無線光通信中基于最小二乘法的預(yù)加重和均衡方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線光通信領(lǐng)域，尤其涉及到可見光通信領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基 于最小二乘法的預(yù)加重和均衡方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 可見光通信（VisibleLightCommunications，VLC)技術(shù)是以可見光LED作為光 源，以光電探測(cè)器作為信號(hào)接收端，以大氣為信道，將發(fā)送信號(hào)調(diào)制在LED發(fā)出的可見光上 進(jìn)行通信的一種無線光通信技術(shù)。
[0003] 隨著固體照明的迅速發(fā)展，LED作為照明光源使用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的白熾燈 和日光燈等光源相比，LED的使用壽命更長(zhǎng)并且具有寬得多的調(diào)制帶寬，能以更高的頻率進(jìn) 行開關(guān)切換，這使得以LED作為光源進(jìn)行高速通信成為可能。由于調(diào)制頻率非常高，人眼覺 察不到燈光的閃爍。通常，可見光通信可以作為L(zhǎng)ED的第二功能，在照明的同時(shí)完成通信。
[0004] 隨著對(duì)于高速通信研究的不斷深入，LED帶寬成為高速通信的瓶頸，普通的照明 LED只有很小的3dB帶寬，這成為高速通信的瓶頸。
[0005] 為了解決這一問題，很多的方案被提出來。在這些方案中，基于電阻-電容 (R-C)的預(yù)加重和（或）后均衡電路（參考文件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)擁有低成 本高效的特點(diǎn)，其中電阻和電容的選取對(duì)于均衡效果起著至關(guān)重要的作用。然而選擇最優(yōu) 的電阻電容組合是非常困難的，現(xiàn)有只能靠不斷更換元器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量來尋找最優(yōu)組 合。如果選擇的組合不合適的話，即使能夠擴(kuò)展帶寬，也會(huì)使Ε/0/Ε的頻率響應(yīng)平坦度變 差。而不平坦的Ε/0/Ε響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致彳目號(hào)失真并限制最大符號(hào)速率。其中Ε/0/Ε是電一光一 電的簡(jiǎn)稱，在光通信系統(tǒng)中，電信號(hào)被調(diào)制在可見光上傳輸，在接收端進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變成 電信號(hào)，這樣完成一次電一光一電的過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有可見光預(yù)加重和（或）后均衡技術(shù)存在的問題：選擇最優(yōu)電阻電容時(shí)，只 能靠不斷更換元器件，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法來尋找最優(yōu)的組合，這種方法比較盲目，費(fèi)時(shí)費(fèi) 力；而且雖然通信帶寬被拓展，但是其通帶通常不平坦，通信性能受限。本發(fā)明提供了一種 基于最小二乘法的預(yù)加重和均衡方法。
[0007] 本發(fā)明提供的基于最小二乘法的預(yù)加重和均衡方法，應(yīng)用于基于電阻和電容實(shí)現(xiàn) 的預(yù)加重電路的LED驅(qū)動(dòng)電路，其中預(yù)加重電路為η階，包括并聯(lián)的η個(gè)支路，每個(gè)支路為 一個(gè)電阻和一個(gè)電容的串聯(lián)電路，η為正整數(shù)；預(yù)加重電路的輸入電壓記為Vin;本發(fā)明的目 的是獲取η個(gè)支路中電阻和電容的值，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] 步驟1，將預(yù)加重電路中η個(gè)支路中的電阻和電容移除，測(cè)量未使用預(yù)加重電路的 Ε/0/Ε響應(yīng)的衰減-頻率曲線。
[0009] 步驟1. 1，設(shè)置正弦電壓信號(hào)的幅度和頻率，頻率的初始值為0Hz;
[0010] 步驟1. 2,給移除電阻和電容的預(yù)加重電路輸入當(dāng)前設(shè)置的正弦電壓信號(hào)，LED發(fā) 出的光被接收端的光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，然后被前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，記錄 所獲得的輸出電壓信號(hào)的幅度；
[0011] 步驟1.3,判斷是否獲得m個(gè)頻率點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，若否，維持輸入的正弦電壓信號(hào)的 幅度不變，以設(shè)定的頻率間隔為步進(jìn)值改變正弦電壓信號(hào)的頻率，然后繼續(xù)步驟1. 2 ;若 是，計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)上輸入電壓到輸出電壓的衰減，得到一條衰減-頻率曲線。其中，m為 正整數(shù)，衰減用dB表示。
[0012] 步驟1. 4,設(shè)定衰減最小頻率點(diǎn)上的衰減為0,將步驟1. 3得到的衰減-頻率曲線 沿衰減方向平移，得到一條歸一化的衰減-頻率曲線。
[0013] 步驟2，用最小二乘法使預(yù)加重網(wǎng)絡(luò)的增益-頻率曲線與歸一化的衰減-頻率曲線 相擬合，求取η個(gè)支路中電阻和電容的值。
[0014] 步驟2. 1，分析基于電阻和電容實(shí)現(xiàn)的預(yù)加重電路的LED驅(qū)動(dòng)電路，獲得基于電阻 和電容實(shí)現(xiàn)的預(yù)加重電路的增益-頻率函數(shù)，對(duì)對(duì)應(yīng)的增益-頻率曲線進(jìn)行歸一化，設(shè)定 增益最小頻率點(diǎn)上的增益為0,將增益-頻率曲線沿增益方向平移，得到一條歸一化的增 益-頻率曲線；
[0015] 步驟2. 2，用最小二乘法使得歸一化的增益-頻率曲線與歸一化的衰減-頻率曲線 進(jìn)行擬合，獲得最優(yōu)化的電阻和電容的值。
[0016] 其中，最小二乘法的目標(biāo)函數(shù)值S表示為如下：
[0017]
[0018] 求取使得S最小的η個(gè)電阻&，…，Rn以及η個(gè)電容Ci，…，Cn，A表示第i個(gè)頻率， i= 1，2,…，m而是f;的函數(shù)，表示歸一化的預(yù)加重電路的增益-頻率曲線；六(^表示步驟1 得到的歸一化的衰減-頻率曲線。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于：本發(fā)明的解決了在設(shè)計(jì)預(yù)加重和/或后均衡電路 時(shí)，電阻電容選擇盲目低效的問題。通過使用最小二乘法，用歸一化的增益-頻率曲線來擬 合歸一化的衰減-頻率曲線，從而得到最優(yōu)的電阻電容值。相比傳統(tǒng)通過不斷測(cè)試實(shí)驗(yàn)得 到電阻電容值的方法，速度更快，效率更高。相比傳統(tǒng)方法，得到的預(yù)加重均衡電路擁有更 寬的帶寬同時(shí)在通帶內(nèi)更為平坦。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明所應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)電路和二階預(yù)加重電路示意圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量Ε/0/Ε響應(yīng)的測(cè)試框架示意圖；
[0022] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)量的衰減-頻率曲線示意圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例將增益-頻率曲線擬合衰減-頻率曲線的示意圖；
[0024] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例使用預(yù)加重電路后可見光通信系統(tǒng)的幅頻特性圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例使用預(yù)加重電路后得到的傳輸眼圖；（a)為100Mbps偽隨機(jī) 碼型傳輸測(cè)試下的眼圖；(b)為200Mbps偽隨機(jī)碼型傳輸測(cè)試下的眼圖；（c)為300Mbps偽 隨機(jī)碼型傳輸測(cè)試下的眼圖；
[0026]圖7是本發(fā)明實(shí)施例同時(shí)使用預(yù)加重和均衡電路的示意圖；
[0027]圖8是本發(fā)明實(shí)施例使用圖7電路所得到的帶寬被擴(kuò)展后所得到的幅頻特性圖；
[0028] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例使用圖7電路得到的誤碼率和眼圖不例。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030] 本發(fā)明的目的是找到的一個(gè)高效成本低的可見光加重均衡方法，將可見光通信帶 寬擴(kuò)展。在擴(kuò)展可見光通信帶寬的同時(shí)，保證頻譜通帶內(nèi)的平整度，提供更好的傳輸性能。 本發(fā)明將最小二乘法應(yīng)用于預(yù)加重和（或）后均衡電路設(shè)計(jì)，求解最優(yōu)電容和電阻值。
[0031] 下面結(jié)合一個(gè)預(yù)加重電路的LED驅(qū)動(dòng)電路來說明本發(fā)明的基于最小二乘法的預(yù) 加重和均衡方法，包括步驟1~步驟2。
[0032] 如圖1所示，右側(cè)為一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器。作為性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)器，其輸出光功率和輸 入電壓應(yīng)該在較寬的范圍內(nèi)符合線性關(guān)系。而LED作為一種非線性器件，其正向電流隨著 正向電壓呈指數(shù)型增加，其輸出的光功率只能與正向電流保持大致的線性關(guān)系。本發(fā)明實(shí) 施例中，所使用的帶預(yù)加重電路的LED驅(qū)動(dòng)電路包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的運(yùn)算放大器心和A2，第一 個(gè)運(yùn)算放大器4用來實(shí)現(xiàn)預(yù)加重功能，第二個(gè)運(yùn)算放大器A2用來驅(qū)動(dòng)LED。第二個(gè)運(yùn)算放 大器^工作在線性區(qū)，LED的正向電流可以表示為：
[0033] iled - P)
[0034] 其中iled為L(zhǎng)ED的正向電流，Vιη1是LED驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓，Rs是檢流電阻。
[0035] 本發(fā)明的預(yù)加重電路，主要是由運(yùn)算放大器六1構(gòu)成的一個(gè)二階預(yù)加重電路，根據(jù) 需要也可以設(shè)計(jì)成二階以上。如圖1的左側(cè)所示，二階預(yù)加重電路包括運(yùn)算放大器、電阻札、 私、&和Rg、電容CjpC2,Rf、RjPA3且成普通的正相放大器，電阻R￡和Rg確定直流增益，與 電阻Rg并聯(lián)有η個(gè)支路，每個(gè)支路上串聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)電容。與電阻1^并聯(lián)的電阻和電 容支路個(gè)數(shù)η代表預(yù)加重電路的階數(shù)，η為正整數(shù)。圖1中，電阻&和電容q串聯(lián)，電阻R2 和電容C2串聯(lián)，兩個(gè)串聯(lián)電路再與Rg并聯(lián)。串聯(lián)的電阻和電容與電阻、并聯(lián)后得到阻抗 Zg的幅度隨頻率降低，所以在Vιη的高頻成分會(huì)得到更高的增益，Vιη為第一個(gè)運(yùn)算放大器Ai 的輸入電壓。
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例的目的是確定電阻札、R2和電容CpC2。
[0037] 步驟1，去除RpRpCjP C2，測(cè)量電路的Ε/0/Ε響應(yīng)中衰減-頻率曲線。
[0038] 本步驟的目的是在將預(yù)加重電路中η個(gè)支路中的電阻和電容移除后，即本發(fā)明實(shí) 施例為移除札、R2、(^和C2的情況下，測(cè)量系統(tǒng)Ε/0/Ε響應(yīng)中的衰減-頻率曲線。
[0039] 這一測(cè)試可以用函數(shù)發(fā)生器和示波器等儀表完成，也可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完 成，本方法以基于函數(shù)發(fā)生器和示波器等儀表的測(cè)量方法來說明本測(cè)試過程。
[0040] 步驟1. 1，設(shè)置輸入移除電阻和電容的預(yù)加重電路的正弦電壓信號(hào)的幅度和頻率， 頻率的初始值為0Hz。
[0041] 步驟1. 2,給移除電阻和電容的預(yù)加重電路輸入當(dāng)前設(shè)置的正弦電壓信號(hào)。
[0042] 如圖2所示，在&，R2,Q，和C2移除的情況下，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的設(shè)定頻率的正弦 電壓信號(hào)作為Vin輸入到預(yù)加重電路。LED發(fā)出的光被接收端的光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信 號(hào)，然后被