《可见光通信发端电路设计》.docx

郑州航空工业管理学院毕业论文 2013 届 自动化专业 班级题 目 可见光通信收端电路设计 姓 名 学号 指导教师 职称 教授 二一三年五月二十二日内 容 提 要随着科技的飞速发展和社会的不断进步，人们对信息的需求也是不断增加。从而使更方便、更快捷的无线通信技术得到了广泛应用。在现有的无线技术中，除了基于电磁波传输的传统射频通信，还有基于可见光的无线通信。可见光通信技术是基于LED照明光源的无线光通信技术，可在有严格限制电磁干扰的场合替代射频通信，比如机场、医院等，因此应用前景广阔。可见光通信技术己成为无线通信领域的研究的一个热点，结合LED照明技术和光通信技术，同时具备了抗电磁干扰、无需无线电频谱认证、安全可靠等优点。论文首先介绍了可见光通信技术的背景；还对可见光通信的关键技术进行了研究，尤其是在接收方面：分析了PIN探测器的工作原理和特性，从而选择出了性能高的光电探测器；研究了前置放大器，并设计出了采用跨阻抗前置放大电路，从而实现了高增益、低噪声的第一级放大。论文主要对可见光通信技术的光接收电路进行了研究和设计，实现信号的光/电转换和放大功能，最后，对影响系统性能因素进行了分析，并且针对性的优化系统性能。关 键 词以太网；可见光通信；光发射；LED；光接收；光电转换Visible light communication receiving-end circuits design Author：Wang Bao Instructor：Chen JianmingAbstractWith the rapid development of technology and social progress, peoples demand for information is increasing. Making it easier and more efficient wireless communication technology has been widely applied. In existing wireless technologies, in addition based on electromagnetic transmission traditional radio communications, as well as based on the visible light wireless communication. Visible light communication technology, LED-based lighting wireless optical communication technology in a strictly limited electromagnetic interference occasions alternative radio communications, such as airports, hospitals, etc., so the application prospect.Visible light communication technology field of wireless communication has become a hot research, combined with LED lighting technology and optical communication technology, along with the anti-electromagnetic interference, no radio frequency spectrum certification, safe and reliable. Paper first introduces the background visible light communication technology; also visible communication key technology research, especially in the receiving areas: analysis of the working principle and PIN detector characteristics, thereby selecting a high performance photo detectors; research a preamplifier, and design a trans-impedance preamplifier circuit used to achieve high gain, low noise first stage amplifier.Thesis, the visible light communication technology research and receiving circuit design, and the signal is optical / electrical conversion and amplification, finally, the factors affecting system performance analyzed and targeted to optimize system performance.KeywordsEthernet; visible light communication; optical transmitter; LED; optical receiver; photoelectric conversion目 录第1章 绪论31.1研究背景31.2课题提出和研究意义31.3本论文研究内容3第2章 光电探测器及光接收机的研究32.1光电探测器的工作原理及特性32.1.1 PIN探测器的工作原理32.1.2 PIN探测器的工作特性32.2光接收机设计32.2.1前置放大器32.3光接收机的误码率及灵敏度3第3章 电路设计33.1光发射机电路设计33.2光接收机模块33.2.1前置放大电路设计33.2.2主放大电路设计33.3光接收模块原理图3第4章 总结与展望34.1全文总结3致谢3参考文献：3第1章 绪论1.1研究背景人们在生活和工作中，常常需要把一些信息从一个地方传到另一个地方，这种信息的传递与交换就是通信。通信使人们之间的交流，资源的分享得以加速，在社会生产、生活各个领域发挥着不可替代的作用，是人类社会文明得以蓬勃发展的基础。在日新月异的当今社会，人们对于数据传输有了更高的要求一一更方便，更高速，更环保。可见光通信技术的诞生，以其对人体无害、高速率、无需无线电频谱申请等的独特优势赢得了人们的青睐。在电磁波谱上，人的眼睛感觉到其中一段波段的光就称为可见光，其波长的范围在380-780纳米之间。可见光通信技术(VLC, Visible Light Communication)是以使用可见光LED照明系统的基础上发展起来，主要用于短途高速通信。它结合了射频通信系统的优点，而且在同一个系统上实现了照明和通信功能。1.2课题提出和研究意义射频通信、无线激光通信(FSO)和可见光通信是目前正在使用或正处于学术研究前沿的无线通信技术。射频通信广泛用于生产、生活的各个领域，是目前技术最成熟的无线通信，很大程度上改变了人们的生产和生活习惯。相信在未来的无线通信发展中，射频通信扔将继续起着重要作用。与射频通信相比，基于LED的可见光通信具有保密性强、对人体无害、无电磁干扰等优点，具体见表1-1 表1-1可见光通信技术的优势属性射频通信可见光通信保密性能穿墙用窗帘即可阻止信号外泄:防窃听使用频谱需要申请无需申请可用带宽用户多时影响速度不受用户数量影响发射功率受限，影响通信距离通常情况下无需限制干扰因素同频干扰背景光多径衰落时延、相位变化干扰表现为背景光路径冗余多个接入点APLED阵列光源传输速率100Mbps1一几百Mbps无线激光通信技术(FSO)是基于激光的为基础，其工作原理和可见光通信技术相似，是通过把电信号调制到激光上传输到远方。无线激光通信技术是一种远距离点对点的通信技术，也是近几年的研究热点，基本组成部分为光发射器和光接收器，工作过程为:通过调制把信息加载到激光上 ，经大气的传输，再通过望远镜对准远端的接收机，然后通过接收机的光电转换还原成电信号。与FSO相比，可见光通信具有的优势如表1-2所示。表1-2可见光通信的优势属性FSO可见光通信光源激光，价格高LED，便宜，功耗小，寿命长对准需要望远镜，对准难光源覆盖范围大，对准很容易组网方式点对点点对点、网络都可对人体安全性皮肤特别是眼睛容易受到伤害无伤害安装空旷，无阻挡处，一般在楼顶无处不在基于LED的可见光通信技术，主要优势总结如下：1.无需无线电频谱认证。射频通信发展到今天，可用的无线电频谱资源越来越少了。可见光通信利用的是可见光波段，无需频谱申请，因此拥有极大的应用前景。2.无电磁辐射。采用LED发出的可见光进行通信不会发射电磁辐射，对人体不存在伤害。这使得可见光通信技术可以应用在对电磁辐射要求苛刻的场合。3.安全性能好。射频通信的方式的一个无线接入点AP的传输距离一般可到达100米，可以穿透墙壁。在别处通过破解无线接入密钥就能够窥视你的信息。而可见光通信则只要拉上窗帘就能够控制好你的通信领域，具有良好的安全性能。4.系统搭建便捷、成本低。只要有LED照明系统的场所，无需在原有照明系统上重新布线就可搭建可见光通信系统，可以利用现有资源，节约了搭建成本，可以说是同时实现了照明和通信两大功能。可见光通信技术拥有巨大的应用潜能，只要有LED照明系统的地方，就能够构建接入网络。1.3本论文研究内容本论文的研究内容具体安排如下:第1章：绪论。介绍了可见光通信的研究背景、课题提出和研究意义。在这一章中通过与射频通信和激光通信作比较，总结出可见光通信的优势。第2章：光电探测器的研究。光电探测器是光接收机的第一级工作部件，是可见光通信系统实现光信号到电信号转换的功能器件，也是光/电转换的关键，在本章中对PIN光电探测器进行了分析，对PIN光电探测器的工作原理和工作特性进行了研究。研究了前置放大器，并分析了光接收机的误码率及灵敏度。 第3章：电路设计。主要对前置放大电路、主放大电路、驱动调制电路设计。对LED无线光通信接收模块进行研究并。光发射模块和光接收模块是可见光通信技术的核心，在本章中只对这光接收模块的电路进行设计，实现光接收功能。第4章:全文总结和展望。对课题的总结，并对可见光通信技术的发展趋势进行了预测。第2章 光电探测器及光接收机的研究 在可见光通信系统中，经过光发射机调制的光信号，经由空间传播后到达光接收机。在这过程中光信号己经衰减得十分微弱，光接收机需要从这微弱的光信号中检测到传送的信息，再将光信号转换成电信号，然后经过放大后供终端用户使用。光电探测器的功能是完成光强度变换的检测，完成光/电转换。光电探测器是光接收机的关键，决定着光接收机的灵敏度。因此，很有必要研究光电探测器的原理和特性。2.1光电探测器的工作原理及特性 目前使用广泛的光电探测器主要有两种，一是雪崩二极管(APD管) ， 一是光电二极管(PIN管)。APD管的工作电压高，还容易受温度影响。所以，本设计采用的是PIN光电二极管。2.1.1 PIN探测器的工作原理PIN光电二极管的原理和特性，如PN结光电二极管。PN结的能带分布如图2-1所示，在没加电压的情况下，处于平衡状态，对外不表现电流和电压特性。当在光电二极管的PN结加上正向电压后，如图2-2所示，外加电场和PN结内的电场同向，加强了势垒。光信号到电信号的转变过程是：光子入射到PN结上后，被处于价带的电子所吸收。电子吸收了光子的能量后，当拥有摆脱原子核的束缚的能量，就会跃迁到导带。电子的跃迁，就会产生一个空穴。电子、空穴在电场的作用下，分别向N区和P区移动，就形成了电流。 图2-1 PN结示意图 图2-2光电二极管工作原理而事实上，在入射光产生电流的过程中，也存在自由电子和空穴复合湮灭的现象。为延长空穴一电子对存在的寿命，可以采用在PN结之间增加一个I层的方法，从而改变PN结的结构，在耗尽层保留尽可能多的空穴-电子对，而获得较大的电流。PIN光电二极管的结构如图2-3所示，I层为轻掺杂N型半导体，I层很厚，是产生电子-空穴对的区域，这个区域变大会使得电子-空穴对数量增多，提高了转换的效率。输出PIN图2-3 PIN光电二极管结构2.1.2 PIN探测器的工作特性 光电二极管的性能常用光电转换效率、暗电流和响应速度来描述。(1)光电转换效率。光电二极管的光电转换效率常用响应度来或量子效率衡量。响应度是在一定波长光的照射下，光电探测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比，表示单位光功率转换成电流的数值。如2-1所示：为光电探测器的平均输出电流；为入射到光电二极管上的平均光功率。(2)暗电流。发光二极管的暗电流是指器件在反偏状态下，在无光照射时输出的反向直流电流。暗电流是器件噪声的主要来源之一。暗电流产生的噪声电流均方值可表示为：它与反偏电流成正比，因此总希望它的数值较小。既然是器件处于反偏下的电流，因此其量级较小，一般为nA量级。由于该噪声源处于接收系统的前端，对系统灵敏度的影响是不能忽视的。 (3)响应时间。它表示器件对高速调制光信号的反应能力。对脉冲调制的光信号的响应速度，常以电流脉冲上升时间(10%上升到90%的时间)和下降时间(90%上升到10%的时间)表示。光电二极管的响应速度主要受载流子在耗尽区中的渡越时间RC数值的影响。为减小渡越时间，要求I层薄；为减小时间常数RC以及电路时间常数，要求器件的结电容小，而器件的结电容可表示为:其中蔚为耗尽区的介电常数，A为结面积，W为耗尽区宽度。可见W越大，越小，对减少时间常数有利，同时W越大，对提高器件的效率也是很有利的。但是W越大，即I层越厚，对减少光生载流子的渡越时间不利。所以，I层厚度要折中考虑。2.2光接收机设计判别器均衡器解码器光电探测器电信号主放大器前置放大器光信号时钟提取图2-4 光接收机框图本论文采用光强度直接调制方式，数字光接收机一般包括光电探测器、前置放大器、主放大器、均衡器、判决器和解码器。光电探测器完成信号的光/电转换；设计的数字光接收机的框图如图2-4所示。前置放大器紧跟着光电探测器，对光电探测器微弱的光信号进行放大；判决器的工作是恢复数字信号，根据信号电平的大小判别出该信号是比特1还是比特0，主放大器属于后级放大器，因判决电路是根据信号电平的高低来判别工作的，主放大器的功能就是对来自前置放大器的信号电平进行放大，以满足判决电路的需求；均衡器的作用是将输出波形进行均衡，提高信号判决时的准确度；解码器完成解码功能。光电探测器和前置放大器是光接收机的核心部分，两者合在一起称为光接收机前端。光接收机前端是光接收机最先工作的部分，输出的信号供后续各部分处理，因此光接收机前端性能优劣优劣十分重要，对光接收机的灵敏度起到决定作用。所以，要对光接收机前端进行深入探讨。在上一节中己经对PIN光电探测器进行了详细分析，下面将重点对前置放大器进行研究分析。2.2.1前置放大器光信号经过光电二极管(PIN)检测出的光电流一般很微弱，无法直接进行时钟提取、判决和解码操作，所以要先进行放大。紧跟着光电探测器后面的放大器就是前置放大器。它的作用是对微弱的光电流进行放大，以供下级放大器进行放大和处理。但是，前置放大器在放大的同时也引入了本身电阻带来的热噪声和晶体管带来的散粒噪声，这些噪声会在下一级放大器处得到放大，对系统的性能影响很大。所以，要对前置放大器进行特别设计，具有低噪声、高增益和宽频带的特点，从而使光接收系统能得到较大的信噪比。目前，用于光接收机的前置放大器主要有三种:低阻抗前置放大器、高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。这三种放大器的比较如表2-1所示。表2-1 三种前置放大器低阻前置放大器高阻前置放大器跨阻抗前置放大器电路图应用高速通信(短距离)低速通信高速通信优点电路简单，不需要均衡就能有很宽的带宽输入阻抗很大，噪声小，灵敏度高无需均衡就可以得到较大动态范围，噪声低，带宽较大，灵敏度高缺点电路噪声大，灵敏度低带宽较小，动态范围较小，码间干扰大，需均衡补偿，电路复杂牺牲增益以扩展带宽通过比较，可以得出这样的结论：跨阻抗前置放大器具有动态范围大、噪声小、灵敏度高的优点，适合在高速光通信系统中应用。因此，选择跨阻抗前置放大器为前置放大器。跨阻抗前置放大器的电路图如表2-1所示，其等效输入电阻表示为:其中反馈电阻宽带B（高端截止频率）表示为：式中为总输入电容实际上，跨阻抗前置放大器是在高阻抗前置放大器基础上，为了改善其带宽而设计的，通过增加负反馈电阻凡，构成电压并联负反馈。由2-4式可得，输入电阻是高阻抗前置放大器的上。由于输入电阻的变小，给前置放大器在抗噪声、电磁干扰方面带来了好处，也不易发生串话。由2-5式可得，带宽与输入电阻成反比，由于电阻的减小使得带宽至少增加了A倍。但是在设计的时候要注意，反馈电阻的引入改善了宽带也引入了热噪声，所以反馈电阻的大小要折中选择。跨阻抗放大器的经典设计如图2-5所示，由三个三极管构成三级放大电路。T1和T2构成负反馈，宽带补偿由R4和C2提供，负反馈电阻提供负反馈电压。该设计可提供高达600Mbps的工作速率。图2-5 跨阻抗前置放大器2.3光接收机的误码率及灵敏度常用误码率和灵敏度两个参数来评价光接收机的性能好坏。误码率是指在信号判别的时候，发生错误判别的概率。在给定的通信条件下，光信号强度只有高于一定值，光接收机才能对其做出反应。这个最小的光信号强度一般用最小平均接收光功率表示，也就是光接收机的灵敏度。信号的判决是通过将信号电平与判决阈值进行比较，从而判决出信号值，光接收机根据系统的工作时钟信号在某一个时刻进行采样，采样得到的信号电压值I与判决阈值ID比较，若I ID，则判决为“1”，若I ID，则判决为“0”。信号在传输的过程中引入了噪声，因此接收后的信号无论是高电平还是低电平都加载了噪声，噪声在接收波形上表现为凹凸不平的“毛刺”。那么，在接收“1”码时，如果光接收机在判决时刻的噪声很大，导致I1 ID，同样产生了误判，发生的概率用P（1/0）表示。用P（1）和P（0）分别表示接收到“1”和“0”的概率，则光接收机的误码率可以表示为: 噪声方差表示为:其中，、分别表示“1”码和“0”码的噪声方差，定义函数为： 从公式2-8可以看出，还与判决时刻密切相关，光接收机的误码率与噪声方差成反比，因此要尽量降低噪声。灵敏度是指在保证给定误码率指标的条件下，接收机所需的最小平均接收光功率，对于采用PIN光电探测器的光接收机，灵敏度公式3-4表示为:式中，、 分别表示“1”码和“0”码的噪声方差，为热噪声的方差，R为PIN光电探测器的光电转换效率。由公式2-8和公式2-9可知，光接收机的灵敏度和误码率都受到噪声的影响，而光接收机的噪声主要来源于光电探测器和前置放大器。光电探测器的噪声主要是光电转换中产生电子的随机性引起的散粒噪声和温度作用下载流子热运动引起的热噪声。前置放大器的噪声主要是输入电阻热噪声和有源器件(如晶体管)的散粒噪声。如何提高光接收机的性能参数是可见光通信研究的重点之一，一般可以通过选择合适材料，提高制造工艺和优化电路实现。可见光通信系统对光接收机的要求有:1.对工作波长范围内的灵敏度高。这是对信号完成光/电转换的能力，直接决定着可见光通信的距离。2.系统本身噪声要尽可能小。3.PIN光探测器的响应速度要快，以满足高速通信的要求。第3章 电路设计3.1光发射机电路设计图3-1 驱动调制电路设计光发射机的功能是将信号加载到LED光源上，将电信号转化成光信号，光发射机的主要部分是驱动调制电路。驱动调制电路一方面向LED光源提供足够大的驱动电流，另一方面根据输入信号的数值“1”或“0”控制光源的“开”状态和“关”状态。可见光LED光源的驱动调制电路设计如图3-1所示，主要包括调制电流发生器和差分驱动器。驱动调制电路各个部分的功能如下:1.调制电流发生器:调制电流发生器控制输出给LED光源的电流幅度大小，由一个集成运算放大器、一个NPN型三极管构成。集成运算放大器的同相输入端接参考电压发生器，反向输入端直接连到三极管发射极构成负反馈，反向输入端的输入电压值选取三极管发射极的电位。电阻R1的作用就是为集成运算放大器的反向输入端提供输入电压。调制电流发生器的工作原理是：集成运放通过比较参考电压和三极管发射极电压(参考电压大于三极管发射极电压)，将两个电压的差值放大输出，然后驱动NPN型三极管。调制电流发生器的集电极电流进一步控制差分驱动器的工作时的电流大小。因此，通过选取电阻R1的大小，就可以获得不同大小的集电极电流，进而获得差分驱动器输出不同大小的驱动电流。2.差分驱动器:差分驱动器由两个NPN三极管T1和T2构成，T1的集电极接LED光源，T2的集电极通过一个电阻接电源。Q2为倒相放大器，将输入比较器的检测信号变成差分信号，并且提供增益放大。差分信号控制三极管T1和T2的基极，当输入比较器检测数值为“1”时，T1导通，T2截止，此时LED发光，发出信号“1”;当输入比较器检测数值为“0”时，T1截止，T2导通，此时LED不发光，相当于发出信号 “0”。差分驱动器通过两个三极管T1和T2的相互导通来控制阵列光源的开启和关闭，将光信号调制到LED阵列光源上。无论是哪个三极管导通都能够保持稳定的电流输出，有效减低噪声和电磁干扰。差分驱动器就相当于一个选通开关，受输入缓冲器检测信号的控制。驱动调制电路的工作过程是：1，输入比较器的接收引脚IN+和IN-接收到差分信号，经过数据缓冲器的比较检测出信号值是“1”还是“0 ”。2.然后，通过倒相放大器的作用变成差分信号，控制差分驱动器：如果是“0”信号，T1管截止，T2管导通，LED阵列光源不亮，此时没有光输出，代表着“0”信号；如果是“1”信号，T1管导通，T2管截止，这种状态下LED光源、差分驱动器和调制电流发生器构成电流回路，LED光源发光，代表着“1”信号。通过这种选通的方式，就可以把数字信号“1”和“0”调制到LED光源上，以光信号的形式在自由空间中传播。3.2光接收机模块经过光发射机调制的光信号被PIN光电二极管接收，转换成电信号。但是，在光信号在空气中传播的过程中会严重衰减，PIN光电二极管转换的电信号十分微弱，必须进行放大才能供后续电路处理。光接收机模块主要包括前置放大电路和主放大电路。3.2.1前置放大电路设计图3-2 前置放大电路设计前置放大电路电路设计如图3-2所示，主要部分为跨阻抗放大器、差分信号转换器和差分放大输出。PIN光电二极管接收光信号并转化成电流从引脚IN端输入，经过跨阻放大器进行放大，再经过差分信号转换器转换成差分信号，然后通过差分放大器输出。由于跨阻放大器低噪声、高灵敏度等的优异性能，所以在设计中采用跨阻放大器，用放大器A1组成跨阻抗放大器。反馈电阻跨接在放大器反向输入端和输出端，形成并联负反馈，将输入电流转换成电压。并联的两个二极管D1和D2的作用是钳位，在大输入电流的情况下，限制输出信号的幅度，从而达到增大光接收机动态范围的目的。此设计还具有消除直流成分的功能，在放大器A1的同相输入端接一个小的参考电压。这个参考电压可以从电路中提取，因此能够根据系统使用环境的不同而变化，实现自动控制。由于放大器的工作特点是放大同相与反相输入端之间的输入差值，因此可以抵消输入信号的直流成分。消除直流成分后，输入信号位于跨阻抗放大器的线性范围中央，从而降低脉宽失真。电阻R1和电容C1构成滤波电路，减低电源的噪声干扰。差分信号发生器由集成运算放大器A2和A3构成，将跨阻抗放大器的单端输出信号分别经过集成运算放大器的同相放大和反相放大后转变成双端输出的差分信号，并且提供额外增益。然后，信号经过差分放大电路输出，以差分信号的形式传输到主放大电路。3.2.2主放大电路设计图3-3 主放大电路设计 光电流信号经过前置放大器放大后，信号强度还需要后级放大电路进一步放大处理才能直接驱动电路。主放大电路对信号进行多级放大，使得信号强度满足判决再生的需要。并且，电路具有自动增益(AGC)功能，对输入信号的变化作出补偿控制，保持输出信号的幅度的稳定。主放大电路设计如图3-3所示，主要包括了输入缓冲器、带AGC功能的多级放大器、输出缓冲器电路组成。从前置放大器来的差分信号通过输入引脚IN+和IN-进入输入缓冲器，得到放大。然后，信号在多级放大器处进一步放大处理，AGC电路控制其输出幅度，使之输出幅度保持不变。最后，从输出缓冲器输出。 输入缓冲器由一对射随器和一对差分对管组成。差分信号根据输入的数值控制晶体管T1和T2的导通和截止。然后，通过晶体管的射极输出控制差分放大器的工作。输出缓冲器是一个共发射极差分对管，输出信号的高低电平切换是由差分对管的开关作用控制。带自动增益控制(AGC)的多级放大器的作用是提供信号增益，同时控制输出信号的输出幅度，保证输出信号幅度不变。这样在输入光功率由于干扰等原因产生变化时，光接收机的仍维持恒定的输出电压，使后续判决电路正常工作，提高了系统的稳定性。AGC电路的设计是通过场效应管漏源极之间的电阻变化控制放大器的放大倍数。以差分信号的正输入端为例，放大器A1、电阻R13和场效应管Q1构成负反馈，放大器A1的输出电压为：其中，为场效应管Q1的漏源极电阻。 控制信号从主放大器的输出端提取，经过滤波后，输入到反相放大器，从而变成负向的AGC电压。该负向的AGC电压控制场效应管Q1的漏源极之间的电阻，从而控制了放大器A1的放大。当输入电压Vin增大时，负向的AGC电压增大，场效应管Q1的漏源极电阻增大，根据公式3-1可以知道输出电压变小。反之亦然，输入电压减小时，场效应管Q1的漏源极电阻减小，输出电压变大。3.3光接收模块原理图图3-4光接收模块原理图光接收模块的电路原理如图3-4所示，光信号由PIN光电二极管接收转换成电流信号，通过前置放大器和主放大电路进行放大。前置放大器和主放大器之间采用阻容涡合的方式进行连接，阻容涡合方式带来很多好处。由于电容对直流量的电抗为无穷大，两级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独立，因此降低了电路设计的难度