基于可見光通信的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：為了實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，基于可見光通信技術(shù)，設(shè)計了一套全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。首先，對通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，涵蓋系統(tǒng)組成與通信過程；其次，詳細(xì)地設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路，包括光源驅(qū)動電路、光電檢測電路、信號轉(zhuǎn)換電路等；最后，通過系統(tǒng)模擬與實驗驗證來分析通信系統(tǒng)的性能。為電力通信提供了一種創(chuàng)新的通信解決方案，也為以太網(wǎng)通信技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展提供了有益參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：可見光通信全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)

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(shù)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)通信技術(shù)作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性與性能對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量至關(guān)重要。可見光通信作為新興的無線通信技術(shù)，具備無電磁干擾、高頻譜效率等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而，以太網(wǎng)通信中，可見光通信的實際應(yīng)用仍處于初級階段，特別是全雙工通信系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，深入探索并設(shè)計全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)具有積極意義。

1通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成

為了保障通信質(zhì)量，系統(tǒng)設(shè)計注重低噪聲處理與光電信號的高效轉(zhuǎn)換。選用LED燈作為信號載體，使用上、下行鏈路來實現(xiàn)安全和高速的數(shù)據(jù)傳輸。全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)主要包括發(fā)射端和接收端兩部分，其中，發(fā)射端集成光調(diào)制與基帶處理模塊，用于將以太網(wǎng)信號編碼后加載至LED燈光上，從而實現(xiàn)光信號發(fā)射；接收端則配備基帶接收機(jī)與光接收前端，用于捕獲光信號、轉(zhuǎn)換與解碼，并恢復(fù)原始以太網(wǎng)數(shù)據(jù)[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(yīng)不同的應(yīng)用場景需求。圖1為可見光通信系統(tǒng)組成示意圖。

1.2通信過程

系統(tǒng)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(shè)備首先將以太網(wǎng)信號進(jìn)行處理，通過差分轉(zhuǎn)單端和光源驅(qū)動后，由激光器發(fā)射出光信號。該光信號經(jīng)過光信號傳輸?shù)竭_(dá)遠(yuǎn)端設(shè)備，經(jīng)由透鏡聚焦至雪崩光電二極管（AvalanchePhotoDiode，APD），實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分處理，最終提取出以太網(wǎng)信號供家用設(shè)備使用。上行鏈路過程則相反，遠(yuǎn)端家用設(shè)備發(fā)出信號，經(jīng)過以太網(wǎng)提取、差分轉(zhuǎn)單端、光源驅(qū)動、激光器發(fā)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(zhuǎn)換與信號處理流程，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)端到近端的傳輸[2]。該設(shè)計實現(xiàn)了以太網(wǎng)信號在可見光通信系統(tǒng)中的全雙工、高效、穩(wěn)定地傳輸。圖2為以太網(wǎng)通信過程示意圖。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1光源驅(qū)動電路設(shè)計

光源驅(qū)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(shè)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(wěn)定線性區(qū)域工作，并提高交流信號的精確度，精心地設(shè)定了電阻R2和R3的比率。放大電路用于進(jìn)一步增強(qiáng)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(xiàn)信號的發(fā)射。該電路一方面確保了信號的有效轉(zhuǎn)換和發(fā)射，另一方面通過精細(xì)的電路調(diào)控，保障了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.2光電檢測電路設(shè)計

2.2.1開關(guān)電源boost電路

設(shè)計選擇的APD的反向擊穿電壓處于95V左右。為了實現(xiàn)所需的高電壓，設(shè)計了開關(guān)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(dá)到升壓目的。其中，單極升壓電路采用三極管作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的斷開與導(dǎo)通時間來調(diào)節(jié)輸出電壓。多級升壓電路則采用TPS55340開關(guān)電源芯片，以進(jìn)一步提升電壓。此外，電路中還加入了溫度補(bǔ)償模塊，以有效地應(yīng)對APD擊穿電壓隨環(huán)境溫度變化的問題，確保了電路的穩(wěn)定性[3]。

2.2.2高速I-V轉(zhuǎn)換電路

為了更好滿足高速通信需求，高速I-V轉(zhuǎn)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(shè)計了一種帶電壓并聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的I-V轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)從電流至電壓信號的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。電路內(nèi)關(guān)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(bǔ)償電容，有效地消除了自激現(xiàn)象[4]。經(jīng)轉(zhuǎn)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(jìn)一步處理，確保終端網(wǎng)口或設(shè)備可以準(zhǔn)確地識別并判決信號，從而保障通信系統(tǒng)的高速、穩(wěn)定運行。

2.3信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

2.3.1以太網(wǎng)信號提取電路

以太網(wǎng)信號提取電路主要負(fù)責(zé)直接從物理層捕獲以太網(wǎng)信號，省去了復(fù)雜的信號編碼、調(diào)制解調(diào)、解映射等過程[5]。該設(shè)計有助于簡化系統(tǒng)架構(gòu)，并最小化信噪比的損失。該電路采用了集成網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過內(nèi)部處理后，再經(jīng)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(jīng)R-和R+端口進(jìn)入接口，處理并轉(zhuǎn)變成以太網(wǎng)格式，隨后，再從T-和T+端口發(fā)送回以太網(wǎng)接口，從而達(dá)成精確地識別和高效地傳輸信號的目的。

2.3.2差分轉(zhuǎn)單端電路

設(shè)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(dá)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(wǎng)差分信號借助VIN-和VIN+端輸入，處理完成后，從VOUT端以穩(wěn)定單端信號的形式進(jìn)行輸出[6]。此電路設(shè)計保障了差分信號的有效且高效轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的信號處理環(huán)節(jié)提供了穩(wěn)定且可靠的單端信號輸出，進(jìn)而確保了整個信號傳輸鏈路的穩(wěn)定性和性能。

2.3.3單端轉(zhuǎn)差分電路

選用具有快速響應(yīng)特性與高帶寬的差分ADC驅(qū)動器AD8138，其壓擺率達(dá)到1150V/us、-3dB帶寬高達(dá)320MHz，確保了低失真和低諧波的卓越性能表現(xiàn)。光電轉(zhuǎn)換電路輸出的信號經(jīng)VIN端口輸入，完成電路處理后，從VOUT-、VOUT+端口輸出高質(zhì)量的差分信號。該電路設(shè)計確保了信號從單端到差分的有效轉(zhuǎn)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(xiàn)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(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，采用封裝在定制結(jié)構(gòu)中的集成電路板，并運用RJ45網(wǎng)線接口來有效地簡化家庭端的安裝與數(shù)據(jù)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(qiáng)調(diào)節(jié)和對準(zhǔn)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(shè)計，以此顯著地提升了系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值。

3系統(tǒng)模擬與實驗驗證

3.1系統(tǒng)模擬

系統(tǒng)模擬有助于驗證設(shè)計方案的有效性，并為后續(xù)實驗驗證提供指導(dǎo)。具體操作流程分成以下幾個關(guān)鍵階段。首先，構(gòu)建通信系統(tǒng)模型。該模型應(yīng)涵蓋通信環(huán)境、光檢測器、信號處理、網(wǎng)絡(luò)接口、光源等關(guān)鍵組件。光檢測器與光源模型搭建應(yīng)嚴(yán)格遵循其實際物理特性。其次，借助MATLAB等仿真工具完成系統(tǒng)模擬，生成輸入信號，在此基礎(chǔ)上，預(yù)測輸出信號，同時也對噪聲、環(huán)境光等干擾進(jìn)行模擬，以顯著增強(qiáng)仿真的準(zhǔn)確性。最后，詳細(xì)地分析與評估了仿真數(shù)據(jù)，重點分析和觀察信號強(qiáng)度、信噪比、傳輸速率與誤碼率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，并據(jù)此靈活地調(diào)整設(shè)計參數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

3.2實驗方法與設(shè)備

在實驗設(shè)備方面，其主要包括：用來監(jiān)測和分析系統(tǒng)性能的頻譜分析儀、示波器等，用作網(wǎng)絡(luò)接口或處理信號的計算機(jī)或微處理器，用來發(fā)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(zhí)行單元測試，驗證各組件的功能和性能是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。其次，科學(xué)地整合系統(tǒng)，將各部件組裝成一套完整的通信系統(tǒng)。再次，開展系統(tǒng)測試，運用定制的測試信號來檢測通信系統(tǒng)的響應(yīng)。同時，為了有效地衡量該通信系統(tǒng)在多樣化環(huán)境條件下的性能，將在多種通信環(huán)境中實施性能評估，包括但不限于不同的環(huán)境光照與通信距離。通過動態(tài)調(diào)整設(shè)計參數(shù)來持續(xù)優(yōu)化實驗，以確定最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)配置。最后，通過長期的穩(wěn)定性測試來保障通信系統(tǒng)在實際使用中的持久性與可靠性。

3.3實驗及結(jié)果分析

為了全面、客觀地評估通信系統(tǒng)，收集了不同設(shè)計參數(shù)、測試信號與通信環(huán)境下的性能數(shù)據(jù)與輸出信號等。通過分析與處理這些數(shù)據(jù)，計算出一系列關(guān)鍵性能指標(biāo)，以此為系統(tǒng)性能評估提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。然后，進(jìn)一步探討了不同因素對系統(tǒng)性能的影響。例如：環(huán)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(qiáng)度等。基于這些分析結(jié)果，合理、靈活地調(diào)整設(shè)計參數(shù)，以提升系統(tǒng)性能。通過增加光源的強(qiáng)度，有助于大幅地降低誤碼率；在光檢測器前增設(shè)濾波器，起到減少環(huán)境光干擾的作用，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)性能。

4結(jié)語

綜上所述，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計，以及模擬與實驗驗證等內(nèi)容，本文成功地搭建了一個實用且高效的可見光以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定傳輸。未來，將持續(xù)研究與探索更多先進(jìn)的通信技術(shù)，將其與可見光通信技術(shù)進(jìn)行有效的融合，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率與穩(wěn)定性，優(yōu)化以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的性能，更好地滿足更廣泛的應(yīng)用需求，以此推動以太網(wǎng)通信技術(shù)在更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

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