基于可見光通信的全雙工以太網通信系統設計研究

摘要：為了實現更高效、穩定的數據傳輸，基于可見光通信技術，設計了一套全雙工以太網通信系統。首先，對通信系統結構進行設計，涵蓋系統組成與通信過程；其次，詳細地設計了系統硬件電路，包括光源驅動電路、光電檢測電路、信號轉換電路等；最后，通過系統模擬與實驗驗證來分析通信系統的性能。為電力通信提供了一種創新的通信解決方案，也為以太網通信技術的創新與發展提供了有益參考與借鑒。

關鍵詞：可見光通信全雙工以太網通信系統

DesignandResearchofFullDuplexEthernetCommunicationSystemBasedonVisibleLightCommunication

ZHUMin1SONGShankun2

1.DispatchCenterofInformationandCommunicationBranchofStateGridAnhuiElectricPowerCo.，Ltd.，Hefei，AnhuiProvince，230000China;2.SmartOperationandMaintenanceDivisionofAnhuiJiyuanSoftwareCo.，Ltd.，Hefei，AnhuiProvince，230000China

Abstract：Inordertoachievemoreefficientandstabledatatransmission，thisarticledesignsafullduplexEthernetcommunicationsystembasedonvisiblelightcommunicationtechnology.Firstly，itdesigns thecommunicationsystemarchitecture，coveringsystemcompositionandcommunicationprocesses.Secondly，thesystemhardwarecircuitisdesignedindetail，includingthelightsourcedrivingcircuit，photoelectricdetectioncircuit，andsignalconversioncircuit.Finally，theperformanceofthecommunicationsystemisanalyzedthroughsystemsimulationandexperimentalverification.Thishasprovidedaninnovativecommunicationsolutionforpowercommunication，andalsoprovidesusefulreferenceandinspirationfortheinnovationanddevelopmentofEthernetcommunicationtechnology.

KeyWords：Visiblelightcommunication;Fullduplex;Ethernet;Communicationsystem

隨著信息技術的飛速發展，以太網通信技術作為現代網絡的基礎，其穩定性與性能對數據傳輸質量至關重要。可見光通信作為新興的無線通信技術，具備無電磁干擾、高頻譜效率等優勢，因此得到了廣泛的應用。然而，以太網通信中，可見光通信的實際應用仍處于初級階段，特別是全雙工通信系統的實現與應用仍面臨諸多挑戰，因此，深入探索并設計全雙工以太網通信系統具有積極意義。

1通信系統結構設計

1.1系統組成

為了保障通信質量，系統設計注重低噪聲處理與光電信號的高效轉換。選用LED燈作為信號載體，使用上、下行鏈路來實現安全和高速的數據傳輸。全雙工以太網通信系統主要包括發射端和接收端兩部分，其中，發射端集成光調制與基帶處理模塊，用于將以太網信號編碼后加載至LED燈光上，從而實現光信號發射；接收端則配備基帶接收機與光接收前端，用于捕獲光信號、轉換與解碼，并恢復原始以太網數據[1]。同時，上行鏈路靈活多樣，可選擇射頻Wi-Fi或可見光鏈路，以靈活地適應不同的應用場景需求。圖1為可見光通信系統組成示意圖。

1.2通信過程

系統通信過程主要涵蓋下行鏈和上行鏈路。在下行鏈路中，近端設備首先將以太網信號進行處理，通過差分轉單端和光源驅動后，由激光器發射出光信號。該光信號經過光信號傳輸到達遠端設備，經由透鏡聚焦至雪崩光電二極管（AvalanchePhotoDiode，APD），實現光電轉換，再經過單端轉差分處理，最終提取出以太網信號供家用設備使用。上行鏈路過程則相反，遠端家用設備發出信號，經過以太網提取、差分轉單端、光源驅動、激光器發射，光信號再次通過光信號傳輸回到近端，完成相同的光電轉換與信號處理流程，以此實現數據從遠端到近端的傳輸[2]。該設計實現了以太網信號在可見光通信系統中的全雙工、高效、穩定地傳輸。圖2為以太網通信過程示意圖。

2系統硬件電路設計

2.1光源驅動電路設計

光源驅動電路主要包含放大和偏置兩大功能模塊。為了濾除信號中的噪聲，交流信號輸入后端特別設計了由電容C1與電阻R1組成的濾波電路。為了確保光源在穩定線性區域工作，并提高交流信號的精確度，精心地設定了電阻R2和R3的比率。放大電路用于進一步增強這些信號，并將它們與直流信號一起施加到光源上，從而實現信號的發射。該電路一方面確保了信號的有效轉換和發射，另一方面通過精細的電路調控，保障了信號傳輸的質量和穩定性。

2.2光電檢測電路設計

2.2.1開關電源boost電路

設計選擇的APD的反向擊穿電壓處于95V左右。為了實現所需的高電壓，設計了開關電源Boost電路。該電路利用電容、自舉升壓二極管等元件，憑借多級放大將電源電壓與電容放電電壓疊加，從而達到升壓目的。其中，單極升壓電路采用三極管作為開關，通過控制開關的斷開與導通時間來調節輸出電壓。多級升壓電路則采用TPS55340開關電源芯片，以進一步提升電壓。此外，電路中還加入了溫度補償模塊，以有效地應對APD擊穿電壓隨環境溫度變化的問題，確保了電路的穩定性[3]。

2.2.2高速I-V轉換電路

為了更好滿足高速通信需求，高速I-V轉換電路需具備高增益帶寬積。因此，選用高增益帶寬積、低噪聲的芯片，設計了一種帶電壓并聯負反饋結構的I-V轉換器，以實現從電流至電壓信號的準確轉換。電路內關鍵電阻決定了交流電壓的輸出水平。此外，為了避免高頻信號下的自激振蕩，該電路還引入了密勒補償電容，有效地消除了自激現象[4]。經轉換的電壓信號利用電容完成交流耦合，輸出至下一模塊，完成進一步處理，確保終端網口或設備可以準確地識別并判決信號，從而保障通信系統的高速、穩定運行。

2.3信號轉換電路設計

2.3.1以太網信號提取電路

以太網信號提取電路主要負責直接從物理層捕獲以太網信號，省去了復雜的信號編碼、調制解調、解映射等過程[5]。該設計有助于簡化系統架構，并最小化信噪比的損失。該電路采用了集成網絡變壓器的RJ45接口來接收信號。在下行鏈路通信中，信號利用T-和T+端口傳入該接口，經過內部處理后，再經R-和R+端口輸出至下一電路模塊。在上行鏈路中，需要上傳的信號經R-和R+端口進入接口，處理并轉變成以太網格式，隨后，再從T-和T+端口發送回以太網接口，從而達成精確地識別和高效地傳輸信號的目的。

2.3.2差分轉單端電路

設計采用了性能卓越的差分接收器放大器AD8130，該芯片具備高達270MHz的-3dB帶寬，并在高頻操作中維持出色的共模抑制性能，尤其適合高速差分信號的傳輸。以太網差分信號借助VIN-和VIN+端輸入，處理完成后，從VOUT端以穩定單端信號的形式進行輸出[6]。此電路設計保障了差分信號的有效且高效轉換，為后續的信號處理環節提供了穩定且可靠的單端信號輸出，進而確保了整個信號傳輸鏈路的穩定性和性能。

2.3.3單端轉差分電路

選用具有快速響應特性與高帶寬的差分ADC驅動器AD8138，其壓擺率達到1150V/us、-3dB帶寬高達320MHz，確保了低失真和低諧波的卓越性能表現。光電轉換電路輸出的信號經VIN端口輸入，完成電路處理后，從VOUT-、VOUT+端口輸出高質量的差分信號。該電路設計確保了信號從單端到差分的有效轉換。

2.4整體電路集成

通過將多個電路模塊整合到一塊PCB板上，實現了整體電路的集成化，一方面有效地減小了占用面積，另一方面顯著地增強了系統的穩定性。與此同時，采用封裝在定制結構中的集成電路板，并運用RJ45網線接口來有效地簡化家庭端的安裝與數據傳輸，同時借助USB接口完成供電，提升了使用的便捷性[7]。此外，為有效地增強調節和對準的靈活性，還特地將APD、激光器、透鏡等組件從電路中分離出來，并完成了獨立的封裝設計，以此顯著地提升了系統的實際應用價值。

3系統模擬與實驗驗證

3.1系統模擬

系統模擬有助于驗證設計方案的有效性，并為后續實驗驗證提供指導。具體操作流程分成以下幾個關鍵階段。首先，構建通信系統模型。該模型應涵蓋通信環境、光檢測器、信號處理、網絡接口、光源等關鍵組件。光檢測器與光源模型搭建應嚴格遵循其實際物理特性。其次，借助MATLAB等仿真工具完成系統模擬，生成輸入信號，在此基礎上，預測輸出信號，同時也對噪聲、環境光等干擾進行模擬，以顯著增強仿真的準確性。最后，詳細地分析與評估了仿真數據，重點分析和觀察信號強度、信噪比、傳輸速率與誤碼率等關鍵性能指標，并據此靈活地調整設計參數，進而優化系統的整體性能。

3.2實驗方法與設備

在實驗設備方面，其主要包括：用來監測和分析系統性能的頻譜分析儀、示波器等，用作網絡接口或處理信號的計算機或微處理器，用來發射與接收光信號的光電二極管等。在實驗方法上，采取以下步驟。首先，執行單元測試，驗證各組件的功能和性能是否達到預期的設計標準。其次，科學地整合系統，將各部件組裝成一套完整的通信系統。再次，開展系統測試，運用定制的測試信號來檢測通信系統的響應。同時，為了有效地衡量該通信系統在多樣化環境條件下的性能，將在多種通信環境中實施性能評估，包括但不限于不同的環境光照與通信距離。通過動態調整設計參數來持續優化實驗，以確定最優的設計參數配置。最后，通過長期的穩定性測試來保障通信系統在實際使用中的持久性與可靠性。

3.3實驗及結果分析

為了全面、客觀地評估通信系統，收集了不同設計參數、測試信號與通信環境下的性能數據與輸出信號等。通過分析與處理這些數據，計算出一系列關鍵性能指標，以此為系統性能評估提供堅實的數據支撐。然后，進一步探討了不同因素對系統性能的影響。例如：環境光可以顯著影響信噪比，通信距離會顯著影響誤碼率與信號強度等。基于這些分析結果，合理、靈活地調整設計參數，以提升系統性能。通過增加光源的強度，有助于大幅地降低誤碼率；在光檢測器前增設濾波器，起到減少環境光干擾的作用，進一步提升了系統性能。

4結語

綜上所述，通過系統結構、硬件電路設計，以及模擬與實驗驗證等內容，本文成功地搭建了一個實用且高效的可見光以太網通信系統，實現了數據的快速、穩定傳輸。未來，將持續研究與探索更多先進的通信技術，將其與可見光通信技術進行有效的融合，以進一步提高數據傳輸速率與穩定性，優化以太網通信系統的性能，更好地滿足更廣泛的應用需求，以此推動以太網通信技術在更多領域得到更廣泛的應用。

參考文獻

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[3]何曉舟，王子彥，劉浩，等.機載無線通信系統抗干擾類型及技術實踐[J].科技資訊，2023，21（10）：5-8.

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