白光LED通信系統(tǒng)的噪聲與干擾分析

闡述了背景可見光在噪聲受限與干擾受限的白光LED通信系統(tǒng)中的影響。利用帶通濾波器和光學(xué)設(shè)計以及噪聲匹配等方法提高了作為噪聲受限系統(tǒng)的接收機(jī)性能;采取帶阻濾波器、副載波調(diào)制、增設(shè)濾波電容等措施，很好地抑制了干擾源對干擾受限系統(tǒng)的影響;提出了基于噪聲與干擾雙受限的白光LED通信接收機(jī)設(shè)計方案，根據(jù)該方案設(shè)計的白光LED通信系統(tǒng)已投入使用。

白光LED 通信技術(shù)是指利用LED 器件高速點滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將LED 發(fā)出的用肉眼察覺不到的高速速率調(diào)制的光載波信號來對信息進(jìn)行調(diào)制和傳輸，然后利用光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件接收光載波信號，并獲得信息使可見光通信與LED 照明相結(jié)合構(gòu)建出LED 照明和通信兩用基站燈。

如圖1 所示，白光LED 通信系統(tǒng)的發(fā)射端是根據(jù)傳遞資料將電信號變調(diào)，再利用LED 轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去，接收端利用光電探測器接收光信號，再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過解調(diào)當(dāng)成信號資料讀取。

圖1 白光LED 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

接收端主要包括能對信號光源實現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號還原成電信號的光電探測器和前置放大電路、將電信號轉(zhuǎn)換成可被終端識別的信號處理和輸出電路。 光接收機(jī)的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出經(jīng)由無線光信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統(tǒng)的性能。

2 白光LED 通信系統(tǒng)噪聲與干擾分析

2.1 白光LED 通信噪聲受限系統(tǒng)

白光LED 通信系統(tǒng)采用的是光強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(IM-DD)技術(shù)。白光LED 通信系統(tǒng)的數(shù)字光接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。

圖2 數(shù)字光接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

此處，假設(shè)圖2 所示的白光LED 通信系統(tǒng)接收機(jī)采用PIN 光電探測器， 在白光LED 通信系統(tǒng)中，起伏噪聲決定光信道中的傳輸質(zhì)量，理想的信號應(yīng)該包括一個時變的起伏噪聲過程， 大概每比特至少104~105個光子。盡管在接收機(jī)中使用窄帶濾波器，當(dāng)強(qiáng)光照射探測器的時候在系統(tǒng)中仍會出現(xiàn)107~108 光子/比特的起伏噪聲。因此，強(qiáng)背景光構(gòu)成了白光LED 通信系統(tǒng)的主要噪聲源。

另一部分噪聲來源于接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，主要有：

①散粒噪聲。主要為背景光在PIN 管處產(chǎn)生的噪聲電流引入的， 又由于光器件LED 受偏壓的作用，即使在傳空號的情況下也會有少量光功率，即直流光功率。故其噪聲均方值為：

,其中Idc為背景光與直流光在PIN 管產(chǎn)生的光子電流; 可見，背景光電流引起的噪聲電流與系統(tǒng)帶寬Δf 成正比，在不影響信號接收的前提下， 較小的Δf 對抑制背景噪聲、減小探測器、放大器的噪聲都是有益的。

目前，白光LED 調(diào)制速率要達(dá)到100MHz 有相當(dāng)大的難度， 這種情況下，PIN 也產(chǎn)生一些低頻閃爍噪聲，對接收機(jī)靈敏度的影響不可忽視，這種噪聲可以歸入散粒噪聲

中，在接收系統(tǒng)中加入帶通濾波器，可有效抑制低頻閃爍噪聲。

②暗電流噪聲。光電探測器在沒有光照時，由于負(fù)偏壓的作用會產(chǎn)生毫微安級的"暗光流".其噪聲均方值為：

，其中Idark為PIN 管的暗電流。

③熱噪聲。探測器負(fù)載及放大器發(fā)熱引起的噪聲。其噪聲均方值為：

其中RP 為反向結(jié)電阻，RS為串聯(lián)電阻。

④放大器噪聲。主要為放大器內(nèi)部電阻、晶體管等噪聲源引入的電器元件固有噪聲，一般可利用等效噪聲源進(jìn)行分析計算，與放大器件類型有關(guān)。

綜上所述，類似這種由于存在電路固有噪聲和電路外部環(huán)境等噪聲源在接收部分引入的噪聲，而限制了白光LED 通信性能的系統(tǒng)可視為白光LED 通信噪聲受限系統(tǒng)。

2.2 白光LED 通信干擾受限系統(tǒng)

前面提到，白光LED 通信系統(tǒng)的主要噪聲源是背景光，在噪聲受限系統(tǒng)中，背景光主要是通過光功率在PIN 管引入散粒噪聲，并且放大器本身就會引入固有噪聲。此外，由于白光LED 通信系統(tǒng)無法用帶阻濾波器濾除調(diào)制可見光干擾，若電路設(shè)計不合理，還可能引入外界調(diào)制可見光對接收系統(tǒng)的干擾，不同頻率的調(diào)制背景光會對系統(tǒng)輸出信號造成干擾， 這時系統(tǒng)又成為一個干擾受限系統(tǒng)。

一些人造光源，如白熾燈、熒光燈發(fā)出的光包含很多可見光成分， 太陽光中也包含大量的可見光，這些可見光共同組成了背景光噪聲。太陽是主要背景光干擾源，一般情況下，太陽光要比人造光的光強(qiáng)大，它屬于非調(diào)制光源，光譜帶寬也很寬，最大功率譜密度位于波長500nm 處。而所有的人造光源都經(jīng)過了調(diào)制，頻率一般在50Hz(與工頻相等)，為通過檢測電路為系統(tǒng)引入工頻干擾。有些熒光燈是被高頻的通段信號調(diào)制，這些信號的頻率高達(dá)幾十甚至幾百kHz,也讓使得熒光燈包含了高達(dá)幾十kHz 的諧波能量，如此高的頻率將對可見光通信造成很大的影響。另外，高頻電源的開關(guān)也會產(chǎn)生尖峰脈沖干擾通過電源系統(tǒng)引入到檢測電路中。

2.3 白光LED 通信系統(tǒng)噪聲與干擾的頻譜分布

由前面所述，可獲得白光LED 通信系統(tǒng)噪聲與干擾的頻譜分布，如圖3 所示。

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圖3 白光LED 通信系統(tǒng)噪聲與干擾的頻譜分布圖。

3 基于噪聲與干擾雙受限的光接收機(jī)設(shè)計

3.1 新型成像式光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計

這種設(shè)計是將探測器實際面積分割成若干個獨立的小單元。這樣，每一個小單元都有自己的一個接收視角FOV,在空間上可以實現(xiàn)信號的獨立接收。

假設(shè)透鏡焦距為f,如圖4 所示，小單元的接收視角為FOV=arctan(x/f)，若探測器面積為a×a,則整個探測器的最大接收視角為FOVmax=arctan[(2a)1/2/2f].

圖4 新型成像式光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計。

探測器被分為若干小單元后，相當(dāng)于探測器平均接收視角變小了，因此也就減弱了接收到的背景光的光強(qiáng)。同時探測器被分為若干個小單元可以減小光電探測器的等效輸入電容，從而提高接收機(jī)靈敏度。

3.2 高頻低噪聲放大器設(shè)計

在白光LED 照明通信系統(tǒng)中，信道中存在強(qiáng)烈的背景光噪聲，因此前置放大器應(yīng)被設(shè)計為低噪聲放大器。前置放大器的噪聲對光接收器的靈敏度影響很大，其等效輸入噪聲電流密度是一個重要指標(biāo)，為減小噪聲，就必須有效設(shè)計光電二極管與其后續(xù)有源器件之間的噪聲匹配電路，即通過最優(yōu)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)獲得最小等效輸入噪聲電流[11].

3.3 干擾受限系統(tǒng)的干擾抑制措施

①使用帶阻電子濾波器，抑制某上特定頻率的背景光干擾，例如日光燈產(chǎn)生的工頻干擾;②采用副載波調(diào)制，將光信號脈沖搬移到較高的頻帶上，在接收機(jī)采用電路濾波的方式將通常為低頻的背景光噪聲消除;③在電路中增設(shè)電源濾波電容和放大器偏置電路濾波電容抑制電源噪聲。

4 結(jié)束語

針對白光LED 通信系統(tǒng)中同時存在噪聲與干擾的問題，分別在噪聲受限系統(tǒng)與干擾受限系統(tǒng)作出噪聲與干擾的分析，并在光域和電域上相應(yīng)地提出措施抑制噪聲，削弱干擾影響，綜合各自的優(yōu)點，提出了基于噪聲與干擾雙受限系統(tǒng)的新型接收機(jī)設(shè)計方案，能在噪聲與干擾同時存在的白光LED 通信系統(tǒng)中獲得良好的接收性能。