中心議題：

• 白光LED 通信係統噪聲與幹擾分析
• 基於噪聲與幹擾雙受限的光接收機設計

解決方案：

• 新型成像式光學接收係統設計
• 高頻低噪聲放大器設計

本文闡述了背景可見光在噪聲受限與幹擾受限的白光LED通信係統中的影響。利用帶通濾波器和光學設計以及噪聲匹配等方法提高了作為噪聲受限係統的接收機性能；采取帶阻濾波器、副載波調製、增設濾波電容等措施，很好地抑製了幹擾源對幹擾受限係統的影響
；提出了基於噪聲與幹擾雙受限的白光LED通信接收機設計方案。

1 引言

在白光LED 照明技術發展的同時，利用LED 的高調製頻率
，白光LED 通信作為新興的通信技術受到了人們的極大關注。根據通信理論，減小判決中的誤碼率可從兩方麵入手：一是加大其輸入光功率
；一是提高信噪比。在白光LED 通信係統中，由於白光LED 光源發出的是可見光，且發散角較大
，對人眼睛基本無害、無電磁波傷害等優點，可以通過提高白光LED 光源的發射功率，來提高係統的可靠性。最終是接收係統的信噪比決定了全係統的通信性能。我們基於對白光LED 通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)與(yu)幹(gan)擾(rao)的(de)分(fen)析(xi)，在(zai)噪(zao)聲(sheng)受(shou)限(xian)係(xi)統(tong)中(zhong)引(yin)入(ru)了(le)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)的(de)成(cheng)像(xiang)式(shi)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)，利(li)用(yong)噪(zao)聲(sheng)匹(pi)配(pei)設(she)計(ji)了(le)低(di)噪(zao)聲(sheng)放(fang)大(da)器(qi)，並(bing)在(zai)幹(gan)擾(rao)受(shou)限(xian)係(xi)統(tong)中(zhong)利(li)用(yong)了(le)帶(dai)阻(zu)濾(lv)波(bo)器(qi)、副載波調製、增設濾波電容等措施，提出了基於噪聲與幹擾雙受限的新型接收機設計方案。

白光LED 通信技術是指利用LED 器件高速點滅的發光響應特性，將LED 發(fa)出(chu)的(de)用(yong)肉(rou)眼(yan)察(cha)覺(jiao)不(bu)到(dao)的(de)高(gao)速(su)速(su)率(lv)調(tiao)製(zhi)的(de)光(guang)載(zai)波(bo)信(xin)號(hao)來(lai)對(dui)信(xin)息(xi)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi)和(he)傳(chuan)輸(shu)，然(ran)後(hou)利(li)用(yong)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)等(deng)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)器(qi)件(jian)接(jie)收(shou)光(guang)載(zai)波(bo)信(xin)號(hao)
，並(bing)獲(huo)得(de)信(xin)息(xi)使(shi)可(ke)見(jian)光(guang)通(tong)信(xin)與(yu)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 通信係統的發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
，經過解調當成信號資料讀取。

圖1 白光LED 通信係統結構原理圖

接收端主要包括能對信號光源實現最佳接收的光學係統、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(guang)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)主(zhu)要(yao)任(ren)務(wu)是(shi)以(yi)最(zui)小(xiao)的(de)附(fu)加(jia)噪(zao)聲(sheng)及(ji)失(shi)真(zhen)，恢(hui)複(fu)出(chu)經(jing)由(you)無(wu)線(xian)光(guang)信(xin)道(dao)傳(chuan)輸(shu)後(hou)光(guang)載(zai)波(bo)所(suo)攜(xie)帶(dai)的(de)信(xin)息(xi)，因(yin)此(ci)光(guang)接(jie)收(shou)機(ji)的(de)輸(shu)出(chu)特(te)性(xing)綜(zong)合(he)反(fan)映(ying)了(le)整(zheng)個(ge)可(ke)見(jian)光(guang)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)。

2 白光LED 通信係統噪聲與幹擾分析

2.1 白光LED 通信噪聲受限係統
白光LED 通信係統采用的是光強度調製和直接檢測（IM-DD）技術。白光LED 通信係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 通信係統接收機采用PIN 光電探測器
， 在白光LED 通信係統中，起伏噪聲決定光信道中的傳輸質量
，理想的信號應該包括一個時變的起伏噪聲過程
， 大概每比特至少104~105個光子。盡管在接收機中使用窄帶濾波器
，當強光照射探測器的時候在係統中仍會出現107~108 光子/比特的起伏噪聲。因此，強背景光構成了白光LED 通信係統的主要噪聲源。
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另一部分噪聲來源於接收機係統內部
，主要有：

①散粒噪聲。主要為背景光在PIN 管處產生的噪聲電流引入的
， 又由於光器件LED 受偏壓的作用，即使在傳空號的情況下也會有少量光功率，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 管產生的光子電流；可見，背景光電流引起的噪聲電流與係統帶寬Δf 成正比，在不影響信號接收的前提下， 較小的Δf 對抑製背景噪聲、減小探測器、放大器的噪聲都是有益的。

目前，白光LED 調製速率要達到100MHz 有相當大的難度，這種情況下，PIN 也產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，在接收係統中加入帶通濾波器

，可有效抑製低頻閃爍噪聲。

②暗電流噪聲。光電探測器在沒有光照時
，由於負偏壓的作用會產生毫微安級的"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行分析計算，與放大器件類型有關。

綜上所述，類似這種由於存在電路固有噪聲和電路外部環境等噪聲源在接收部分引入的噪聲，而限製了白光LED 通信性能的係統可視為白光LED 通信噪聲受限係統。

2.2 白光LED 通信幹擾受限係統
前麵提到
，白光LED 通信係統的主要噪聲源是背景光
，在噪聲受限係統中，背景光主要是通過光功率在PIN 管引入散粒噪聲
，並且放大器本身就會引入固有噪聲。此外
，由於白光LED 通tong信xin係xi統tong無wu法fa用yong帶dai阻zu濾lv波bo器qi濾lv除chu調tiao製zhi可ke見jian光guang幹gan擾rao
，若ruo電dian路lu設she計ji不bu合he理li，還hai可ke能neng引yin入ru外wai界jie調tiao製zhi可ke見jian光guang對dui接jie收shou係xi統tong的de幹gan擾rao，不bu同tong頻pin率lv的de調tiao製zhi背bei景jing光guang會hui對dui係xi統tong輸shu出chu信xin號hao造zao成cheng幹gan擾rao， 這時係統又成為一個幹擾受限係統。

一些人造光源，如白熾燈、熒光燈發出的光包含很多可見光成分
， 太(tai)陽(yang)光(guang)中(zhong)也(ye)包(bao)含(han)大(da)量(liang)的(de)可(ke)見(jian)光(guang)
，這(zhe)些(xie)可(ke)見(jian)光(guang)共(gong)同(tong)組(zu)成(cheng)了(le)背(bei)景(jing)光(guang)噪(zao)聲(sheng)。太(tai)陽(yang)是(shi)主(zhu)要(yao)背(bei)景(jing)光(guang)幹(gan)擾(rao)源(yuan)，一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，太(tai)陽(yang)光(guang)要(yao)比(bi)人(ren)造(zao)光(guang)的(de)光(guang)強(qiang)大(da)

，它(ta)屬(shu)於(yu)非(fei)調(tiao)製(zhi)光(guang)源(yuan)，光(guang)譜(pu)帶(dai)寬(kuan)也(ye)很(hen)寬(kuan)，最(zui)大(da)功(gong)率(lv)譜(pu)密(mi)度(du)位(wei)於(yu)波(bo)長(chang)500nm 處。而所有的人造光源都經過了調製，頻率一般在50Hz（與工頻相等），為通過檢測電路為係統引入工頻幹擾。有些熒光燈是被高頻的通段信號調製
，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de諧xie波bo能neng量liang，如ru此ci高gao的de頻pin率lv將jiang對dui可ke見jian光guang通tong信xin造zao成cheng很hen大da的de影ying響xiang。另ling外wai，高gao頻pin電dian源yuan的de開kai關guan也ye會hui產chan生sheng尖jian峰feng脈mai衝chong幹gan擾rao通tong過guo電dian源yuan係xi統tong引yin入ru到dao檢jian測ce電dian路lu中zhong。

2.3 白光LED 通信係統噪聲與幹擾的頻譜分布
由前麵所述
，可獲得白光LED 通信係統噪聲與幹擾的頻譜分布，如圖3 所示。

圖3 白光LED 通信係統噪聲與幹擾的頻譜分布圖。

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3 基於噪聲與幹擾雙受限的光接收機設計

3.1 新型成像式光學接收係統設計
這種設計是將探測器實際麵積分割成若幹個獨立的小單元。這樣，每一個小單元都有自己的一個接收視角FOV,在空間上可以實現信號的獨立接收。

假設透鏡焦距為f,如圖4 所示，小單元的接收視角為FOV=arctan（x/f），若探測器麵積為a×a,則整個探測器的最大接收視角為FOVmax=arctan[（2a）1/2/2f].

圖4 新型成像式光學接收係統設計。

探tan測ce器qi被bei分fen為wei若ruo幹gan小xiao單dan元yuan後hou
，相xiang當dang於yu探tan測ce器qi平ping均jun接jie收shou視shi角jiao變bian小xiao了le
，因yin此ci也ye就jiu減jian弱ruo了le接jie收shou到dao的de背bei景jing光guang的de光guang強qiang。同tong時shi探tan測ce器qi被bei分fen為wei若ruo幹gan個ge小xiao單dan元yuan可ke以yi減jian小xiao光guang電dian探tan測ce器qi的de等deng效xiao輸shu入ru電dian容rong，從cong而er提ti高gao接jie收shou機ji靈ling敏min度du。

3.2 高頻低噪聲放大器設計
在白光LED zhaomingtongxinxitongzhong，xindaozhongcunzaiqiangliedebeijingguangzaosheng，yinciqianzhifangdaqiyingbeishejiweidizaoshengfangdaqi。qianzhifangdaqidezaoshengduiguangjieshouqidelingminduyingxianghenda
，qidengxiaoshuruzaoshengdianliumidushiyigezhongyaozhibiao，weijianxiaozaosheng

，jiubixuyouxiaoshejiguangdianerjiguanyuqihouxuyouyuanqijianzhijiandezaoshengpipeidianlu，jitongguozuiyouzaoshengpipeiwangluohuodezuixiaodengxiaoshuruzaoshengdianliu。

3.3 幹擾受限係統的幹擾抑製措施
①使用帶阻電子濾波器，抑製某上特定頻率的背景光幹擾，例如日光燈產生的工頻幹擾
；
②采用副載波調製，將光信號脈衝搬移到較高的頻帶上，在接收機采用電路濾波的方式將通常為低頻的背景光噪聲消除
；
③在電路中增設電源濾波電容和放大器偏置電路濾波電容抑製電源噪聲。

4 結束語

針對白光LED tongxinxitongzhongtongshicunzaizaoshengyuganraodewenti，fenbiezaizaoshengshouxianxitongyuganraoshouxianxitongzuochuzaoshengyuganraodefenxi，bingzaiguangyuhedianyushangxiangyingditichucuoshiyizhizaosheng
，xueruoganraoyingxiang，zonghegezideyoudian，tichulejiyuzaoshengyuganraoshuangshouxianxitongdexinxingjieshoujishejifangan，nengzaizaoshengyuganraotongshicunzaidebaiguangLED 通信係統中獲得良好的接收性能。