徐兵追

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

可見光通信技術是一種新型的短距離無線通信方式，因其安全、綠色、高速等特殊優(yōu)勢而越來越受到人們的歡迎。但由于其自身結電容的影響，大功率LED照明的響應帶寬一般小于2 MHz[1]。據(jù)悉，10 Mbps的實際通信可以通過MOS管的直接供電方式實現(xiàn)；通過在發(fā)射端加入RC平衡網絡和選頻諧振電路，在發(fā)射端加入測量系統(tǒng)等設備裝置后的顏色和RC，可以慢慢提高LED對寬帶的影響。硬件的方法會受設備、位置等諸多因素的影響，改裝不好。加入軟件自檢技術可以克服這個困難?；诖?本文給出一條可見光通信鏈路,除采用硬技術增加通道寬度之外,還采用軟的技術對通道加以分析與均衡,有效地解決碼間干擾問題,增加了通信速度[1]。

1 可見光通信中的LED技術

可見光通信用的LED雖然是發(fā)光二極管,但實質上是一個續(xù)流二極管,利用與少數(shù)載流子結合而發(fā)出的光子,其發(fā)光原理如下。

二極管結構采用PN結構，P區(qū)和N區(qū)是電子的中間和原子的重區(qū)。當電子器件的基極加入耗盡過程時，會產生適當?shù)亩O管阻值，抑制原子和電子的延續(xù)。如果外部電荷與內置電荷方向相同，此時使用反向電壓，則電子空間出現(xiàn)的概率會降低，PN結消耗層會變厚。如果外部電荷的方向與輸出電荷的方向不同，則稱為電源電流，此時輸出電流也隨著良好的引導而增加。當電源強時，PN結耗盡層會變薄。N區(qū)摻雜劑為施主，低能電子中的外層電子具有較大的活性能，P區(qū)摻雜劑為受主，電子層通常通過俘獲形成穩(wěn)定的結構。當施主元素外的原子變成受主的低能殼層后，就可以釋放出大的電子。

對于普通二極管，這種能量主要以熱的形式耗散，而對于 LED，則以可見光的形式耗散。當給 LED 施加電流時，由于電子空穴的強烈復合，會釋放出高能光子。根據(jù)普朗克方程E=hy，由于選擇了具有某些不同能量的供體和受體元素，原子在躍遷過程中發(fā)射的光波的傳播受到限制[3],因此利用InGaN的PN結構也可以產生在460 nm范圍內的極藍光。

2 可見光通信的鏈路總體設計方法

2.1 模擬部分

模擬部分的設計包括發(fā)送器和接收器。在發(fā)射端，構建了LED驅動電路和緩沖單元電路。在LED驅動電路中，采用直流控制來控制LED燈的靜態(tài)工作，在非阻塞電路中采用模擬等效器件來增加與燈的通信寬度。

在接收端，內置了光信號接收模塊和信號調理模塊，光信號接收模塊接收雪崩二極管的光電轉換模塊，并在120 V的反向偏壓下工作。通過 RC 模擬均衡網絡增加系統(tǒng)帶寬時的噪聲。

2.2 數(shù)字基帶部分

數(shù)字基帶負責數(shù)據(jù)與光設備之間的連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，必須將數(shù)據(jù)轉換成光能發(fā)送的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)被解調并發(fā)送回光通道。它僅用于使用FPGA的芯片，包括網絡連接模塊、高速數(shù)據(jù)采集和傳輸、基帶中的數(shù)據(jù)處理。在基帶數(shù)據(jù)處理模塊中，采用信道估計技術和數(shù)字均衡算法來增加信道的帶寬。

3 硬件平臺的設計與實現(xiàn)

光網絡的硬件平臺可以分為發(fā)送端和接收端兩部分。在傳輸端，通過FPGA與D/A轉換模塊的直接連接，D/A轉換模塊采用ADI公司的AD 9112器件，具有雙通道、16位、1230MSPS的轉換速度。最后，通過FPGA與A/D轉換器的直接連接，A/D轉換器單元可以使用TI Solid公司的ADS5474，最高測量速度為400 MSPS。除上述設備外，我們還提供電子設備的集成驅動和接收端的電子設備[4]。

3.1 發(fā)送端驅動電路

發(fā)送端的LED驅動電路設計如圖1所示。信號經第二級D/A輸出放大，第一級經過二階多通濾波。目標是控制低頻響應，從而測量 LED 的帶寬。第二個層次是輸出的功率。一級使用 OPA 2674 放大器，它以4倍的增益實現(xiàn)了 220 MHz 的最大帶寬。第二臺發(fā)生器采用日本三菱公司的RD06HVFl射頻功放管，175 MHz時最大輸出可超過6 W。另外在E型燈中，各類照明的輸出最高可達700 mA，最大輸出功率可達3 W。

圖1 發(fā)送端LED驅動電路結構

3.2 接收端驅動電路

發(fā)送側光電轉換電路的設計如圖2所示。光信號從受電側被光電二極管吸收，淺紅色光的大小變化會變成大小的變化。由于光電二極管是 AD500-9 雪崩二極管，它的輸入帶寬為 500 MHz。由于通過雪崩二極管的電流很小，因此應使用增益較大的跨阻放大器將參考電流的變化轉換為電流大小的變化[5]。選用了TI的opA657的跨阻運算放大器,其最大帶寬與增益積均為1.6G,從反饋回路串入的最大增益電阻為六燭。而后級的器件則采用了MAX477,帶寬可達300 MHz,主要用于進行輸出電流放大,并控制后級的A/D模塊。雪崩二極管擁有靈敏度好,帶寬大的優(yōu)點,不過必須在很大的負偏壓下運行,因為這樣會增加二極管自身的暗電流,從而產生大量噪聲。為解決這種噪聲問題,在設計時使用了兩條相同的雪崩管,接于同時運放的兩個差分端口,并屏蔽了其中一條雪崩管,讓它不接收信息而只產生暗電流,這就使得兩條雪崩管的暗電流作用彼此抵消,也因此降低了噪聲。

圖2 接收端光電轉換電路結構

4 數(shù)字基帶處理

使用通信的一般方法：數(shù)據(jù)從PC機通過發(fā)送器通過100M以太網口發(fā)送到FPGA。在FPGA中，將網口的串口數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)，再由加擾單元將串口數(shù)據(jù)與m序列進行異或加擾，最終物理傳輸條件成立。然后將估計的光通道數(shù)據(jù)在傳輸前進行卷積和預平衡，平衡后的數(shù)據(jù)經過D/A切換單元后發(fā)送到光通道。

光通道中的數(shù)據(jù)流通常分為兩種傳輸方式，一種是承載用戶數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)幀，另一種是空閑時間傳輸?shù)男】臻e幀圖像。數(shù)據(jù)幀通常由3個元素組成，例如用于幀識別和位同步的 56 位前導碼，用于識別幀頭的 8 位幀分隔符以及關于用戶的 4 512 位信息?？臻e幀由m個周期為255的序列組成，是用于信道估計的噪聲數(shù)據(jù)。

在接收端,可以利用A/D變換模塊在400MSPS速度下完成采樣,采樣數(shù)據(jù)進入FPGA后由IDDR模塊從單路轉為雙路,每一路的數(shù)據(jù)速率就降至原來一半,便于RAM的操作。在幀檢測的過程中,將56 bit前導碼設計為前后28 bit相同的結構,在每個時鐘比較這28 bit的內容,相似度超過一定閾值就判定幀到達。

另外，在數(shù)據(jù)傳輸方面，網絡接口采用板載RJ45通用端口，而ML 605增長板采用三態(tài)以太網接口，支持10 Mbps、100 Mbps和1 000 Mbps通信。通信是一個GMII(Gigabit Media Independent Interface)模塊。MII端口功能介紹,MII是由IEEE-802.3所規(guī)定的以太網技術標準,包含MAC和PHY之間的端口信息和控制點。數(shù)據(jù)端口部分有兩個獨立的發(fā)送和接收通道，每個通道上的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信息都是單獨的,共有16個信道。而管理端口則是在上層進行監(jiān)測和控制PHY值的端口,有兩條信號線。

5 鏈路性能測試

線路特性試驗從誤碼率測量和單向文件傳輸兩種角度進行,對設計完成的可見光通信線路進行特性試驗,以下分別對它們加以說明。

5.1 誤碼率測試模塊

誤碼率檢測模塊主要從發(fā)射器一端傳輸隨機序列數(shù)據(jù)幀,從接收器端完成接收和判斷工作,并將接收到的判斷數(shù)據(jù)與原發(fā)送端的隨機序列進行比較，從而在接收端顯示誤碼情況。

發(fā)送器首先讀取ROM中的幀，然后開始成幀發(fā)送，并在每個內容開始時恢復ROM的地址線數(shù)據(jù)的起始位置，在接收端每當檢測到頓開始就重置ROM地址線數(shù)據(jù)，保證比較的是相對應的數(shù)據(jù)。比較系統(tǒng)中的時序圖，SOF_n信號拉低的時間表示為數(shù)據(jù)幀的開始時間，每個文件開始前ROM地址復位為零。

在測量誤碼的過程中，需要計算數(shù)據(jù)幀數(shù)、錯誤幀數(shù)和錯誤數(shù)。經過一定較長時間后得出的數(shù)據(jù)結果就能夠比較真實的反應鏈路的誤碼率狀態(tài)。

通過檢測結果,誤碼率將會隨著傳輸速度的增加而明顯增強,在20 Mbps速率下才能實現(xiàn)較低誤碼率的數(shù)據(jù)傳輸。在40 Mbps以上的速度傳送時,產生了較多的誤碼,因此必須增加糾檢錯編碼以進一步減少誤碼率。

5.2 單向文件傳輸測試

當建立了可見光數(shù)據(jù)傳輸線路之后,鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸工作就能夠進行下去了,計算機可以通過RJ45的網絡接口直接接入基于FPGA網絡的發(fā)射器和接收器上,再由發(fā)送端電腦向接收端電腦傳輸數(shù)據(jù)信息等。

因為在FPGA上的數(shù)據(jù)鏈路層接口通過固定幀長的數(shù)據(jù)幀格式實現(xiàn)收發(fā),所以對于計算機來說,普通網絡幀并無法直接在鏈路上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,而只有通過處理的穩(wěn)定幀長數(shù)據(jù)才能直接在鏈路上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

搜索軟件主要用于Windows操作系統(tǒng)，套接字作為操作通信、IP和UDP等技術廣泛應用于應用程序中，為發(fā)送和接收信息提供方便的連接。但是，在這里的測試應用程序中，需要在沒有標準 Internet 協(xié)議的情況下制作簡單的數(shù)據(jù)，并且 sockets 沒有直接的方法來承包和獲取包含基本信息的包。在軟件測試中，WinPcap 常用于數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)包和包捕獲。

WinPcap 模塊包括一個包過濾層、一個低級動態(tài)鏈接庫(Packet.dll)和一個依賴于內置控件的高級動態(tài)鏈接庫(wpcap.dll)。其中NPF (Netgroup Packet Filter)的驅動安裝在應用核心上,可以直接使用行動通信的網絡設備啟動,并具有進行鏈路層信息捕捉與傳輸?shù)闹匾δ?。當捕捉到?shù)據(jù)流時,控制系統(tǒng)向應用者開放了兩個的輸入輸出接口,比較兩個不同的數(shù)據(jù)庫：packet.dll 和 wpcap.dll。使用的第一個低級 API 提供對驅動程序角色的直接訪問，并依賴于操作系統(tǒng)的編程接口。第二個展示了一個更好的捕獲系統(tǒng)，它可以在不影響網絡硬件和管理的情況下捕獲信息。

6 結語

本文主要闡述了一種可見光通信高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的總體設計和實現(xiàn),在分析了總體設計條件的基礎上,給出了基于可見光通信技術的高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路的總體方案,并設計完成了包含發(fā)射器與接收器的可見光通信硬件電路,同時提供數(shù)字基帶的技術研究和平臺開發(fā)以及軟件開發(fā)。性能測試和系統(tǒng)管理的綜合調試結果表明，新開發(fā)的照明系統(tǒng)高效、安全，符合工程設計要求。