随着可见光通信技术的不断发展,其应用场景开始呈现出多元化、差异化的特征。不同应用场景对于可见光通信的速率、距离、功率、灵敏度等指标要求不尽相同。目前,可见光通信系统的光电前端对通信适配性较弱,收发前端通常分立设计,通信系统通过“搭积木”的形式级联构建,导致前端器件与应用场景,照明与通信,电-光-电传输信道等缺少关联设计,系统过度依赖于硬件的分立性能。本文围绕收发前端光电关联这一主题,通过挖掘电-光、光-电相互作用、转换、协同的机理,提出了应用场景与光电前端关联,照明与通信的电-光关联,门控选通与背景光关联以及低死时间的多探测器关联等关键技术问题的解决方法,为面向“长距离”、“高速”、“抗干扰”的应用需求奠定了理论基础。本文的主要研究工作如下:1.为满足多样化场景的个性化光电前端优选需求,建立了光电前端与典型应用场景的关联模型,给出了不同类型探测器与典型应用场景的适用关系和优选方法。在这项工作中,考虑场景需求与光电前端器件的关联性,建立不同探测器的信噪比和误码率模型,通过改变应用场景的传输距离和背景光强度给出接收机的适用条件与选择建议。结果表明,PIN的灵敏度、APD的过剩噪声和SPAD的死时间和较小的检测区域为制约性能的主要因素。最后进行实验测试,实验结果表明,虽然SPAD更为敏感,但正常背景光照度下,APD的灵敏度优于SPAD,而PIN受背景光影响较小。2.针对照明需求与可靠传输的深度耦合问题,通过联合考虑电光前端多参数内在关联关系,建立了通信光通量的优化准则,实现了光电热关联下的最佳直流偏置点最优选取。在这项工作中,针对LED的电光响应的非线性,考虑了典型的离散M-PAM和连续OFDM对LED输出光通量的动态影响,以瞬时光通量的期望值作为照明约束,以瞬时光通量的RMS值作为优化目标,根据LED的电热关系,得到满足条件的最优偏置点。数值结果表明,与单调增加偏置电流的方法相比,LED存在最优的偏置点可在不损失照明性能的前提下达到更低的误码率;对于标定照明通量为200lm、220lm和240lm,在最优偏置点进行调制,可降低误码率两个量级以上。3.针对接收光强对SPAD工作状态的强制约问题,通过分析外部选通时间与接收光强之间的关联关系,给出了不同接收光强场景下的门控选通方法和最优选通时间,提升了SPAD接收的抗背景噪声性能。在这项工作中,针对AQ-SPAD接收机的误码率下界通常由背景光决定,通过采用外部选通技术,SPAD仅在设定的门控时间内激活。根据外部门控选通特性,构建SPAD光子计数模型和通信误码率模型。依据门控选通时间与信号光、背景光和阻塞时间的函数关系,以误码率最小为优化目标,权衡给出最优的门控选通时长。数值仿真结果表明,在信号光子通量较高或背景光子通量较高时,门控选通SPAD的误码率性能显著优于自由运行SPAD;例如当信号光子数和背景光子数分别为每符号时间30个和每符号时间10个,自由运行SPAD的误码率性能收敛于0.1,而时间选通方案的误码率约为10-6。4.针对现有SPAD器件死时间特性难以满足高速通信接收的问题,通过联合优化SPAD阵列的门控组合方案,给出了等效传输带宽拓展与SPAD阵列之间的内在关联关系,实现了SPAD接收在多种速率场景下的鲁棒性和有效性。在这项工作中,根据死时间、阻塞时间、接收机数量,构建多路SPAD关联选通的光子计数模型。分析了多路关联方案的等效死时间和SNR,结果表明,在理想条件下,足够多的SPAD探测器可实现无死时间传输;关联选通技术可提升的信噪比约为关联SPAD数量的平方。仿真结果表明,SPAD数量为4和16的关联选通方案,可提升信噪比为11.8d B和23.7d B;并且大规模选通方案可减少死时间的影响并具有更低的误码率;与同规模的自由运行SPAD方案相比,关联选通接收机具有更强的背景光鲁棒性,且在高信号功率下具有更好的误码性能。