白光LED通信系統(tǒng)的噪聲與干擾分析

闡述了背景可見(jiàn)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(jì)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(duì)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(jì)方案，根據(jù)該方案設(shè)計(jì)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(diǎn)滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將LED 發(fā)出的用肉眼察覺(jué)不到的高速速率調(diào)制的光載波信號(hào)來(lái)對(duì)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(hào)，并獲得信息使可見(jiàn)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(hào)變調(diào)，再利用LED 轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)送出去，接收端利用光電探測(cè)器接收光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)當(dāng)成信號(hào)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(duì)信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號(hào)還原成電信號(hào)的光電探測(cè)器和前置放大電路、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)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(wú)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(gè)可見(jiàn)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(cè)(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(cè)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(hào)應(yīng)該包括一個(gè)時(shí)變的起伏噪聲過(guò)程， 大概每比特至少104~105個(gè)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(cè)器的時(shí)候在系統(tǒng)中仍會(huì)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(lái)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(hào)的情況下也會(huì)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(jiàn)，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(hào)接收的前提下， 較小的Δf 對(duì)抑制背景噪聲、減小探測(cè)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(duì)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(cè)器在沒(méi)有光照時(shí)，由于負(fù)偏壓的作用會(huì)產(chǎn)生毫微安級(jí)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(cè)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(jì)算，與放大器件類(lèi)型有關(guān)。

綜上所述，類(lèi)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(guò)光功率在PIN 管引入散粒噪聲，并且放大器本身就會(huì)引入固有噪聲。此外，由于白光LED 通信系統(tǒng)無(wú)法用帶阻濾波器濾除調(diào)制可見(jiàn)光干擾，若電路設(shè)計(jì)不合理，還可能引入外界調(diào)制可見(jiàn)光對(duì)接收系統(tǒng)的干擾，不同頻率的調(diào)制背景光會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)造成干擾， 這時(shí)系統(tǒng)又成為一個(gè)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(jiàn)光成分， 太陽(yáng)光中也包含大量的可見(jiàn)光，這些可見(jiàn)光共同組成了背景光噪聲。太陽(yáng)是主要背景光干擾源，一般情況下，太陽(yáng)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(zhǎng)500nm 處。而所有的人造光源都經(jīng)過(guò)了調(diào)制，頻率一般在50Hz(與工頻相等)，為通過(guò)檢測(cè)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(hào)調(diào)制，這些信號(hào)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(duì)可見(jiàn)光通信造成很大的影響。另外，高頻電源的開(kāi)關(guān)也會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾通過(guò)電源系統(tǒng)引入到檢測(cè)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(jì)

3.1 新型成像式光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)是將探測(cè)器實(shí)際面積分割成若干個(gè)獨(dú)立的小單元。這樣，每一個(gè)小單元都有自己的一個(gè)接收視角FOV,在空間上可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的獨(dú)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(cè)器面積為a×a,則整個(gè)探測(cè)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(jì)。

探測(cè)器被分為若干小單元后，相當(dāng)于探測(cè)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(shí)探測(cè)器被分為若干個(gè)小單元可以減小光電探測(cè)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(jì)

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(jì)為低噪聲放大器。前置放大器的噪聲對(duì)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(gè)重要指標(biāo)，為減小噪聲，就必須有效設(shè)計(jì)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(guò)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(hào)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(yǔ)

針對(duì)白光LED 通信系統(tǒng)中同時(shí)存在噪聲與干擾的問(wèn)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(diǎn)，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(jì)方案，能在噪聲與干擾同時(shí)存在的白光LED 通信系統(tǒng)中獲得良好的接收性能。