一种可见光通信系统的优化方法及优化系统

本发明涉及可见光通信，尤其涉及一种可见光通信系统的优化方法及优化系统。

背景技术：

1、可见光通信(visible light communications，简称vlc)是一种利用可见光传输信息的无线光通信技术，具有频谱资源丰富、免疫电磁干扰、保密性高等优点。为实现低功耗、小尺寸、低成本的vlc，通常需要采用发光二极管(light-emitting diode，简称led)作为vlc系统的光源。

2、led的电光频率响应(frequency response，简称fr)对于vlc系统至关重要。优化led的电光频率响应可以提高vlc系统的性能(例如，带宽和直流增益等)，从而实现更高的信噪比(signal to interference plus noise ratio，简称snr)、更快的数据传输速率。

3、led的fr与其内部量子效率(internal quantum efficiency,简称iqe)相关，iqe决定了注入电流转换为光功率的效率。在计算led的fr时，通常把led的iqe当作常数进行处理。但是，iqe会随着驱动电流的变化而改变。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种可见光通信系统的优化方法及优化系统，能够提高vcl系统的通信性能。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种可见光通信系统的优化方法，包括：响应于发光二极管向光电二极管发射光信号，基于发光二极管的内部量子效率，确定发光二极管的电光频率响应。基于发光二极管的电光频率响应，确定光电二极管接收光信号的信噪比。基于电光频率响应和信噪比，调整驱动电路对应的电路参数，驱动电路与发光二极管连接。驱动电路对应的电路参数包括驱动电流参数和交流信号幅度参数。驱动电流参数用于调整发光二极管的调制带宽、直流增益和平均发光功率，交流信号幅度参数用于调整发光二极管发射光信号的消光比。

4、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

5、进一步，可以确定第一关系和第二关系。其中，第一关系包括发光二极管的发光功率与发光二极管的驱动电流之间的关系。第二关系基于发光二极管的等效电路模型确定，第二关系包括发光二极管等效电路模型的传递函数。发光二极管的等效电路模型与信号源和信号源输出阻抗连接。其中，发光二极管的等效电路模型包括第一电阻、电感、电容和第二电阻。信号源的一端连接信号源输出阻抗的一端、信号源输出阻抗的另一端连接第一电阻的一端、第一电阻的另一端连接电感的一端、电感的另一端连接第二电阻的一端、第二电阻的一端连接信号源的另一端。电容与第二电阻并联。基于第一关系和第二关系，可以确定信号源的电压转换成对应的光信号的功率。基于信号源的电压转换成对应的光信号的功率和信号源的电压，可以确定发光二极管的电光频率响应。

6、进一步，第一关系包括：

7、

8、其中，p为发光二极管的发光功率，i为发光二极管的驱动电流的大小，ηle为发光二极管的出光效率，ηi(i)为发光二极管的内部量子效率，h为普朗克常量，c为光速，q为基本电荷的电荷量，λ为发光二极管发出的光子的波长。

9、进一步，第二关系包括：

10、

11、其中，hled(ω)表示发光二极管的等效电路模型的传递函数，vo(ω)表示第二电阻两端的电压，vs(ω)表示信号源两端的电压，r1表示第一电阻的电阻值，r2表示第二电阻的电阻值，rg表示信号源输出阻抗的值，l1表示电感的感值，c1表示电容的电容量，j表示虚数单位，ω表示发光二极管的驱动电流对应的角频率。

12、进一步，基于第一关系、第二关系与第三关系，可以确定信号源的电压转换成对应的光信号的功率。其中，第三关系用于表征第一关系、第二关系与信号源的电压转换成对应的光信号的功率之间的对应关系。第三关系包括：

13、

14、其中，po(ω)为信号源的电压转换成对应的光信号的功率。

15、进一步，可以基于信号源的电压转换成对应的光信号的功率与信号源的电压的比值，确定发光二极管的电光频率响应。发光二极管的电光频率响应包括：

16、

17、其中，heo表示发光二极管的电光频率响应，

18、进一步，可以基于发光二极管的电光频率响应和发光二极管对应的增益参数，确定发光二极管发射光信号的功率。发光二极管发射光信号的功率包括：

19、

20、其中，po(t)为发光二极管发射光信号的功率，β为发光二极管对应的增益参数，a为发光二极管发射的光信号的幅度，x(t)为发光二极管发射的光信号的表达式，pdc为发光二极管发射的光信号中的直流分量，为发光二极管在1db压缩点对应的输入功率。

21、还可以获取光电二极管输出的电信号。其中，光电二极管输出的电信号基于光电二极管接收的光信号确定，光电二极管输出的电信号包括：

22、

23、其中，yo(t)为光电二极管输出的电信号，hc为光电二极管的信道系数，为光电二极管的最高响应度，rf为光电二极管包括的跨阻放大器的跨阻增益，n(t)为高斯白噪声在时域引起的波动对应的波动函数。

24、可以将波动函数的方差确定为光电二极管输出噪声的功率，光电二极管输出噪声的功率包括：

25、

26、其中，为光电二极管输出噪声的功率，pb为光电二极管接收环境光信号的功率，id为光电二极管中的暗电流，δf为光电二极管的带宽，k为波兹曼常量，t为绝对温度。

27、基于发光二极管发射光信号的功率、光电二极管输出的电信号以及光电二极管输出噪声的功率，可以确定光电二极管接收所述光信号的信噪比。

28、进一步，光电二极管接收光信号的信噪比包括：

29、

30、其中，snr为光电二极管接收光信号的信噪比。

31、进一步，发送端设备包括预设数量个用于发射光信号的发光二极管。该预设数量个用于发射光信号的发光二极管相互串联。

32、另一方面，本发明提供一种优化系统，该优化系统与可见光通信系统连接，可见光通信系统包括发送端设备和接收端设备，发送端设备包括用于发射光信号的发光二极管，接收端设备包括用于将接收到的光信号转换为电信号的光电二极管。优化系统包括：存储器、一个或多个处理器。存储器与处理器耦合。其中，存储器中存储有计算机程序代码，计算机程序代码包括计算机指令，当计算机指令被处理器执行时，使得本发明提供的优化系统执行本发明提供的一种可见光通信系统的优化方法。

33、本发明的有益效果是：

34、1)本发明建立了基于iqe的led电光频率响应模型，刻画了iqe与snr之间的函数关系，从而为vlc系统设计、led最佳工作点的确定提供了理论基础。

35、2)本发明基于电光频响模型，设计了具有发射端led自适应均衡功能的驱动电路，在确保led工作在最优工作点的同时，提升了通信系统带宽。

36、3)本发明采用级联led对vlc系统进行联合优化，在保证vlc系统的snr最大化的前提下，通过采用多片led串联实现了vlc系统更远距离的通信。