摘要：為了實現更高效、穩(wěn)定的數據傳輸，基于可見光通信技術，設計了一套全雙工以太網通信系統(tǒng)。首先，對通信系統(tǒng)結構進行設計，涵蓋系統(tǒng)組成與通信過程；其次，詳細地設計了系統(tǒng)硬件電路，包括光源驅動電路、光電檢測電路、信號轉換電路等；最后，通過系統(tǒng)模擬與實驗驗證來分析通信系統(tǒng)的性能。為電力通信提供了一種創(chuàng)新的通信解決方案，也為以太網通信技術的創(chuàng)新與發(fā)展提供了有益參考與借鑒。

關鍵詞：可見光通信全雙工以太網通信系統(tǒng)

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

隨著信息技術的飛速發(fā)展，以太網通信技術作為現代網絡的基礎，其穩(wěn)定性與性能對數據傳輸質量至關重要?？梢姽馔ㄐ抛鳛樾屡d的無線通信技術，具備無電磁干擾、高頻譜效率等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應用。然而，以太網通信中，可見光通信的實際應用仍處于初級階段，特別是全雙工通信系統(tǒng)的實現與應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，深入探索并設計全雙工以太網通信系統(tǒng)具有積極意義。

1通信系統(tǒng)結構設計

1.1系統(tǒng)組成

為了保障通信質量，系統(tǒng)設計注重低噪聲處理與光電信號的高效轉換。選用LED燈作為信號載體，使用上、下行鏈路來實現安全和高速的數據傳輸。全雙工以太網通信系統(tǒng)主要包括發(fā)射端和接收端兩部分，其中，發(fā)射端集成光調制與基帶處理模塊，用于將以太網信號編碼后加載至LED燈光上，從而實現光信號發(fā)射；接收端則配備基帶接收機與光接收前端，用于捕獲光信號、轉換與解碼，并恢復原始以太網數據[1]。同時，上行鏈路靈活多樣，可選擇射頻Wi-Fi或可見光鏈路，以靈活地適應不同的應用場景需求。圖1為可見光通信系統(tǒng)組成示意圖。

1.2通信過程

系統(tǒng)通信過程主要涵蓋下行鏈和上行鏈路。在下行鏈路中，近端設備首先將以太網信號進行處理，通過差分轉單端和光源驅動后，由激光器發(fā)射出光信號。該光信號經過光信號傳輸到達遠端設備，經由透鏡聚焦至雪崩光電二極管（AvalanchePhotoDiode，APD），實現光電轉換，再經過單端轉差分處理，最終提取出以太網信號供家用設備使用。上行鏈路過程則相反，遠端家用設備發(fā)出信號，經過以太網提取、差分轉單端、光源驅動、激光器發(fā)射，光信號再次通過光信號傳輸回到近端，完成相同的光電轉換與信號處理流程，以此實現數據從遠端到近端的傳輸[2]。該設計實現了以太網信號在可見光通信系統(tǒng)中的全雙工、高效、穩(wěn)定地傳輸。圖2為以太網通信過程示意圖。

2系統(tǒng)硬件電路設計

2.1光源驅動電路設計

光源驅動電路主要包含放大和偏置兩大功能模塊。為了濾除信號中的噪聲，交流信號輸入后端特別設計了由電容C1與電阻R1組成的濾波電路。為了確保光源在穩(wěn)定線性區(qū)域工作，并提高交流信號的精確度，精心地設定了電阻R2和R3的比率。放大電路用于進一步增強這些信號，并將它們與直流信號一起施加到光源上，從而實現信號的發(fā)射。該電路一方面確保了信號的有效轉換和發(fā)射，另一方面通過精細的電路調控，保障了信號傳輸的質量和穩(wěn)定性。

2.2光電檢測電路設計

2.2.1開關電源boost電路

設計選擇的APD的反向擊穿電壓處于95V左右。為了實現所需的高電壓，設計了開關電源Boost電路。該電路利用電容、自舉升壓二極管等元件，憑借多級放大將電源電壓與電容放電電壓疊加，從而達到升壓目的。其中，單極升壓電路采用三極管作為開關，通過控制開關的斷開與導通時間來調節(jié)輸出電壓。多級升壓電路則采用TPS55340開關電源芯片，以進一步提升電壓。此外，電路中還加入了溫度補償模塊，以有效地應對APD擊穿電壓隨環(huán)境溫度變化的問題，確保了電路的穩(wěn)定性[3]。

2.2.2高速I-V轉換電路

為了更好滿足高速通信需求，高速I-V轉換電路需具備高增益帶寬積。因此，選用高增益帶寬積、低噪聲的芯片，設計了一種帶電壓并聯負反饋結構的I-V轉換器，以實現從電流至電壓信號的準確轉換。電路內關鍵電阻決定了交流電壓的輸出水平。此外，為了避免高頻信號下的自激振蕩，該電路還引入了密勒補償電容，有效地消除了自激現象[4]。經轉換的電壓信號利用電容完成交流耦合，輸出至下一模塊，完成進一步處理，確保終端網口或設備可以準確地識別并判決信號，從而保障通信系統(tǒng)的高速、穩(wěn)定運行。

2.3信號轉換電路設計

2.3.1以太網信號提取電路

以太網信號提取電路主要負責直接從物理層捕獲以太網信號，省去了復雜的信號編碼、調制解調、解映射等過程[5]。該設計有助于簡化系統(tǒng)架構，并最小化信噪比的損失。該電路采用了集成網絡變壓器的RJ45接口來接收信號。在下行鏈路通信中，信號利用T-和T+端口傳入該接口，經過內部處理后，再經R-和R+端口輸出至下一電路模塊。在上行鏈路中，需要上傳的信號經R-和R+端口進入接口，處理并轉變成以太網格式，隨后，再從T-和T+端口發(fā)送回以太網接口，從而達成精確地識別和高效地傳輸信號的目的。

2.3.2差分轉單端電路

設計采用了性能卓越的差分接收器放大器AD8130，該芯片具備高達270MHz的-3dB帶寬，并在高頻操作中維持出色的共模抑制性能，尤其適合高速差分信號的傳輸。以太網差分信號借助VIN-和VIN+端輸入，處理完成后，從VOUT端以穩(wěn)定單端信號的形式進行輸出[6]。此電路設計保障了差分信號的有效且高效轉換，為后續(xù)的信號處理環(huán)節(jié)提供了穩(wěn)定且可靠的單端信號輸出，進而確保了整個信號傳輸鏈路的穩(wěn)定性和性能。

2.3.3單端轉差分電路

選用具有快速響應特性與高帶寬的差分ADC驅動器AD8138，其壓擺率達到1150V/us、-3dB帶寬高達320MHz，確保了低失真和低諧波的卓越性能表現。光電轉換電路輸出的信號經VIN端口輸入，完成電路處理后，從VOUT-、VOUT+端口輸出高質量的差分信號。該電路設計確保了信號從單端到差分的有效轉換。

2.4整體電路集成

通過將多個電路模塊整合到一塊PCB板上，實現了整體電路的集成化，一方面有效地減小了占用面積，另一方面顯著地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與此同時，采用封裝在定制結構中的集成電路板，并運用RJ45網線接口來有效地簡化家庭端的安裝與數據傳輸，同時借助USB接口完成供電，提升了使用的便捷性[7]。此外，為有效地增強調節(jié)和對準的靈活性，還特地將APD、激光器、透鏡等組件從電路中分離出來，并完成了獨立的封裝設計，以此顯著地提升了系統(tǒng)的實際應用價值。

3系統(tǒng)模擬與實驗驗證

3.1系統(tǒng)模擬

系統(tǒng)模擬有助于驗證設計方案的有效性，并為后續(xù)實驗驗證提供指導。具體操作流程分成以下幾個關鍵階段。首先，構建通信系統(tǒng)模型。該模型應涵蓋通信環(huán)境、光檢測器、信號處理、網絡接口、光源等關鍵組件。光檢測器與光源模型搭建應嚴格遵循其實際物理特性。其次，借助MATLAB等仿真工具完成系統(tǒng)模擬，生成輸入信號，在此基礎上，預測輸出信號，同時也對噪聲、環(huán)境光等干擾進行模擬，以顯著增強仿真的準確性。最后，詳細地分析與評估了仿真數據，重點分析和觀察信號強度、信噪比、傳輸速率與誤碼率等關鍵性能指標，并據此靈活地調整設計參數，進而優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

3.2實驗方法與設備

在實驗設備方面，其主要包括：用來監(jiān)測和分析系統(tǒng)性能的頻譜分析儀、示波器等，用作網絡接口或處理信號的計算機或微處理器，用來發(fā)射與接收光信號的光電二極管等。在實驗方法上，采取以下步驟。首先，執(zhí)行單元測試，驗證各組件的功能和性能是否達到預期的設計標準。其次，科學地整合系統(tǒng)，將各部件組裝成一套完整的通信系統(tǒng)。再次，開展系統(tǒng)測試，運用定制的測試信號來檢測通信系統(tǒng)的響應。同時，為了有效地衡量該通信系統(tǒng)在多樣化環(huán)境條件下的性能，將在多種通信環(huán)境中實施性能評估，包括但不限于不同的環(huán)境光照與通信距離。通過動態(tài)調整設計參數來持續(xù)優(yōu)化實驗，以確定最優(yōu)的設計參數配置。最后，通過長期的穩(wěn)定性測試來保障通信系統(tǒng)在實際使用中的持久性與可靠性。

3.3實驗及結果分析

為了全面、客觀地評估通信系統(tǒng)，收集了不同設計參數、測試信號與通信環(huán)境下的性能數據與輸出信號等。通過分析與處理這些數據，計算出一系列關鍵性能指標，以此為系統(tǒng)性能評估提供堅實的數據支撐。然后，進一步探討了不同因素對系統(tǒng)性能的影響。例如：環(huán)境光可以顯著影響信噪比，通信距離會顯著影響誤碼率與信號強度等?；谶@些分析結果，合理、靈活地調整設計參數，以提升系統(tǒng)性能。通過增加光源的強度，有助于大幅地降低誤碼率；在光檢測器前增設濾波器，起到減少環(huán)境光干擾的作用，進一步提升了系統(tǒng)性能。

4結語

綜上所述，通過系統(tǒng)結構、硬件電路設計，以及模擬與實驗驗證等內容，本文成功地搭建了一個實用且高效的可見光以太網通信系統(tǒng)，實現了數據的快速、穩(wěn)定傳輸。未來，將持續(xù)研究與探索更多先進的通信技術，將其與可見光通信技術進行有效的融合，以進一步提高數據傳輸速率與穩(wěn)定性，優(yōu)化以太網通信系統(tǒng)的性能，更好地滿足更廣泛的應用需求，以此推動以太網通信技術在更多領域得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1]盧霆威，王澤平，劉夢，等.基于可見光通信技術的全雙工以太網通信系統(tǒng)設計[J].電子學報，2022，50（1）：45-53.

[2]程光磊.可見光通信與機器視覺聯合定位系統(tǒng)設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2023.

[3]何曉舟，王子彥，劉浩，等.機載無線通信系統(tǒng)抗干擾類型及技術實踐[J].科技資訊，2023，21（10）：5-8.

[4]陳嬌嬌，鄧雪爽.基于快速以太網的可見光通信系統(tǒng)設計與實現[J].商洛學院學報，2024，38（2）：40-45，65.

[5]李長江.基于索引調制OFDM的可見光通信系統(tǒng)設計與研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2023.

[6]黃文早.基于可見光通信技術的以太網通信系統(tǒng)設計[J].信息記錄材料，2023，24（9）：167-169，172.

[7]伏根來.通信技術在電力系統(tǒng)安全中的應用[J].科技資訊，2022，20（3）：31-33.