可見(jiàn)光通信中的白光LED非線性噪聲分析

王志斌， 董 偉， 任 英， 武素蓮， 顧而丹

(1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004； 2. 浙江杭申電氣集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 311234)

1 引 言

發(fā)光二極管(Light-emitting diode，LED)同白熾燈和節(jié)能燈等相比較，具有低耗能、高耐濕度、高穩(wěn)定性、強(qiáng)適應(yīng)性、安全無(wú)污染、能全彩顯示等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于信息發(fā)射、熒屏顯示、照明等領(lǐng)域。2000年，可見(jiàn)光通信概念被提出，LED在滿足照明的同時(shí)，因其極快的響應(yīng)速度和較高的調(diào)制帶寬具備傳輸數(shù)據(jù)的能力，從而被用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)(VLC)[1-2]。VLC利用的可見(jiàn)光波段頻譜尚屬空白，無(wú)需授權(quán)即可使用，通信安全性和空間復(fù)用性都很高，因此VLC的研究受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[3-4]。

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的調(diào)制系統(tǒng)是基于OOK調(diào)制的強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)系統(tǒng)。Vucic等采用OOK調(diào)制技術(shù)達(dá)到230 Mbit/s的傳輸速率[5]。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員陳弘達(dá)等設(shè)計(jì)了一種基于OOK-NRZ調(diào)制的模擬調(diào)制器，傳輸速率達(dá)到了460 Mbit/s[6]。

雖然LED的諸多優(yōu)勢(shì)能讓可見(jiàn)光通信在無(wú)線通信中暫露頭角，但是可見(jiàn)光通信的普及還有很長(zhǎng)的路要走，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度使之無(wú)法進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，同時(shí)LED的自身帶寬限制、非線性等很大程度上影響了傳輸性質(zhì)。本文通過(guò)研究LED的非線性特征，計(jì)算得出LED的偏置點(diǎn)和基于OOK傳輸系統(tǒng)的誤碼率的關(guān)系，該結(jié)果對(duì)于可見(jiàn)光通信研究中的LED型號(hào)選取和偏置點(diǎn)的選取都有重要的參考意義。

2 VLC系統(tǒng)中的LED非線性噪聲研究

2.1 LED模型

有許多描述功率放大器輸入電壓和輸出電壓之間的非線性特征的模型，其中最簡(jiǎn)單直接的是固態(tài)功放模型(SSPR)[7]，該模型不僅表示了輸入和輸出的非線性特性，同時(shí)也考慮了切頂失真。在此基礎(chǔ)上，建立LED的模型如下[8]：

(1)

其中iLED(v)是正向?qū)娏鳎瑅是LED兩端電壓。

(2)

其中，imax表示最大浪涌電流，f(v)是從LED數(shù)據(jù)表中得到的I-V特性曲線，f(v)=v/r，r為電阻，取值為1 Ω，k表示切頂?shù)膱A滑程度。如圖1所示，k的取值越大，圓滑程度越高。

圖1 不同k值下的LED模型

2.2 VLC信道模型

可見(jiàn)光通信最簡(jiǎn)單的傳輸信道是強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)，信道模型如圖2所示，我們假設(shè)信道中的主要噪聲來(lái)源于散粒噪聲，并且其在仿真中設(shè)為加性高斯白噪聲[9]，因此信道模型[10]：

Y(t)=γX(t)?h(t)+N(t)，

(3)

其中Y(t)是接收機(jī)接收到的信號(hào)電流，X(t)是發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)光功率，h(t)是脈沖響應(yīng)，γ是光探測(cè)器的靈敏度，N(t)表示高斯白噪聲，符號(hào)“?”表示卷積。

圖2 可見(jiàn)光通信傳輸模型

因?yàn)閄(t)≥0，發(fā)射機(jī)發(fā)出的平均光功率可以表示為：

(4)

而接收到的平均光功率為：

P=H(0)Pt，

(5)

其中信道直流增益為：

(6)

因此，接收端的信噪比為：

(7)

由于信號(hào)經(jīng)過(guò)信道、探測(cè)器、均衡器等，產(chǎn)生的噪聲主要由散粒噪聲、熱噪聲和碼間干擾組成，而碼間干擾在IM/DD傳輸信道中可以忽略不計(jì)[9]，所以

(8)

其中

(9)

2.3 LED非線性噪聲

(10)

其中，gu(v)表示過(guò)偏置點(diǎn)理想線性曲線，vu為L(zhǎng)ED的最大浪涌電壓，vl為L(zhǎng)ED的開(kāi)啟電壓。如圖3所示，圓滑系數(shù)k=6，f(v)來(lái)源于科銳的MX-3系列白光LED的數(shù)據(jù)手冊(cè)，經(jīng)由最小二乘模擬得到的I-V曲線，直流偏置點(diǎn)取(3.4 V，200 mA)，開(kāi)啟電壓為2.79 V，最大浪涌電壓4 V。

2.4 VLC系統(tǒng)性能分析

本文假設(shè)OOK調(diào)制解調(diào)信道為定向視距鏈路信道，接收端與發(fā)射端保持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸[13]，即

(11)

因此接收到的信號(hào)功率

(12)

圖3 模型曲線和理想線性對(duì)比圖

LED發(fā)射的信號(hào)功率隨直流偏置點(diǎn)的變化隨之也有所改變，在信號(hào)不失真的前提下，理想的發(fā)射功率為

本文采用的是OOK調(diào)制方式，通過(guò)對(duì)誤碼率的計(jì)算分析系統(tǒng)的性能。誤碼率(BER)是表征數(shù)字通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。本文通過(guò)MATLAB程序提取實(shí)驗(yàn)中傳輸圖像的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為已知的序列數(shù)據(jù)，然后利用發(fā)送端發(fā)送該序列數(shù)據(jù)，當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)其逐位校驗(yàn)。記所有數(shù)據(jù)總的二進(jìn)制比特?cái)?shù)為 Ball，錯(cuò)誤的二進(jìn)制比特?cái)?shù)為 Ber，則誤碼率為 Ber/Ball[14]。誤碼率的公式為：

(14)

其中，

(15)

采用最小二乘擬合，得到ML-B系列LED的I-V特性曲線，然后運(yùn)用Matlab仿真得到在不同的直流偏置點(diǎn)下信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率如圖4所示。從圖中可以看出在信號(hào)傳輸過(guò)程中噪聲不變的情況下，隨著LED兩端的偏置電壓不斷增大，系統(tǒng)誤碼率逐漸減小。當(dāng)達(dá)到最佳的偏置范圍時(shí)，誤碼率又漸漸增大。這是因?yàn)檩^高發(fā)射功率可以提高系統(tǒng)的接收光功率，降低誤碼率，但是當(dāng)逐漸增大功率時(shí)，信號(hào)受到LED非線性影響誤碼率反而較快地增加。最佳的偏置范圍偏向較高電壓區(qū)域，在3.2～3.4 V之間。

圖4 ML-B系列不同偏置電壓對(duì)應(yīng)的BER值

本文還選取了3種美國(guó)科瑞公司生產(chǎn)的白光LED系列，分別是ML-B、ML-C、MX-3，并分別對(duì)它們進(jìn)行上述分析，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5反映了在理想傳輸模型中，傳輸過(guò)程的散粒噪聲和熱噪聲相同的前提下，不同系列的白光LED的傳輸誤碼率和直流偏置電壓的關(guān)系。

從圖5可以看出LED的直流偏置電壓在開(kāi)啟電壓和最大浪涌電壓中心偏最大浪涌電壓的位置誤碼率較低；大功率LED的誤碼率相較于小功率LED的傳輸質(zhì)量更高。

圖5 不同系列LED的誤碼率與直流偏置電壓的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 VLC系統(tǒng)框圖

基于白光LED的OOK調(diào)制VLC通信圖像傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，原始的圖像采集信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)均衡和OOK調(diào)制處理之后，通過(guò)改變LED的發(fā)光強(qiáng)度的方式將電調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；信息通過(guò)光載波在自由空間中傳輸后由探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后期處理解調(diào)在PC端上還原原始圖像。預(yù)均衡，是為了將采集的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成調(diào)制器可以識(shí)別的信號(hào)；另一方面，通過(guò)采用一定的預(yù)均衡技術(shù)可以降低系統(tǒng)器件或信道引起的信號(hào)噪聲，從而提高系統(tǒng)信息速率。而在接收部分對(duì)信號(hào)的后期處理技術(shù)，可以彌補(bǔ)信號(hào)失真，比如時(shí)間延遲等，最大程度還原出原始信號(hào)。系統(tǒng)采用調(diào)制解調(diào)器的目的在于在有限的LED響應(yīng)帶寬上獲取更高的信息通訊速率。

圖6 VLC系統(tǒng)整體示意圖

3.2 LED非線性噪聲對(duì)VLC系統(tǒng)性能影響實(shí)驗(yàn)

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，攝像頭采集到的圖像信息通過(guò)STM32實(shí)現(xiàn)OOK調(diào)制，經(jīng)由LED發(fā)射，在空間傳輸，后由APD光電二極管接收和STM32模塊解調(diào)，還原接收到的圖像信息。圖8是攝像頭采集到的發(fā)射圖像信息。

圖9是在LED型號(hào)為ML-B時(shí)，正向偏置電壓不斷變化下的接收?qǐng)D像和原圖相對(duì)比得到的部分差值圖像和BER數(shù)據(jù)信息。由差值圖像可以看出，在發(fā)射圖像顏色變換劇烈，即高頻區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的誤碼嚴(yán)重；聯(lián)系圖10的ML-B曲線信息，可以得出正向偏置電壓在3.3 V左右時(shí)，圖像誤碼率最小，偏離這個(gè)值，誤碼率逐漸變大。

圖7 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8 發(fā)射圖像

圖10中的誤碼率和LED偏置電壓之間的關(guān)系與圖5曲線走向大致相同，這基本驗(yàn)證了LED非線性噪聲模型的正確性。將LED非線性模型運(yùn)用于今后的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)研究中，可以指導(dǎo)選取系統(tǒng)所匹配的LED，節(jié)省購(gòu)買各類LED的經(jīng)費(fèi)和測(cè)試LED帶寬帶來(lái)的時(shí)消耗，對(duì)實(shí)驗(yàn)的高效開(kāi)展提供有力支持。

圖9 接收?qǐng)D像(上)與發(fā)射圖像的差值圖像(下)對(duì)比。(a)正向電壓3.0 V，BER：0.646 9；(b)正向電壓3.3 V，BER：0.254 4；(c)正向電壓3.5 V，BER：0.505 6；(d)正向電壓3.8 V，BER：0.873 2。

同時(shí)，圖10與圖5的理論曲線比較，誤碼率相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，出現(xiàn)這種情況的原因是實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的熱噪聲和散粒噪聲以及空間傳輸過(guò)程中的各類噪聲遠(yuǎn)比理論的大得多，這也是未來(lái)LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)需要攻克的一大難題。

圖10 不同系列LED下傳輸圖像誤碼率的比較

4 結(jié) 論

影響可見(jiàn)光通信傳輸質(zhì)量的一大因素就是白光LED的非線性特性，針對(duì)該特性，本文研究了LED非線性曲線和理想曲線的關(guān)系，提出了一種算法計(jì)算由非線性引起的噪聲，進(jìn)而計(jì)算了通信傳輸誤碼率，同時(shí)研究了3種LED的直流偏置點(diǎn)和誤碼率的關(guān)系。從仿真結(jié)果可以直觀地得到最佳的LED類型及其偏置點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)際的VLC系統(tǒng)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性，該方法可為后續(xù)的可見(jiàn)光通信研究提供重要的理論參考。

參 考 文 獻(xiàn)：

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