作者：王 鼎 陈赞谦 鲁欢腾
来源：《中国新通信》 2018年第3期
【摘要】 近年来，被称作第四代照明光源的LED 逐渐占据照明市场，由于其能够同时发挥照明和通信功能，且不占用无线电频谱资源，使得可见光通信（VLC）技术得到国内外学者的广泛关注。目前限制VLC 技术发展的主要瓶颈是LED 有限的调制带宽以及高速通信和多路传输导致的码间串扰的影响，而均衡技术是克服以上瓶颈提高系统容量的有效手段。本文主要对硬件均衡技术的原理和性能进行分析和讨论，以期对未来的研究提供参考。 【关键词】 LED VLC 硬件预均衡 硬件后均衡
一、引言
随着固体照明技术的发展，被称作是第四代光源的白光LED 凭借其节能、环保、使用寿命长等优点逐渐扩大照明市场的占有率[1]，并最终取代如白炽灯、荧光灯、气体放电灯等传统光源[2]。随着移动互联网技术的发展，人们对高速的信息传输需求愈加迫切，加上传统的射频通信频带资源愈加紧缺，且通信安全性
低，容易被窃听，在飞机和矿井等对射频信号敏感的场所使用受限等因素，因此就需寻一种更加高速安全的通信方式。白光LED 具有响应速度快、调制特性好、发射功率高等优点，这些特性使得LED 非常适合作为中短距离无线光通信系统中的光源。因此，可见光通信技术于应运而生。可见光通信（Visible Light Communication，VLC）最早由日本庆应义塾（KEIO）大学的Nakagawa 教授在2000 年提出[3]。2003 年, 日本成立了可见光通信联盟，旨在促进可见光通信的产业化。随后欧盟和美国也注意到可见光通信的广阔前景，它们于2008 年先后提出了OMEGA项目[4] 和智慧照明通信项目，可见光通信技术是它们研究的重点。近几年，国内学者在可见光通信技术领域的研究取得了许多成果，主要代表有解放军信息工程大学邬江兴院士、复旦大学迟楠教授以及中国科学院半导体所陈雄斌副研究员等人。另外，南京邮电大学，北京邮电大学，东南大学，哈尔滨工业大学等研究机构对国内的可见光通信技术的发展也做了许多有意义的工作。 二、硬件均衡技术
均衡技术是通过对不平坦的信道进行补偿改善LED 的低通特性和克服码间干扰的一种技术。按均衡器所处的位置不同可分为预均衡和后均衡两类，均衡器位于系统的发射端部分的均衡称为预均衡，位于接收端电路部分的均衡称为后均衡，硬件均衡主要运用模拟电路对信号衰减进行补偿。基于模拟电路的硬件均衡技术，主要是利用RC 电路对白光LED 的频率响应进行补偿，根据均衡器所处位置的不同，可分为模拟预均衡技术和模拟后均衡技术。均衡器位于系统的发射端部分的均衡称为模拟预均衡，位于接收 端电路部分的均衡称为模拟后均衡。目前，均衡电路主要有两类，分别是无源均衡电路和有源均衡电路。无源均衡器由电阻，电容，电感等无源器件组成。有源均衡器通常使用运算放大器、电阻、电容元件，无需电感元件。相对于有源均衡器，无源均衡器的成本较低，运行稳定，容量大，在无线通信技术研究中有较多的技术积累，相较有源均衡器更加成熟。但通常有源均衡器具有更佳的滤波效果，不仅能够滤除系统的谐波分量还能动态补偿无功功率。
三、硬件预均衡技术
LED 的调制带宽是衡量可见光通信系
统性能的一个重要参数，在根源上决定了系统的通信速率和信道容量，其定义是在保证LED 光强调制度不变的条件下，随着加载在LED两端交流信号频率的提高，LED 输出的交流光功率下降到某一低频参考值一半时（-3dB）的频率即为LED 的调制带宽。影响LED 调制带宽的主要因素是PN 结有源区载流子复合寿命和PN 结结电容，当传输的信号频率达到一定值，信号脉冲的持续时间将小于LED 的响应时间，使得LED 的响应电流无法在脉冲信号持续时间内完成变化，从而使光强信号产生失真。硬件预均衡技术主要针对LED 光源存在的调制带宽过窄的问题，通过在发送端驱动电路中加入预均衡电路处理模块，均衡LED 光源两端的信号增益。
四、硬件后均衡技术
信号经过接收端前置放大电路后，其高频段衰减十分严重，根据系统的幅频特性曲线可以看出，高频段信号衰减可达到7dB 之多。目前，模拟后均衡主要采用无源均衡器以及无源均衡器和有源均衡器相结合的形式对信号进行补偿。2009 年，O brien 教授等人利用硬件后均衡技术在接收端前置放大电路后串联一个一阶均衡器，PIN 光电二极管将接收到的光信号转化为电信号，经过放大器后输入到一个由电容和电阻并联组成的一阶均衡器。使用这种后均衡方式，系统的调制带宽扩展到50MHz，传输速率达到100Mbit/s。2014年，中科院半导体所陈雄斌等人结合无源均衡器和有源均衡器的特点，设计了由两个无源均衡器和一个有源均衡器组成的后均衡电路，使可见光通信系统的带宽达到151MHz，在NRZ-OOK 调制方式下数据传输速率达到340Mbit/s。
参 考 文 献
[1] 基于训练序列与数据叠加的ACO-OFDM 无线光通信系统时间同步方法[J]. 王汝言, 王卓, 吴大鹏, 高頔, 左琼华, 赵辉,上官松涛. 电子学报. 2012(01)
[2] 易于硬件实现的OFDM 系统采样频率同步算法[J]. 曲亮, 史治国, 顾宇杰, 陈抗生. 浙江大学学报( 工学版). 2007(06)
[3] 采样时钟偏差对OFDM 系统性能的影响[J]. 李平, 赵志辉, 张振仁. 信息与电子工程. 2006(06)
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