LED的非线性对离散多音调制的影响

对于发光二极管（LED），人们大多觉得它光洁透亮，能耗低，技术进步快。近几年，LED走得甚至有点太快了——它不仅照亮家家户户的天花板，还想做点更刺激的事儿，比如实现高速无线光通信。要说一个灯泡能像WIFI那样传数据，还真有点匪夷所思，可偏有人较劲，非得把这活儿折腾透了。

总的障碍其实不在灯泡本身，而在它的数据带宽。这东西不像激光二极管，光谱宽、响应激烈。它那脾气，线性归线性，非线性起劲时也闹得不小。不巧，这正成了调制大户们的搅屎棍——你看DMT、OFDM这些多载波调制方式，本事巨大，却拗不过LED那副非线性面孔。

技术员们没吃素。最先摸索到门道的是“削波”。反正LED那点线性区间窄得很，干脆对信号动手脚，把瞬时大幅值信号给锯掉，不让它们作怪。其实要解释起来嘛，就是给信号设个上限，下限也划一条边界，别让它炸锅。只不过，锯掉的部分谁吃？噪音背锅。信号一被削波，噪声像打翻了水杯，乱溅一地，扰得星座图模糊一片。

但还有更诡异的事。LED的输出功率P并不是驱动电流I的什么传统一次函数，而得套上二次或三次多项式才慢慢贴上实际。这点就算是搞过课题的学生也未必顺手，实际工程上更麻烦了。设备不同，曲线弯弯绕绕，红外的、蓝光的、白光的，测出来都像是性子各异的老头老太太，调教起来费劲。有时往二阶靠点，有时候三阶、四阶也别客气。有人用泰勒展开配合最小二乘求系数，弄出来的拟合曲线反正都得对着万用表、光电探测器那点数据比划着看。

说起来简单，但真到工程实现了，差得不是一星半点。有人觉得，反正带宽有限，大不了放慢点速度呗，怎么也能把数据传出去。慢可是容易的，快就成问题。无线可见光通信（VLC）里头，比特率往100Mbit/s去，电流摸到60mA，功耗往上攀，LED轰鸣一阵，但那点动态范围还真没激光二极管伸展得开。稍一不慎，调制深度大了点，信号的瞬时放大加剧，开始失真，星座图直接糊成浆糊。反复调试，工程师人都急红眼了。

他们不得不想办法把整个系统做得更像真的，比如在MATLAB里头，扔进细致的DMT仿真模型。调制器、解调器用IFFT与FFT追出来，子载波数从三到二百五十五，全部飚一轮。符号采用32QAM甚至64QAM，譬如有人说”我们对每个子载波模拟一万个符号”，那其实不少呢。小题大做？呵，这还是基本操作。在仿真之上还要多次超采样，因削波的理由反反复复，前后顺序都不能乱，既然不容易，工程里没人敢图省事。

有人琢磨LED的非线性到底有多大祸害？有时似乎微不足道；可一到实际复杂工况，那种由非线性导致的多音调相互耦合，叫做调制间产物（IMPs），却像牛皮糖一样粘得你喘不过气。结果一模拟，最边缘的子载波和最中央的子载波被干扰程度能差上一倍不止。低频子的干扰有时候居然大，高频的反而能忍？这和传统频带受限的直觉又不太搭，就有点扑朔迷离。

再讲削波。理想里削波能有效压制信号的峰值与均值功率比，这样DAC和ADC的动态范围也合算。但同时引入的噪音却是浆糊一锅——它虽说像白噪声，分布又不像经典高斯，仔细一看，居然还带有相关性。尤其是跟载波数正相关，三个载波和两百五十五个载波，噪音的模样截然不同。削波本意为好，最后“无巧不成书”，干扰得星座图乌烟瘴气。

启用线性模型时，即便削波猛烈，尚能抚平些浪头；一旦LED转为非线性模型，那可真麻烦。仿真显示，64QAM时，误码率满眼泪水，一不小心BER直接趴地不起。工程指导都说“用255个子载波线性LED时，10-3的误码率只要12dB左右的Eb/N0”，可轮到非线性，拿17dB都不起作用，惩罚重得让人头疼。有时节省那点dB，为啥成本堆不上天？

敏感点其实在调制index γ。调制深度大了，非线性问题浮现，系统性能随之跳水。有人妄图放任信号在LED曲线的两端乱窜，殊不知失真猛增，信噪比直接熄火。不信可以试试，γ从0.1涨到1.0，没有人笑得出来，可得让手下人盯个通宵。理论上小signal分析可以忽略饱和，但现实工程没那么乐观，所以上头批预算的时候还会多问一句：可靠性到底咋保证的呀？

这类研究标准答案一直变来变去，不存在绝对对错；有工程师说所有LED都逃不过非线性的限制，也有人底气十足用压缩后线性区段勉强应付数据传输。谁都知道实际系统噪声多了，理论仿真数据不值钱，有前向纠错加上去误码率立马掉下来，干扰还哪有那么严重？可你仔细考量，每家LED的数据略有不同，还有激光二极管混进来，无论是三阶的还是二阶的非线性，参数五花八门，普适性始终欠着劲儿。

为了解决“单个LED仿真没法推广”的头疼事，人们硬生生提炼出了所谓“非线性参数”，让各类LED甚至激光二极管都能映射到统一的归一化模型。理论上说，只要你把工作点设在IDC=0.5，调制指数γ=1，一些数学归一化之后，大致的非线性影响都可以在那套映射关系下得到统一解答。可理论归理论，现实有时候没法套公式，每台设备都可能蹦出意外，难说到底服不服管。

实验测量里，大家都一本正经用安捷伦电源、光电探测器甚至蓝色过滤片来套测，数据出来横看竖看，各种电流电压对数据显示出来的非线性程度五花八门。有人说蓝光片实际影响不大，毕竟只研究静态，不考虑频率响应。但也没准加了蓝光片结果真好点，那就继续跟着用。说到底，只要数据线条够平直，论文里够漂亮，工程师也没什么可挑剔的了。

说到底，LED的非线性确实能把DMT调制性能拖到泥里，但也并非完全不可控。系统设计中操作不过头，大概率不会坏事。真要探底摸高，把超高比特率、激进QAM阶数、巨量载波硬怼上去，劣化当然少不了。实效角度看，LED的性价比、能耗和兼容性确实比激光二极管灵活得多，VLC未来不一定全靠LED，也许某天新的发射器型态横空出世，一切推演又回到原点。

无线可见光通信领域，LED非线性是硬骨头也是软钉子。前沿科研里无非就是不断做实验、修正仿真、提取经验，谁也说不死它几十年后会变成啥样。今天LED能做到的传输比特率和调制等级，早已超越了当初的想象。未来到底是非线性被技术抹平，还是人们转而亲睐全新调制技术？总归摸着石头继续往前走。