可见光通信中的白光LED非线性噪声分析

王志斌， 董 伟， 任 英， 武素莲， 顾而丹

(1. 燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004； 2. 浙江杭申电气集团有限公司， 浙江 杭州 311234)

1 引 言

发光二极管(Light-emitting diode，LED)同白炽灯和节能灯等相比较，具有低耗能、高耐湿度、高稳定性、强适应性、安全无污染、能全彩显示等优点，已经被广泛用于信息发射、荧屏显示、照明等领域。2000年，可见光通信概念被提出，LED在满足照明的同时，因其极快的响应速度和较高的调制带宽具备传输数据的能力，从而被用于可见光通信系统(VLC)[1-2]。VLC利用的可见光波段频谱尚属空白，无需授权即可使用，通信安全性和空间复用性都很高，因此VLC的研究受到世界范围内的广泛关注[3-4]。

可见光通信系统中最简单的调制系统是基于OOK调制的强度调制/直接检测(IM/DD)系统。Vucic等采用OOK调制技术达到230 Mbit/s的传输速率[5]。中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室研究员陈弘达等设计了一种基于OOK-NRZ调制的模拟调制器，传输速率达到了460 Mbit/s[6]。

虽然LED的诸多优势能让可见光通信在无线通信中暂露头角，但是可见光通信的普及还有很长的路要走，系统的实现复杂度使之无法进入商业市场，同时LED的自身带宽限制、非线性等很大程度上影响了传输性质。本文通过研究LED的非线性特征，计算得出LED的偏置点和基于OOK传输系统的误码率的关系，该结果对于可见光通信研究中的LED型号选取和偏置点的选取都有重要的参考意义。

2 VLC系统中的LED非线性噪声研究

2.1 LED模型

有许多描述功率放大器输入电压和输出电压之间的非线性特征的模型，其中最简单直接的是固态功放模型(SSPR)[7]，该模型不仅表示了输入和输出的非线性特性，同时也考虑了切顶失真。在此基础上，建立LED的模型如下[8]：

(1)

其中iLED(v)是正向导通电流，v是LED两端电压。

(2)

其中，imax表示最大浪涌电流，f(v)是从LED数据表中得到的I-V特性曲线，f(v)=v/r，r为电阻，取值为1 Ω，k表示切顶的圆滑程度。如图1所示，k的取值越大，圆滑程度越高。

图1 不同k值下的LED模型

2.2 VLC信道模型

可见光通信最简单的传输信道是强度调制/直接检测(IM/DD)，信道模型如图2所示，我们假设信道中的主要噪声来源于散粒噪声，并且其在仿真中设为加性高斯白噪声[9]，因此信道模型[10]：

Y(t)=γX(t)⊗h(t)+N(t)，

(3)

其中Y(t)是接收机接收到的信号电流，X(t)是发射机的瞬时光功率，h(t)是脉冲响应，γ是光探测器的灵敏度，N(t)表示高斯白噪声，符号“⊗”表示卷积。

图2 可见光通信传输模型

因为X(t)≥0，发射机发出的平均光功率可以表示为：

(4)

而接收到的平均光功率为：

P=H(0)Pt，

(5)

其中信道直流增益为：

(6)

因此，接收端的信噪比为：

(7)

由于信号经过信道、探测器、均衡器等，产生的噪声主要由散粒噪声、热噪声和码间干扰组成，而码间干扰在IM/DD传输信道中可以忽略不计[9]，所以

(8)

其中

(9)

2.3 LED非线性噪声

(10)

其中，gu(v)表示过偏置点理想线性曲线，vu为LED的最大浪涌电压，vl为LED的开启电压。如图3所示，圆滑系数k=6，f(v)来源于科锐的MX-3系列白光LED的数据手册，经由最小二乘模拟得到的I-V曲线，直流偏置点取(3.4 V，200 mA)，开启电压为2.79 V，最大浪涌电压4 V。

2.4 VLC系统性能分析

本文假设OOK调制解调信道为定向视距链路信道，接收端与发射端保持点对点的传输[13]，即

(11)

因此接收到的信号功率

(12)

图3 模型曲线和理想线性对比图

LED发射的信号功率随直流偏置点的变化随之也有所改变，在信号不失真的前提下，理想的发射功率为

本文采用的是OOK调制方式，通过对误码率的计算分析系统的性能。误码率(BER)是表征数字通信系统性能的主要指标。本文通过MATLAB程序提取实验中传输图像的数据，将其转化为已知的序列数据，然后利用发送端发送该序列数据，当接收端接收到数据后，对其逐位校验。记所有数据总的二进制比特数为 Ball，错误的二进制比特数为 Ber，则误码率为 Ber/Ball[14]。误码率的公式为：

(14)

其中，

(15)

采用最小二乘拟合，得到ML-B系列LED的I-V特性曲线，然后运用Matlab仿真得到在不同的直流偏置点下信号传输的误码率如图4所示。从图中可以看出在信号传输过程中噪声不变的情况下，随着LED两端的偏置电压不断增大，系统误码率逐渐减小。当达到最佳的偏置范围时，误码率又渐渐增大。这是因为较高发射功率可以提高系统的接收光功率，降低误码率，但是当逐渐增大功率时，信号受到LED非线性影响误码率反而较快地增加。最佳的偏置范围偏向较高电压区域，在3.2～3.4 V之间。

图4 ML-B系列不同偏置电压对应的BER值

本文还选取了3种美国科瑞公司生产的白光LED系列，分别是ML-B、ML-C、MX-3，并分别对它们进行上述分析，仿真结果如图5所示。图5反映了在理想传输模型中，传输过程的散粒噪声和热噪声相同的前提下，不同系列的白光LED的传输误码率和直流偏置电压的关系。

从图5可以看出LED的直流偏置电压在开启电压和最大浪涌电压中心偏最大浪涌电压的位置误码率较低；大功率LED的误码率相较于小功率LED的传输质量更高。

图5 不同系列LED的误码率与直流偏置电压的关系

3 实验验证

3.1 VLC系统框图

基于白光LED的OOK调制VLC通信图像传输系统结构如图6所示，原始的图像采集信号经过预均衡和OOK调制处理之后，通过改变LED的发光强度的方式将电调制信号转换为光信号；信息通过光载波在自由空间中传输后由探测器接收，转换成电信号，经过后期处理解调在PC端上还原原始图像。预均衡，是为了将采集的原始信号转换成调制器可以识别的信号；另一方面，通过采用一定的预均衡技术可以降低系统器件或信道引起的信号噪声，从而提高系统信息速率。而在接收部分对信号的后期处理技术，可以弥补信号失真，比如时间延迟等，最大程度还原出原始信号。系统采用调制解调器的目的在于在有限的LED响应带宽上获取更高的信息通讯速率。

图6 VLC系统整体示意图

3.2 LED非线性噪声对VLC系统性能影响实验

可见光通信系统实验平台如图7所示，摄像头采集到的图像信息通过STM32实现OOK调制，经由LED发射，在空间传输，后由APD光电二极管接收和STM32模块解调，还原接收到的图像信息。图8是摄像头采集到的发射图像信息。

图9是在LED型号为ML-B时，正向偏置电压不断变化下的接收图像和原图相对比得到的部分差值图像和BER数据信息。由差值图像可以看出，在发射图像颜色变换剧烈，即高频区时，产生的误码严重；联系图10的ML-B曲线信息，可以得出正向偏置电压在3.3 V左右时，图像误码率最小，偏离这个值，误码率逐渐变大。

图7 可见光通信系统实验平台

图8 发射图像

图10中的误码率和LED偏置电压之间的关系与图5曲线走向大致相同，这基本验证了LED非线性噪声模型的正确性。将LED非线性模型运用于今后的可见光通信系统研究中，可以指导选取系统所匹配的LED，节省购买各类LED的经费和测试LED带宽带来的时消耗，对实验的高效开展提供有力支持。

图9 接收图像(上)与发射图像的差值图像(下)对比。(a)正向电压3.0 V，BER：0.646 9；(b)正向电压3.3 V，BER：0.254 4；(c)正向电压3.5 V，BER：0.505 6；(d)正向电压3.8 V，BER：0.873 2。

同时，图10与图5的理论曲线比较，误码率相差几个数量级，出现这种情况的原因是实际实验中的热噪声和散粒噪声以及空间传输过程中的各类噪声远比理论的大得多，这也是未来LED可见光通信系统从实验室走向市场需要攻克的一大难题。

图10 不同系列LED下传输图像误码率的比较

4 结 论

影响可见光通信传输质量的一大因素就是白光LED的非线性特性，针对该特性，本文研究了LED非线性曲线和理想曲线的关系，提出了一种算法计算由非线性引起的噪声，进而计算了通信传输误码率，同时研究了3种LED的直流偏置点和误码率的关系。从仿真结果可以直观地得到最佳的LED类型及其偏置点，并通过实际的VLC系统验证了结果的正确性，该方法可为后续的可见光通信研究提供重要的理论参考。

参 考 文 献：

[1] 王旭东, 崔玉, 吴楠, 等. 室内可见光无载波幅度相位调制系统性能分析 [J]. 光子学报, 2017, 46(5):0506001.

WANG X D, CUI Y, WU N,etal.. Performance analysis of optical carrierless amplitude and phase modulation for indoor visible light communication system [J].ActaPhoton.Sinica, 2017, 46(5):0506001. (in Chinese)

[2] TANAKA Y, HARUYAMA S, NAKAGAWA M. Wireless optical transmissions with white colored LED for wireless home links [C].IEEEInternationalSymposiumonPersonal,IndoorandMobileRadioCommunications,IEEE,London,UK, 2000:1325-1329.

[3] DUPUIS R D, KRAMES M R. History, development, and applications of high-brightness visible light-emitting diodes [J].J.LightwaveTechnol., 2008, 26(9):1154-1171.

[4] MINH H L, GHASSEMLOOY Z, O’BRIEND,etal.. Indoor gigabit optical wireless communications: challenges and possibilities [C].InternationalConferenceonTransparentOpticalNetworks,IEEE,Istanbul,Turkey, 2010:1-6.

[6] LI H, CHEN X, GUO J,etal.. An analog modulator for 460 MB/s visible light data transmission based on OOK-NRS modulation [J].IEEEWirelessCommun., 2015, 22(2):68-73.

[7] CORVAJA R, COSTA E, PUPOLIN S. Analysis of M-QAM-OFDM transmission system performance in the presence of phase noise and nonlinear amplifiers [J].IEEEXplore, 1998, 1:481-486.

[8] ELGALA H, MESLEH R, HAAS H. An LED nodel for intensity-modulated optical communication systems [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2010, 22(11):835-837.

[9] CARRUTHERS J B, KAHN J M. Modeling of nondirected wireless infrared channels [J].IEEETrans.Commun., 1997, 45(10):1260-1268.

[10] KAHN J M, BARRY J R. Wireless infrared communications [J].IEEEXplore, 1997, 85(2):265-298.

[11] TANG A P, KAHN J M, HO K P. Wireless infrared communication links using multi-beam transmitters and imaging receivers [J].IEEEXplore, 1996, 1:180-186.

[12] MOREIRA A J C, VALADAS R T, DE O D A M. Optical interference produced by artificial light [J].WirelessNetworks, 1997, 3(2):131-140.

[13] DISSANAYAKE S D, ARMSTRONG J. Comparison of ACO-OFDM, DCO-OFDM and ADO-OFDM in IM/DD systems [J].J.LightwaveTechnol., 2013, 31(7):1063-1072.

[14] 杨欣华. 可见光通信系统建模与实验研究 [D]. 长春：吉林大学, 2015.

YANG X H.ModelingandExperimentalStudyofVisibleLightCommunicationSystem[D]. Changchun: Jilin University, 2015. (in Chinese)