本發(fā)明用于可見光通信技術(shù)，具體涉及可見光通信系統(tǒng)中光電接收器的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

led可見光通信具有無電磁污染、信噪比高、無需頻譜授權(quán)、高保密性等優(yōu)點(diǎn)，成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但是目前商品化led的調(diào)制帶寬較窄，僅幾兆至十幾兆。為提高商品化led在可見光通信系統(tǒng)中的3db帶寬，一般在發(fā)射模塊中采用預(yù)均衡電路，或/且在接收模塊中采用后均衡電路。對于普通的光電接收器，led可見光通信信號在高頻上有較大的衰減，使得系統(tǒng)的傳輸特性曲線具有較高的低頻響應(yīng)。因此，目前后均衡電路采用的主要技術(shù)是采用電阻‐電容并聯(lián)模塊，削減光電接收器的低頻響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)曲線的平坦度、拓展帶寬。這種方案極大地降低了系統(tǒng)的整體響應(yīng)增益，降低了信噪比。為了解決這個(gè)問題，需要在光電接收器后再增加一個(gè)有源放大電路和增益平衡電路，使得電路較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明公開一種用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器設(shè)計(jì)方法，具體技術(shù)方案如下。

用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法通過計(jì)算設(shè)置反饋網(wǎng)絡(luò)中反饋電阻和反饋電容的值，使光電接收器的傳輸特性曲線在高頻部分出現(xiàn)一個(gè)增益峰值，利用這個(gè)峰值提高接收器對于led的高頻響應(yīng)增益，從而提高響應(yīng)曲線平坦度、拓展帶寬；所述計(jì)算包括增益峰值頻率的計(jì)算方法、反饋電阻的計(jì)算方法和反饋電容的計(jì)算方法。

所述的增益峰值頻率的計(jì)算方法包括：

(1)、通過查詢產(chǎn)品技術(shù)手冊得到光電二極管的寄生電容cd，運(yùn)算放大器的共模輸入電容cm和差模輸入電容cdiff，計(jì)算出光電接收器的寄生電容cs＝cd+ccm+cdiff。

(2)、通過運(yùn)算放大器開環(huán)增益曲線得到開環(huán)增益函數(shù)中的直流增益k和時(shí)間常數(shù)τ1，計(jì)算出運(yùn)算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)其中s＝j(luò)·2πf，f是通信系統(tǒng)中信號的頻率，j是虛數(shù)單位。

(3)、根據(jù)光電接收器傳遞函數(shù)的表達(dá)式結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的表達(dá)式和步驟(2)中運(yùn)算放大器的開環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)aol的表達(dá)式，可以得到光電接收器傳遞函數(shù)的表達(dá)式：其中τ2＝rf·cs，rf是反饋電阻；

(4)根據(jù)自動(dòng)控制理論中的振蕩環(huán)節(jié)，得到光電接收器傳遞函數(shù)的諧振頻率的表達(dá)式為：(其中，無阻尼自然振蕩頻率阻尼系數(shù))；光電接收器的傳輸特性曲線在諧振頻率fr1處有一個(gè)峰值增益。

所述的反饋電阻的計(jì)算方法包括：

(5)設(shè)定步驟(4)光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點(diǎn)，畫出接收器的傳輸特性曲線，結(jié)合可見光通信系統(tǒng)發(fā)射模塊的預(yù)均衡電路，得到整個(gè)通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線及3db帶寬。

(6)根據(jù)步驟(5)計(jì)算得到的3db帶寬和設(shè)計(jì)目標(biāo)值的差異，重新設(shè)定光電接收器出現(xiàn)峰值增益的頻率點(diǎn)，重復(fù)步驟(5)和步驟(6)，直至符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的3db帶寬值。

(7)由步驟(6)設(shè)定的頻率點(diǎn)，以及步驟(4)中諧振頻率的表達(dá)式，計(jì)算相應(yīng)的反饋電阻rf。

所述的反饋電容的計(jì)算方法包括：

(8)為避免步驟(4)中光電接收器的傳輸特性曲線的峰值增益過大，在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)反饋電容(其中fgbwp是0db穿越頻率，通過查詢運(yùn)算放大器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊可以得到)，由上述表達(dá)式和步驟(7)得到的反饋電阻值rf計(jì)算得到反饋電容的值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明側(cè)重光電接收器上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不需要額外的后均衡電路，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，而且由于所需元器件較少可實(shí)現(xiàn)較高的集成度。

附圖說明

圖1是實(shí)例中用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器設(shè)計(jì)方法的流程圖。

圖2是實(shí)例中l(wèi)ed可見光通信系統(tǒng)的原理框圖。

圖3a是實(shí)例中做光電接收器傳輸函數(shù)交流分析時(shí)光電接收器的簡化模型圖。

圖3b是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法得到一種光電接收器的實(shí)例電路圖。

圖4是沒有預(yù)均衡電路時(shí)可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線。

圖5是有預(yù)均衡電路時(shí)可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限制于此。

如圖1是用于提高可見光通信中高頻增益的光電接收器設(shè)計(jì)方法的流程圖。本實(shí)例設(shè)計(jì)選用的光電二極管型號是濱松s5972，選用的運(yùn)算放大器型號是德州儀器opa847。從濱松s5972光電二極管的技術(shù)手冊可知，當(dāng)施加反向偏壓時(shí)，光電二極管的寄生電容cd約3pf。從德州儀器opa847運(yùn)算放大器的技術(shù)手冊可知，共模輸入電容cm約1.7pf，差模輸入電容cdiff約2pf；并且從運(yùn)算放大器的開環(huán)增益曲線推算出直流增益k＝31622，時(shí)間常數(shù)τ1＝2.274×10^-6s。將以上數(shù)值帶入光電接收器傳遞函數(shù)的諧振頻率的表達(dá)式：由于ωn1(τ1,τ2,k)和ζ1(τ1,τ2,k)是τ1、τ2和k的函數(shù)，其中τ1和k是已知常數(shù)，而τ2＝rf·cs，所以fr1(rf)是rf的函數(shù)。將峰值頻率fr1設(shè)置為某一個(gè)特性頻率，即可解出唯一的未知量rf。通過比較計(jì)算得到的3db帶寬和設(shè)計(jì)目標(biāo)值的差異，經(jīng)過多次調(diào)整，得到：當(dāng)rf＝1kω，諧振頻率約為216mhz。此時(shí)，反饋電容cf＝0.5pf。

如圖2是led可見光通信系統(tǒng)的原理框圖，其中包含信號源、led驅(qū)動(dòng)電路、預(yù)均衡電路、耦合樹、透鏡組和光電接收器。直流驅(qū)動(dòng)和交流信號(網(wǎng)絡(luò)分析儀提供)通過耦合樹注入led(osramlb‐h9gp)使之發(fā)光，光路上有一對透鏡(焦距3cm)聚焦光束增加傳輸距離，光電接收器將光轉(zhuǎn)化為電并連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測得可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線如圖4和圖5所示。

光電接收器的簡化模型圖如圖3a所示，其中包括差模輸入電容cdiff、共模輸入電容cm、光電二極管寄生電容cd、光電二極管等效電流源id、反饋電阻rf、反饋電容cf，+5v電源v+，‐5v電源v-。本實(shí)例設(shè)計(jì)的電路圖如圖3b所示。

如圖4，與普通的光電接收器相比，使用本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法后，設(shè)定反饋電阻rf＝1kω時(shí)，在諧振頻率216mhz處出現(xiàn)增益峰值；在反饋電阻rf上并聯(lián)一個(gè)反饋電容cf＝0.5pf時(shí)，在諧振頻率216mhz處出現(xiàn)的增益峰值有所降低。如圖5所示，其中2點(diǎn)是處于增益曲線平坦區(qū)域的參考頻率點(diǎn)，點(diǎn)1是比點(diǎn)2增益低3db的頻率點(diǎn)，使用本發(fā)明提供的光電接收器設(shè)計(jì)方法后，結(jié)合預(yù)均衡電路，可見光通信系統(tǒng)的傳輸特性曲線的3db帶寬高達(dá)230mhz。