CN115765901B - 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法 - Google Patents

一种基于速率方程的led非线性信道建模方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115765901B
CN115765901B CN202211402896.7A CN202211402896A CN115765901B CN 115765901 B CN115765901 B CN 115765901B CN 202211402896 A CN202211402896 A CN 202211402896A CN 115765901 B CN115765901 B CN 115765901B
Authority
CN
China
Prior art keywords
led
scr
rate equation
current
nonlinear channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211402896.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115765901A (zh
Inventor
胡辛
邓玖元
邓雄
高自强
杨彦兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202211402896.7A priority Critical patent/CN115765901B/zh
Publication of CN115765901A publication Critical patent/CN115765901A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115765901B publication Critical patent/CN115765901B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/40—Control techniques providing energy savings, e.g. smart controller or presence detection

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

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

一种基于速率方程的LED非线性信道建模方法
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 (3)

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；
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；
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。
3.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。
CN202211402896.7A 2022-11-10 2022-11-10 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法 Active CN115765901B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211402896.7A CN115765901B (zh) 2022-11-10 2022-11-10 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211402896.7A CN115765901B (zh) 2022-11-10 2022-11-10 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115765901A CN115765901A (zh) 2023-03-07
CN115765901B true CN115765901B (zh) 2024-06-07

Family

ID=85368914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211402896.7A Active CN115765901B (zh) 2022-11-10 2022-11-10 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115765901B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016219937A (ja) * 2015-05-18 2016-12-22 日本電信電話株式会社 光通信装置および光通信システム
CN111245512A (zh) * 2020-01-15 2020-06-05 东南大学 基于神经网络的可见光通信系统非线性信道建模方法
CN111313968A (zh) * 2020-01-17 2020-06-19 东南大学 一种基于led非线性特性的速率自适应可见光传输方法
CN112737682A (zh) * 2020-12-31 2021-04-30 华南师范大学 Led非线性失真补偿方法、装置及可见光通信系统
CN114970148A (zh) * 2022-05-25 2022-08-30 中国科学院合肥物质科学研究院 辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统
CN115314108A (zh) * 2022-08-09 2022-11-08 东南大学 一种可见光信道非线性模型的判别方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60138089D1 (de) * 2000-01-17 2009-05-07 Broadcom Corp Hochgeschwindigkeitsübertragungssystem für optische kanäle
US6970490B2 (en) * 2002-05-10 2005-11-29 The Trustees Of Princeton University Organic light emitting devices based on the formation of an electron-hole plasma
EP3414783B1 (en) * 2016-02-09 2021-08-18 Lumeova, Inc Ultra-wideband, wireless optical high speed communication devices and systems
US10079643B2 (en) * 2016-11-23 2018-09-18 Stmicroelectronics (Research & Development) Limited Devices and methods for transmitting and receiving in an optical communications system
EP3622637A1 (en) * 2017-06-05 2020-03-18 Huawei Technologies Co. Ltd. Dimmable dc-biased optical orthogonal frequency division multiplexing
US10903902B2 (en) * 2018-10-31 2021-01-26 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Conformal Visible Light Communication (VLC) receiver and method of use

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016219937A (ja) * 2015-05-18 2016-12-22 日本電信電話株式会社 光通信装置および光通信システム
CN111245512A (zh) * 2020-01-15 2020-06-05 东南大学 基于神经网络的可见光通信系统非线性信道建模方法
CN111313968A (zh) * 2020-01-17 2020-06-19 东南大学 一种基于led非线性特性的速率自适应可见光传输方法
CN112737682A (zh) * 2020-12-31 2021-04-30 华南师范大学 Led非线性失真补偿方法、装置及可见光通信系统
CN114970148A (zh) * 2022-05-25 2022-08-30 中国科学院合肥物质科学研究院 辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统
CN115314108A (zh) * 2022-08-09 2022-11-08 东南大学 一种可见光信道非线性模型的判别方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"A New LED Response Model and its Application to Pre-Equalization in VLC Systems";R. Kisacik et al.;《IEEE Photonics Technology Letters》;20210729;全文 *
"Mitigating LED Nonlinearity to Enhance Visible Light Communications";Xiong Deng et al.;《IEEE Transactions on Communications》;20180723;全文 *
"Novel Post-Distortion to Mitigate LED Nonlinearity in High-Speed Visible Light Communications";Xiong Deng et al.;《2018 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps)》;20190221;全文 *
"可见光多维无载波幅度相位调制系统";王旭东 等;《电子与信息学报》;20171227;全文 *
"高速可见光通信中关键算法研究";张国务;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20190415;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115765901A (zh) 2023-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jeruchim et al. Simulation of communication systems: modeling, methodology and techniques
Zhu et al. Behavioral modeling of RF power amplifiers based on pruned Volterra series
Yu et al. CCII and FPGA Realization: A Multistable Modified Fourth‐Order Autonomous Chua’s Chaotic System with Coexisting Multiple Attractors
Sun et al. An energy resources demand–supply system and its dynamical analysis
Liu et al. Easy encoding and low bit‐error‐rate chaos communication system based on reverse‐time chaotic oscillator
CN115765901B (zh) 一种基于速率方程的led非线性信道建模方法
Srisuchinwong et al. Current‐tunable chaotic jerk circuit based on only one unity‐gain amplifier
Chen et al. Visible light communication system using silicon photocell for energy gathering and data receiving
CN105279558A (zh) 一种基于bp神经网络的多峰值光伏mppt方法
Deng et al. Physics-based LED modeling and nonlinear distortion mitigating with real-time implementation
CN107659273A (zh) 毫米波宽带功率放大器的可重构数字预失真系统及方法
CN109687431B (zh) 一种考虑新能源随机性的主动配电网概率等值建模方法
Hui et al. Augmented radial basis function neural network predistorter for linearisation of wideband power amplifiers
CN106650139B (zh) 一种集成电路自动化设计中方程组解的存在性检查方法
Chen et al. Long short-term memory networks for behavioral modeling of a GaN sequential power amplifier
CN100407601C (zh) 一种模拟光信号误码的装置和方法
Stamenković et al. Lowpass filters with almost‐maximally flat passband and Chebyshev stopband attenuation
Sankar et al. SDR based CCSDS Shaped Offset QPSK Modulator for Aerospace Applications
Zhu et al. Application of surrogate modeling to generate compact and PVT-sensitive IBIS models
Ilyas et al. Comparison study of 8-PPM, 8-DPIM, and 8-RDH-PIM modulator FPGA hardware design in term of bandwidth efficiency and transmission rate
Weng et al. Performance guaranteed state estimation for renewable penetration with improved meters
CN114398767B (zh) 一种半导体器件建模方法、系统及电子设备
Luo et al. Study on the effects of distortions and common‐mode noise in high‐speed PAM‐4 systems
Liu Robust stability analysis for feedback systems with simultaneous uncertainties via IQCs
US20240134763A1 (en) System testing method, electronic device, and computer program product

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant