基于可見光通信技術的以太網通信系統設計

黃文早

(武漢虹信技術服務有限責任公司 湖北 武漢 430070)

0 引言

通信的發展與人類生活密切相關,通信技術的飛速發展加快資源的共享,通信技術在人類社會生產生活各領域發揮著重要的作用。隨著移動通信技術的快速發展,單純依靠傳統無線通信手段不能滿足用戶對數據的需求,人們對通信技術提出更高的要求。光電通信是人類通信技術的重要手段,被認為是通信發展史上的革命性進步,無線光通信分為大氣空間與水下無線光通信,大氣無線光通信包括室內與室外無線光通信,室內無線光通信分為紅外紫外光與可見光通信,可見光通信是兼具照明與通信功能的新型通信技術,是以400～700 nm波長范圍可見光為媒介實現無線通信,無線可見光通信具有不占用電磁頻段等優點,在短距離傳輸場合具有很大的應用空間,在室內外通信等領域具有廣闊發展前景,結合廣泛采用的以太網技術可以為用戶帶來安全的上網體驗。

1 可見光通信技術原理

光通信是以光波為載波的通信技術,電磁波是由同相振蕩且相互垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的振蕩粒子波,電磁波特性主要由波長和頻率屬性決定,按照頻率分為無線電波、微波與紅外波段等。可見光通信是利用半導體發光二極管高速響應特性實現照明與通信功能的通信技術,分為室內可見光通信和室外可見光通信,室內可見光通信作為全新的無線寬帶高速數據接入方式,引起人們的廣泛關注[1]。發光二極管器件(light emitting diode, LED)可以將電能轉換為光能,白光LED具有驅動電壓低、使用壽命長等優點,LED照明技術的發展為可見光通信技術發展提供了廣闊的空間。可見光通信技術具有發射功率高、綠色安全與保密性好等優點。

電磁波理論認為波長λ介于10-8～10-3m的電磁波為光波,波長分為紫外光、紅外光與可見光頻段,現有光通信主要是可見光與紅外光頻段,考慮安全性問題避免使用紫外光。通信技術分為模擬與數字技術,模擬技術是對載波信號振幅等進行調制的方式,數字技術利用數模轉換原理實現連續傳輸,信號發射端擁有信號提取電路、時鐘信號電路等,信號接收端包括信號接收電路與判斷電路等[2]。光電通信在許多場合是混合組網共同發展的。模擬數字信號模式可通過光通信傳輸,光通信的頻帶寬、傳輸容量大,不占用電磁頻譜資源,具有良好的發展前景。無線空間光通信光源主要包括LED與激光,LED光源是隨著LED技術發展引入的新型光源,自由空間光通信(free space optical communication, FSO)技術發展經歷了高峰、低谷與復蘇期階段。隨著LED光源廣泛普及使用,自由空間光通信技術融入LED照明,賦予其新的擴展空間。

2 以太網可見光通信系統

可見光通信技術如何擴大適用范圍是影響其未來發展的關鍵,相應通信技術是局域網技術。局域網(local area networks, LAN)是區域內多臺通信設備互聯組成的小型網絡,包括以太網、令牌環網與光纖分布式數據接口(fiber distributed data interface, FDDI),以太網是廣泛應用的技術[3]。目前以太網覆蓋商業、家庭等應用場合,但存在必須依賴實體線纜的限制。電氣和電子工程師協會(institute of electrical and electronics engineer, IEEE)推出的802.11協議組建立了全新的無線局域網標準并獲得巨大成功,802.11標準利用不需申請授權的2.4 GHz的因特網服務管理器(internet server manager, ISM)判斷傳輸無線信號,經過多次修改日趨完善。

光學系統是以太網自由空間光通信系統結構的關鍵部分,不成熟的光學系統設計導致通信質量變差。現有自由空間光通信系統大多圍繞光學系統輸入展開研究。針對在LED光源外部安裝燈罩會使很多光散射到周圍區域,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分離成兩部分,在通信兩端設計光電協議轉換電路增加成本[4]。研究系統在光源增加拋物面反射天線匯聚直LED陣列發出的可見光以實現全雙工的要求。個人電腦(personal computer,PC)的以太網RJ-45接口通過雙絞線與光電協議器相連,上行數據調制LED陣列后通過對應拋物面天線發射,通過光接收器將數據傳給光電轉換器處理。天線是將實體傳輸傳播導波轉換為自由波的結構,大多數天線為互易器件,天線具有明顯的反向特性,按照其頻率函數性能分為諧振、口徑與寬帶天線。使用反射器由于具有開放口,輻射方向被準直為接近直線的路徑從而避開遮擋物。

3 可見光雙工通信系統

可見光通信(visible light communications, VLC)是利用照明LED快速開關的特性,使白光LED在照明的同時進行數據傳輸的無線光通信,可見光通信具有人體安全性好、無電磁干擾等優點,通過與電力線載波通信結合組建成室內可見光通信網絡,可作為室內定位系統基站[5]。室內可見光無線通信由上下行通信鏈路組成,為室內提供照明的同時進行下行信息發送。上行鏈路是制約室內可見光通信發展的瓶頸,目前射頻主要以WiFi為典型解決方案。逆向調制通信(modulating retro-reflector, MRR)對入射光束調制,數據發送端無須主動光源即可完成通信過程。

可見光雙工通信系統是利用光學逆向調制技術實現可見光單光源全雙工通信的新型方案,室內可見光單光源雙工通信系統由主動端和逆向端兩部分組成,逆向端向主動端回復通信鏈路為上行鏈路,主動端固定于室內天花板,逆向端位于各類信息終端。主動端提供系統調制光源,用逆向調制器對下行光信號二次調制[6]。主動端對二次調制光信號處理,實現單向光源的全雙工通信。單光源雙工通信中涉及兩次調制,在逆向端利用逆向調制器對接收到下行光信號進行二次調制,光學器件參數一定,反射平面離焦量大,接收端光電探測器輸出功率小。可見光雙工通信系統中主動端提供光源,上行鏈路調制信號由逆向調制端以反射光束形式發出。下行鏈路信號容易對上行鏈路造成干擾,上下行鏈路應選擇不同的調制方式,便于主動端從接收到的信號中分離出上行鏈路信號。下行鏈路調制光信號需要采用光強度恒定的調制方式,設計離焦型貓眼逆向調制器,壓電陶瓷片對不同頻率驅動信號響應封堵不同,相移鍵控(phase shift keying, PSK)等相位調制方式難以實現,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為上下鏈路調制格式,下行鏈路選用正交相移鍵控(differential quadrature phase shift keying, DQPSK)調制方式。

DQPSK是基于QPSK發展的調制技術,對QPSK調制基帶數據相對編碼,解調端通過恢復信號進行解差分處理,利用相對碼傳輸方式解決QPSK通信相位模糊問題[7]。調制部分包括碼元變換與星座映射部分,對編碼后序列進行串并轉換,星座映射模塊根據Q路和Q路數據映射相應相位φ將Q、I數據與正交載波cos(Wct)和sin(Wct)相乘將信號調制數據相加得到調制信號。DQPSK解調采用相干解調法,正交和同相支路信號包括高低頻分量。對信號進行低通濾波后得到僅包含基帶波形的低頻分量,恢復正交支路與同相支路數據。DQPSK調制是用載波不同相位代表數字信息組合,輸入基帶信號進行分組,按照組合狀態下不同映射到相位載波上的波形,載波相位攜帶2個比特信息。系統上行鏈路采用4FSK調制格式,編碼后數字基帶信號轉換為不同頻率載波信號。

4 基于可見光通信的以太網系統設計

可見光通信系統由上下行鏈路部分組成,通過將信號加載到LED燈上發出可見光,用戶端線性接收端實現可見光接收[8]。需要根據實際應用場景選擇不同類型鏈路,上行鏈路分為可見光與射頻WiFi鏈路等,上行鏈路發射器不需要通過照明即可實現。發射端和接收端具備基帶和光部分,實現對光電信號的轉換,接收端實現對接收信號解碼等處理工作。圖1為可見光通信系統的構成示意圖。根據可見光通信技術設計以太網通信系統由遠近端模塊構成,近端模塊借助以太網光貓為終端,遠端模塊設計實現與設備的連接,實現雙工通信設計。

LED無法充分滿足以太網高速通信,實現雙工通信時系統上下鏈路LED光源在同時發生電量串擾現象,研究利用紅色激光器為發射光源,系統接收端利用光電二極管作為光電探測器。光驅動電路設計通過通信信號加載到光源上,以太網通信系統光源驅動電路設計分為放大和偏置兩部分,濾波電路實現對信號噪聲過濾,R2和R3布置影響靜態工作點使得輸出交流電信號無失真現象。放大部分電路設計將直流與交流信號加載到光源兩端。圖2為基于可見光通信技術的以太網通信鏈路結構圖。光源檢測模塊設計主要是光電探測器,系統在設計中選擇利用雪崩光電二極管(avalanche photo diode, APD)為探測器,通信系統設計中采用光源探測器反向擊穿電壓接近95 V,實現電容放電電壓與電源電壓的疊加,單極升壓電路三極管導通時電感電壓公式為Vin=L·diL/Ton,斷開時電感電壓為Vout-Vin=L·diL/Toff,開關導通及斷開時流過的電感電流相等。

圖2 基于可見光通信技術的以太網通信鏈路結構圖

單級升高后電壓為Vout=Vin/1-D,需要利用多級升壓電路為系統提供穩定的電壓支持。高速轉換電路設計使得以太網終端網口對轉換后的電流信號識別。網口輸出以太網信號需要借助電路提取滿足系統需求。可見光通信系統需要單端信號傳輸,檢測電路模塊設計后需要考慮差分信號模塊。以太網信號提取功能將以太網物理層差分信號提取,不需經過發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下具備較高的抑制比。差分轉單端電路公式為Vout=(Vin+-Vin)×(1+R3/R4),以太網通過Vin+進入電路。單端轉差分電路設計利用低失真差分模擬數字轉換器(analog-to-digital converter, ADC)作為主要核心芯片,壓擺率達到1150 V/us。以太網通信系統包含多種電路模塊,對系統整體頻率響應等方面產生影響,將系統模塊集成在印制電路板(printed circuit board, PCB)上降低模塊占用面積,針對集成后電路板封裝在結構模塊中,通過RJ45接口網線等實現數據交互傳輸。圖3為光源驅動電路設計圖。

圖3 光源驅動電路設計圖

光通信介質轉換模塊設計由網絡控制器等部分構成,以太網接口選擇HR911105A實現以太網接口設計。以STM32F芯片為主處理器,驅動以太網控制器和數據格式轉換。以太網接口電路設計由主處理器等部分構成,ENC28J60芯片支持雙工通信網絡控制器,接口設計為標準SPI串行接口。網絡接口電路設計需要進行1∶1脈沖變壓器連接,在虛信道分配問題(virtual channel assignment problem, VCAP)上引腳與地腳間需要利用1010 μF的穩壓電容連接。以太網通信系統設計以MLT-3多階基帶數字編碼方式為以太網編碼方式,通信信號調制后得到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,實現以太網通信系統和可見光通信系統傳輸介質間的電平極性轉換。

5 可見光通信的以太網系統實驗測試

基于可見光通信技術的以太網通信系統進行測試分析,需要搭建可用于測試的平臺,系統通信線路設計上下線路通過集成模塊實現以太網信號傳輸,設計加入反射鏡提高以太網通信距離,通過利用網線直連的方式與100 Mbps進行以太網接口連接,利用可見光通信技術的以太網通信系統進行上網連接,通過對網線直連模式與聯網模式下設備速度測試結果對比,證明系統可實現100 Mbps以太網傳輸。從鏈路和誤碼率方面分析系統性能,矢量網絡分析端口1在近端模塊輸入端成功加載掃頻信號,將其結果輸入到矢量網絡分析儀的端口上,系統帶寬可達到42 MHz。通過誤碼率分析,以太網通信系統可實現150 Mbps速率的高速信號傳輸。

6 結語

綜上所述,當前各種智能手機應用層出不窮,社交網絡服務發展改變人們的交流方式。國家提出“互聯網+”行動理念使信息技術與現代制造業等融合創新,讓移動數據業務量迅速增長,4G移動通信網絡難以滿足移動通信發展需求,依靠提高系統頻譜利用效率提高容量難以滿足快速增長的應用需求,開發利用新型頻譜資源是無線通信發展的必然趨勢。無線可見光通信技術是以LED發出光為載波進行數據傳輸的無線通信技術,半導體光照通信系統實現方式由網絡接入控制器與接收機組成,將LED驅動電信號轉換為光信號,接收機將光信號轉換為電信號發送給用戶。本文設計以太網通信系統,可在不經調制上下行鏈路下實現以太網信號傳輸,通過搭建測試環境對設計的以太網通信系統進行遠距離聯網通信測試,證明其可靠性。