基于LED的可見光通信系統預均衡技術研究

蔣余成，劉智，邴麗媛，王凱，姚海峰，王素芬

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

基于LED的可見光通信系統預均衡技術研究

蔣余成，劉智，邴麗媛，王凱，姚海峰，王素芬

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

目前發光二極管（LED）調制帶寬一直是制約可見光通信（Visible-Light Communication，VLC）領域的一個瓶頸，一般普通的商用白光LED調制帶寬只有幾兆左右，嚴重制約可見光通信系統發展。基于提高LED的調制特性角度對可見光LED調制特性進行分析和實驗論證。實驗結果表明，通過基于FPGA產生信號通過預均衡驅動電路加載到藍光LED，利用OOK-NRZ調制方式實現100Mbit/s速率，從而有效提高可見光通信系統中帶寬問題。

發光二極管；預均衡；OOK-NRZ調制；可見光通信系統

可見光發光二極管（LED）具有發光效率高（100～1100lm/W）、可靠性好、壽命長、無電磁干擾等優點，基于LED的可見光通信（VLC）作為一種新興的無線通信技術具有以下優點：首先可見光通信的引入可以實現對無線頻譜的擴展；其次LED燈具有高速調制特性，可同時兼顧照明和上網功能且對人體無輻射傷害，可以應用于信息安全領域和射頻敏感領域，如機關、醫院和飛機等場合，因此開發潛力巨大。VLC利用的可見光波段是未受到管制的頻譜，無需授權即可使用［1］。

但是VLC技術的發展受到LED調制帶寬的制約。一般商用的LED 3dB調制帶寬小于十兆赫茲，嚴重制約了可見光通信系統通信速率的提高。為了提高調制帶寬，研究者利用多種不同調制技術來提高傳輸速率，例如高階調制格式、藍光過濾、預均衡技術、后均衡技術、離散多音調調制（DMT）、波分復用（WDM）、以及光MIMO技術等［2］。

1LED調制帶寬特性

LED的調制帶寬是VLC基帶信號傳輸速率的重要因素，不僅受器件本身調制特性、且同樣受伏安特性等因素的多方面影響。普通發光二極管的3dB帶寬一般只有幾兆，經實驗測試對比來看只有藍光二極管的調制帶寬可以到達十兆左右。然而為了提高可見光通信系統的傳輸速率，一般采用多階調制方式和LED驅動電路，設計上使其加載信號的頻響特性和LED的頻響特性互補的途徑［4］。

一般情況下，二進制調制方案系統復雜度比較低，在系統設計方面比較有優勢；發光二極管的調制帶寬為基帶信號加載到LED上時頻帶寬度的極限，可視為探測器接收到的LED輸出的光功率在接收端的-3dB幅頻響應達到的最大帶寬，LED器件調制帶寬的測試在直流工作下加載偽隨機序列信號（利用其隨機特性對可見光通信系統進行測試目的）。如圖1所示為LED調制特性測試系統框圖，在發射端由信號源發出偽隨機碼。經過預均衡實現對可見光信道容量提升和信號功率放大器提高調制深度，在對加載信號進行偏置增大LED光功率有助于調制基帶信號加載到光載波上。在接收端，光信號經過光電探測器轉換為電信號后，經過濾波放大最后接到示波器/頻譜儀上。

圖1 LED調制特性測試系統框圖

1.1 LED的工作特性

LED發出的光功率與信號的驅動電流是呈正向線性關系的，典型的光功率LED的驅動電流的之間的關系如圖2所示。發光二極管的發出的光功率函數可表示為：

其中，i表示電流；e表示電荷；N=i/e表示每秒注入的電荷數；η表示復合且產生光子的電荷百分數。但是光源同樣會限制響應速率，主要是由于高頻調制的條件下二極管的P/N結的結電容和寄生電容會短路信號中的高頻成分，導致半導體內的少子壽命τ從而影響交流功率下降。τ為電荷注入到復合的平均時間，調制電流的變化必須比τ慢［6］。LED的交流功率與信號的頻率fs關系函數為：

圖2 光功率和注入電流之間的關系

LED也是二極管的一種，和硅鍺一樣都具有單向導通、正向偏置電壓等特性。當正向偏置導通時，電流和電壓呈線性關系。在對LED的調制過程中需要加直流偏置，以保證LED工作在線性區域和總電流為正向的防止信號電流的負向震蕩。另外，直流偏置也可以提高光載體能力。

LED的調制能力可以用總電流和偏置電流之差表示，即表示為交流信號與偏置電流之間的關系。差值越大調制能力越強，光信號也越容易被探測到，也降低了探測器所需的光功率，從而更利于對接收到的光信號濾波和放大等后續的解調處理。

1.2 LED頻率響應模型

作為可見光信道的重要組成部分，LED的頻域特性對信號的調制帶寬有很大的關系，也是可見光通信系統中的重要參數和指標。下面分別對可見光通信中白光和藍光LED頻響分析。

通過偽隨機序列信號測得的白光頻率響應，可以將響應曲線分為兩部分，對于高頻成分衰減現象明顯。當對頻響進行最小二乘法擬合后，可分為兩條不同曲線，其擬合斜率為［6］：

同理，使用NRZ信號對白光LED的頻響進行調制同樣可以得到高頻成分明顯衰落。對于藍光LED其調制帶寬3dB可以達到14MHz以上，其頻響特性一階指數函數為：

式中，w1為匹配系數，w1=2π×15.5×106rads/s。其中擬合斜率與實際曲線的斜率的均方根誤差為s=0.08dB/MHz。

2 均衡技術

在可見光通信系統中，引起系統非線性的因素有很多，例如信號源、功率放大器、還有LED和可見光信道衰落都會引起信號的非線性失真。均衡可以使基帶信號頻響和通道頻響互補，抵消一部分的非線性衰減以提高系統穩定可靠性手段之一。在可見光通信系統中發射端和接收端都需要對通信系統產生的非線性系統衰落進行均衡處理即可分為預均衡和后均衡，本設計分別從軟硬件兩方面對系統的均衡技術分析。

2.1 軟件均衡技術仿真

通過對白光和藍光LED頻率響應分析可得基帶信號的存在非線性，即高頻衰減比較嚴重，因此利用均衡技術對系統響應進行補償使頻響特性更加平坦。本文利用MATLAB軟件對可見光通信系統進行仿真實驗，以驗證均衡技術在可見光通信系統中的對信號衰減的補償性能。

圖3 不加均衡技術

圖4 均衡技術之后的LED頻響特性

系統利用均衡技術對光信道中的頻率噪聲消減和偏移進行了補償，在仿真中，采用仿真軟件自帶的偽隨機碼的調制信號，其中調制帶寬約為100MHz。如圖3、圖4所示接收端信號頻譜，從仿真中可以看到調制信號盡管有較好的抑制信道衰落特性，但是由于LED器件增益不均衡，在不加均衡的條件下，接收端的信號頻譜如圖3所示，信道增益隨著頻率的升高不斷下降［8］。如圖4所示，在應用均衡技術之后，抑制了信道衰落，在信號的帶寬內頻譜變得相對比較平坦。同時對系統加均衡和均衡技術的BER隨信噪比的變化進行了對比，仿真結果如圖5所示。從圖中曲線可得出使用均衡技術之后，系統的抗干擾性能得到了很大的提高［3］。

圖5 系統BER隨SNR的變化曲線

2.2 硬件均衡技術

均衡技術主要包括預均衡技術和后均衡技術，其中預均衡是在發射端進行的主要包括模擬電路均衡技術和FIR濾波器的均衡技術。其中模擬均衡主要是對信號衰減補償，FIR濾波器均衡是利用對信號的時域均衡延時模塊的抽頭數與抽頭數系數來克服系統帶寬的局限性［9］。

實現FIR濾波器的均衡是在數字域上通過添加可以抵消系統響應的數字濾波器已達到對輸入光發射機的模擬信號進行預畸變的技術。模擬均衡指的是通過模擬電路參數的方法改變通信系統的非線性特性［2］。

實驗中由于LED的調制帶寬只有幾兆，制約了可見光通信系統的傳輸速率，研究人員想到利用均衡技術來提高LED調制帶寬，進而提高傳輸速率［11］。實驗中由于模擬均衡對于已知的非線性失真，使用模擬均衡較為方便。所以通過對藍光LED利用電容和電阻串并聯模擬均衡方法來調節器件的頻率響應［12］。如圖6所示，為模擬均衡電路原理圖。

圖6 多諧振模擬均衡技術的原理框圖

模擬電路由四條并行支路組成，其中每個支路中的電器元件都設置不同的器件參數保證每條支路的具有不同的頻率響應范圍［13］。基帶信號通過BUF后在R1支路的頻率響應在低頻段，R2和C1所在的支路頻率響應工作在中頻端而C2所在的頻率響應工作在高頻段，其中R1和R2起到限流作用以限定中低頻率響應范圍，以實現均衡目的。電路中肖特基二極管作用縮短光源充放電時間以顯著的提高系統的性能。由文獻［3］可知LED驅動電路中寄生感抗測得為330nH，LED導通時電阻為1Ω。其中為了抵消電感帶來的影響，采用f=1/2諧振頻率來提高LED電路的帶寬。從而得到相對平坦模擬均衡增益，模擬均衡濾波器的頻率響應如圖8所示。

圖7 預均衡后電路頻率響應曲線

3 實驗結果及結論

在實驗中，對LED進行了調制測試。結果如圖8所示，為預均衡前后的方波信號，上面波形為探測到的不加均衡的調制信號，下面為探測到的在驅動電路加預均衡的調制信號。通過信號的上升沿可以明顯看出預均衡提高信號的調制帶寬。

圖8 預均衡前后探測器接收到的信號

其中對于在均衡過程中在均衡電路中并聯肖特基二極管提高系統性能提高信號的邊沿升降時間，如圖9、10所示分別為是否并聯二極管對調制信號影響（調制信號均為黃色信號綠色信號為基帶信號）。

圖9 均衡電路中并聯肖特基二極管

圖10 均衡電路中沒有并聯肖特基二極管

從實驗中可以看出，采用均衡技術之后，藍色LED的帶寬有了很大擴展。在同時使用了3個驅動器的頻率響應后，采用NRZ-OOK實現了100Mb/s的數據傳輸。其中并聯肖特基二極管降低了信號的LED邊沿時間，有效的提高LED器件調制帶寬，提高可見光通信系統帶性能，進一步拓展可見光通信系統的應用范圍。

從以上分析可以得出通過預均衡技術使得LED的調制帶寬性能得到提升，預均衡后使得信號在3dB帶寬內無明顯衰落。抑制高頻在一定程度上LED的非線性；同時實驗驗證LED非線性預均衡技術對系統性能的提高。

［1］ 遲楠，黃星星，王一光.基于先進調制的高速可見光通信技術［J］.中興通訊技術，2014（6）：16-20.

［2］ 李榮玲，商慧亮.高速可見光通信中關鍵使能技術研究［J］.激光與光電子學進展，2013，50（5）：40-50.

［3］ 遲楠.LED可見光通信技術［M］.北京：清華大學出版社發行部，2013：23-40.

［4］ 李榮玲.基于白光LED的可見光通信系統［D］.上海：復旦大學，2014.

［5］ 朱石超，趙麗霞，楊華.適用于可見光通信的LED器件［J］.中興通訊技術，2014（6）：29-32.

［6］ Joseph C.Palais，王江平，劉杰譯.光纖通信［M］.北京：電子工業出版社，2011：115-130.

［7］ 張坤.基于激光二極管的可見光通信技術研究和硬件設計［D］.南京：南京航空航天大學，2014：28-35.

［8］ KomineT，Nakagawa M.Fundamental analysis for visi?ble-light communication system using LED lights［J］. ConsumerElectronics，2004，50（1）：100-107.

［9］ 孫益.OFDM可見光通信中改善非線性失真的理論與方法研究［D］.長沙：中南大學物理與電子學院，2013：11-23.

［10］ Dominic O'Brien.Optical multi-input multi-output systems for short-range free-space data transmission［C］.CSNDSP，2010：517-521.

［11］ 李天一.可見光通信系統均衡技術研究［D］.南京：東南大學，2015：30-45

［12］ 胡國永.基于LED的可見光無線通信關鍵技術研［D］.廣州：暨南大學，2007：23-25.

［13］ Mandic D P.Ageneralized normalized gradient descent algorithm［J］.Signal Process Letters，IEEE，2004，11（2）：115-118.

Equalization Technique Based LEDs Visible Light Communication System

JIANG Yucheng，LIU Zhi，BING Liyuan，WANG Kai，YAO Haifeng，WANG Sufeng
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Currently based on light-emitting diode（LED） has been restricting the modulation bandwidth in the field of VLC（Visible-Light Communication，VLC），ordinary commercial white LED modulation bandwidth is only about a few megabytes seriously hampered the development of a visible light communication system.Based on the improved modulation characteristic of LED Angle，discusses the characteristics of analysis and experiment，on visible light LED modulation.The experimental results show that based on the FPGA signal，through an equilibrium loaded into the blue LED，drive circuit using the OOK-NRZ modulation way to up 100 Mbit/s rate.To improve the communication bandwidth problem in Visible light communication system.

light emission diodes；OOK-NRZ modulation；visible light communication；pre-equalization

O436

A

1672-9870（2017）03-0094-04

2016-08-24

蔣余成（1989-），男，碩士研究生，E-mail：121321902@qq.com

劉智（1971-），男，教授、博士生導師，E-mail：liuzhi@cust.edu.cn