白光LED通信系統的噪聲與干擾分析

闡述了背景可見(jiàn)光在噪聲受限與干擾受限的白光LED通信系統中的影響。利用帶通濾波器和光學(xué)設計以及噪聲匹配等方法提高了作為噪聲受限系統的接收機性能;采取帶阻濾波器、副載波調制、增設濾波電容等措施，很好地抑制了干擾源對干擾受限系統的影響;提出了基于噪聲與干擾雙受限的白光LED通信接收機設計方案，根據該方案設計的白光LED通信系統已投入使用。

白光LED 通信技術(shù)是指利用LED 器件高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應特性，將LED 發(fā)出的用肉眼察覺(jué)不到的高速速率調制的光載波信號來(lái)對信息進(jìn)行調制和傳輸，然后利用光電二極管等光電轉換器件接收光載波信號，并獲得信息使可見(jiàn)光通信與LED 照明相結合構建出LED 照明和通信兩用基站燈。

如圖1 所示，白光LED 通信系統的發(fā)射端是根據傳遞資料將電信號變調，再利用LED 轉換成光信號發(fā)送出去，接收端利用光電探測器接收光信號，再將光信號轉換成電信號，經(jīng)過(guò)解調當成信號資料讀取。

圖1 白光LED 通信系統結構原理圖

接收端主要包括能對信號光源實(shí)現最佳接收的光學(xué)系統、將光信號還原成電信號的光電探測器和前置放大電路、將電信號轉換成可被終端識別的信號處理和輸出電路。 光接收機的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復出經(jīng)由無(wú)線(xiàn)光信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個(gè)可見(jiàn)光通信系統的性能。

2 白光LED 通信系統噪聲與干擾分析

2.1 白光LED 通信噪聲受限系統

白光LED 通信系統采用的是光強度調制和直接檢測(IM-DD)技術(shù)。白光LED 通信系統的數字光接收機結構原理如圖2 所示。

圖2 數字光接收機結構原理圖

此處，假設圖2 所示的白光LED 通信系統接收機采用PIN 光電探測器， 在白光LED 通信系統中，起伏噪聲決定光信道中的傳輸質(zhì)量，理想的信號應該包括一個(gè)時(shí)變的起伏噪聲過(guò)程， 大概每比特至少104~105個(gè)光子。盡管在接收機中使用窄帶濾波器，當強光照射探測器的時(shí)候在系統中仍會(huì )出現107~108 光子/比特的起伏噪聲。因此，強背景光構成了白光LED 通信系統的主要噪聲源。

另一部分噪聲來(lái)源于接收機系統內部，主要有：

①散粒噪聲。主要為背景光在PIN 管處產(chǎn)生的噪聲電流引入的， 又由于光器件LED 受偏壓的作用，即使在傳空號的情況下也會(huì )有少量光功率，即直流光功率。故其噪聲均方值為：

,其中Idc為背景光與直流光在PIN 管產(chǎn)生的光子電流; 可見(jiàn)，背景光電流引起的噪聲電流與系統帶寬Δf 成正比，在不影響信號接收的前提下， 較小的Δf 對抑制背景噪聲、減小探測器、放大器的噪聲都是有益的。

目前，白光LED 調制速率要達到100MHz 有相當大的難度， 這種情況下，PIN 也產(chǎn)生一些低頻閃爍噪聲，對接收機靈敏度的影響不可忽視，這種噪聲可以歸入散粒噪聲

中，在接收系統中加入帶通濾波器，可有效抑制低頻閃爍噪聲。

②暗電流噪聲。光電探測器在沒(méi)有光照時(shí)，由于負偏壓的作用會(huì )產(chǎn)生毫微安級的暗光流.其噪聲均方值為：

，其中Idark為PIN 管的暗電流。

③熱噪聲。探測器負載及放大器發(fā)熱引起的噪聲。其噪聲均方值為：

其中RP 為反向結電阻，RS為串聯(lián)電阻。

④放大器噪聲。主要為放大器內部電阻、晶體管等噪聲源引入的電器元件固有噪聲，一般可利用等效噪聲源進(jìn)行分析計算，與放大器件類(lèi)型有關(guān)。

綜上所述，類(lèi)似這種由于存在電路固有噪聲和電路外部環(huán)境等噪聲源在接收部分引入的噪聲，而限制了白光LED 通信性能的系統可視為白光LED 通信噪聲受限系統。

2.2 白光LED 通信干擾受限系統

前面提到，白光LED 通信系統的主要噪聲源是背景光，在噪聲受限系統中，背景光主要是通過(guò)光功率在PIN 管引入散粒噪聲，并且放大器本身就會(huì )引入固有噪聲。此外，由于白光LED 通信系統無(wú)法用帶阻濾波器濾除調制可見(jiàn)光干擾，若電路設計不合理，還可能引入外界調制可見(jiàn)光對接收系統的干擾，不同頻率的調制背景光會(huì )對系統輸出信號造成干擾， 這時(shí)系統又成為一個(gè)干擾受限系統。

一些人造光源，如白熾燈、熒光燈發(fā)出的光包含很多可見(jiàn)光成分， 太陽(yáng)光中也包含大量的可見(jiàn)光，這些可見(jiàn)光共同組成了背景光噪聲。太陽(yáng)是主要背景光干擾源，一般情況下，太陽(yáng)光要比人造光的光強大，它屬于非調制光源，光譜帶寬也很寬，最大功率譜密度位于波長(cháng)500nm 處。而所有的人造光源都經(jīng)過(guò)了調制，頻率一般在50Hz(與工頻相等)，為通過(guò)檢測電路為系統引入工頻干擾。有些熒光燈是被高頻的通段信號調制，這些信號的頻率高達幾十甚至幾百kHz,也讓使得熒光燈包含了高達幾十kHz 的諧波能量，如此高的頻率將對可見(jiàn)光通信造成很大的影響。另外，高頻電源的開(kāi)關(guān)也會(huì )產(chǎn)生尖峰脈沖干擾通過(guò)電源系統引入到檢測電路中。

2.3 白光LED 通信系統噪聲與干擾的頻譜分布

由前面所述，可獲得白光LED 通信系統噪聲與干擾的頻譜分布，如圖3 所示。