高 速 光 無 線 傳 輸 儀 器 研 制 及 測 試

鄭朝陽， 姜 斌， 包建榮， 劉 超， 朱 芳

(杭州電子科技大學 a.通信工程學院;b.信息工程學院，杭州 310018)

0 引 言

隨著通信網的快速發展，光已成為信息的理想載體,并廣泛用于各類寬帶多媒體業務。光纖通信傳輸可靠，但因其鋪設周期較長及高額初期投資使其不是解決“最后一公里”瓶頸的最好選擇[1]。而無線光通信技術能有效解決布線困難、成本過高等問題。可見光通信(Visible Light Communication, VLC)是以光為數據傳輸載體的無線傳輸技術[2-3],它具有方向性強、功率穩定集中、靈活安裝、低成本等特點。此外，與其他無線通信相比，VLC還有不占用頻譜資源、穩定的抗電磁干擾能力、安全難以截獲等特點，因而在有強電磁干擾的場所或者具有臨時性、移動性、不宜布線等特殊場景，如展覽廳、野外工作、馬路兩側建筑物間等，擁有廣泛應用空間[4-5]?，F有的實驗室無線傳輸設備成本高，存在成本高和易受干擾等缺陷。故高速光無線儀器也適用于應用型本科高校的實驗教學中實驗設備互聯等應用[6]。

為了滿足實驗教學場景中高速光無線傳輸應用需求，在采用基于三合一智能芯片的光模塊基礎上，通過優化其消光比算法和內部程序，及與介質轉換模塊結合，本文研制并實驗驗證了具有100 Mb/s傳輸速率能力的高速、低成本、性能穩定的便攜式高速光無線傳輸儀器。

1 系統總體結構

本文研制光無線傳輸儀器主要由光電介質轉換模塊和光模塊組成。其中，光電介質轉換模塊完成以太網數據流傳輸的轉換，包括對高速數據的調制與緩存；光模塊為光收發一體模塊，其主要功能是光電轉換，按其功能可分為發射和接收部分[7]。該光無線傳輸儀器系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

光發射模塊由激光器驅動電路、激光器、自動功率控制(Automatic Power Control, APC)回路、溫度補償模塊、激光調制器和偏置電路組成，主要將載有信息的電信號輸入調制器進行直接調制，再將調制出來的信號用來驅動激光器發光[8-9]。為保證激光器所發光信號消光比穩定，在信號進入驅動電路前還需由溫度控制電路對偏置電流和調制電流作溫度補償[10]。同時，激光器中的背光二極管產生的光電流反饋至APC電路中，其主要保證激光器發光功率穩定。最后，載有信息的光信號通過光學天線發送[11]。

光接收模塊由雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode, APD)、跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)、限幅放大器(Limit Amplifier, LA)、自動增益控制電路(Automatic Gain Control, AGC)以及APD升壓電路等組成。其功能是將探測到的微弱光信號轉換成電信號，再由TIA將電信號放大。然后，主放大器LA對信號二次放大，并通過均衡濾波和判決再生部分生成波形整齊的碼流。最后，將其送入信號處理電路。同時，AGC保證前置TIA和后置LA的放大增益能穩定在一個正常工作的動態范圍內，并由實驗測定。

2 介質轉換模塊設計

2.1 光電介質轉換芯片

光電介質轉換芯片(Optical & Electronical Media Converter, OEMC)是研制光無線傳輸儀器的兩大核心之一，它影響儀器的整體性能、壽命以及成本。本方案硬件模塊主要采用IC PLUS公司的IP175GHR芯片，它集成6個交換控制器口、同步靜態隨機存取存儲器(Synchronous Static Random Access Memory, SSRAM)和5個10/100 Mb/s以太網口，每個接口支持IEEE802.3、IEEE 802.3u、IEEE802.3x規范，芯片采用0.18 μm工藝，128-PQFP(Plastic Quad Flat Package，塑料方塊平面封裝)封裝，具有高抗干擾性和魯棒性。

IP157GHR工作在存儲轉發模式，每個接口都能由帶電可擦寫可編程讀寫存儲器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM)通過I2C(Inter-Integrated Circuit)總線在指定管腳使用上/下拉電阻配置成自適應100 Mb/s，全雙工/半雙工模式。同時，IP175GHR支持冗余連接，有效解決信息傳輸過程中出現修復錯誤連接耗時過長的問題。它用一個彈性存貯器減小數據延遲，對接收信號還原，并有效地消除抖動。根據上述可配置的穩定性能，IP175GHR可較好地實現數據流的介質轉換。

2.2 隔離變壓器模塊

數據終端數據流進入介質轉換模塊時，如直接介質轉換，信號中含有的直流成分會對激光二極管的工作點造成影響，從而導致整個光無線傳輸儀器性能改變。因此，本方案選用Maconics公司的隔離變壓器模塊HS2123，利用其直流限制功能，能使模塊雙絞線部分與光纖部分充分隔離，達到濾除信號直流成份的效果。同時，整個儀器速率可達100 MHz，屬于高頻電路，產生的雙絞線共模信號電磁干擾成為一個亟待解決的問題。而HS2123能有效減少來自該模塊雙絞線的共模信號引起的電磁干擾[12]。

2.3 穩壓器

該模塊采用AMS1117系列的穩壓器，其微調電路可將基準電壓控制在1.5%的誤差范圍內，同時調整電流，以盡可能減少電路中電壓過載等問題。

3 光模塊設計

該光無線傳輸儀器設計的光模塊用主控芯片CS6721管控。發射部分由激光器驅動和激光器組成；接收部分由雪崩二極管、TIA以及CS6721的后置限幅放大電路組成。利用APD升壓電路、E2PROM存儲器、光纖輸出準直鏡、光纖耦合器以及各類外圍優化電路與元件輔助系統，構成完整的光模塊方案。

3.1 CS6721主控芯片

該光模塊選用CS6721作為主控芯片，它是一個集后級限幅放大器、激光器驅動和微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)于一體，且能兼容市場多數光網絡應用的三合一智能芯片?；贑S6721研制的光模塊減少了光模塊元器件使用，使研制的儀器成本低、體積小、穩定可靠。

3.1.1 驅動電路

CS6721芯片具有可用于突發或連發模式的激光驅動器，其可通過編程對電路內偏置電流及差分調制電流控制，將差分電路調制成相應電流經過電路轉換后再驅動產生相應信號。整個過程均采用交流耦合方式。由于交流耦合所需元件較少，從而降低了整體成本。

芯片內的數字自動功率控制回路，在突發信號輸入時，APC能夠根據預先設定的偏置電流開啟激光器，并隨驅動將電信號轉化為電信號發出。同時，發射模塊將一部分光轉變成電壓并數模轉換變為數值，再與設定光功率對比，把差值輸入數字信號控制器并驅動偏置電路改變電流，從而達到功率控制效果。

3.1.2 后級限幅放大器

在APD-TIA轉換后的差分信號經過后極限幅放大器過程中，CS7621芯片穩定的放大增益可達50 dB，最小靈敏探測電壓為2 mV。同時，芯片內置偏移補償回路，有效遏制偏移造成的增益飽和。MCU控制數字模擬轉換器(Digital to Analog Converter, DAC)預設置信號惡劣值，并與由芯片電路采集電路采集到的功率特性進行比較，再通過后級放大器控制，以接受通道的開關狀態。

3.1.3 MCU

光模塊MCU控制部分負責實時監控整個光模塊的工作狀態。它主要是對光功率、模塊溫度、電壓、電流等參數的采集，通過自動調節電路或下位機軟件算法，對光模塊監控管理。

3.2 APD升壓控制與E2PROM存儲器

本方案光模塊選用MAX15059升壓控制芯片，其反饋(Feedback, FB)引腳用于預設反饋電壓，當電壓高于1.3 V時，FB將基準電壓穩定在1.23 V；當電壓低于1.2 V時，FB反饋基準電壓與其相等。升壓電路為APD,能工作在恒定點，以提供倍壓增益補償因溫度或工藝水平限制造成的雪崩增益變化。

E2PROM存儲器[13]選用AT24C64。上位機通過I2C將溫度補償表、軟件程序等放入E2PROM。CS6721芯片能同時操控多個I2C。該存儲器則內置8 KB的存儲空間，包括數據引腳信息和一對I2C串行時鐘。

3.3 消光比補償算法

為保持光模塊消光比的穩定，控制調制電流IMOD的大小非常重要[14]。本方案提出一種適用于交流耦合差分信號的消光比補償算法。該消光比(Extinction Ratio, EXT)的穩定需要保持發送1的光功率P1和發送0的光功率P0的穩定。設平均光功率為PA，且由APC電路控制。最后，由消光比定義和光功率關系得：

(1)

圖2展示了光功率和電流成線性關系的圖。其中，Ith為閾值電流，可得:

IMOD=K(IA-I0)

(2)

轉換成相應寄存器的值，

MODDAC=K(DCBPA-DCBP0)

(3)

式中：K為對P0和P1的貢獻程度。其在全溫度范圍下的值，由硬件電路的特性決定。故K可由不同硬件單獨測出。此外，APC電路可控制DCBPA大小，只需確定DCBP0的值即可。

圖2P-I關系曲線圖

圖3給出了不同溫度下的P-I關系曲線圖。其中：T1和T2分別為不同梯度溫度下的P-I關系曲線，且能交與N點。則在理想情況下，所有溫度下P-I曲線都可交于N點。按照圖中比例關系，將坐標值全部取絕對值，可得：

(4)

由式(4)可推導出：

(5)

將式(4)和(5)轉換成寄存器值，可得DCBP0和MODDAC。設M=1-Z，則DCBP0值如下：

DCBP0=DCBPA-M(DCBPA-DCBPN)

(6)

由此，可得調制電流寄存器的值：

MODDAC=KM(DCBPA+DCBPN)

(7)

圖3 不同溫度下的P-I關系曲線圖

4 光模塊的下位軟件設計

光模塊CS6721芯片中MCU內部可編程Boot ROM(無盤啟動ROM接口)和靜態隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory，SRAM)，且還有看門狗定時器(WatchDog Timer, WDT)、溫度傳感器、I2C通道等。可用匯編和C語言編輯下位機軟件應用。當系統通電開啟后，MCU執行Boot ROM應用程序[15]。

4.1 復位I2CM和E2PROM

為保證時鐘和數據信號同步，使主芯片和E2PROM通信穩定，設置復位程序。如圖4所示，程序首先設置時鐘頻率，再發送start信號并產生檢驗同步字符串，當信號同步時重復上述流程，否則啟動復位主模塊I2C master，返回初始化。

在檢測I2C master忙碌解除后判斷寄存器異常情況。如出現異常，則停止I2C通信，且復位系統。關閉WDT和時鐘計數器，清除標志位并清零寄存器，隨后初始化啟動寄存器。

4.2 Load應用程序

Load應用程序首先要獲取其首地址和長度，CS6721通過I2C讀取其信息并設置時鐘速率，讀取到收地址2 Byte和程序size的1 Byte時，才加載應用程序，并設置循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check, CRC)檢測程序，以時刻保持I2C信息正確性。其具體流程如圖5所示。

圖4 復位I2C和E2PROM流程圖

圖5 load應用程序流程圖

MUC控制著主機模塊I2C master通過程序命令，從機模塊I2C slave調用E2PROM中的應用程序。該流程能保證程序加載的流暢與正確性。

4.3 溫度補償算法及流程

光模塊溫度補償影響著整個模塊的性能指標。在實踐中，通常用溫度補償查表法完成。溫度表首地址前2 Byte存放在最高溫度下的數模轉換電壓。然后，存入每個溫度相比較前一個溫度的差值。以下以APD電壓補償來說明，其流程如圖6所示。

該流程首先判斷APD是否需溫度補償。若需要，則讀取溫度補償表的首地址，獲得APD初始值。然后，再判斷是否需補償遞增或者遞減，以獲取偏移量offset的值后，將當前溫度補償值存入寄存器，完成溫度補償。

圖6 APD溫度補償程序流程圖

5 光無線傳輸儀器樣機測試及效果

根據上述設計方案研制光無線傳輸儀器樣機，其同時具有發送與接收數據功能。為了驗證其高速傳輸功能，通過個人計算機(PC)端局域網速度測試軟件LAN Speed Test，對其運行測試。儀器配有狀態指示燈，可觀測電源狀態，局域網連接狀態及傳輸狀態，并根據指示燈判斷傳輸可能出現的問題并找到解決方案。

首先，設置兩臺便攜式PC的網際協議(Internet Protocol, IP)地址。其中，一臺設為Server(服務器)。再通過電接口分別連接儀器，調整光學天線對準探測口直至連接指示燈亮，且服務器窗口顯示已連接。設定用戶端PC數據包大小及數量后，即可開始，隨后可在控制面板觀察數據包上傳服務器以及下載實時速率，包括最高速率、最低速率和平均速率。同時，本實驗均按照平均速率記錄。最終，實測參數可自動由軟件生成具體的實驗傳輸速率測試報告。

圖7為本方案設計的高速光無線儀器的樣機演示圖。圖8、9分別是LAN Speed Test測試軟件系統服務器端和用戶端顯示界面。

圖7 樣機測試效果演示圖

圖10為其在10 m距離下的傳輸數據報告。實驗結果顯示：儀器在10 m距離仍然能夠保持95 Mb/s左右的上傳和下載速率。經實驗測試，該光無線傳輸儀器在10 m以內都具有良好傳輸速率，適合在一些特殊場合或場地建立快捷傳輸系統。同時，該儀器同時體積小巧、方便攜帶、低成本等優勢，可支持其在各高校實驗室參與無線光通信實驗教學儀器應用。表1為該光無線傳輸儀器各距離實測結果。

圖8 服務器端界面

圖9 用戶端界面

圖10 10 m傳輸距離下測量儀器所得實驗結果

表1 高速光無線儀器的實驗結果表 Mb/s

6 結 語

本文探討了高速光無線傳輸儀器的研制與測試。它采用IP175GHR芯片介質轉換模塊、CS6721主控芯片及收發一體光模塊等實現。其中，CS6721芯片集后級限幅放大器、驅動電路和MCU于一體，減少了光模塊元器件，使研制的儀器成本低、體積小、穩定可靠。經測試，該光無線傳輸儀器擁有穩定高速傳輸速率，即架即用，滿足在緊急情況或不宜鋪線的小場景迅速建立光無線通信傳輸的需求。同時，該儀器也非常適合高校實驗教學，能用于實驗儀器間高速可靠數據交換等場合，具有較好實用價值。