1 引言
可见光通信技术(Visible Light communication, VLC)在2000年由日本科学家提出后越来越受到各国科学家的重视[1-2],该技术实现了绿色无辐射,低能耗的高速通信传输。传统的VLC系统采用光电二极管(Photodiode, PD)或光电倍增管(Photomultiplier Tube, PMT)作为接收端的光电检测器件,然而其低灵敏度、低增益等缺陷使得在复杂信道条件下通信距离限制在数十米量级[3- 4],难以满足长距离通信的发展需求。
基于此背景,研究者们开始采用单光子探测设备如单像素光子计数器(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)替代目前的PD、APD探测器,这类器件具有高灵敏度、低功耗的优点[5]。光信号传输中被严重衰减后,到达接收端检测器的光能量十分微弱,而单光子检测器可以检测到光量子级(10-19J)水平的信号,被认为是光电检测的极限水平,为可见光通信距离的拓展提供了重要技术支持[6-7]。但是基于单点结构的SPAD只能响应光子的有无,当光子入射SPAD时,SPAD产生雪崩效应并输出电流,但在电路淬灭和恢复时不再对其他入射光子进行响应,即SPAD的死时间效应。死时间约束下的SPAD光子探测动态范围小,探测效率不高等缺陷,是制约其成为在无线光通信系统的标准化、规模化应用的技术瓶颈[8-9]。
多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter, MPPC)是由数千至数万个SPAD基于淬灭机制而并联集成起来的探测器阵列。单个像素点主要由一个淬灭电阻和雪崩二极管组成,当一个像素接收到一个光子时,MPPC输出一个幅度一定的脉冲,当多个光子同时入射在不同像素上并在同一时间被检测到,则MPPC会输出一个幅值等于对应光子个数的脉冲叠加高度的信号。这样MPPC不仅可以反映光子的有无,还可以通过输出电信号的大小反映光子的多少。文献[10-11]研究了MPPC的基础特性及对应参数,建立了多像素光子计数器的综合理论模型。MPPC从结构上改善了SPAD的死时间问题,扩大了光子探测动态范围并提高了探测效率,是弱光信号探测领域一种比较理想的新型光子计数器件。
单点结构的SPAD在可见光通信中的相关研究已经取得了很多突破[12-13],然而对多像素光子计数器的理论研究和工程应用都还处于起步阶段。2018年,徐敬教授团队在2 m的水槽中实现了基于PAM- 4信号的MPPC可见光通信传输系统[14]。2019年,浙江大学和新南威尔士团队在水下LED无线光通信中实现了46 m距离下5 Mbps的传输能力[15]。本文主要在弱光条件下模拟型MPPC的信号检测模型进行研究,对比了不同条件下的通信信号眼图,讨论了对输出脉冲的各种影响因素。最后利用阵列结构输出的叠加特性,采用基于泊松模型的单符号最大似然检测方式得到了该通信系统的误码率和通信距离的关系曲线图。
2 系统模型与实验搭建
2.1 系统链路模型
一个完整的VLC通信系统包括三个部分:(1)以发光二极管(Light-emitting Diode, LED)为主要器件组成的发射端,它通过光源的高速明暗闪烁信号来传输信息,在照明的同时实现高速通信。(2)以光电检测器为主要器件组成的接收端,它将接收到的光信号转换为电信号。(3)信道,即可见光通信的各种应用场景如:室内、水下等。发射端输出的光信号通过不同信道会发生相应程度的衰减。如图1所示为本实验中基于MPPC的可见光通信系统模型。在发送端将数据写入开发板由此驱动LED光源,光子经过弱光环境下的信道并发生衰减,通过接收端光学系统后和噪声信号共同进入MPPC接收端并输出,输出的电信号再由后续提出的检测算法进行判决处理。
图1 弱光条件下基于MPPC可见光通信系统模型
Fig.1 Model of MPPC-based visible light communication system in weak light
2.2 实验系统搭建
本实验搭建的基于LED和MPPC接收机的可见光通信系统中,实验场景为弱光条件的暗室环境,其背景光噪声的照度范围大约在4.67 lx到5.28 lx之间。
图2 基于MPPC的可见光通信实验系统
Fig.2 Experiment system of visible light communication based on MPPC
发射端采用一块黑金系列的现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)开发板(ALINX,AX7010)作为主要器件进行单极性开关键控(On-Off Keying, OOK)调制的数字信号处理,写入一串序列长度为100的伪随机序列。在扩展口处级联一个LED状态指示灯作为发光光源。当发送符号为“1”时,LED点亮,当发送“0”时,LED不工作。
图3 发射端LED及开发板
Fig.3 LED and development board in transmitter
接收端主要器件为C12332-01型号的MPPC接收电路板和S13360系列1325CS型号的MPPC。接收电路板由传感器电路板和电源电路板组成,首先由传感器电路板接入MPPC,再由电源电路板接入驱动电源和示波器。接收板具有温度补偿功能使MPPC可以在温度变化的环境下稳定工作,本实验中室温约25.3 ℃。采用的S13360-1325CS型号MPPC可用于精密测量,响应波长为270～900 nm。其光敏面积为1.3*1.3 mm,采用陶瓷封装形式并联集成了2668个像素点。最后利用计算机设置MPPC两端工作电压,使其在通电后进入盖革模式进行高灵敏度光电检测并输出信号。
图4 C12332-01及S13360-1325CS型号MPPC
Fig.4 The C12332-01 and the MPPC of S13360-1325CS
3 基于MPPC的IVA-ML检测算法
光子级别的传输具有波粒二象性,光子检测实质是在抽样时间内不停做时间切片,记录每个时刻到达接受面的光子个数,再将光信号转化为电信号。理想情况下,将一个符号周期看作是一次时间切片,单个SPAD和阵列MPPC的光子计数过程都可以建模为泊松统计分布[16]:
图5 泊松分布示意图
Fig.5 Poisson distribution diagram
通常在对单个SPAD接收信号进行检测时,是根据单个符号周期内离散的触发脉冲数量确定接收光子数,由接收光子数的泊松分布特性对光子数进行判决的[17]。在MPPC接收机模型中,输入光信号Si和光电探测器的输出电信号So可以通过以下关系表示:
So=Si·Cp·M+Sn
(1)
其中Cp表示光子探测效率,M表示器件增益,Sn表示噪声信号。在理想情况下,接收端光子分布特性满足泊松分布,而MPPC的输出脉冲幅度由等效光电子引起雪崩像素数量确定,其电压增益的均匀性是比较一致的[16]。同时可见光通信通常采用强度调制/直接检测(Intensity Modulation Direct Detection, IM-DD)方式,因此我们可以不考虑光子数量,直接通过对输出脉冲响应幅值设置判决门限进行检测,其输出脉冲幅度的概率分布满足:
(2)
其中n为光电子数,r为平均脉冲幅值。对于OOK调制信号,当接收到的比特分别为“1”、“0”时,在理想泊松分布条件下基于电压幅值的最大似然检测(Ideal Voltage Amplitude Maximum Likelihood Detection, IVA-ML Detection)的检测门限值为对应概率密度P1和P0的交点:
(3)
解得最优判决门限为:
(4)
而在信号处理领域运用最为广泛的是高斯信道收发机理论,传统光电检测器件PD及APD均采用的均是基于高斯分布模型的均值检测算法(Mean Value Detection),该算法的门限值为:
(5)
结合实验条件的大致参数,我们对两种算法的性能表现进行了理论仿真:
图6 不同距离下误码率仿真图
Fig.6 Simulation diagram of BER at different distances
可以看出,同等实验条件下本文提出的最大似然检测算法相比传统均值算法的误码率更低。随着仿真通信距离增加,光衰减严重造成误码率性能差异减小,二者均不理想。
4 实验结果和分析
4.1 眼图结果分析
与SPAD的高精度光学准直要求不同,LED与接收端MPPC像素面不需要严格对准,只需要保证像素面上有一定的光照即可。我们设置LED指示灯和MPPC接收板的距离分别为2 m、4 m、6 m,测量了传输速率分别为3 Mbps、5 Mbps时的波形并记录下了眼图。
图7 不同距离下速率为3 Mbps的眼图
Fig.7 The eye diagram with a rate of 3 Mbps at different distances
图8 不同距离下速率为5 Mbps的眼图
Fig.8 The eye diagram with a rate of 5 Mbps at different distances
发送信号为典型的OOK信号,在距离为2 m时,不同速率下眼图的表现均较为良好。MPPC的阵列结构一定程度上优化了死时间问题,但是并不能彻底解决,雪崩的像素点必定存在淬灭和恢复过程。传输距离为2 m时像素面上的光照相对较强,入射的光子数较多,然而不管在同一时间进入同一像素的光子数是一个还是更多,该像素在该时刻总是只输出一个脉冲。因此MPPC本身像素数量限制了响应光子数的上限,处在工作状态的像素点比例越高,入射光子中无法产生响应脉冲光子比例也越高,导致MPPC输出脉冲高度和入射光子数之间的线性变差。因此在2 m距离下,雪崩像素数量趋于饱和,上下边带的宽度较窄,输出信号幅度趋于稳定。
接着我们逐渐扩大接收端和LED光源的距离,可以看出眼图的上边带处的线迹明显变宽,噪声容限变小,而下边带的变化不大。原因可大致分为两种:(1)MPPC接收模型的输出特性。(2)环境光噪声及器件本身产生的干扰因素。
如图9所示,入射光子进入集成在像素面上的单个像素点中并产生触发脉冲,各像素点独立工作,产生的电信号在同一输出端口叠加输出形成了MPPC的输出脉冲波形。同一时刻入射的光子总数决定了该时刻产生的脉冲总高度,而不同时刻满足泊松分布的入射光子数决定了符号周期内脉冲高度分布的泊松性。因此在入射光子数与雪崩像素数之间的非线性率较低时,入射符号为“1”的眼图上边带相对下边带会更宽,受泊松噪声特性影响更明显。当进一步增加传输距离时,MPPC对极微弱光进行探测,光子产生的脉冲数量不足以叠加产生连续方波,输出波形为与SPAD相类似的离散脉冲信号,而模拟输出型MPPC不适用于此类光强条件进行探测,眼图完全闭合。
图9 各像素产生光子脉冲叠加示意图
Fig.9 Schematic diagram of photon pulse superposition by pixels
此外还有部分干扰因素会导致MPPC输出波形不理想[11],具体分析如下:
(1)串扰:一个光子入射到MPPC的像素面上时,检测到该光子的像素发生雪崩时可能使周围其他像素也产生雪崩并输出串扰脉冲,使得实际输出的脉冲高度高于光子响应脉冲,这种现象是MPPC输出脉冲波形不理想的重要因素。
(2)后脉冲:当MPPC检测到光子时,雪崩效应中产生的部分空穴可能被放电的光电子暂时占据,之后再放电产生的延迟信号可能与输出脉冲分别输出,这些信号被称为后脉冲。后脉冲也会使后续的脉冲幅度高于理想值,或者使符号周期延长。
(3)噪声:在暗室这样一个相对理想的实验环境下,依然有噪声的产生。一般有三种原因:1)器件自身噪声引发雪崩产生暗计数;2)暗室内其他仪器显示灯产生的背景光噪声;3)LED发出的光在桌面、仪器表面发生漫反射引起的多径效应。
4.2 算法结果验证
接着我们对所提出的算法在实验系统中进行验证,针对弱光下基于OOK调制方式的可见光通信系统的误码率性能进行了判决检测。通过实验,在示波器上对MPPC输出波形数据进行幅值采样,然后依照是否大于判决门限ρ和ρmν来进行符号判决,测试了不同距离下两种算法的误码率性能。部分采样的光脉冲波形如图10所示。
图10 部分光脉冲波形
Fig.10 Partial optical pulse waveform
不同距离下的光脉冲数据分别处理后,绘制出所提出的最大似然检测算法和传统高斯均值检测算法的误码率曲线如图11所示。
图11 5 Mbps时不同距离下的误码率性能
Fig.11 BER performance with different distances at 5 Mbps
由图可知,在相同实验条件下,基于泊松模型的最大似然检测算法的性能优于MV检测。在距离不超过2 m时,接收端接收到符号为“1”的信号光功率较高,产生的平均脉冲幅值也相对较高,两种算法性能表现接近。在逐渐增加通信距离后,接收光子数逐渐减少,误码率不断增高,但在相同光照条件下IVA-ML算法的误码率比MV检测算法更低。在距离超过8 m之后,没有聚光接收装置的情况下光衰减严重,此时暗计数和背景光噪声占主要作用,两种检测方式的误码率均不理想。
5 结论
本文以MPPC为阵列单光子检测器件,以OOK调制为例搭建并研究了弱光条件下的可见光通信系统,通过眼图从器件本身特性和环境因素两方面研究了该通信模型的输出特性,最后给出了理想泊松模型下的最大似然检测算法及相应的误码率曲线图,为后续MPPC在可见光通信中的应用提供了理论和实验依据。实验中可以看出,阵列结构的MPPC在光学对准、工作原理及判决检测等部分中相比单个SPAD都表现出了一定的优势,随着后续器件的改进、引入更高精度的光学聚光接收系统以及外围电路的设计优化,会进一步提高可见光通信的通信距离,发挥更重要的作用。
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