白光LED通信系统的噪声与干扰分析.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：白光LED通信系统的噪声与干扰分析摘要：阐述了背景可见光在噪声受限与干扰受限的白光LED通信系统中的影响。利用带通滤波器和光学设计以及噪声匹配等方法提高了作为噪声受限系统的接收机性能；采取带阻滤波器、副载波调制、增设滤波电容等措施很好地抑制了干扰源对干扰受限系统的影响；提出了基于噪声与干扰双受限的白光LED通信接收机设计方案根据该方案设计的白光LED通信系统已投入使用。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、