基于可见光通信技术的以太网通信系统设计

黄文早

(武汉虹信技术服务有限责任公司 湖北 武汉 430070)

0 引言

通信的发展与人类生活密切相关,通信技术的飞速发展加快资源的共享,通信技术在人类社会生产生活各领域发挥着重要的作用。随着移动通信技术的快速发展,单纯依靠传统无线通信手段不能满足用户对数据的需求,人们对通信技术提出更高的要求。光电通信是人类通信技术的重要手段,被认为是通信发展史上的革命性进步,无线光通信分为大气空间与水下无线光通信,大气无线光通信包括室内与室外无线光通信,室内无线光通信分为红外紫外光与可见光通信,可见光通信是兼具照明与通信功能的新型通信技术,是以400～700 nm波长范围可见光为媒介实现无线通信,无线可见光通信具有不占用电磁频段等优点,在短距离传输场合具有很大的应用空间,在室内外通信等领域具有广阔发展前景,结合广泛采用的以太网技术可以为用户带来安全的上网体验。

1 可见光通信技术原理

光通信是以光波为载波的通信技术,电磁波是由同相振荡且相互垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波,电磁波特性主要由波长和频率属性决定,按照频率分为无线电波、微波与红外波段等。可见光通信是利用半导体发光二极管高速响应特性实现照明与通信功能的通信技术,分为室内可见光通信和室外可见光通信,室内可见光通信作为全新的无线宽带高速数据接入方式,引起人们的广泛关注[1]。发光二极管器件(light emitting diode, LED)可以将电能转换为光能,白光LED具有驱动电压低、使用寿命长等优点,LED照明技术的发展为可见光通信技术发展提供了广阔的空间。可见光通信技术具有发射功率高、绿色安全与保密性好等优点。

电磁波理论认为波长λ介于10-8～10-3m的电磁波为光波,波长分为紫外光、红外光与可见光频段,现有光通信主要是可见光与红外光频段,考虑安全性问题避免使用紫外光。通信技术分为模拟与数字技术,模拟技术是对载波信号振幅等进行调制的方式,数字技术利用数模转换原理实现连续传输,信号发射端拥有信号提取电路、时钟信号电路等,信号接收端包括信号接收电路与判断电路等[2]。光电通信在许多场合是混合组网共同发展的。模拟数字信号模式可通过光通信传输,光通信的频带宽、传输容量大,不占用电磁频谱资源,具有良好的发展前景。无线空间光通信光源主要包括LED与激光,LED光源是随着LED技术发展引入的新型光源,自由空间光通信(free space optical communication, FSO)技术发展经历了高峰、低谷与复苏期阶段。随着LED光源广泛普及使用,自由空间光通信技术融入LED照明,赋予其新的扩展空间。

2 以太网可见光通信系统

可见光通信技术如何扩大适用范围是影响其未来发展的关键,相应通信技术是局域网技术。局域网(local area networks, LAN)是区域内多台通信设备互联组成的小型网络,包括以太网、令牌环网与光纤分布式数据接口(fiber distributed data interface, FDDI),以太网是广泛应用的技术[3]。目前以太网覆盖商业、家庭等应用场合,但存在必须依赖实体线缆的限制。电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineer, IEEE)推出的802.11协议组建立了全新的无线局域网标准并获得巨大成功,802.11标准利用不需申请授权的2.4 GHz的因特网服务管理器(internet server manager, ISM)判断传输无线信号,经过多次修改日趋完善。

光学系统是以太网自由空间光通信系统结构的关键部分,不成熟的光学系统设计导致通信质量变差。现有自由空间光通信系统大多围绕光学系统输入展开研究。针对在LED光源外部安装灯罩会使很多光散射到周围区域,未充分利用光的能量,要求单向通信保证接收端受到光源辐射即可保证通信正常,要求双工通信上行通道泄露光干扰下行通道光的传播,上下行通道分隔使系统分离成两部分,在通信两端设计光电协议转换电路增加成本[4]。研究系统在光源增加抛物面反射天线汇聚直LED阵列发出的可见光以实现全双工的要求。个人电脑(personal computer,PC)的以太网RJ-45接口通过双绞线与光电协议器相连,上行数据调制LED阵列后通过对应抛物面天线发射,通过光接收器将数据传给光电转换器处理。天线是将实体传输传播导波转换为自由波的结构,大多数天线为互易器件,天线具有明显的反向特性,按照其频率函数性能分为谐振、口径与宽带天线。使用反射器由于具有开放口,辐射方向被准直为接近直线的路径从而避开遮挡物。

3 可见光双工通信系统

可见光通信(visible light communications, VLC)是利用照明LED快速开关的特性,使白光LED在照明的同时进行数据传输的无线光通信,可见光通信具有人体安全性好、无电磁干扰等优点,通过与电力线载波通信结合组建成室内可见光通信网络,可作为室内定位系统基站[5]。室内可见光无线通信由上下行通信链路组成,为室内提供照明的同时进行下行信息发送。上行链路是制约室内可见光通信发展的瓶颈,目前射频主要以WiFi为典型解决方案。逆向调制通信(modulating retro-reflector, MRR)对入射光束调制,数据发送端无须主动光源即可完成通信过程。

可见光双工通信系统是利用光学逆向调制技术实现可见光单光源全双工通信的新型方案,室内可见光单光源双工通信系统由主动端和逆向端两部分组成,逆向端向主动端回复通信链路为上行链路,主动端固定于室内天花板,逆向端位于各类信息终端。主动端提供系统调制光源,用逆向调制器对下行光信号二次调制[6]。主动端对二次调制光信号处理,实现单向光源的全双工通信。单光源双工通信中涉及两次调制,在逆向端利用逆向调制器对接收到下行光信号进行二次调制,光学器件参数一定,反射平面离焦量大,接收端光电探测器输出功率小。可见光双工通信系统中主动端提供光源,上行链路调制信号由逆向调制端以反射光束形式发出。下行链路信号容易对上行链路造成干扰,上下行链路应选择不同的调制方式,便于主动端从接收到的信号中分离出上行链路信号。下行链路调制光信号需要采用光强度恒定的调制方式,设计离焦型猫眼逆向调制器,压电陶瓷片对不同频率驱动信号响应封堵不同,相移键控(phase shift keying, PSK)等相位调制方式难以实现,频移键控(frequency-shift keying, FSK)受信道幅度非线性影响小,为提高上下链路抗干扰能力选择4FSK为上下链路调制格式,下行链路选用正交相移键控(differential quadrature phase shift keying, DQPSK)调制方式。

DQPSK是基于QPSK发展的调制技术,对QPSK调制基带数据相对编码,解调端通过恢复信号进行解差分处理,利用相对码传输方式解决QPSK通信相位模糊问题[7]。调制部分包括码元变换与星座映射部分,对编码后序列进行串并转换,星座映射模块根据Q路和Q路数据映射相应相位φ将Q、I数据与正交载波cos(Wct)和sin(Wct)相乘将信号调制数据相加得到调制信号。DQPSK解调采用相干解调法,正交和同相支路信号包括高低频分量。对信号进行低通滤波后得到仅包含基带波形的低频分量,恢复正交支路与同相支路数据。DQPSK调制是用载波不同相位代表数字信息组合,输入基带信号进行分组,按照组合状态下不同映射到相位载波上的波形,载波相位携带2个比特信息。系统上行链路采用4FSK调制格式,编码后数字基带信号转换为不同频率载波信号。

4 基于可见光通信的以太网系统设计

可见光通信系统由上下行链路部分组成,通过将信号加载到LED灯上发出可见光,用户端线性接收端实现可见光接收[8]。需要根据实际应用场景选择不同类型链路,上行链路分为可见光与射频WiFi链路等,上行链路发射器不需要通过照明即可实现。发射端和接收端具备基带和光部分,实现对光电信号的转换,接收端实现对接收信号解码等处理工作。图1为可见光通信系统的构成示意图。根据可见光通信技术设计以太网通信系统由远近端模块构成,近端模块借助以太网光猫为终端,远端模块设计实现与设备的连接,实现双工通信设计。

LED无法充分满足以太网高速通信,实现双工通信时系统上下链路LED光源在同时发生电量串扰现象,研究利用红色激光器为发射光源,系统接收端利用光电二极管作为光电探测器。光驱动电路设计通过通信信号加载到光源上,以太网通信系统光源驱动电路设计分为放大和偏置两部分,滤波电路实现对信号噪声过滤,R2和R3布置影响静态工作点使得输出交流电信号无失真现象。放大部分电路设计将直流与交流信号加载到光源两端。图2为基于可见光通信技术的以太网通信链路结构图。光源检测模块设计主要是光电探测器,系统在设计中选择利用雪崩光电二极管(avalanche photo diode, APD)为探测器,通信系统设计中采用光源探测器反向击穿电压接近95 V,实现电容放电电压与电源电压的叠加,单极升压电路三极管导通时电感电压公式为Vin=L·diL/Ton,断开时电感电压为Vout-Vin=L·diL/Toff,开关导通及断开时流过的电感电流相等。

图2 基于可见光通信技术的以太网通信链路结构图

单级升高后电压为Vout=Vin/1-D,需要利用多级升压电路为系统提供稳定的电压支持。高速转换电路设计使得以太网终端网口对转换后的电流信号识别。网口输出以太网信号需要借助电路提取满足系统需求。可见光通信系统需要单端信号传输,检测电路模块设计后需要考虑差分信号模块。以太网信号提取功能将以太网物理层差分信号提取,不需经过发送端编码映射等操作,降低信噪比的损失。利用差分接收器放大芯片可在高频率工作状态下具备较高的抑制比。差分转单端电路公式为Vout=(Vin+-Vin)×(1+R3/R4),以太网通过Vin+进入电路。单端转差分电路设计利用低失真差分模拟数字转换器(analog-to-digital converter, ADC)作为主要核心芯片,压摆率达到1150 V/us。以太网通信系统包含多种电路模块,对系统整体频率响应等方面产生影响,将系统模块集成在印制电路板(printed circuit board, PCB)上降低模块占用面积,针对集成后电路板封装在结构模块中,通过RJ45接口网线等实现数据交互传输。图3为光源驱动电路设计图。

图3 光源驱动电路设计图

光通信介质转换模块设计由网络控制器等部分构成,以太网接口选择HR911105A实现以太网接口设计。以STM32F芯片为主处理器,驱动以太网控制器和数据格式转换。以太网接口电路设计由主处理器等部分构成,ENC28J60芯片支持双工通信网络控制器,接口设计为标准SPI串行接口。网络接口电路设计需要进行1∶1脉冲变压器连接,在虚信道分配问题(virtual channel assignment problem, VCAP)上引脚与地脚间需要利用1010 μF的稳压电容连接。以太网通信系统设计以MLT-3多阶基带数字编码方式为以太网编码方式,通信信号调制后得到LED光源上晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistor logic, TTL)电平,TTL电平是具备正零电平的单极性码,实现以太网通信系统和可见光通信系统传输介质间的电平极性转换。

5 可见光通信的以太网系统实验测试

基于可见光通信技术的以太网通信系统进行测试分析,需要搭建可用于测试的平台,系统通信线路设计上下线路通过集成模块实现以太网信号传输,设计加入反射镜提高以太网通信距离,通过利用网线直连的方式与100 Mbps进行以太网接口连接,利用可见光通信技术的以太网通信系统进行上网连接,通过对网线直连模式与联网模式下设备速度测试结果对比,证明系统可实现100 Mbps以太网传输。从链路和误码率方面分析系统性能,矢量网络分析端口1在近端模块输入端成功加载扫频信号,将其结果输入到矢量网络分析仪的端口上,系统带宽可达到42 MHz。通过误码率分析,以太网通信系统可实现150 Mbps速率的高速信号传输。

6 结语

综上所述,当前各种智能手机应用层出不穷,社交网络服务发展改变人们的交流方式。国家提出“互联网+”行动理念使信息技术与现代制造业等融合创新,让移动数据业务量迅速增长,4G移动通信网络难以满足移动通信发展需求,依靠提高系统频谱利用效率提高容量难以满足快速增长的应用需求,开发利用新型频谱资源是无线通信发展的必然趋势。无线可见光通信技术是以LED发出光为载波进行数据传输的无线通信技术,半导体光照通信系统实现方式由网络接入控制器与接收机组成,将LED驱动电信号转换为光信号,接收机将光信号转换为电信号发送给用户。本文设计以太网通信系统,可在不经调制上下行链路下实现以太网信号传输,通过搭建测试环境对设计的以太网通信系统进行远距离联网通信测试,证明其可靠性。