基于分集接收技术的可见光接收机前端电路

谢 生，王续霏，毛旭瑞，周高磊，闫 冬

基于分集接收技术的可见光接收机前端电路

谢 生1，王续霏1，毛旭瑞2，周高磊3，闫 冬3

(1. 天津大学微电子学院天津市成像与感知微电子技术重点实验室，天津 300072；2. 中国科学院半导体研究所，北京 100083；3. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

为了减弱噪声对可见光通信质量的影响，提高可见光通信系统的抗干扰性，基于台积电180nm CMOS工艺，提出了一种抗噪能力较强的可见光接收机前端电路．电路主要包括跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除网络和输出缓冲级．输入端对信号进行两路接收，通过印制电路板绘制把外部两个光电二极管相连，对接收到的光电流信号进行等增益合并，合并信号作为输入信号提供给光接收机模拟放大电路，这种设计实现了分集接收技术，提高了光通信系统的信噪比．跨阻放大器采用调节型共源共栅结构，共源结构作为反馈环路，降低芯片的输入阻抗，共漏结构提高了跨阻放大器的带负载能力．限幅放大器采用改进Cherry Hooper型限幅放大器结构，引入反馈电阻降低级间等效电阻，扩展有效带宽，并通过增加负载电阻为支路提供偏置电流，有效提高了电路的输出范围．测试结果表明，在电源电压为1.8V、光电探测器等效电容为5pF时，光接收机的跨阻增益为88dBΩ，－3dB带宽为510MHz，在误码率小于3.8×10-3的条件下实现了600Mb/s的数据传输．芯片功耗为43.62mW，整体面积为624μm×823μm，当误码率为10-9时，基于分集接收的光接收机的灵敏度为－11.5dBm．对比实验表明，分集接收技术降低了可见光通信的误码率，提高了通信质量，因此基于分集接收技术的光接收机有望应用于室内可见光通信系统领域．

半导体技术；可见光通信；光接收机；分集接收

随着无线电通信的快速发展，可用频谱变得十分有限，可见光通信(visible light communication，VLC)利用可见光作为媒介进行信息传输，这种通信无需占用无线电频谱，具有广阔的应用前景，逐步成为下一代无线通信的重要研究方向[1-3]．VLC系统中的光源主要采用发光二极管(light emitting diode，LED)、无机微型发光二极管(mlight emitting diode，mLED)和激光二极管(laser diode，LD)等[4-5]．使用LD源可实现高带宽系统，2015年，Chi等[6]使用450nm GaN-LD和分立的APD接收机实现了9Gb/s的数据传输，但是LD源无法同时实现通信和照明，在应用上受到一定限制．mLED适用于微型VLC系统当中，2019年，Li等[7]设计了一款智能mLED显示器-VLC系统，可以实现2Mb/s的传输速率，在10cm处的最大数据速率为550kb/s，该系统未来可以集成在智能手机等小型系统当中．采用低成本LED源的VLC系统可同时实现照明和数据传输，有效地推动了可见光无线通信(light-fidelity，Li-Fi)网络系统、物联网和车联网等领域的发展．为了解决LED调制带宽低的问题，2016年Fahs等[8]提出一个采用二进制启闭键控(on-off keying，OOK)调制方法的VLC系统，该系统可以在12m的链路中实现2.5Gb/s的数据传输，但传输数据的误码率较高．LED源的光强较弱，信号在传输过程中容易受到信道噪声的影响，导致系统的误码率增高，为了改善这一问题，2015年Nuwan-priya 等[9]提出了一款通过改变光电探测器(photodetec-tor，PD)的方向来实现高度不相关信道的VLC-多进多出(multiple in multiple out，MIMO)系统，该系统可以改善光学无线系统的覆盖范围，提高可见光通信 系统的可移动性，利用多信道调制减弱信道噪声的 影响．

在VLC-MIMO系统中，PD必须间隔很宽或采用角度分集接收，否则会导致接收端产生病态信道矩阵，信号解调失败[10]．目前设计的VLC-MIMO系统硬件设计较为复杂，对接收到的多路信号需要进行复杂解调，为保证多路信号解调成功，对接收信道的不相关性要求较高[11]，为避免这些问题，本文设计了一款基于分集接收技术的光接收机，适用于LED源，接收机输入端利用两个光电探测器对光路进行接收，有效提高了数据传输效率，并把接收到的信号进行等增益合并，降低输入信号的信道噪声，该接收机在输入端直接对接收到的信号进行合并，不进行多信号解调，所以不会产生病态矩阵．

1 分集接收的实现

光接收机输入端采用分集接收技术，将多个光电探测器的输出电流等增益合并[12]，有效抵抗信道衰落，由于无线传播环境中，同一信号的独立样本之间是不相关的，等增益合并提高了输入信号的信噪比，有效降低了整体电路的误码率．分集接收技术中的合并方式主要分为：最大比合并(maximum ratio combining，MRC)、选择式合并(selective combining，SC)及等增益合并(equal gain combining，EGC)[13]，与MRC和SC相比，EGC实现容易，降低了电路设计的难度，并且随着支路数量的增加，EGC的性能十分接近MRC的性能，所以本文采用EGC技术．实现EGC技术的电路结构如图1所示，在输入端对PD的输出信号直接相连，得到合并后的信号．

图1 实现等增益合并的电路结构

式中：为总支路数；为设单支路噪声功率，则单支路信噪比为

则可推得多支路平均信噪比为

由于信道满足瑞利分布，由式(3)可推得

2 光接收机电路设计

分集接收光接收机结构如图2所示，包含跨阻放大器(trans-impedance amplifier，TIA)、限幅放大器(limiting amplifier，LA)、直流偏移消除电路(DC offset cancellation，DCOC)和输出缓冲级(Buffer)．其中PD1、PD2实现两路接收功能，PD3、PD4作为匹配结构不接收信号，被遮盖．由于跨阻放大器的后续电路是差分结构，而跨阻放大器是单端输出，所以在本文设计的光接收机电路中，采用两个完全相同的TIA，其中TIA1电路驱动后续差分电路的正极，TIA2电路并无输入信号，仅为后端差分放大器的负极提供与正极相同的直流工作点[14]．

在整体电路中，PD将可见光转化为微弱的电流信号，光电流通过跨阻放大器转化并放大为较小的电压信号；限幅放大器由两级改进Cherry Hooper型放大器级联而成，它对前级输出的电压信号进一步放大，限幅放大器的两端跨接了直流偏移消除电路，可消除电路直流工作点的漂移；输出缓冲级可以提高电路的带负载能力，同时起到阻抗匹配的作用，降低输出功率的损耗．

图2 光接收机结构

2.1 跨阻放大器电路设计

为了增强接收到的可见光信号，探测器面积通常较大，故结电容较大，影响电路带宽．所以在本文中选择调节型共源共栅型(regulated cascode，RGC)跨阻放大器，RGC结构具有较小的输入阻抗，减弱了输入电容对接收机带宽的衰减．其结构如图3所示．

图3 RGC型跨阻放大器

输入级为1和2组成的共栅放大器，第2级为2和3组成的共源级电路，第2级电路为输入级提供偏置和反馈．图4为RGC结构的小信号等效电路，可推得其等效输入阻抗及－3dB带宽为

习近平总书记在讲话中表示“青年是祖国的未来、民族的希望。”[1]十九大报告中提出“要广泛开展理想信念教育，深化中国特色社会主义和中国梦宣传教育，弘扬民族精神和时代精神。”[2]红色教育是培养青年大学生以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神的有效途径，将虚拟现实技术运用于红色教育中，可以让学生沉浸式多感官地体验式学习，提升学习专注度，加深感性认识和理解，改善传统教育弊端，提升教育效果。

式(5)表明，RGC型跨阻放大器比共栅放大器的等效输入阻抗缩小了1＋m23倍，这是共源级电路的反馈作用，但是由于加入了第2级，使得电路中引入了新的低频极点，其-3dB带宽如式(6)所示．在电路的设计过程中，通过增大管子的宽长比来增加MOS管的跨导，这样不仅能够降低等效输入阻抗，而且有利于降低电路的噪声．跨阻放大器作为电路的第1级，它的噪声影响较大，在电路设计时应该权衡增益带宽及噪声之间的关系．

图4 小信号等效电路

2.2 限幅放大器及直流偏移消除电路设计

传统的限幅放大器由多个差分放大器级联而成，限幅放大器的传输函数等于单级级联传输函数的线性叠加，即

限幅放大器的－3dB带宽为

式中0＝1/DD，表示单级限幅放大器的带宽，随着级数的增加带宽发生严重衰减，传统的Cherry Hooper型限幅放大器利用反馈电阻降低这种衰减，因此广泛应用于宽带接收系统中，其结构如图5所示，电路中的反馈电阻为F．

图5 传统Cherry Hooper型限幅放大器

根据单边等效电路可以推得

若RF远大于1/gm3，则传统的Cherry Hooper型限幅放大器的增益约等于负载为RF的共源级放大器的增益．由于增加了反馈电阻RF，使得M1漏极与M3栅极之间的等效电阻变小，拉高了级联产生的极点，有效提升了带宽，但这种结构的缺点是输出电压范围很小，在大信号工作状态下易导致输出信号失真，所以在本文中采用改进Cherry Hooper型限幅放大器，其结构如图6所示，这种结构利用R1对负载电阻RD进行分流，使得RD上的压降变小，限幅放大器的输出电压范围变大，同时不会影响到原电路的直流工作点，限幅放大器的输出信号通常较大，所以这种改进对提升接收机的性能十分重要．为减小R1对M1漏极与M3栅极之间等效电阻的影响，R1的值应远大于1/gm3．

本文中采用两级级联的限幅放大器结构，经过多级放大，电路的直流工作点发生漂移，所以本文中在整体限幅放大器的输入输出端级联了直流偏移消除网络，其结构由RC低通滤波器和差分放大器组成，如图7所示．

图7 直流偏移消除电路

在电路的输出端利用低通滤波器取出偏移的直流电压，通过差分放大器负反馈到输入端，以稳定直流工作点．其低频截止频率为

式中：LA为限幅放大器的增益；F为反馈电路增益，由(10)式可知，为更好地滤除高频信号须保证F和F的值足够大．

3 测试结果

光接收机前端电路采用TSMC 180nm CMOS工艺制造，芯片显微照片如图8所示，整体面积为624μm×823μm．图9为测试PCB图．

图10为芯片的电学测试系统，利用网络分析仪(Agilent N5230C)对芯片的幅频特性进行测试，测试输入功率为－35dBm，图11给出了幅频特性曲线，由图可知，在芯片的工作带宽内(300～700MHz)，接收电路的跨阻增益大约为88dBW，-3dB带宽为510MHz．

图8 芯片显微镜图

图9 PCB图

图10 电学测试系统

图11 跨阻增益曲线

图12为芯片的光路测试系统，发射端采用本实验室设计的驱动电路调节光源带宽[15]，有利于高速光信号的传输．接收端利用误码率测试仪(Agilent ParBERT 81250)对芯片进行测试．光路中的PD采用Hamamatsu的S10784光电二极管(在660nm处的响应度为0.45A/W)．

图12 光路测试系统

通过遮盖图2中的PD2可以使芯片工作在单路输入的条件下，光学实验分别测试了芯片在单路输入和分集接收条件下的眼图及误码率(bit error rate，BER)．测试输入端信号采用OOK调制，码长为27－1，测试的发射端输入信号功率为-30dBm，测试光路长50cm．芯片的输出端与采样示波器相连，示波器显示了不同速率的眼图，如图13所示．

图13 单路接收机和分集接收机眼图

随着传输速率的增大，眼图的张开度变小，输出电压摆幅下降，相比于单路光接收机，采用分集接收技术的光接收机眼图的时间抖动较大，但是在500Mb/s的传输速率下，眼图张开度仍然较大，能够实现高质量的信号传输．由图13可知，分集接收的光接收机输出信号摆幅大于单路光接收机，由于发射端输入信号功率相同，此时两种光接收机接收到的光强相同，说明相比于单路光接收机，分集接收的光接收机接收到的光强更大，有利于提升系统的信噪比特性，增强抗干扰能力．

为对比两种接收机的误码率特性，利用Matlab软件对示波器显示的接收端输出信号进行分析，计算出不同速率下的信号误码率，图14给出了两种接收机的误码率曲线．

由图14可知，分集接收的误码率小于单路接收的误码率，在BER小于3.8×10-3的条件下，分集接收可实现600Mb/s的数据传输速率，单路接收可实现510Mb/s的数据传输速率．

灵敏度是光接收机的重要指标，在不同链路长度和不同误码率的条件下，光接收机的灵敏度不同．本文在测试误码率时，利用光功率计(THORLABS PM100D)在接收端对接收到的光强进行测量，可得到不同误码率下的灵敏度参数，为了较为客观地与文献[16-17]进行对比，本文测得在误码率为1×10-9的条件下，单路光接收机的灵敏度为-6.7dBm，分集光接收机的灵敏度为-11.5dBm，所以分集光接收机比单路光接收机更灵敏，这主要是由于分集光接收机的PD个数较多，相当于增大了有效接收面积，从而提高了光接收机的灵敏度．表1将本文的工作与其他VLC通信系统文献进行了数据对比，由表可知本文所设计的分集接收光接收机在整体性能上更具优势，并且其灵敏度较高，抗噪性能较好．

图14 不同数据速率下测量的误码率

表1 光接收机前端模拟电路的性能对比

Tab.1 Performance comparison of the front-end analog circuits for the optical receivers

4 结 语

本文基于TSMC 180nm CMOS工艺，设计了一款应用于可见光通信的光接收机前端模拟电路，该接收机有效提高了VLC系统输出信号的信噪比，提升了系统的通信质量．测试结果表明，本文设计的光接收机在输入电容为5pF时，跨阻增益为88dBW，  -3dB带宽为510MHz，在误码率小于3.8×10－3的条件下实现了600Mb/s的数据传输，输出端实现50W匹配，可实现双路信号接收，且灵敏度高、抗噪性强，可满足高增益高精度光接收机的应用需求．

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Visible Receiver Front-End Circuit Based on Diversified Receiving Technology

Xie Sheng1，Wang Xufei1，Mao Xurui2，Zhou Gaolei3，Yan Dong3

(1.School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Science，Beijing 10083，China；3. School of Electronical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In this paper，a visible light receiver front-end circuit with strong anti-noise ability based on TSMC 180nm CMOS technology is proposed to reduce the influence of noise on the quality of visible light communication and improve the anti-interference of visible light communication systems. The circuit mainly includes transimpedance amplifiers，a limiting amplifier，a DC offset elimination network，and a buffer. An input end receives signals in two ways，and two external photodiodes are connected via PCB drawing to realize an equal gain combination of received photocurrent signals. The combined signals are provided to the analog amplifier circuit of the optical receiver as the input signals. The design realizes diversity receiving technology and improves the signal-to-noise ratio of the optical communication system. The transimpedance amplifier adopts the regulated cascode structure，the common source structure is used as the feedback loop to reduce the input impedance of the chip，and the common drain structure improves the load capacity of the transimpedance amplifier. The improved Cherry Hooper limiting amplifier structure is adopted by introducing a feedback resistor to reduce the interstage equivalent resistance and expand the effective bandwidth. By increasing the load resistance，the bias current is provided to the branch，which can effectively improve the output range of the circuit. Experimental results show that when the power supply voltage is 1.8V and the equivalent capacitance of the photodetector is 5pF，the transimpedance gain of the optical receiver is 88dBΩ and the -3dB bandwidth is 510MHz. With a bit error rate less than 3.8×10-3，a 600Mb/s data transmission is realized. The chip power consumption is 43.62mW and the overall area is 624μm×823μm；when the BER is 10-9，the sensitivity of the diversity-based receiver is -11.5dBm. A comparative experimental study shows that diversity receiving technology can reduce the bit error rate of VLC，thus improving the communication quality. Therefore，the optical receiver based on diversity receiving technology can be applied in the field of indoor visible light communication systems.

semiconductor technology；visible light communication；optical receiver；diversified reception

TN43

A

0493-2137(2020)10-1062-07

10.11784/tdxbz201909040

2019-09-17；

2019-11-22.

谢 生（1978—  ），男，副教授，xie_sheng06@tju.edu.cn.

王续霏，wangxufei@tju.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2017YFB0403603)．

Supported by the National Basic Research Program of China(No.2017YFB0403603)．

(责任编辑：王晓燕)