基于LED的可见光通信系统预均衡技术研究

蒋余成，刘智，邴丽媛，王凯，姚海峰，王素芬

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

基于LED的可见光通信系统预均衡技术研究

蒋余成，刘智，邴丽媛，王凯，姚海峰，王素芬

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

目前发光二极管（LED）调制带宽一直是制约可见光通信（Visible-Light Communication，VLC）领域的一个瓶颈，一般普通的商用白光LED调制带宽只有几兆左右，严重制约可见光通信系统发展。基于提高LED的调制特性角度对可见光LED调制特性进行分析和实验论证。实验结果表明，通过基于FPGA产生信号通过预均衡驱动电路加载到蓝光LED，利用OOK-NRZ调制方式实现100Mbit/s速率，从而有效提高可见光通信系统中带宽问题。

发光二极管；预均衡；OOK-NRZ调制；可见光通信系统

可见光发光二极管（LED）具有发光效率高（100～1100lm/W）、可靠性好、寿命长、无电磁干扰等优点，基于LED的可见光通信（VLC）作为一种新兴的无线通信技术具有以下优点：首先可见光通信的引入可以实现对无线频谱的扩展；其次LED灯具有高速调制特性，可同时兼顾照明和上网功能且对人体无辐射伤害，可以应用于信息安全领域和射频敏感领域，如机关、医院和飞机等场合，因此开发潜力巨大。VLC利用的可见光波段是未受到管制的频谱，无需授权即可使用［1］。

但是VLC技术的发展受到LED调制带宽的制约。一般商用的LED 3dB调制带宽小于十兆赫兹，严重制约了可见光通信系统通信速率的提高。为了提高调制带宽，研究者利用多种不同调制技术来提高传输速率，例如高阶调制格式、蓝光过滤、预均衡技术、后均衡技术、离散多音调调制（DMT）、波分复用（WDM）、以及光MIMO技术等［2］。

1LED调制带宽特性

LED的调制带宽是VLC基带信号传输速率的重要因素，不仅受器件本身调制特性、且同样受伏安特性等因素的多方面影响。普通发光二极管的3dB带宽一般只有几兆，经实验测试对比来看只有蓝光二极管的调制带宽可以到达十兆左右。然而为了提高可见光通信系统的传输速率，一般采用多阶调制方式和LED驱动电路，设计上使其加载信号的频响特性和LED的频响特性互补的途径［4］。

一般情况下，二进制调制方案系统复杂度比较低，在系统设计方面比较有优势；发光二极管的调制带宽为基带信号加载到LED上时频带宽度的极限，可视为探测器接收到的LED输出的光功率在接收端的-3dB幅频响应达到的最大带宽，LED器件调制带宽的测试在直流工作下加载伪随机序列信号（利用其随机特性对可见光通信系统进行测试目的）。如图1所示为LED调制特性测试系统框图，在发射端由信号源发出伪随机码。经过预均衡实现对可见光信道容量提升和信号功率放大器提高调制深度，在对加载信号进行偏置增大LED光功率有助于调制基带信号加载到光载波上。在接收端，光信号经过光电探测器转换为电信号后，经过滤波放大最后接到示波器/频谱仪上。

图1 LED调制特性测试系统框图

1.1 LED的工作特性

LED发出的光功率与信号的驱动电流是呈正向线性关系的，典型的光功率LED的驱动电流的之间的关系如图2所示。发光二极管的发出的光功率函数可表示为：

其中，i表示电流；e表示电荷；N=i/e表示每秒注入的电荷数；η表示复合且产生光子的电荷百分数。但是光源同样会限制响应速率，主要是由于高频调制的条件下二极管的P/N结的结电容和寄生电容会短路信号中的高频成分，导致半导体内的少子寿命τ从而影响交流功率下降。τ为电荷注入到复合的平均时间，调制电流的变化必须比τ慢［6］。LED的交流功率与信号的频率fs关系函数为：

图2 光功率和注入电流之间的关系

LED也是二极管的一种，和硅锗一样都具有单向导通、正向偏置电压等特性。当正向偏置导通时，电流和电压呈线性关系。在对LED的调制过程中需要加直流偏置，以保证LED工作在线性区域和总电流为正向的防止信号电流的负向震荡。另外，直流偏置也可以提高光载体能力。

LED的调制能力可以用总电流和偏置电流之差表示，即表示为交流信号与偏置电流之间的关系。差值越大调制能力越强，光信号也越容易被探测到，也降低了探测器所需的光功率，从而更利于对接收到的光信号滤波和放大等后续的解调处理。

1.2 LED频率响应模型

作为可见光信道的重要组成部分，LED的频域特性对信号的调制带宽有很大的关系，也是可见光通信系统中的重要参数和指标。下面分别对可见光通信中白光和蓝光LED频响分析。

通过伪随机序列信号测得的白光频率响应，可以将响应曲线分为两部分，对于高频成分衰减现象明显。当对频响进行最小二乘法拟合后，可分为两条不同曲线，其拟合斜率为［6］：

同理，使用NRZ信号对白光LED的频响进行调制同样可以得到高频成分明显衰落。对于蓝光LED其调制带宽3dB可以达到14MHz以上，其频响特性一阶指数函数为：

式中，w1为匹配系数，w1=2π×15.5×106rads/s。其中拟合斜率与实际曲线的斜率的均方根误差为s=0.08dB/MHz。

2 均衡技术

在可见光通信系统中，引起系统非线性的因素有很多，例如信号源、功率放大器、还有LED和可见光信道衰落都会引起信号的非线性失真。均衡可以使基带信号频响和通道频响互补，抵消一部分的非线性衰减以提高系统稳定可靠性手段之一。在可见光通信系统中发射端和接收端都需要对通信系统产生的非线性系统衰落进行均衡处理即可分为预均衡和后均衡，本设计分别从软硬件两方面对系统的均衡技术分析。

2.1 软件均衡技术仿真

通过对白光和蓝光LED频率响应分析可得基带信号的存在非线性，即高频衰减比较严重，因此利用均衡技术对系统响应进行补偿使频响特性更加平坦。本文利用MATLAB软件对可见光通信系统进行仿真实验，以验证均衡技术在可见光通信系统中的对信号衰减的补偿性能。

图3 不加均衡技术

图4 均衡技术之后的LED频响特性

系统利用均衡技术对光信道中的频率噪声消减和偏移进行了补偿，在仿真中，采用仿真软件自带的伪随机码的调制信号，其中调制带宽约为100MHz。如图3、图4所示接收端信号频谱，从仿真中可以看到调制信号尽管有较好的抑制信道衰落特性，但是由于LED器件增益不均衡，在不加均衡的条件下，接收端的信号频谱如图3所示，信道增益随着频率的升高不断下降［8］。如图4所示，在应用均衡技术之后，抑制了信道衰落，在信号的带宽内频谱变得相对比较平坦。同时对系统加均衡和均衡技术的BER随信噪比的变化进行了对比，仿真结果如图5所示。从图中曲线可得出使用均衡技术之后，系统的抗干扰性能得到了很大的提高［3］。

图5 系统BER随SNR的变化曲线

2.2 硬件均衡技术

均衡技术主要包括预均衡技术和后均衡技术，其中预均衡是在发射端进行的主要包括模拟电路均衡技术和FIR滤波器的均衡技术。其中模拟均衡主要是对信号衰减补偿，FIR滤波器均衡是利用对信号的时域均衡延时模块的抽头数与抽头数系数来克服系统带宽的局限性［9］。

实现FIR滤波器的均衡是在数字域上通过添加可以抵消系统响应的数字滤波器已达到对输入光发射机的模拟信号进行预畸变的技术。模拟均衡指的是通过模拟电路参数的方法改变通信系统的非线性特性［2］。

实验中由于LED的调制带宽只有几兆，制约了可见光通信系统的传输速率，研究人员想到利用均衡技术来提高LED调制带宽，进而提高传输速率［11］。实验中由于模拟均衡对于已知的非线性失真，使用模拟均衡较为方便。所以通过对蓝光LED利用电容和电阻串并联模拟均衡方法来调节器件的频率响应［12］。如图6所示，为模拟均衡电路原理图。

图6 多谐振模拟均衡技术的原理框图

模拟电路由四条并行支路组成，其中每个支路中的电器元件都设置不同的器件参数保证每条支路的具有不同的频率响应范围［13］。基带信号通过BUF后在R1支路的频率响应在低频段，R2和C1所在的支路频率响应工作在中频端而C2所在的频率响应工作在高频段，其中R1和R2起到限流作用以限定中低频率响应范围，以实现均衡目的。电路中肖特基二极管作用缩短光源充放电时间以显著的提高系统的性能。由文献［3］可知LED驱动电路中寄生感抗测得为330nH，LED导通时电阻为1Ω。其中为了抵消电感带来的影响，采用f=1/2谐振频率来提高LED电路的带宽。从而得到相对平坦模拟均衡增益，模拟均衡滤波器的频率响应如图8所示。

图7 预均衡后电路频率响应曲线

3 实验结果及结论

在实验中，对LED进行了调制测试。结果如图8所示，为预均衡前后的方波信号，上面波形为探测到的不加均衡的调制信号，下面为探测到的在驱动电路加预均衡的调制信号。通过信号的上升沿可以明显看出预均衡提高信号的调制带宽。

图8 预均衡前后探测器接收到的信号

其中对于在均衡过程中在均衡电路中并联肖特基二极管提高系统性能提高信号的边沿升降时间，如图9、10所示分别为是否并联二极管对调制信号影响（调制信号均为黄色信号绿色信号为基带信号）。

图9 均衡电路中并联肖特基二极管

图10 均衡电路中没有并联肖特基二极管

从实验中可以看出，采用均衡技术之后，蓝色LED的带宽有了很大扩展。在同时使用了3个驱动器的频率响应后，采用NRZ-OOK实现了100Mb/s的数据传输。其中并联肖特基二极管降低了信号的LED边沿时间，有效的提高LED器件调制带宽，提高可见光通信系统带性能，进一步拓展可见光通信系统的应用范围。

从以上分析可以得出通过预均衡技术使得LED的调制带宽性能得到提升，预均衡后使得信号在3dB带宽内无明显衰落。抑制高频在一定程度上LED的非线性；同时实验验证LED非线性预均衡技术对系统性能的提高。

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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

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

刘智（1971-），男，教授、博士生导师，E-mail：liuzhi@cust.edu.cn