《可見光通信發(fā)端電路設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)論文

《可見光通信發(fā)端電路設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)論文作者:日期:鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢業(yè)論文2013屆自動(dòng)化專業(yè)班級(jí)題目 可見光通信收端電路設(shè)計(jì)姓名王寶學(xué)號(hào)0指導(dǎo)教師 陳建明職稱教授。一三年五月二十二日內(nèi)容提要隨著科技的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)信息的需求也是不斷增加。從而使更方便、更快捷的無線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)有的無線技術(shù)中，除了基于電磁波傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)射頻通信，還有基于可見光的無線通信?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)是基于led照明光源的無線光通信技術(shù)，可在有嚴(yán)格限制電磁干擾的場(chǎng)合替代射頻通信，比如機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院等，因此應(yīng)用前景廣闊。可見光通信技術(shù)己成為無線通信領(lǐng)域的研究的一個(gè)熱點(diǎn)，結(jié)合 led照明技術(shù)和光通信技術(shù)，同時(shí)具備了抗電磁干擾、無需無線電頻譜認(rèn)證、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。論文首先介紹了可見光通信技術(shù)的背景；還對(duì)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，尤其是在接收方面：分析了 PIN探測(cè)器的工作原理和特性，從而選擇出了性能高的光電探測(cè)器；研究了前置放大器，并設(shè)計(jì)出了采用跨阻抗前置放大電路，從而實(shí)現(xiàn)了高增益、低噪聲的第一級(jí)放大。論文主要對(duì)可見光通信技術(shù)的光接收電路進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光/電轉(zhuǎn)換和放大功能，最后，對(duì)影響系統(tǒng)性能因素進(jìn)行了分析，并且針對(duì)性的優(yōu)化系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞以太網(wǎng)；可見光通信；光發(fā)射；LED光接收；光電轉(zhuǎn)換Visiblelightcommunicationreceiving-endcircuitsdesignAuthor：WangBao Instructor:ChenJianmingAbstractWiththerapiddevelopmentoftechnologyandsocialprogress,people'sdemandforinformationisincreasing.Makingiteasierandmoreefficientwirelesscommunicationtechnologyhasbeenwidelyapplied.Inexistingwirelesstechnologies,inadditionbasedonelectromagnetictransmissiontraditionalradiocommunications,aswellasbasedonthevisiblelightwirelesscommunication.Visiblelightcommunicationtechnology,LED-basedlightingwirelessopticalcommunicationtechnologyinastrictlylimitedelectromagneticinterfereneeoccasionsalternativeradiocommunications,suchasairports,hospitals,etc.,sotheapplicationprospect.Visiblelightcommunicationtechnologyfieldofwirelesscommunicationhasbecomeahotresearch,combinedwithLEDlightingtechnologyandopticalcommunicationtechnology,alongwiththeanti-electromagneticinterferenee,noradiofrequencyspectrumcertification,safeandreliable.Paperfirstintroducesthebackgroundvisiblelightcommunicationtechnology;alsovisiblecommunicationkeytechnologyresearch,especiallyinthereceivingareas:analysisoftheworkingprincipleandPINdetectorcharacteristics,therebyselectingahighperformaneephotodetectors;researchapreamplifier,anddesignatrans-impedaneepreamplifiercircuitusedtoachievehighgain,lownoisefirststageamplifier.Thesis,thevisiblelightcommunicationtechnologyresearchandreceivingcircuitdesign,andthesignalisoptical/electricalconversionandamplification,finally,thefactorsaffectingsystemperformaneeanalyzedandtargetedtooptimizesystemperformanee.KeywordsEthernet;visiblelightcommunication;opticaltransmitter;LED;opticalreceiver;photoelectricconversionTOC\o"1-5"\h\z第1章緒論 11.1研究背景 11.2課題提出和研究意義 11.3本論文研究內(nèi)容 4第2章光電探測(cè)器及光接收機(jī)的研究 42.1光電探測(cè)器的工作原理及特性 5PIN探測(cè)器的工作原理 5PIN探測(cè)器的工作特性 62.2光接收機(jī)設(shè)計(jì) 82.2.1前置放大器 92.3光接收機(jī)的誤碼率及靈敏度 12第3章電路設(shè)計(jì) 153.1光發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì) 153.2光接收機(jī)模塊 173.2.1前置放大電路設(shè)計(jì) 173.2.2主放大電路設(shè)計(jì) 183.3光接收模塊原理圖 21第4章總結(jié)與展望 224.1全文總結(jié) 22致謝 23參考文獻(xiàn)： 24第1章緒論1.1研究背景人們?cè)谏詈凸ぷ髦?，常常需要把一些信息從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方，這種信息的傳遞與交換就是通信。通信使人們之間的交流，資源的分享得以加速，在社會(huì)生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，是人類社會(huì)文明得以蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)。在日新月異的當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸有了更高的要求一一更方便，更高速，更環(huán)保?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)的誕生，以其對(duì)人體無害、高速率、無需無線電頻譜申請(qǐng)等的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)贏得了人們的青睞。在電磁波譜上，人的眼睛感覺到其中一段波段的光就稱為可見光， 其波長的范圍在380-780納米之間?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)(VLC,VisibleLightCommunication)是以使用可見光LED照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，主要用于短途高速通信。它結(jié)合了射頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且在同一個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了照明和通信功能。1.2課題提出和研究意義射頻通信、無線激光通信(FSO)和可見光通信是目前正在使用或正處于學(xué)術(shù)研究前沿的無線通信技術(shù)。射頻通信廣泛用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，是目前技術(shù)最成熟的無線通信，很大程度上改變了人們的生產(chǎn)和生活習(xí)慣。相信在未來的無線通信發(fā)展中，射頻通信扔將繼續(xù)起著重要作用。與射頻通信相比，基于LED的可見光通信具有保密性強(qiáng)、對(duì)人體無害、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，具體見表1-1

屬性射頻通信可見光通信保密性能穿墻用窗簾即可阻止信號(hào)外泄：防竊聽使用頻譜淄毛士t圭需要申請(qǐng)無需申請(qǐng)可用帶寬用］尸多時(shí)影響速度不受用戶數(shù)量影響發(fā)射功率受限，影響通信距離通常情/~1/況下無需限制 ru m甲\i/ 干擾因素同頻干擾習(xí)匕曰?、【/?"d景光多任衰落時(shí)「延、相位變化干擾表現(xiàn)為背景光路徑冗余多個(gè)接入點(diǎn)APLED陣列光源傳輸速率100Mbps1幾白Mbps無線激光通信技術(shù)（FSO）是基于激光的為基礎(chǔ)，其工作原理和可見光通信技術(shù)相似，是通過把電信號(hào)調(diào)制到激光上傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。無線激光通信技術(shù)是一種遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信技術(shù)，也是近幾年的研究熱點(diǎn)，基本組成部分為光發(fā)射器和光接收器，工作過程為：通過調(diào)制把信息加載到激光上，經(jīng)大氣的傳輸，再通過望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)端的接收機(jī)，然后通過接收機(jī)的光電轉(zhuǎn)換還原成電信號(hào)。與FSO相比，可見光通信具有的優(yōu)勢(shì)如表1-2所示。表1-2可見光通信的優(yōu)勢(shì)屬性FSO可見光通信光源激光，價(jià)格高LED便宜，功耗小，壽命長對(duì)準(zhǔn)需要望遠(yuǎn)鏡，對(duì)準(zhǔn)難 1 —1 光源覆蓋范圍大，對(duì)準(zhǔn)很容易組網(wǎng)方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)都可對(duì)人體安全性皮膚特別是眼睛容易受到傷害無傷害安裝空曠，無阻擋處，般在樓頂無處不在基于LED的可見光通信技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：無需無線電頻譜認(rèn)證。射頻通信發(fā)展到今天，可用的無線電頻譜資源越來越少了?？梢姽馔ㄐ爬玫氖强梢姽獠ǘ危瑹o需頻譜申請(qǐng)，因此擁有極大的應(yīng)用前景。無電磁輻射。采用LED發(fā)出的可見光進(jìn)行通信不會(huì)發(fā)射電磁輻射，對(duì)人體不存在傷害。這使得可見光通信技術(shù)可以應(yīng)用在對(duì)電磁輻射要求苛刻的場(chǎng)合。安全性能好。射頻通信的方式的一個(gè)無線接入點(diǎn) AP的傳輸距離一般可到達(dá)100米，可以穿透墻壁。在別處通過破解無線接入密鑰就能夠窺視你的信息。而可見光通信則只要拉上窗簾就能夠控制好你的通信領(lǐng)域，具有良好的安全性能。系統(tǒng)搭建便捷、成本低。只要有LED照明系統(tǒng)的場(chǎng)所，無需在原有照明系統(tǒng)上重新布線就可搭建可見光通信系統(tǒng)，可以利用現(xiàn)有資源，節(jié)約了搭建成本，可以說是同時(shí)實(shí)現(xiàn)了照明和通信兩大功能。夠構(gòu)建接入網(wǎng)絡(luò)。1.3本論文研究內(nèi)容本論文的研究內(nèi)容具體安排如下：第1章：緒論。介紹了可見光通信的研究背景、課題提出和研究意義。在這一章中通過與射頻通信和激光通信作比較，總結(jié)出可見光通信的優(yōu)勢(shì)。第2章：光電探測(cè)器的研究。光電探測(cè)器是光接收機(jī)的第一級(jí)工作部件，是可見光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能器件，也是光 /電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，在本章中對(duì)PIN光電探測(cè)器進(jìn)行了分析，對(duì)PIN光電探測(cè)器的工作原理和工作特性進(jìn)行了研究。研究了前置放大器，并分析了光接收機(jī)的誤碼率及靈敏度。第3章：電路設(shè)計(jì)。主要對(duì)前置放大電路、主放大電路、驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路設(shè)計(jì)。對(duì)LED無線光通信接收模塊進(jìn)行研究并。光發(fā)射模塊和光接收模塊是可見光通信技術(shù)的核心，在本章中只對(duì)這光接收模塊的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)光接收功能。第4章:全文總結(jié)和展望。對(duì)課題的總結(jié)，并對(duì)可見光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。第2章光電探測(cè)器及光接收機(jī)的研究在可見光通信系統(tǒng)中，經(jīng)過光發(fā)射機(jī)調(diào)制的光信號(hào)，經(jīng)由空間傳播后到達(dá)光接收機(jī)。在這過程中光信號(hào)己經(jīng)衰減得十分微弱，光接收機(jī)需要從這微弱的光信號(hào)中檢測(cè)到傳送的信息，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過放大后供終端用戶使用。光電探測(cè)器的功能是完成光強(qiáng)度變換的檢測(cè)，完成光/電轉(zhuǎn)換。光電探測(cè)器是光接收機(jī)的關(guān)鍵，決定著光接收機(jī)的靈敏度。因此，很有必要研究光電探測(cè)器的原理和特性。2.1光電探測(cè)器的工作原理及特性目前使用廣泛的光電探測(cè)器主要有兩種，一是雪崩二極管（APD管），一是光電二極管（PIN管）。APD管的工作電壓高，還容易受溫度影響。所以，本設(shè)計(jì)采用的是PIN光電二極管。2.1.1PIN探測(cè)器的工作原理PIN光電二極管的原理和特性，如PN結(jié)光電二極管。PN結(jié)的能帶分布如圖2-1所示，在沒加電壓的情況下，處于平衡狀態(tài)，對(duì)外不表現(xiàn)電流和電壓特性。當(dāng)在光電二極管的PN結(jié)加上正向電壓后，如圖2-2所示，外加電場(chǎng)和PN結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)同向，加強(qiáng)了勢(shì)壘。光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變過程是：光子入射到 PN結(jié)上后，被處于價(jià)帶的電子所吸收。電子吸收了光子的能量后，當(dāng)擁有擺脫原子核的束縛的能量，就會(huì)躍遷到導(dǎo)帶。電子的躍遷，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空穴。電子、空穴在電場(chǎng)的作用下，分別向N區(qū)和P區(qū)移動(dòng)，就形成了電流。

1刑邨楓一66右3日0&&?S&0000◎b0◎0S?fei)允y-t\f1刑邨楓一66右3日0&&?S&0000◎b0◎0S?fei)允y-t\fr區(qū)區(qū)銃一廿二朋ftO-圖2-1PN結(jié)示意圖圖2-2光電二極管工作原理而事實(shí)上，在入射光產(chǎn)生電流的過程中，也存在自由電子和空穴復(fù)合湮滅的現(xiàn)象。為延長空穴一電子對(duì)存在的壽命，可以采用在 PN結(jié)之間增加一個(gè)I層的方法，從而改變PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，在耗盡層保留盡可能多的空穴-電子對(duì)，而獲得較大的電流。PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，I層為輕摻雜N型半導(dǎo)體，I層很厚，是產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域變大會(huì)使得電子-空穴對(duì)數(shù)量增多，提高了轉(zhuǎn)換的效率。圖2-3PIN圖2-3PIN光電極管結(jié)構(gòu)PIN探測(cè)器的工作特性光電二極管的性能常用光電轉(zhuǎn)換效率、暗電流和響應(yīng)速度來描述。光電轉(zhuǎn)換效率。光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率常用響應(yīng)度來或量子效率衡量。響應(yīng)度是在一定波長光的照射下，光電探測(cè)器的平均輸出電流與入射的平均光功率之比，表示單位光功率轉(zhuǎn)換成電流的數(shù)值。 如2-1所示：R=八(A/W) (2-1)Gil1?為光電探測(cè)器的平均輸出電流；一1為入射到光電二極管上的平均光功率。暗電流。發(fā)光二極管的暗電流是指器件在反偏狀態(tài)下，在無光照射時(shí)輸出的反向直流電流［。暗電流是器件噪聲的主要來源之一。暗電流產(chǎn)生的噪聲電流均方值可表示為：i2dn=2e0.Id.B (2-2)它與反偏電流—成正比，因此總希望它的數(shù)值較小。既然一是器件處于反偏下的電流，因此其量級(jí)較小，一般為nA量級(jí)。由于該噪聲源處于接收系統(tǒng)的前端，對(duì)系統(tǒng)靈敏度的影響是不能忽視的。響應(yīng)時(shí)間。它表示器件對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的反應(yīng)能力。對(duì)脈沖調(diào)制的光信號(hào)的響應(yīng)速度，常以電流脈沖上升時(shí)間(10%上升到90%勺時(shí)間)和下降時(shí)間(90%上升到10%的時(shí)間)表示。光電二極管的響應(yīng)速度主要受載流子在耗盡區(qū)中的渡越時(shí)間 RC數(shù)值的影響。為減小渡越時(shí)間，要求I層?。粸闇p小時(shí)間常數(shù)RC以及電路時(shí)間常數(shù)，要求器件的結(jié)電容小，而器件的結(jié)電容可表示為"「三 (2-3)】W其中三為耗盡區(qū)的介電常數(shù)，A為結(jié)面積，W為耗盡區(qū)寬度?？梢奧越大，|越小，對(duì)減少時(shí)間常數(shù)有利，同時(shí)W越大，對(duì)提高器件的效率也是很有利的。但是W越大，即I層越厚，對(duì)減少光生載流子的渡越時(shí)間不利。所以，I層厚度要折中考慮。2.2光接收機(jī)設(shè)計(jì)圖2-4光接收機(jī)框圖本論文采用光強(qiáng)度直接調(diào)制方式，數(shù)字光接收機(jī)一般包括光電探測(cè)器、前置放大器、主放大器、均衡器、判決器和解碼器。光電探測(cè)器完成信號(hào)的光/電轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)的數(shù)字光接收機(jī)的框圖如圖2-4所示。前置放大器緊跟著光電探測(cè)器，對(duì)光電探測(cè)器微弱的光信號(hào)進(jìn)行放大；判決器的工作是恢復(fù)數(shù)字信號(hào)，根據(jù)信號(hào)電平的大小判別出該信號(hào)是比特 1還是比特0，主放大器屬于后級(jí)放大器，因判決電路是根據(jù)信號(hào)電平的高低來判別工作的，主放大器的功能就是對(duì)來自前置放大器的信號(hào)電平進(jìn)行放大，以滿足判決電路的需求；均衡器的作用是將輸出波形進(jìn)行均衡，提高信號(hào)判決時(shí)的準(zhǔn)確度；解碼器完成解碼功能。光電探測(cè)器和前置放大器是光接收機(jī)的核心部分，兩者合在一起稱為光接收機(jī)前端。光接收機(jī)前端是光接收機(jī)最先工作的部分，輸出的信號(hào)供后續(xù)各部分處理，因此光接收機(jī)前端性能優(yōu)劣優(yōu)劣十分重要，對(duì)光接收機(jī)的靈敏度起到?jīng)Q定作用。所以，要對(duì)光接收機(jī)前端進(jìn)行深入探討。在上一節(jié)中己經(jīng)對(duì)PIN光電探測(cè)器進(jìn)行了詳細(xì)分析，下面將重點(diǎn)對(duì)前置放大器進(jìn)行研究分析。221前置方攵大器光信號(hào)經(jīng)過光電二極管，PIN）檢測(cè)出的光電流一般很微弱，無法直接進(jìn)行時(shí)鐘提取、判決和解碼操作，所以要先進(jìn)行放大。緊跟著光電探測(cè)器后面的放大器就是前置放大器。它的作用是對(duì)微弱的光電流進(jìn)行放大，以供下級(jí)放大器進(jìn)行放大和處理。但是，前置放大器在放大的同時(shí)也引入了本身電阻帶來的熱噪聲和晶體管帶來的散粒噪聲，這些噪聲會(huì)在下一級(jí)放大器處得到放大，對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大。所以，要對(duì)前置放大器進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，具有低噪聲、高增益和寬頻帶的特點(diǎn)，從而使光接收系統(tǒng)能得到較大的信噪比。2-1目前，用于光接收機(jī)的前置放大器主要有三種：低阻抗前置放大器、2-1高阻抗前置放大器和跨阻抗前置放大器。這三種放大器的比較如表所示。表2-1三種前置放大器通過比較，可以得出這樣的結(jié)論：跨阻抗前置放大器具有動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，適合在高速光通信系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，選擇跨阻抗前置放大器為前置放大器?？缱杩骨爸梅糯笃鞯碾娐穲D如表2-1所示，其等效輸入電阻?：?表示為:(2-4)其中匚反饋電阻寬帶B（高端截止頻率）表示為:AB = (2—5)2HRA4nRfCt式中-為總輸入電容實(shí)際上，跨阻抗前置放大器是在高阻抗前置放大器 -基礎(chǔ)上，為了A改善其帶寬而設(shè)計(jì)的，通過增加負(fù)反饋電阻凡，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。由2-4式可得，輸入電阻是高阻抗前置放大器的上。由于輸入電阻 ］的變小，給前置放大器在抗噪聲、電磁干擾方面帶來了好處，也不易發(fā)生串話。由2-5式可得，帶寬與輸入電阻成反比，由于電阻的減小使得帶寬至少增加了A倍。但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候要注意，反饋電阻匚的引入改善了寬帶也引入了熱噪聲，所以反饋電阻略:的大小要折中選擇。

跨阻抗放大器的經(jīng)典設(shè)計(jì)如圖2-5所示，由三個(gè)三極管構(gòu)成三級(jí)放大電路。T1和T2構(gòu)成負(fù)反饋，寬帶補(bǔ)償由R4和C2提供，負(fù)反饋電阻提供負(fù)反饋電壓。該設(shè)計(jì)可提供高達(dá)600Mbps的工作速率。圖2-5跨阻抗前置放大器2.3光接收機(jī)的誤碼率及靈敏度常用誤碼率和靈敏度兩個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)光接收機(jī)的性能好壞。誤碼率是指在信號(hào)判別的時(shí)候，發(fā)生錯(cuò)誤判別的概率。在給定的通信條件下，光信號(hào)強(qiáng)度只有高于一定值，光接收機(jī)才能對(duì)其做出反應(yīng)。這個(gè)最小的光信號(hào)強(qiáng)度一般用最小平均接收光功率表示，也就是光接收機(jī)的靈敏度。信號(hào)的判決是通過將信號(hào)電平與判決閾值進(jìn)行比較，從而判決出信號(hào)值，光接收機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘信號(hào)在某一個(gè)時(shí)刻進(jìn)行采樣，采樣得到的

信號(hào)電壓值I與判決閾值ID比較，若I>ID,則判決為“1”，若1<ID,則判決為“0”。信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中引入了噪聲，因此接收后的信號(hào)無論是高電平還是低電平都加載了噪聲，噪聲在接收波形上表現(xiàn)為凹凸不平的“毛刺”。那么，在接收“1”碼時(shí)，如果光接收機(jī)在判決時(shí)刻的噪聲很大，導(dǎo)致I1<ID，則發(fā)生了誤判，發(fā)生的概率用P（0/1）表示。反之亦然，在接收“0”碼時(shí)，噪聲導(dǎo)致I0>ID，同樣產(chǎn)生了誤判，發(fā)生的概率用P（1/0）表示。用P（1）和P（0）分別表示接收到“1”和“0”的概率，則光接收機(jī)的誤碼率可以表示為：C2-6)BER=P(l)p(0/l}+p(0)p(l/0)C2-6)噪聲方差表示為:1BER=-erfc1BER=-erfc4其中，匚-分別表示“1”碼和“ierfc(2-73馬的噪聲方差，定義函數(shù)為:erfcfx）=玄 Jdy從公式2-8可以看出，還與判決時(shí)刻密切相關(guān)，光接收機(jī)的誤碼率與噪聲方差成反比，因此要盡量降低噪聲。靈敏度是指在保證給定誤碼率指標(biāo)的條件下，接收機(jī)所需的最小平均接收光功率.，，對(duì)于采用PIN光電探測(cè)器的光接收機(jī)，靈敏度公式3-4表示為：一 ■■r：I7 (2-9)典一 +%)R式中，一、廳乜分別表示“1”碼和“0”碼的噪聲方差，的『為熱噪聲的方差，R為PIN光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率。由公式2-8和公式2-9可知，光接收機(jī)的靈敏度和誤碼率都受到噪聲的影響，而光接收機(jī)的噪聲主要來源于光電探測(cè)器和前置放大器。光電探測(cè)器的噪聲主要是光電轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生電子的隨機(jī)性引起的散粒噪聲和溫度作用下載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲。前置放大器的噪聲主要是輸入電阻熱噪聲和有源器件(如晶體管)的散粒噪聲。如何提高光接收機(jī)的性能參數(shù)是可見光通信研究的重點(diǎn)之一，一般可以通過選擇合適材料，提高制造工藝和優(yōu)化電路實(shí)現(xiàn)。可見光通信系統(tǒng)對(duì)光接收機(jī)的要求有：對(duì)工作波長范圍內(nèi)的靈敏度高。這是對(duì)信號(hào)完成光/電轉(zhuǎn)換的能力，直接決定著可見光通信的距離。系統(tǒng)本身噪聲要盡可能小。PIN光探測(cè)器的響應(yīng)速度要快，以滿足高速通信的要求。第3章電路設(shè)計(jì)3.1光發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)心圖3-1驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路設(shè)計(jì)光發(fā)射機(jī)的功能是將信號(hào)加載到led光源上，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，光發(fā)射機(jī)的主要部分是驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路。驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路一方面向 LED光源提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，另一方面根據(jù)輸入信號(hào)的數(shù)值“ 1”或“0”控制光源的“開”狀態(tài)和“關(guān)”狀態(tài)?？梢姽?LED光源的驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示，主要包括調(diào)制電流發(fā)生器和差分驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路各個(gè)部分的功能如下：調(diào)制電流發(fā)生器：調(diào)制電流發(fā)生器控制輸出給LED光源的電流幅度大小，由一個(gè)集成運(yùn)算放大器、一個(gè)NPN型三極管構(gòu)成。集成運(yùn)算放大器的同相輸入端接參考電壓發(fā)生器，反向輸入端直接連到三極管發(fā)射極構(gòu)成負(fù)反饋，反向輸入端的輸入電壓值選取三極管發(fā)射極的電位。電阻R1的作用就是為集成運(yùn)算放攵大器的反向輸入端提供輸入電壓。調(diào)制電流發(fā)生器的工作原理是：集成運(yùn)放通過比較參考電壓和三極管發(fā)射極電壓（參考電壓大于三極管發(fā)射極電壓），將兩個(gè)電壓的差值放大輸出，然后驅(qū)動(dòng)NPN型三極管。調(diào)制電流發(fā)生器的集電極電流進(jìn)一步控制差分驅(qū)動(dòng)器的工作時(shí)的電流大小。因此，通過選取電阻 R1的大小，就可以獲得不同大小的集電極電流，進(jìn)而獲得差分驅(qū)動(dòng)器輸出不同大小的驅(qū)動(dòng)電流。差分驅(qū)動(dòng)器：差分驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)NPM極管T1和T2構(gòu)成，T1的集電極接LED光源，T2的集電極通過一個(gè)電阻接電源。Q2為倒相放大器，將輸入比較器的檢測(cè)信號(hào)變成差分信號(hào)，并且提供增益放大。差分信號(hào)控制三極管T1和T2的基極，當(dāng)輸入比較器檢測(cè)數(shù)值為“1'時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，此時(shí)LED發(fā)光，發(fā)出信號(hào)“T;當(dāng)輸入比較器檢測(cè)數(shù)值為“0”時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通，此時(shí)LED不發(fā)光，相當(dāng)于發(fā)出信號(hào)“0”。差分驅(qū)動(dòng)器通過兩個(gè)三極管T1和T2的相互導(dǎo)通來控制陣列光源的開啟和關(guān)閉，將光信號(hào)調(diào)制到LED陣列光源上。無論是哪個(gè)三極管導(dǎo)通都能夠保持穩(wěn)定的電流輸出，有效減低噪聲和電磁干擾。差分驅(qū)動(dòng)器就相當(dāng)于一個(gè)選通開關(guān)，受輸入緩沖器檢測(cè)信號(hào)的控制。驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路的工作過程是：輸入比較器的接收引腳IN+和IN-接收到差分信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器的比較檢測(cè)出信號(hào)值是“1”還是“0”。然后，通過倒相放大器的作用變成差分信號(hào)，控制差分驅(qū)動(dòng)器：如果是“0”信號(hào)，T1管截止，T2管導(dǎo)通，LED陣列光源不亮，此時(shí)沒有光輸出，代表著“0”信號(hào)；如果是“1”信號(hào)，T1管導(dǎo)通，T2管截止，這種狀態(tài)下LED光源、差分驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制電流發(fā)生器構(gòu)成電流回路，LED光源發(fā)光，代表著“1”信號(hào)。通過這種選通的方式，就可以把數(shù)字信號(hào)“1”和“0”調(diào)制到LED光源上，以光信號(hào)的形式在自由空間中傳播。3.2光接收機(jī)模塊經(jīng)過光發(fā)射機(jī)調(diào)制的光信號(hào)被PIN光電二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。但是，在光信號(hào)在空氣中傳播的過程中會(huì)嚴(yán)重衰減， PIN光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)十分微弱，必須進(jìn)行放大才能供后續(xù)電路處理。光接收機(jī)模塊主要包括前置方攵大電路和主放大電路。3.2.1前置放大電路設(shè)計(jì)圖3-2前置放大電路設(shè)計(jì)前置放大電路電路設(shè)計(jì)如圖3-2所示，主要部分為跨阻抗放大器、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換器和差分放大輸出。P|N光電二極管接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)化成電流從引腳IN端輸入，經(jīng)過跨阻放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)過差分信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，然后通過差分放大器輸出。由于跨阻放大器低噪聲、高靈敏度等的優(yōu)異性能，所以在設(shè)計(jì)中采用跨阻放大器，用放大器A1組成跨阻抗放大器。反饋電阻1跨接在放大器反向輸入端和輸出端，形成并聯(lián)負(fù)反饋，將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓。并聯(lián)的兩個(gè)二極管D1和D2的作用是鉗位，在大輸入電流的情況下，限制輸出信號(hào)的幅度，從而達(dá)到增大光接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的目的。此設(shè)計(jì)還具有消除直流成分的功能，在放大器A1的同相輸入端接一個(gè)小的參考電壓。這個(gè)參考電壓可以從電路中提取，因此能夠根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境的不同而變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于放大器的工作特點(diǎn)是放大同相與反相輸入端之間的輸入差值，因此可以抵消輸入信號(hào)的直流成分。消除直流成分后，輸入信號(hào)位于跨阻抗放大器的線性范圍中央，從而降低脈寬失真。電阻R1和電容C1構(gòu)成濾波電路，減低電源的噪聲干擾。差分信號(hào)發(fā)生器由集成運(yùn)算放大器A2和A3構(gòu)成，將跨阻抗放大器的單端輸出信號(hào)分別經(jīng)過集成運(yùn)算放大器的同相方攵大和反相放大后轉(zhuǎn)變成雙端輸出的差分信號(hào)，并且提供額外增益。然后，信號(hào)經(jīng)過差分放大電路輸出，以差分信號(hào)的形式傳輸?shù)街鞣糯箅娐贰?22主放大電路設(shè)計(jì)

圖3-3 主放大電路設(shè)計(jì)光電流信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后，信號(hào)強(qiáng)度還需要后級(jí)放大電路進(jìn)一步放大處理才能直接驅(qū)動(dòng)電路。主放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，使得信號(hào)強(qiáng)度滿足判決再生的需要。并且，電路具有自動(dòng)增益（AGC）功能，對(duì)輸入信號(hào)的變化作出補(bǔ)償控制，保持輸出信號(hào)的幅度的穩(wěn)定。主放大電路設(shè)計(jì)如圖3-3所示，主要包括了輸入緩沖器、帶AGC功能的多級(jí)放大器、輸出緩沖器電路組成。從前置放大器來的差分信號(hào)通過輸入引腳IN+和IN-進(jìn)入輸入緩沖器，得到放大。然后，信號(hào)在多級(jí)放大器處進(jìn)一步放大處理，AGCt路控制其輸出幅度，使之輸出幅度保持不變。最后，從輸出緩沖器輸出。輸入緩沖器由一對(duì)射隨器和一對(duì)差分對(duì)管組成。差分信號(hào)根據(jù)輸入的數(shù)值控制晶體管T1和T2的導(dǎo)通和截止。然后，通過晶體管的射極輸出控制差分放大器的工作。輸出緩沖器是一個(gè)共發(fā)射極差分對(duì)管，輸出信號(hào)的高低電平切換是由差分對(duì)管的開關(guān)作用控制。帶自動(dòng)增益控制（AGC的多級(jí)放大器的作用是提供信號(hào)增益，同時(shí)控制輸出信號(hào)的輸出幅度，保證輸出信號(hào)幅度不變。這樣在輸入光功率由于干擾等原因產(chǎn)生變化時(shí)，光接收機(jī)的仍維持恒定的輸出電壓，使后續(xù)判決電路正常工作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AGC電路的設(shè)計(jì)是通過場(chǎng)效應(yīng)管漏源極之間的電阻變化控制放大器的放大倍數(shù)。以差分信號(hào)的正輸入端為例，放大器A1、電阻R13和場(chǎng)效應(yīng)管Q1構(gòu)成負(fù)反饋，放大器A1的輸出電壓-…為：<3-D%=%「+醬）<3-D其中，'為場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏源極電阻。控制信號(hào)從主放大器的輸出端提取，經(jīng)過濾波后，輸入到反相放大器，從而變成負(fù)向的AGCfe壓。該負(fù)向的AGCfe壓控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏源極之間的電阻，從而控制了放大器A1的放大。當(dāng)輸入電壓Vin增大時(shí)，負(fù)向的AGCt壓增大，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏源極電阻增大，根據(jù)公式3-1可以知道輸出電壓變小。反之亦然，輸入電壓減小時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏源極電阻減小，輸出電壓變大。3.3光接收模塊原理圖圖3-4光接收模塊原理圖圖3-4光接收模塊原理圖+J前置主放大放電芒大器d+'riJD1光接收模塊的電路原理如圖3-4所示，光信號(hào)由PIN光電二極管接收轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過前置放大器和主放大電路進(jìn)行放大。前置放大器和主放大器之間采用阻容渦合的方式進(jìn)行連接，阻容渦合方式帶來很多好處。由于電容對(duì)直流量的電抗為無窮