白光LED通信系统的噪声与干扰分析

　　0 引言

　　在白光LED 照明技术发展的同时，利用LED 的高调制频率，白光LED 通信作为新兴的通信技术受到了人们的极大关注。根据通信理论，减小判决中的误码率可从两方面入手：一是加大其输入光功率；一是提高信噪比。在白光LED 通信系统中，由于白光LED 光源发出的是可见光，且发散角较大，对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点，可以通过提高白光LED 光源的发射功率，来提高系统的可靠性。最终是接收系统的信噪比决定了全系统的通信性能[2].我们基于对白光LED 通信系统噪声与干扰的分析，在噪声受限系统中引入了带通滤波器和一种新型的成像式光学系统，利用噪声匹配设计了低噪声放大器，并在干扰受限系统中利用了带阻滤波器、副载波调制、增设滤波电容等措施，提出了基于噪声与干扰双受限的新型接收机设计方案。

　　白光LED 通信技术是指利用LED 器件高速点灭的发光响应特性，将LED 发出的用肉眼察觉不到的高速速率调制的光载波信号来对信息进行调制和传输，然后利用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号，并获得信息使可见光通信与LED 照明相结合构建出LED 照明和通信两用基站灯。

　　如图1 所示，白光LED 通信系统的发射端是根据传递资料将电信号变调，再利用LED 转换成光信号发送出去，接收端利用光电探测器接收光信号，再将光信号转换成电信号，经过解调当成信号资料读取。

图1 白光LED 通信系统结构原理图

　　接收端主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。 光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性综合反映了整个可见光通信系统的性能。

　　2 白光LED 通信系统噪声与干扰分析

　　2.1 白光LED 通信噪声受限系统

　　白光LED 通信系统采用的是光强度调制和直接检测（IM-DD）技术。白光LED 通信系统的数字光接收机结构原理如图2 所示。

图2 数字光接收机结构原理图

　　此处，假设图2 所示的白光LED 通信系统接收机采用PIN 光电探测器， 在白光LED 通信系统中，起伏噪声决定光信道中的传输质量，理想的信号应该包括一个时变的起伏噪声过程， 大概每比特至少104~105个光子。尽管在接收机中使用窄带滤波器，当强光照射探测器的时候在系统中仍会出现107~108 光子/比特的起伏噪声。因此，强背景光构成了白光LED 通信系统的主要噪声源。

   另一部分噪声来源于接收机系统内部，主要有：

　　①散粒噪声。主要为背景光在PIN 管处产生的噪声电流引入的， 又由于光器件LED 受偏压的作用，即使在传空号的情况下也会有少量光功率，即直流光功率。故其噪声均方值为：,其中Idc为背景光与直流光在PIN 管产生的光子电流； 可见，背景光电流引起的噪声电流与系统带宽Δf 成正比，在不影响信号接收的前提下， 较小的Δf 对抑制背景噪声、减小探测器、放大器的噪声都是有益的。

　　目前，白光LED 调制速率要达到100MHz 有相当大的难度， 这种情况下，PIN 也产生一些低频闪烁噪声，对接收机灵敏度的影响不可忽视，这种噪声可以归入散粒噪声中，在接收系统中加入带通滤波器，可有效抑制低频闪烁噪声。

　　②暗电流噪声。光电探测器在没有光照时，由于负偏压的作用会产生毫微安级的"暗光流".其噪声均方值为：，其中Idark为PIN 管的暗电流。

　　③热噪声。探测器负载及放大器发热引起的噪声。其噪声均方值为：其中RP 为反向结电阻，RS为串联电阻。

　　④放大器噪声。主要为放大器内部电阻、晶体管等噪声源引入的电器元件固有噪声，一般可利用等效噪声源进行分析计算，与放大器件类型有关。

　　综上所述，类似这种由于存在电路固有噪声和电路外部环境等噪声源在接收部分引入的噪声，而限制了白光LED 通信性能的系统可视为白光LED 通信噪声受限系统。

　　2.2 白光LED 通信干扰受限系统

　　前面提到，白光LED 通信系统的主要噪声源是背景光，在噪声受限系统中，背景光主要是通过光功率在PIN 管引入散粒噪声，并且放大器本身就会引入固有噪声。此外，由于白光LED 通信系统无法用带阻滤波器滤除调制可见光干扰，若电路设计不合理，还可能引入外界调制可见光对接收系统的干扰，不同频率的调制背景光会对系统输出信号造成干扰， 这时系统又成为一个干扰受限系统。

　　一些人造光源，如白炽灯、荧光灯发出的光包含很多可见光成分， 太阳光中也包含大量的可见光，这些可见光共同组成了背景光噪声。太阳是主要背景光干扰源，一般情况下，太阳光要比人造光的光强大，它属于非调制光源，光谱带宽也很宽，最大功率谱密度位于波长500nm 处。而所有的人造光源都经过了调制，频率一般在50Hz（与工频相等），为通过检测电路为系统引入工频干扰。有些荧光灯是被高频的通段信号调制，这些信号的频率高达几十甚至几百kHz,也让使得荧光灯包含了高达几十kHz 的谐波能量，如此高的频率将对可见光通信造成很大的影响。另外，高频电源的开关也会产生尖峰脉冲干扰通过电源系统引入到检测电路中。

　　2.3 白光LED 通信系统噪声与干扰的频谱分布

　　由前面所述，可获得白光LED 通信系统噪声与干扰的频谱分布，如图3 所示。

图3 白光LED 通信系统噪声与干扰的频谱分布图。

    3 基于噪声与干扰双受限的光接收机设计

　　3.1 新型成像式光学接收系统设计

　　这种设计是将探测器实际面积分割成若干个独立的小单元。这样，每一个小单元都有自己的一个接收视角FOV,在空间上可以实现信号的独立接收。

　　假设透镜焦距为f,如图4 所示，小单元的接收视角为FOV=arctan（x/f），若探测器面积为a×a,则整个探测器的最大接收视角为FOVmax=arctan[（2a）1/2/2f].

图4 新型成像式光学接收系统设计。

　　探测器被分为若干小单元后，相当于探测器平均接收视角变小了，因此也就减弱了接收到的背景光的光强。同时探测器被分为若干个小单元可以减小光电探测器的等效输入电容，从而提高接收机灵敏度。

　　3.2 高频低噪声放大器设计

　　在白光LED 照明通信系统中，信道中存在强烈的背景光噪声，因此前置放大器应被设计为低噪声放大器。前置放大器的噪声对光接收器的灵敏度影响很大，其等效输入噪声电流密度是一个重要指标，为减小噪声，就必须有效设计光电二极管与其后续有源器件之间的噪声匹配电路，即通过最优噪声匹配网络获得最小等效输入噪声电流[11].

　　3.3 干扰受限系统的干扰抑制措施

　　①使用带阻电子滤波器，抑制某上特定频率的背景光干扰，例如日光灯产生的工频干扰；②采用副载波调制，将光信号脉冲搬移到较高的频带上，在接收机采用电路滤波的方式将通常为低频的背景光噪声消除；③在电路中增设电源滤波电容和放大器偏置电路滤波电容抑制电源噪声。

　　4 结束语

　　针对白光LED 通信系统中同时存在噪声与干扰的问题，分别在噪声受限系统与干扰受限系统作出噪声与干扰的分析，并在光域和电域上相应地提出措施抑制噪声，削弱干扰影响，综合各自的优点，提出了基于噪声与干扰双受限系统的新型接收机设计方案，能在噪声与干扰同时存在的白光LED 通信系统中获得良好的接收性能。根据该方案研制的样机已作为我国迄今唯一的白光LED 通信系统在上海世博会上公开展出，也是世界上仅有的能够在世界级博览会上向观众现场演示两套同类系统之一。