高 速 光 无 线 传 输 仪 器 研 制 及 测 试

郑朝阳， 姜 斌， 包建荣， 刘 超， 朱 芳

(杭州电子科技大学 a.通信工程学院;b.信息工程学院，杭州 310018)

0 引 言

随着通信网的快速发展，光已成为信息的理想载体,并广泛用于各类宽带多媒体业务。光纤通信传输可靠，但因其铺设周期较长及高额初期投资使其不是解决“最后一公里”瓶颈的最好选择[1]。而无线光通信技术能有效解决布线困难、成本过高等问题。可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是以光为数据传输载体的无线传输技术[2-3],它具有方向性强、功率稳定集中、灵活安装、低成本等特点。此外，与其他无线通信相比，VLC还有不占用频谱资源、稳定的抗电磁干扰能力、安全难以截获等特点，因而在有强电磁干扰的场所或者具有临时性、移动性、不宜布线等特殊场景，如展览厅、野外工作、马路两侧建筑物间等，拥有广泛应用空间[4-5]。现有的实验室无线传输设备成本高，存在成本高和易受干扰等缺陷。故高速光无线仪器也适用于应用型本科高校的实验教学中实验设备互联等应用[6]。

为了满足实验教学场景中高速光无线传输应用需求，在采用基于三合一智能芯片的光模块基础上，通过优化其消光比算法和内部程序，及与介质转换模块结合，本文研制并实验验证了具有100 Mb/s传输速率能力的高速、低成本、性能稳定的便携式高速光无线传输仪器。

1 系统总体结构

本文研制光无线传输仪器主要由光电介质转换模块和光模块组成。其中，光电介质转换模块完成以太网数据流传输的转换，包括对高速数据的调制与缓存；光模块为光收发一体模块，其主要功能是光电转换，按其功能可分为发射和接收部分[7]。该光无线传输仪器系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

光发射模块由激光器驱动电路、激光器、自动功率控制(Automatic Power Control, APC)回路、温度补偿模块、激光调制器和偏置电路组成，主要将载有信息的电信号输入调制器进行直接调制，再将调制出来的信号用来驱动激光器发光[8-9]。为保证激光器所发光信号消光比稳定，在信号进入驱动电路前还需由温度控制电路对偏置电流和调制电流作温度补偿[10]。同时，激光器中的背光二极管产生的光电流反馈至APC电路中，其主要保证激光器发光功率稳定。最后，载有信息的光信号通过光学天线发送[11]。

光接收模块由雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode, APD)、跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)、限幅放大器(Limit Amplifier, LA)、自动增益控制电路(Automatic Gain Control, AGC)以及APD升压电路等组成。其功能是将探测到的微弱光信号转换成电信号，再由TIA将电信号放大。然后，主放大器LA对信号二次放大，并通过均衡滤波和判决再生部分生成波形整齐的码流。最后，将其送入信号处理电路。同时，AGC保证前置TIA和后置LA的放大增益能稳定在一个正常工作的动态范围内，并由实验测定。

2 介质转换模块设计

2.1 光电介质转换芯片

光电介质转换芯片(Optical & Electronical Media Converter, OEMC)是研制光无线传输仪器的两大核心之一，它影响仪器的整体性能、寿命以及成本。本方案硬件模块主要采用IC PLUS公司的IP175GHR芯片，它集成6个交换控制器口、同步静态随机存取存储器(Synchronous Static Random Access Memory, SSRAM)和5个10/100 Mb/s以太网口，每个接口支持IEEE802.3、IEEE 802.3u、IEEE802.3x规范，芯片采用0.18 μm工艺，128-PQFP(Plastic Quad Flat Package，塑料方块平面封装)封装，具有高抗干扰性和鲁棒性。

IP157GHR工作在存储转发模式，每个接口都能由带电可擦写可编程读写存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM)通过I2C(Inter-Integrated Circuit)总线在指定管脚使用上/下拉电阻配置成自适应100 Mb/s，全双工/半双工模式。同时，IP175GHR支持冗余连接，有效解决信息传输过程中出现修复错误连接耗时过长的问题。它用一个弹性存贮器减小数据延迟，对接收信号还原，并有效地消除抖动。根据上述可配置的稳定性能，IP175GHR可较好地实现数据流的介质转换。

2.2 隔离变压器模块

数据终端数据流进入介质转换模块时，如直接介质转换，信号中含有的直流成分会对激光二极管的工作点造成影响，从而导致整个光无线传输仪器性能改变。因此，本方案选用Maconics公司的隔离变压器模块HS2123，利用其直流限制功能，能使模块双绞线部分与光纤部分充分隔离，达到滤除信号直流成份的效果。同时，整个仪器速率可达100 MHz，属于高频电路，产生的双绞线共模信号电磁干扰成为一个亟待解决的问题。而HS2123能有效减少来自该模块双绞线的共模信号引起的电磁干扰[12]。

2.3 稳压器

该模块采用AMS1117系列的稳压器，其微调电路可将基准电压控制在1.5%的误差范围内，同时调整电流，以尽可能减少电路中电压过载等问题。

3 光模块设计

该光无线传输仪器设计的光模块用主控芯片CS6721管控。发射部分由激光器驱动和激光器组成；接收部分由雪崩二极管、TIA以及CS6721的后置限幅放大电路组成。利用APD升压电路、E2PROM存储器、光纤输出准直镜、光纤耦合器以及各类外围优化电路与元件辅助系统，构成完整的光模块方案。

3.1 CS6721主控芯片

该光模块选用CS6721作为主控芯片，它是一个集后级限幅放大器、激光器驱动和微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)于一体，且能兼容市场多数光网络应用的三合一智能芯片。基于CS6721研制的光模块减少了光模块元器件使用，使研制的仪器成本低、体积小、稳定可靠。

3.1.1 驱动电路

CS6721芯片具有可用于突发或连发模式的激光驱动器，其可通过编程对电路内偏置电流及差分调制电流控制，将差分电路调制成相应电流经过电路转换后再驱动产生相应信号。整个过程均采用交流耦合方式。由于交流耦合所需元件较少，从而降低了整体成本。

芯片内的数字自动功率控制回路，在突发信号输入时，APC能够根据预先设定的偏置电流开启激光器，并随驱动将电信号转化为电信号发出。同时，发射模块将一部分光转变成电压并数模转换变为数值，再与设定光功率对比，把差值输入数字信号控制器并驱动偏置电路改变电流，从而达到功率控制效果。

3.1.2 后级限幅放大器

在APD-TIA转换后的差分信号经过后极限幅放大器过程中，CS7621芯片稳定的放大增益可达50 dB，最小灵敏探测电压为2 mV。同时，芯片内置偏移补偿回路，有效遏制偏移造成的增益饱和。MCU控制数字模拟转换器(Digital to Analog Converter, DAC)预设置信号恶劣值，并与由芯片电路采集电路采集到的功率特性进行比较，再通过后级放大器控制，以接受通道的开关状态。

3.1.3 MCU

光模块MCU控制部分负责实时监控整个光模块的工作状态。它主要是对光功率、模块温度、电压、电流等参数的采集，通过自动调节电路或下位机软件算法，对光模块监控管理。

3.2 APD升压控制与E2PROM存储器

本方案光模块选用MAX15059升压控制芯片，其反馈(Feedback, FB)引脚用于预设反馈电压，当电压高于1.3 V时，FB将基准电压稳定在1.23 V；当电压低于1.2 V时，FB反馈基准电压与其相等。升压电路为APD,能工作在恒定点，以提供倍压增益补偿因温度或工艺水平限制造成的雪崩增益变化。

E2PROM存储器[13]选用AT24C64。上位机通过I2C将温度补偿表、软件程序等放入E2PROM。CS6721芯片能同时操控多个I2C。该存储器则内置8 KB的存储空间，包括数据引脚信息和一对I2C串行时钟。

3.3 消光比补偿算法

为保持光模块消光比的稳定，控制调制电流IMOD的大小非常重要[14]。本方案提出一种适用于交流耦合差分信号的消光比补偿算法。该消光比(Extinction Ratio, EXT)的稳定需要保持发送1的光功率P1和发送0的光功率P0的稳定。设平均光功率为PA，且由APC电路控制。最后，由消光比定义和光功率关系得：

(1)

图2展示了光功率和电流成线性关系的图。其中，Ith为阈值电流，可得:

IMOD=K(IA-I0)

(2)

转换成相应寄存器的值，

MODDAC=K(DCBPA-DCBP0)

(3)

式中：K为对P0和P1的贡献程度。其在全温度范围下的值，由硬件电路的特性决定。故K可由不同硬件单独测出。此外，APC电路可控制DCBPA大小，只需确定DCBP0的值即可。

图2P-I关系曲线图

图3给出了不同温度下的P-I关系曲线图。其中：T1和T2分别为不同梯度温度下的P-I关系曲线，且能交与N点。则在理想情况下，所有温度下P-I曲线都可交于N点。按照图中比例关系，将坐标值全部取绝对值，可得：

(4)

由式(4)可推导出：

(5)

将式(4)和(5)转换成寄存器值，可得DCBP0和MODDAC。设M=1-Z，则DCBP0值如下：

DCBP0=DCBPA-M(DCBPA-DCBPN)

(6)

由此，可得调制电流寄存器的值：

MODDAC=KM(DCBPA+DCBPN)

(7)

图3 不同温度下的P-I关系曲线图

4 光模块的下位软件设计

光模块CS6721芯片中MCU内部可编程Boot ROM(无盘启动ROM接口)和静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)，且还有看门狗定时器(WatchDog Timer, WDT)、温度传感器、I2C通道等。可用汇编和C语言编辑下位机软件应用。当系统通电开启后，MCU执行Boot ROM应用程序[15]。

4.1 复位I2CM和E2PROM

为保证时钟和数据信号同步，使主芯片和E2PROM通信稳定，设置复位程序。如图4所示，程序首先设置时钟频率，再发送start信号并产生检验同步字符串，当信号同步时重复上述流程，否则启动复位主模块I2C master，返回初始化。

在检测I2C master忙碌解除后判断寄存器异常情况。如出现异常，则停止I2C通信，且复位系统。关闭WDT和时钟计数器，清除标志位并清零寄存器，随后初始化启动寄存器。

4.2 Load应用程序

Load应用程序首先要获取其首地址和长度，CS6721通过I2C读取其信息并设置时钟速率，读取到收地址2 Byte和程序size的1 Byte时，才加载应用程序，并设置循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)检测程序，以时刻保持I2C信息正确性。其具体流程如图5所示。

图4 复位I2C和E2PROM流程图

图5 load应用程序流程图

MUC控制着主机模块I2C master通过程序命令，从机模块I2C slave调用E2PROM中的应用程序。该流程能保证程序加载的流畅与正确性。

4.3 温度补偿算法及流程

光模块温度补偿影响着整个模块的性能指标。在实践中，通常用温度补偿查表法完成。温度表首地址前2 Byte存放在最高温度下的数模转换电压。然后，存入每个温度相比较前一个温度的差值。以下以APD电压补偿来说明，其流程如图6所示。

该流程首先判断APD是否需温度补偿。若需要，则读取温度补偿表的首地址，获得APD初始值。然后，再判断是否需补偿递增或者递减，以获取偏移量offset的值后，将当前温度补偿值存入寄存器，完成温度补偿。

图6 APD温度补偿程序流程图

5 光无线传输仪器样机测试及效果

根据上述设计方案研制光无线传输仪器样机，其同时具有发送与接收数据功能。为了验证其高速传输功能，通过个人计算机(PC)端局域网速度测试软件LAN Speed Test，对其运行测试。仪器配有状态指示灯，可观测电源状态，局域网连接状态及传输状态，并根据指示灯判断传输可能出现的问题并找到解决方案。

首先，设置两台便携式PC的网际协议(Internet Protocol, IP)地址。其中，一台设为Server(服务器)。再通过电接口分别连接仪器，调整光学天线对准探测口直至连接指示灯亮，且服务器窗口显示已连接。设定用户端PC数据包大小及数量后，即可开始，随后可在控制面板观察数据包上传服务器以及下载实时速率，包括最高速率、最低速率和平均速率。同时，本实验均按照平均速率记录。最终，实测参数可自动由软件生成具体的实验传输速率测试报告。

图7为本方案设计的高速光无线仪器的样机演示图。图8、9分别是LAN Speed Test测试软件系统服务器端和用户端显示界面。

图7 样机测试效果演示图

图10为其在10 m距离下的传输数据报告。实验结果显示：仪器在10 m距离仍然能够保持95 Mb/s左右的上传和下载速率。经实验测试，该光无线传输仪器在10 m以内都具有良好传输速率，适合在一些特殊场合或场地建立快捷传输系统。同时，该仪器同时体积小巧、方便携带、低成本等优势，可支持其在各高校实验室参与无线光通信实验教学仪器应用。表1为该光无线传输仪器各距离实测结果。

图8 服务器端界面

图9 用户端界面

图10 10 m传输距离下测量仪器所得实验结果

表1 高速光无线仪器的实验结果表 Mb/s

6 结 语

本文探讨了高速光无线传输仪器的研制与测试。它采用IP175GHR芯片介质转换模块、CS6721主控芯片及收发一体光模块等实现。其中，CS6721芯片集后级限幅放大器、驱动电路和MCU于一体，减少了光模块元器件，使研制的仪器成本低、体积小、稳定可靠。经测试，该光无线传输仪器拥有稳定高速传输速率，即架即用，满足在紧急情况或不宜铺线的小场景迅速建立光无线通信传输的需求。同时，该仪器也非常适合高校实验教学，能用于实验仪器间高速可靠数据交换等场合，具有较好实用价值。