无线光通信中基于最小二乘法的预加重和均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线光通信领域，尤其涉及到可见光通信领域的技术，具体是一种基 于最小二乘法的预加重和均衡方法。
【背景技术】
[0002] 可见光通信（VisibleLightCommunications，VLC)技术是以可见光LED作为光 源，以光电探测器作为信号接收端，以大气为信道，将发送信号调制在LED发出的可见光上 进行通信的一种无线光通信技术。
[0003] 随着固体照明的迅速发展，LED作为照明光源使用越来越广泛。与传统的白炽灯 和日光灯等光源相比，LED的使用寿命更长并且具有宽得多的调制带宽，能以更高的频率进 行开关切换，这使得以LED作为光源进行高速通信成为可能。由于调制频率非常高，人眼觉 察不到灯光的闪烁。通常，可见光通信可以作为LED的第二功能，在照明的同时完成通信。
[0004] 随着对于高速通信研究的不断深入，LED带宽成为高速通信的瓶颈，普通的照明 LED只有很小的3dB带宽，这成为高速通信的瓶颈。
[0005] 为了解决这一问题，很多的方案被提出来。在这些方案中，基于电阻-电容 (R-C)的预加重和（或）后均衡电路（参考文件l:High Bandwidth Visible Light Communications Based on a Post-Equalization Circuit ；Honglei Li,Xiongbin Chen 等；PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS: JANUARY 15, 2014, VOL. 26, NO. 2, 119-122)拥有低成 本高效的特点，其中电阻和电容的选取对于均衡效果起着至关重要的作用。然而选择最优 的电阻电容组合是非常困难的，现有只能靠不断更换元器件进行实验测量来寻找最优组 合。如果选择的组合不合适的话，即使能够扩展带宽，也会使Ε/0/Ε的频率响应平坦度变 差。而不平坦的Ε/0/Ε响应会导致彳目号失真并限制最大符号速率。其中Ε/0/Ε是电一光一 电的简称，在光通信系统中，电信号被调制在可见光上传输，在接收端进行光电转换，变成 电信号，这样完成一次电一光一电的过程。
【发明内容】
[0006] 针对现有可见光预加重和（或）后均衡技术存在的问题：选择最优电阻电容时，只 能靠不断更换元器件，通过实验测量的方法来寻找最优的组合，这种方法比较盲目，费时费 力；而且虽然通信带宽被拓展，但是其通带通常不平坦，通信性能受限。本发明提供了一种 基于最小二乘法的预加重和均衡方法。
[0007] 本发明提供的基于最小二乘法的预加重和均衡方法，应用于基于电阻和电容实现 的预加重电路的LED驱动电路，其中预加重电路为η阶，包括并联的η个支路，每个支路为 一个电阻和一个电容的串联电路，η为正整数；预加重电路的输入电压记为Vin;本发明的目 的是获取η个支路中电阻和电容的值，实现步骤如下：
[0008] 步骤1，将预加重电路中η个支路中的电阻和电容移除，测量未使用预加重电路的 Ε/0/Ε响应的衰减-频率曲线。
[0009] 步骤1. 1，设置正弦电压信号的幅度和频率，频率的初始值为0Hz;
[0010] 步骤1. 2,给移除电阻和电容的预加重电路输入当前设置的正弦电压信号，LED发 出的光被接收端的光电检测器转换为电流信号，然后被前置放大器转换为电压信号，记录 所获得的输出电压信号的幅度；
[0011] 步骤1.3,判断是否获得m个频率点上的数据，若否，维持输入的正弦电压信号的 幅度不变，以设定的频率间隔为步进值改变正弦电压信号的频率，然后继续步骤1. 2 ;若 是，计算每个频率点上输入电压到输出电压的衰减，得到一条衰减-频率曲线。其中，m为 正整数，衰减用dB表示。
[0012] 步骤1. 4,设定衰减最小频率点上的衰减为0,将步骤1. 3得到的衰减-频率曲线 沿衰减方向平移，得到一条归一化的衰减-频率曲线。
[0013] 步骤2，用最小二乘法使预加重网络的增益-频率曲线与归一化的衰减-频率曲线 相拟合，求取η个支路中电阻和电容的值。
[0014] 步骤2. 1，分析基于电阻和电容实现的预加重电路的LED驱动电路，获得基于电阻 和电容实现的预加重电路的增益-频率函数，对对应的增益-频率曲线进行归一化，设定 增益最小频率点上的增益为0,将增益-频率曲线沿增益方向平移，得到一条归一化的增 益-频率曲线；
[0015] 步骤2. 2，用最小二乘法使得归一化的增益-频率曲线与归一化的衰减-频率曲线 进行拟合，获得最优化的电阻和电容的值。
[0016] 其中，最小二乘法的目标函数值S表示为如下：
[0017]
[0018] 求取使得S最小的η个电阻&，…，Rn以及η个电容Ci，…，Cn，A表示第i个频率， i= 1，2,…，m而是f;的函数，表示归一化的预加重电路的增益-频率曲线；六(^表示步骤1 得到的归一化的衰减-频率曲线。
[0019] 本发明的优点与积极效果在于：本发明的解决了在设计预加重和/或后均衡电路 时，电阻电容选择盲目低效的问题。通过使用最小二乘法，用归一化的增益-频率曲线来拟 合归一化的衰减-频率曲线，从而得到最优的电阻电容值。相比传统通过不断测试实验得 到电阻电容值的方法，速度更快，效率更高。相比传统方法，得到的预加重均衡电路拥有更 宽的带宽同时在通带内更为平坦。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明所应用的LED驱动电路和二阶预加重电路示意图；
[0021] 图2是本发明实施例测量Ε/0/Ε响应的测试框架示意图；
[0022] 图3是本发明实施例中测量的衰减-频率曲线示意图；
[0023] 图4是本发明实施例将增益-频率曲线拟合衰减-频率曲线的示意图；
[0024] 图5是本发明实施例使用预加重电路后可见光通信系统的幅频特性图；
[0025] 图6是本发明实施例使用预加重电路后得到的传输眼图；（a)为100Mbps伪随机 码型传输测试下的眼图；(b)为200Mbps伪随机码型传输测试下的眼图；（c)为300Mbps伪 随机码型传输测试下的眼图；
[0026]图7是本发明实施例同时使用预加重和均衡电路的示意图；
[0027]图8是本发明实施例使用图7电路所得到的带宽被扩展后所得到的幅频特性图；
[0028] 图9是本发明实施例使用图7电路得到的误码率和眼图不例。
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0030] 本发明的目的是找到的一个高效成本低的可见光加重均衡方法，将可见光通信带 宽扩展。在扩展可见光通信带宽的同时，保证频谱通带内的平整度，提供更好的传输性能。 本发明将最小二乘法应用于预加重和（或）后均衡电路设计，求解最优电容和电阻值。
[0031] 下面结合一个预加重电路的LED驱动电路来说明本发明的基于最小二乘法的预 加重和均衡方法，包括步骤1~步骤2。
[0032] 如图1所示，右侧为一个LED驱动器。作为性能优良的驱动器，其输出光功率和输 入电压应该在较宽的范围内符合线性关系。而LED作为一种非线性器件，其正向电流随着 正向电压呈指数型增加，其输出的光功率只能与正向电流保持大致的线性关系。本发明实 施例中，所使用的带预加重电路的LED驱动电路包括两个级联的运算放大器心和A2，第一 个运算放大器4用来实现预加重功能，第二个运算放大器A2用来驱动LED。第二个运算放 大器^工作在线性区，LED的正向电流可以表示为：
[0033] iled - P)
[0034] 其中iled为LED的正向电流，Vιη1是LED驱动器的输入电压，Rs是检流电阻。
[0035] 本发明的预加重电路，主要是由运算放大器六1构成的一个二阶预加重电路，根据 需要也可以设计成二阶以上。如图1的左侧所示，二阶预加重电路包括运算放大器、电阻札、 私、&和Rg、电容CjpC2,Rf、RjPA3且成普通的正相放大器，电阻R￡和Rg确定直流增益，与 电阻Rg并联有η个支路，每个支路上串联一个电阻和一个电容。与电阻1^并联的电阻和电 容支路个数η代表预加重电路的阶数，η为正整数。图1中，电阻&和电容q串联，电阻R2 和电容C2串联，两个串联电路再与Rg并联。串联的电阻和电容与电阻、并联后得到阻抗 Zg的幅度随频率降低，所以在Vιη的高频成分会得到更高的增益，Vιη为第一个运算放大器Ai 的输入电压。
[0036] 本发明实施例的目的是确定电阻札、R2和电容CpC2。
[0037] 步骤1，去除RpRpCjP C2，测量电路的Ε/0/Ε响应中衰减-频率曲线。
[0038] 本步骤的目的是在将预加重电路中η个支路中的电阻和电容移除后，即本发明实 施例为移除札、R2、(^和C2的情况下，测量系统Ε/0/Ε响应中的衰减-频率曲线。
[0039] 这一测试可以用函数发生器和示波器等仪表完成，也可以用矢量网络分析仪完 成，本方法以基于函数发生器和示波器等仪表的测量方法来说明本测试过程。
[0040] 步骤1. 1，设置输入移除电阻和电容的预加重电路的正弦电压信号的幅度和频率， 频率的初始值为0Hz。
[0041] 步骤1. 2,给移除电阻和电容的预加重电路输入当前设置的正弦电压信号。
[0042] 如图2所示，在&，R2,Q，和C2移除的情况下，函数发生器产生的设定频率的正弦 电压信号作为Vin输入到预加重电路。LED发出的光被接收端的光电检测器转换为电流信 号，然后被