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

孫欣欣，王延軍

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050000）

0 引言

可見光通信技術(shù)（visible light Communication，VLC）是現(xiàn)階段一種新型的無線通信模式，是由400～700 nm波長范圍的可見光為媒介實現(xiàn)無線通信[1]。因此，該技術(shù)不僅具備現(xiàn)有射頻通信無法比擬的通信速度和頻譜資源，還具備高帶寬、防電磁干擾以及功耗低等優(yōu)點，所以在室內(nèi)外通信、軍事等領(lǐng)域中擁有廣闊的發(fā)展前景。基于此，本文通過利用可見光通信技術(shù)替代微波通信技術(shù)，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計，并對其展開探究。

1 可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計原理及構(gòu)成

首先，可見光通信系統(tǒng)又被稱為雙向全雙工系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上行鏈路和下行鏈路等兩個部分構(gòu)成。取其中LED照明設(shè)備為下行鏈路的下行數(shù)據(jù)發(fā)射器，通過將信號加載到LED燈上發(fā)出可見光，而此時載有信號的可見光就會在室內(nèi)信道中進(jìn)行傳輸，最后由用戶端的線性接收端實現(xiàn)可見光接收。上行鏈路具備多種類型，需要根據(jù)實際的應(yīng)用場景來選擇不同類型的鏈路，一般上行鏈路分為可見光鏈路、射頻WiFi鏈路等。同時，上行鏈路的光鏈路設(shè)計與下行鏈路設(shè)計相同，但上行鏈路發(fā)射器并不需要通過照明就能夠?qū)崿F(xiàn)。其次，可見光通信系統(tǒng)的由3個部分構(gòu)成：發(fā)射端、信號以及接收端，具體見圖1所示。

圖1 可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

其中，發(fā)射端和接收端均具備基帶和光等兩個部分。光的發(fā)射與接收等前端，實現(xiàn)了對光信號與電信號兩者之間的轉(zhuǎn)換，而基帶發(fā)射端實現(xiàn)了對以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信號的編碼和調(diào)制處理，而接收端則實現(xiàn)了對接收的信號進(jìn)行解碼、調(diào)制等處理工作[2]。

2 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)可見光通信技術(shù)設(shè)計的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)主要由近端和遠(yuǎn)端等兩個模塊構(gòu)成。其中，近端模塊主要是借助網(wǎng)絡(luò)運營商提供的以太網(wǎng)光貓為終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收工作；而遠(yuǎn)端模塊設(shè)計主要實現(xiàn)與設(shè)備的連接，進(jìn)程數(shù)據(jù)的上傳與下載工作。并且，兩個模塊的硬件完全一致，實現(xiàn)了全雙工通信設(shè)計，具體見圖2所示。

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

受現(xiàn)有LED調(diào)制帶寬大小的影響，無法充分滿足以太網(wǎng)的高速通信，由于LED時發(fā)散光源，因此在實現(xiàn)全雙工通信時，系統(tǒng)的上、下行鏈路的LED光源在同時點亮?xí)r，會發(fā)生串?dāng)_的現(xiàn)象，無法有效滿足高速、長距離的遠(yuǎn)程通信需要。所以，本文選擇利用具備高帶寬的紅色激光器為發(fā)射光源，實現(xiàn)以太網(wǎng)信號傳輸。則系統(tǒng)的接收端利用光電二極管為本系統(tǒng)的光電探測器，并通過在探測器前端加裝透鏡，以此提高通信的距離[3]。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 光源驅(qū)動電路模塊設(shè)計

該驅(qū)動電路的設(shè)計，通過將通信信號加載到光源之上，以此實現(xiàn)了電信號與光信號兩者之間的轉(zhuǎn)換。而以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的光源驅(qū)動電路設(shè)計，具體見圖3所示。光源驅(qū)動電路的設(shè)計，分為放大和偏置等兩部分，從圖3上看，當(dāng)交流信號輸入口后端是由R1與C1共同構(gòu)成了濾波電路，以此實現(xiàn)了對信號噪聲的過濾。而R2和R3兩者的比值對輸入的靜態(tài)工作點有著直接的影響，從而使得光源穩(wěn)定工作在線性區(qū)間，使得輸出的交流信號無失真現(xiàn)象的發(fā)生。而放大部分電路的設(shè)計，進(jìn)一步將信號進(jìn)行放大，通過將直流信號與交流信號共同加載到光源的兩端，以此實現(xiàn)了信號的發(fā)射[4]。

圖3 光源驅(qū)動電路設(shè)計示意圖

3.2 光源檢測電路模塊設(shè)計

該模塊的設(shè)計主要是由光電探測器，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對其信號進(jìn)行處理。而本系統(tǒng)在設(shè)計過程中選擇利用APD作為探測器。首先，從開關(guān)電源電路設(shè)計方面來看，本文在通信系統(tǒng)設(shè)計過程中采用的光源探測器的反向擊穿電壓接近95 V，因此需要利用自舉升壓二極管和自舉升壓電容等相關(guān)電子元器件，實現(xiàn)電容放電電壓與電源電壓的疊加，以此使得電壓能夠?qū)崿F(xiàn)多級放大。而當(dāng)單極升壓電路的三極管導(dǎo)通時，其電感電壓的公式為：

從上述公式（1）中來看，tON代表了開關(guān)管導(dǎo)通發(fā)的時間，所以當(dāng)k斷開時，則其電感電壓為：

從公式（2）上來看，tOFF代表了開關(guān)管得斷開時間，在結(jié)合伏秒平衡原則下，開關(guān)導(dǎo)通以及開關(guān)斷開流過的電感電流之間的大小相等，所以其占空比則為：

以此可以得出經(jīng)過單級升高之后的電壓大小為：

由于，基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計需要升壓較高。因此，需要利用多級升壓電路才能夠為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓支持。

其次，高速轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，為APD工作狀態(tài)下接收到的光信號轉(zhuǎn)換成的電流信號，進(jìn)行處理，以此使得以太網(wǎng)終端的網(wǎng)口或使用的設(shè)備能夠?qū)D(zhuǎn)換后的電流信號進(jìn)行識別，并進(jìn)行電平判決。在轉(zhuǎn)換電路設(shè)計時，還需要具備高增益帶寬積。

3.3 信號轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計

經(jīng)過網(wǎng)口直接輸出的以太網(wǎng)信號，需要借助電路進(jìn)行提取和處理之后，才能夠滿足系統(tǒng)的需求。同時，以太網(wǎng)信號作為一個差分信號，而可見光通信技術(shù)需要單端信號才能夠進(jìn)行傳輸。并且輸入設(shè)備以及以太網(wǎng)網(wǎng)口的信號設(shè)計必須為差分信號，因此在檢測電路模塊設(shè)計之后，還需要針對其差分信號模塊進(jìn)行充分的考慮，進(jìn)行信號提取電路、差分轉(zhuǎn)單端電路和單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計[5]。

首先，以太網(wǎng)信號提取電路的功能是通過直接的方式，將以太網(wǎng)物理層差分信號通過提取之后，在進(jìn)行通信。整個過程并不需要經(jīng)過發(fā)送端的編碼映射、調(diào)制和接收端的解碼和解調(diào)等操作，就能夠?qū)崿F(xiàn)信號通信，并使得降低信噪比的損失。其次，差分轉(zhuǎn)單端電路設(shè)計，主要利用差分接收器放大芯片來實現(xiàn)，該芯片能夠在高頻率工作狀態(tài)下，依然具備極高的共模抑制比。所以符合高速差分信號傳輸?shù)膽?yīng)用[6]。具體差分轉(zhuǎn)單端電路的公式為：

從（6）公式上來看，以太網(wǎng)信號通過從VIN+和VIN一端進(jìn)入到電路中，然后從VOUT端輸出。

而單端轉(zhuǎn)差分電路的設(shè)計，本文主要選擇利用低失真差分ADC驅(qū)動器為此電路的主要核心芯片。其中，該芯片的-3 dB帶寬達(dá)到了320 MHz，壓擺率達(dá)到了1 150 V/us，具備了低諧波和低失真等特點。

3.4 整體電路集成模塊設(shè)計

以太網(wǎng)通信系統(tǒng)包含了多種電路模塊，而這些模塊之間需要利用傳輸線實現(xiàn)模塊連接，因此這會對系統(tǒng)的整體頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生一定程度的影響。所以，需要對系統(tǒng)的整體電路進(jìn)行集成化處理，簡單來說就是將系統(tǒng)上述模塊集成在一塊PCB板之上，這樣一來不僅降低了模塊的占用面積，還使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。同時，為了便于安裝，本文針對集成之后的電路板，將其封裝在了結(jié)構(gòu)模塊之中。而整體模塊的設(shè)計，通過RJ45接口網(wǎng)線和終端等實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互傳輸+。

3.5 光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

該模塊設(shè)計主要由主控制機器、網(wǎng)絡(luò)控制器以及以太網(wǎng)接口電路等3個部分構(gòu)成。其中，以太網(wǎng)接口選擇具備網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器功能的HR911105A來實現(xiàn)以太網(wǎng)接口設(shè)計。

3.6 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計

首先，本文以STM32F芯片為主處理器，實現(xiàn)光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計。該芯片主要作用于驅(qū)動以太網(wǎng)控制器和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等工作。而以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計，則是由網(wǎng)絡(luò)控制器和主處理器等部分構(gòu)成。其次，ENC28J60芯片作為一個具備MAC與PHY，支持半雙工模式和全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)控制器。其內(nèi)部物理層選擇利用過濾機制實現(xiàn)對傳入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制；其接口設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口，在4根線的作用下，即可以實現(xiàn)和主控芯片的通信。網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計，在（TPIN+/TPIN-）與（TPOUT+/TPOUT-）等差分腳上需要進(jìn)行1:1的脈沖變壓器連接。同時，為保障穩(wěn)壓器的工作穩(wěn)定性，在VCAP的引腳與地兩者之間，還需要利用1 010 μF的穩(wěn)壓電容進(jìn)行連接，為其工作提供保障。

3.7 轉(zhuǎn)換協(xié)議設(shè)計

以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計時，主要以MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）[7]多階基帶數(shù)字編碼方式為以太網(wǎng)信號編碼的方式。而MLT-3是一種具備正電平、零電平以及負(fù)電平的雙極性碼。在可見光通信技術(shù)當(dāng)中，通信信號經(jīng)過調(diào)制之后，到LED光源上的TTL電平，在光源的明暗變化下可以在自由的空間中進(jìn)行信號傳輸。其中TTL電平是一種具備正電平和零電平的單極性碼。而光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信系統(tǒng)和可見光通信系統(tǒng)兩種傳輸介質(zhì)之間的電平極性轉(zhuǎn)換以及不同通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4 實驗測試結(jié)果與性能分析

4.1 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)測試

基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)程測試分析，需要搭建一個具備上、下行鏈路和家用設(shè)備的可用于測試的平臺（具體參考見圖2所示）。整個系統(tǒng)的通信線路設(shè)計在上行鏈路和下行鏈路以及近端模塊、遠(yuǎn)端模塊的作用下通過集成模塊實現(xiàn)了以太網(wǎng)信號的傳輸。并且，在光路傳輸時，本文設(shè)計加入了反射鏡，以此提高以太網(wǎng)通信的距離。為保障該系統(tǒng)的實用性，本文首先通過利用網(wǎng)線直連的方式與100 Mbps進(jìn)行以太網(wǎng)接口連接，并每隔10 min對設(shè)備的上傳與下載速度進(jìn)行一次測試。接著，利用基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，進(jìn)行上網(wǎng)連接，并利用上述測試網(wǎng)速的方法進(jìn)行測試。通過對網(wǎng)線直連模式與本文聯(lián)網(wǎng)模式下設(shè)備的上傳速度和下載速度的測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，得知使用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)上網(wǎng)的設(shè)備其上傳和下載速度基本上與網(wǎng)線直連模式的速度一致，進(jìn)而證明了該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)100 Mbps以太網(wǎng)傳輸[8]。

其次，為進(jìn)一步證明該系統(tǒng)的可行性，在實驗測試過程當(dāng)中，通過嘗試移動接收端模塊，從中發(fā)現(xiàn)，在保證入射光依舊照射透鏡范圍之內(nèi)時，接收端的微小距離移動或轉(zhuǎn)動較小的角度范圍內(nèi)，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信。最后，本文又分別對本文系統(tǒng)進(jìn)行黑暗和正午環(huán)境等分別對以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的通信進(jìn)行測試，實驗證明不管是在哪種情況下，該系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定實現(xiàn)100 Mbps的以太網(wǎng)信號傳輸。

4.2 系統(tǒng)性能測試

為驗證以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的整體通信性能，本文從鏈路和誤碼率等兩個方面對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。首先從圖4（a）的帶寬測試鏈路方面來看，矢量網(wǎng)絡(luò)分析的端口1在近端模塊的輸入端成功加載掃頻信號，而遠(yuǎn)端模塊實現(xiàn)了對掃頻信號的接收之后，并將其結(jié)果輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2上。然后，通過對系統(tǒng)的頻率響應(yīng)方面的測試結(jié)果來分析，該系統(tǒng)的帶寬能夠達(dá)到42 MHz，且能夠有效應(yīng)用于高速通信場景當(dāng)中。其次，從圖4（b）誤碼率測試鏈路上看，通過利用誤碼率分析儀，將去閾值設(shè)置為3.8×10-3，從測試結(jié)果來看，該以太網(wǎng)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)150 Mbps速率的高速信號傳輸[9]。

圖4 系統(tǒng)的帶寬性能與誤碼率鏈路測試示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，為解決以太網(wǎng)上下行傳輸問題，本文基于可見光通信技術(shù)，提出并設(shè)計了一種以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。而該通信系統(tǒng)的設(shè)計，能夠在不經(jīng)過調(diào)制的狀況下，上下行鏈路均能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)信號的傳輸。同時，為進(jìn)一步證明該通信系統(tǒng)的可行性，通過搭建測試環(huán)境對本文設(shè)計的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)盡心了10 m的100 Mbps遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)通信測試，最后證明了該系統(tǒng)的可靠性。