基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃文早

(武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430070)

0 引言

通信的發(fā)展與人類(lèi)生活密切相關(guān),通信技術(shù)的飛速發(fā)展加快資源的共享,通信技術(shù)在人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)生活各領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展,單純依靠傳統(tǒng)無(wú)線通信手段不能滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)的需求,人們對(duì)通信技術(shù)提出更高的要求。光電通信是人類(lèi)通信技術(shù)的重要手段,被認(rèn)為是通信發(fā)展史上的革命性進(jìn)步,無(wú)線光通信分為大氣空間與水下無(wú)線光通信,大氣無(wú)線光通信包括室內(nèi)與室外無(wú)線光通信,室內(nèi)無(wú)線光通信分為紅外紫外光與可見(jiàn)光通信,可見(jiàn)光通信是兼具照明與通信功能的新型通信技術(shù),是以400～700 nm波長(zhǎng)范圍可見(jiàn)光為媒介實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信,無(wú)線可見(jiàn)光通信具有不占用電磁頻段等優(yōu)點(diǎn),在短距離傳輸場(chǎng)合具有很大的應(yīng)用空間,在室內(nèi)外通信等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景,結(jié)合廣泛采用的以太網(wǎng)技術(shù)可以為用戶帶來(lái)安全的上網(wǎng)體驗(yàn)。

1 可見(jiàn)光通信技術(shù)原理

光通信是以光波為載波的通信技術(shù),電磁波是由同相振蕩且相互垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的振蕩粒子波,電磁波特性主要由波長(zhǎng)和頻率屬性決定,按照頻率分為無(wú)線電波、微波與紅外波段等。可見(jiàn)光通信是利用半導(dǎo)體發(fā)光二極管高速響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)照明與通信功能的通信技術(shù),分為室內(nèi)可見(jiàn)光通信和室外可見(jiàn)光通信,室內(nèi)可見(jiàn)光通信作為全新的無(wú)線寬帶高速數(shù)據(jù)接入方式,引起人們的廣泛關(guān)注[1]。發(fā)光二極管器件(light emitting diode, LED)可以將電能轉(zhuǎn)換為光能,白光LED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),LED照明技術(shù)的發(fā)展為可見(jiàn)光通信技術(shù)發(fā)展提供了廣闊的空間?？梢?jiàn)光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、綠色安全與保密性好等優(yōu)點(diǎn)。

電磁波理論認(rèn)為波長(zhǎng)λ介于10-8～10-3m的電磁波為光波,波長(zhǎng)分為紫外光、紅外光與可見(jiàn)光頻段,現(xiàn)有光通信主要是可見(jiàn)光與紅外光頻段,考慮安全性問(wèn)題避免使用紫外光。通信技術(shù)分為模擬與數(shù)字技術(shù),模擬技術(shù)是對(duì)載波信號(hào)振幅等進(jìn)行調(diào)制的方式,數(shù)字技術(shù)利用數(shù)模轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸,信號(hào)發(fā)射端擁有信號(hào)提取電路、時(shí)鐘信號(hào)電路等,信號(hào)接收端包括信號(hào)接收電路與判斷電路等[2]。光電通信在許多場(chǎng)合是混合組網(wǎng)共同發(fā)展的。模擬數(shù)字信號(hào)模式可通過(guò)光通信傳輸,光通信的頻帶寬、傳輸容量大,不占用電磁頻譜資源,具有良好的發(fā)展前景。無(wú)線空間光通信光源主要包括LED與激光,LED光源是隨著LED技術(shù)發(fā)展引入的新型光源,自由空間光通信(free space optical communication, FSO)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了高峰、低谷與復(fù)蘇期階段。隨著LED光源廣泛普及使用,自由空間光通信技術(shù)融入LED照明,賦予其新的擴(kuò)展空間。

2 以太網(wǎng)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)

可見(jiàn)光通信技術(shù)如何擴(kuò)大適用范圍是影響其未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵,相應(yīng)通信技術(shù)是局域網(wǎng)技術(shù)。局域網(wǎng)(local area networks, LAN)是區(qū)域內(nèi)多臺(tái)通信設(shè)備互聯(lián)組成的小型網(wǎng)絡(luò),包括以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)與光纖分布式數(shù)據(jù)接口(fiber distributed data interface, FDDI),以太網(wǎng)是廣泛應(yīng)用的技術(shù)[3]。目前以太網(wǎng)覆蓋商業(yè)、家庭等應(yīng)用場(chǎng)合,但存在必須依賴實(shí)體線纜的限制。電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(institute of electrical and electronics engineer, IEEE)推出的802.11協(xié)議組建立了全新的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)并獲得巨大成功,802.11標(biāo)準(zhǔn)利用不需申請(qǐng)授權(quán)的2.4 GHz的因特網(wǎng)服務(wù)管理器(internet server manager, ISM)判斷傳輸無(wú)線信號(hào),經(jīng)過(guò)多次修改日趨完善。

光學(xué)系統(tǒng)是以太網(wǎng)自由空間光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分,不成熟的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致通信質(zhì)量變差?，F(xiàn)有自由空間光通信系統(tǒng)大多圍繞光學(xué)系統(tǒng)輸入展開(kāi)研究。針對(duì)在LED光源外部安裝燈罩會(huì)使很多光散射到周?chē)鷧^(qū)域,未充分利用光的能量,要求單向通信保證接收端受到光源輻射即可保證通信正常,要求雙工通信上行通道泄露光干擾下行通道光的傳播,上下行通道分隔使系統(tǒng)分離成兩部分,在通信兩端設(shè)計(jì)光電協(xié)議轉(zhuǎn)換電路增加成本[4]。研究系統(tǒng)在光源增加拋物面反射天線匯聚直LED陣列發(fā)出的可見(jiàn)光以實(shí)現(xiàn)全雙工的要求。個(gè)人電腦(personal computer,PC)的以太網(wǎng)RJ-45接口通過(guò)雙絞線與光電協(xié)議器相連,上行數(shù)據(jù)調(diào)制LED陣列后通過(guò)對(duì)應(yīng)拋物面天線發(fā)射,通過(guò)光接收器將數(shù)據(jù)傳給光電轉(zhuǎn)換器處理。天線是將實(shí)體傳輸傳播導(dǎo)波轉(zhuǎn)換為自由波的結(jié)構(gòu),大多數(shù)天線為互易器件,天線具有明顯的反向特性,按照其頻率函數(shù)性能分為諧振、口徑與寬帶天線。使用反射器由于具有開(kāi)放口,輻射方向被準(zhǔn)直為接近直線的路徑從而避開(kāi)遮擋物。

3 可見(jiàn)光雙工通信系統(tǒng)

可見(jiàn)光通信(visible light communications, VLC)是利用照明LED快速開(kāi)關(guān)的特性,使白光LED在照明的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線光通信,可見(jiàn)光通信具有人體安全性好、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)與電力線載波通信結(jié)合組建成室內(nèi)可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò),可作為室內(nèi)定位系統(tǒng)基站[5]。室內(nèi)可見(jiàn)光無(wú)線通信由上下行通信鏈路組成,為室內(nèi)提供照明的同時(shí)進(jìn)行下行信息發(fā)送。上行鏈路是制約室內(nèi)可見(jiàn)光通信發(fā)展的瓶頸,目前射頻主要以WiFi為典型解決方案。逆向調(diào)制通信(modulating retro-reflector, MRR)對(duì)入射光束調(diào)制,數(shù)據(jù)發(fā)送端無(wú)須主動(dòng)光源即可完成通信過(guò)程。

可見(jiàn)光雙工通信系統(tǒng)是利用光學(xué)逆向調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光單光源全雙工通信的新型方案,室內(nèi)可見(jiàn)光單光源雙工通信系統(tǒng)由主動(dòng)端和逆向端兩部分組成,逆向端向主動(dòng)端回復(fù)通信鏈路為上行鏈路,主動(dòng)端固定于室內(nèi)天花板,逆向端位于各類(lèi)信息終端。主動(dòng)端提供系統(tǒng)調(diào)制光源,用逆向調(diào)制器對(duì)下行光信號(hào)二次調(diào)制[6]。主動(dòng)端對(duì)二次調(diào)制光信號(hào)處理,實(shí)現(xiàn)單向光源的全雙工通信。單光源雙工通信中涉及兩次調(diào)制,在逆向端利用逆向調(diào)制器對(duì)接收到下行光信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)制,光學(xué)器件參數(shù)一定,反射平面離焦量大,接收端光電探測(cè)器輸出功率小?？梢?jiàn)光雙工通信系統(tǒng)中主動(dòng)端提供光源,上行鏈路調(diào)制信號(hào)由逆向調(diào)制端以反射光束形式發(fā)出。下行鏈路信號(hào)容易對(duì)上行鏈路造成干擾,上下行鏈路應(yīng)選擇不同的調(diào)制方式,便于主動(dòng)端從接收到的信號(hào)中分離出上行鏈路信號(hào)。下行鏈路調(diào)制光信號(hào)需要采用光強(qiáng)度恒定的調(diào)制方式,設(shè)計(jì)離焦型貓眼逆向調(diào)制器,壓電陶瓷片對(duì)不同頻率驅(qū)動(dòng)信號(hào)響應(yīng)封堵不同,相移鍵控(phase shift keying, PSK)等相位調(diào)制方式難以實(shí)現(xiàn),頻移鍵控(frequency-shift keying, FSK)受信道幅度非線性影響小,為提高上下鏈路抗干擾能力選擇4FSK為上下鏈路調(diào)制格式,下行鏈路選用正交相移鍵控(differential quadrature phase shift keying, DQPSK)調(diào)制方式。

DQPSK是基于QPSK發(fā)展的調(diào)制技術(shù),對(duì)QPSK調(diào)制基帶數(shù)據(jù)相對(duì)編碼,解調(diào)端通過(guò)恢復(fù)信號(hào)進(jìn)行解差分處理,利用相對(duì)碼傳輸方式解決QPSK通信相位模糊問(wèn)題[7]。調(diào)制部分包括碼元變換與星座映射部分,對(duì)編碼后序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換,星座映射模塊根據(jù)Q路和Q路數(shù)據(jù)映射相應(yīng)相位φ將Q、I數(shù)據(jù)與正交載波cos(Wct)和sin(Wct)相乘將信號(hào)調(diào)制數(shù)據(jù)相加得到調(diào)制信號(hào)。DQPSK解調(diào)采用相干解調(diào)法,正交和同相支路信號(hào)包括高低頻分量。對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波后得到僅包含基帶波形的低頻分量,恢復(fù)正交支路與同相支路數(shù)據(jù)。DQPSK調(diào)制是用載波不同相位代表數(shù)字信息組合,輸入基帶信號(hào)進(jìn)行分組,按照組合狀態(tài)下不同映射到相位載波上的波形,載波相位攜帶2個(gè)比特信息。系統(tǒng)上行鏈路采用4FSK調(diào)制格式,編碼后數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率載波信號(hào)。

4 基于可見(jiàn)光通信的以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)由上下行鏈路部分組成,通過(guò)將信號(hào)加載到LED燈上發(fā)出可見(jiàn)光,用戶端線性接收端實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光接收[8]。需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇不同類(lèi)型鏈路,上行鏈路分為可見(jiàn)光與射頻WiFi鏈路等,上行鏈路發(fā)射器不需要通過(guò)照明即可實(shí)現(xiàn)。發(fā)射端和接收端具備基帶和光部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,接收端實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)解碼等處理工作。圖1為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。根據(jù)可見(jiàn)光通信技術(shù)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)由遠(yuǎn)近端模塊構(gòu)成,近端模塊借助以太網(wǎng)光貓為終端,遠(yuǎn)端模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接,實(shí)現(xiàn)雙工通信設(shè)計(jì)。

LED無(wú)法充分滿足以太網(wǎng)高速通信,實(shí)現(xiàn)雙工通信時(shí)系統(tǒng)上下鏈路LED光源在同時(shí)發(fā)生電量串?dāng)_現(xiàn)象,研究利用紅色激光器為發(fā)射光源,系統(tǒng)接收端利用光電二極管作為光電探測(cè)器。光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)通過(guò)通信信號(hào)加載到光源上,以太網(wǎng)通信系統(tǒng)光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分為放大和偏置兩部分,濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)噪聲過(guò)濾,R2和R3布置影響靜態(tài)工作點(diǎn)使得輸出交流電信號(hào)無(wú)失真現(xiàn)象。放大部分電路設(shè)計(jì)將直流與交流信號(hào)加載到光源兩端。圖2為基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)圖。光源檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)主要是光電探測(cè)器,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選擇利用雪崩光電二極管(avalanche photo diode, APD)為探測(cè)器,通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用光源探測(cè)器反向擊穿電壓接近95 V,實(shí)現(xiàn)電容放電電壓與電源電壓的疊加,單極升壓電路三極管導(dǎo)通時(shí)電感電壓公式為Vin=L·diL/Ton,斷開(kāi)時(shí)電感電壓為Vout-Vin=L·diL/Toff,開(kāi)關(guān)導(dǎo)通及斷開(kāi)時(shí)流過(guò)的電感電流相等。

圖2 基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)圖

單級(jí)升高后電壓為Vout=Vin/1-D,需要利用多級(jí)升壓電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓支持。高速轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)使得以太網(wǎng)終端網(wǎng)口對(duì)轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)識(shí)別。網(wǎng)口輸出以太網(wǎng)信號(hào)需要借助電路提取滿足系統(tǒng)需求?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)需要單端信號(hào)傳輸,檢測(cè)電路模塊設(shè)計(jì)后需要考慮差分信號(hào)模塊。以太網(wǎng)信號(hào)提取功能將以太網(wǎng)物理層差分信號(hào)提取,不需經(jīng)過(guò)發(fā)送端編碼映射等操作,降低信噪比的損失。利用差分接收器放大芯片可在高頻率工作狀態(tài)下具備較高的抑制比。差分轉(zhuǎn)單端電路公式為Vout=(Vin+-Vin)×(1+R3/R4),以太網(wǎng)通過(guò)Vin+進(jìn)入電路。單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計(jì)利用低失真差分模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter, ADC)作為主要核心芯片,壓擺率達(dá)到1150 V/us。以太網(wǎng)通信系統(tǒng)包含多種電路模塊,對(duì)系統(tǒng)整體頻率響應(yīng)等方面產(chǎn)生影響,將系統(tǒng)模塊集成在印制電路板(printed circuit board, PCB)上降低模塊占用面積,針對(duì)集成后電路板封裝在結(jié)構(gòu)模塊中,通過(guò)RJ45接口網(wǎng)線等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互傳輸。圖3為光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)由網(wǎng)絡(luò)控制器等部分構(gòu)成,以太網(wǎng)接口選擇HR911105A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)。以STM32F芯片為主處理器,驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)控制器和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)由主處理器等部分構(gòu)成,ENC28J60芯片支持雙工通信網(wǎng)絡(luò)控制器,接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口。網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)需要進(jìn)行1∶1脈沖變壓器連接,在虛信道分配問(wèn)題(virtual channel assignment problem, VCAP)上引腳與地腳間需要利用1010 μF的穩(wěn)壓電容連接。以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)以MLT-3多階基帶數(shù)字編碼方式為以太網(wǎng)編碼方式,通信信號(hào)調(diào)制后得到LED光源上晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic, TTL)電平,TTL電平是具備正零電平的單極性碼,實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)和可見(jiàn)光通信系統(tǒng)傳輸介質(zhì)間的電平極性轉(zhuǎn)換。

5 可見(jiàn)光通信的以太網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析,需要搭建可用于測(cè)試的平臺(tái),系統(tǒng)通信線路設(shè)計(jì)上下線路通過(guò)集成模塊實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)傳輸,設(shè)計(jì)加入反射鏡提高以太網(wǎng)通信距離,通過(guò)利用網(wǎng)線直連的方式與100 Mbps進(jìn)行以太網(wǎng)接口連接,利用可見(jiàn)光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行上網(wǎng)連接,通過(guò)對(duì)網(wǎng)線直連模式與聯(lián)網(wǎng)模式下設(shè)備速度測(cè)試結(jié)果對(duì)比,證明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)100 Mbps以太網(wǎng)傳輸。從鏈路和誤碼率方面分析系統(tǒng)性能,矢量網(wǎng)絡(luò)分析端口1在近端模塊輸入端成功加載掃頻信號(hào),將其結(jié)果輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口上,系統(tǒng)帶寬可達(dá)到42 MHz。通過(guò)誤碼率分析,以太網(wǎng)通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)150 Mbps速率的高速信號(hào)傳輸。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,當(dāng)前各種智能手機(jī)應(yīng)用層出不窮,社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展改變?nèi)藗兊慕涣鞣绞?。?guó)家提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)理念使信息技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)等融合創(chuàng)新,讓移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量迅速增長(zhǎng),4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)難以滿足移動(dòng)通信發(fā)展需求,依靠提高系統(tǒng)頻譜利用效率提高容量難以滿足快速增長(zhǎng)的應(yīng)用需求,開(kāi)發(fā)利用新型頻譜資源是無(wú)線通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。無(wú)線可見(jiàn)光通信技術(shù)是以LED發(fā)出光為載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù),半導(dǎo)體光照通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式由網(wǎng)絡(luò)接入控制器與接收機(jī)組成,將LED驅(qū)動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),接收機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給用戶。本文設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信系統(tǒng),可在不經(jīng)調(diào)制上下行鏈路下實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)傳輸,通過(guò)搭建測(cè)試環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)通信測(cè)試,證明其可靠性。