可见光通信系统研究

可见光通信系统研究

摘要

目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED。白光LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已经达到5W，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。因而LED照明光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究。

本文在对白光LED用作通信光源时的伏安特性、光谱特性和调制特性等物理特性做深入分析的基础上，重点研究了白光LED照明光源通信系统的组成结构和系统设计，并设计出了白光LED调制和发射电路。给出了一种求LED照明灯室内布局的方法，仿真结果表明，该方法可以较好地解决可见光通信系统的室内LED照明灯的最优布局问题。采用直射式链路形式和光强度调制一直接检测技术，可以实现对白光LED的高速调制，并设计出了用于接收可见光信号和信号解调的光接收电路，完成了白光LED的可见光通信收发实验并给出了实验结果。

绪论

VLC

VLC是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。

与FSO和射频通信相比，VLC主要有一下几个优点：

1 可见光对人体相对安全，无伤害。Vlc系统主要使用室内LED照明灯来传送数据，对人体辐射小。

2 VLC无处不在。几乎生活中的每一处都有照明灯，因此用于通信的照明灯可以安装在任何地方，可以比较方便的传输无线数据。

3 发射功率较高。相比于红外通信，由于红外通信对人的眼睛损伤较大，发射功率需要压制到相当低，系统的性能因此将受到严重的限制。而对于射频通信，其射频信号对人体的损伤又比较大，也需要限制其

功率。儿VLC中是可见光传输信息，因此功率可以比较高。

4 不需要无线电频谱的认证。目前可见光的频率应用较少，不受限制。

5 没有电磁干扰。这个优点可以允许可见光通信应用于医院，飞机等处。

可见光技术概述

可见光通信简介

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据。该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。

可见光通信的发展

此技术在日本首先开展。

日本大学的日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，并认为LED光源满足朗伯（Lambertian）照射形式,且以强度调制直接检测（IM-DD）为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系。认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰（InterSymbol Interference, ISI）和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年,Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK_RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真，结果表明：:当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的，当数据率大于100Mbps时，OFDM调制技术优于OOK_RZ调制技术。

2005年，日本国土交通省在关西国际机场，对旅客在抵达机场到登机之前的候机时间内利用可见光通信的用途进行了实证实验。除国土交通省外，松下电器产业、松下电工、NTT DoCoMo、中川研究所以及日本航空也参与了实验。发布资料显示，荧光灯可实现10kbit/

秒，LED可实现数十Mbit/秒的通信速度。

2008年，以图像传感器作为接收机，利用灯塔和交通信号机的LED 可见光通信实验取得了成功。利用灯塔的光传递信息时的传输速度方面，通信距离为2km时为1022bit/秒，通信距离为1km时为1200bit/秒。此次实验实现的2km通信距离在当时是采用广泛扩散光源的空间光通信方式中全球最长的距离。该实验在千叶县的九十九里浜进行，是作为由海上保安厅、卡西欧计算机和东芝参加的“灯塔子项目”的一环实施的。

室内LED可见光通信关键技术

VLC作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路和上行链路两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路。白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗，但是由于LED光源个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点，因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置，就可以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC系统，由该系统组成的网络称为可见光网络。

在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。VLC系统大多设计成光强度调制／直接检测系统，采用曼彻斯特编码和00K调制方式。在IM／DD系统中，由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号，因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断，保证了通信的可靠性。

当前，LED可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术：

1)可见光信道研究

可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应，两者具有不同的特性，这两种系统中引起ISI的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI 作深入研究，从而解决ISI的影响。

21码间干扰克服技术

由于LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致不同的传输延迟，光脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内，产生码间干扰(ISI)，导致系统性能恶化。

3、光源的选择与布局

在可见光通信系统中，光源起着至关重要的作用。作为室内照明设备，它必须具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方面，作为光通信系统的光源，它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上两个方面，目前能满足要求的最好选择就是白光LED。实际系统中，由于各个房间的大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布大致不变，尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。要达到这个目的，必须根据不同的房闻，合理的安排LED灯的布局。

4)最佳LED照明灯个数

在VLC系统中，通常安装在室内的LED灯具有一个较大的辐射角，以尽可能地覆盖整个房间。但是由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通信性能。因此就需要将这种“阴影”的影响降至最低。对于照明来讲，室内安装的照明灯越多，室内的亮度就越高，照明效果越好，同时接收功率也会大大增加。但是单纯地增加LED 灯的个数，虽然能够解决“阴影”问题，却并不能使系统的通信性能达到最佳。这是因为，不同的光源与接收机之渊具有不同的光路径，多个不同的光路径会引起多径延迟产生码间干扰。因而可知，LED灯的个数越多，ISI越严重，必须合理地选择LED灯的个数。

室内无线光通信的基本链接方式

室内无线光通信与室外无线光通信的不同点主要在于两者的信道不同，室内光通信要考虑室内房顶、墙壁、地面以及其他物品如桌子对光束的反射和吸收。室外光通信主要是点对点通信，信号的传输距离较远，一般在百米以上，这样发射器就应该用光束扩散较小的激光器；而室内光通信就决定了通信的距离不会很远，一般在几米到十几米的范围内，这样可以采用发光二极管。室内无线光通信系统的链路方式有很多种，根据以下两点就可以很容易的将他们区分开来。第一点就是看发射机和接收机是否定向。所谓定向，其实是一个角度问题。对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小，发出光束近乎平行，则

称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很小，则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建立了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反，非定向链路使用的是大角度的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的

特点，也就是说，发射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，我们称之为混合链路。区分链接方式的第二点是看发射机与接收机之间是否存在未受干扰的视距LOS。视距链接中接收机接收到的光除存在由发射机发出的大角度的光经其他物体反射回来的光外，还存在直接由发射机发射过来未经反射的光；而非视距间链接通常是发射机对着天花板发射光信号，接收机接收到的光信号中不存在直接从发射机射过来的光。根据以上分析，可以将室内无线局域网的链路方式分为以下几种：定向式视距链路：混合式视距链路；非定向式视距链路；定向式漫反射链路；混合式非视距链路；非定向式漫反射链路。其结构如图所示：

如图所示，每个方框代表一个房间，定向式视距链路的发射机安装在天花板上。

该链路可实现较高的功率利用率。其主要特点有：

1)路径损耗较低，从而对发射机功率的要求也比较低，发射光源一般采用平均功率为几十毫瓦，发射半角为150°30°的LED(发光二极管)。

2)传输光束很窄，几乎没有多径散射问题，背景光对其影响也很小，这使得传输速率很高，一个简单的设计通常可以达到100Mbps的信息传输速率。该种链路方式的不足在于，通信时需要发射机和接收机之间始终保持一种直线式的视距链路，因此很容易因为一点阻碍而断开。这种链路更适合于单点对单点的通信，而不太适于单点对多点的广播式通信，这样就限制了其灵活性。定向式视距链路在实际中应用

较多。其常用于短距离低速率通信，例如各种电器的遥控器等。而且，它也是红外数据协会选用的用于非中心对等网络的链路方式，这些对等网络一般为移动终端而组建，两个终端间的距离不超过lm，数据传输速率在9．6Kbps到4Mbps之间。非定向式视距链路是通过固定在天花板上发射机发出的大发散角光束和接收机的较大的接收视野来达到增加覆盖面积的目的，使得收发两端不需要严格对准便可进行通信。由于信号在传输过程中可能要经过墙壁或天花板的反射，这就产生了多径传输问题，并增大了路径损耗，直接影响到光电探测器接收到的光功率。该种链路更适用于单点到多点的广播式通信系统，例如，在一个房间的天花板上安置一个接入点(AP)，处在该接入点发出光的覆盖范围内的多个终端可以同时接收到接入点发出的信号，而且各个终端问还可以通过接入点束进行通信。非定向式漫反射链路中，发射机的发射端一般对着天花板发射较宽的红外光束，漫反射后的光覆盖面积很大，因此，漫反射式链路不需要对准，也不需要视距路径。该链路方式应用更灵活，既可用于对等网络，亦可用于中心网络。其缺点是信号的路径损耗严重，尤其是当接收机附近有人或障碍物时，损耗更严重。另外，多径传输也是影响其传输速率的一个重要因素。尽管如此，考虑到灵活性问题，许多研究机构仍对漫反射式链路产生了浓厚兴趣。虽然室内无线光通信的基本链路方式有很多种，但是本文描述的无线光通信系统中，白光LED因提供室内照明必须固定在天花板上，故以其为信号光源的室内无线通信链路有两种形式：定向式视距链路和非定向式视距链路。在定向式视距链路中，接收机直接指向白光LED光源。其优点是，信号光源功率利用率高、容易实现高速数据链路。然而该链路要求光信号收发端始终对准，容易因链路上存在的障碍物而阻断。非定向式视距链路设计中接收机视角一般较大，降低了对指向的要求，系统不易受阴影效应影响。但链路中存在的多径效应会限制信号传输速率。表给出了两种光链路的一些通信性能比较。实际应用中可以综合两种链路的优缺点设计灵活的链路方式以提高系统性能。

两种链路比较

比较内容定向视距链路非定向视距链路

通信速率高中等

对指向要求高低

抗障碍物影响能力低高系统移动性低高

光学系统复杂度低中等

受背景光影响小大

多径效应影响无有信道损耗低高

室内无线光通信信道分析

由于室内可见光通信信道与红外无线通信信道非常相似，所以对可见光通信信道的研究可以参考红外无线通信信道，在红外无线通信系统中，不管是直视方式信道还是漫射方式信道，信道中红外线的发射及反射特性常用朗伯辐射源来近似。由于光信号的反射、散射及背景光噪声的影响，红外无线数字信道中存在多径干扰，这是提高信道质量以及进行高速率应用时应解决的主要问题。图2．3是室内无线光通信系统的脉冲响应为和h(t)的线性基带传输模型。

脉冲响席为和h(t)的线性基带传输模型

图中的信道是一个简单的线性基带传输系统，输入是发射光x(t)，R 是光电探测器的响应效率，h(t)是基带信道的脉冲响应，N(t)是加性白高斯噪声信号，在信号输出端得到的是光电流Y(t)，其表达式为：

Y(t)=RX(t)○X(t)+N(t)

式中○X表示卷积，Y(t)跟光检测器表面接收到的瞬时光功率的积分成比例关系。

室内无线光传输信道的基带模型的脉冲响h(t)应经常用以下形式：

∑=-=N n n n n t j e

t t a t h 1)()(θδ

这里的an ，tn ，θn 。分别代表振幅，传输延迟和相位；N 是多径信道的径数。使用冲击函数δ（t ）作为系统的基本函数。可见光通信信道中的光噪声主要包含自然噪声太阳光及人为干扰荧光灯灯光等， 可以在信息传输通道中加入光学滤光片、聚光镜等加以解决。它们的作用包括整形、滤波、视场变换、频段划分等。例如，可用透镜对发射光进行聚焦，利用光学滤光片滤除杂散光，利用透镜扩大光接收器的视场，还可利用光学元件进行链路的频分复用等。这些都将有利于提高信道质量，满足信息传输需求。

LOS 信道模型

要想对室内无线光通信系统进行研究，我们就应该首先了解一下其中的信道模型情况。室内无线光通信的信道模型主要有两种，一种是直射链路，另一种就是反射链路，室内可见光通信发光源LED 照明灯即要照明又要进行通信，故一般只使用定向LOS 信道和非定向LOS 信道。 LOS 信道像散射信道一样描述了所需多径功率与延时扩展之间的关系，用房间的简单特征来表示信道中的各个参数，其比散射信道更难进行估计。一个宽波束光源由下面几个参数表示，位置向量rs ，方向向量s n ∧

。，功率Ps ，辐射强度模型R(Φ，θ)，辐射强度定义的是(Φ，θ)处光源发射的单位立体角内的功率。我们用一个普通的朗伯辐射模型模拟一个辐射源，具有轴对称性质，且与角度θ无关，这里由下式表示：

]2,2[,cos 21)(ππφφπφ-∈+=n s P n R 式中n 是与发射器半功率角21φ有关的值，式中)2

1cos(ln ln 2

φ-=n ，用来

指定波束方向，n 越大发射器的方向性越高；系数π21+n 保证在半球形表面积分值为光源功率Ps 。

n=l 的模式是对应于传统的朗伯模型光源。下图是不同n 值不同角度Φ由情况下功率的分布情况。根据图可以看出，随着n 值的增大，光束方向性增强。所以在散射链路n 一般取1，定向链路中n 可取较大值。

为了简化符号，点光源S发射单位脉冲用三个变量表示：

S={s r，s n∧，n} （1）

式中s r是位置向量，s n∧是方向向量，n是模式数。

同样，接收元素R用位置R r，方向最∧R n，探测器面积R A，视场角

这四个向量表示为：

R={R r，∧R n，AR，R A} （2）

FOV是个无方向的角，接收端所能检测到的光的入射角(与检测器法线

∧

n方向所成角)范围小于FOV，所以有目的的限制FOV能够减小不必要R

的反射或噪声。

考虑一个发射器S 和一个接收器R ，由1式和2式表示，发射器和接收器直射链路如上图所示，如果发射器和接收器之间距离比探测器尺寸大，即2R >>R A ，则探测器表面接收的光信号近似是连续的，而且所有的光信号近似认为同时到达接收端。对于这样的简单系统，可以用存在延时的冲击函数近似表示脉冲响应，如式3所示：

)/()/()(cos 21),;()0(c R t FOV rect d n R S t h n -+≈Ωδθφπ （3）

其中

2/)cos(R A d r θ=Ω

R 是发射和接收器之间的距离

R s r r R -=

θ是∧

R n 与（R s r r -）所成的角

)cos(θ=∧R n ·（R s r r -）/R Φ是∧

R n 与（rE-rs ）所成角

矩形函数定义为

1,11,0{

)(≤>=x x x rect

这里c 是光速。

LOS 链路需要发射器和接收器之间不存在遮挡物，线路不问断。这罩LOS 链路通过定向发射器来实现，这样可以使由于墙壁和其它表面反射引起的多路畸变最小，因此可以使ISI 最小。我们假设LOS 链路中以30Mb ／s 速率用OOK 方式调制，并且忽略由于多条路径引起的符号间干扰ISI ，所以误码率可由式计算：

SNR Q BER =

室内LED照明灯的布局设计

室内LED照明灯的布局设计研究的意义高亮度白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为下一代节能环保型的照明产品。白光LED的另外一个突出优点是响应灵敏度非常高，因此可以用LED进行高速数据通信。可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的光无线通信技术，与传统的射频通信和其它光无线通信相比，可见光通信具有发射功率高、高速数据传输、对人体无害、无电磁干扰、无处不在、节约能源等优点，因而可见光通信技术具有极大的发展前景，也引起了人们的广泛关注。在可见光通信系统中光源(LED照明灯)具有照明和通信的双重作用，由于照明的原因一般需要安装多个LED灯，因而光源的布局是影响系统性能的一个关键因素，不同的光源布局必然会导致室内不同的光功率分布，因此必须对光源的布局进行合理的设计使得室内接收光功率的分布趋向均匀。根据国际化标准，普通办公室照明要求光照度为2001x一10001x。可见合理设计LED照明灯的布局很容易满足室内全部区域的照明和通信要求，并能有效消除无线通信系统中阴影效应的影响。

本章分析了白光LED的发光原理、基本属性、室内LED照明灯的个数及内部LED的个数与排列、室内LED照明灯的布局设计与接收光功率分布的关系，通过对LED光源布局与接收功率关系的仿真，给出了房间内的四个LED照明灯的最优化布局设计。下图所示为可见光通信在办公室内的示意图。

室内无线光通信示意图

在可见光无线局域网中存在两种通信链路,即前向链路和反向链路。前向连路中使用的光源称之为“用户光源”,这种光源安装在适配器上,具有较小的发射面积,且经过简单的准直。反向链路中使用的光源称

之为“主光源”,这种光源安装在天花板上,是一种具有较大发射面积的白光LED 阵列灯,它同时可用于室内的照明。在局域网中,每个计算机用户的适配器上都有一个用户光源,同时所有的用户都共用相同的主光源。在可见光无线局域网中,主光源具有通信与照明的双重作用,这是因为白光LED 的亮度很高,且调制速率非常高,人的眼完全感觉不到光的闪烁。

可见光无线集线器

可见光无线集线器是可见光通信网络中的核心

组成部分。如图所示为中心控制处理单元的组成框

图。

中心控制处理单元组成框图

该控制中心一方面接收来自计算机用户的信息,另一方面它分时段的将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。网内的计算机用户接收主光源的信息,并通过用户地址判别该信息是否属于自己,如果是则接收,否则便丢弃。另外中心控制处理单元可以与外部网络进行连接,网内的计算机用户也可以通过它来访问外部网络。可见光通信适配器可见光通信适配器是计算机用户进行光信号收发的通信设备,其组成框图如图所示。

可见光通信适配器组成框图

为了充分利用现有有线局域网的资源,选择10BASE—T 以太网卡为适配器与计算机的接口卡。发送数据时,数据格式转换单元首先将以太网的曼彻斯特差分信号转换成适合可见光传输的非归零码(NRZ)。转换后根据目的地址选择相应的扩频码进行扩频,经过扩频后,经由驱动电路驱动用户光源发出光信号。接收数据时,APD光电探测器接收主光源光信号并转换为相应的电信号,然后经过简单的滤波处理及解调电路后恢复成NRZ电信号。由于主光源是以广播的方式发送信号,此时接收的信号不一定是该用户所需的信号,必须经过解扩单元进行处理。如果信号的地址码与本地地址码相匹配,则用户信息可以正确恢复出来,否则便丢弃。恢复后的用户信息在经过数据格式转换单元后,就可以通过以太网卡送入计算机。

白光LED通信系统的噪声与干扰分析

在白光LED 照明技术发展的同时，利用LED 的高调制频率，白光LED 通信作为新兴的通信技术受到了人们的极大关注。根据通信理论，减小判决中的误码率可从两方面入手：一是加大其输入光功率；一是提高信噪比。在白光LED 通信系统中，由于白光LED 光源发出的是可见光，且发散角较大，对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点，可以通过提高白光LED 光源的发射功率，来提高系统的可靠性。最终是接收系统的信噪比决定了全系统的通信性能.我们基于对白光LED 通信系统噪声与干扰的分析，在噪声受限系统中引入了带通滤波器和一种新型的成像式光学系统，利用噪声匹配设计了低噪声放大器，并在干扰受限系统中利用了带阻滤波器、副载波调制、增设滤波电容等措施，提出了基于噪声与干扰双受限的新型接收机设计方案。白光LED 通信技术是指利用LED 器件高速点灭的发光响应特性，将LED 发出的用肉眼察觉不到的高速速率调制的光载波信号来对信息

进行调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号，并获得信息使可见光通信与LED 照明相结合构建出LED 照明和通信两用基站灯。

如图所示，白光LED 通信系统的发射端是根据传递资料将电信号变调，再利用LED 转换成光信号发送出去，接收端利用光电探测器接收光信号，再将光信号转换成电信号，经过解调当成信号资料读取。

接收端主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个可见光通信系统的性能。

白光LED 通信系统噪声与干扰分析

白光LED 通信噪声受限系统

白光LED 通信系统采用的是光强度调制和直接检测（IM-DD）技术。白光LED 通信系统的数字光接收机结构原理如图所示。

数字光接收机结构原理图

此处，假设图中所示的白光LED 通信系统接收机采用PIN 光电探测器，在白光LED 通信系统中，起伏噪声决定光信道中的传输质量，理想的信号应该包括一个时变的起伏噪声过程，大概每比特至少104~105个光子。尽管在接收机中使用窄带滤波器，当强光照射探测器的时候在系统中仍会出现107~108 光子/比特的起伏噪声。因此，强背景光构成了白光LED 通信系统的主要噪声源。

另一部分噪声来源于接收机系统内部，主要有：

①散粒噪声。主要为背景光在PIN 管处产生的噪声电流引入的，又

由于光器件LED 受偏压的作用，即使在传空号的情况下也会有少量

光功率，即直流光功率。故其噪声均方值为：,其中Idc为背景光与直流光在PIN 管产生的光子电流；可见，背景光电流引起的噪声电流与系统带宽Δf 成正比，在不影响信号接收的前提下，较小的Δf 对抑制背景噪声、减小探测器、放大器的噪声都是有益的。

目前，白光LED 调制速率要达到100MHz 有相当大的难度，这种情况下，PIN 也产生一些低频闪烁噪声，对接收机灵敏度的影

响不可忽视，这种噪声可以归入散粒噪声中，在接收系统中加入带通滤波器，可有效抑制低频闪烁噪声。

②暗电流噪声。光电探测器在没有光照时，由于负偏压的作用会产生

毫微安级的"暗光流".其噪声均方值为：，其中Idark为PIN 管的暗电流。

③热噪声。探测器负载及放大器发热引起的噪声。其噪声均方值为：

其中RP 为反向结电阻，RS为串联电阻。

④放大器噪声。主要为放大器内部电阻、晶体管等噪声源引入的电器元件固有噪声，一般可利用等效噪声源进行分析计算，与放大器件类型有关。

综上所述，类似这种由于存在电路固有噪声和电路外部环境等噪声源在接收部分引入的噪声，而限制了白光LED 通信性能的系统可视为白光LED 通信噪声受限系统。

白光LED 通信系统噪声与干扰的频谱分布

由前面所述，可获得白光LED 通信系统噪声与干扰的频谱分布，如图所示。

基于噪声与干扰双受限的光接收机设计

这种设计是将探测器实际面积分割成若干个独立的小单元。这样，每一个小单元都有自己的一个接收视角FOV,在空间上可以实现信号的独立接收。

假设透镜焦距为f,如图4 所示，小单元的接收视角为FOV=arctan （x/f），若探测器面积为a×a,则整个探测器的最大接收视角为FOVmax=arctan[（2a）1/2/2f].

探测器被分为若干小单元后，相当于探测器平均接收视角变小了，因此也就减弱了接收到的背景光的光强。同时探测器被分为若干个小单元可以减小光电探测器的等效输入电容，从而提高接收机灵敏度。

高频低噪声放大器设计

①使用带阻电子滤波器，抑制某上特定频率的背景光干扰，例如日光灯产生的工频干扰；②采用副载波调制，将光信号脉冲搬移到较高的频带上，在接收机采用电路滤波的方式将通常为低频的背景光噪声消除；

③在电路中增设电源滤波电容和放大器偏置电路滤波电容抑制电源噪声。