[论文解读] 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 9

一句话总结

本文研究了白光LED中的直流偏置对可见光通信（VLC）系统调制带宽和动态范围的影响。通过优化直流偏置电流，作者在使用后均衡技术的情况下实现了40 MHz的调制带宽，并实现了60 Mbps的NRZ传输，误码率（BER）低于10⁻³，表明更高的偏置可提升带宽，但最终因非线性载流子寿命和结电容效应而达到饱和。

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.

研究动机与目标

• 分析白光LED直流偏置对可见光通信（VLC）系统中非线性失真和系统性能的影响。
• 通过串联连接的LED芯片提升线性动态范围。
• 在不使用蓝光滤波器的情况下，将调制带宽扩展至传统限制之外。
• 确定在不同数据速率下最小化误码率（BER）的最优直流偏置电流。
• 通过实验结果验证LED非线性调制特性的理论模型。

提出的方法

• 基于载流子寿命和结电容效应的LED非线性特性理论建模。
• 采用可调直流偏置的白光LED实验装置，测量调制带宽和动态范围。
• 应用后均衡技术，在不使用蓝光滤波器的情况下将带宽扩展至40 MHz。
• 通过串联连接的LED芯片提升线性动态范围。
• 在不同直流偏置电流和数据速率下测量误码率（BER）。
• 将实验结果与理论预测进行比较，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VLC系统中，增加直流偏置电流如何影响白光LED的非线性调制带宽？
• RQ2 在基于白光LED的VLC系统中，直流偏置电流与线性动态范围之间存在何种关系？
• RQ3 在不使用蓝光滤波器的情况下，后均衡技术能将调制带宽扩展多大程度？
• RQ4 为最小化BER，最优直流偏置电流如何随数据速率的增加而变化？
• RQ5 LED非线性特性的理论模型与实验观测结果的吻合程度如何？

主要发现

• 由于非线性载流子寿命和结电容效应，调制带宽随直流偏置电流的增加而提升，最终趋于饱和。
• 通过使用串联连接的LED芯片，线性动态范围得到有效增强。
• 后均衡技术使调制带宽达到40 MHz，且无需使用蓝光滤波器。
• 实验结果与LED非线性调制特性理论模型高度吻合。
• 通过合理优化直流偏置点，实现了60 Mbps的NRZ传输，且误码率低于10⁻³的阈值。
• 最小化BER的最优直流偏置电流随数据速率的提高而增大。