Light-emitting diodes (LEDs) are widely used for data transmission in emerging optical wireless communications (OWC) systems. This paper analyzes the physical processes that limit the bandwidth and cause nonlinearities in the light output of modern, high-efficiency LEDs. The processes of carrier transport, as well as carrier storage, recombination, and leakage in the active region appear to affect the communications performance, but such purely physics-based models are not yet commonly considered in the algorithms to optimize OWC systems. Using a dynamic modeling of these phenomena, we compile a (invertable) signal processing model that describes the signal distortion and a parameter estimation procedure that is feasible in an operational communications link. We combine multiple approaches for steady-state and dynamic characterization to estimate such LED parameters. We verify that, for a high-efficiency blue GaN LED, the models become sufficiently accurate to allow digital compensation. We compare the simulation results using the model against optical measurements of harmonic distortion and against measurements of the LED response to a deep rectangular current modulation. We show how the topology of the model can be simplified, address the self-calibration techniques, and discuss the limits of the presented approach. The model is suitable for the creation of improved nonlinear equalizers to enhance the achievable bit rate in LED-based OWC systems and we believe it is significantly more realistic than LED models commonly used in communications systems.

中文翻译：

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用于光无线通信的 LED 光输出动态失真的表征

发光二极管 (LED) 广泛用于新兴光无线通信 (OWC) 系统中的数据传输。本文分析了限制带宽并导致现代高效 LED 光输出非线性的物理过程。载流子传输过程，以及载流子存储、重组和活动区域的泄漏似乎会影响通信性能，但在优化 OWC 系统的算法中尚未普遍考虑这种纯粹基于物理的模型。使用这些现象的动态建模，我们编译了一个（可逆的）信号处理模型，该模型描述了信号失真和一个在操作通信链路中可行的参数估计程序。我们结合多种稳态和动态表征方法来估计此类 LED 参数。我们验证，对于高效蓝色 GaN LED，模型变得足够准确以允许进行数字补偿。我们将使用该模型的仿真结果与谐波失真的光学测量值和 LED 对深度矩形电流调制响应的测量值进行比较。我们展示了如何简化模型的拓扑结构，解决自校准技术，并讨论所提出方法的局限性。该模型适用于创建改进的非线性均衡器，以提高基于 LED 的 OWC 系统中可实现的比特率，我们相信它比通信系统中常用的 LED 模型更加现实。对于高效蓝色 GaN LED，模型变得足够精确以允许进行数字补偿。我们将使用该模型的仿真结果与谐波失真的光学测量值和 LED 对深度矩形电流调制响应的测量值进行比较。我们展示了如何简化模型的拓扑结构，解决自校准技术，并讨论所提出方法的局限性。该模型适用于创建改进的非线性均衡器，以提高基于 LED 的 OWC 系统中可实现的比特率，我们相信它比通信系统中常用的 LED 模型更加现实。对于高效蓝色 GaN LED，模型变得足够精确以允许进行数字补偿。我们将使用该模型的仿真结果与谐波失真的光学测量值和 LED 对深度矩形电流调制响应的测量值进行比较。我们展示了如何简化模型的拓扑结构，解决自校准技术，并讨论所提出方法的局限性。该模型适用于创建改进的非线性均衡器，以提高基于 LED 的 OWC 系统中可实现的比特率，我们相信它比通信系统中常用的 LED 模型更加现实。我们将使用该模型的仿真结果与谐波失真的光学测量值和 LED 对深度矩形电流调制响应的测量值进行比较。我们展示了如何简化模型的拓扑结构，解决自校准技术，并讨论所提出方法的局限性。该模型适用于创建改进的非线性均衡器，以提高基于 LED 的 OWC 系统中可实现的比特率，我们相信它比通信系统中常用的 LED 模型更加现实。我们将使用该模型的仿真结果与谐波失真的光学测量值和 LED 对深度矩形电流调制响应的测量值进行比较。我们展示了如何简化模型的拓扑结构，解决自校准技术，并讨论所提出方法的局限性。该模型适用于创建改进的非线性均衡器，以提高基于 LED 的 OWC 系统中可实现的比特率，我们相信它比通信系统中常用的 LED 模型更加现实。