徐兵追

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

可見(jiàn)光通信技術(shù)是一種新型的短距離無(wú)線通信方式，因其安全、綠色、高速等特殊優(yōu)勢(shì)而越來(lái)越受到人們的歡迎。但由于其自身結(jié)電容的影響，大功率LED照明的響應(yīng)帶寬一般小于2 MHz[1]。據(jù)悉，10 Mbps的實(shí)際通信可以通過(guò)MOS管的直接供電方式實(shí)現(xiàn)；通過(guò)在發(fā)射端加入RC平衡網(wǎng)絡(luò)和選頻諧振電路，在發(fā)射端加入測(cè)量系統(tǒng)等設(shè)備裝置后的顏色和RC，可以慢慢提高LED對(duì)寬帶的影響。硬件的方法會(huì)受設(shè)備、位置等諸多因素的影響，改裝不好。加入軟件自檢技術(shù)可以克服這個(gè)困難?；诖?本文給出一條可見(jiàn)光通信鏈路,除采用硬技術(shù)增加通道寬度之外,還采用軟的技術(shù)對(duì)通道加以分析與均衡,有效地解決碼間干擾問(wèn)題,增加了通信速度[1]。

1 可見(jiàn)光通信中的LED技術(shù)

可見(jiàn)光通信用的LED雖然是發(fā)光二極管,但實(shí)質(zhì)上是一個(gè)續(xù)流二極管,利用與少數(shù)載流子結(jié)合而發(fā)出的光子,其發(fā)光原理如下。

二極管結(jié)構(gòu)采用PN結(jié)構(gòu)，P區(qū)和N區(qū)是電子的中間和原子的重區(qū)。當(dāng)電子器件的基極加入耗盡過(guò)程時(shí)，會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)亩O管阻值，抑制原子和電子的延續(xù)。如果外部電荷與內(nèi)置電荷方向相同，此時(shí)使用反向電壓，則電子空間出現(xiàn)的概率會(huì)降低，PN結(jié)消耗層會(huì)變厚。如果外部電荷的方向與輸出電荷的方向不同，則稱(chēng)為電源電流，此時(shí)輸出電流也隨著良好的引導(dǎo)而增加。當(dāng)電源強(qiáng)時(shí)，PN結(jié)耗盡層會(huì)變薄。N區(qū)摻雜劑為施主，低能電子中的外層電子具有較大的活性能，P區(qū)摻雜劑為受主，電子層通常通過(guò)俘獲形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。當(dāng)施主元素外的原子變成受主的低能殼層后，就可以釋放出大的電子。

對(duì)于普通二極管，這種能量主要以熱的形式耗散，而對(duì)于 LED，則以可見(jiàn)光的形式耗散。當(dāng)給 LED 施加電流時(shí)，由于電子空穴的強(qiáng)烈復(fù)合，會(huì)釋放出高能光子。根據(jù)普朗克方程E=hy，由于選擇了具有某些不同能量的供體和受體元素，原子在躍遷過(guò)程中發(fā)射的光波的傳播受到限制[3],因此利用InGaN的PN結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生在460 nm范圍內(nèi)的極藍(lán)光。

2 可見(jiàn)光通信的鏈路總體設(shè)計(jì)方法

2.1 模擬部分

模擬部分的設(shè)計(jì)包括發(fā)送器和接收器。在發(fā)射端，構(gòu)建了LED驅(qū)動(dòng)電路和緩沖單元電路。在LED驅(qū)動(dòng)電路中，采用直流控制來(lái)控制LED燈的靜態(tài)工作，在非阻塞電路中采用模擬等效器件來(lái)增加與燈的通信寬度。

在接收端，內(nèi)置了光信號(hào)接收模塊和信號(hào)調(diào)理模塊，光信號(hào)接收模塊接收雪崩二極管的光電轉(zhuǎn)換模塊，并在120 V的反向偏壓下工作。通過(guò) RC 模擬均衡網(wǎng)絡(luò)增加系統(tǒng)帶寬時(shí)的噪聲。

2.2 數(shù)字基帶部分

數(shù)字基帶負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)與光設(shè)備之間的連接，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光能發(fā)送的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)被解調(diào)并發(fā)送回光通道。它僅用于使用FPGA的芯片，包括網(wǎng)絡(luò)連接模塊、高速數(shù)據(jù)采集和傳輸、基帶中的數(shù)據(jù)處理。在基帶數(shù)據(jù)處理模塊中，采用信道估計(jì)技術(shù)和數(shù)字均衡算法來(lái)增加信道的帶寬。

3 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)可以分為發(fā)送端和接收端兩部分。在傳輸端，通過(guò)FPGA與D/A轉(zhuǎn)換模塊的直接連接，D/A轉(zhuǎn)換模塊采用ADI公司的AD 9112器件，具有雙通道、16位、1230MSPS的轉(zhuǎn)換速度。最后，通過(guò)FPGA與A/D轉(zhuǎn)換器的直接連接，A/D轉(zhuǎn)換器單元可以使用TI Solid公司的ADS5474，最高測(cè)量速度為400 MSPS。除上述設(shè)備外，我們還提供電子設(shè)備的集成驅(qū)動(dòng)和接收端的電子設(shè)備[4]。

3.1 發(fā)送端驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)送端的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示。信號(hào)經(jīng)第二級(jí)D/A輸出放大，第一級(jí)經(jīng)過(guò)二階多通濾波。目標(biāo)是控制低頻響應(yīng)，從而測(cè)量 LED 的帶寬。第二個(gè)層次是輸出的功率。一級(jí)使用 OPA 2674 放大器，它以4倍的增益實(shí)現(xiàn)了 220 MHz 的最大帶寬。第二臺(tái)發(fā)生器采用日本三菱公司的RD06HVFl射頻功放管，175 MHz時(shí)最大輸出可超過(guò)6 W。另外在E型燈中，各類(lèi)照明的輸出最高可達(dá)700 mA，最大輸出功率可達(dá)3 W。

圖1 發(fā)送端LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

3.2 接收端驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)送側(cè)光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。光信號(hào)從受電側(cè)被光電二極管吸收，淺紅色光的大小變化會(huì)變成大小的變化。由于光電二極管是 AD500-9 雪崩二極管，它的輸入帶寬為 500 MHz。由于通過(guò)雪崩二極管的電流很小，因此應(yīng)使用增益較大的跨阻放大器將參考電流的變化轉(zhuǎn)換為電流大小的變化[5]。選用了TI的opA657的跨阻運(yùn)算放大器,其最大帶寬與增益積均為1.6G,從反饋回路串入的最大增益電阻為六燭。而后級(jí)的器件則采用了MAX477,帶寬可達(dá)300 MHz,主要用于進(jìn)行輸出電流放大,并控制后級(jí)的A/D模塊。雪崩二極管擁有靈敏度好,帶寬大的優(yōu)點(diǎn),不過(guò)必須在很大的負(fù)偏壓下運(yùn)行,因?yàn)檫@樣會(huì)增加二極管自身的暗電流,從而產(chǎn)生大量噪聲。為解決這種噪聲問(wèn)題,在設(shè)計(jì)時(shí)使用了兩條相同的雪崩管,接于同時(shí)運(yùn)放的兩個(gè)差分端口,并屏蔽了其中一條雪崩管,讓它不接收信息而只產(chǎn)生暗電流,這就使得兩條雪崩管的暗電流作用彼此抵消,也因此降低了噪聲。

圖2 接收端光電轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)

4 數(shù)字基帶處理

使用通信的一般方法：數(shù)據(jù)從PC機(jī)通過(guò)發(fā)送器通過(guò)100M以太網(wǎng)口發(fā)送到FPGA。在FPGA中，將網(wǎng)口的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，再由加擾單元將串口數(shù)據(jù)與m序列進(jìn)行異或加擾，最終物理傳輸條件成立。然后將估計(jì)的光通道數(shù)據(jù)在傳輸前進(jìn)行卷積和預(yù)平衡，平衡后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D/A切換單元后發(fā)送到光通道。

光通道中的數(shù)據(jù)流通常分為兩種傳輸方式，一種是承載用戶數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)幀，另一種是空閑時(shí)間傳輸?shù)男】臻e幀圖像。數(shù)據(jù)幀通常由3個(gè)元素組成，例如用于幀識(shí)別和位同步的 56 位前導(dǎo)碼，用于識(shí)別幀頭的 8 位幀分隔符以及關(guān)于用戶的 4 512 位信息。空閑幀由m個(gè)周期為255的序列組成，是用于信道估計(jì)的噪聲數(shù)據(jù)。

在接收端,可以利用A/D變換模塊在400MSPS速度下完成采樣,采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA后由IDDR模塊從單路轉(zhuǎn)為雙路,每一路的數(shù)據(jù)速率就降至原來(lái)一半,便于RAM的操作。在幀檢測(cè)的過(guò)程中,將56 bit前導(dǎo)碼設(shè)計(jì)為前后28 bit相同的結(jié)構(gòu),在每個(gè)時(shí)鐘比較這28 bit的內(nèi)容,相似度超過(guò)一定閾值就判定幀到達(dá)。

另外，在數(shù)據(jù)傳輸方面，網(wǎng)絡(luò)接口采用板載RJ45通用端口，而ML 605增長(zhǎng)板采用三態(tài)以太網(wǎng)接口，支持10 Mbps、100 Mbps和1 000 Mbps通信。通信是一個(gè)GMII(Gigabit Media Independent Interface)模塊。MII端口功能介紹,MII是由IEEE-802.3所規(guī)定的以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),包含MAC和PHY之間的端口信息和控制點(diǎn)。數(shù)據(jù)端口部分有兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送和接收通道，每個(gè)通道上的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和控制信息都是單獨(dú)的,共有16個(gè)信道。而管理端口則是在上層進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制PHY值的端口,有兩條信號(hào)線。

5 鏈路性能測(cè)試

線路特性試驗(yàn)從誤碼率測(cè)量和單向文件傳輸兩種角度進(jìn)行,對(duì)設(shè)計(jì)完成的可見(jiàn)光通信線路進(jìn)行特性試驗(yàn),以下分別對(duì)它們加以說(shuō)明。

5.1 誤碼率測(cè)試模塊

誤碼率檢測(cè)模塊主要從發(fā)射器一端傳輸隨機(jī)序列數(shù)據(jù)幀,從接收器端完成接收和判斷工作,并將接收到的判斷數(shù)據(jù)與原發(fā)送端的隨機(jī)序列進(jìn)行比較，從而在接收端顯示誤碼情況。

發(fā)送器首先讀取ROM中的幀，然后開(kāi)始成幀發(fā)送，并在每個(gè)內(nèi)容開(kāi)始時(shí)恢復(fù)ROM的地址線數(shù)據(jù)的起始位置，在接收端每當(dāng)檢測(cè)到頓開(kāi)始就重置ROM地址線數(shù)據(jù)，保證比較的是相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。比較系統(tǒng)中的時(shí)序圖，SOF_n信號(hào)拉低的時(shí)間表示為數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始時(shí)間，每個(gè)文件開(kāi)始前ROM地址復(fù)位為零。

在測(cè)量誤碼的過(guò)程中，需要計(jì)算數(shù)據(jù)幀數(shù)、錯(cuò)誤幀數(shù)和錯(cuò)誤數(shù)。經(jīng)過(guò)一定較長(zhǎng)時(shí)間后得出的數(shù)據(jù)結(jié)果就能夠比較真實(shí)的反應(yīng)鏈路的誤碼率狀態(tài)。

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果,誤碼率將會(huì)隨著傳輸速度的增加而明顯增強(qiáng),在20 Mbps速率下才能實(shí)現(xiàn)較低誤碼率的數(shù)據(jù)傳輸。在40 Mbps以上的速度傳送時(shí),產(chǎn)生了較多的誤碼,因此必須增加糾檢錯(cuò)編碼以進(jìn)一步減少誤碼率。

5.2 單向文件傳輸測(cè)試

當(dāng)建立了可見(jiàn)光數(shù)據(jù)傳輸線路之后,鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸工作就能夠進(jìn)行下去了,計(jì)算機(jī)可以通過(guò)RJ45的網(wǎng)絡(luò)接口直接接入基于FPGA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射器和接收器上,再由發(fā)送端電腦向接收端電腦傳輸數(shù)據(jù)信息等。

因?yàn)樵贔PGA上的數(shù)據(jù)鏈路層接口通過(guò)固定幀長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀格式實(shí)現(xiàn)收發(fā),所以對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō),普通網(wǎng)絡(luò)幀并無(wú)法直接在鏈路上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,而只有通過(guò)處理的穩(wěn)定幀長(zhǎng)數(shù)據(jù)才能直接在鏈路上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

搜索軟件主要用于Windows操作系統(tǒng)，套接字作為操作通信、IP和UDP等技術(shù)廣泛應(yīng)用于應(yīng)用程序中，為發(fā)送和接收信息提供方便的連接。但是，在這里的測(cè)試應(yīng)用程序中，需要在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn) Internet 協(xié)議的情況下制作簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，并且 sockets 沒(méi)有直接的方法來(lái)承包和獲取包含基本信息的包。在軟件測(cè)試中，WinPcap 常用于數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)包和包捕獲。

WinPcap 模塊包括一個(gè)包過(guò)濾層、一個(gè)低級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(Packet.dll)和一個(gè)依賴(lài)于內(nèi)置控件的高級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(wpcap.dll)。其中NPF (Netgroup Packet Filter)的驅(qū)動(dòng)安裝在應(yīng)用核心上,可以直接使用行動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備啟動(dòng),并具有進(jìn)行鏈路層信息捕捉與傳輸?shù)闹匾δ?。?dāng)捕捉到數(shù)據(jù)流時(shí),控制系統(tǒng)向應(yīng)用者開(kāi)放了兩個(gè)的輸入輸出接口,比較兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)：packet.dll 和 wpcap.dll。使用的第一個(gè)低級(jí) API 提供對(duì)驅(qū)動(dòng)程序角色的直接訪問(wèn)，并依賴(lài)于操作系統(tǒng)的編程接口。第二個(gè)展示了一個(gè)更好的捕獲系統(tǒng)，它可以在不影響網(wǎng)絡(luò)硬件和管理的情況下捕獲信息。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了一種可見(jiàn)光通信高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),在分析了總體設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上,給出了基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的總體方案,并設(shè)計(jì)完成了包含發(fā)射器與接收器的可見(jiàn)光通信硬件電路,同時(shí)提供數(shù)字基帶的技術(shù)研究和平臺(tái)開(kāi)發(fā)以及軟件開(kāi)發(fā)。性能測(cè)試和系統(tǒng)管理的綜合調(diào)試結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的照明系統(tǒng)高效、安全，符合工程設(shè)計(jì)要求。