基于可见光通信的全双工以太网通信系统设计研究

摘要：为了实现更高效、稳定的数据传输，基于可见光通信技术，设计了一套全双工以太网通信系统。首先，对通信系统结构进行设计，涵盖系统组成与通信过程；其次，详细地设计了系统硬件电路，包括光源驱动电路、光电检测电路、信号转换电路等；最后，通过系统模拟与实验验证来分析通信系统的性能。为电力通信提供了一种创新的通信解决方案，也为以太网通信技术的创新与发展提供了有益参考与借鉴。

关键词：可见光通信全双工以太网通信系统

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

随着信息技术的飞速发展，以太网通信技术作为现代网络的基础，其稳定性与性能对数据传输质量至关重要。可见光通信作为新兴的无线通信技术，具备无电磁干扰、高频谱效率等优势，因此得到了广泛的应用。然而，以太网通信中，可见光通信的实际应用仍处于初级阶段，特别是全双工通信系统的实现与应用仍面临诸多挑战，因此，深入探索并设计全双工以太网通信系统具有积极意义。

1通信系统结构设计

1.1系统组成

为了保障通信质量，系统设计注重低噪声处理与光电信号的高效转换。选用LED灯作为信号载体，使用上、下行链路来实现安全和高速的数据传输。全双工以太网通信系统主要包括发射端和接收端两部分，其中，发射端集成光调制与基带处理模块，用于将以太网信号编码后加载至LED灯光上，从而实现光信号发射；接收端则配备基带接收机与光接收前端，用于捕获光信号、转换与解码，并恢复原始以太网数据[1]。同时，上行链路灵活多样，可选择射频Wi-Fi或可见光链路，以灵活地适应不同的应用场景需求。图1为可见光通信系统组成示意图。

1.2通信过程

系统通信过程主要涵盖下行链和上行链路。在下行链路中，近端设备首先将以太网信号进行处理，通过差分转单端和光源驱动后，由激光器发射出光信号。该光信号经过光信号传输到达远端设备，经由透镜聚焦至雪崩光电二极管（AvalanchePhotoDiode，APD），实现光电转换，再经过单端转差分处理，最终提取出以太网信号供家用设备使用。上行链路过程则相反，远端家用设备发出信号，经过以太网提取、差分转单端、光源驱动、激光器发射，光信号再次通过光信号传输回到近端，完成相同的光电转换与信号处理流程，以此实现数据从远端到近端的传输[2]。该设计实现了以太网信号在可见光通信系统中的全双工、高效、稳定地传输。图2为以太网通信过程示意图。

2系统硬件电路设计

2.1光源驱动电路设计

光源驱动电路主要包含放大和偏置两大功能模块。为了滤除信号中的噪声，交流信号输入后端特别设计了由电容C1与电阻R1组成的滤波电路。为了确保光源在稳定线性区域工作，并提高交流信号的精确度，精心地设定了电阻R2和R3的比率。放大电路用于进一步增强这些信号，并将它们与直流信号一起施加到光源上，从而实现信号的发射。该电路一方面确保了信号的有效转换和发射，另一方面通过精细的电路调控，保障了信号传输的质量和稳定性。

2.2光电检测电路设计

2.2.1开关电源boost电路

设计选择的APD的反向击穿电压处于95V左右。为了实现所需的高电压，设计了开关电源Boost电路。该电路利用电容、自举升压二极管等元件，凭借多级放大将电源电压与电容放电电压叠加，从而达到升压目的。其中，单极升压电路采用三极管作为开关，通过控制开关的断开与导通时间来调节输出电压。多级升压电路则采用TPS55340开关电源芯片，以进一步提升电压。此外，电路中还加入了温度补偿模块，以有效地应对APD击穿电压随环境温度变化的问题，确保了电路的稳定性[3]。

2.2.2高速I-V转换电路

为了更好满足高速通信需求，高速I-V转换电路需具备高增益带宽积。因此，选用高增益带宽积、低噪声的芯片，设计了一种带电压并联负反馈结构的I-V转换器，以实现从电流至电压信号的准确转换。电路内关键电阻决定了交流电压的输出水平。此外，为了避免高频信号下的自激振荡，该电路还引入了密勒补偿电容，有效地消除了自激现象[4]。经转换的电压信号利用电容完成交流耦合，输出至下一模块，完成进一步处理，确保终端网口或设备可以准确地识别并判决信号，从而保障通信系统的高速、稳定运行。

2.3信号转换电路设计

2.3.1以太网信号提取电路

以太网信号提取电路主要负责直接从物理层捕获以太网信号，省去了复杂的信号编码、调制解调、解映射等过程[5]。该设计有助于简化系统架构，并最小化信噪比的损失。该电路采用了集成网络变压器的RJ45接口来接收信号。在下行链路通信中，信号利用T-和T+端口传入该接口，经过内部处理后，再经R-和R+端口输出至下一电路模块。在上行链路中，需要上传的信号经R-和R+端口进入接口，处理并转变成以太网格式，随后，再从T-和T+端口发送回以太网接口，从而达成精确地识别和高效地传输信号的目的。

2.3.2差分转单端电路

设计采用了性能卓越的差分接收器放大器AD8130，该芯片具备高达270MHz的-3dB带宽，并在高频操作中维持出色的共模抑制性能，尤其适合高速差分信号的传输。以太网差分信号借助VIN-和VIN+端输入，处理完成后，从VOUT端以稳定单端信号的形式进行输出[6]。此电路设计保障了差分信号的有效且高效转换，为后续的信号处理环节提供了稳定且可靠的单端信号输出，进而确保了整个信号传输链路的稳定性和性能。

2.3.3单端转差分电路

选用具有快速响应特性与高带宽的差分ADC驱动器AD8138，其压摆率达到1150V/us、-3dB带宽高达320MHz，确保了低失真和低谐波的卓越性能表现。光电转换电路输出的信号经VIN端口输入，完成电路处理后，从VOUT-、VOUT+端口输出高质量的差分信号。该电路设计确保了信号从单端到差分的有效转换。

2.4整体电路集成

通过将多个电路模块整合到一块PCB板上，实现了整体电路的集成化，一方面有效地减小了占用面积，另一方面显著地增强了系统的稳定性。与此同时，采用封装在定制结构中的集成电路板，并运用RJ45网线接口来有效地简化家庭端的安装与数据传输，同时借助USB接口完成供电，提升了使用的便捷性[7]。此外，为有效地增强调节和对准的灵活性，还特地将APD、激光器、透镜等组件从电路中分离出来，并完成了独立的封装设计，以此显著地提升了系统的实际应用价值。

3系统模拟与实验验证

3.1系统模拟

系统模拟有助于验证设计方案的有效性，并为后续实验验证提供指导。具体操作流程分成以下几个关键阶段。首先，构建通信系统模型。该模型应涵盖通信环境、光检测器、信号处理、网络接口、光源等关键组件。光检测器与光源模型搭建应严格遵循其实际物理特性。其次，借助MATLAB等仿真工具完成系统模拟，生成输入信号，在此基础上，预测输出信号，同时也对噪声、环境光等干扰进行模拟，以显著增强仿真的准确性。最后，详细地分析与评估了仿真数据，重点分析和观察信号强度、信噪比、传输速率与误码率等关键性能指标，并据此灵活地调整设计参数，进而优化系统的整体性能。

3.2实验方法与设备

在实验设备方面，其主要包括：用来监测和分析系统性能的频谱分析仪、示波器等，用作网络接口或处理信号的计算机或微处理器，用来发射与接收光信号的光电二极管等。在实验方法上，采取以下步骤。首先，执行单元测试，验证各组件的功能和性能是否达到预期的设计标准。其次，科学地整合系统，将各部件组装成一套完整的通信系统。再次，开展系统测试，运用定制的测试信号来检测通信系统的响应。同时，为了有效地衡量该通信系统在多样化环境条件下的性能，将在多种通信环境中实施性能评估，包括但不限于不同的环境光照与通信距离。通过动态调整设计参数来持续优化实验，以确定最优的设计参数配置。最后，通过长期的稳定性测试来保障通信系统在实际使用中的持久性与可靠性。

3.3实验及结果分析

为了全面、客观地评估通信系统，收集了不同设计参数、测试信号与通信环境下的性能数据与输出信号等。通过分析与处理这些数据，计算出一系列关键性能指标，以此为系统性能评估提供坚实的数据支撑。然后，进一步探讨了不同因素对系统性能的影响。例如：环境光可以显著影响信噪比，通信距离会显著影响误码率与信号强度等。基于这些分析结果，合理、灵活地调整设计参数，以提升系统性能。通过增加光源的强度，有助于大幅地降低误码率；在光检测器前增设滤波器，起到减少环境光干扰的作用，进一步提升了系统性能。

4结语

综上所述，通过系统结构、硬件电路设计，以及模拟与实验验证等内容，本文成功地搭建了一个实用且高效的可见光以太网通信系统，实现了数据的快速、稳定传输。未来，将持续研究与探索更多先进的通信技术，将其与可见光通信技术进行有效的融合，以进一步提高数据传输速率与稳定性，优化以太网通信系统的性能，更好地满足更广泛的应用需求，以此推动以太网通信技术在更多领域得到更广泛的应用。

参考文献

[1]卢霆威，王泽平，刘梦，等.基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计[J].电子学报，2022，50（1）：45-53.

[2]程光磊.可见光通信与机器视觉联合定位系统设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2023.

[3]何晓舟，王子彦，刘浩，等.机载无线通信系统抗干扰类型及技术实践[J].科技资讯，2023，21（10）：5-8.

[4]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）：40-45，65.

[5]李长江.基于索引调制OFDM的可见光通信系统设计与研究[D].兰州：兰州理工大学，2023.

[6]黄文早.基于可见光通信技术的以太网通信系统设计[J].信息记录材料，2023，24（9）：167-169，172.

[7]伏根来.通信技术在电力系统安全中的应用[J].科技资讯，2022，20（3）：31-33.