基于可見光通信技術的以太網通信系統設計

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（visible light Communication，VLC）是現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無線通信[1]。因此，該技術不僅具備現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點，所以在室內外通信、軍事等領域中擁有廣闊的發展前景?；诖耍疚耐ㄟ^利用可見光通信技術替代微波通信技術，實現以太網通信系統設計，并對其展開探究。

1 可見光通信系統的設計原理及構成

首先，可見光通信系統又被稱為雙向全雙工系統，該系統由上行鏈路和下行鏈路等兩個部分構成。取其中LED照明設備為下行鏈路的下行數據發射器，通過將信號加載到LED燈上發出可見光，而此時載有信號的可見光就會在室內信道中進行傳輸，最后由用戶端的線性接收端實現可見光接收。上行鏈路具備多種類型，需要根據實際的應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計與下行鏈路設計相同，但上行鏈路發射器并不需要通過照明就能夠實現。其次，可見光通信系統的由3個部分構成：發射端、信號以及接收端，具體見圖1所示。

圖1 可見光通信系統的構成示意圖

其中，發射端和接收端均具備基帶和光等兩個部分。光的發射與接收等前端，實現了對光信號與電信號兩者之間的轉換，而基帶發射端實現了對以太網網絡信號的編碼和調制處理，而接收端則實現了對接收的信號進行解碼、調制等處理工作[2]。

2 以太網通信系統鏈路結構設計

根據可見光通信技術設計的以太網通信系統主要由近端和遠端等兩個模塊構成。其中，近端模塊主要是借助網絡運營商提供的以太網光貓為終端，實現數據的發送與接收工作；而遠端模塊設計主要實現與設備的連接，進程數據的上傳與下載工作。并且，兩個模塊的硬件完全一致，實現了全雙工通信設計，具體見圖2所示。

圖2 基于可見光通信技術的以太網通信鏈路結構圖

受現有LED調制帶寬大小的影響，無法充分滿足以太網的高速通信，由于LED時發散光源，因此在實現全雙工通信時，系統的上、下行鏈路的LED光源在同時點亮時，會發生串擾的現象，無法有效滿足高速、長距離的遠程通信需要。所以，本文選擇利用具備高帶寬的紅色激光器為發射光源，實現以太網信號傳輸。則系統的接收端利用光電二極管為本系統的光電探測器，并通過在探測器前端加裝透鏡，以此提高通信的距離[3]。

3 系統電路設計

3.1 光源驅動電路模塊設計

該驅動電路的設計，通過將通信信號加載到光源之上，以此實現了電信號與光信號兩者之間的轉換。而以太網通信系統的光源驅動電路設計，具體見圖3所示。光源驅動電路的設計，分為放大和偏置等兩部分，從圖3上看，當交流信號輸入口后端是由R1與C1共同構成了濾波電路，以此實現了對信號噪聲的過濾。而R2和R3兩者的比值對輸入的靜態工作點有著直接的影響，從而使得光源穩定工作在線性區間，使得輸出的交流信號無失真現象的發生。而放大部分電路的設計，進一步將信號進行放大，通過將直流信號與交流信號共同加載到光源的兩端，以此實現了信號的發射[4]。

圖3 光源驅動電路設計示意圖

3.2 光源檢測電路模塊設計

該模塊的設計主要是由光電探測器，將接收到的光信號轉換為電信號，并對其信號進行處理。而本系統在設計過程中選擇利用APD作為探測器。首先，從開關電源電路設計方面來看，本文在通信系統設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電子元器件，實現電容放電電壓與電源電壓的疊加，以此使得電壓能夠實現多級放大。而當單極升壓電路的三極管導通時，其電感電壓的公式為：

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

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

以此可以得出經過單級升高之后的電壓大小為：

由于，基于可見光通信技術的以太網通信系統設計需要升壓較高。因此，需要利用多級升壓電路才能夠為系統提供穩定的電壓支持。

其次，高速轉換電路的設計，為APD工作狀態下接收到的光信號轉換成的電流信號，進行處理，以此使得以太網終端的網口或使用的設備能夠對轉換后的電流信號進行識別，并進行電平判決。在轉換電路設計時，還需要具備高增益帶寬積。

3.3 信號轉換電路模塊設計

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

首先，以太網信號提取電路的功能是通過直接的方式，將以太網物理層差分信號通過提取之后，在進行通信。整個過程并不需要經過發送端的編碼映射、調制和接收端的解碼和解調等操作，就能夠實現信號通信，并使得降低信噪比的損失。其次，差分轉單端電路設計，主要利用差分接收器放大芯片來實現，該芯片能夠在高頻率工作狀態下，依然具備極高的共模抑制比。所以符合高速差分信號傳輸的應用[6]。具體差分轉單端電路的公式為：

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

而單端轉差分電路的設計，本文主要選擇利用低失真差分ADC驅動器為此電路的主要核心芯片。其中，該芯片的-3 dB帶寬達到了320 MHz，壓擺率達到了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計

以太網通信系統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模塊連接，因此這會對系統的整體頻率響應和穩定性等方面產生一定程度的影響。所以，需要對系統的整體電路進行集成化處理，簡單來說就是將系統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，還使得系統的穩定性得到了提高。同時，為了便于安裝，本文針對集成之后的電路板，將其封裝在了結構模塊之中。而整體模塊的設計，通過RJ45接口網線和終端等實現了數據交互傳輸+。

3.5 光通信介質轉換模塊設計

該模塊設計主要由主控制機器、網絡控制器以及以太網接口電路等3個部分構成。其中，以太網接口選擇具備網絡隔離變壓器功能的HR911105A來實現以太網接口設計。

3.6 網絡接口電路設計

首先，本文以STM32F芯片為主處理器，實現光通信介質轉換模塊設計。該芯片主要作用于驅動以太網控制器和數據格式轉換，以及實現數據的接收和發送等工作。而以太網網絡接口電路的設計，則是由網絡控制器和主處理器等部分構成。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絡控制器。其內部物理層選擇利用過濾機制實現對傳入的數據包進行限制；其接口設計為標準SPI串行接口，在4根線的作用下，即可以實現和主控芯片的通信。網絡接口電路的設計，在（TPIN+/TPIN-）與（TPOUT+/TPOUT-）等差分腳上需要進行1:1的脈沖變壓器連接。同時，為保障穩壓器的工作穩定性，在VCAP的引腳與地兩者之間，還需要利用1 010 μF的穩壓電容進行連接，為其工作提供保障。

3.7 轉換協議設計

以太網通信系統設計時，主要以MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）[7]多階基帶數字編碼方式為以太網信號編碼的方式。而MLT-3是一種具備正電平、零電平以及負電平的雙極性碼。在可見光通信技術當中，通信信號經過調制之后，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。而光通信介質轉換模塊的設計，實現了以太網通信系統和可見光通信系統兩種傳輸介質之間的電平極性轉換以及不同通信之間的協議轉換。

4 實驗測試結果與性能分析

4.1 以太網通信系統測試

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

其次，為進一步證明該系統的可行性，在實驗測試過程當中，通過嘗試移動接收端模塊，從中發現，在保證入射光依舊照射透鏡范圍之內時，接收端的微小距離移動或轉動較小的角度范圍內，本文系統能夠實現以太網通信。最后，本文又分別對本文系統進行黑暗和正午環境等分別對以太網通信系統的通信進行測試，實驗證明不管是在哪種情況下，該系統均能夠穩定實現100 Mbps的以太網信號傳輸。

4.2 系統性能測試

為驗證以太網通信系統的整體通信性能，本文從鏈路和誤碼率等兩個方面對該系統的性能進行分析。首先從圖4（a）的帶寬測試鏈路方面來看，矢量網絡分析的端口1在近端模塊的輸入端成功加載掃頻信號，而遠端模塊實現了對掃頻信號的接收之后，并將其結果輸入到矢量網絡分析儀的端口2上。然后，通過對系統的頻率響應方面的測試結果來分析，該系統的帶寬能夠達到42 MHz，且能夠有效應用于高速通信場景當中。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，將去閾值設置為3.8×10-3，從測試結果來看，該以太網通信系統能夠實現150 Mbps速率的高速信號傳輸[9]。

圖4 系統的帶寬性能與誤碼率鏈路測試示意圖

5 結語

綜上所述，為解決以太網上下行傳輸問題，本文基于可見光通信技術，提出并設計了一種以太網通信系統。而該通信系統的設計，能夠在不經過調制的狀況下，上下行鏈路均能夠實現以太網信號的傳輸。同時，為進一步證明該通信系統的可行性，通過搭建測試環境對本文設計的以太網通信系統盡心了10 m的100 Mbps遠距離聯網通信測試，最后證明了該系統的可靠性。