孫欣欣，王延軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050000）

0 引言

可見光通信技術(shù)（visible light Communication，VLC）是現(xiàn)階段一種新型的無線通信模式，是由400～700 nm波長范圍的可見光為媒介實(shí)現(xiàn)無線通信[1]。因此，該技術(shù)不僅具備現(xiàn)有射頻通信無法比擬的通信速度和頻譜資源，還具備高帶寬、防電磁干擾以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，所以在室內(nèi)外通信、軍事等領(lǐng)域中擁有廣闊的發(fā)展前景。基于此，本文通過利用可見光通信技術(shù)替代微波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其展開探究。

1 可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成

首先，可見光通信系統(tǒng)又被稱為雙向全雙工系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上行鏈路和下行鏈路等兩個(gè)部分構(gòu)成。取其中LED照明設(shè)備為下行鏈路的下行數(shù)據(jù)發(fā)射器，通過將信號(hào)加載到LED燈上發(fā)出可見光，而此時(shí)載有信號(hào)的可見光就會(huì)在室內(nèi)信道中進(jìn)行傳輸，最后由用戶端的線性接收端實(shí)現(xiàn)可見光接收。上行鏈路具備多種類型，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場景來選擇不同類型的鏈路，一般上行鏈路分為可見光鏈路、射頻WiFi鏈路等。同時(shí)，上行鏈路的光鏈路設(shè)計(jì)與下行鏈路設(shè)計(jì)相同，但上行鏈路發(fā)射器并不需要通過照明就能夠?qū)崿F(xiàn)。其次，可見光通信系統(tǒng)的由3個(gè)部分構(gòu)成：發(fā)射端、信號(hào)以及接收端，具體見圖1所示。

圖1 可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

其中，發(fā)射端和接收端均具備基帶和光等兩個(gè)部分。光的發(fā)射與接收等前端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)與電信號(hào)兩者之間的轉(zhuǎn)換，而基帶發(fā)射端實(shí)現(xiàn)了對(duì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的編碼和調(diào)制處理，而接收端則實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解碼、調(diào)制等處理工作[2]。

2 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)可見光通信技術(shù)設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)主要由近端和遠(yuǎn)端等兩個(gè)模塊構(gòu)成。其中，近端模塊主要是借助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的以太網(wǎng)光貓為終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收工作；而遠(yuǎn)端模塊設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接，進(jìn)程數(shù)據(jù)的上傳與下載工作。并且，兩個(gè)模塊的硬件完全一致，實(shí)現(xiàn)了全雙工通信設(shè)計(jì)，具體見圖2所示。

圖2 基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)圖

受現(xiàn)有LED調(diào)制帶寬大小的影響，無法充分滿足以太網(wǎng)的高速通信，由于LED時(shí)發(fā)散光源，因此在實(shí)現(xiàn)全雙工通信時(shí)，系統(tǒng)的上、下行鏈路的LED光源在同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，會(huì)發(fā)生串?dāng)_的現(xiàn)象，無法有效滿足高速、長距離的遠(yuǎn)程通信需要。所以，本文選擇利用具備高帶寬的紅色激光器為發(fā)射光源，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)傳輸。則系統(tǒng)的接收端利用光電二極管為本系統(tǒng)的光電探測器，并通過在探測器前端加裝透鏡，以此提高通信的距離[3]。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 光源驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，通過將通信信號(hào)加載到光源之上，以此實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)與光信號(hào)兩者之間的轉(zhuǎn)換。而以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，具體見圖3所示。光源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，分為放大和偏置等兩部分，從圖3上看，當(dāng)交流信號(hào)輸入口后端是由R1與C1共同構(gòu)成了濾波電路，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)噪聲的過濾。而R2和R3兩者的比值對(duì)輸入的靜態(tài)工作點(diǎn)有著直接的影響，從而使得光源穩(wěn)定工作在線性區(qū)間，使得輸出的交流信號(hào)無失真現(xiàn)象的發(fā)生。而放大部分電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步將信號(hào)進(jìn)行放大，通過將直流信號(hào)與交流信號(hào)共同加載到光源的兩端，以此實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的發(fā)射[4]。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)示意圖

3.2 光源檢測電路模塊設(shè)計(jì)

該模塊的設(shè)計(jì)主要是由光電探測器，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理。而本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中選擇利用APD作為探測器。首先，從開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)方面來看，本文在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用的光源探測器的反向擊穿電壓接近95 V，因此需要利用自舉升壓二極管和自舉升壓電容等相關(guān)電子元器件，實(shí)現(xiàn)電容放電電壓與電源電壓的疊加，以此使得電壓能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)放大。而當(dāng)單極升壓電路的三極管導(dǎo)通時(shí)，其電感電壓的公式為：

從上述公式（1）中來看，tON代表了開關(guān)管導(dǎo)通發(fā)的時(shí)間，所以當(dāng)k斷開時(shí)，則其電感電壓為：

從公式（2）上來看，tOFF代表了開關(guān)管得斷開時(shí)間，在結(jié)合伏秒平衡原則下，開關(guān)導(dǎo)通以及開關(guān)斷開流過的電感電流之間的大小相等，所以其占空比則為：

以此可以得出經(jīng)過單級(jí)升高之后的電壓大小為：

由于，基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要升壓較高。因此，需要利用多級(jí)升壓電路才能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓支持。

其次，高速轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，為APD工作狀態(tài)下接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電流信號(hào)，進(jìn)行處理，以此使得以太網(wǎng)終端的網(wǎng)口或使用的設(shè)備能夠?qū)D(zhuǎn)換后的電流信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行電平判決。在轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)，還需要具備高增益帶寬積。

3.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過網(wǎng)口直接輸出的以太網(wǎng)信號(hào)，需要借助電路進(jìn)行提取和處理之后，才能夠滿足系統(tǒng)的需求。同時(shí)，以太網(wǎng)信號(hào)作為一個(gè)差分信號(hào)，而可見光通信技術(shù)需要單端信號(hào)才能夠進(jìn)行傳輸。并且輸入設(shè)備以及以太網(wǎng)網(wǎng)口的信號(hào)設(shè)計(jì)必須為差分信號(hào)，因此在檢測電路模塊設(shè)計(jì)之后，還需要針對(duì)其差分信號(hào)模塊進(jìn)行充分的考慮，進(jìn)行信號(hào)提取電路、差分轉(zhuǎn)單端電路和單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計(jì)[5]。

首先，以太網(wǎng)信號(hào)提取電路的功能是通過直接的方式，將以太網(wǎng)物理層差分信號(hào)通過提取之后，在進(jìn)行通信。整個(gè)過程并不需要經(jīng)過發(fā)送端的編碼映射、調(diào)制和接收端的解碼和解調(diào)等操作，就能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)通信，并使得降低信噪比的損失。其次，差分轉(zhuǎn)單端電路設(shè)計(jì)，主要利用差分接收器放大芯片來實(shí)現(xiàn)，該芯片能夠在高頻率工作狀態(tài)下，依然具備極高的共模抑制比。所以符合高速差分信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用[6]。具體差分轉(zhuǎn)單端電路的公式為：

從（6）公式上來看，以太網(wǎng)信號(hào)通過從VIN+和VIN一端進(jìn)入到電路中，然后從VOUT端輸出。

而單端轉(zhuǎn)差分電路的設(shè)計(jì)，本文主要選擇利用低失真差分ADC驅(qū)動(dòng)器為此電路的主要核心芯片。其中，該芯片的-3 dB帶寬達(dá)到了320 MHz，壓擺率達(dá)到了1 150 V/us，具備了低諧波和低失真等特點(diǎn)。

3.4 整體電路集成模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信系統(tǒng)包含了多種電路模塊，而這些模塊之間需要利用傳輸線實(shí)現(xiàn)模塊連接，因此這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生一定程度的影響。所以，需要對(duì)系統(tǒng)的整體電路進(jìn)行集成化處理，簡單來說就是將系統(tǒng)上述模塊集成在一塊PCB板之上，這樣一來不僅降低了模塊的占用面積，還使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。同時(shí)，為了便于安裝，本文針對(duì)集成之后的電路板，將其封裝在了結(jié)構(gòu)模塊之中。而整體模塊的設(shè)計(jì)，通過RJ45接口網(wǎng)線和終端等實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互傳輸+。

3.5 光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)主要由主控制機(jī)器、網(wǎng)絡(luò)控制器以及以太網(wǎng)接口電路等3個(gè)部分構(gòu)成。其中，以太網(wǎng)接口選擇具備網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器功能的HR911105A來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)。

3.6 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

首先，本文以STM32F芯片為主處理器，實(shí)現(xiàn)光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。該芯片主要作用于驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)控制器和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等工作。而以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計(jì)，則是由網(wǎng)絡(luò)控制器和主處理器等部分構(gòu)成。其次，ENC28J60芯片作為一個(gè)具備MAC與PHY，支持半雙工模式和全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)控制器。其內(nèi)部物理層選擇利用過濾機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)傳入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制；其接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)SPI串行接口，在4根線的作用下，即可以實(shí)現(xiàn)和主控芯片的通信。網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計(jì)，在（TPIN+/TPIN-）與（TPOUT+/TPOUT-）等差分腳上需要進(jìn)行1:1的脈沖變壓器連接。同時(shí)，為保障穩(wěn)壓器的工作穩(wěn)定性，在VCAP的引腳與地兩者之間，還需要利用1 010 μF的穩(wěn)壓電容進(jìn)行連接，為其工作提供保障。

3.7 轉(zhuǎn)換協(xié)議設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要以MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）[7]多階基帶數(shù)字編碼方式為以太網(wǎng)信號(hào)編碼的方式。而MLT-3是一種具備正電平、零電平以及負(fù)電平的雙極性碼。在可見光通信技術(shù)當(dāng)中，通信信號(hào)經(jīng)過調(diào)制之后，到LED光源上的TTL電平，在光源的明暗變化下可以在自由的空間中進(jìn)行信號(hào)傳輸。其中TTL電平是一種具備正電平和零電平的單極性碼。而光通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信系統(tǒng)和可見光通信系統(tǒng)兩種傳輸介質(zhì)之間的電平極性轉(zhuǎn)換以及不同通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與性能分析

4.1 以太網(wǎng)通信系統(tǒng)測試

基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)程測試分析，需要搭建一個(gè)具備上、下行鏈路和家用設(shè)備的可用于測試的平臺(tái)（具體參考見圖2所示）。整個(gè)系統(tǒng)的通信線路設(shè)計(jì)在上行鏈路和下行鏈路以及近端模塊、遠(yuǎn)端模塊的作用下通過集成模塊實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸。并且，在光路傳輸時(shí)，本文設(shè)計(jì)加入了反射鏡，以此提高以太網(wǎng)通信的距離。為保障該系統(tǒng)的實(shí)用性，本文首先通過利用網(wǎng)線直連的方式與100 Mbps進(jìn)行以太網(wǎng)接口連接，并每隔10 min對(duì)設(shè)備的上傳與下載速度進(jìn)行一次測試。接著，利用基于可見光通信技術(shù)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，進(jìn)行上網(wǎng)連接，并利用上述測試網(wǎng)速的方法進(jìn)行測試。通過對(duì)網(wǎng)線直連模式與本文聯(lián)網(wǎng)模式下設(shè)備的上傳速度和下載速度的測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得知使用以太網(wǎng)通信系統(tǒng)上網(wǎng)的設(shè)備其上傳和下載速度基本上與網(wǎng)線直連模式的速度一致，進(jìn)而證明了該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)100 Mbps以太網(wǎng)傳輸[8]。

其次，為進(jìn)一步證明該系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)測試過程當(dāng)中，通過嘗試移動(dòng)接收端模塊，從中發(fā)現(xiàn)，在保證入射光依舊照射透鏡范圍之內(nèi)時(shí)，接收端的微小距離移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)較小的角度范圍內(nèi)，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通信。最后，本文又分別對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行黑暗和正午環(huán)境等分別對(duì)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的通信進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)證明不管是在哪種情況下，該系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)100 Mbps的以太網(wǎng)信號(hào)傳輸。

4.2 系統(tǒng)性能測試

為驗(yàn)證以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的整體通信性能，本文從鏈路和誤碼率等兩個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。首先從圖4（a）的帶寬測試鏈路方面來看，矢量網(wǎng)絡(luò)分析的端口1在近端模塊的輸入端成功加載掃頻信號(hào)，而遠(yuǎn)端模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)掃頻信號(hào)的接收之后，并將其結(jié)果輸入到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2上。然后，通過對(duì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)方面的測試結(jié)果來分析，該系統(tǒng)的帶寬能夠達(dá)到42 MHz，且能夠有效應(yīng)用于高速通信場景當(dāng)中。其次，從圖4（b）誤碼率測試鏈路上看，通過利用誤碼率分析儀，將去閾值設(shè)置為3.8×10-3，從測試結(jié)果來看，該以太網(wǎng)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)150 Mbps速率的高速信號(hào)傳輸[9]。

圖4 系統(tǒng)的帶寬性能與誤碼率鏈路測試示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，為解決以太網(wǎng)上下行傳輸問題，本文基于可見光通信技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了一種以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。而該通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠在不經(jīng)過調(diào)制的狀況下，上下行鏈路均能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸。同時(shí)，為進(jìn)一步證明該通信系統(tǒng)的可行性，通過搭建測試環(huán)境對(duì)本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)盡心了10 m的100 Mbps遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)通信測試，最后證明了該系統(tǒng)的可靠性。