一种基于可见光接收机前端apd放大器的自适应增益调整方法
【技术领域】
[ooou 本发明设及一种基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法，属于 可见光通信领域。
【背景技术】
[0002] 可见光通信技术是目前通信领域研究的热点，具备传输速率高、频谱资源充足、保 密性好W及对人体无害等优势，应用前景十分良好，可与目前广泛使用的射频通信技术互 为补充。与射频通信系统中使用发射天线和接收天线不同，在可见光通信系统中，发射机与 接收机的前端都使用光电器件。其中，发射机前端常用白光LED,将电信号转换为光信号； 接收机前端常用APD，将光信号转换为电信号。
[0003] 正是基于发射机前端为白光LED、接收机前端为APD的可见光通信系统，我们考虑 对可见光接收机中的自适应增益调整技术进行研究。
[0004] n级级联电路的总噪声系数计算公式如下：
[0005]
[0006] 其中，F为级联总噪声系数，Fi到F。为第一级到第n级电路的噪声系数，Gi到G。为 第一级到第n级电路的功率增益。
[0007] 显然，前级电路的噪声系数对总噪声系数的影响远大于后级。一般来说，级联电路 的总噪声系数主要取决于第一级或者前两级，第=级电路的噪声系数对总噪声系数的影响 已经小到可W忽略不计了。噪声系数的定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。当输入信 噪比一定时，电路的噪声系数就决定了其输出信噪比的大小。
[000引在可见光接收机中，第一级雪崩光电二极管（APD)的增益通常比较小（几十），而 第二级跨阻放大器（TIA)的增益比较大（上千），因此可见光接收机的信噪比性能主要取 决于第一级APD和第二级TIA。该样，就可W将问题从优化整个接收机简化为只需要优化 由ATO和TIA组成的前级电路了。为了便于叙述，将由ATO和TIA组成的前级电路简称为 "ATO放大器"。
[0009] 我们考虑对ATO放大器的信号与噪声进行精确建模，其模型如图1所示。分析得 到APD放大器的输出信噪比关于APD增益M和TIA反馈电阻R2的关系式如下：
[0010]
[0011] 其中，Vs2。隶示TIA输出端的光电压信号，其均方值为：
[0012]
[001引 E旨。隶示TIA输出端的总电压噪声，其均方值为；
[0014]
[0015] 其中，L表示信号光电流，IM表示光电流的散粒噪声，I表示暗电流的散粒噪声， Ri和C1分别表示ATO和运算放大器的反相输入端对地的复合电阻和复合电容，R2和C2分 别表示跨阻放大器的反馈电阻和反馈电容，Iri表示电阻Ri的热噪声，Ir;表示电阻R2的热噪 声，I。。表示运放的等效输入电流噪声，E。。表示运放的等效输入电压噪声。
[0016] 为了便于计算，不妨将1/SNR作为目标函数，即有：
[0017]
[001引考虑在实际电路应用中，信号带宽和电路稳定性带来的约束条件。
[0019] 所谓信号带宽约束，即要求实际信号带宽f。不能超过TIA的3地带宽fB，W保证 TIA对信号的高增益。即有：
[0023] 所谓电路稳定性约束，即要求设计一定的相位裕度，防止电路出现振荡现象。要使 相位裕度大于45°，则必须满足：
[0024] fX [002引化简得；
[0026]
[0027] 要使优化问题有解，必须满足：
[0031] 由于反馈电容C2的值越大，TIA的3地带宽越小，因此C2的取值应在满足上述不 等式的条件下尽可能小。
[003引分析可知，反馈电阻R2越大，1/SNR越小。为了使1/SNR取最小值，则R2应取最大 值，即：
[0033]
[0034] 1/SNR随ATO增益M的变化并非单调。为了使1/SNR取最小值，应将1/SNR的表达 式对M求微分，然后取极值，化简得：
[0035]
[0036] 该表达式中的R2即最优值R2〇w。
【发明内容】
[0037] 为了提高可见光接收机的信噪比性能，本发明提供一种基于可见光接收机前端 ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于；根据对ATO放大器的联合优化结果而设 计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏置电压，从而使输出信噪比达到最优。 [003引为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0039] 一种基于可见光接收机前端ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于：根 据对
[0040]ATO放大器的联合优化结果而设计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏
[0041] 置电压，从而使输出信噪比达到最优，具体包括W下步骤：
[00创 1)确定反馈电容C2的值，反馈电容C2的值须满足W下不等式：
[0043]
[0044] 其中，Cl为ATO与运算放大器的反相输入端对地的复合电容，f。为实际信号带宽， ft为运算放大器的增益带宽积；
[0045] 在满足上述不等式的条件下，取一个尽可能小的电容作为反馈电容C2。
[0046] 2)确定反馈电阻R2的值，最佳反馈电阻馬。pt晌表达式如下；
[0047]
[0048] 其中，C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值；将计算出的62。作为反馈电阻R2的 值。
[0049] 3)将ATO放大器输出端的电压信号先进行电压放大，再经A/D转换后采集到 单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。
[0050] APD放大器输出端的电压信号V"1的表达式如下：
[0051] V〇i=I曰MR]
[0化引其中，M为ATO增益，R2为步骤2)中确定下来的反馈电阻值，I,为ATO增益为1时 的光电流，其表达式如下：
[005引 Is=IL+mltS(t)
[0化4] 其中，It为光电流I,的直流分量，ml苗(t)为光电流I,的交流分量，m为调制深度， S(t)为正弦载波信号。
[0化5] 在该里，我们假设将要进行第n次增益调整，那么当前时刻的ATO增益是上一次 (即第n-1次）增益调整后的结果，用M"_i来表示；同样地，将当前时刻的ATO增益为1时的 光电流用Is,n-i沐表示；将APD放大器输出电压用V。"。-。来表示。此时，Vw,n-i>的表达式可 W重新表示如下：
[005(5]Vdi(n_i) -Is(n-l)Mn-化
[0057] 该式中，Mn_i和R2都是已知的，只要测出V的值，就可W得到Is(n-l)。
[0化8] 然而，由于Vw通常比较小（毫伏量级），需要使用一个增益为G1的电压放大器，将 其放大为电压信号Va2 (1~5V)，再输入到A/D中。￥。2的表达式如下：
[0059] V〇2=V〇iGi
[0060] 该式中，Gi是已知的，只要测出￥。2的值，就可W得到￥。1。
[0061] 最后，将A/D转换得到的数字电压V"3采集到单片机中即可。采用较高精度的A/ D，可W近似认为V"3=V"2。
[0062] 因此，只要知道单片机采集到的电压Vd3的值，就可W根据V。3-V。2-V。1一I,的 推导路径，得出L的值。
[0063] 4)根据单片机采集到的电压V"3的值，计算出APD增益为1时的光电流I,的值。
[0064] 从步骤3)中，我们已经知道，可W根据V"3 -V"2 - ￥。1 一I,的推导路径，由￥。3推 出L。由于Vd3 一V。2一V。1一IS的关系都是线性的，我们也可W很方便地直接推出V。3与IS 的关系式，如下所示：
[00 化]
[0066] 其中，R2和Gi都是已知的定量，M表示当前ATO增益（即上一次增益调整的结果）， 虽然会随着每次的增益调整而改变，但是是已知的。
[0067] 因此，根据该表达式，编写单片机的除法程序，可W直接由V"3计算出I
[0068] W利用滑动平均滤波法求出I曲均值，从而得到I曲值。
[0069] 由步骤3)已知，A/D每隔t秒对信号进行一次采样。也就是说，每隔t秒，单片机 就能采集到一个电压信号V"3。根据步骤4)，对于每一个电压信号V"3,都能计算出相应的L。 也就是说，每隔t秒，我们就能计算得到一个L。
[0070] 由于对APD放大器进行优化得到的结果只与光电流直流分量I甫关，因此需要根 据L的值，求出其直流分量IL的值。根据步