基于以太網(wǎng)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)吳華炳謝彬白仲亮1.可見(jiàn)光通信的概念2.基于以太網(wǎng)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)3.OFDM技術(shù)在可見(jiàn)光通信中的應(yīng)用目錄：可見(jiàn)光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號(hào)來(lái)傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開(kāi)發(fā)前景。

1.可見(jiàn)光通信的概念：

2.基于以太網(wǎng)的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)：可見(jiàn)光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：實(shí)物圖：系統(tǒng)通信鏈路：從計(jì)算機(jī)A向計(jì)算機(jī)B發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的流程是：1.計(jì)算機(jī)A通過(guò)自身的網(wǎng)卡，將需要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)接口處理電路模塊，進(jìn)行濾波和耦合到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊。2.信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)、解擾等處理，并將以太網(wǎng)的MLT-3電平轉(zhuǎn)換成適合LED光源調(diào)制的單極性NRZ電平，再傳輸?shù)焦獍l(fā)射機(jī)模塊。3.光發(fā)射模塊的功能是向LED光源提供驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)將電信號(hào)調(diào)制到LED光源上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電/光轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)的形式，在空氣中傳播。計(jì)算機(jī)B接收來(lái)自計(jì)算機(jī)A的數(shù)據(jù)流程：1.PIN探測(cè)器接收來(lái)自計(jì)算機(jī)A的光信號(hào)，將光信號(hào)變成電信號(hào)。2.變換后的電信號(hào)在光接收機(jī)模塊和以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行放大、時(shí)鐘提取和數(shù)據(jù)判決等處理，處理后的數(shù)據(jù)恢復(fù)出原來(lái)的信息供計(jì)算機(jī)B使用。(1)接口處理電路:接口處理電路主要用于信號(hào)電平耦合，主要作用有：1.將差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波使之得以增強(qiáng)，增大傳輸距離。2.提供芯片與外部模塊的電氣隔離，因?yàn)橥獠啃盘?hào)是通過(guò)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合進(jìn)來(lái)的，隔離了直流分量，避免大直流分量對(duì)芯片的損壞，還起到靜電保護(hù)作用和一定的防雷作用。3.兼容不同模塊。隔離系統(tǒng)模塊與模塊之間的不同電平，以防止不同電壓通過(guò)網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備，使得采用不同電壓供電的模塊可以兼容工作。(2)以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊：計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡與外界局域連接起來(lái)，網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)是把計(jì)算機(jī)要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，組裝成以太網(wǎng)幀，然后通過(guò)網(wǎng)卡的RJ45接口發(fā)送到5類非屏蔽雙絞線上?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)要設(shè)計(jì)功能電路模塊來(lái)完成信號(hào)從雙極性三電平的MLT-3編碼到單極性碼。同樣的道理，來(lái)自光接收器的單極性碼也要通過(guò)功能電路模塊變換成適合雙絞線傳輸?shù)碾p極性三電平的MLT-3編碼。

另外，還有時(shí)鐘提取、信號(hào)判決再生和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊的工作方式是存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)，并不對(duì)4B5B碼進(jìn)行編碼和解碼處理。這種處理方式忽略所有的誤碼，以犧牲糾錯(cuò)性能來(lái)?yè)Q取數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r(shí)延。(3)光源LED的工作原理與特性:a.伏安特性:b.P-I特性:c.調(diào)制特性:

調(diào)制特性是指將電信號(hào)加載到LED光源上變成光信號(hào)的特性。LED的調(diào)制特性主要有兩個(gè)問(wèn)題，一是線性，二是帶寬。LED輸出功率可表示為：

可見(jiàn)光LED驅(qū)動(dòng)調(diào)制技術(shù)：

光波是電磁波的一部分，理論上光通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制方式和電通信系統(tǒng)一樣，都可以通過(guò)調(diào)幅、調(diào)頻及調(diào)相把信息調(diào)制到光上.因?yàn)長(zhǎng)ED光源的頻譜不純，中心頻率也極不穩(wěn)定，出于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)效益上考慮，光通信系統(tǒng)幾乎都采用直接調(diào)制-幅度調(diào)制方式，稱為直接光強(qiáng)度調(diào)制法，即改變光源的激勵(lì)電流，使得光輸出強(qiáng)度隨信號(hào)“0”和“1”的不同而改變，用不同光輸出強(qiáng)度代表不同信號(hào)。LED的模擬調(diào)制技術(shù):設(shè)置好合適的偏置電流，以使靜態(tài)工作點(diǎn)位于LED的P-I特性曲線的中間，避免線性失真，然后再提供足夠大的調(diào)制電流驅(qū)動(dòng)LED光源發(fā)出足夠強(qiáng)的光功率。LED的數(shù)字調(diào)制技術(shù):利用PCM脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)控制LED導(dǎo)通和截止，驅(qū)動(dòng)電路主要起到開(kāi)和關(guān)的作用，LED的P-I特性的非線性對(duì)數(shù)字調(diào)制來(lái)說(shuō)影響很小，所以電路的開(kāi)關(guān)速率，即數(shù)據(jù)調(diào)制速率才是數(shù)字調(diào)制首要考慮問(wèn)題

調(diào)制帶寬是衡量LED的調(diào)制能力的參數(shù),是LED用于無(wú)線光通信的重要參數(shù)之一,它關(guān)系到LED的數(shù)據(jù)傳輸速度大小。LED的調(diào)制帶寬主要受有源區(qū)載流子復(fù)合壽命和PN結(jié)結(jié)電容的影響。在白光LED制造工藝上,除了減少載流子復(fù)合壽命和減小寄生電容,我們還可以采用具有很大的潛在調(diào)制帶寬的多芯片型白光。此外,通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提高LED調(diào)制能力的一種方法。兩種優(yōu)化的研究方法：☆射極耦合電流開(kāi)關(guān)型LED高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路：

由于該電路超越了線性范圍工作,即使輸入端過(guò)激勵(lì)時(shí),其仍沒(méi)有達(dá)到飽和,所以開(kāi)關(guān)速率更高,計(jì)算表明該電路可響應(yīng)300Mb/s以上的數(shù)字信號(hào)?！罹饧夹g(shù)：

國(guó)外研究人員通過(guò)在白光LED通信系統(tǒng)中引入均衡技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的調(diào)制帶寬。以16個(gè)LED作為光源,同時(shí)借助于16組略有差異的調(diào)諧驅(qū)動(dòng)電路使每個(gè)LED具有不同的峰值頻率。每個(gè)LED的前置均衡電路都由一個(gè)緩存器、諧振電路、諧振電容、諧振電感以及直流源組成(將產(chǎn)生的直流信號(hào)疊加到原始信號(hào)上)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,采用均衡技術(shù)將LED的調(diào)制帶寬從3MHZ提高到了25MHZ,同時(shí)相應(yīng)地降低了系統(tǒng)的誤碼率。在接收端也引入了均衡技術(shù),在實(shí)驗(yàn)中接收端的均衡方案由一個(gè)簡(jiǎn)單的一階模擬均衡器組成。最終的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,收發(fā)兩端引入均衡技術(shù)后,系統(tǒng)可以在保持級(jí)誤碼率的同時(shí)提供超過(guò)75Mb/s的傳輸速率。（4）光發(fā)射機(jī):光發(fā)射機(jī)原理框圖：

光發(fā)射機(jī)的主要功能是將電信號(hào)調(diào)制到LED光源發(fā)出的光上，然后在自由空間中傳播出去。光發(fā)射機(jī)性能的主要技術(shù)要求包括：（1）光源性能應(yīng)符合要求。（2）穩(wěn)定的輸出光功率。穩(wěn)定的光功率輸出能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）調(diào)制方法要簡(jiǎn)單，好的消光比。（4）快的響應(yīng)速度。（5）光接收機(jī):光接收機(jī)原理框圖：

信息的處理是采用“電處理、光傳輸”方式，這種工作方式的特點(diǎn)是：光電探測(cè)器的功能相當(dāng)于電通信系統(tǒng)中的檢波器，僅僅是完成光強(qiáng)度變換的檢測(cè)，完成光/電轉(zhuǎn)換；檢測(cè)出的電信號(hào)在后續(xù)處理中與傳統(tǒng)的電通信系統(tǒng)幾乎一樣，在傳統(tǒng)的電系統(tǒng)中完成放大等各種處理。光接收模塊原理圖:

光信號(hào)由PIN光電二極管接收轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過(guò)前置放大器和主放大電路進(jìn)行放大。前置放大器和主放大器之間采用阻容耦合的方式進(jìn)行連接。使得兩級(jí)放大之間的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，并且可以起到濾除低頻干擾的作用。前置放大電路：主要部分為跨阻抗放大器、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換器和差分放大輸出。PIN光電二極管接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)化成電流從輸入引腳IN輸入，經(jīng)過(guò)跨阻放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，然后通過(guò)差分放大器輸出。主放大電路：主放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，使得信號(hào)強(qiáng)度滿足判決再生的需要。并且，電路具有自動(dòng)增益（AGC）功能，對(duì)輸入信號(hào)的變化作出補(bǔ)償控制，保持輸出信號(hào)的幅度基本不變。放大后的信號(hào)供以太網(wǎng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行時(shí)鐘提取、判決再生，然后通過(guò)雙絞線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。光接收機(jī)新技術(shù)：分集接收一種基于分集技術(shù)的光接收機(jī)技術(shù)可以用來(lái)克服碼間干擾和陰影的影響。分集接收的思想就是在接收機(jī)的不同方向上安裝多個(gè)光電探測(cè)器,對(duì)多個(gè)探測(cè)器接收到的信號(hào)進(jìn)行比較,選取信噪比最大的信號(hào)進(jìn)行通信。

低速率分集接收裝置（低于100M）分集接收電路（信號(hào)傳