50MHz频段频率响应曲线平均衰减，可以看到，在1MHz-50MHz频段，紫光LED的频率响应曲线平均衰减为-39.39dB，蓝光LED的频率响应曲线平均衰减在-33.85dB，绿光LED的频率响应曲线平均衰减为-46.66dB，黄光LED 的频率响应曲线平均衰减为-57.73dB，红光LED的频率响应曲线平均衰减为 -33.71dB。紫光、蓝光和红光LED在1MHz-50MHz频段频率响应曲线平均衰减都大于-40dB，而绿光和黄光LED平均衰减都小于-40dB，绿光和黄光LED 原始信道衰减过大，不适合用于可见光通信。
如图9至图11所示，比较了紫光LED、蓝光LED和红光LED在不同偏置工作电流下的频率响应曲线指数拟合结果。可以看到，随着偏置工作电流的增大，紫光LED、蓝光LED和红光LED的调制带宽逐渐增大；而拟合方差MSE和拟合标准差RMSE的变化趋势有点不同，蓝光LED的拟合标准差RMSE和拟合方差MSE 一直减小；而紫光LED和红光LED的拟合标准差RMSE和拟合方差MSE随着偏置工作电流的增加是先减小后增大，表明紫光LED和红光LED两者频率响应曲线的震荡程度是先变小后变大，LED的偏置工作电流超过某一特定值时，频率响应曲线的震荡程度也会随之增大，会影响LED器件的通信性能，因此需要选取合适的偏置工作电流。
如图12至图14所示，从开启电压到某一高压值范围内，紫光LED、蓝光 LED和红光LED的P-V特性曲线线性拟合的拟合精度都在0.988以上，非常接近1，有非常好的线性度。在不同的偏置工作电压下，即在不同的偏置工作电流下，LED的光功率也有所不同，为了使LED的光功率尽可能高，同时保证LED 的P-V曲线线性度，可以发现紫光LED和红光LED在偏置工作电压分别为10.71 V、10.43V，对应的偏置工作电流分别为70mA、70mA，在此偏置工作电流下，紫光LED和红光LED的S21曲线的震荡程度也达到最小。而蓝光LED的P-V特性曲线表明蓝光LED在较高的偏置工作电压下，线性度依旧可以很好，而且其频率响应曲线的震荡程度也没随着偏置电流的增大而变差。表明可以通过确定 LED器件的偏置工作电流，使得LED的调制带宽适中，频率响应曲线的震荡程度最小，使其符合通信照明共用LED器件的要求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
