中心議題：
- 白光LED 通信系統噪聲與干擾分析
- 基于噪聲與干擾雙受限的光接收機設計
解決方案：
- 新型成像式光學接收系統設計
- 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。
1 引言
在白光LED 照明技術發展的同時，利用LED 的高調制頻率，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面入手：一是加大其輸入光功率；一是提高信噪比。在白光LED 通信系統中，由于白光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，來提高系統的可靠性。最終是接收系統的信噪比決定了全系統的通信性能。我們基于對白光LED 通信系統噪聲與干擾的分析，在噪聲受限系統中引入了帶通濾波器和一種新型的成像式光學系統，利用噪聲匹配設計了低噪聲放大器，并在干擾受限系統中利用了帶阻濾波器、副載波調制、增設濾波電容等措施，提出了基于噪聲與干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 發出的用肉眼察覺不到的高速速率調制的光載波信號來對信息進行調制和傳輸，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 通信系統結構原理圖
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是以最小的附加噪聲及失真，恢復出經由無線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可見光通信系統的性能。
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。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系統中仍會出現107~108 光子/比特的起伏噪聲。因此，強背景光構成了白光LED 通信系統的主要噪聲源。
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另一部分噪聲來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。光電探測器在沒有光照時，由于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，類似這種由于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，背景光主要是通過光功率在PIN 管引入散粒噪聲，并且放大器本身就會引入固有噪聲。此外，由于白光LED 通信系統無法用帶阻濾波器濾除調制可見光干擾，若電路設計不合理，還可能引入外界調制可見光對接收系統的干擾，不同頻率的調制背景光會對系統輸出信號造成干擾， 這時系統又成為一個干擾受限系統。
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， 太陽光中也包含大量的可見光，這些可見光共同組成了背景光噪聲。太陽是主要背景光干擾源，一般情況下，太陽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500nm 處。而所有的人造光源都經過了調制，頻率一般在50Hz（與工頻相等），為通過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光通信造成很大的影響。另外，高頻電源的開關也會產生尖峰脈沖干擾通過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。
圖3 白光LED 通信系統噪聲與干擾的頻譜分布圖。
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3 基于噪聲與干擾雙受限的光接收機設計
3.1 新型成像式光學接收系統設計
這種設計是將探測器實際面積分割成若干個獨立的小單元。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），若探測器面積為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系統設計。
探測器被分為若干小單元后，相當于探測器平均接收視角變小了，因此也就減弱了接收到的背景光的光強。同時探測器被分為若干個小單元可以減小光電探測器的等效輸入電容，從而提高接收機靈敏度。
3.2 高頻低噪聲放大器設計
在白光LED 照明通信系統中，信道中存在強烈的背景光噪聲，因此前置放大器應被設計為低噪聲放大器。前置放大器的噪聲對光接收器的靈敏度影響很大，其等效輸入噪聲電流密度是一個重要指標，為減小噪聲，就必須有效設計光電二極管與其后續有源器件之間的噪聲匹配電路，即通過最優噪聲匹配網絡獲得最小等效輸入噪聲電流。
3.3 干擾受限系統的干擾抑制措施
①使用帶阻電子濾波器，抑制某上特定頻率的背景光干擾，例如日光燈產生的工頻干擾；
②采用副載波調制，將光信號脈沖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制電源噪聲。
4 結束語
針對白光LED 通信系統中同時存在噪聲與干擾的問題，分別在噪聲受限系統與干擾受限系統作出噪聲與干擾的分析，并在光域和電域上相應地提出措施抑制噪聲，削弱干擾影響，綜合各自的優點，提出了基于噪聲與干擾雙受限系統的新型接收機設計方案，能在噪聲與干擾同時存在的白光LED 通信系統中獲得良好的接收性能。
