一種可見光通信光接收器的優(yōu)化與實驗

王 濤，陳善繼，胡文芳

（1.青海民族大學 通信工程國家級實驗教學示范中心，青海 西寧 810007；2.青海民族大學 通信工程省級重點實驗室，青海 西寧 810007；3.西寧市第二十八中學，青海 西寧 810007）

0 引 言

可見光通信（Visible Light Communication, VLC）具有諸多優(yōu)勢和很好的應用前景，受到廣泛關(guān)注[1]。但在可見光通信應用場景中存在多種干擾，特別是在青藏高原地區(qū)高輻射自然光環(huán)境下，由自然光引起的干擾會惡化系統(tǒng)的通信質(zhì)量[2]，這在實際應用中需要迫切解決。本文在不改變發(fā)射端有用信號光功率和接收端光電檢測器的條件下，基于多級阻擋原理，提出一種優(yōu)化的光接收器，并搭建VLC 實驗系統(tǒng)進行測試，驗證了本文方案能夠有效抑制自然光干擾，提高了VLC 系統(tǒng)在強背景光應用場景中的通信質(zhì)量。

1 VLC 中的噪聲及抑噪技術(shù)

1.1 噪聲分析

可見光通信中的噪聲主要包括同頻噪聲、非同頻噪聲。同頻噪聲主要來源于同頻光源及信號的反射、漫反射；非同頻噪聲來源主要有散粒噪聲、熱噪聲[3]。

散粒噪聲主要來源是局部點光源和延伸的背景光源，自然光就是典型的散粒噪聲來源。熱噪聲主要來源于電路中導電材料的電子熱運動。

在白天應用環(huán)境中，接收端的光電檢測器會接收到自然光，形成散粒噪聲，它的功率可以表示為[3]：

式中：q為電荷電子；B為等效噪聲帶寬；Ibj為背景光電流[3]。

背景光電流又可以表示為[3]：

式中：Itk表示天空背景光導致的光電流；Ity表示太陽光導致的光電流；Wtk表示天空的光譜輻照度；Bλ為PIN 光電二極管的帶寬；Ω表示PIN 光電二極管的視場角；Wty表示太陽光的光譜輻照度[3]。當光電檢測器的帶寬和接收視場角減小時，背景光電流也隨之減少。

1.2 自然光對VLC 系統(tǒng)性能的影響

背景光在白天主要是自然光，而晚上則是LED 燈及其他光源[3]，相比夜晚而言，接收端在白天所受到的自然光干擾更為嚴重。由于自然光的光譜與LED 燈的光譜有較大的重疊部分，并且自然光在可見光波段（380～780 nm）的功率較強，所以VLC 系統(tǒng)接收端處有用光信號難以與自然光完全分離，并且接收到的自然光平均功率是接收功率中的主要影響因素[4-5]。

可見光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量可以用接收端的信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）衡量，SNR 越大則系統(tǒng)通信質(zhì)量越好。

在忽略熱噪聲影響的前提下，接收端的信噪比（SNR）可以表示為[3]：

式中：R是PIN 光電二極管的靈敏度；Pr是接收到的有用光信號功率；N是接收到的噪聲功率[3]。

從式（3）可以看到，SNR 取決于有用光信號功率、PIN 光電二極管的靈敏度、噪聲功率，而噪聲功率大小主要與散粒噪聲功率有關(guān)。當有用光信號功率和PIN光電二極管的靈敏度不變時，散粒噪聲功率增大，光接收機易工作于非線性區(qū)域，系統(tǒng)通信質(zhì)量變差；當散粒噪聲增大到一定程度，光接收機會處于飽和狀態(tài)，導致無法正常工作。所以自然光作為散粒噪聲的來源，會惡化可見光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，是強背景光場景下可見光通信需要解決的技術(shù)問題[6]。

1.3 VLC 中的抑噪技術(shù)

強背景光場景下，為了提高信噪比以達到改善系統(tǒng)性能的目的，從發(fā)射端角度可以通過增大有用光信號功率來改善通信質(zhì)量。從接收端角度，一方面可以采用高性能的光電檢測器來增大接收到的有用信號光功率；另一方面可以利用光信號處理原理和電信號處理原理去抑制噪聲功率。根據(jù)噪聲來源，又可以采用不同方法。

對于同頻噪聲干擾，可以利用信道編解碼方式進行抑制。例如利用不歸零倒置編碼方式可以減少可見光通信中的背景光噪聲[7]；利用子脈沖曼徹斯特調(diào)制可以改善特定環(huán)境下的低頻傳輸性能[8]。

對于非同頻噪聲，主要是抑制自然光引起的散粒噪聲，散粒噪聲又決定了背景光電流的大小，可以通過優(yōu)化設(shè)計光學接收器或設(shè)計濾噪放大電路進行抑制[3]。例如：文獻[9]提出了一種分集光接收器來降低環(huán)境光噪聲的干擾；文獻[10]采用基于光控膜的光學濾光片來減少光電探測器接收到的自然光；文獻[11]中采用帶通濾光片抑制背景光；文獻[12]提出利用窄帶濾光片濾除多余太陽光。

2 本文提出的光接收器

青藏高原地區(qū)大氣層稀薄、氣候干燥、太陽光輻照度強，所以白天室內(nèi)自然光較強，屬于強背景光應用場景，如果不采取有效的抑噪措施，VLC 系統(tǒng)在這樣的場景中將無法正常通信。

本文從光學角度出發(fā)，提出一種在光電檢測器前加裝兩級阻擋器的光接收器，它無需采用專用濾光片，能有效抑制高輻射光噪聲。

光接收器中第一級阻擋器主體是一個定長、截面直徑為D1的圓筒狀裝置，圓筒外壁采用的材料對自然光具有很好的阻擋性，圓筒內(nèi)壁光滑，能對光信號進行良好的反射、散射。第一級阻擋器的圓形接收區(qū)域屏蔽了一大部分接收視角之外的自然光。在第一級阻擋器內(nèi)部放置圓環(huán)狀裝置，作為第二級阻擋器。圓環(huán)狀裝置采用的材料對自然光具有很好的吸收阻擋，第一級阻擋器沒有屏蔽掉的自然光在第二級阻擋器進一步被屏蔽吸收。圓環(huán)中心留有一直徑為D2（D2＜D1）的光信號通過口，發(fā)射端直射過來的有用光信號進入第一級阻擋器內(nèi)部后繼續(xù)通過第二級阻擋器的光信號通過口到達光電檢測器。在強自然光環(huán)境下，通過對自然光的兩級阻擋，使得只有很少的自然光到達光電檢測器，減少背景光電流的產(chǎn)生，從而使光電檢測器可以在非飽和狀態(tài)下正常工作，改善了接收端的信噪比，提高了通信質(zhì)量。

3 實驗測試及分析

在強自然光環(huán)境下，分別搭建了傳輸正弦波信號和字符的VLC 系統(tǒng)，測試提出的光接收器對自然光的抑制效果。

3.1 正弦波信號傳輸測試及分析

在強自然光環(huán)境中，采用視距信道，利用VLC 音頻信號傳輸模塊（其中光電檢測器件選用普通PIN 光電二極管）、無優(yōu)化和優(yōu)化后的兩種光接收器、信號發(fā)生器（型號：GWINSTEK AFG-2225）、數(shù)字存儲示波器（型號：MDO-2202EG）搭建了傳輸正弦波信號的VLC 實驗系統(tǒng)。以信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波作為發(fā)送信號，接收端利用數(shù)字存儲示波器顯示接收信號波形，對比觀察了光接收器無優(yōu)化和優(yōu)化后兩種情況下VLC 系統(tǒng)的傳輸性能。實驗結(jié)果如下：

1）發(fā)送端信號

發(fā)送端采用信號發(fā)生器發(fā)出的正弦信號作為信源，正弦信號頻率為300 Hz，信號峰峰值為2 V，波形如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生器發(fā)出的正弦信號

2）強自然光環(huán)境中光接收器無優(yōu)化時傳輸測試

晴朗白天，室內(nèi)無窗簾遮擋，在強自然光環(huán)境中，接收端采用沒有優(yōu)化的光接收器時，示波器顯示的接收結(jié)果如圖2 所示。

圖2 強自然光環(huán)境中光接收器無優(yōu)化時示波器顯示波形

從圖2 中可以看到，示波器沒有顯示出正弦信號。這是由于強自然光產(chǎn)生的背景光電流過大，接收端光電檢測電路處于飽合狀態(tài)，VLC 系統(tǒng)無法正常通信。

3）強自然光環(huán)境中采用提出光接收器時傳輸測試

晴朗白天，在室內(nèi)無窗簾遮擋的強自然光環(huán)境下，接收端采用提出的光接收器時，示波器顯示的接收結(jié)果如圖3 所示。

圖3 強自然光環(huán)境中采用提出光接收器時示波器顯示波形

從圖3中可以觀察到，接收端光電檢測器前加裝兩級阻擋器后，示波器顯示的正弦信號波形完好，沒有明顯的畸變，只是幅度減小了。這是因為進入第一級阻擋器內(nèi)部的自然光繼續(xù)被第二級阻擋器阻擋吸收，被光電檢測器接收到的自然光大大減少，散粒噪聲功率遠小于直線傳播到接收端的正弦信號功率，接收端信噪比大，所以波形無畸變。由于發(fā)送端的光信號功率在傳輸中有衰減，所以恢復出的正弦波信號幅度減小。

3.2 字符傳輸測試及分析

在強自然光環(huán)境中，采用視距信道，利用基于STM32 的VLC 字符傳輸模塊[13]、無優(yōu)化和優(yōu)化后的兩種光接收器、筆記本電腦、串口調(diào)試助手軟件、特安斯數(shù)字照度計（型號：TA32A/B）搭建VLC 字符傳輸實驗系統(tǒng)，如圖4 所示。基于STM32 的VLC 字符傳輸模塊主要包括LED 驅(qū)動模塊及LED 光源、光電接收模塊（其中光電檢測器件選用普通PIN 光電二極管）、發(fā)送端和接收端的系統(tǒng)控制模塊、發(fā)送端和接收端的USB 轉(zhuǎn)串口模塊[13]。發(fā)送端PC 機串口調(diào)試助手中發(fā)送的字符消息經(jīng)USB 轉(zhuǎn)串口模塊到發(fā)送端系統(tǒng)控制模塊，被轉(zhuǎn)換為基帶信號序列后進行后續(xù)處理，處理后的信號驅(qū)動LED 光源發(fā)送光信號，接收端處的光接收器和光電接收模塊完成光信號接收及光電轉(zhuǎn)換，接收端系統(tǒng)控制模塊對光電轉(zhuǎn)換出的電信號進行與發(fā)送端相反的處理后經(jīng)USB 轉(zhuǎn)串口模塊送入接收端PC 機串口調(diào)試助手中進行顯示[13]。

圖4 VLC 字符傳輸實驗系統(tǒng)實物圖

在晴朗白天室內(nèi)無窗簾遮擋時，數(shù)字照度計測得的室內(nèi)桌面光照度為1 198 lux。光發(fā)射器和光接收器相隔25 cm。筆記本電腦的串口COM5 用于發(fā)射字符，字符消息內(nèi)容為“一種可見光通信中能抑制強背景光的光接收器的實驗測試，一種可見光通信中能抑制強背景光的光接收器的實驗測試”，筆記本電腦的串口COM6 用于接收字符。串口調(diào)試助手軟件用于設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并顯示串口COM5 發(fā)射字符情況和串口COM6 接收字符情況。在光照度為1 198 lux 條件下，對比了光接收器無優(yōu)化和優(yōu)化后兩種情況下的字符傳輸結(jié)果。

串口調(diào)試助手軟件顯示的光接收器無優(yōu)化時的字符傳輸結(jié)果如圖5 所示。

圖5 強自然光環(huán)境中光接收器無優(yōu)化時字符傳輸結(jié)果

從圖5 觀察到，在光照度為1 198 lux 時，雖然串口調(diào)試助手軟件顯示串口COM5 發(fā)送數(shù)目為3 016，但顯示串口COM6 接收數(shù)目為0，接收內(nèi)容顯示區(qū)域內(nèi)無字符顯示。這是因為光電檢測器前沒有加裝兩級阻擋器，導致接收到的自然光太強，背景光電流過大，光電檢測電路處于飽合狀態(tài)，VLC 字符傳輸系統(tǒng)不能正常工作，所以接收端串口調(diào)試助手軟件的接收內(nèi)容顯示區(qū)域內(nèi)無字符顯示。

在光電檢測器前加裝兩級阻擋器后，其他測試條件不變，此時強自然光環(huán)境中的字符傳輸測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 強自然光環(huán)境中采用提出光接收器時字符傳輸結(jié)果

從圖6 可以看到，在觀測時刻，串口調(diào)試助手軟件顯示串口COM5 已經(jīng)發(fā)送數(shù)目為3 016，顯示串口COM6已經(jīng)接收數(shù)目也為3 016，接收內(nèi)容顯示區(qū)域內(nèi)準確地顯示有字符消息“一種可見光通信中能抑制強背景光的光接收器的實驗測試，一種可見光通信中能抑制強背景光的光接收器的實驗測試”。這是因為采用提出的光接收器后，加裝的兩級阻擋器有效阻擋了大部分自然光，使光電檢測電路重新工作在非飽和區(qū)域，VLC系統(tǒng)接收端的信噪比得到顯著改善，保證了字符傳輸?shù)恼＿M行。

4 結(jié) 論

本文簡要分析了可見光通信中自然光對通信性能的影響，從光學角度提出一種加裝兩級阻擋器的光接收器，該光接收器組成簡單、接收視角較小，無需采用專用濾光片，能夠有效抑制高輻射光噪聲。在強自然光環(huán)境中搭建了可見光通信實驗系統(tǒng)，在接收端光接收器無優(yōu)化和優(yōu)化后兩種情況下，分別進行了正弦波信號傳輸測試和字符傳輸測試。

實驗結(jié)果表明，在強自然光環(huán)境中，當系統(tǒng)采用沒有加裝兩級阻擋器的光接收器時，受強光噪聲影響，光電檢測電路處于飽和狀態(tài)，不能實現(xiàn)正常的通信；當系統(tǒng)采用提出的光接收器時，高輻射光噪聲被有效抑制，正弦波信號和字符分別實現(xiàn)了通信質(zhì)量良好的傳輸。實驗測試結(jié)果表明，本文提出的光接收器可以有效抑制自然光，保障可見光通信系`統(tǒng)在強背景光場景中的正常工作。