一种可见光通信光接收器的优化与实验

王 涛，陈善继，胡文芳

（1.青海民族大学 通信工程国家级实验教学示范中心，青海 西宁 810007；2.青海民族大学 通信工程省级重点实验室，青海 西宁 810007；3.西宁市第二十八中学，青海 西宁 810007）

0 引 言

可见光通信（Visible Light Communication, VLC）具有诸多优势和很好的应用前景，受到广泛关注[1]。但在可见光通信应用场景中存在多种干扰，特别是在青藏高原地区高辐射自然光环境下，由自然光引起的干扰会恶化系统的通信质量[2]，这在实际应用中需要迫切解决。本文在不改变发射端有用信号光功率和接收端光电检测器的条件下，基于多级阻挡原理，提出一种优化的光接收器，并搭建VLC 实验系统进行测试，验证了本文方案能够有效抑制自然光干扰，提高了VLC 系统在强背景光应用场景中的通信质量。

1 VLC 中的噪声及抑噪技术

1.1 噪声分析

可见光通信中的噪声主要包括同频噪声、非同频噪声。同频噪声主要来源于同频光源及信号的反射、漫反射；非同频噪声来源主要有散粒噪声、热噪声[3]。

散粒噪声主要来源是局部点光源和延伸的背景光源，自然光就是典型的散粒噪声来源。热噪声主要来源于电路中导电材料的电子热运动。

在白天应用环境中，接收端的光电检测器会接收到自然光，形成散粒噪声，它的功率可以表示为[3]：

式中：q为电荷电子；B为等效噪声带宽；Ibj为背景光电流[3]。

背景光电流又可以表示为[3]：

式中：Itk表示天空背景光导致的光电流；Ity表示太阳光导致的光电流；Wtk表示天空的光谱辐照度；Bλ为PIN 光电二极管的带宽；Ω表示PIN 光电二极管的视场角；Wty表示太阳光的光谱辐照度[3]。当光电检测器的带宽和接收视场角减小时，背景光电流也随之减少。

1.2 自然光对VLC 系统性能的影响

背景光在白天主要是自然光，而晚上则是LED 灯及其他光源[3]，相比夜晚而言，接收端在白天所受到的自然光干扰更为严重。由于自然光的光谱与LED 灯的光谱有较大的重叠部分，并且自然光在可见光波段（380～780 nm）的功率较强，所以VLC 系统接收端处有用光信号难以与自然光完全分离，并且接收到的自然光平均功率是接收功率中的主要影响因素[4-5]。

可见光通信系统的通信质量可以用接收端的信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）衡量，SNR 越大则系统通信质量越好。

在忽略热噪声影响的前提下，接收端的信噪比（SNR）可以表示为[3]：

式中：R是PIN 光电二极管的灵敏度；Pr是接收到的有用光信号功率；N是接收到的噪声功率[3]。

从式（3）可以看到，SNR 取决于有用光信号功率、PIN 光电二极管的灵敏度、噪声功率，而噪声功率大小主要与散粒噪声功率有关。当有用光信号功率和PIN光电二极管的灵敏度不变时，散粒噪声功率增大，光接收机易工作于非线性区域，系统通信质量变差；当散粒噪声增大到一定程度，光接收机会处于饱和状态，导致无法正常工作。所以自然光作为散粒噪声的来源，会恶化可见光通信系统的通信质量，是强背景光场景下可见光通信需要解决的技术问题[6]。

1.3 VLC 中的抑噪技术

强背景光场景下，为了提高信噪比以达到改善系统性能的目的，从发射端角度可以通过增大有用光信号功率来改善通信质量。从接收端角度，一方面可以采用高性能的光电检测器来增大接收到的有用信号光功率；另一方面可以利用光信号处理原理和电信号处理原理去抑制噪声功率。根据噪声来源，又可以采用不同方法。

对于同频噪声干扰，可以利用信道编解码方式进行抑制。例如利用不归零倒置编码方式可以减少可见光通信中的背景光噪声[7]；利用子脉冲曼彻斯特调制可以改善特定环境下的低频传输性能[8]。

对于非同频噪声，主要是抑制自然光引起的散粒噪声，散粒噪声又决定了背景光电流的大小，可以通过优化设计光学接收器或设计滤噪放大电路进行抑制[3]。例如：文献[9]提出了一种分集光接收器来降低环境光噪声的干扰；文献[10]采用基于光控膜的光学滤光片来减少光电探测器接收到的自然光；文献[11]中采用带通滤光片抑制背景光；文献[12]提出利用窄带滤光片滤除多余太阳光。

2 本文提出的光接收器

青藏高原地区大气层稀薄、气候干燥、太阳光辐照度强，所以白天室内自然光较强，属于强背景光应用场景，如果不采取有效的抑噪措施，VLC 系统在这样的场景中将无法正常通信。

本文从光学角度出发，提出一种在光电检测器前加装两级阻挡器的光接收器，它无需采用专用滤光片，能有效抑制高辐射光噪声。

光接收器中第一级阻挡器主体是一个定长、截面直径为D1的圆筒状装置，圆筒外壁采用的材料对自然光具有很好的阻挡性，圆筒内壁光滑，能对光信号进行良好的反射、散射。第一级阻挡器的圆形接收区域屏蔽了一大部分接收视角之外的自然光。在第一级阻挡器内部放置圆环状装置，作为第二级阻挡器。圆环状装置采用的材料对自然光具有很好的吸收阻挡，第一级阻挡器没有屏蔽掉的自然光在第二级阻挡器进一步被屏蔽吸收。圆环中心留有一直径为D2（D2＜D1）的光信号通过口，发射端直射过来的有用光信号进入第一级阻挡器内部后继续通过第二级阻挡器的光信号通过口到达光电检测器。在强自然光环境下，通过对自然光的两级阻挡，使得只有很少的自然光到达光电检测器，减少背景光电流的产生，从而使光电检测器可以在非饱和状态下正常工作，改善了接收端的信噪比，提高了通信质量。

3 实验测试及分析

在强自然光环境下，分别搭建了传输正弦波信号和字符的VLC 系统，测试提出的光接收器对自然光的抑制效果。

3.1 正弦波信号传输测试及分析

在强自然光环境中，采用视距信道，利用VLC 音频信号传输模块（其中光电检测器件选用普通PIN 光电二极管）、无优化和优化后的两种光接收器、信号发生器（型号：GWINSTEK AFG-2225）、数字存储示波器（型号：MDO-2202EG）搭建了传输正弦波信号的VLC 实验系统。以信号发生器产生的正弦波作为发送信号，接收端利用数字存储示波器显示接收信号波形，对比观察了光接收器无优化和优化后两种情况下VLC 系统的传输性能。实验结果如下：

1）发送端信号

发送端采用信号发生器发出的正弦信号作为信源，正弦信号频率为300 Hz，信号峰峰值为2 V，波形如图1所示。

图1 信号发生器发出的正弦信号

2）强自然光环境中光接收器无优化时传输测试

晴朗白天，室内无窗帘遮挡，在强自然光环境中，接收端采用没有优化的光接收器时，示波器显示的接收结果如图2 所示。

图2 强自然光环境中光接收器无优化时示波器显示波形

从图2 中可以看到，示波器没有显示出正弦信号。这是由于强自然光产生的背景光电流过大，接收端光电检测电路处于饱合状态，VLC 系统无法正常通信。

3）强自然光环境中采用提出光接收器时传输测试

晴朗白天，在室内无窗帘遮挡的强自然光环境下，接收端采用提出的光接收器时，示波器显示的接收结果如图3 所示。

图3 强自然光环境中采用提出光接收器时示波器显示波形

从图3中可以观察到，接收端光电检测器前加装两级阻挡器后，示波器显示的正弦信号波形完好，没有明显的畸变，只是幅度减小了。这是因为进入第一级阻挡器内部的自然光继续被第二级阻挡器阻挡吸收，被光电检测器接收到的自然光大大减少，散粒噪声功率远小于直线传播到接收端的正弦信号功率，接收端信噪比大，所以波形无畸变。由于发送端的光信号功率在传输中有衰减，所以恢复出的正弦波信号幅度减小。

3.2 字符传输测试及分析

在强自然光环境中，采用视距信道，利用基于STM32 的VLC 字符传输模块[13]、无优化和优化后的两种光接收器、笔记本电脑、串口调试助手软件、特安斯数字照度计（型号：TA32A/B）搭建VLC 字符传输实验系统，如图4 所示。基于STM32 的VLC 字符传输模块主要包括LED 驱动模块及LED 光源、光电接收模块（其中光电检测器件选用普通PIN 光电二极管）、发送端和接收端的系统控制模块、发送端和接收端的USB 转串口模块[13]。发送端PC 机串口调试助手中发送的字符消息经USB 转串口模块到发送端系统控制模块，被转换为基带信号序列后进行后续处理，处理后的信号驱动LED 光源发送光信号，接收端处的光接收器和光电接收模块完成光信号接收及光电转换，接收端系统控制模块对光电转换出的电信号进行与发送端相反的处理后经USB 转串口模块送入接收端PC 机串口调试助手中进行显示[13]。

图4 VLC 字符传输实验系统实物图

在晴朗白天室内无窗帘遮挡时，数字照度计测得的室内桌面光照度为1 198 lux。光发射器和光接收器相隔25 cm。笔记本电脑的串口COM5 用于发射字符，字符消息内容为“一种可见光通信中能抑制强背景光的光接收器的实验测试，一种可见光通信中能抑制强背景光的光接收器的实验测试”，笔记本电脑的串口COM6 用于接收字符。串口调试助手软件用于设置相关参数，并显示串口COM5 发射字符情况和串口COM6 接收字符情况。在光照度为1 198 lux 条件下，对比了光接收器无优化和优化后两种情况下的字符传输结果。

串口调试助手软件显示的光接收器无优化时的字符传输结果如图5 所示。

图5 强自然光环境中光接收器无优化时字符传输结果

从图5 观察到，在光照度为1 198 lux 时，虽然串口调试助手软件显示串口COM5 发送数目为3 016，但显示串口COM6 接收数目为0，接收内容显示区域内无字符显示。这是因为光电检测器前没有加装两级阻挡器，导致接收到的自然光太强，背景光电流过大，光电检测电路处于饱合状态，VLC 字符传输系统不能正常工作，所以接收端串口调试助手软件的接收内容显示区域内无字符显示。

在光电检测器前加装两级阻挡器后，其他测试条件不变，此时强自然光环境中的字符传输测试结果如图6所示。

图6 强自然光环境中采用提出光接收器时字符传输结果

从图6 可以看到，在观测时刻，串口调试助手软件显示串口COM5 已经发送数目为3 016，显示串口COM6已经接收数目也为3 016，接收内容显示区域内准确地显示有字符消息“一种可见光通信中能抑制强背景光的光接收器的实验测试，一种可见光通信中能抑制强背景光的光接收器的实验测试”。这是因为采用提出的光接收器后，加装的两级阻挡器有效阻挡了大部分自然光，使光电检测电路重新工作在非饱和区域，VLC系统接收端的信噪比得到显著改善，保证了字符传输的正常进行。

4 结 论

本文简要分析了可见光通信中自然光对通信性能的影响，从光学角度提出一种加装两级阻挡器的光接收器，该光接收器组成简单、接收视角较小，无需采用专用滤光片，能够有效抑制高辐射光噪声。在强自然光环境中搭建了可见光通信实验系统，在接收端光接收器无优化和优化后两种情况下，分别进行了正弦波信号传输测试和字符传输测试。

实验结果表明，在强自然光环境中，当系统采用没有加装两级阻挡器的光接收器时，受强光噪声影响，光电检测电路处于饱和状态，不能实现正常的通信；当系统采用提出的光接收器时，高辐射光噪声被有效抑制，正弦波信号和字符分别实现了通信质量良好的传输。实验测试结果表明，本文提出的光接收器可以有效抑制自然光，保障可见光通信系`统在强背景光场景中的正常工作。