可见光通信高速传输链路的设计与实现
时间：2023-04-09 13:55:03 来源：千叶帆 本文已影响人
徐兵追
(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)
可见光通信技术是一种新型的短距离无线通信方式，因其安全、绿色、高速等特殊优势而越来越受到人们的欢迎。但由于其自身结电容的影响，大功率LED照明的响应带宽一般小于2 MHz[1]。据悉，10 Mbps的实际通信可以通过MOS管的直接供电方式实现；
通过在发射端加入RC平衡网络和选频谐振电路，在发射端加入测量系统等设备装置后的颜色和RC，可以慢慢提高LED对宽带的影响。硬件的方法会受设备、位置等诸多因素的影响，改装不好。加入软件自检技术可以克服这个困难。基于此,本文给出一条可见光通信链路,除采用硬技术增加通道宽度之外,还采用软的技术对通道加以分析与均衡,有效地解决码间干扰问题,增加了通信速度[1]。
可见光通信用的LED虽然是发光二极管,但实质上是一个续流二极管,利用与少数载流子结合而发出的光子,其发光原理如下。
二极管结构采用PN结构，P区和N区是电子的中间和原子的重区。当电子器件的基极加入耗尽过程时，会产生适当的二极管阻值，抑制原子和电子的延续。如果外部电荷与内置电荷方向相同，此时使用反向电压，则电子空间出现的概率会降低，PN结消耗层会变厚。如果外部电荷的方向与输出电荷的方向不同，则称为电源电流，此时输出电流也随着良好的引导而增加。当电源强时，PN结耗尽层会变薄。N区掺杂剂为施主，低能电子中的外层电子具有较大的活性能，P区掺杂剂为受主，电子层通常通过俘获形成稳定的结构。当施主元素外的原子变成受主的低能壳层后，就可以释放出大的电子。
对于普通二极管，这种能量主要以热的形式耗散，而对于 LED，则以可见光的形式耗散。当给 LED 施加电流时，由于电子空穴的强烈复合，会释放出高能光子。根据普朗克方程E=hy，由于选择了具有某些不同能量的供体和受体元素，原子在跃迁过程中发射的光波的传播受到限制[3],因此利用InGaN的PN结构也可以产生在460 nm范围内的极蓝光。
2.1 模拟部分
模拟部分的设计包括发送器和接收器。在发射端，构建了LED驱动电路和缓冲单元电路。在LED驱动电路中，采用直流控制来控制LED灯的静态工作，在非阻塞电路中采用模拟等效器件来增加与灯的通信宽度。
在接收端，内置了光信号接收模块和信号调理模块，光信号接收模块接收雪崩二极管的光电转换模块，并在120 V的反向偏压下工作。通过 RC 模拟均衡网络增加系统带宽时的噪声。
2.2 数字基带部分
数字基带负责数据与光设备之间的连接，在数据传输过程中，必须将数据转换成光能发送的数据。原始数据被解调并发送回光通道。它仅用于使用FPGA的芯片，包括网络连接模块、高速数据采集和传输、基带中的数据处理。在基带数据处理模块中，采用信道估计技术和数字均衡算法来增加信道的带宽。
光网络的硬件平台可以分为发送端和接收端两部分。在传输端，通过FPGA与D/A转换模块的直接连接，D/A转换模块采用ADI公司的AD 9112器件，具有双通道、16位、1230MSPS的转换速度。最后，通过FPGA与A/D转换器的直接连接，A/D转换器单元可以使用TI Solid公司的ADS5474，最高测量速度为400 MSPS。除上述设备外，我们还提供电子设备的集成驱动和接收端的电子设备[4]。
3.1 发送端驱动电路
发送端的LED驱动电路设计如图1所示。信号经第二级D/A输出放大，第一级经过二阶多通滤波。目标是控制低频响应，从而测量 LED 的带宽。第二个层次是输出的功率。一级使用 OPA 2674 放大器，它以4倍的增益实现了 220 MHz 的最大带宽。第二台发生器采用日本三菱公司的RD06HVFl射频功放管，175 MHz时最大输出可超过6 W。另外在E型灯中，各类照明的输出最高可达700 mA，最大输出功率可达3 W。
图1 发送端LED驱动电路结构
3.2 接收端驱动电路
发送侧光电转换电路的设计如图2所示。光信号从受电侧被光电二极管吸收，浅红色光的大小变化会变成大小的变化。由于光电二极管是 AD500-9 雪崩二极管，它的输入带宽为 500 MHz。由于通过雪崩二极管的电流很小，因此应使用增益较大的跨阻放大器将参考电流的变化转换为电流大小的变化[5]。选用了TI的opA657的跨阻运算放大器,其最大带宽与增益积均为1.6G,从反馈回路串入的最大增益电阻为六烛。而后级的器件则采用了MAX477,带宽可达300 MHz,主要用于进行输出电流放大,并控制后级的A/D模块。雪崩二极管拥有灵敏度好,带宽大的优点,不过必须在很大的负偏压下运行,因为这样会增加二极管自身的暗电流,从而产生大量噪声。为解决这种噪声问题,在设计时使用了两条相同的雪崩管,接于同时运放的两个差分端口,并屏蔽了其中一条雪崩管,让它不接收信息而只产生暗电流,这就使得两条雪崩管的暗电流作用彼此抵消,也因此降低了噪声。
图2 接收端光电转换电路结构
使用通信的一般方法：数据从PC机通过发送器通过100M以太网口发送到FPGA。在FPGA中，将网口的串口数据转换为串口数据，再由加扰单元将串口数据与m序列进行异或加扰，最终物理传输条件成立。然后将估计的光通道数据在传输前进行卷积和预平衡，平衡后的数据经过D/A切换单元后发送到光通道。
光通道中的数据流通常分为两种传输方式，一种是承载用户数据的大数据帧，另一种是空闲时间传输的小空闲帧图像。数据帧通常由3个元素组成，例如用于帧识别和位同步的 56 位前导码，用于识别帧头的 8 位帧分隔符以及关于用户的 4 512 位信息。空闲帧由m个周期为255的序列组成，是用于信道估计的噪声数据。
在接收端,可以利用A/D变换模块在400MSPS速度下完成采样,采样数据进入FPGA后由IDDR模块从单路转为双路,每一路的数据速率就降至原来一半,便于RAM的操作。在帧检测的过程中,将56 bit前导码设计为前后28 bit相同的结构,在每个时钟比较这28 bit的内容,相似度超过一定阈值就判定帧到达。
另外，在数据传输方面，网络接口采用板载RJ45通用端口，而ML 605增长板采用三态以太网接口，支持10 Mbps、100 Mbps和1 000 Mbps通信。通信是一个GMII(Gigabit Media Independent Interface)模块。MII端口功能介绍,MII是由IEEE-802.3所规定的以太网技术标准,包含MAC和PHY之间的端口信息和控制点。数据端口部分有两个独立的发送和接收通道，每个通道上的数据、时钟和控制信息都是单独的,共有16个信道。而管理端口则是在上层进行监测和控制PHY值的端口,有两条信号线。
线路特性试验从误码率测量和单向文件传输两种角度进行,对设计完成的可见光通信线路进行特性试验,以下分别对它们加以说明。
5.1 误码率测试模块
误码率检测模块主要从发射器一端传输随机序列数据帧,从接收器端完成接收和判断工作,并将接收到的判断数据与原发送端的随机序列进行比较，从而在接收端显示误码情况。
发送器首先读取ROM中的帧，然后开始成帧发送，并在每个内容开始时恢复ROM的地址线数据的起始位置，在接收端每当检测到顿开始就重置ROM地址线数据，保证比较的是相对应的数据。比较系统中的时序图，SOF_n信号拉低的时间表示为数据帧的开始时间，每个文件开始前ROM地址复位为零。
在测量误码的过程中，需要计算数据帧数、错误帧数和错误数。经过一定较长时间后得出的数据结果就能够比较真实的反应链路的误码率状态。
通过检测结果,误码率将会随着传输速度的增加而明显增强,在20 Mbps速率下才能实现较低误码率的数据传输。在40 Mbps以上的速度传送时,产生了较多的误码,因此必须增加纠检错编码以进一步减少误码率。
5.2 单向文件传输测试
当建立了可见光数据传输线路之后,链路层的数据传输工作就能够进行下去了,计算机可以通过RJ45的网络接口直接接入基于FPGA网络的发射器和接收器上,再由发送端电脑向接收端电脑传输数据信息等。
因为在FPGA上的数据链路层接口通过固定帧长的数据帧格式实现收发,所以对于计算机来说,普通网络帧并无法直接在链路上实现数据传输,而只有通过处理的稳定帧长数据才能直接在链路上实现数据传输。
搜索软件主要用于Windows操作系统，套接字作为操作通信、IP和UDP等技术广泛应用于应用程序中，为发送和接收信息提供方便的连接。但是，在这里的测试应用程序中，需要在没有标准 Internet 协议的情况下制作简单的数据，并且 sockets 没有直接的方法来承包和获取包含基本信息的包。在软件测试中，WinPcap 常用于数据链路层的发包和包捕获。
WinPcap 模块包括一个包过滤层、一个低级动态链接库(Packet.dll)和一个依赖于内置控件的高级动态链接库(wpcap.dll)。其中NPF (Netgroup Packet Filter)的驱动安装在应用核心上,可以直接使用行动通信的网络设备启动,并具有进行链路层信息捕捉与传输的重要功能。当捕捉到数据流时,控制系统向应用者开放了两个的输入输出接口,比较两个不同的数据库：packet.dll 和 wpcap.dll。使用的第一个低级 API 提供对驱动程序角色的直接访问，并依赖于操作系统的编程接口。第二个展示了一个更好的捕获系统，它可以在不影响网络硬件和管理的情况下捕获信息。
本文主要阐述了一种可见光通信高速数据传输链路的总体设计和实现,在分析了总体设计条件的基础上,给出了基于可见光通信技术的高速数据传输链路的总体方案,并设计完成了包含发射器与接收器的可见光通信硬件电路,同时提供数字基带的技术研究和平台开发以及软件开发。性能测试和系统管理的综合调试结果表明，新开发的照明系统高效、安全，符合工程设计要求。
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