王志斌， 董 偉， 任 英， 武素蓮， 顧而丹

(1. 燕山大學 電氣工程學院， 河北 秦皇島 066004； 2. 浙江杭申電氣集團有限公司， 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、強適應性、安全無污染、能全彩顯示等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于信息發(fā)射、熒屏顯示、照明等領域。2000年，可見光通信概念被提出，LED在滿足照明的同時，因其極快的響應速度和較高的調(diào)制帶寬具備傳輸數(shù)據(jù)的能力，從而被用于可見光通信系統(tǒng)(VLC)[1-2]。VLC利用的可見光波段頻譜尚屬空白，無需授權(quán)即可使用，通信安全性和空間復用性都很高，因此VLC的研究受到世界范圍內(nèi)的廣泛關注[3-4]。

可見光通信系統(tǒng)中最簡單的調(diào)制系統(tǒng)是基于OOK調(diào)制的強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)系統(tǒng)。Vucic等采用OOK調(diào)制技術(shù)達到230 Mbit/s的傳輸速率[5]。中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室研究員陳弘達等設計了一種基于OOK-NRZ調(diào)制的模擬調(diào)制器，傳輸速率達到了460 Mbit/s[6]。

雖然LED的諸多優(yōu)勢能讓可見光通信在無線通信中暫露頭角，但是可見光通信的普及還有很長的路要走，系統(tǒng)的實現(xiàn)復雜度使之無法進入商業(yè)市場，同時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)。本文通過研究LED的非線性特征，計算得出LED的偏置點和基于OOK傳輸系統(tǒng)的誤碼率的關系，該結(jié)果對于可見光通信研究中的LED型號選取和偏置點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，同時也考慮了切頂失真。在此基礎上，建立LED的模型如下[8]：

(1)

其中iLED(v)是正向?qū)娏?，v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

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

Y(t)=γX(t)?h(t)+N(t)，

(3)

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

圖2 可見光通信傳輸模型

因為X(t)≥0，發(fā)射機發(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)

由于信號經(jīng)過信道、探測器、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[9]，所以

(8)

其中

(9)

2.3 LED非線性噪聲

(10)

其中，gu(v)表示過偏置點理想線性曲線，vu為LED的最大浪涌電壓，vl為LED的開啟電壓。如圖3所示，圓滑系數(shù)k=6，f(v)來源于科銳的MX-3系列白光LED的數(shù)據(jù)手冊，經(jīng)由最小二乘模擬得到的I-V曲線，直流偏置點取(3.4 V，200 mA)，開啟電壓為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)射端保持點對點的傳輸[13]，即

(11)

因此接收到的信號功率

(12)

圖3 模型曲線和理想線性對比圖

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

本文采用的是OOK調(diào)制方式，通過對誤碼率的計算分析系統(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。本文通過MATLAB程序提取實驗中傳輸圖像的數(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)，當接收端接收到數(shù)據(jù)后，對其逐位校驗。記所有數(shù)據(jù)總的二進制比特數(shù)為 Ball，錯誤的二進制比特數(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，然后運用Matlab仿真得到在不同的直流偏置點下信號傳輸?shù)恼`碼率如圖4所示。從圖中可以看出在信號傳輸過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。當達到最佳的偏置范圍時，誤碼率又漸漸增大。這是因為較高發(fā)射功率可以提高系統(tǒng)的接收光功率，降低誤碼率，但是當逐漸增大功率時，信號受到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應的BER值

本文還選取了3種美國科瑞公司生產(chǎn)的白光LED系列，分別是ML-B、ML-C、MX-3，并分別對它們進行上述分析，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系。

從圖5可以看出LED的直流偏置電壓在開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系

3 實驗驗證

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經(jīng)過預均衡和OOK調(diào)制處理之后，通過改變LED的發(fā)光強度的方式將電調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為光信號；信息通過光載波在自由空間中傳輸后由探測器接收，轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過后期處理解調(diào)在PC端上還原原始圖像。預均衡，是為了將采集的原始信號轉(zhuǎn)換成調(diào)制器可以識別的信號；另一方面，通過采用一定的預均衡技術(shù)可以降低系統(tǒng)器件或信道引起的信號噪聲，從而提高系統(tǒng)信息速率。而在接收部分對信號的后期處理技術(shù)，可以彌補信號失真，比如時間延遲等，最大程度還原出原始信號。系統(tǒng)采用調(diào)制解調(diào)器的目的在于在有限的LED響應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VLC系統(tǒng)性能影響實驗

可見光通信系統(tǒng)實驗平臺如圖7所示，攝像頭采集到的圖像信息通過STM32實現(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型號為ML-B時，正向偏置電壓不斷變化下的接收圖像和原圖相對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，產(chǎn)生的誤碼嚴重；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，圖像誤碼率最小，偏離這個值，誤碼率逐漸變大。

圖7 可見光通信系統(tǒng)實驗平臺

圖8 發(fā)射圖像

圖10中的誤碼率和LED偏置電壓之間的關系與圖5曲線走向大致相同，這基本驗證了LED非線性噪聲模型的正確性。將LED非線性模型運用于今后的可見光通信系統(tǒng)研究中，可以指導選取系統(tǒng)所匹配的LED，節(jié)省購買各類LED的經(jīng)費和測試LED帶寬帶來的時消耗，對實驗的高效開展提供有力支持。

圖9 接收圖像(上)與發(fā)射圖像的差值圖像(下)對比。(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，圖10與圖5的理論曲線比較，誤碼率相差幾個數(shù)量級，出現(xiàn)這種情況的原因是實際實驗中的熱噪聲和散粒噪聲以及空間傳輸過程中的各類噪聲遠比理論的大得多，這也是未來LED可見光通信系統(tǒng)從實驗室走向市場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，針對該特性，本文研究了LED非線性曲線和理想曲線的關系，提出了一種算法計算由非線性引起的噪聲，進而計算了通信傳輸誤碼率，同時研究了3種LED的直流偏置點和誤碼率的關系。從仿真結(jié)果可以直觀地得到最佳的LED類型及其偏置點，并通過實際的VLC系統(tǒng)驗證了結(jié)果的正確性，該方法可為后續(xù)的可見光通信研究提供重要的理論參考。

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