可见光通信系统及LED非线性对其性能影响分析方法

摘要

本发明提供一种可见光通信系统及LED非线性对其性能影响分析方法。所述方法包括：根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关系计算出所述可见光通信系统的第一载噪比和第一信噪比；根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的理论线性关系计算出所述可见光通信系统的第二载噪比和第二信噪比；对比所述第一载噪比和所述第二载噪比、所述第一信噪比和所述第二信噪比，得到LED非线性对所述可见光通信系统的性能影响分析结果。本发明具有设备简单、易于实现、节省资源等优点，并首次提出了LED非线性对基于频率调制(FM)的可见光通信系统的影响分析方法，使得频率调制应用在可见光通信系统短距离传输有了理论依据和具体性能评价。

说明书

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种基于频率调制的可见 光通信系统及LED非线性对其性能影响分析方法。

背景技术

近年来，被誉为“绿色照明”的半导体照明技术发展迅猛，尤其白光 LED吸引了人们越来越多的注意，他们被誉为下一代照明光源。可见光 通信技术就是在此基础上发展起来新兴无线通信技术。白光LED具有使 用寿命长、绿色环保、安全、不受频谱限制等优点，调制速率高等优点。 可见光通信技术是利用发光二极管的快速调制特性，将信号调制到LED 上进行传输的通信技术。LED的光强度会随着信号的改变而改变，在接 收端利用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，在实现照明的同时 实现信息的通信。可见光通信分为室内可见光通信和室外可见光通信。在 可见光通信研究中，为了提高系统的传输性能，引入了很多调制技术到可 见光通信系统中。

可见光通信系统大多采用光强度调制/直接检测系统。目前提出的可 见光调制方式有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、脉冲宽度调 制(PWM)、正交频分复用(OFDM)等方式，大部分是数字调制方式， 还有少数研究的幅度调制，频率调制等模拟调制方式。对比模拟调制系统， 数字调制系统调制方式复杂，设备昂贵，在模拟和数字调制都可以满足通 信速率需求的情况下，模拟通信系统是更好的选择。频率调制(Frequency Modulation，FM)一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式， 抗噪性能好，被人们广泛应用。

在可见光通信的研究中，很多因素都可以影响通信系统的性能，LED 的非线性是其中的一个重要因素，即输出光功率和输入调制电流的关系不 是线性的，这就会造成接收端信号的失真，包括互调失真和谐波失真。非 线性对数字调制方式比如OFDM调制方式和DMT调制方式的影响已经 有很多研究。在基于可见光通信的语音广播通信系统中，频率调制(FM) 方式已被人们提及和应用，但是基于FM调制方式的可见光通信系统的性 能还未被深入研究，目前尚无针对LED非线性对FM调制方式影响的研 究。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方 面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它 并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范 围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详 细描述的前序。

本发明提供一种用于分析LED非线性对基于频率调制的可见光通信 系统性能影响的可见光通信系统及LED非线性对其性能影响分析方法。

本发明提供一种基于频率调制的可见光通信系统，包括：

FM调制模块，用于将接收的第一模拟信号转换为调频信号并输出；

驱动模块，与所述FM调制模块通信连接、与LED光源连接，用于 接收所述调频信号并加载至所述LED光源；

LED光源，用于接收所述调频信号，发出光信号；

光电探测器，用于检测接收所述LED光源发出的光信号，并将所述 光信号转换为电信号并输出；

FM解调模块，与所述光电探测器连接，用于将所述光电探测器输出 的电信号进行放大、滤波和解调，得到第二模拟信号并输出。

本发明还提供一种LED非线性对所述可见光通信系统的性能影响分 析方法，包括：

根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关系计算 出所述可见光通信系统的第一载噪比和第一信噪比；

根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的理论线性关系计 算出所述可见光通信系统的第二载噪比和第二信噪比；

对比所述第一载噪比和所述第二载噪比、所述第一信噪比和所述第二 信噪比，得到LED非线性对所述可见光通信系统的性能影响分析结果。

本发明提供的可见光通信系统及LED非线性对其性能影响分析方法 分别通过LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关系和理论线 性关系计算出基于频率调制的可见光通信系统中非线性的第一载噪比、第 一信噪比和理论线性的第二载噪比和第二信噪比，并分别对比第一载噪比 和第二载噪比、第一信噪比和第二信噪比，从而得到LED非线性对基于 频率调制的可见光通信系统的性能影响分析结果。本发明提供的可见光通 信系统采用频率调制方式，相比较于数字调制方式，具有设备简单、易于 实现、节省资源等优点，且频率调制方式受LED非线性影响小，从而提 高了可见光通信系统性能；本发明提供的LED非线性对所述可见光通信 系统的性能影响分析方法首次提出了LED非线性对基于频率调制的可见 光通信系统的影响分析方法，使得频率调制应用在可见光通信系统短距离 传输有了理论依据和具体性能评价。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明 的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原 理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图 标记来表示。

图1为本发明基于频率调制的可见光通信系统的结构示意图。

图2为所述可见光通信系统中LED光源的驱动电流和输出光功率之 间的非线性关系和理论线性关系示意图。

图3为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法的 流程图。

图4为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S30的流程图。

图5为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S50的流程图。

图6为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S70中，第一载噪比和第二载噪比、第一信噪比和第二信噪比的对比示 意图。

附图标记说明：

10FM调制模块

20驱动模块

30LED光源

40光电探测器

50FM解调模块

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实 施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中 示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省 略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描 述。

图1为本发明基于频率调制的可见光通信系统的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，本发明基于频率调制的可见光通信系统 包括：

FM调制模块10，用于将接收的第一模拟信号转换为调频信号并输 出；

驱动模块20，与FM调制模块10通信连接、与LED光源30连接， 用于接收所述调频信号并加载至LED光源30；

LED光源30，用于接收所述调频信号，发出光信号；

光电探测器40，用于检测接收LED光源30发出的光信号，并将所 述光信号转换为电信号并输出；

FM解调模块50，与光电探测器40连接，用于将光电探测器40输出 的电信号进行放大、滤波和解调，得到第二模拟信号并输出。

优选地，FM解调模块50包括：

放大电路单元501，与光电探测器40连接，用于对所述电信号进行 放大；

滤波电路单元503，与放大电路单元501连接，用于对放大后的电信 号进行滤波；

FM解调单元505，与滤波电路单元503连接，用于对滤波后的电信 号进行解调，得到第二模拟信号并输出。

图2为所述可见光通信系统中LED光源的驱动电流和输出光功率之 间的非线性关系和理论线性关系示意图。

如图2所示，曲线6为LED光源30的驱动电流和输出光功率的理论 线性关系，曲线7为根据实际测量的LED光源30的驱动电流和输出光功 率拟合得到的非线性关系。

根据相关的研究，LED光源30的驱动电流和输出光功率之间的非线 性关系可用多项式表达：

$P_{out}\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{b}_n{[I\left(t\right)-I_{DC}]}^n;---\left(1\right)$

其中，P_out(t)为输出光功率，I(t)为驱动电流，I_DC为直流偏置信号，b_n为 第n次谐波的系数。

图3为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法的 流程图。

如图3所示，在本实施例中，本发明LED非线性对可见光通信系统 的性能影响分析方法包括：

S30：根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关 系计算出所述可见光通信系统的第一载噪比和第一信噪比；

S50：根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的理论线性 关系计算出所述可见光通信系统的第二载噪比和第二信噪比；

S70：对比所述第一载噪比和所述第二载噪比、所述第一信噪比和所 述第二信噪比，得到LED非线性对所述可见光通信系统的性能影响分析 结果。

图4为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S30的流程图。

如图4所示，优选地，在本实施例中，步骤S30包括：

S301：根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关 系和驱动电流计算出第一输出光功率；

S303：根据所述第一输出光功率计算出所述光电转换器转换的第一电 信号；

S305：计算出第一热噪声，并根据所述第一输出光功率计算出第一散 粒噪声；

S307：根据所述第一电信号和所述第一散粒噪声计算出所述第一载噪 比和所述第一信噪比。

优选地，所述驱动电流由直流偏置信号I_DC和调频信号I_FM(t)组成；

调频信号I_FM(t)的表达式为：

I_FM(t)＝cos[2πf_ct+∫m(t)dt]；(2)

驱动电流I_in(t)的表达式为：

I_in(t)＝I_DC{1+n·cos[2πf_ct+∫m(t)dt]}

＝I_DC{1+n·cos[w_ct+K_f∫cos(2πf_mt)dt]}；(3)

＝I_DC{1+n·cos[w_ct+m_f·sin(w_mt)]}

其中，f_c为调频信号的载波频率，t为时间，m(t)为调制信号，n为调 制深度，w_c为调频信号的载波角频率，w_m为调制信号的角频率，K_f为调 频灵敏度，f_m为调制信号的频率，m_f为调频指数。

优选地，所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关系 表达式为：

P_out(t)＝0.56044+0.639[I_in(t)-I_DC]-0.4625[I_in(t)-I_DC]²；(4)

将所述驱动电流I_in(t)的表达式(3)代入上述非线性关系表达式(4)， 得到所述第一输出光功率P_out1(t)的表达式：

P_out1(t)＝0.56044+0.639[I_in(t)-I_DC]-0.4625[I_in(t)-I_DC]²

＝0.56044+0.639ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]-0.4625n²cos²[w_ct+m_fsin(w_mt)](5)

＝0.56044-0.2313n²+0.639ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]-0.2313n²cos{2[w_ct+m_fsin(w_mt)]}。

优选地，根据所述第一输出光功率P_out1(t)的表达式(5)，所述第一电 信号I₁(t)的表达式为：

I₁(t)＝P_out1(t)·A·η

＝{0.56044+0.639[I_in(t)-I_DC]-0.4625[I_in(t)-I_DC]²}·A·η(6)

＝{0.56044+0.639ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]-0.4625n²cos²[w_ct+m_fsin(w_mt)]}·A·η；

＝{(0.56044-0.2313n²)+0.639ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]-0.2313n²cos{2[w_ct+m_fsin(w_mt)]}}·A·η

其中，A为光电探测器的接收面积，η为光电探测器的转换效率。

优选地，热噪声的表达式为：

${\sigma }_{thermal}^2=(4kT/R_L)F_n\Delta f;---\left(7\right)$

散粒噪声的表达式为：

${\sigma }_{shot}^2=2{\mathrm{qG}}^2{F}_{A}R\left(nP\right)\Delta f;---\left(8\right)$

调频信号带宽B的表达式为：

B＝2(m_f+1)f_m；(9)

有效噪声带宽Δf取调频信号带宽B的值，将式(9)代入式(7)，则 第一热噪声的表达式为：

$\begin{array}{c}{\sigma }_{thermal\_1}^2=(4kT/R_L)F_n·2(m_f+1)f_m\\ =8{\mathrm{kTF}}_n(m_f+1)f_m/R_L\end{array};---\left(10\right)$

其中，k为玻尔兹曼常数，T为光电转换器接收端温度，R_L为负载电 阻，F_n为噪声系数，Δf为有效噪声带宽，q为电子电量，G为光电探测器 的增益，F_A为电离系数，P为接收端直流信号光功率，nP为FM信号光功 率，R(nP)为响应灵敏度；

第一散粒噪声由第一FM信号散粒噪声和第一倍频散弹 噪声组成；

由第一输出光功率P_out1(t)的表达式得到第一FM信号光功率为 0.639nA/2，第一倍频光功率为0.2313n²A/2，并将式(9)代入式(8)，从而得 到：

所述第一FM信号散粒噪声的表达式为：

${\sigma }_{shot\_FM\_1}^2=4{\mathrm{qG}}^2{F}_{A}R(0.639nA/2)(m_f+1)f_m;---\left(11\right)$

所述第一倍频散弹噪声的表达式为：

${\sigma }_{shot\_DF\_1}^2=4{\mathrm{qG}}^2{F}_{A}R(0.2313n^{2}A/2)(m_f+1)f_m.---\left(12\right)$

优选地，第一载噪比CNR₁的表达式为：

${\mathrm{CNR}}_1=P_{FM\_1}/({\sigma }_{thermal\_1}^2+{\sigma }_{shot\_1}^2);---\left(13\right)$

其中，P_{FM_1}为第一FM信号功率；

第一信噪比SNR₁的表达式为：

${\mathrm{SNR}}_1=(3/2){m_f}^2(B_{FM\_1}/f_m){\mathrm{CNR}}_1=3{m_f}^3{\mathrm{CNR}}_1=3{m_f}^3{P}_{FM\_1}/({\sigma }_{thermal\_1}^2+{\sigma }_{shot\_1}^2);---\left(14\right)$

其中，B_{FM_1}为第一FM信号带宽。

图5为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S50的流程图。

如图5所示，在本实施例中，步骤S50包括：

S501：根据所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的理论线性 关系和驱动电流计算出第二输出光功率；

S503：根据所述第二输出光功率计算出所述光电转换器转换的第二电 信号；

S505：计算出第二热噪声，并根据所述第二输出光功率计算出第二散 粒噪声；

S507：根据所述第二电信号和所述第二散粒噪声计算出所述第二载噪 比和所述第二信噪比。

优选地，所述驱动电流由直流偏置信号I_DC和调频信号I_FM(t)组成。表 达式如式(2)和式(3)所示。

优选地，所述LED光源的驱动电流和输出光功率之间的理论线性关 系表达式为：

P_out(t)＝0.4280+0.7134[I_in(t)-I_DC]；(15)

将所述驱动电流I_in(t)的表达式代入上述非线性关系表达式，得到所述 第二输出光功率P_out2(t)的表达式：

P_out2(t)＝0.4280+0.7134[I_in(t)-I_DC]

＝0.4280+0.7134ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]。(16)

优选地，根据所述第二输出光功率P_out2(t)的表达式，所述第二电信号 I₂(t)的表达式为：

I₂(t)＝P_out2(t)·A·η

＝{0.4280+0.7134[I_in(t)-I_DC]}·A·η(17)

＝{0.4280+0.7134ncos[w_ct+m_fsin(w_mt)]}·A·η；

其中，A为光电探测器的接收面积，η为光电探测器的转换效率。

优选地，第二热噪声的表达式为：

$\begin{array}{c}{\sigma }_{thermal\_2}^2=(4kT/R_L)F_n·2(m_f+1)f_m\\ =8{\mathrm{kTF}}_n(m_f+1)f_m/R_L\end{array};---\left(18\right)$

其中，k为玻尔兹曼常数，T为光电转换器接收端温度，R_L为负载电 阻，F_n为噪声系数，Δf为有效噪声带宽，q为电子电量，G为光电探测器 的增益，F_A为电离系数，P为接收端直流信号光功率，nP为FM信号光功 率，R(nP)为响应灵敏度；

第二散粒噪声由第二FM信号散粒噪声组成；

由第二输出光功率P_out2(t)的表达式得到第二FM信号光功率为 0.7134nA/2，从而得到：

所述第二FM信号散粒噪声的表达式为：

${\sigma }_{shot\_FM\_2}^2=4{\mathrm{qG}}^2{F}_{A}R(0.7134nA/2)(m_f+1)f_m.---\left(19\right)$

优选地，第二载噪比CNR₂的表达式为：

${\mathrm{CNR}}_2=P_{FM\_2}/{\sigma }_{thermal\_2}^2;---\left(20\right)$

其中，P_{FM_2}为第二FM信号功率；

第二信噪比SNR₂的表达式为：

${\mathrm{SNR}}_2=(3/2){m_f}^2(B_{FM\_2}/f_m){\mathrm{CNR}}_2=3{m_f}^3{\mathrm{CNR}}_2=3{m_f}^3{P}_{FM\_2}/{\sigma }_{thermal\_2}^2;---\left(21\right)$

其中，B_{FM_2}为第二FM信号带宽。

图6为本发明LED非线性对可见光通信系统的性能影响分析方法步 骤S70中，第一载噪比和第二载噪比、第一信噪比和第二信噪比的对比示 意图。

如图6所示，在调制深度为1时，LED非线性的特性对FM信号的 影响最大，LED非线性使FM信号的载噪比在接收端比线性情况下降低 了不到5dB,而LED非线性条件下的信噪比比在线性情况下也降低了大 约5dB。因此LED非线性对FM信号影响相对于其他的数字调制影响较 小，在满足通信速率情况下，FM调制方式受LED非线性的影响较小。 而且基于FM调制的可见光通信系统在调整参数(调频指数)的情况下， 系统的性能(信噪比)可以达到60dB以上，适合短距离语音通信。从而 为频率调制应用在可见光通信系统短距离传输提供了理论依据和具体性 能评价。

综上所述，本发明提供的可见光通信系统及LED非线性对其性能影 响分析方法分别通过LED光源的驱动电流和输出光功率之间的非线性关 系和理论线性关系计算出基于频率调制的可见光通信系统中非线性的第 一载噪比、第一信噪比和理论线性的第二载噪比和第二信噪比，并分别对 比第一载噪比和第二载噪比、第一信噪比和第二信噪比，从而得到LED 非线性对基于频率调制的可见光通信系统的性能影响分析结果。本发明提 供的可见光通信系统采用频率调制方式，相比较于数字调制方式，具有设 备简单、易于实现、节省资源等优点，且频率调制方式受LED非线性影 响小，从而提高了可见光通信系统性能；本发明提供的LED非线性对所 述可见光通信系统的性能影响分析方法首次提出了LED非线性对基于频 率调制的可见光通信系统的影响分析方法，使得频率调制应用在可见光通 信系统短距离传输有了理论依据和具体性能评价。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不 使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。