基于快速以太网的可见光通信系统设计与实现

陈娇娇 邓雪爽

摘 要：为了突破当前可见光通信（VLC）设备设计和成本方面的瓶颈，以推动VLC更广泛的普及和应用。提出并实现了一种将快速以太网与VLC相结合的方案，通过直接利用RJ45端口输出的MLT-3信号对可见光进行调制。鉴于LED调制带宽的限制，采用均衡技术拓展发射器的带宽。结果表明，在2 m和0.2 m的传输距离上实现了平均94 Mbps的稳定实时传输。本方案克服了VLC复杂性和高成本的问题，有望推动可见光通信技术在无线通信领域的广泛应用。

关键词：可见光通信；快速以太网；均衡技术

中图分类号：TN929.1   文献标识码：A文章编号：1674-0033（2024）02-0040-06

引用格式：陈娇娇，邓雪爽.基于快速以太网的可见光通信系统设计与实现[J].商洛学院学报，2024，38（2）：40-45.

The Cost-efficient Implementation of the Fast

Ethernet-based VLC System

CHEN Jiao-jiao， DENG Xue-shuang

（College of Electronic Information and Electrical Engineering， Shangluo University， Shangluo   726000， Shaanxi）

Abstract： In order to overcome the current bottlenecks in Visible Light Communication （VLC） device design and cost， and to promote a more widespread adoption and application of VLC， a solution that combines high-speed Ethernet is proposed and implemented with VLC. The approach involves modulating visible light using the MLT-3 signal directly output from the RJ45 port. Due to the bandwidth limitations of LED modulation， equalization techniques are employed here to expand the transmitter's bandwidth. The results indicate a stable real-time transmission averaging 94 Mbps at distances of 2 m and 0.2 m. This solution addresses the complexities and high costs associated with VLC， offering the potential to drive the widespread application of visible light communication technology in the field of wireless communication.

Key words： visible light communication; fast ethernet; equalization technology

可見光通信（VLC）是一种利用光的强度变化来传输信息的通信技术。VLC因其超宽、免许可的频谱特点，有望缓解射频（RF）频谱中的频谱短缺问题[1]，引发了广泛关注。同时，发光二极管（LED）低成本、高可靠的优势也在推动着VLC技术的进步。近年来，相关标准陆续出台[2]，使用VLC技术实现的Li-Fi系统能够同时实现照明和数据传输功能，并且已经应用于某些对无线电波敏感的领域或场所，如工厂、医院等[3]。同时，LED设备的能效和市场需求的快速提升，也为VLC的实施提供了必要的硬件基础[4]。

为了促进可见光通信技术在实际应用中的推广，可采用低成本的方法将其与常用的通信技术进行结合。以太网是一种基础且受欢迎的技术，具有成本低、可靠性高和易于使用的特点。借助成熟的以太网技术，VLC可以发展得更好更快。Hongyu Zhou等[5]结合现有的10Base-T网络，实现了一个VLC系统。Burton A等[6]提出了一种基于高效、高亮度发光二极管（LED）的可见光通信系统，该系统能够提供标准的室内照明水平，并使用商用白光荧光粉LED在2.3 m的距离上提供大覆盖范围的10BASE-T无线光通信链路。Delgado F等[7]提出了以太网和可见光通信网络之间的完整接口。卢霆威等[8]设计了基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统。李德建等[9]设计了一种融合高精度定位功能的VLC系统。这些都是基于可见光通信实现了高速的以太网传输。如今，一些公司如Oledcomm和Trulifi已经推出了一些支持更高通信速率的VLC产品。上述快速Ethernet-VLC方案通常采用特定的转换器执行诸如解调、解码、协议转换等操作，这些额外的器件无疑增加了实现成本和难度。实际上，来自以太网的基带信号可以直接用于可见光信号的调制，从而避免了复杂的信号处理过程。光无线信道比电缆信道更复杂，可能会受到环境光的干扰，同时也会被物体阻挡。这种影响可能会导致传输错误或传输中断。一旦以太网协议发生错误，它只能丢弃消息帧，因此无法提供可靠的传输。而通过使用反馈协议，如自动重传请求（ARQ）策略，可以在数据链路层实现无差错的通信。因此，对于VLC系统来说，需要采用ARQ策略来建立可靠的连接。

本文提出并设计一种经济高效、与快速以太网兼容的可见光通信方案。为了便于系统性能的测试与加速，借助于TCP/IP数据链路层的ARQ机制。通过试验验证的方法，对可见光通信系统的传输速率进行测量。并在不同信道条件下，包括良好和更差的情况下分别进行测量，以进一步验证该方案的可行性。

1  系统设计

1.1 VLC系统结构

本文提出的VLC系统结构如图1所示。在发送信号的过程中，信源数据首先被封装进ARQ帧中，随后每个ARQ帧又被进一步打包成以太网帧以适应以太网传输标准。而在接收信号时，上层协议会逐层拆解下层传递过来的数据包，从以太网帧中提取出ARQ帧，并进一步从ARQ帧中还原出原始的信源数据。ARQ策略是一种选择性重传协议，可以被视为停止等待ARQ协议的复用。从某种意义上说，它是一种最优策略，最大限度地提高了吞吐量。ARQ工作在数据链路层中。为了满足快速以太网的要求，在所提出的VLC系统中使用了有线网卡，这种方法加速了原型系统的研发。对于网卡输出信号有两种处理选项。第一个选项是将差分信号转换为更高功率的单端信号，然后通过电缆直接将其输入到发射机板。第二个选项是使用一个介质转换器与以太网卡连接进行协议转换，将输出信号转换为单端信号，然后将其连接到发射机。前者符合100BASE-TX标准，后者符合100BASE-FX标准。通过自由空间传播的光线被聚光透镜收集，并由PIN或者APD探测器将其转换成电信号。随后，该电信号被转换为一对差分信号，并发送回介质转换器或以太网卡。

1.2 VLC发射机设计

为了能使用交流信号控制LED的瞬时光功率，通常会采用bias-T电路，该电路能够将DC和AC信号叠加在一起，然后点亮LED。不同于常见的共阴极LED或单个LED，本研究采用三色LED具有共阳极结构。因此，需要从阴极输入调制信号，具体操作如图2所示。在图2中分别标出了DC直流环路和AC交流环路，因为LED是由DC和AC信号同时驱动的。在DC环路中，使用高阻抗的电感LDC来阻碍AC信号的通过，而LED的静态工作点通过串联电阻RQ进行调整。在AC环路中，使用大电容CAC来阻碍DC偏置电流的通过。电容器C0将AC信号引向地面以闭合AC环路，并同时过滤掉DC电源的噪声。串联的电阻RIM用于阻抗匹配，以免反射系数太高。

发射机实物如图3所示，其尺寸大小设计匹配30 mm的光学笼式系统，以便于与光学元件组装。LED前面放置一个非球面聚光透镜，以汇聚光线减小几何损耗。

1.3 LED的等效電路

在几十兆赫兹范围内，LED可以等效为具有20 dB/十倍程衰减的一阶低通电路[10-11]。在图2中，一个导通的LED被一个与电容并联的电阻所替代[12]。rd是LED内部的差分电阻，CJ是扩散电容Cd和空间电荷电容CSC的总和，它与rd一起决定有效载流子的寿命Teff，Teff=rd（Cd+CSC）=rd cj。Rg是信号源的输出阻抗，通常为50 Ω。一阶等效电路模型可以写成：

HLED（S）=    （1）

式（1）中，K=是一个常量，决定了最高的响应。ωn=是拐点角频率。

图4显示了在不同直流偏置电流下测得的频率响应或称为S21参数，其3 dB带宽小于10 MHz。在快速以太网中，比特速率是125 Mb/s。事实上，总信号功率的80%包含在62.5 MHz以下。因此，需要一个均衡器来拓宽发射器的带宽。而一阶均衡器足以构建一个平坦的响应，覆盖MLT-3信号的带宽。

1.4 VLC均衡器设计

为了实现带宽的扩展，均衡器必须在有限的频率范围内具有与LED相反的特性。因此，均衡器可以是低通滤波器或带通滤波器，而后者通常因为其简单性而被采用[13]。均衡器的传递函数满足一阶高通滤波器的标准形式，记作：

HE（S）=       （2）

考虑图2中的实际电路。K′=，ω1=C1R1，ω2=。为了在3 dB带宽内获得平坦的响应，需要选择适当的均衡器参数，使ω1=ω2。将LED与均衡器连接后，均衡后的频率响应是式（1）和式（2）的乘积，即：

HT（S）=     （3）

式（3）表明均衡器可以使LED表现为具有更宽频带的低通滤波器，其带宽由第二个拐点频率决定。因此，经过均衡处理后的带宽仍然是有限的。由于无源均衡器通过抑制信号高频部分的能量来扩大带宽，因此发射器带宽的提高是以牺牲信噪比（SNR）为代价的[14]。

2  结果与分析

首先测量均衡器和发射机的S21参数，测量的结果将与仿真结果进行比较。随后，搭建VLC系统以实现两台电脑之间的实时通信，并使用iperf3收集实时速率以证明以太网-VLC系统的稳定性。

图3中的发射机由两部分组成，它们分别用于实现将差分信号转换为单端信号并对可见光进行调制。来自Thorlabs的PIN检测器（PDA10A2）用于检测光信号，并且在接收器前方放置一个凸透镜（ACL50832U-A）用于聚光。在不同的应用场景中还需要滤光片或（和）散射片，但本研究中并没有使用它们。本文中构建的链路仅使用凸透镜对光进行准直和聚焦，以扩展通信距离。LED的S21参数由Rigol的矢量网络分析仪（VNA，RSA3015N）测量得到。

VNA的信号输出端连接到驱动电路的信号输入端，光电探测器的输出信号端连接到VNA的信号输入端。图4显示了蓝色、绿色和红色LED在不同偏置电流下的测量结果。三种LED最明显的变化是随着电流的增加，最高响应也就是DC增益逐渐降低。在红色LED中，不同频率上的衰减几乎相同，但在蓝色LED中，低频处的衰减较大。在相同的偏置电流下，红色LED的响应度最高，因此最好使用红色LED来生成光信号。

均衡器中的電容和电阻分别为8 pF和2 kΩ，其频率响应曲线如图5中的虚线所示。最低响应为-26.67 dB，最高响应为-3.23 dB。将驱动电路与均衡器连接后，最高频率响应仅为-31 dB。为了补偿无源均衡带来的衰减，需要在接收端增加一个功率放大器来提高接收信号的功率。VLC系统的最终均衡频率响应是图5中的实线，3 dB带宽为92 MHz，最高响应为0.93 dB。带宽和响应均符合试验条件。

为了建立光链路，首先需要在发射机上使用SMA电缆将LED驱动电路与转换器电路连接起来，并将使用RJ45网线连接电脑与转换器板。电脑会自动识别连接，然后就可以在系统中观察连接的状态。一旦建立连接，就可以在Windows操作系统中使用iperf3进行实时速率测试。传输距离分别设置为0.2 m和2 m，测试时间持续100 s。

结果显示在图6（a）中，以太网-VLC在0.2 m距离下的最大速率是96.4 Mbps，最小速率是86.1 Mbps。在2 m的距离下最大速率是95.5 Mbps，最小速率是86.1 Mbps。这两个距离的小速率差异反映了VLC链路的稳定性。相比之下，通过直接使用RJ45网线连接的两台PC之间的最大和最小速率分别为94.9 Mbps和87.7 Mbps。三种连接方式的平均速率如图6（b）所示，分别为94.62，

94，94.17 Mbps。结果表明，VLC链路与网线链路一样好。

除了实现两台电脑之间的互联外，还可以通过VLC系统将主机与交换机连接，最终为用户提供互联网连接。VLC链路位于物理层，对通信协议栈的较高级别来说是透明的。这意味着以太网芯片并不知道信号已经经过了光信道。因此，不需要对固件和软件进行任何修改。

3  结论

本文提出并实现了一种将快速以太网与VLC相结合的方案，通过直接利用RJ45端口输出的MLT-3信号对可见光进行调制。该方案中采用的发射机包括转换板和驱动板两部分。转换板的目的是将差分信号转换为单端信号，以提高信号功率。驱动板则用于光信号的调制。为了增加发射机的带宽，本文采用了简单的一阶均衡技术并成功实现了92 MHz带宽，足以支持MLT-3基带信号的传输。最后通过该VLC系统，在两台电脑之间建立了无线光链路，测试结果显示实时速率达到94 Mbps，媲美使用网线连接的速率。

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