盧霆威，王澤平，劉 夢(mèng)，劉青青，陳 兵，林 岳，吳挺竹，陳 忠

（1.廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建廈門(mén) 361005；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)福建有限公司廈門(mén)分公司，福建廈門(mén) 361005；3.福建越眾科技發(fā)展有限公司，福建福州 350000）

1 引言

隨著照明技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)將是下一代光通信的主流方向［1～5］.可見(jiàn)光通信不僅擁有當(dāng)前射頻通信無(wú)可比擬的頻譜資源與通信速度，而且它在傳輸過(guò)程中的安全性、環(huán)保性、綠色性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)使得可見(jiàn)光通信技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景［6～10］.然而，目前大多數(shù)對(duì)可見(jiàn)光通信的研究都是停留在實(shí)驗(yàn)理論驗(yàn)證階段，很少將其應(yīng)用到實(shí)際生活中［11］.

以太網(wǎng)是目前使用廣泛、表現(xiàn)最出色的通信標(biāo)準(zhǔn)［12］，已經(jīng)充分融入了人們的生活中.當(dāng)下使用有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行以太網(wǎng)通信依然會(huì)受到物理線纜的固有限制，而使用Wi-Fi技術(shù)來(lái)傳輸以太網(wǎng)雖然已經(jīng)相對(duì)成熟，但是在一些特定的場(chǎng)合之下依然會(huì)存在一定問(wèn)題.例如在室內(nèi)環(huán)境下，處于鄰近頻段的多種無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)會(huì)彼此干擾，從而造成Wi-Fi在室內(nèi)傳輸時(shí)同頻干擾嚴(yán)重，極大影響傳輸質(zhì)量；而在室外短距通信的場(chǎng)景下，IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射功率則可能滿足不了通信的要求［13］，這一缺陷將會(huì)導(dǎo)致在救災(zāi)搶險(xiǎn)、地質(zhì)考察等重要場(chǎng)景下無(wú)法通信.因此，利用可見(jiàn)光通信技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微波通信技術(shù)傳輸以太網(wǎng)能夠很大程度地解決以上問(wèn)題.

利用可見(jiàn)光通信技術(shù)來(lái)傳輸以太網(wǎng)信號(hào)需要搭建雙向通信鏈路［14］，但是當(dāng)下研究基于可見(jiàn)光的雙向通信的速率依然是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn).在目前使用可見(jiàn)光通信技術(shù)進(jìn)行雙向通信的研究中，大多是在下行鏈路中使用發(fā)光二極管（Light-Emitting Diodes，LED）作為光源來(lái)傳輸數(shù)據(jù)［15，16］，而上行鏈路一般是使用包括藍(lán)牙、紅外等在內(nèi)的其他無(wú)線通信方法來(lái)完成數(shù)據(jù)的上傳，速率往往較低，并且存在通信鏈路不穩(wěn)定等缺點(diǎn)［17］.雖有文獻(xiàn)利用“貓眼”逆向調(diào)制器對(duì)下行鏈路光信號(hào)進(jìn)行兩次調(diào)制實(shí)現(xiàn)了單光源雙向通信［18］，但是速率很低.上述問(wèn)題使得基于可見(jiàn)光的全雙工通信技術(shù)難以傳輸高速以太網(wǎng)，進(jìn)而應(yīng)用到日常家庭生活中.因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)Ω咚僖蕴W(wǎng)信號(hào)進(jìn)行高效、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娜p工可見(jiàn)光通信系統(tǒng)具有十分重要的意義.

為了解決以上問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng).本系統(tǒng)能夠安裝在用戶家中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖與無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)入戶光貓與固定家用設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，且速率方面要求能夠傳輸100 Mbps 以太網(wǎng).同時(shí)為了避免激光對(duì)人眼的損傷，系統(tǒng)將安裝在用戶家中人眼無(wú)法從正面直視的位置，例如天花板上.整體系統(tǒng)的上行和下行鏈路工作原理相同.經(jīng)測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)通信距離為10 m 情況下的100 Mbps 以太網(wǎng)全雙工通信.比起傳統(tǒng)的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，本文系統(tǒng)可以承載并處理以太網(wǎng)信號(hào)，將可見(jiàn)光通信技術(shù)真正應(yīng)用到實(shí)際中，并擁有較高的上、下行傳輸速率.同時(shí)，本系統(tǒng)基于企業(yè)產(chǎn)業(yè)化要求設(shè)計(jì)，成本較低，可應(yīng)用于電腦、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)電視等數(shù)字終端的高速、遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)通信.

2 系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)

基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)如圖1 所示.該系統(tǒng)由近端、遠(yuǎn)端兩個(gè)部分組成.近端以連接到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的以太網(wǎng)光貓作為終端來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)端則連接家用設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下載.近端和遠(yuǎn)端的硬件構(gòu)成完全相同，都包括光源及其驅(qū)動(dòng)電路、光電檢測(cè)電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、單端轉(zhuǎn)差分電路、以太網(wǎng)信號(hào)提取電路，系統(tǒng)工作時(shí)，兩端同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，由此構(gòu)成全雙工通信.

圖1 本文全雙工可見(jiàn)光通信鏈路

由于目前市售的LED 調(diào)制帶寬太?。?9］，不足以進(jìn)行高速通信，且LED 為發(fā)散光源，在進(jìn)行全雙工通信時(shí)，上下行鏈路的LED 光源同時(shí)點(diǎn)亮將會(huì)造成串?dāng)_，無(wú)法滿足高速長(zhǎng)距離的通信需求.因此本系統(tǒng)選用高帶寬的紅色激光器作為上下行鏈路的發(fā)射光源來(lái)傳輸信號(hào).接收端則采用對(duì)短波長(zhǎng)光響應(yīng)速度快、靈敏度高的雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）作為光電探測(cè)器［20］，并在探測(cè)器前加入透鏡來(lái)匯聚光線，以增加通信距離.

現(xiàn)介紹該系統(tǒng)的通信過(guò)程.在下行鏈路中，近端模塊將以太網(wǎng)的三階基帶編碼（Multi-Level Transmit-3，MLT-3）信號(hào)從自身的網(wǎng)口經(jīng)RJ-45 端口進(jìn)入以太網(wǎng)提取電路，經(jīng)過(guò)濾波和耦合后經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)信號(hào)提取電路進(jìn)入差分轉(zhuǎn)單端電路，從而將以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可加載到光源上的單端信號(hào)，隨后該單端信號(hào)通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路加載到激光上，激光器將其承載的光信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的APD 探測(cè)器中，探測(cè)器與光電轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，再通過(guò)單端轉(zhuǎn)差分電路，將單端信號(hào)還原為設(shè)備可識(shí)別的雙端以太網(wǎng)信號(hào)，進(jìn)入接口處理電路，將信號(hào)傳入遠(yuǎn)端的家用設(shè)備，至此完成下行鏈路通信.同時(shí)，上行鏈路的信號(hào)由遠(yuǎn)端家用設(shè)備發(fā)出，經(jīng)由與下行鏈路相同的過(guò)程將數(shù)據(jù)發(fā)送給近端網(wǎng)口.由此實(shí)現(xiàn)基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的全雙工以太網(wǎng)通信.

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光源驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將信號(hào)加載至光源上，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換.本系統(tǒng)的光源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示.該電路包括放大和偏置兩個(gè)部分.在交流信號(hào)輸入口后端由R1和C1構(gòu)成濾波電路，濾除信號(hào)噪聲.R2 與R3 的比值決定了輸入的靜態(tài)工作點(diǎn)，使光源穩(wěn)定工作在線性區(qū)間，從而保證輸出的交流信號(hào)無(wú)失真.電路放大部分將交流信號(hào)進(jìn)一步放大，并且將直流信號(hào)和交流信號(hào)一起加載到光源兩端，完成信號(hào)的發(fā)射.

圖2 光源驅(qū)動(dòng)電路

3.2 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，光電檢測(cè)電路的主要功能是利用光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行處理.本系統(tǒng)采用APD 作為光電探測(cè)器.由于APD 的反向擊穿電壓較高，普通電源難以提供，因此該電路需要使用電壓倍增技術(shù).同時(shí)，在APD 將所檢測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，系統(tǒng)還需要將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備可識(shí)別的電壓信號(hào)，需設(shè)計(jì)高速I(mǎi)-V轉(zhuǎn)換電路.

3.2.1 開(kāi)關(guān)電源boost電路

本系統(tǒng)采用的APD 的反向擊穿電壓接近95V，故采用自舉升壓二極管、自舉升壓電容等電子元件使電容放電電壓和電源電壓疊加，對(duì)電壓進(jìn)行多級(jí)放大.單極升壓電路原理圖如圖3所示.

圖3 單級(jí)升壓電路

圖中的三極管K充當(dāng)開(kāi)關(guān)，若忽略二極管D兩端的導(dǎo)通壓降，當(dāng)三極管K導(dǎo)通時(shí)，電感電壓：

其中TON為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通發(fā)時(shí)間，當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，電感電壓：

其中TOFF為開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)間，根據(jù)伏秒平衡原則，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)斷開(kāi)流過(guò)電感的電流大小相等，則占空比：

進(jìn)而得出經(jīng)過(guò)單級(jí)升高后的電壓大小為

由于本系統(tǒng)所需升壓較高，故需要采取多級(jí)升壓電路.系統(tǒng)的升壓電路采用德州儀器公司（Texas Instruments，TI）的TPS55340 開(kāi)關(guān)電源芯片，開(kāi)關(guān)頻率可在100～1200 kHz 之間調(diào)節(jié).整體多級(jí)倍壓電路原理圖如圖4 所示.原理圖中的電容C6，C7，C8，C10，C11，C12與二極管D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7共同對(duì)電壓進(jìn)行放大.其中，電容除了起到儲(chǔ)能作用之外，還對(duì)每?jī)蓚€(gè)二極管之間電壓起到均衡作用，二極管在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)起到續(xù)流作用，防止燒壞芯片.L2，L3，C15，C16組成的π型濾波在布局的時(shí)候放在反饋電壓之后，以防止輸出紋波過(guò)大導(dǎo)致升壓時(shí)間常數(shù)過(guò)大，燒壞二極管.

圖4 多級(jí)倍壓電路

該電路還需要考慮的是，APD 的擊穿電壓會(huì)隨著環(huán)境溫度的增加而增加，如果系統(tǒng)在工作時(shí)環(huán)境溫度變化較大，可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定.為解決該問(wèn)題，本電路加入了溫度補(bǔ)償模塊.多級(jí)倍壓電路的輸出電壓為

其中VREF為開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部提供的定值電壓.R7為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，隨著溫度的增加阻值降低.當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，R7的阻值下降，多級(jí)倍壓電路輸出電壓上升，這樣就補(bǔ)償了由于溫度變化造成的APD 所需擊穿電壓的變化.

經(jīng)測(cè)試，多級(jí)倍壓電路的輸出端電壓穩(wěn)定在95 V，可以使系統(tǒng)所用APD正常工作.

3.2.2 高速I(mǎi)-V轉(zhuǎn)換電路

APD 在工作的情況下將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，I-V 轉(zhuǎn)換電路的作用就是將這個(gè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)一步處理，使終端的網(wǎng)口或是設(shè)備能夠識(shí)別該信號(hào)并進(jìn)行電平判決.由于本系統(tǒng)應(yīng)用于高速通信場(chǎng)景，因此要求I-V 轉(zhuǎn)換電路具有較高的增益帶寬積.該I-V 轉(zhuǎn)換電路采用具有低噪聲、高增益帶寬積的芯片OPA657U.電路原理圖如圖5所示.

圖5 高速I(mǎi)-V轉(zhuǎn)換電路

本I-V 轉(zhuǎn)換電路采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋的形式，將APD 產(chǎn)生的電流信號(hào)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào).其中R4為該轉(zhuǎn)換電路的核心電阻，交流輸出電壓公式為

需要注意的是，當(dāng)運(yùn)放反饋的方式為負(fù)反饋時(shí)，電路在工作情況下一般會(huì)進(jìn)入深度負(fù)反饋狀態(tài)，若此時(shí)信號(hào)頻率過(guò)高，則芯片內(nèi)部晶體管的極間電容起到的作用不容忽視，在某個(gè)頻率點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生附加相移nπ，導(dǎo)致本來(lái)在該頻點(diǎn)的負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答?，電路開(kāi)始出現(xiàn)自激振蕩，從而干擾正常信號(hào)的傳輸，因此電路采用密勒補(bǔ)償電容C4將主極點(diǎn)向低頻移動(dòng)以消除自激.從芯片輸出的電信號(hào)經(jīng)C5進(jìn)行交流耦合輸出至下一模塊.

3.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由網(wǎng)口直接輸出的以太網(wǎng)信號(hào)需要通過(guò)電路進(jìn)行提取之后，才能進(jìn)一步處理以滿足系統(tǒng)需要.另外，以太網(wǎng)信號(hào)是一個(gè)差分信號(hào)，而在可見(jiàn)光通信技術(shù)中，加載到光源兩端的信號(hào)必須是單端信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào).同時(shí)，輸入設(shè)備或者以太網(wǎng)網(wǎng)口的信號(hào)必須為差分信號(hào)，因此在光電檢測(cè)電路之后必須設(shè)計(jì)將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的模塊.基于以上考慮，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)分為以太網(wǎng)信號(hào)提取電路、差分轉(zhuǎn)單端電路以及單端轉(zhuǎn)差分電路三個(gè)部分.

3.3.1 高速I(mǎi)-V轉(zhuǎn)換電路

以太網(wǎng)信號(hào)提取電路的作用是直接將以太網(wǎng)物理層差分信號(hào)提取出來(lái)進(jìn)行通信，而無(wú)須經(jīng)過(guò)發(fā)送端編碼映射、數(shù)字調(diào)制以及接收端的解映射、解調(diào)等復(fù)雜的信號(hào)處理操作，從而得以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并減小信噪比損失.圖6是本系統(tǒng)的以太網(wǎng)信號(hào)提取電路原理圖.采用帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45 接口HR911105 作為以太網(wǎng)信號(hào)的輸入接口.在進(jìn)行下行鏈路通信時(shí)，以太網(wǎng)信號(hào)由T+、T-端進(jìn)入接口，經(jīng)處理后，提取的信號(hào)由R+、R-端輸入下級(jí)電路模塊.在進(jìn)行上行鏈路通信時(shí)，由設(shè)備上傳的信號(hào)由R+、R-端進(jìn)入接口，經(jīng)由本模塊處理為以太網(wǎng)口可識(shí)別的信號(hào)，并從T+和T-端傳回以太網(wǎng)口.

圖6 以太網(wǎng)信號(hào)提取電路

3.3.2 差分轉(zhuǎn)單端電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的差分轉(zhuǎn)單端電路的設(shè)計(jì)芯片采用差分接收器放大芯片AD8130，它的-3 dB 帶寬達(dá)到270 MHz，且在高頻率工作時(shí)仍然具有極高的共模抑制比.因此非常適用于高速差分信號(hào)傳輸.圖7 是本系統(tǒng)的差分轉(zhuǎn)單端電路原理圖.

圖7 差分轉(zhuǎn)單端電路

經(jīng)提取的以太網(wǎng)信號(hào)從VIN+和VIN-端進(jìn)入電路，從VOUT端輸出，輸出信號(hào)計(jì)算式為

3.3.3 單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的單端轉(zhuǎn)差分電路采用低失真差分ADC驅(qū)動(dòng)器AD8138 作為核心芯片，其-3 dB 帶寬達(dá)到320 MHz，壓擺率達(dá)到1150 V/us，具有低諧波、低失真等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示.

圖8 單端轉(zhuǎn)差分電路

由光電轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)由VIN端輸入電路，經(jīng)處理后由VOUT+和VOUT-端輸出差分信號(hào).輸出的差分信號(hào)大小為

3.4 整體電路集成

由于本系統(tǒng)包含電路模塊較多，各個(gè)模塊之間需要用傳輸線連接，這對(duì)整體系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性都會(huì)造成一定的影響.因此，將整體電路進(jìn)行集成化處理，將以上所述模塊整合到一塊PCB 板上，不僅減小了占用面積，也增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以真正應(yīng)用到實(shí)際生活中.圖9是集成后的PCB版圖以及實(shí)物圖.

圖9 集成后的PCB版圖以及實(shí)物圖

為了考慮方便家庭安裝使用，本研究將集成后的電路板封裝在結(jié)構(gòu)模塊中，成品如圖10 所示.整體模塊通過(guò)RJ45 接口網(wǎng)線與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并使用USB 接口供電.同時(shí)，本研究將激光器、APD 和透鏡從電路中分離出來(lái)并單獨(dú)封裝，以方便調(diào)節(jié)與對(duì)準(zhǔn).

圖10 系統(tǒng)集成封裝后的成品圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析

4.1 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)所用的發(fā)射光源為紅色激光器，工作過(guò)程中激光器的驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)置為4.5 V.分別使用光譜分析儀（Spectrometer，SPECTRO 320）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，Keysight E5071C）測(cè)量激光器在工作電壓下的光譜和帶寬，結(jié)果如圖11 所示，峰值波長(zhǎng)約為655 nm，帶寬約242 MHz.光電探測(cè)器則選用硅基APD，型號(hào)為L(zhǎng)SIAPD-S200，響應(yīng)波長(zhǎng)為400～1700 nm，帶寬為1.25 GHz.

圖11 系統(tǒng)所用激光器的光譜與頻率響應(yīng)

為了測(cè)試系統(tǒng)整體通信性能，如圖12搭建測(cè)試鏈路，分別測(cè)量系統(tǒng)的帶寬和不同速率下的眼圖與誤碼率.

圖12 系統(tǒng)性能測(cè)試鏈路

在如圖12（a）的帶寬測(cè)試鏈路中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口在近端模塊的輸入端加載掃頻信號(hào)，遠(yuǎn)端模塊在收到掃頻信號(hào)后將結(jié)果輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的2 端口.系統(tǒng)的頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖13 所示，整體系統(tǒng)的-3 dB帶寬可達(dá)到42 MHz，可以適用于高速通信場(chǎng)景.

圖13 整體系統(tǒng)頻率響應(yīng)

在如圖12（b）的眼圖測(cè)試鏈路中，任意波形發(fā)生器（AWG，Keysight M8190A）在近端模塊輸入端產(chǎn)生不同速率的非歸零開(kāi)關(guān)鍵控27-1 位偽隨機(jī)位序列碼（PRBS-7），使用高速示波器（High-speed Oscilloscope，Keysight dssav134a）分析輸出波形的眼圖，結(jié)果如圖14 所示.在速率為100 Mbps和150 Mbps時(shí)，眼圖清晰開(kāi)放，速率為200 Mbps時(shí)，眼圖變得不清晰.

圖14 系統(tǒng)不同傳輸速率下的眼圖情況

在如圖12（c）的誤碼率測(cè)試鏈路中，在接收端使用誤碼率分析儀（BERT，BitAlyzer BA）測(cè)試不同比特速率下的誤碼率，誤碼率閾值設(shè)為3.8×10-3，測(cè)試結(jié)果如圖15 所示.綜合眼圖與誤碼率的測(cè)試結(jié)果，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)速率為150 Mbps的高速信號(hào)傳輸.

圖15 系統(tǒng)不同傳輸速率下的誤碼率情況

4.2 全雙工以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)

基于可見(jiàn)光的全雙工以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖16所示.整體通信鏈路分為上行鏈路和下行鏈路，近端與遠(yuǎn)端分別用兩個(gè)相同的集成模塊進(jìn)行以太網(wǎng)信號(hào)傳輸，在光路傳輸過(guò)程中加入了反射鏡以增加通信距離.系統(tǒng)遠(yuǎn)端的終端連接著家用設(shè)備以供上網(wǎng)，如本次測(cè)試所用的家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)電視.上、下行鏈路的傳輸原理相同，通信距離達(dá)到10 m.

圖16 基于可見(jiàn)光的室內(nèi)全雙工以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在使用本文系統(tǒng)之前，先采用網(wǎng)線直連的方式使數(shù)字網(wǎng)絡(luò)電視連接實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的100 Mbps 以太網(wǎng)網(wǎng)口，并且隔十分鐘測(cè)試一次設(shè)備的上傳和下載速度.然后再使用本文系統(tǒng)連接設(shè)備以供上網(wǎng)，采用同樣的方法測(cè)試網(wǎng)速，使用網(wǎng)線直連方式以及本文系統(tǒng)連網(wǎng)方式上網(wǎng)時(shí)設(shè)備的上傳、下載速度的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖17所示，其中黑色虛線表示設(shè)備采用網(wǎng)線直連方式上網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)速，而紅色實(shí)線表示設(shè)備使用本文系統(tǒng)上網(wǎng)的網(wǎng)速.由結(jié)果可見(jiàn)，使用該系統(tǒng)上網(wǎng)的設(shè)備上傳速度與下載速度與采用網(wǎng)線直連方式時(shí)的速度基本一致，上傳速度維持在30～40 Mbps，下載速度維持在90～100 Mbps，即表明本系統(tǒng)可以進(jìn)行100 Mbps以太網(wǎng)的全雙工傳輸.

圖17 采用網(wǎng)線直連方式以及本文系統(tǒng)連網(wǎng)方式上網(wǎng)時(shí)，設(shè)備的上傳、下載網(wǎng)速測(cè)試結(jié)果對(duì)比

在通信過(guò)程中，測(cè)試了以太網(wǎng)信號(hào)在輸入系統(tǒng)前的波形以及信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)傳輸之后的波形，結(jié)果如圖18所示.100 Mbps 以太網(wǎng)信號(hào)采用MLT-3 編碼，信號(hào)分為“正電位”“負(fù)電位”“零電位”三種狀態(tài)，從圖中可見(jiàn)，經(jīng)系統(tǒng)輸出后的以太網(wǎng)信號(hào)幅度與輸入前的幅度大致相同，雖然存在失真但依然可以清晰分辨電位狀態(tài)，滿足以太網(wǎng)通信要求.

圖18 輸入系統(tǒng)前后的以太網(wǎng)信號(hào)對(duì)比

本研究在測(cè)試過(guò)程中嘗試移動(dòng)接收端模塊，發(fā)現(xiàn)在保證入射光依舊照射在透鏡范圍內(nèi)情況下，接收端移動(dòng)微小的距離以及轉(zhuǎn)動(dòng)較小的角度范圍，整體系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定通信.

在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，本研究還分別在黑暗環(huán)境、正午窗外陽(yáng)光加室內(nèi)燈光環(huán)境、白光手電筒近距離照射下的極限環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)通信測(cè)試.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在黑暗環(huán)境，還是在有較強(qiáng)的環(huán)境光與人造光照射下的環(huán)境，該系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定傳輸100 Mbps 的以太網(wǎng)信號(hào)，并且誤碼率無(wú)明顯變化，因此該系統(tǒng)能夠在多種光強(qiáng)環(huán)境下使用.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng).該系統(tǒng)的近端和遠(yuǎn)端由以太網(wǎng)接口處理電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、單端轉(zhuǎn)差分電路、光源驅(qū)動(dòng)電路、光電檢測(cè)電路等模塊組成，并集成封裝，在不經(jīng)調(diào)制的情況下，上、下行鏈路都基于可見(jiàn)光通信技術(shù)對(duì)以太網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行傳輸.通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)地測(cè)試的情況下實(shí)現(xiàn)了通信距離為10 m 的100 Mbps 以太網(wǎng)全雙工通信，可以實(shí)現(xiàn)家庭數(shù)字網(wǎng)絡(luò)電視、電腦等數(shù)字終端的高速遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)通信.同時(shí)為了進(jìn)一步適應(yīng)未來(lái)高速通信的需求，本課題組計(jì)劃在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分模塊進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，例如替換主要限制系統(tǒng)帶寬的跨阻放大、信號(hào)處理模塊所用芯片，增加整體帶寬，并重新設(shè)計(jì)更合適的外圍電路，以減小信號(hào)失真、增加信噪比，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)1 Gbps，10 Gbps以太網(wǎng)通信.