[논문 리뷰] Effect of white LED DC-bias on modulation speed for visible light communications

Peng Deng, M. Kavehrad|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 27.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 화이트 LED의 DC 오프셋이 가시광통신(VLC) 시스템에서 변조 대역폭과 동적 범위에 미치는 영향을 조사한다. DC 오프셋 전류를 최적화함으로써 저자들은 후행 등화를 사용하여 40 MHz의 변조 대역폭을 달성하고, BER < 10⁻³ 조건에서 60 Mbps NRZ 전송을 실현한다. 이는 비선형 캐리어 수명 및 접합용량 효과로 인한 포화에 도달할 때까지 높은 오프셋이 대역폭을 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

The light emitting diode (LED) nonlinearities distortion induced degradation in the performance of visible light communication (VLC) systems can be controlled by optimizing the DC bias point of the LED. In this paper, we theoretically analyze and experimentally demonstrate the effect of white LED DC bias on nonlinear modulation bandwidth and dynamic range of the VLC system. The linear dynamic range is enhanced by using series-connected LED chips, and the modulation bandwidth is extended to 40 MHz by post-equalization without using a blue filter. The experimental results well match the theoretical model of LED nonlinear modulation characteristics. The results show that the modulation bandwidth increases and saturates with an increase in LED DC bias current due to nonlinear effect of carrier lifetime and junction capacitance. The optimized DC-bias current that corresponds to the minimum BER increases with the increase of data rate. A 60-Mbps NRZ transmission can be achieved with BER threshold of 10-3 by properly adjusting LED DC bias point.

연구 동기 및 목표

• 화이트 LED의 DC 오프셋이 가시광통신(VLC) 시스템에서 비선형 왜곡 및 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 연결된 LED 칩을 통해 선형 동적 범위를 향상시키는 것.
• 파란 필터를 사용하지 않고도 기존의 한계를 초월해 변조 대역폭을 연장하는 것.
• 다양한 데이터 전송 속도에서 비트 오류율(BER)을 최소화하는 최적의 DC 오프셋 전류를 규명하는 것.
• 이론적 모델을 실험 결과로 검증하는 것.

제안 방법

• 캐리어 수명 및 접합용량 효과에 기반한 LED 비선형 특성의 이론적 모델링.
• 조절 가능한 DC 오프셋을 갖춘 화이트 LED를 사용한 실험 설정을 통해 변조 대역폭과 동적 범위를 측정하는 것.
• 파란 필터 없이도 대역폭을 40 MHz로 연장하기 위해 후행 등화 기법을 적용하는 것.
• 선형 동적 범위 향상을 위해 연결된 LED 칩을 사용하는 것.
• 다양한 DC 오프셋 전류와 데이터 전송 속도에서 비트 오류율(BER)을 측정하는 것.
• 실험 결과를 이론적 예측과 비교하여 모델의 타당성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VLC 시스템에서 DC 오프셋 전류를 증가시킬 경우 화이트 LED의 비선형 변조 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 화이트 LED 기반 VLC 시스템에서 DC 오프셋 전류와 선형 동적 범위 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 후행 등화를 통해 파란 필터 없이 변조 대역폭을 얼마나 연장할 수 있는가?
• RQ4 더 높은 데이터 전송 속도에서 비트 오류율(BER)을 최소화하기 위해 최적의 DC 오프셋 전류는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 LED 비선형성의 이론적 모델은 실험 관측 결과와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 비선형 캐리어 수명 및 접합용량 효과로 인해 DC 오프셋 전류가 증가함에 따라 변조 대역폭이 증가하고, 포화에 도달함에 따라 정점에 도달한다.
• 연결된 LED 칩의 사용을 통해 선형 동적 범위가 효과적으로 향상된다.
• 후행 등화를 통해 파란 필터 없이도 40 MHz의 변조 대역폭을 달성할 수 있다.
• 실험 결과는 LED 비선형 변조 특성의 이론적 모델과 밀도 있게 일치한다.
• 적절한 DC 오프셋 점을 최적화함으로써 BER이 10⁻³ 이하인 60-Mbps NRZ 전송이 달성된다.
• BER를 최소화하는 데 최적의 DC 오프셋 전류는 데이터 전송 속도가 높아질수록 증가한다.