一种基于可见光接收机前端apd放大器的自适应增益调整方法
一种基于可见光接收机前端apd放大器的自适应增益调整方法
【技术领域】
[ooou 本发明设及一种基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法，属于 可见光通信领域。
【背景技术】
[0002] 可见光通信技术是目前通信领域研究的热点，具备传输速率高、频谱资源充足、保 密性好W及对人体无害等优势，应用前景十分良好，可与目前广泛使用的射频通信技术互 为补充。与射频通信系统中使用发射天线和接收天线不同，在可见光通信系统中，发射机与 接收机的前端都使用光电器件。其中，发射机前端常用白光LED,将电信号转换为光信号； 接收机前端常用APD，将光信号转换为电信号。
[0003] 正是基于发射机前端为白光LED、接收机前端为APD的可见光通信系统，我们考虑 对可见光接收机中的自适应增益调整技术进行研究。
[0004] n级级联电路的总噪声系数计算公式如下：
[0005]
[0006] 其中，F为级联总噪声系数，Fi到F。为第一级到第n级电路的噪声系数，Gi到G。为 第一级到第n级电路的功率增益。
[0007] 显然，前级电路的噪声系数对总噪声系数的影响远大于后级。一般来说，级联电路 的总噪声系数主要取决于第一级或者前两级，第=级电路的噪声系数对总噪声系数的影响 已经小到可W忽略不计了。噪声系数的定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。当输入信 噪比一定时，电路的噪声系数就决定了其输出信噪比的大小。
[000引在可见光接收机中，第一级雪崩光电二极管（APD)的增益通常比较小（几十），而 第二级跨阻放大器（TIA)的增益比较大（上千），因此可见光接收机的信噪比性能主要取 决于第一级APD和第二级TIA。该样，就可W将问题从优化整个接收机简化为只需要优化 由ATO和TIA组成的前级电路了。为了便于叙述，将由ATO和TIA组成的前级电路简称为 "ATO放大器"。
[0009] 我们考虑对ATO放大器的信号与噪声进行精确建模，其模型如图1所示。分析得 到APD放大器的输出信噪比关于APD增益M和TIA反馈电阻R2的关系式如下：
[0010]
[0011] 其中，Vs2。隶示TIA输出端的光电压信号，其均方值为：
[0012]
[001引 E旨。隶示TIA输出端的总电压噪声，其均方值为；
[0014]
[0015] 其中，L表示信号光电流，IM表示光电流的散粒噪声，I表示暗电流的散粒噪声， Ri和C1分别表示ATO和运算放大器的反相输入端对地的复合电阻和复合电容，R2和C2分 别表示跨阻放大器的反馈电阻和反馈电容，Iri表示电阻Ri的热噪声，Ir;表示电阻R2的热噪 声，I。。表示运放的等效输入电流噪声，E。。表示运放的等效输入电压噪声。
[0016] 为了便于计算，不妨将1/SNR作为目标函数，即有：
[0017]
[001引考虑在实际电路应用中，信号带宽和电路稳定性带来的约束条件。
[0019] 所谓信号带宽约束，即要求实际信号带宽f。不能超过TIA的3地带宽fB，W保证 TIA对信号的高增益。即有：
[0023] 所谓电路稳定性约束，即要求设计一定的相位裕度，防止电路出现振荡现象。要使 相位裕度大于45°，则必须满足：
[0024] fX [002引化简得；
[0026]
[0027] 要使优化问题有解，必须满足：
[0031] 由于反馈电容C2的值越大，TIA的3地带宽越小，因此C2的取值应在满足上述不 等式的条件下尽可能小。
[003引分析可知，反馈电阻R2越大，1/SNR越小。为了使1/SNR取最小值，则R2应取最大 值，即：
[0033]
[0034] 1/SNR随ATO增益M的变化并非单调。为了使1/SNR取最小值，应将1/SNR的表达 式对M求微分，然后取极值，化简得：
[0035]
[0036] 该表达式中的R2即最优值R2〇w。
【发明内容】
[0037] 为了提高可见光接收机的信噪比性能，本发明提供一种基于可见光接收机前端 ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于；根据对ATO放大器的联合优化结果而设 计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏置电压，从而使输出信噪比达到最优。 [003引为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0039] 一种基于可见光接收机前端ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于：根 据对
[0040]ATO放大器的联合优化结果而设计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏
[0041] 置电压，从而使输出信噪比达到最优，具体包括W下步骤：
[00创 1)确定反馈电容C2的值，反馈电容C2的值须满足W下不等式：
[0043]
[0044] 其中，Cl为ATO与运算放大器的反相输入端对地的复合电容，f。为实际信号带宽， ft为运算放大器的增益带宽积；
[0045] 在满足上述不等式的条件下，取一个尽可能小的电容作为反馈电容C2。
[0046] 2)确定反馈电阻R2的值，最佳反馈电阻馬。pt晌表达式如下；
[0047]
[0048] 其中，C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值；将计算出的62。作为反馈电阻R2的 值。
[0049] 3)将ATO放大器输出端的电压信号先进行电压放大，再经A/D转换后采集到 单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。
[0050] APD放大器输出端的电压信号V"1的表达式如下：
[0051] V〇i=I曰MR]
[0化引其中，M为ATO增益，R2为步骤2)中确定下来的反馈电阻值，I,为ATO增益为1时 的光电流，其表达式如下：
[005引 Is=IL+mltS(t)
[0化4] 其中，It为光电流I,的直流分量，ml苗(t)为光电流I,的交流分量，m为调制深度， S(t)为正弦载波信号。
[0化5] 在该里，我们假设将要进行第n次增益调整，那么当前时刻的ATO增益是上一次 (即第n-1次）增益调整后的结果，用M"_i来表示；同样地，将当前时刻的ATO增益为1时的 光电流用Is,n-i沐表示；将APD放大器输出电压用V。"。-。来表示。此时，Vw,n-i>的表达式可 W重新表示如下：
[005(5]Vdi(n_i) -Is(n-l)Mn-化
[0057] 该式中，Mn_i和R2都是已知的，只要测出V的值，就可W得到Is(n-l)。
[0化8] 然而，由于Vw通常比较小（毫伏量级），需要使用一个增益为G1的电压放大器，将 其放大为电压信号Va2 (1~5V)，再输入到A/D中。￥。2的表达式如下：
[0059] V〇2=V〇iGi
[0060] 该式中，Gi是已知的，只要测出￥。2的值，就可W得到￥。1。
[0061] 最后，将A/D转换得到的数字电压V"3采集到单片机中即可。采用较高精度的A/ D，可W近似认为V"3=V"2。
[0062] 因此，只要知道单片机采集到的电压Vd3的值，就可W根据V。3-V。2-V。1一I,的 推导路径，得出L的值。
[0063] 4)根据单片机采集到的电压V"3的值，计算出APD增益为1时的光电流I,的值。
[0064] 从步骤3)中，我们已经知道，可W根据V"3 -V"2 - ￥。1 一I,的推导路径，由￥。3推 出L。由于Vd3 一V。2一V。1一IS的关系都是线性的，我们也可W很方便地直接推出V。3与IS 的关系式，如下所示：
[00 化]
[0066] 其中，R2和Gi都是已知的定量，M表示当前ATO增益（即上一次增益调整的结果）， 虽然会随着每次的增益调整而改变，但是是已知的。
[0067] 因此，根据该表达式，编写单片机的除法程序，可W直接由V"3计算出I
[0068] W利用滑动平均滤波法求出I曲均值，从而得到I曲值。
[0069] 由步骤3)已知，A/D每隔t秒对信号进行一次采样。也就是说，每隔t秒，单片机 就能采集到一个电压信号V"3。根据步骤4)，对于每一个电压信号V"3,都能计算出相应的L。 也就是说，每隔t秒，我们就能计算得到一个L。
[0070] 由于对APD放大器进行优化得到的结果只与光电流直流分量I甫关，因此需要根 据L的值，求出其直流分量IL的值。根据步 骤3)，光电流I,的表达式如下；
[0071] Is=IL+mltS(t)
[0072] 其中，光电流的交流分量ml占(t)的均值为0,而直流分量I曲均值就是Iu所W 光电流L的均值电就等于其直流分量II。即有：
[0073] 石=II
[0074] 因此，只要得到光电流I曲均值石就可W得到其直流分量I曲值。
[0075] 所谓滑动平均滤波法，就是将连续得到的N个L看成一个队列，队列的长度固定 为N。根据队列的先进先出原则，每次计算得到一个新的L数据，都将其放入队尾，并舍弃 掉原来队首的数据。然后每得到一个新数据，都将队列中的N个数据做一次算数平均。该 样，就可W得到光电流的平均值5,从而得到了。
[0076] 具体地，对于第n次增益调整，单片机采集到一个电压信号计算得到相应 的光电流。长为N的队列中原来存有数据…，该些数据是在前N次增益 调整中存入的；将新的数据放入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，即当前队列中的数 据为…;对当前队列中的N个数据做算术平均，就可W得到I 的值，如下：
[0077]
[007引 6)根据单片机的输出电压V"4与光电流直流分量I曲关系，事先计算好一系列值， 并制成数据表。
[0079] 由步骤5)可W得到II的值。
[0080] 而I為最佳APD增益MDpt的关系式如下：
[0081]
[0082] 其中，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，Idg为APD中参与倍增的体 漏电流，APD中不参与倍增的面漏电流，R1为ATO与运放反相输入端对地的复合电阻， I。。为运放的等效输入电流噪声，E。。为运放的等效输入电压噪声，kP为APD中的载流子电离 比，通常定义为空穴和电子的电离概率之比。C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值，R2为 步骤2)中确定下来的反馈电阻值。
[008引因此，可W根据I出最佳ATO增益Mwt，推导路径为I户Mwt
[0084] Aro的增益M与其偏置电压V有关，关系如下：
[0085]
[0086] 该式中，Vb为Aro的击穿电压，n为与ATO材料、结构有关的量，可W根据APD数据 手册上V-M曲线拟合得到。
[0087] 因此，若已知最佳ATO增益M。。。可W推出APD的最佳偏置电压V。。。推导路径为 M〇pt一V〇pt
[0088] 由于APD的偏置电压V通常比较大（几百伏），单片机无法直接输出该么大的电 压，因此需要在单片机的后面接一个电压转换器，将单片机输出的控制电压Vw转换成电压 V。电压转换巧片的输入电压v"4和输出电压V之间为线性关系，即；
[0089] V=kvV〇4
[0090] 其中，kv为电压转换系数，可W根据电压转换巧片的数据手册中提供的输入电 压-输出电压曲线图拟合得到。
[0091] 因此，根据APD的最佳偏置电压Vwt，可W推出单片机需要输出的控制电压￥。4,推 导路径为V〇pt-V。4
[009引综上所述，若已知ATO增益为1时的光电流直流分量就可W通过一系列推导， 得出为了使ATO放大器的输出信噪比最大时，单片机需要输出的控制电压V"4,推导路径为： II一M。的一V。的一V04
[0093] 由于I户Mwt-Vwt-V。4中存在非线性关系，无法直接编写单片机程序进行计 算。因此，我们只能根据一些给定的事先计算好相应的Vw的值，并制成一张数据表，存 入单片机中备用。需要根据十算相应的￥。4时，直接查表即可。
[0094] 7)根据步骤5)中得到的查找步骤6)中制好的数据表，让单片机输出一个控 制电压V"4到电压转换器中。
[009引8)电压转换器输出一个电压V到APD的负端，作为APD的偏置电压。
【附图说明】
[0096] 图1为本发明的流程框图；
[0097] 图2为ATO放大器的等效噪声模型；
[0098] 图3为不同的响应光电流下，对TIA反馈电阻的优化结果；
[0099] 图4为不同的响应光电流下，对APD内增益的优化结果；
[0100] 图5为不同的响应光电流下，对APD放大器输出信噪比的优化结果；
[0101] 图6为本发明的自适应增益调整电路图。
【具体实施方式】
[0102] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解该些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0103] 如图1所示，展示了本发明的具体实施步骤。它是基于对ATO放大器的优化结果 提出的。
[0104] 如图2所示，展示了ATO放大器的等效噪声模型。本发明正是基于该模型对APD 和TIA进行联合优化，从而使ATO放大器的输出信噪比最优。
[01化]在实施例中，我们采用的APD为S5343,并使用OPA657运放来实现TIA，电压转换 巧片采用GFHV-201P。此外，还设定了实际信号带宽为50MHz，调制深度为1，室温为290K等。 实际运用中，光电流直流分量是未知的，需要根据单片机采集的电压信号V。3来推出。在 此处，我们直接假设光电流为室内照明的光照度为lOOOlux时APD的响应电流（经计算 为1. 08X1(T6A)，用来示范实施步骤，并验证优化结果的合理性。此外，还要假设上一次增 益调整后APD的增益M= 50。各参数取值如下表：
[0106]
[0107] 在各参数取值如该表的情况下，优化结果为：
[010引 TIA反馈电阻：
[011引 APD放大器输出信噪比；
[011 引
[0114] 本发明提出的自适应增益调整方法的具体步骤如下：
[0115] 1)确定反馈电容C2的值。反馈电容C2的值须满足W下不等式：
[0116]
[0117] 在满足不等式的条件下，应取一个尽可能小的电容作为反馈电容C,。因此，我们取 反馈电容〔2=化F。
[011引 2)计算TIA的最佳反馈电阻R2的值如下：
[0119]
[0120] 如将4?0放大器输出端的电压信号V。洗进行电压放大，再经A/D转换后采集到 单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。
[012U Aro放大器输出端的电压信号Vdi= 76. 14X [l+sin(l08jTt)]mV
[012引取电压放大器的增益为Gi= 20的后，Vw经过该放大器输出的电压信号￥。2为：
[012引 V02= V0iGi= 3. 81X [l+sin(l08 3it)]V
[0124] V"2经A/D转换后的电压￥。3是数字电压，它代表的模拟值与￥。2相等，为 3. 81X [l+sin(l08ji t)]V。
[012引 4)根据单片机采集到的电压的值，可W计算出APD增益为1时的光电流I,的 值。计算公式如下：
[0126]
[0127] 5)利用滑动平均滤波法求出L的均值，从而得到U的值。
[012引 [L=/；；= 1.08 X 10-6 ^
[0129] 6)根据单片机的输出电压V"4与ATO增益为1时的光电流直流部分U的关系，事 先计算好一系列值，并制成数据表。
[0130] 由步骤W，已得到I尸1. 08X 10 -6a
[013U则根据与最佳Aro增益M关系式，可w计算出最佳Aro增益M如下；
[0132]
[013引 APD内增益M与偏置电压V的关系式如下；
[0134]
[01巧]根据S5343数据手册中给出的V-M曲线，拟合得到n=2。
[0136] 此时APD的偏置电压V应为；
[0137]
[01測而电压转换器的输入电压v"4和输出电压V之间为线性关系，即：
[0139] V=kvV〇4
[0140] 根据GFHV-201P数据手册中的Vi。~V曲线，拟合得到kv= 100/3
[0141] 则此时控制电压Vd4应为：
[01创V04=V/kv=4. 47V
[01创7)根据单片机的输入电压信号Vi，查找步骤4)中制好的表格，让单片机输出一个 控制电压V"4到电压转换器中。
[0144] 根据6)中计算的结果，单片机输出的控制电压Vw= 4. 47V
[0145] 8)电压转换器输出一个电压V到ATO的负端，作为ATO的偏置电压。
[0146] 根据6)中计算的结果，电压转换器的输出电压V= 148. 94V
[0147] 如图3、4、5所示，展示了不同的响应光电流下，对TIA反馈电阻、APD内增益W及 ATO放大器的输出信噪比的优化结果。除了光电流的其它参数取值依然如表1所示。
[0148] 如图6所示，展示了本发明的自适应增益调整电路的示意图。它是根据本发明提 出的自适应增益调整方法设计的。
【主权项】
1. 一种基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法，其特征在于：根据 对Aro放大器的优化结果设计，可以根据不同的接收光强自适应地调节Aro的偏置电压，从 而使输出信噪比达到最优。2. 根据权利要求1所述的基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法， 包括以下步骤： 1) 确定反馈电容C2的值，反馈电容c 2的值须满足以下不等式：其中，C1S Aro与运算放大器的反相输入端对地的复合电容，f ^为实际信号带宽，f ,为 运算放大器的增益带宽积； 在满足上述不等式的条件下，取一个尽可能小的电容作为反馈电容c2。 2) 确定反馈电阻R2的值，最佳反馈电阻的表达式如下：其中，C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值；将计算出的Ktjpi作为反馈电阻R2的值。 3) 将AH)放大器输出端的电压信号~先进行电压放大，再经A/D转换后采集到单片 机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。 APD放大器输出端的电压信号Vtjl的表达式如下： V01= I 风 其中，M为Aro增益，R2为步骤2)中确定下来的反馈电阻值，IsSAro增益为1时的光 电流，其表达式如下： Is= I L+mILS(t) 其中，为光电流I s的直流分量，mlf(t)为光电流Is的交流分量，m为调制深度，S (t) 为正弦载波信号。 在这里，我们假设将要进行第η次增益调整，那么当前时刻的AH)增益是上一次（即第 η-1次）增益调整后的结果，用Mlri来表示；同样地，将当前时刻的AH)增益为1时的光电流 用Is(n-1)来表不；将APD放大器输出电压用V 来表不。此时，V Mfa-D的表达式可以重新 表示如下： V〇l(n-1) I s(n-l)Mn-1? 该式中，Mn_JP R2都是已知的，只要测出V 的值，就可以得到I s(Iri)。 然而，由于Vtjl通常比较小（毫伏量级），需要使用一个增益为G i的电压放大器，将其放 大为电压信号Kl~5V)，再输入到A/D中。Vtj2的表达式如下： V02=V01G1 该式中，匕是已知的，只要测出Vt52的值，就可以得到V ^ 最后，将A/D转换得到的数字电压Vt53采集到单片机中即可。采用较高精度的A/D，可 以近似认为Vtj3= Vtj2。 因此，只要知道单片机采集到的电压Vt53的值，就可以根据V。3- V。2- VI s的推导 路径，得出Is的值。 4) 根据单片机采集到的电压Vtj3的值，计算出Aro增益为1时的光电流I s的值。 从步骤3)中，我们已经知道，可以根据V。2- VI s的推导路径，由V。3推出I s。 由于V。2- V I s的关系都是线性的，我们也可以很方便地直接推出V。3与I s的关 系式，如下所示：其中，馬和G i都是已知的定量，M表示当前Aro增益（即上一次增益调整的结果），虽 然会随着每次的增益调整而改变，但是是已知的。 因此，根据该表达式，编写单片机的除法程序，可以直接由Vt53计算出I s。 5) 利用滑动平均滤波法求出Is的均值，从而得到U的值。 由步骤3)已知，A/D每隔t秒对信号进行一次采样。也就是说，每隔t秒，单片机就能 采集到一个电压信号Vt53。根据步骤4)，对于每一个电压信号Vt53，都能计算出相应的I s。也 就是说，每隔t秒，我们就能计算得到一个Is。 由于对Aro放大器进行优化得到的结果只与光电流直流分量、有关，因此需要根据I s的值，求出其直流分量的值。根据步骤3)，光电流I s的表达式如下： Is= I L+mILS(t) 其中，光电流的交流分量mlf(t)的均值为0,而直流分量L的均值就是U，所以光电 流Is的均值ζ就等于其直流分量k。即有： rs 二 Il 因此，只要得到光电流Is的均值ζ，就可以得到其直流分量的值。 所谓滑动平均滤波法，就是将连续得到的N个Is看成一个队列，队列的长度固定为N。 根据队列的先进先出原则，每次计算得到一个新的Is数据，都将其放入队尾，并舍弃掉原来 队首的数据。然后每得到一个新数据，都将队列中的N个数据做一次算数平均。这样，就可 以得到光电流的平均值ζ，从而得到込了。 具体地，对于第η次增益调整，单片机采集到一个电压信号Vt53taI，计算得到相应的光 电流 Is(；n~〇 D 长为N的队列中原来存有数据Is (n-1-N) I s (η-2" 这些数据是在前N次增益调整 中存入的；将新的数据入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，即当前队列中的数据为 IK·· Is(n<;对当前队列中的N个数据做算术平均，就可以得到Iurf的值，如下：6) 根据单片机的输出电压Vtj4与光电流直流分量込的关系，事先计算好一系列值，并制 成数据表。 由步骤5)可以得到込的值。 而込与最佳AH)增益M _的关系式如下：其中，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，1#为APD中参与倍增的体漏电 流，Id^APD中不参与倍增的面漏电流，R A APD与运放反相输入端对地的复合电阻，Ina为运放的等效输入电流噪声，Ena为运放的等效输入电压噪声，k AH)中的载流子电离比， 通常定义为空穴和电子的电离概率之比。C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值，R2为步骤 2)中确定下来的反馈电阻值。 因此，可以根据I 出最佳AH)增益M _，推导路径为込一M _ APD的增益M与其偏置电压V有关，关系如下：该式中，％为APD的击穿电压，η为与AH)材料、结构有关的量，可以根据AH)数据手册 上V-M曲线拟合得到。 因此，若已知最佳Aro增益Mtjpt，可以推出APD的最佳偏置电压V_，推导路径为 Mopt - V opt 由于APD的偏置电压V通常比较大（几百伏），单片机无法直接输出这么大的电压，因 此需要在单片机的后面接一个电压转换器，将单片机输出的控制电压Vtj4转换成电压V。电 压转换芯片的输入电压Vtj4和输出电压V之间为线性关系，即： V = kvVo4 其中，1%为电压转换系数，可以根据电压转换芯片的数据手册中提供的输入电压-输出 电压曲线图拟合得到。 因此，根据APD的最佳偏置电压V_，可以推出单片机需要输出的控制电压Vtj4，推导路 径为 V〇pt- V。4 综上所述，若已知Aro增益为1时的光电流直流分量L就可以通过一系列推导，得 出为了使Aro放大器的输出信噪比最大时，单片机需要输出的控制电压Vtj4，推导路径为： IL- M opt- V opt- V 〇4 由于M V V。4中存在非线性关系，无法直接编写单片机程序进行计算。因 此，我们只能根据一些给定的k，事先计算好相应的Vtj4的值，并制成一张数据表，存入单片 机中备用。需要根据k计算相应的V。4时，直接查表即可。 7) 根据步骤5)中得到的L查找步骤6)中制好的数据表，让单片机输出一个控制电 压八4到电压转换器中。 8) 电压转换器输出一个电压V到APD的负端，作为APD的偏置电压。
【专利摘要】本发明公开一种基于可见光接收机前端APD放大器的自适应增益调整方法。其包括以下步骤：确定反馈电容值；确定反馈电阻值；将APD放大器输出端电压先放大再经A/D转换后采集到单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样；根据单片机采集到的电压，计算APD增益为1时的光电流Is；利用滑动平均滤波法求光电流Is的均值，从而得到其直流分量IL的值；推导单片机输出电压与IL的关系式，根据该式计算出一系列值，并制成数据表；根据计算出的IL，查找数据表，让单片机输出一个控制电压到电压转换器；电压转换器输出一个电压到APD的负端，作为其偏置电压。该方法可以根据不同的接收光强，自适应地调节APD的偏置电压，从而使接收机信噪比达到最佳。
【IPC分类】H04B10/69, H04B10/116, H03G3/20
【公开号】CN104901747
【申请号】CN201510310155
【发明人】梁霄, 卢丽慧, 袁鸣, 赵春明
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[ooou 本发明设及一种基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法，属于 可见光通信领域。
【背景技术】
[0002] 可见光通信技术是目前通信领域研究的热点，具备传输速率高、频谱资源充足、保 密性好W及对人体无害等优势，应用前景十分良好，可与目前广泛使用的射频通信技术互 为补充。与射频通信系统中使用发射天线和接收天线不同，在可见光通信系统中，发射机与 接收机的前端都使用光电器件。其中，发射机前端常用白光LED,将电信号转换为光信号； 接收机前端常用APD，将光信号转换为电信号。
[0003] 正是基于发射机前端为白光LED、接收机前端为APD的可见光通信系统，我们考虑 对可见光接收机中的自适应增益调整技术进行研究。
[0004] n级级联电路的总噪声系数计算公式如下：
[0005]
[0006] 其中，F为级联总噪声系数，Fi到F。为第一级到第n级电路的噪声系数，Gi到G。为 第一级到第n级电路的功率增益。
[0007] 显然，前级电路的噪声系数对总噪声系数的影响远大于后级。一般来说，级联电路 的总噪声系数主要取决于第一级或者前两级，第=级电路的噪声系数对总噪声系数的影响 已经小到可W忽略不计了。噪声系数的定义为输入信噪比与输出信噪比的比值。当输入信 噪比一定时，电路的噪声系数就决定了其输出信噪比的大小。
[000引在可见光接收机中，第一级雪崩光电二极管（APD)的增益通常比较小（几十），而 第二级跨阻放大器（TIA)的增益比较大（上千），因此可见光接收机的信噪比性能主要取 决于第一级APD和第二级TIA。该样，就可W将问题从优化整个接收机简化为只需要优化 由ATO和TIA组成的前级电路了。为了便于叙述，将由ATO和TIA组成的前级电路简称为 "ATO放大器"。
[0009] 我们考虑对ATO放大器的信号与噪声进行精确建模，其模型如图1所示。分析得 到APD放大器的输出信噪比关于APD增益M和TIA反馈电阻R2的关系式如下：
[0010]
[0011] 其中，Vs2。隶示TIA输出端的光电压信号，其均方值为：
[0012]
[001引 E旨。隶示TIA输出端的总电压噪声，其均方值为；
[0014]
[0015] 其中，L表示信号光电流，IM表示光电流的散粒噪声，I表示暗电流的散粒噪声， Ri和C1分别表示ATO和运算放大器的反相输入端对地的复合电阻和复合电容，R2和C2分 别表示跨阻放大器的反馈电阻和反馈电容，Iri表示电阻Ri的热噪声，Ir;表示电阻R2的热噪 声，I。。表示运放的等效输入电流噪声，E。。表示运放的等效输入电压噪声。
[0016] 为了便于计算，不妨将1/SNR作为目标函数，即有：
[0017]
[001引考虑在实际电路应用中，信号带宽和电路稳定性带来的约束条件。
[0019] 所谓信号带宽约束，即要求实际信号带宽f。不能超过TIA的3地带宽fB，W保证 TIA对信号的高增益。即有：
[0023] 所谓电路稳定性约束，即要求设计一定的相位裕度，防止电路出现振荡现象。要使 相位裕度大于45°，则必须满足：
[0024] fX [002引化简得；
[0026]
[0027] 要使优化问题有解，必须满足：
[0031] 由于反馈电容C2的值越大，TIA的3地带宽越小，因此C2的取值应在满足上述不 等式的条件下尽可能小。
[003引分析可知，反馈电阻R2越大，1/SNR越小。为了使1/SNR取最小值，则R2应取最大 值，即：
[0033]
[0034] 1/SNR随ATO增益M的变化并非单调。为了使1/SNR取最小值，应将1/SNR的表达 式对M求微分，然后取极值，化简得：
[0035]
[0036] 该表达式中的R2即最优值R2〇w。
【发明内容】
[0037] 为了提高可见光接收机的信噪比性能，本发明提供一种基于可见光接收机前端 ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于；根据对ATO放大器的联合优化结果而设 计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏置电压，从而使输出信噪比达到最优。 [003引为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0039] 一种基于可见光接收机前端ATO放大器的自适应增益调整方法，其特征在于：根 据对
[0040]ATO放大器的联合优化结果而设计，可W根据不同的接收光强自适应地调节APD的偏
[0041] 置电压，从而使输出信噪比达到最优，具体包括W下步骤：
[00创 1)确定反馈电容C2的值，反馈电容C2的值须满足W下不等式：
[0043]
[0044] 其中，Cl为ATO与运算放大器的反相输入端对地的复合电容，f。为实际信号带宽， ft为运算放大器的增益带宽积；
[0045] 在满足上述不等式的条件下，取一个尽可能小的电容作为反馈电容C2。
[0046] 2)确定反馈电阻R2的值，最佳反馈电阻馬。pt晌表达式如下；
[0047]
[0048] 其中，C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值；将计算出的62。作为反馈电阻R2的 值。
[0049] 3)将ATO放大器输出端的电压信号先进行电压放大，再经A/D转换后采集到 单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。
[0050] APD放大器输出端的电压信号V"1的表达式如下：
[0051] V〇i=I曰MR]
[0化引其中，M为ATO增益，R2为步骤2)中确定下来的反馈电阻值，I,为ATO增益为1时 的光电流，其表达式如下：
[005引 Is=IL+mltS(t)
[0化4] 其中，It为光电流I,的直流分量，ml苗(t)为光电流I,的交流分量，m为调制深度， S(t)为正弦载波信号。
[0化5] 在该里，我们假设将要进行第n次增益调整，那么当前时刻的ATO增益是上一次 (即第n-1次）增益调整后的结果，用M"_i来表示；同样地，将当前时刻的ATO增益为1时的 光电流用Is,n-i沐表示；将APD放大器输出电压用V。"。-。来表示。此时，Vw,n-i>的表达式可 W重新表示如下：
[005(5]Vdi(n_i) -Is(n-l)Mn-化
[0057] 该式中，Mn_i和R2都是已知的，只要测出V的值，就可W得到Is(n-l)。
[0化8] 然而，由于Vw通常比较小（毫伏量级），需要使用一个增益为G1的电压放大器，将 其放大为电压信号Va2 (1~5V)，再输入到A/D中。￥。2的表达式如下：
[0059] V〇2=V〇iGi
[0060] 该式中，Gi是已知的，只要测出￥。2的值，就可W得到￥。1。
[0061] 最后，将A/D转换得到的数字电压V"3采集到单片机中即可。采用较高精度的A/ D，可W近似认为V"3=V"2。
[0062] 因此，只要知道单片机采集到的电压Vd3的值，就可W根据V。3-V。2-V。1一I,的 推导路径，得出L的值。
[0063] 4)根据单片机采集到的电压V"3的值，计算出APD增益为1时的光电流I,的值。
[0064] 从步骤3)中，我们已经知道，可W根据V"3 -V"2 - ￥。1 一I,的推导路径，由￥。3推 出L。由于Vd3 一V。2一V。1一IS的关系都是线性的，我们也可W很方便地直接推出V。3与IS 的关系式，如下所示：
[00 化]
[0066] 其中，R2和Gi都是已知的定量，M表示当前ATO增益（即上一次增益调整的结果）， 虽然会随着每次的增益调整而改变，但是是已知的。
[0067] 因此，根据该表达式，编写单片机的除法程序，可W直接由V"3计算出I
[0068] W利用滑动平均滤波法求出I曲均值，从而得到I曲值。
[0069] 由步骤3)已知，A/D每隔t秒对信号进行一次采样。也就是说，每隔t秒，单片机 就能采集到一个电压信号V"3。根据步骤4)，对于每一个电压信号V"3,都能计算出相应的L。 也就是说，每隔t秒，我们就能计算得到一个L。
[0070] 由于对APD放大器进行优化得到的结果只与光电流直流分量I甫关，因此需要根 据L的值，求出其直流分量IL的值。根据步 骤3)，光电流I,的表达式如下；
[0071] Is=IL+mltS(t)
[0072] 其中，光电流的交流分量ml占(t)的均值为0,而直流分量I曲均值就是Iu所W 光电流L的均值电就等于其直流分量II。即有：
[0073] 石=II
[0074] 因此，只要得到光电流I曲均值石就可W得到其直流分量I曲值。
[0075] 所谓滑动平均滤波法，就是将连续得到的N个L看成一个队列，队列的长度固定 为N。根据队列的先进先出原则，每次计算得到一个新的L数据，都将其放入队尾，并舍弃 掉原来队首的数据。然后每得到一个新数据，都将队列中的N个数据做一次算数平均。该 样，就可W得到光电流的平均值5,从而得到了。
[0076] 具体地，对于第n次增益调整，单片机采集到一个电压信号计算得到相应 的光电流。长为N的队列中原来存有数据…，该些数据是在前N次增益 调整中存入的；将新的数据放入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，即当前队列中的数 据为…;对当前队列中的N个数据做算术平均，就可W得到I 的值，如下：
[0077]
[007引 6)根据单片机的输出电压V"4与光电流直流分量I曲关系，事先计算好一系列值， 并制成数据表。
[0079] 由步骤5)可W得到II的值。
[0080] 而I為最佳APD增益MDpt的关系式如下：
[0081]
[0082] 其中，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，Idg为APD中参与倍增的体 漏电流，APD中不参与倍增的面漏电流，R1为ATO与运放反相输入端对地的复合电阻， I。。为运放的等效输入电流噪声，E。。为运放的等效输入电压噪声，kP为APD中的载流子电离 比，通常定义为空穴和电子的电离概率之比。C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值，R2为 步骤2)中确定下来的反馈电阻值。
[008引因此，可W根据I出最佳ATO增益Mwt，推导路径为I户Mwt
[0084] Aro的增益M与其偏置电压V有关，关系如下：
[0085]
[0086] 该式中，Vb为Aro的击穿电压，n为与ATO材料、结构有关的量，可W根据APD数据 手册上V-M曲线拟合得到。
[0087] 因此，若已知最佳ATO增益M。。。可W推出APD的最佳偏置电压V。。。推导路径为 M〇pt一V〇pt
[0088] 由于APD的偏置电压V通常比较大（几百伏），单片机无法直接输出该么大的电 压，因此需要在单片机的后面接一个电压转换器，将单片机输出的控制电压Vw转换成电压 V。电压转换巧片的输入电压v"4和输出电压V之间为线性关系，即；
[0089] V=kvV〇4
[0090] 其中，kv为电压转换系数，可W根据电压转换巧片的数据手册中提供的输入电 压-输出电压曲线图拟合得到。
[0091] 因此，根据APD的最佳偏置电压Vwt，可W推出单片机需要输出的控制电压￥。4,推 导路径为V〇pt-V。4
[009引综上所述，若已知ATO增益为1时的光电流直流分量就可W通过一系列推导， 得出为了使ATO放大器的输出信噪比最大时，单片机需要输出的控制电压V"4,推导路径为： II一M。的一V。的一V04
[0093] 由于I户Mwt-Vwt-V。4中存在非线性关系，无法直接编写单片机程序进行计 算。因此，我们只能根据一些给定的事先计算好相应的Vw的值，并制成一张数据表，存 入单片机中备用。需要根据十算相应的￥。4时，直接查表即可。
[0094] 7)根据步骤5)中得到的查找步骤6)中制好的数据表，让单片机输出一个控 制电压V"4到电压转换器中。
[009引8)电压转换器输出一个电压V到APD的负端，作为APD的偏置电压。
【附图说明】
[0096] 图1为本发明的流程框图；
[0097] 图2为ATO放大器的等效噪声模型；
[0098] 图3为不同的响应光电流下，对TIA反馈电阻的优化结果；
[0099] 图4为不同的响应光电流下，对APD内增益的优化结果；
[0100] 图5为不同的响应光电流下，对APD放大器输出信噪比的优化结果；
[0101] 图6为本发明的自适应增益调整电路图。
【具体实施方式】
[0102] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解该些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0103] 如图1所示，展示了本发明的具体实施步骤。它是基于对ATO放大器的优化结果 提出的。
[0104] 如图2所示，展示了ATO放大器的等效噪声模型。本发明正是基于该模型对APD 和TIA进行联合优化，从而使ATO放大器的输出信噪比最优。
[01化]在实施例中，我们采用的APD为S5343,并使用OPA657运放来实现TIA，电压转换 巧片采用GFHV-201P。此外，还设定了实际信号带宽为50MHz，调制深度为1，室温为290K等。 实际运用中，光电流直流分量是未知的，需要根据单片机采集的电压信号V。3来推出。在 此处，我们直接假设光电流为室内照明的光照度为lOOOlux时APD的响应电流（经计算 为1. 08X1(T6A)，用来示范实施步骤，并验证优化结果的合理性。此外，还要假设上一次增 益调整后APD的增益M= 50。各参数取值如下表：
[0106]
[0107] 在各参数取值如该表的情况下，优化结果为：
[010引 TIA反馈电阻：
[011引 APD放大器输出信噪比；
[011 引
[0114] 本发明提出的自适应增益调整方法的具体步骤如下：
[0115] 1)确定反馈电容C2的值。反馈电容C2的值须满足W下不等式：
[0116]
[0117] 在满足不等式的条件下，应取一个尽可能小的电容作为反馈电容C,。因此，我们取 反馈电容〔2=化F。
[011引 2)计算TIA的最佳反馈电阻R2的值如下：
[0119]
[0120] 如将4?0放大器输出端的电压信号V。洗进行电压放大，再经A/D转换后采集到 单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。
[012U Aro放大器输出端的电压信号Vdi= 76. 14X [l+sin(l08jTt)]mV
[012引取电压放大器的增益为Gi= 20的后，Vw经过该放大器输出的电压信号￥。2为：
[012引 V02= V0iGi= 3. 81X [l+sin(l08 3it)]V
[0124] V"2经A/D转换后的电压￥。3是数字电压，它代表的模拟值与￥。2相等，为 3. 81X [l+sin(l08ji t)]V。
[012引 4)根据单片机采集到的电压的值，可W计算出APD增益为1时的光电流I,的 值。计算公式如下：
[0126]
[0127] 5)利用滑动平均滤波法求出L的均值，从而得到U的值。
[012引 [L=/；；= 1.08 X 10-6 ^
[0129] 6)根据单片机的输出电压V"4与ATO增益为1时的光电流直流部分U的关系，事 先计算好一系列值，并制成数据表。
[0130] 由步骤W，已得到I尸1. 08X 10 -6a
[013U则根据与最佳Aro增益M关系式，可w计算出最佳Aro增益M如下；
[0132]
[013引 APD内增益M与偏置电压V的关系式如下；
[0134]
[01巧]根据S5343数据手册中给出的V-M曲线，拟合得到n=2。
[0136] 此时APD的偏置电压V应为；
[0137]
[01測而电压转换器的输入电压v"4和输出电压V之间为线性关系，即：
[0139] V=kvV〇4
[0140] 根据GFHV-201P数据手册中的Vi。~V曲线，拟合得到kv= 100/3
[0141] 则此时控制电压Vd4应为：
[01创V04=V/kv=4. 47V
[01创7)根据单片机的输入电压信号Vi，查找步骤4)中制好的表格，让单片机输出一个 控制电压V"4到电压转换器中。
[0144] 根据6)中计算的结果，单片机输出的控制电压Vw= 4. 47V
[0145] 8)电压转换器输出一个电压V到ATO的负端，作为ATO的偏置电压。
[0146] 根据6)中计算的结果，电压转换器的输出电压V= 148. 94V
[0147] 如图3、4、5所示，展示了不同的响应光电流下，对TIA反馈电阻、APD内增益W及 ATO放大器的输出信噪比的优化结果。除了光电流的其它参数取值依然如表1所示。
[0148] 如图6所示，展示了本发明的自适应增益调整电路的示意图。它是根据本发明提 出的自适应增益调整方法设计的。
【主权项】
1. 一种基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法，其特征在于：根据 对Aro放大器的优化结果设计，可以根据不同的接收光强自适应地调节Aro的偏置电压，从 而使输出信噪比达到最优。2. 根据权利要求1所述的基于可见光接收机前端Aro放大器的自适应增益调整方法， 包括以下步骤： 1) 确定反馈电容C2的值，反馈电容c 2的值须满足以下不等式：其中，C1S Aro与运算放大器的反相输入端对地的复合电容，f ^为实际信号带宽，f ,为 运算放大器的增益带宽积； 在满足上述不等式的条件下，取一个尽可能小的电容作为反馈电容c2。 2) 确定反馈电阻R2的值，最佳反馈电阻的表达式如下：其中，C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值；将计算出的Ktjpi作为反馈电阻R2的值。 3) 将AH)放大器输出端的电压信号~先进行电压放大，再经A/D转换后采集到单片 机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样。 APD放大器输出端的电压信号Vtjl的表达式如下： V01= I 风 其中，M为Aro增益，R2为步骤2)中确定下来的反馈电阻值，IsSAro增益为1时的光 电流，其表达式如下： Is= I L+mILS(t) 其中，为光电流I s的直流分量，mlf(t)为光电流Is的交流分量，m为调制深度，S (t) 为正弦载波信号。 在这里，我们假设将要进行第η次增益调整，那么当前时刻的AH)增益是上一次（即第 η-1次）增益调整后的结果，用Mlri来表示；同样地，将当前时刻的AH)增益为1时的光电流 用Is(n-1)来表不；将APD放大器输出电压用V 来表不。此时，V Mfa-D的表达式可以重新 表示如下： V〇l(n-1) I s(n-l)Mn-1? 该式中，Mn_JP R2都是已知的，只要测出V 的值，就可以得到I s(Iri)。 然而，由于Vtjl通常比较小（毫伏量级），需要使用一个增益为G i的电压放大器，将其放 大为电压信号Kl~5V)，再输入到A/D中。Vtj2的表达式如下： V02=V01G1 该式中，匕是已知的，只要测出Vt52的值，就可以得到V ^ 最后，将A/D转换得到的数字电压Vt53采集到单片机中即可。采用较高精度的A/D，可 以近似认为Vtj3= Vtj2。 因此，只要知道单片机采集到的电压Vt53的值，就可以根据V。3- V。2- VI s的推导 路径，得出Is的值。 4) 根据单片机采集到的电压Vtj3的值，计算出Aro增益为1时的光电流I s的值。 从步骤3)中，我们已经知道，可以根据V。2- VI s的推导路径，由V。3推出I s。 由于V。2- V I s的关系都是线性的，我们也可以很方便地直接推出V。3与I s的关 系式，如下所示：其中，馬和G i都是已知的定量，M表示当前Aro增益（即上一次增益调整的结果），虽 然会随着每次的增益调整而改变，但是是已知的。 因此，根据该表达式，编写单片机的除法程序，可以直接由Vt53计算出I s。 5) 利用滑动平均滤波法求出Is的均值，从而得到U的值。 由步骤3)已知，A/D每隔t秒对信号进行一次采样。也就是说，每隔t秒，单片机就能 采集到一个电压信号Vt53。根据步骤4)，对于每一个电压信号Vt53，都能计算出相应的I s。也 就是说，每隔t秒，我们就能计算得到一个Is。 由于对Aro放大器进行优化得到的结果只与光电流直流分量、有关，因此需要根据I s的值，求出其直流分量的值。根据步骤3)，光电流I s的表达式如下： Is= I L+mILS(t) 其中，光电流的交流分量mlf(t)的均值为0,而直流分量L的均值就是U，所以光电 流Is的均值ζ就等于其直流分量k。即有： rs 二 Il 因此，只要得到光电流Is的均值ζ，就可以得到其直流分量的值。 所谓滑动平均滤波法，就是将连续得到的N个Is看成一个队列，队列的长度固定为N。 根据队列的先进先出原则，每次计算得到一个新的Is数据，都将其放入队尾，并舍弃掉原来 队首的数据。然后每得到一个新数据，都将队列中的N个数据做一次算数平均。这样，就可 以得到光电流的平均值ζ，从而得到込了。 具体地，对于第η次增益调整，单片机采集到一个电压信号Vt53taI，计算得到相应的光 电流 Is(；n~〇 D 长为N的队列中原来存有数据Is (n-1-N) I s (η-2" 这些数据是在前N次增益调整 中存入的；将新的数据入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，即当前队列中的数据为 IK·· Is(n<;对当前队列中的N个数据做算术平均，就可以得到Iurf的值，如下：6) 根据单片机的输出电压Vtj4与光电流直流分量込的关系，事先计算好一系列值，并制 成数据表。 由步骤5)可以得到込的值。 而込与最佳AH)增益M _的关系式如下：其中，e为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，1#为APD中参与倍增的体漏电 流，Id^APD中不参与倍增的面漏电流，R A APD与运放反相输入端对地的复合电阻，Ina为运放的等效输入电流噪声，Ena为运放的等效输入电压噪声，k AH)中的载流子电离比， 通常定义为空穴和电子的电离概率之比。C2为步骤1)中确定下来的反馈电容值，R2为步骤 2)中确定下来的反馈电阻值。 因此，可以根据I 出最佳AH)增益M _，推导路径为込一M _ APD的增益M与其偏置电压V有关，关系如下：该式中，％为APD的击穿电压，η为与AH)材料、结构有关的量，可以根据AH)数据手册 上V-M曲线拟合得到。 因此，若已知最佳Aro增益Mtjpt，可以推出APD的最佳偏置电压V_，推导路径为 Mopt - V opt 由于APD的偏置电压V通常比较大（几百伏），单片机无法直接输出这么大的电压，因 此需要在单片机的后面接一个电压转换器，将单片机输出的控制电压Vtj4转换成电压V。电 压转换芯片的输入电压Vtj4和输出电压V之间为线性关系，即： V = kvVo4 其中，1%为电压转换系数，可以根据电压转换芯片的数据手册中提供的输入电压-输出 电压曲线图拟合得到。 因此，根据APD的最佳偏置电压V_，可以推出单片机需要输出的控制电压Vtj4，推导路 径为 V〇pt- V。4 综上所述，若已知Aro增益为1时的光电流直流分量L就可以通过一系列推导，得 出为了使Aro放大器的输出信噪比最大时，单片机需要输出的控制电压Vtj4，推导路径为： IL- M opt- V opt- V 〇4 由于M V V。4中存在非线性关系，无法直接编写单片机程序进行计算。因 此，我们只能根据一些给定的k，事先计算好相应的Vtj4的值，并制成一张数据表，存入单片 机中备用。需要根据k计算相应的V。4时，直接查表即可。 7) 根据步骤5)中得到的L查找步骤6)中制好的数据表，让单片机输出一个控制电 压八4到电压转换器中。 8) 电压转换器输出一个电压V到APD的负端，作为APD的偏置电压。
【专利摘要】本发明公开一种基于可见光接收机前端APD放大器的自适应增益调整方法。其包括以下步骤：确定反馈电容值；确定反馈电阻值；将APD放大器输出端电压先放大再经A/D转换后采集到单片机中，其中A/D每隔t秒对信号进行一次采样；根据单片机采集到的电压，计算APD增益为1时的光电流Is；利用滑动平均滤波法求光电流Is的均值，从而得到其直流分量IL的值；推导单片机输出电压与IL的关系式，根据该式计算出一系列值，并制成数据表；根据计算出的IL，查找数据表，让单片机输出一个控制电压到电压转换器；电压转换器输出一个电压到APD的负端，作为其偏置电压。该方法可以根据不同的接收光强，自适应地调节APD的偏置电压，从而使接收机信噪比达到最佳。
【IPC分类】H04B10/69, H04B10/116, H03G3/20
【公开号】CN104901747
【申请号】CN201510310155
【发明人】梁霄, 卢丽慧, 袁鸣, 赵春明
【申请人】东南大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
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