[論文レビュー] Effect of white LED DC-bias on modulation speed for visible light communications

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

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、白色LEDのDCバイアスが可視光通信（VLC）システムにおける変調帯域幅およびダイナミックレンジに与える影響を調査する。DCバイアス電流を最適化することで、後処理等化を用いて40 MHzの変調帯域幅を達成し、BER < 10⁻³を満たす60 Mbps NRZ伝送を実現した。非線形キャリア寿命およびジャンクション静電容量効果による飽和に達するまで、バイアスが高いほど帯域幅が向上することが示された。

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.

研究の動機と目的

• 白色LEDのDCバイアスが可視光通信（VLC）システムにおける非線形歪みおよびシステム性能に与える影響を分析すること。
• 直列接続されたLEDチップを用いて線形ダイナミックレンジを向上させること。
• 青色フィルタを使用せずに、従来の限界を超える変調帯域幅を拡大すること。
• さまざまなデータレートにおいてビット誤り率（BER）を最小化する最適なDCバイアス電流を特定すること。
• 実験結果を用いて、LED非線形変調特性の理論的モデルを検証すること。

提案手法

• キャリア寿命およびジャンクション静電容量効果に基づくLED非線形特性の理論的モデリング。
• 変調帯域幅およびダイナミックレンジを測定するために、DCバイアスを調整可能な白色LEDを用いた実験設定。
• 青色フィルタを必要とせず、40 MHzまで帯域幅を拡大するための後処理等化技術の適用。
• 線形ダイナミックレンジの向上のため、直列接続されたLEDチップの使用。
• さまざまなDCバイアス電流およびデータレートにおけるビット誤り率（BER）の測定。
• 実験結果と理論的予測の比較を通じて、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VLCシステムにおける白色LEDのDCバイアス電流を増加させると、非線形変調帯域幅にどのような影響を与えるか？
• RQ2 白色LEDを用いたVLCシステムにおいて、DCバイアス電流と線形ダイナミックレンジの関係は何か？
• RQ3 後処理等化を用いることで、青色フィルタを使用せずにどの程度変調帯域幅を拡大できるか？
• RQ4 データレートが上昇するに従い、BERを最小化する最適なDCバイアス電流はどのように変化するか？
• RQ5 LED非線形性の理論的モデルは、実験的観察とどの程度一致するか？

主な発見

• 非線形キャリア寿命およびジャンクション静電容量効果により、DCバイアス電流が上昇するにつれて変調帯域幅は増加し、最終的に飽和する。
• 直列接続されたLEDチップの使用により、線形ダイナミックレンジが効果的に向上する。
• 後処理等化により、青色フィルタを必要とせず、40 MHzの変調帯域幅を達成できる。
• 実験結果は、LED非線形変調特性の理論的モデルとよく一致する。
• 適切にDCバイアス点を最適化することで、BERが10⁻³のしきい値を下回る60-Mbps NRZ伝送が達成された。
• BERを最小化する最適なDCバイアス電流は、データレートが高くなるに従い増加する。