CN115765901A - 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，具体为：生成初始外部注入电流信号；建立基于速率方程的LED非线性信道模型，注入到LED的小部分电流将给空间电荷电容充电，其余电流将注入到LED的SCR中，注入到SCR的这部分载流子将扩散到QW中并泄漏出去，到达QW的载流子不仅发生重组，而且还逃逸到SCR中；根据QW中的载流子浓度，得到LED的输出光功率；对所建立的LED非线性信道模型进行微分方程数值求解。本发明具有更低的复杂度与更高的精度，用最接近物理过程的速率方程方法构建模型，可以更加精准的描述VLC中LED信道的非线性。
Description
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)是一种利用可见光波段作为信息载体进行高速通信的新型通信技术，具有高可靠性、低时延、绿色安全等特点。基于发光二极管(Light-emitting Diode，LED)的VLC技术未来有望与现有射频(Radio Frequency，RF)技术相结合，实现空天地一体化系统。
然而，LED输入和输出之间的非线性关系导致了较长的响应时间。这种非线性也会影响LED的调制带宽，降低整个通信系统的传输性能。因此，研究LED非线性的物理过程对提高VLC系统的性能是具有重要意义的。
为了解决LED的非线性问题，通常需要建立LED的信道模型来准确描述LED的非线性行为。目前市面上已有很多LED模型，但它们各自均存在一些局限和缺点。在Volterra模型中，虽然可以表达记忆非线性，但其计算复杂度和截断误差不容忽视。Wiener模型和Hammerstein模型在结构上比Volterra模型更简单，但它们只能描述LED的静态非线性效应。荷兰埃因霍温理工大学的Jean-Paul团队通过载流子速率方程建立了一个完整的LED非线性模型，描述了量子阱(Quantum Well，QW)中载流子运输、存储和重组的过程。该模型比传统的LED模型更简单、更可靠，但依旧忽略了空间电荷区(Space Charge Region，SCR)的影响。对于只考虑QW的LED速率方程，载流子产生速率等于外部供给速率减去载流子复合速率。然而，载流子也受到空间电荷电容、扩散和逃逸的影响。此时单QW速率方程无法描述这种情况，这就需要考虑LED的SCR的情况。为了描述LED中更真实的载流子物理传输过程，需要建立一种既考虑空间电荷电容，又考虑SCR和QW中载流子传输过程的LED非线性信道建模方法。
发明内容
为更准确的描述出VLC系统中LED非线性信道的具体物理过程，更真实模拟出LED信道的非线性效应，并给出其数值求解方法，本发明提供一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法。
本发明的一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，包括以下步骤：
步骤1：生成初始外部注入电流信号。
步骤2：建立基于速率方程的LED非线性信道模型。
步骤3：根据QW中的载流子浓度，得到LED的输出光功率。
步骤4：对所建立的LED非线性信道模型进行微分方程数值求解。
进一步的，LED非线性信道模型是符合实际物理过程的，具体模型的建立包括以下步骤：
步骤21：注入到LED的小部分电流将给空间电荷电容充电，其余电流将注入到LED的SCR中，这部分满足二极管方程：
其中，IIN(t)为外部注入电流，Csc为空间电荷电容，USC(t)为SCR的电压值，Is为饱和电流，q为元电荷，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度。
步骤22：注入到SCR的这部分载流子将扩散到QW中并泄漏出去，而QW中的载流子也逃逸到SCR中；
其中，NSC(t)为SCR的载流子浓度，NQW(t)为QW的载流子浓度，τdif为载流子从SCR扩散到QW的时间，τesc为载流子从QW逃逸到SCR的时间，vsc为SCR的体积，vqw为QW的体积。
步骤23：到达QW的载流子不仅发生重组，而且还逃逸到SCR中。
其中，p0为掺杂浓度，Anr、Br、Cnr分别表示Shockley-Read-Hall(SRH)复合系数、辐射复合系数和Auger复合系数。
进一步的，步骤3中载流子与输出的光功率存在以下非线性关系：
其中，PQW(t)为LED输出光功率，Ep为平均光子能量。
进一步的，步骤4中数值求解的方法是但不限于欧拉法、改进的欧拉法、Runge-Kutta法或Adams法。
本发明的有益技术效果为：
本发明比传统的Volterra级数建模方法具有更低的复杂度与更高的精度，比以往只考虑QW的速率方程建模方法具有更高的精度。本方法用最接近物理过程的速率方程方法构建模型，可以更加精准的描述VLC中LED信道的非线性。
附图说明
图1为本发明基于速率方程的LED非线性信道建模方法的流程图。
图2为空间电荷区(SCR)和量子阱(QW)中的电子(空穴)运输与重组机制的物理过程。
图3为具有时间离散化的LED速率方程的非线性模型。
图4为实施例1中频率为20MHz的方波信号和通过LED非线性模型后的归一化输出。
图5为实施例2中符号速率为100Msym/s的PAM4信号通过LED非线性模型后的眼图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：生成初始外部注入电流信号。
步骤2：建立基于速率方程的LED非线性信道模型。LED非线性信道模型是符合实际物理过程的。
步骤21：注入到LED的小部分电流将给空间电荷电容充电，其余电流将注入到LED的SCR中，这部分满足二极管方程：
其中，IIN(t)为外部注入电流，Csc为空间电荷电容，USC(t)为SCR的电压值，Is为饱和电流，q为元电荷，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度。
步骤22：注入到SCR的这部分载流子将扩散到QW中并泄漏出去，而QW中的载流子也逃逸到SCR中；
其中，NSC(t)为SCR的载流子浓度，NQW(t)为QW的载流子浓度，τdif为载流子从SCR扩散到QW的时间，τesc为载流子从QW逃逸到SCR的时间，vsc为SCR的体积，vqw为QW的体积。
步骤23：到达QW的载流子不仅发生重组，而且还逃逸到SCR中。
其中，p0为掺杂浓度，Anr、Br、Cnr分别表示SRH复合系数、辐射复合系数和Auger复合系数。
步骤3：根据QW中的载流子浓度，得到LED的输出光功率。
载流子与输出的光功率存在以下非线性关系：
其中，PQW(t)为LED输出光功率，Ep为平均光子能量。
步骤4：对所建立的LED非线性信道模型进行微分方程数值求解。数值求解的方法是但不限于欧拉法、改进的欧拉法、Runge-Kutta法或Adams法。
实施例1
具体步骤为：
步骤1：生成初始外部注入电流IIN(t)，该电流可以是方波信号、OOK信号、PAM4信号和OFDM信号等。为了能更清楚地看到LED信道的非线性效应，实施例1的输入信号采用频率为20MHz的方波信号。
步骤2：根据在载流子在LED内部的物理过程，建立基于速率方程的LED非线性信道模型。如图2所示，首先，注入到LED的小部分电流将给空间电荷电容充电，其余的将被馈送到SCR中。然后，SCR中的这部分载流子将扩散到QW中并泄漏出去(此处不考虑泄漏部分)。最后，到达QW的载流子不仅会重组，而且还会逃逸到SCR中。因此，LED非线性信道模型可表示为：
其中，IIN(t)为外部注入电流，Csc为空间电荷电容，USC(t)为SCR的电压值，Is为饱和电流，q为元电荷，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度；NSC(t)为SCR的载流子浓度，NQW(t)为QW的载流子浓度，τdif为载流子从SCR扩散到QW的时间，τesc为载流子从QW逃逸到SCR的时间，vsc为SCR的体积，vqw为QW的体积；p0为掺杂浓度，Anr、Br、Cnr分别表示SRH复合系数、辐射复合系数和Auger复合系数。
步骤3：根据QW中的载流子浓度，得到LED的输出光功率：
其中，为LED输出光功率，为平均光子能量。
步骤4：采用数值求解方法对所建立的微分方程模型进行求解，包括但不限于欧拉法、改进的欧拉法、Runge-Kutta法和Adams法。
实施例1采用欧拉法对LED非线性信道模型进行数值求解，可以得到如下LED数值模型：
其中，Ts为采样时间间隔。
如图3所示，可以将LED数值模型进一步写成：
光功率可写成：
其中，a0＝(TsIs)/Csc，a1＝Ts/Csc，a2＝q/(nkT)，a3＝1，a4＝-(TsIs)/Csc，b0＝-(TsIs)/(qvsc)，b1＝(TsIs)/(qvsc)，b2＝1-Ts/τdif，b3＝(Tsvqw)/(τescvsc)，c0＝(Tsvsc)/(τdifvqw)，c1＝1-Ts/τesc-TsBrp0，c2＝-TsBr，d0＝EpvqwBrp0，d1＝EpvqwBr。
模拟和结果：
对提出的基于速率方程的LED非线性信道建模方法及其数值求解方法进行了仿真和讨论。实施例1的输入信号采用频率为20MHz的方波信号，使用欧拉法在MATLAB上对LED非线性信道模型进行数值求解。由图4可以看到，对于非线性LED模型，方波信号的上升时间为3.336ns，下降时间为4.725ns，这体现了该LED信道模型的非线性。
实施例2
实施例2与实施例1重复的步骤将不再赘述，实施例2的输入信号采用了符号速率为100Msym/s的PAM4信号，使用欧拉法在MATLAB上对LED非线性信道模型进行数值求解。从图5中的眼图可以看出，最下面的“眼睛”几乎是闭合的。这是由于LED瞬态非线性，幅度越低的非线性失真比更高的振幅失真更大。
Claims (4)
1.一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：生成初始外部注入电流信号；
步骤2：建立基于速率方程的LED非线性信道模型；
步骤3：根据QW中的载流子浓度，得到LED的输出光功率；
步骤4：对所建立的LED非线性信道模型进行微分方程数值求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，其特征在于，所述LED非线性信道模型是符合实际物理过程的，具体模型的建立包括以下步骤：
步骤21：注入到LED的小部分电流将给空间电荷电容充电，其余电流将注入到LED的SCR中，这部分满足二极管方程：
其中，IIN(t)为外部注入电流，Csc为空间电荷电容，USC(t)为SCR的电压值，Is为饱和电流，q为元电荷，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度；
步骤22：注入到SCR的这部分载流子将扩散到QW中并泄漏出去，而QW中的载流子也逃逸到SCR中；
其中，NSC(t)为SCR的载流子浓度，NQW(t)为QW的载流子浓度，τdif为载流子从SCR扩散到QW的时间，τesc为载流子从QW逃逸到SCR的时间，vsc为SCR的体积，vqw为QW的体积；
步骤23：到达QW的载流子不仅发生重组，而且还逃逸到SCR中；
其中，p0为掺杂浓度，Anr、Br、Cnr分别表示SRH复合系数、辐射复合系数和Auger复合系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，其特征在于，所述步骤3中载流子与输出的光功率存在以下非线性关系：
其中，PQW(t)为LED输出光功率，Ep为平均光子能量。
4.根据权利要求1所述的一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法，其特征在于，所述步骤4中数值求解的方法是但不限于欧拉法、改进的欧拉法、Runge-Kutta法或Adams法。
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