可見光通信中LED非線性補(bǔ)償和帶寬拓展技術(shù)

王玉皞，曹 凡，鄧震宇，劉曉東，羅雨桑，馬 帥，鄢秋榮*

可見光通信中LED非線性補(bǔ)償和帶寬拓展技術(shù)

王玉皞1，曹 凡1，鄧震宇1，劉曉東2，羅雨桑1，馬 帥3，鄢秋榮1*

1南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330000；2武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072；3中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116

可見光通信(VLC)是一項(xiàng)有前景的技術(shù)，作為現(xiàn)有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的有益補(bǔ)充，可提供高速率、低延遲及多設(shè)備接入等通信服務(wù)。借助傳統(tǒng)無(wú)線通信的高性能編碼調(diào)制技術(shù)，已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了各種適配于VLC系統(tǒng)的物理層通信技術(shù)。不同于傳統(tǒng)射頻通信，VLC采用LED作為信號(hào)的發(fā)射源，LED的調(diào)制容易產(chǎn)生非線性失真且調(diào)制帶寬有限，已成為VLC高速通信的技術(shù)瓶頸。針對(duì)這兩方面的挑戰(zhàn)，本文以白光LED為出發(fā)點(diǎn)，闡述了白光LED能有效兼顧照明和通信的特性，總結(jié)和分類了非線性失真補(bǔ)償和拓展調(diào)制帶寬的多種技術(shù)，最后本文提出了LED封裝材料及工藝、新型Micro-LED器件研究、光源布局設(shè)計(jì)、碼間干擾消除技術(shù)等開放性研究問(wèn)題，以期提高可見光通信系統(tǒng)的性能。

可見光通信；白光LED；非線性失真補(bǔ)償；帶寬拓展

1 引 言

隨著數(shù)據(jù)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)以及傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源緊張，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)急需引入更高頻譜效率的技術(shù)來(lái)支持高速率、低延遲和大規(guī)模聯(lián)接的服務(wù)。得益于豐富且免監(jiān)管的可見光頻譜資源，可見光通信(visible light communication，VLC)被認(rèn)為是一種有前景的技術(shù)支持高頻譜效率，并成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1-3]。具體而言，可見光通信是利用具備響應(yīng)靈敏度和支持信號(hào)調(diào)制特性的發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)在滿足照明的同時(shí)提供高速通信服務(wù)的無(wú)線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)的無(wú)線射頻(radio frequency，RF)通信技術(shù)相比，VLC需使用光源發(fā)射器和檢測(cè)器來(lái)完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即使用可見光頻段，因此無(wú)電磁干擾；而可見光難以穿過(guò)障礙物，其安全性高，并能實(shí)現(xiàn)頻率和空間的雙重復(fù)用；利用現(xiàn)有的光源設(shè)施可以靈活快速部署，并支持射頻信號(hào)難以覆蓋的室內(nèi)場(chǎng)所[4]。

鑒于VLC需要保證發(fā)射信號(hào)為非負(fù)實(shí)數(shù)，并保證照明需求，近年來(lái)研究人員設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)適配于VLC的信道編碼、高速調(diào)制等物理層通信，已取得較大進(jìn)展。2012年，Christoph等人設(shè)計(jì)了以RGB LED(red green blue)為發(fā)射機(jī)、PIN(positive intrinsic negative)光電二極管為接收機(jī)的可見光通信系統(tǒng)，并采用DMT(discrete multi tone)調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單通道(紅光)806 Mb/s的傳輸速率[5]。隨著VLC進(jìn)一步發(fā)展，2018年，遲楠等利用五基色LED (RGBYC LED，red green blue yellow cyanogen)作為光源，并采用64QAM-DMT (quadrature amplitude modulation-discrete multi-tone)調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了10.72 Gb/s的傳輸速率[6]。上述的性能提升不僅得益于調(diào)制技術(shù)帶來(lái)的速率增益，更是采用了性能更好的LED發(fā)射前端所帶來(lái)的帶寬增益，并且在VLC系統(tǒng)中，限制其通信帶寬的最大挑戰(zhàn)就在于LED器件的特性。

通常，VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要兼顧照明和通信性能，而白光LED具有長(zhǎng)壽命、高照明效率、可集成度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供高性能照明，并且由于白光LED優(yōu)良的響應(yīng)靈敏度和調(diào)制性能，能夠獲得更平坦的頻響特性，為實(shí)現(xiàn)高速率高頻譜效率的通信提供可能。得益于白光LED能有效地平衡照明和通信需求，使其成為VLC系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的主流發(fā)射器件，而本文的研究正是基于白光LED進(jìn)行展開[7]。具體而言，LED具有非線性的電流-電壓關(guān)系，當(dāng)輸入較大的信號(hào)幅度值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性失真，從而產(chǎn)生諧波和互調(diào)失真，使得系統(tǒng)中的誤差矢量幅度(error vector magnitude，EVM)上升，導(dǎo)致通信系統(tǒng)的誤碼率惡化(bit error rate，BER)[8]。如圖1所示，當(dāng)電路中的直流偏置點(diǎn)變化較大時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)表現(xiàn)出非線性，從而限制發(fā)射功率以及VLC系統(tǒng)信號(hào)的覆蓋范圍[9]；在正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系統(tǒng)中，LED允許通過(guò)的最大直流電流值會(huì)限制輸入信號(hào)的幅度，系統(tǒng)具有較高峰均功率比(peak to average power ratio，PAPR)特性，使得LED表現(xiàn)出非線性，LED的非線性會(huì)影響OFDM的信號(hào)導(dǎo)致帶外輻射、帶內(nèi)失真、頻譜效率降低等問(wèn)題，降低系統(tǒng)的性能[10-11]。針對(duì)LED非線性失真問(wèn)題，使用預(yù)失真技術(shù)可以有效避免LED在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的非線性失真[12]，還可以使用后失真技術(shù)來(lái)補(bǔ)償LED非線性失真[13]。而由于LED是窄帶特性，其支持信號(hào)調(diào)制的帶寬有限，限制了整個(gè)通信系統(tǒng)的帶寬。針對(duì)LED帶寬有限問(wèn)題，預(yù)均衡技術(shù)和后均衡技術(shù)可以拓展LED調(diào)制帶寬[14]。因此本文從預(yù)失真技術(shù)和后失真技術(shù)的角度總結(jié)對(duì)比了補(bǔ)償LED非線性失真的各類技術(shù)，以及從均衡技術(shù)角度總結(jié)對(duì)比了解決LED調(diào)制帶寬有限的各類技術(shù)。

圖1 LED非線性傳輸特性

本文的章節(jié)安排為：第2部分介紹了白光LED器件，講述了白光LED在可見光通信中的作用以及白光LED調(diào)制特性；第3部分介紹了白光LED非線性失真問(wèn)題以及補(bǔ)償技術(shù)；第4部分介紹了白光LED的帶寬拓展技術(shù)；第5部分對(duì)文中提到的非線性失真問(wèn)題和白光LED帶寬調(diào)制的研究方案進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 白光LED器件

2.1 LED可見光通信系統(tǒng)組成

LED可見光通信是通過(guò)LED將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并利用光電傳感器進(jìn)行信號(hào)接收的通信系統(tǒng)?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)框圖如圖2所示，其通常由信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊以及自由空間信道三部分組成。

發(fā)射模塊：首先將原始數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的比特流，然后經(jīng)過(guò)預(yù)處理和編碼，將編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行信道調(diào)制，最后將調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并最終發(fā)射出去，其中發(fā)射端一般采用LED將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。值得注意的是，輸入到LED的信號(hào)應(yīng)該保證非負(fù)實(shí)數(shù)，并盡可能限制在LED的線性工作區(qū)。

接收模塊：光信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間傳輸信道，到達(dá)可見光通信系統(tǒng)的接收端，接收端一般采用光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)以及數(shù)據(jù)譯碼獲得原始比特信息。常用的光電二極管有PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、圖像傳感器(CMOS、CCD)、光電倍增管。其中，CMOS、CCD等圖像光感器可以接收多個(gè)基色的光信號(hào)，但是其反應(yīng)速度較低，難以實(shí)現(xiàn)高速傳輸應(yīng)用；PIN光電二極管接收響應(yīng)靈敏度高，光學(xué)靈敏度高，價(jià)格相對(duì)低廉，比較適合作為可見光通信的接收器件；雪崩光電二極管(APD)的響應(yīng)速度，光學(xué)靈敏度比PIN光電二極管高，但是價(jià)格昂貴，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜度高，很難實(shí)現(xiàn)可見光通信的實(shí)用化[14]。

圖2 可見光通信系統(tǒng)框圖

VLC系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)通信，并要保證照明需求，確保其滿足對(duì)人眼的安全約束。因此對(duì)VLC系統(tǒng)的發(fā)射前端LED的選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化更為迫切。

2.2 白光LED光源及其特性

可見光通信中常用白光LED提供照明和通信，白光LED可分為熒光粉型LED和多芯片LED。熒光粉型LED是利用藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉的方式合成白光LED。多芯片LED一般是將多種單色光(諸如紅光、綠光、藍(lán)光等)芯片封裝在一起，并利用光的疊加原理形成白光LED[15]。

表1概述了LED不同類別及主要特征、性能，從表1中可知，熒光粉LED結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在日常照明中被廣泛應(yīng)用，一般熒光粉LED帶寬為3 MHz~5 MHz，發(fā)光效率為130 lm/W[16]。但是，熒光粉LED自身也存在一些不足。首先，熒光粉LED具有非線性的電流-電壓關(guān)系并且其動(dòng)態(tài)范圍有限，信號(hào)受到限制[17-19]。其次，熒光粉LED是一個(gè)窄帶器件，調(diào)制帶寬比較低，頻譜利用率不高，并且熒光粉LED中含有的熒光粉響應(yīng)比較緩慢，這些因素極大的限制了VLC系統(tǒng)的性能。

表1中列舉了RGB LED以及RGBYC LED兩種類型的多芯片LED，多芯片LED的帶寬一般高于熒光粉LED帶寬，常用的多芯片LED為RGB LED，一般為10 MHz~20 MHz[16]。2017年，南昌大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種無(wú)熒光粉五基色白光LED，該白光LED發(fā)光效率為100.5 lm/W[21]。并在2019年突破黃光鴻溝效應(yīng)，將五基色LED的發(fā)光效率進(jìn)一步提升至120 lm/W，使其具備高性能的照明能力。并且，多基色LED天然地支持多信道同時(shí)通信，能獲得比熒光粉LED更好的照明和通信性能[20]。但多基色LED本質(zhì)上是由多個(gè)燈珠構(gòu)成，因此也受到非線性失真和有限帶寬的約束。

表1 不同類別LED的比較

綜上所述，熒光粉LED和多芯片LED都具有非線性特性，并且調(diào)制帶寬仍舊有限，因此，本文將進(jìn)一步剖析LED非線性失真和帶寬調(diào)制限制并概述相應(yīng)的解決方案。

3 LED的非線性失真與補(bǔ)償技術(shù)

在可見光通信系統(tǒng)中，器件的非線性特性會(huì)降低VLC的性能，而LED的非線性失真對(duì)其性能影響最大，其非線性特性引起發(fā)射信號(hào)發(fā)生削波和失真，從而導(dǎo)致VLC系統(tǒng)的誤差矢量幅度上升及比特誤碼率惡化。具體而言，引起LED非線性失真原因有兩種：一種是由LED光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中非線性映射引起的，另一種是由于LED的電壓低于導(dǎo)通電壓或是LED電流超過(guò)最大允許電流造成的非線性失真[8]。為了有效地減小LED非線性失真對(duì)VLC性能的影響，本文先探討了多種非線性模型，并根據(jù)不同的模型分類總結(jié)各種非線性失真的補(bǔ)償技術(shù)。

非線性模型分為無(wú)記憶LED非線性模型和記憶LED非線性模型兩類。無(wú)記憶非線性模型主要使用非記憶多項(xiàng)式進(jìn)行建模，然而無(wú)記憶多項(xiàng)式模型不足以描述LED的非線性特性，如圖3(a)和3(b)所示的LED中非線性的電流-光功率關(guān)系和電壓-電流關(guān)系，其頻率決定的載流子密度響應(yīng)會(huì)引入記憶效應(yīng)[22]。常用的能夠描述記憶效應(yīng)的非線性模型有Volterra模型、記憶多項(xiàng)式模型、Wiener模型、Hammerstein模型等。這些模型可以用來(lái)描述LED非線性特性，并根據(jù)這些模型來(lái)設(shè)計(jì)LED非線性失真補(bǔ)償方案。

目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界為補(bǔ)償LED的非線性失真問(wèn)題做出了大量研究，主要集中在預(yù)失真技術(shù)[11,23-27]和后失真技術(shù)[28-32]。

3.1 預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真是一種在輸入信號(hào)未調(diào)制之前加入預(yù)失真模塊來(lái)補(bǔ)償LED非線性失真的方法。

為了獲得LED的線性，l和x應(yīng)該相等，因此預(yù)失真器的傳遞函數(shù)可以表示為

從上面公式推導(dǎo)可以看出，預(yù)失真就是通過(guò)硬件電路或軟件算法或兩者的結(jié)合，擬合出LED反向特性曲線的過(guò)程。

目前，預(yù)失真技術(shù)根據(jù)模型的原理分為三種：預(yù)失真電路模型，記憶多項(xiàng)式模型，自適應(yīng)預(yù)失真模型。

預(yù)失真電路模型：預(yù)失真電路位于信號(hào)源和LED驅(qū)動(dòng)之間，主要作用是為L(zhǎng)ED提供驅(qū)動(dòng)電流，預(yù)失真電路可分為微分相位(differential phase，DP)電路和微分增益(differential gain，DG)電路。預(yù)失真電路補(bǔ)償技術(shù)框圖如圖5。

圖3 LED非線性特性。

(a) LED電流-光功率關(guān)系圖；(b) LED電壓-電流關(guān)系圖

Fig. 3 LED nonlinear characteristics.

(a) LED I-O curve; (b) LED V-I curve

圖4 預(yù)失真結(jié)構(gòu)圖

Asatani等充分發(fā)揮DP和DG電路各自的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了異構(gòu)型預(yù)失真補(bǔ)償電路，其中，DP電路能有效緩解LED的二次諧波失真，性能增益達(dá)到19 dB；同時(shí)，DG電路能有效改善LED的三次諧波失真，能夠獲得21 dB的性能增益，并且DP與DG電路互不影響，但是DP電路需增加額外物理反饋回路，并且DP電路對(duì)LED的非線性變化不能進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取[23]。

記憶多項(xiàng)式模型：記憶多項(xiàng)式模型是通過(guò)擬合LED的反向特性曲線對(duì)LED進(jìn)行非線性補(bǔ)償。Elgala等人采用記憶多項(xiàng)式模型來(lái)補(bǔ)償LED的非線性失真。該模型能夠擬合出LED反向特性曲線，當(dāng)功率補(bǔ)償為5 dB時(shí)，BER為2.5′10-5，有效地改善了LED非線性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，但是不能實(shí)時(shí)地獲取LED非線性變化[11]。

自適應(yīng)預(yù)失真模型：上述兩種方案都不能實(shí)時(shí)跟蹤LED的非線性特性變化，并且沒(méi)有考慮帶通內(nèi)不平坦頻率響應(yīng)伴隨的LED記憶效應(yīng)，針對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)，姚賽杰等提出了一種自適應(yīng)預(yù)失真補(bǔ)償?shù)姆椒╗24]用來(lái)補(bǔ)償LED記憶非線性失真。圖6所示為自適應(yīng)預(yù)失真結(jié)構(gòu)圖，這種模型主要是在發(fā)射端增加一條反饋鏈路來(lái)實(shí)時(shí)獲取LED的輸出信號(hào)，反饋鏈路由光電二極管、帶通濾波器、放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，將所得到的數(shù)字信號(hào)輸入到使用記憶多項(xiàng)式的參數(shù)估計(jì)模塊，得到合適的參數(shù)直接反饋給預(yù)失真模塊。

通過(guò)該自適應(yīng)預(yù)失真模型對(duì)LED的非線性失真進(jìn)行補(bǔ)償，并在16QAM(quadrature amplitude modulation)調(diào)制下對(duì)該模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，如圖7所示，記憶效應(yīng)的自適應(yīng)預(yù)失真算法的BER性能比記憶多項(xiàng)式模型[11]的BER性能更好。

在文獻(xiàn)[24]模型結(jié)構(gòu)的框架上，Jin等人提出了一種基于自適應(yīng)的歸一化最小均方(NLMS，normalised least mean square)的預(yù)失真方法，該方法主要由RAM (random access memory)和自適應(yīng)NLMS算法組成，利用自適應(yīng)NLMS算法更新RAM以得到實(shí)時(shí)的反饋信號(hào)，并發(fā)送給預(yù)失真模塊。該方法無(wú)需增加額外物理反饋鏈路，解決了LED由于老化或者溫度變化導(dǎo)致的非線性參數(shù)發(fā)生變化的問(wèn)題，補(bǔ)償了LED非線性失真，改善了可見光通信系統(tǒng)的誤碼率，如圖7所示。在16 QAM調(diào)制下，當(dāng)BER為10-4時(shí)，該模型的預(yù)失真器性能增益比記憶多項(xiàng)式自適應(yīng)預(yù)失真中的預(yù)失真器性能增益高0.5 dB ，但是計(jì)算復(fù)雜度較高[25]。在Jin等人提出模型基礎(chǔ)上，Mitra等人提出一種新的非線性自適應(yīng)算法，基于切比雪夫多項(xiàng)式回歸的非線性預(yù)失真器，使用自適應(yīng)的歸一最小均方(NLMS)算法，通過(guò)切比雪夫多項(xiàng)式展開來(lái)校正LED的非線性特性，補(bǔ)償可見光通信系統(tǒng)中LED非線性失真[26]，與文獻(xiàn)[25]中的模型相比，該算法能夠更好地校正LED非線性，顯著提高誤碼率性能，但其代價(jià)是需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的自適應(yīng)模型。因此，在自適應(yīng)預(yù)失真技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，需要權(quán)衡并優(yōu)化好非線性失真的補(bǔ)償增益與電路/算法復(fù)雜度的關(guān)系。

表2對(duì)三種預(yù)失真經(jīng)典方案進(jìn)行了總結(jié)，三種預(yù)失真方案在非線性模型、計(jì)算復(fù)雜度、額外物理反饋回路、模型結(jié)構(gòu)等方面還存在一定的不足，近年來(lái)，遲楠等提出了一種新的基于機(jī)器學(xué)習(xí)聚類算法對(duì)LED進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償[27]，采用CAP(carrierless amplitude/phase modulation)調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)中BER至少改善了50%，顯著提高了系統(tǒng)的通信性能。但該類方法還處在發(fā)展階段，因此，后期還需深入研究LED非線性失真問(wèn)題，以期提供更好的解決方案來(lái)補(bǔ)償LED非線性失真。

圖5 預(yù)失真電路補(bǔ)償技術(shù)框圖

圖6 自適應(yīng)預(yù)失真結(jié)構(gòu)框圖

圖7 非線性方法性能比較

表2 預(yù)失真經(jīng)典方法總結(jié)

3.2 后失真技術(shù)

后失真是一種在可見光通信系統(tǒng)接收端對(duì)已經(jīng)失真的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償以恢復(fù)出原始信號(hào)的方法。不同于預(yù)失真技術(shù)大部分需要增加額外的物理反饋回路，后失真不需要增加物理反饋回路，一般從軟件算法對(duì)LED的非線性失真進(jìn)行補(bǔ)償，因此需要消耗一定的計(jì)算資源。后失真技術(shù)根據(jù)模型原理分為三類：Volterra判決反饋均衡模型、自適應(yīng)后失真模型、頻域均衡后失真模型。

Volterra判決反饋均衡模型：Voterra判決反饋均衡(DFE)一般包含線性項(xiàng)和濾波器反饋部分[28]，如下所示：

其中：

圖8 Volterra DFE結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 8 Structure of Volterra DFE

Stepniak等設(shè)計(jì)了Volterra判決反饋均衡器，并證明具有二階項(xiàng)Volterra判決反饋均衡器可以克服由熒光粉LED引起的ISI(inter-symbol interference)，并且有效地補(bǔ)償LED非線性[28]，顯著提高了系統(tǒng)的BER性能，但是通常情況下，Volterra級(jí)數(shù)非常復(fù)雜，需要消耗更多的計(jì)算資源，這會(huì)增加VLC系統(tǒng)的復(fù)雜度。

自適應(yīng)后失真模型: Qian等提出了一種記憶多項(xiàng)式的自適應(yīng)后失真技術(shù)，該模型主要是在接收端設(shè)計(jì)一條反饋鏈路用來(lái)估計(jì)和補(bǔ)償接收端LED非線性失真，該方法明顯改善了系統(tǒng)的誤差矢量幅度和誤碼率性能[29]，并且能夠?qū)⑾牡挠?jì)算資源控制在合理范圍內(nèi)。Mitra等提出了一種基于自適應(yīng)稀疏KMSER (kernel minimum symbol error rate)算法的后失真方法，在16QAM調(diào)制技術(shù)下，該方案與Volterra判決反饋均衡模型相比，有更好的誤碼率性能，并且可以降低計(jì)算負(fù)載[30]。

頻域均衡后失真模型：Yuan等提出了一種頻域均衡和判決引導(dǎo)最小均方算法混合的后失真技術(shù)，從頻域角度補(bǔ)償了LED非線性，系統(tǒng)的傳輸速率達(dá)到4.22 Gb/s，這種模型能夠解決LED不平坦頻域響應(yīng)造成的記憶性問(wèn)題，但該方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[31]。

上面三種后失真補(bǔ)償方法能夠有效地補(bǔ)償LED非線性失真問(wèn)題，但是模型結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，算法復(fù)雜度較高。隨著人工智能的發(fā)展，考慮到機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)采樣數(shù)據(jù)比較敏感，徐旭東等人提出了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)后失真補(bǔ)償方法，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)同樣可以擬合出LED的反向特性曲線[32]，但是還處在發(fā)展階段，需要進(jìn)行改進(jìn)。因此，后期還需研究新的解決方案來(lái)補(bǔ)償可見光通信系統(tǒng)接收端LED非線性失真問(wèn)題。

4 白光LED帶寬拓展技術(shù)

白光LED是個(gè)窄帶器件，調(diào)制帶寬有限，在可見光通信中，是制約系統(tǒng)帶寬的重要因素，限制了信道容量和高數(shù)據(jù)速率傳輸。因此，我們需要拓展白光LED的調(diào)制帶寬，提高系統(tǒng)的通信性能。目前，已經(jīng)有很多研究設(shè)計(jì)并攻關(guān)針對(duì)白光LED的帶寬拓展技術(shù)，分別從發(fā)射端的預(yù)均衡技術(shù)和接收端的后均衡技術(shù)兩方面進(jìn)行研究；同時(shí)針對(duì)熒光粉LED存在的由熒光粉引起的LED響應(yīng)和傳輸速率慢的挑戰(zhàn)，提出并設(shè)計(jì)了在接收端采用藍(lán)光濾波技術(shù)，在光電檢測(cè)器接收到信號(hào)之前盡量濾除熒光粉頻譜成分[33]。

4.1 預(yù)均衡技術(shù)

在可見光通信中，由于LED頻率響應(yīng)不平坦，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的高速傳輸速率，此問(wèn)題可以在發(fā)射端采用預(yù)均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償LED頻率響應(yīng)。預(yù)均衡技術(shù)可分為硬件預(yù)均衡和軟件預(yù)均衡，硬件預(yù)均衡主要是設(shè)計(jì)模擬均衡電路對(duì)信號(hào)的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，軟件預(yù)均衡是通過(guò)信道特性自動(dòng)調(diào)整發(fā)射信號(hào)波形，達(dá)到信號(hào)均衡效果的一種方法[14]。本文調(diào)研了不同的預(yù)均衡設(shè)計(jì)方法，總結(jié)和對(duì)比了串聯(lián)諧振電路、無(wú)源超前校正電路、晶體管預(yù)均衡電路、改進(jìn)型Bias-T均衡和橋T型幅度均衡電路，其中，晶體管預(yù)均衡電路和改進(jìn)型Bias-T均衡電路是基于傳統(tǒng)Bias-T均衡電路進(jìn)行的改進(jìn)。

串聯(lián)諧振電路：Minh等提出一種串聯(lián)諧振電路用于16-LEDs陣列的VLC系統(tǒng)，并將LED的帶寬拓展至25 MHz，以及系統(tǒng)傳輸速率提升至40 Mbit/s[34]，使用多個(gè)LED構(gòu)成光源陣列，顯著改善照明效果的同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)整體帶寬。但是由于每個(gè)LED的諧振頻率點(diǎn)不一樣，需要匹配每個(gè)LED的參數(shù)，電路復(fù)雜，調(diào)試難度大，成本高，不適合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景?；诖?，Minh采用三路串聯(lián)諧振電路，使用單個(gè)大功率白光LED可將帶寬拓展至45 MHz，并且系統(tǒng)的通信速率達(dá)到80 Mbit/s[35]。整個(gè)系統(tǒng)均衡后的頻率響應(yīng)值是由三路串聯(lián)諧振電路各自的頻率響應(yīng)值進(jìn)行相互補(bǔ)償?shù)玫降?，故需要?duì)大量的元件進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并且需要增加驅(qū)動(dòng)電路數(shù)量，加大了電路的復(fù)雜度。

無(wú)源超前校正電路：由于LED的頻率響應(yīng)特性曲線是一條隨著頻率增大而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的曲線，可以在LED進(jìn)行光調(diào)制之前增加一級(jí)無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)的高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性曲線更加平滑，從而達(dá)到頻率均衡的效果。Li等提出了一種單路調(diào)制的低復(fù)雜度電路，在后一級(jí)電路使用運(yùn)放調(diào)整輸出信號(hào)的幅值，調(diào)試難度小，成本低，并且可以采用多級(jí)無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行更加精確的頻率特性補(bǔ)償，達(dá)到更高的調(diào)制帶寬[36]。為了進(jìn)一步提高通信速率，F(xiàn)ujmoto等采用大功率RGB LED設(shè)計(jì)了一種單路驅(qū)動(dòng)方式的均衡電路，相對(duì)于串聯(lián)諧振電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易調(diào)試，并且單路最大傳輸速率達(dá)到了662Mbit/s[37]。

改進(jìn)型Bias-T均衡電路：通常VLC系統(tǒng)中會(huì)使用Bias-T對(duì)信號(hào)添加直流偏置，使交流信號(hào)處在直流信號(hào)之上，然后將耦合的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，以保證LED的發(fā)射信號(hào)非負(fù)，并且能夠保證LED持續(xù)發(fā)光，完成照明任務(wù)。Yeh等設(shè)計(jì)了一種基于熒光粉LED的VLC系統(tǒng)，在16QAM調(diào)制技術(shù)下，系統(tǒng)響應(yīng)帶寬提升至30 MHz[38]。該方案可以不使用Bias-T前一級(jí)的均衡器，降低了電路復(fù)雜度。但是，改進(jìn)型的Bias-T電路對(duì)各個(gè)器件參數(shù)敏感，同時(shí)各個(gè)器件的參數(shù)會(huì)同時(shí)影響信號(hào)的幅頻響應(yīng)和信號(hào)的直流偏置，該方案存在一定的調(diào)試難度。

晶體管預(yù)均衡電路：上述均衡方案采用Bias-T來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，除此之外，還可基于晶體管驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED工作，并且對(duì)晶體管驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)便可調(diào)整和改善信號(hào)的幅頻響應(yīng)。具體而言，F(xiàn)ujimoto等采用了RGB LED作為信號(hào)發(fā)射源，設(shè)計(jì)晶體管預(yù)均衡電路，達(dá)到了477 Mbit/s的傳輸速率，該均衡器方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需使用Bias-T偏置電路，降低了電路成本[39]。陳雄斌等利用高速運(yùn)算放大器和RC元件組成的預(yù)均衡電路，在1.1 m處使用熒光粉LED作為光源，經(jīng)過(guò)藍(lán)光濾光后使得系統(tǒng)帶寬從3 MHz提高到77.6 MHz，系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到了200 Mbit/s[36]。之后，該團(tuán)隊(duì)又提出了一種新型NPN (negative-positive-negative)型晶體管預(yù)均衡電路，并且在接收端進(jìn)行藍(lán)光濾波，LED的帶寬達(dá)到了175 MHz，傳輸速率達(dá)到了460 Mbit/s[40]。值得注意的是，晶體管在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果長(zhǎng)時(shí)間處在工作狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱噪聲，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至?xí)龤Ьw管。因此，使用晶體管驅(qū)動(dòng)電路的均衡電路要考慮系統(tǒng)功耗、散熱設(shè)計(jì)等參數(shù)特性。

橋T型幅度均衡電路：傳統(tǒng)的橋T型網(wǎng)絡(luò)存在峰值響應(yīng)頻率，對(duì)可見光通信系統(tǒng)的幅頻特性補(bǔ)償非常有限，僅能在小范圍內(nèi)提高系統(tǒng)頻率響應(yīng)。為了克服該挑戰(zhàn)，遲楠等提出了一種橋T型幅度均衡器，在RGB LED為發(fā)射器件的VLC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了750 Mbit/s的通信速率[41]。此外，又設(shè)計(jì)了一種雙級(jí)聯(lián)橋T型幅度均衡器，使用熒光粉LED作為光源，實(shí)現(xiàn)了1600 Mbit/s的傳輸速率[42]。該均衡電路大大改善了LED的頻率響應(yīng)特性，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)調(diào)制帶寬。相對(duì)于傳統(tǒng)的橋T型幅度均衡器，該橋T型幅度均衡電路具有良好的線性幅頻響應(yīng)曲線，以及阻抗匹配性能。

針對(duì)現(xiàn)有的硬件預(yù)均衡電路都需要對(duì)電路中多個(gè)元器件及參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種微分均衡電路，前一級(jí)由電阻R和電容C并聯(lián)構(gòu)成信號(hào)的微分器，減小低頻信號(hào)的幅度響應(yīng)，采用五基色LED作為驅(qū)動(dòng)器，在后一級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器前加入一個(gè)等效的輸入電阻，經(jīng)測(cè)試后LED的帶寬達(dá)到了150 MHz，系統(tǒng)傳輸速率達(dá)到單路600 Mbit/s。并且本電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試難度低，只需對(duì)電容C進(jìn)行調(diào)節(jié)，各元件參數(shù)耦合系數(shù)好。

從上述各種技術(shù)的原理和發(fā)展來(lái)看，硬件預(yù)均衡技術(shù)能夠增加系統(tǒng)的帶寬，但模擬電路不能靈活調(diào)節(jié)各個(gè)元件參數(shù)、帶寬受限等問(wèn)題，存在一定的局限性，而軟件預(yù)均衡不需要考慮這些問(wèn)題。主流的軟件預(yù)均衡方案是FIR(finite impulse response)預(yù)均衡濾波器。

FIR預(yù)均衡濾波器：該濾波器設(shè)計(jì)思想是求出有限的脈沖響應(yīng)來(lái)逼近給定的頻率響應(yīng)[14]。遲楠等提出了一種軟件預(yù)均衡技術(shù)來(lái)拓展熒光粉LED的有限帶寬，在1.0 m的自由空間中，系統(tǒng)達(dá)到了2.08 Gbit/s的傳輸速率。與硬件預(yù)均衡相比，能夠明顯改善系統(tǒng)的傳輸速率[43]，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，濾波器階數(shù)與系統(tǒng)的復(fù)雜度成正比，要選擇合適的濾波器階數(shù)來(lái)平衡好預(yù)均衡濾波器復(fù)雜度的關(guān)系。

表3概述了上述預(yù)均衡技術(shù)進(jìn)展并且進(jìn)行了分類，這些均衡技術(shù)都能拓展白光LED的帶寬，但是硬件預(yù)均衡在電路復(fù)雜度、電路調(diào)試難易、電路穩(wěn)定性、元件敏感性等方面還存在不足，同時(shí)軟件預(yù)均衡需要平衡濾波器階數(shù)和模型復(fù)雜度的問(wèn)題，因此，硬件預(yù)均衡可以與軟件預(yù)均衡以及高階調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高VLC的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性。

4.2 藍(lán)光濾波技術(shù)

熒光粉LED中含有熒光粉，而熒光粉響應(yīng)比較緩慢會(huì)影響系統(tǒng)的傳輸速率[44]，針對(duì)此問(wèn)題，Minh等理論分析指出熒光粉LED響應(yīng)帶寬只有2.5 MHz，藍(lán)光響應(yīng)的帶寬約為14 MHz[45]。由此可見，通過(guò)一定的技術(shù)減少熒光粉內(nèi)的黃光分量，盡量只通過(guò)或者保留藍(lán)光分量用作通信載體來(lái)改善熒光粉LED的帶寬。具體而言，可在VLC系統(tǒng)的接收端前端放置一個(gè)藍(lán)光濾波器，用于濾除和抑制熒光粉LED中由熒光粉引入的黃光分量[44]。值得注意的是，藍(lán)光濾波片在濾除黃光分量的同時(shí)卻損失了60%的LED發(fā)射功率，對(duì)此，Tokgoz等設(shè)計(jì)了一種藍(lán)光響應(yīng)平坦化的濾波器用來(lái)處理黃光熒光粉的黃光光譜成分，并同時(shí)不會(huì)損耗LED發(fā)射信號(hào)成分，其誤碼率性能相對(duì)藍(lán)光濾波片能有效降低12%~15%[46]?？傮w而言，包括藍(lán)光濾波片和藍(lán)光平坦化濾波器在內(nèi)的藍(lán)光濾波技術(shù)能有效改善系統(tǒng)的傳輸速率，提升系統(tǒng)的性能。

4.3 后均衡技術(shù)

后均衡方法與預(yù)均衡方法類似，后均衡是一種在可見光通信系統(tǒng)接收端拓展帶寬的方法。目前，后均衡技術(shù)可分為硬件后均衡和軟件后均衡。

表3 預(yù)均衡技術(shù)進(jìn)展及對(duì)比

硬件后均衡技術(shù)：Minh等提出了一種一階模擬后均衡器電路，該電路與沒(méi)有進(jìn)行后均衡的電路相比，帶寬拓展到了50 MHz，系統(tǒng)通信速率達(dá)到了100 Mbit/s[45]。之后，Li等提出了一種新的后均衡電路，包含兩個(gè)無(wú)源均衡器和一個(gè)有源均衡器，再結(jié)合藍(lán)光濾波技術(shù)，使得系統(tǒng)帶寬達(dá)到151 MHz，傳輸速率達(dá)到340 Mbit/s[47]。該硬件后均衡電路能夠明顯改善LED調(diào)制帶寬，提高系統(tǒng)的傳輸速率。此外，熒光粉LED進(jìn)行帶寬拓展時(shí)，可以將藍(lán)光濾光技術(shù)與后均衡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，Li等將后均衡電路與藍(lán)光濾波技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)傳輸速度達(dá)到340 Mbit/s[45]。與本文提到的Minh等提出的一階模擬后均衡器電路相比，系統(tǒng)傳輸速率提高了240 Mbit/s，可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率大幅度提高。

軟件后均衡技術(shù)：在可見光通信系統(tǒng)中，為了滿足照明需求并提高通信速率和覆蓋范圍，一般會(huì)采用多LED構(gòu)成發(fā)射陣列，由此在接收端造成多徑干擾，進(jìn)而導(dǎo)致符號(hào)間干擾，使得信號(hào)發(fā)生失真，從而限制系統(tǒng)的最大傳輸速率[48]。硬件后均衡電路可以拓展LED調(diào)制帶寬，但是不能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償多徑效應(yīng)帶來(lái)的信號(hào)失真問(wèn)題。針對(duì)由多徑效應(yīng)帶來(lái)的信道軟件后均衡失真問(wèn)題，有多種解決方案，例如自適應(yīng)均衡、線性均衡等方法，早前，Toshihiko等提出了一種基于LMS的自適應(yīng)均衡技術(shù)用來(lái)克服ISI，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地減輕ISI造成的影響，但是傳輸速率相對(duì)較低[49]。遲楠等采用了一種結(jié)合LMS算法深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性均衡技術(shù)，達(dá)到了2.4 Gbit/s的系統(tǒng)傳輸速率[50]，誤碼率明顯得到改善。

在可見光通信中，可將預(yù)均衡技術(shù)和后均衡技術(shù)結(jié)合使用，在發(fā)射端采用預(yù)均衡技術(shù)來(lái)拓展LED調(diào)制帶寬，在接收端采用后均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償信道產(chǎn)生的信號(hào)失真問(wèn)題，能夠大幅度提高系統(tǒng)傳輸速率。

5 總結(jié)與展望

白光LED是可見光通信中的關(guān)鍵器件，而白光LED的非線性失真和調(diào)制帶寬有限是提升VLC系統(tǒng)性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因此，本文以白光LED作為切入點(diǎn)對(duì)可見光通信系統(tǒng)白光LED器件及白光LED非線性失真和帶寬調(diào)制特性進(jìn)行了研究和剖析。

針對(duì)LED非線性失真問(wèn)題，分類概述了當(dāng)前主流的高效的預(yù)失真技術(shù)和后失真技術(shù)，這幾種技術(shù)能夠補(bǔ)償LED非線性失真問(wèn)題，提高系統(tǒng)的性能，但在非線性模型、計(jì)算復(fù)雜度、額外物理反饋回路、模型結(jié)構(gòu)等指標(biāo)上還存在局限性，需要在這些指標(biāo)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。針對(duì)白光LED有限帶寬問(wèn)題，闡述了主要的預(yù)均衡技術(shù)和后均衡技術(shù)，這幾種方案都能拓展白光LED的有限帶寬，提高系統(tǒng)的通信速率。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的通信性能，降低成本，還需對(duì)電路復(fù)雜度、調(diào)試難易、穩(wěn)定性、元件敏感性等硬件指標(biāo)和計(jì)算資源、模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜度等軟件指標(biāo)進(jìn)行深入研究。

通過(guò)從收發(fā)端對(duì)預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)和LED帶寬拓展技術(shù)的優(yōu)劣以及設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度的概述，對(duì)發(fā)射模塊和接收模塊的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了大量的闡述。從系統(tǒng)優(yōu)化角度而言，信道作為系統(tǒng)重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)有重大的影響，首先，發(fā)射端信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，由接收端接收，會(huì)引入信道噪聲，若在接收端進(jìn)行非線性失真補(bǔ)償技術(shù)和均衡技術(shù)，會(huì)使得系統(tǒng)更加復(fù)雜；其次，在發(fā)射端使用模擬預(yù)均衡技術(shù)，可處理大部分頻率響應(yīng)不平坦問(wèn)題，但是接收端還存在來(lái)自信道和器件中的響應(yīng)不平坦問(wèn)題。因此，本團(tuán)隊(duì)在發(fā)射端采用預(yù)失真技術(shù)和模擬預(yù)均衡技術(shù)，在接收端加入數(shù)字后均衡技術(shù)，來(lái)優(yōu)化VLC的性能。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試驗(yàn)證了方案的可行性，即將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)輸出功率設(shè)置為10 dBm，發(fā)射端和接收端間距為80 cm，測(cè)試出VLC系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)曲線如圖9(a)，相比于未進(jìn)行均衡的頻響圖9(b)系統(tǒng)的低頻信號(hào)幅度響應(yīng)降低，高頻信號(hào)幅度響應(yīng)得到補(bǔ)償，整體系統(tǒng)的幅頻曲線變得平坦，可用帶寬達(dá)到90 MHz以上(-3 dB調(diào)制帶寬60 MHz)，隨著頻率的增加，信號(hào)幅度響應(yīng)衰減緩慢，VLC系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性得到了很好地補(bǔ)償，系統(tǒng)調(diào)制帶寬大幅度提升。

圖9 VLC系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)曲線。(a) 進(jìn)行均衡處理；(b) 未進(jìn)行均衡處理

白光LED還存在封裝材料及工藝等問(wèn)題需要解決，在LED封裝工藝中會(huì)產(chǎn)生寄生電容、寄生電感等寄生參數(shù)，寄生參數(shù)影響LED的調(diào)制帶寬，如果要降低白光LED寄生參數(shù)，就需要優(yōu)化LED芯片結(jié)構(gòu)，提高LED的調(diào)制帶寬?，F(xiàn)有一種新型Micro-LED器件可以在減小體積、成本的同時(shí)兼顧低功耗、響應(yīng)靈敏度高特性，故新型Micro-LED器件也可作為可見光通信器件進(jìn)行深入研究。同時(shí)，LED器件的形態(tài)越來(lái)越小可以為MIMO(multiple-input multiple-output)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供解決方案。但是在MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，多個(gè)白光LED陣列會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，為避免出現(xiàn)干擾，使得接收光功率的分布趨向均勻，設(shè)計(jì)合理的光源布局成為必要，因此后期需深入研究光源布局、碼間干擾消除技術(shù)等以期提高系統(tǒng)的性能。

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LED nonlinearity compensation and bandwidth expansion techniques in visible light communication

Wang Yuhao1, Cao Fan1, Deng Zhenyu1, Liu Xiaodong2,Luo Yusang1, Ma Shuai3, Yan Qiurong1*

1School of Information Engineering, NanchangUniversity, Nanchang, Jiangxi 330000, China;2School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China;3School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116, China

General frame diagram

Overview:Visible light communication (VLC) is a promising technology that can be used as a useful complement to existing wireless communication networks, it can provide high speed, low latency and multi-device access communication services. With the help of high performance coding modulation technology of traditional wireless communication, a variety of physical layer communication technologies adapted to VLC system have been designed and implemented. Different from traditional radio frequency communication, VLC use LED as the transmitting source of signals. The modulation of LEDs is prone to produce nonlinear distortion and limits the modulation bandwidth, which has become the technical bottleneck of VLC high-speed communication. According to these two challenges, with white LED as the starting point, this paper expounds the characteristics of white LED that can effectively both illumination and communications, and then summarizes and classifies a variety of technologies for the nonlinear distortion compensation and extension of the LED modulation bandwidth. In view of the nonlinear distortion compensation technology, this paper enumerates pre-distortion compensation scheme such as the pre-distortion circuit model, memory polynomial model, adaptive pre-distortion model, and post-distortion compensation schemes which include the decision feedback equalization model, adaptive distortion model, the frequency domain equalization. However, a lot of limitations in nonlinear model, computational complexity, additional physical feedback loop, model structure and other indicators need to be improved and optimized. For the LED bandwidth expansion technology, the paper classifies and discusses the pre-equalization technology and post-equalization technology that expanding the bandwidth of white LED can further improve the communication performance of the system and reduce the cost of the system. It is necessary to further study the software indicators such as adjust the circuit complexity, circuit debugging difficulty, circuit stability, sensitivity of component hardware index and computing resources, complexity of model structure. The advantages and disadvantages of the pre-distortion compensation technology and LED bandwidth expansion and the complexity of the design are summarized from the receiver and transmitter to further optimize the system. This team adopted pre-distortion technology and analog pre-equalization technology at the transmitter, and added digital post-equalization technology at the receiver to optimize the performance of VLC. At last, in order to improve the performance of visible light communication system, this paper puts forward some open research problems, such as LED packaging materials and technology, new micro-LED device research, light source layout design, inter-code interference elimination technology.

Citation: Wang Y H, Cao F, Deng Z Y,LED nonlinearity compensation and bandwidth expansion techniques in visible light communication[J]., 2020, 47(3): 190671

LED nonlinearity compensation and bandwidth expansion techniques in visible light communication

Wang Yuhao1, Cao Fan1, Deng Zhenyu1, Liu Xiaodong2, Luo Yusang1, Ma Shuai3, Yan Qiurong1*

1School of Information Engineering, NanchangUniversity, Nanchang, Jiangxi 330000, China;2School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China;3School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China

Visible light communication (VLC) is a promising technology that complements existing wireless communication networks to provide high-speed, low-latency, and multi-device access. With the high-performance code modulation technology of traditional wireless communication, various physical layer communication technologies adapted to VLC systems have been designed and implemented. Different from traditional radio frequency (RF) communication, VLC uses LED as the signal source. The modulation of LED is easy to produce nonlinear distortion and the modulation bandwidth is limited. It has become the technical bottleneck of VLC high-speed communication. In view of the challenges of these two aspects, taking white LED as the starting point, this paper expounds that white LED can effectively balance the characteristics of illumination and communication, summarizes and classifies various techniques of nonlinear distortion compensation and extended modulation bandwidth. Finally, this paper proposes open research issues such as LED package materials and processes, new Micro-LED device research, light source layout design, and intercode interference cancellation technology are expected to improve the performance of visible light communication systems.

visible light communication; white light emitting diode; nonlinear distortion compensation; bandwidth expansion

TN929.1；TN364

A

10.12086/oee.2020.190671

: Wang Y H, Cao F, Deng Z Y,. LED nonlinearity compensation and bandwidth expansion techniques in visible light communication[J]., 2020,47(3): 190671

2019-10-31；

2020-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61661028)；科技部重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2018YF1404300)；江西省青年基金重大項(xiàng)目(20152ACB21008)

王玉皞(1977-)，男，博士，教授，主要從事無(wú)線通信和傳感網(wǎng)絡(luò)的研究。E-mail：wangyuhao@ncu.edu.cn

鄢秋榮(1982-)，男，博士，副教授，主要從事無(wú)線通信系統(tǒng)的研究。E-mail：Yanqiurong@ncu.edu.cn

王玉皞，曹凡，鄧震宇，等.可見光通信中LED非線性補(bǔ)償和帶寬拓展技術(shù)[J]. 光電工程，2020，47(3): 190671

Supported by National Natural Science Foundation of China (61661028), Major Projects of the Ministry of Science and Technology (2018YF1404300), and Provincial Youth Fund Major Project (20152ACB21008)

* E-mail: Yanqiurong@ncu.edu.cn