基于以太网语音和IP 数据无线光通信链路设计

梁路阳，蒙 文，李云霞，韩晓飞

(1.空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 610077;2.中国人民解放军93514 部队，河北 遵化 064200)

现代战争要求通信速率高、信息传输能力强、组网灵活、易于安装和维护、通信可靠性优良、安全性好等特点。激光通信技术的出现，有效地弥补了有线通信网络不灵活，无线电通信的安全性能较差，容易受干扰的缺点［1］。大气激光通信以光信号作为载波并以大气作为传输介质，能够完成点到点或点到多点的信息传输，在IP 数据网、电话网的入网应急设备中可大规模普及应用。随着高速大容量信息传输需求的不断扩展以及通信相关技术的进步，大气激光通信技术已成为未来通信技术发展应用的重要领域［1］。

利用激光代替光纤实现计算机之间信息实时高速传递，主要进行了3 方面工作:(1)搭建激光通信平台，建立激光链路。(2)将以太网传输的电信号和大气中传输的光信号进行相互转换，主要实现了两台计算机通过激光进行视频通话。(3)设计了传输速率测试软件，实时监控传输速率。

1 方案论证与设计

1.1 方案论证

设计了针对网络信号的大气激光通信的链路系统。该系统采用光电介质转换芯片将网络中传输的电信号转换为光信号以便于在大气中传输，即将原始电信号调制到激光上，通过大气传输实现大气激光通信。通过速率测试软件能对网络速率进行实时监测。在网络通信中，网络信号传输过程中，传输速率是不固定的，因此有必要设计自适应速率匹配。使用光电转化芯片可完成网络中的电信号与光信号的转换，并具有10/100 Mbit·s－1速率自适应机制。在光电调制方面，一般情况下由于网络速率基本在100 Mbit·s－1以下，因此可采用光强度调制，这完全能够满足设计要求。另外要考虑的是，在光传输与接收方面大气中对光性质的影响。在大气中，雾霾、液滴、烟尘等是影响激光传输的主要因素［2］。考虑一般情况，大气对激光的损耗约为3 ～10 dB/km，设计所采用的激光发射与接收设备为1×9 光收发一体模块，其发射功率范围在1 ～1.7 mW，接收光信号灵敏度为－31.0 dBm，完全满足设计要求。

在软件设计中，采用C#中的PerformanceCounter控件能够对网络数据进行实时监控，因此能够满足设计要求。对于网速测量，通过普通软件(如FeiQ、NetMeeting等)传递大文件的方法来测试网络速度受硬盘读写速度限制。因此，在网速测试中，采用生成随机数的方式放入内存中，通过重复发送随机数来达到最大网速测试的目的。

1.2 总体设计方案

设计大气激光通信系统的主要目的是实现两台计算机的无线互联和高速传输。系统的组成部分为信源、信道和信宿，其中信源和信宿包括相互通信的计算机、光发射设备、光接收设备及其外部设备如声音、视频等输入设备;光发射设备包括信号接口电路、电光调制电路、半导体激光器、光发射装置以及对准装置;光接收设备包括光接收装置、光电探测器、光电解调电路以及与发射设备同样的对准装置［3］。图1 和图2 为基于以太网的空间光通信系统的基本框图。

图1 光发射端系统结构

图2 光接收端系统结构

光发射设备的主要功能是将电脉冲信号变成合适的光脉冲信号以便在大气中传输，激光二极管(LD)是关键器件。LD 把电信号转换为光信号的调制方式用两种:直接调制和外调制。在大多数情况下，为降低系统的成本及设计复杂度，在低速率情况下通常采用直接调制方式，即注入调制电流直接实现光的强度调制。

从数据终端设备PC 机上连接的网线接入RJ45 接口的TP 模块。其中RJ45 接口和网卡之间的是非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pairs，UTPs)，其内部由两对互相交叉的双绞线来传输信号。在100 Mbit·s－1的以太网传输中，双绞线的信号电平是三电平重叠调制变换(Modulated Lapped Transform－3，MLT3)码，这是一种三电平多极性码，其信号的编码形式是4B5B 码。为将从网络适配器接收的多电平信号转换成适合光电转换设备处理的单极性电平信号，并隔离彼此之间的电磁干扰和直流分量，必须用隔离变压器进行耦合。反之，将光电转换设备产生的单极性电平信号转换成网络适配器能处理的多电平信号，也是同样情况。当RJ45 接口接收来自双绞线的10/100 M 数据时，在隔离变压器滤波之后将数据输送到光电介质转换芯片，经过译码和电平转换后，形成光信号并传输至光收发一体化模块，通过自聚焦透镜形成激光束发射出去［4］。当接收端光收发一体化模块接收到光信号时，光电介质转换芯片将光信号转换成电信号，并将生成的电信号进行数据译码和电平转换，将电信号传输到RJ45 接口，并传回目的计算机。

通信系统中设置有光发射和光接收装置，且每台计算机均可向对方发射经过调制的光信号，同时也能接收来自对方的光信号，如此实现全双工通信［5］。从计算机A 向计算机B 发送以太网数据的流程如下:

(1)计算机A 通过网络适配器，将要需要的原始数据传输到信号接口处理电路中，对信号进行滤波，且耦合到以太网介质转换电路中。

(2)信号经以太网介质转换电路进行适当的时钟恢复、解扰等处理，并将在以太网中传输的MLT－3 电平转换成适合在大气传输的单极性NRZ 电平，再传输到光发射设备电路。

(3)光发射设备电路的功能是向光源提供驱动电流，同时将电信号调制到光波上，实现信号的电/光转换。

信号调制成光信号的形式，在空气中传播。计算机B 系统的光接收装置就可以接收来自计算机A 的光信号，经过处理还原出原来的信息。计算机B 接收来自计算机A 的数据，流程如下:

(1)光收发模块接收来自计算机A 的光信号，将光信号进行光电解调，转换成为电信号。

(2)变换后的电信号在光接收设备电路和以太网介质转换设备电路中进行信号放大、时钟提取以及数据判决等处理恢复，恢复后的数据传输至计算机B。

通过收发过程，完成数据的传输。同理，从计算机B 向计算机A 发送数据的过程也如此。

2 原理分析与硬件设计

2.1 原理分析

在自由空间光通信中，信息要通过大气信道进行传播，以光波作为载波，把所要发送的信息加载到光波上进行传播。在大气环境下背景光的干扰较大，系统需要的光源功率需要匹配调制速率。针对移动应用平台间实时语音通信的需求，以语音信号为特例，给出直接调制原理框图。语音信号经过直接调制的方法调制成可以在大气上传输的光信号，调制变换如图3 所示。

图3 语音信号调制变换

移动应用平台间需要大量传输IP 数据包。IP 数据包是网络传输的信封，其说明了数据发送的源地址和目的地址，以及数据内容和其传输状态。一个完整的IP 数据包由首部和数据两部分组成。首部前20 Byte属于固定长度，存在于所有IP 数据包;后面是可选字段，其长度可变，首部后是数据包携带的数据，IP 数据格式如图4 所示［6］。

图4 数据包格式

对于光电转换芯片，设计采用ICPLUS 公司开发的IP113ALF 芯片。IP113A LF 芯片是48 脚LQFP 封装，该芯片广泛应用于快速以太网光纤收发器设计，是一种技术成熟的高集成度产品，可实现10/100BASETX 与100BASE－FX 之间的转换

光收发一体模块中使用激光驱动芯片MAX3738，MAX3738 采用自动功率控制(APC)工作模式，当MAX3738 正常工作时，数据从IN－端和IN+端输入，经输入缓冲电路和数据通道处理后，控制差分对调制器输出以实现调制，调制后的信号从OUT－端和OUT+端输出，去驱动外接激光管;当输出功率变化时，反馈信号从MD 端输入，消光比控制电路通过调节调制电流和偏置电流变化，来自动维持平均输出功率和光幅度功率的稳定。

对光载无线信号的解调也有两种方法:强度调制直接检测(IM/DD)和相干检测。强度调制直接检测就是对强度调制的光载无线信号直接进行包络检测，即强度调制信号直接通过光电探测器即可恢复出原信号。

2.2 硬件设计

以太网收发电路由RJ 接口、耦合变压器、以太网收发器以及收发器与调制驱动电路接收解调电路之间的接口组成，其中以太网收发芯片是核心单元。芯片内部结构框图和系统框图如图5 所示，以太网光收发芯片系统框图如图6 所示［7－8］。

图5 以太网收发芯片内部结构

图6 以太网收发芯片系统

3 软件设计与流程

根据以上方案，软件设计部分主要实现网速实时测量，以及最大通信速率测量。网速测量操作流程如图7 所示，最大通信速率测量如图8 所示。

图7 网速监视流程

图8 最大通信速率测试流程

在网络速率监视中，由客户端直接生成随机数，向指定端口持续发送数据，在显示界面记录实时传输速率。由于内存的读取速率远高于网络速率，从而保证网络最大传输速率测量的准确性。

4 系统测试与分析

测试软件:Netmeeting，进行实时视频传输;基于.NET 的网速测试软件，分为客户端与服务器。测试过程:计算机以太网口与光电转换设备用网线连接，由于发射的是不可见光，先使用红光光源在光学对准设备上从发送端瞄准接收端，对准无误后红光光源换回原信号光源;使用同样方法反向接入链路，确保链路通畅。测试结果如图9 ～图12 所示。

图9 计算机间视频通信

图10 光路遮挡后通信中断

图11 最大网速测量结果(服务器端)

图12 最大网速测量结果(客户端)

从测试结果可看出，当光链路建立成功，两台计算机可通过激光进行无线视频，传输正常;当光路被遮挡，传输终端，两台计算机所显示的内容就无法同步，传输中断;当光链路重新建立，两台计算机又可重新建立连接。传输由于网卡和芯片的限制，100 Mbit·s－1带宽的极限速度是12.5 MB·s－1，设计链路达到的最高速度已接近网卡极限。由于在服务器端设置有缓存区，所以在发送数据时，部分数据留在缓存区中未被发送，导致服务器端的速率略低于客户端。

5 结束语

提出了一种基于以太网和无线激光传输的通信链路系统，解决了较短距离移动平台间的无线激光通信。研究结果表明，该设计能够双向、实时、大容量高速传输音频视频等数据。研究的局限性在于通信距离较短以及光学对准问题，进一步的研究方向为较长距离下通过激光直接通信方案的实现。

［1］ 徐坤，李建强.面向宽带无线接入的光载无线系统［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［2］ 苗林.大气激光通信接收系统的设计与实现［D］.武汉:华中科技大学，2004.

［3］ 骆宏图.基于以太网的LED 可见光通信技术研究［D］.广州:暨南大学，2012.

［4］ Zhu X，Kahn J.Free－space optical communication through atmospheric turbulence channels［J］.IEEE Transactions on Communication，2002，50(8):1293－1300.

［5］ 王佳，季伟，俞信.用于两台计算机互联的激光大气通信技术研究［J］.北京理工大学学报，2003，23(4):529－532.

［6］ 李志成.IP 数据光网络中的视频通信失真建模与研究［D］.北京:北京邮电大学，2009.

［7］ Gappmair W，Hranilovic S，Leitgeb E.Performance of PPM on terrestrial FSO links with turbulence and pointing errors［J］.IEEE Communication Letter，2010，14(5):468－470.

［8］ 刘静，李桥梁，吴洪涛.光纤收发器的设计［J］.电子机械工程，2002，18(5):28－31.