陳嬌嬌 鄧雪爽

摘 要：為了突破當(dāng)前可見光通信（VLC）設(shè)備設(shè)計(jì)和成本方面的瓶頸，以推動(dòng)VLC更廣泛的普及和應(yīng)用。提出并實(shí)現(xiàn)了一種將快速以太網(wǎng)與VLC相結(jié)合的方案，通過直接利用RJ45端口輸出的MLT-3信號(hào)對(duì)可見光進(jìn)行調(diào)制。鑒于LED調(diào)制帶寬的限制，采用均衡技術(shù)拓展發(fā)射器的帶寬。結(jié)果表明，在2 m和0.2 m的傳輸距離上實(shí)現(xiàn)了平均94 Mbps的穩(wěn)定實(shí)時(shí)傳輸。本方案克服了VLC復(fù)雜性和高成本的問題，有望推動(dòng)可見光通信技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：可見光通信；快速以太網(wǎng)；均衡技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-0033（2024）02-0040-06

引用格式：陳嬌嬌，鄧雪爽.基于快速以太網(wǎng)的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，38（2）：40-45.

The Cost-efficient Implementation of the Fast

Ethernet-based VLC System

CHEN Jiao-jiao， DENG Xue-shuang

（College of Electronic Information and Electrical Engineering， Shangluo University， Shangluo? ?726000， Shaanxi）

Abstract： In order to overcome the current bottlenecks in Visible Light Communication （VLC） device design and cost， and to promote a more widespread adoption and application of VLC， a solution that combines high-speed Ethernet is proposed and implemented with VLC. The approach involves modulating visible light using the MLT-3 signal directly output from the RJ45 port. Due to the bandwidth limitations of LED modulation， equalization techniques are employed here to expand the transmitter's bandwidth. The results indicate a stable real-time transmission averaging 94 Mbps at distances of 2 m and 0.2 m. This solution addresses the complexities and high costs associated with VLC， offering the potential to drive the widespread application of visible light communication technology in the field of wireless communication.

Key words： visible light communication; fast ethernet; equalization technology

可見光通信（VLC）是一種利用光的強(qiáng)度變化來(lái)傳輸信息的通信技術(shù)。VLC因其超寬、免許可的頻譜特點(diǎn)，有望緩解射頻（RF）頻譜中的頻譜短缺問題[1]，引發(fā)了廣泛關(guān)注。同時(shí)，發(fā)光二極管（LED）低成本、高可靠的優(yōu)勢(shì)也在推動(dòng)著VLC技術(shù)的進(jìn)步。近年來(lái)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)[2]，使用VLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的Li-Fi系統(tǒng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明和數(shù)據(jù)傳輸功能，并且已經(jīng)應(yīng)用于某些對(duì)無(wú)線電波敏感的領(lǐng)域或場(chǎng)所，如工廠、醫(yī)院等[3]。同時(shí)，LED設(shè)備的能效和市場(chǎng)需求的快速提升，也為VLC的實(shí)施提供了必要的硬件基礎(chǔ)[4]。

為了促進(jìn)可見光通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣，可采用低成本的方法將其與常用的通信技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。以太網(wǎng)是一種基礎(chǔ)且受歡迎的技術(shù)，具有成本低、可靠性高和易于使用的特點(diǎn)。借助成熟的以太網(wǎng)技術(shù)，VLC可以發(fā)展得更好更快。Hongyu Zhou等[5]結(jié)合現(xiàn)有的10Base-T網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)VLC系統(tǒng)。Burton A等[6]提出了一種基于高效、高亮度發(fā)光二極管（LED）的可見光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)照明水平，并使用商用白光熒光粉LED在2.3 m的距離上提供大覆蓋范圍的10BASE-T無(wú)線光通信鏈路。Delgado F等[7]提出了以太網(wǎng)和可見光通信網(wǎng)絡(luò)之間的完整接口。盧霆威等[8]設(shè)計(jì)了基于可見光通信技術(shù)的全雙工以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。李德建等[9]設(shè)計(jì)了一種融合高精度定位功能的VLC系統(tǒng)。這些都是基于可見光通信實(shí)現(xiàn)了高速的以太網(wǎng)傳輸。如今，一些公司如Oledcomm和Trulifi已經(jīng)推出了一些支持更高通信速率的VLC產(chǎn)品。上述快速Ethernet-VLC方案通常采用特定的轉(zhuǎn)換器執(zhí)行諸如解調(diào)、解碼、協(xié)議轉(zhuǎn)換等操作，這些額外的器件無(wú)疑增加了實(shí)現(xiàn)成本和難度。實(shí)際上，來(lái)自以太網(wǎng)的基帶信號(hào)可以直接用于可見光信號(hào)的調(diào)制，從而避免了復(fù)雜的信號(hào)處理過程。光無(wú)線信道比電纜信道更復(fù)雜，可能會(huì)受到環(huán)境光的干擾，同時(shí)也會(huì)被物體阻擋。這種影響可能會(huì)導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤或傳輸中斷。一旦以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)生錯(cuò)誤，它只能丟棄消息幀，因此無(wú)法提供可靠的傳輸。而通過使用反饋協(xié)議，如自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）策略，可以在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的通信。因此，對(duì)于VLC系統(tǒng)來(lái)說，需要采用ARQ策略來(lái)建立可靠的連接。

本文提出并設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)高效、與快速以太網(wǎng)兼容的可見光通信方案。為了便于系統(tǒng)性能的測(cè)試與加速，借助于TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ機(jī)制。通過試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率進(jìn)行測(cè)量。并在不同信道條件下，包括良好和更差的情況下分別進(jìn)行測(cè)量，以進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可行性。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在發(fā)送信號(hào)的過程中，信源數(shù)據(jù)首先被封裝進(jìn)ARQ幀中，隨后每個(gè)ARQ幀又被進(jìn)一步打包成以太網(wǎng)幀以適應(yīng)以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。而在接收信號(hào)時(shí)，上層協(xié)議會(huì)逐層拆解下層傳遞過來(lái)的數(shù)據(jù)包，從以太網(wǎng)幀中提取出ARQ幀，并進(jìn)一步從ARQ幀中還原出原始的信源數(shù)據(jù)。ARQ策略是一種選擇性重傳協(xié)議，可以被視為停止等待ARQ協(xié)議的復(fù)用。從某種意義上說，它是一種最優(yōu)策略，最大限度地提高了吞吐量。ARQ工作在數(shù)據(jù)鏈路層中。為了滿足快速以太網(wǎng)的要求，在所提出的VLC系統(tǒng)中使用了有線網(wǎng)卡，這種方法加速了原型系統(tǒng)的研發(fā)。對(duì)于網(wǎng)卡輸出信號(hào)有兩種處理選項(xiàng)。第一個(gè)選項(xiàng)是將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為更高功率的單端信號(hào)，然后通過電纜直接將其輸入到發(fā)射機(jī)板。第二個(gè)選項(xiàng)是使用一個(gè)介質(zhì)轉(zhuǎn)換器與以太網(wǎng)卡連接進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，然后將其連接到發(fā)射機(jī)。前者符合100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)，后者符合100BASE-FX標(biāo)準(zhǔn)。通過自由空間傳播的光線被聚光透鏡收集，并由PIN或者APD探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。隨后，該電信號(hào)被轉(zhuǎn)換為一對(duì)差分信號(hào)，并發(fā)送回介質(zhì)轉(zhuǎn)換器或以太網(wǎng)卡。

1.2 VLC發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

為了能使用交流信號(hào)控制LED的瞬時(shí)光功率，通常會(huì)采用bias-T電路，該電路能夠?qū)C和AC信號(hào)疊加在一起，然后點(diǎn)亮LED。不同于常見的共陰極LED或單個(gè)LED，本研究采用三色LED具有共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)。因此，需要從陰極輸入調(diào)制信號(hào)，具體操作如圖2所示。在圖2中分別標(biāo)出了DC直流環(huán)路和AC交流環(huán)路，因?yàn)長(zhǎng)ED是由DC和AC信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的。在DC環(huán)路中，使用高阻抗的電感LDC來(lái)阻礙AC信號(hào)的通過，而LED的靜態(tài)工作點(diǎn)通過串聯(lián)電阻RQ進(jìn)行調(diào)整。在AC環(huán)路中，使用大電容CAC來(lái)阻礙DC偏置電流的通過。電容器C0將AC信號(hào)引向地面以閉合AC環(huán)路，并同時(shí)過濾掉DC電源的噪聲。串聯(lián)的電阻RIM用于阻抗匹配，以免反射系數(shù)太高。

發(fā)射機(jī)實(shí)物如圖3所示，其尺寸大小設(shè)計(jì)匹配30 mm的光學(xué)籠式系統(tǒng)，以便于與光學(xué)元件組裝。LED前面放置一個(gè)非球面聚光透鏡，以匯聚光線減小幾何損耗。

1.3 LED的等效電路

在幾十兆赫茲范圍內(nèi)，LED可以等效為具有20 dB/十倍程衰減的一階低通電路[10-11]。在圖2中，一個(gè)導(dǎo)通的LED被一個(gè)與電容并聯(lián)的電阻所替代[12]。rd是LED內(nèi)部的差分電阻，CJ是擴(kuò)散電容Cd和空間電荷電容CSC的總和，它與rd一起決定有效載流子的壽命Teff，Teff=rd（Cd+CSC）=rd cj。Rg是信號(hào)源的輸出阻抗，通常為50 Ω。一階等效電路模型可以寫成：

HLED（S）=? ? （1）

式（1）中，K=是一個(gè)常量，決定了最高的響應(yīng)。ωn=是拐點(diǎn)角頻率。

圖4顯示了在不同直流偏置電流下測(cè)得的頻率響應(yīng)或稱為S21參數(shù)，其3 dB帶寬小于10 MHz。在快速以太網(wǎng)中，比特速率是125 Mb/s。事實(shí)上，總信號(hào)功率的80%包含在62.5 MHz以下。因此，需要一個(gè)均衡器來(lái)拓寬發(fā)射器的帶寬。而一階均衡器足以構(gòu)建一個(gè)平坦的響應(yīng)，覆蓋MLT-3信號(hào)的帶寬。

1.4 VLC均衡器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展，均衡器必須在有限的頻率范圍內(nèi)具有與LED相反的特性。因此，均衡器可以是低通濾波器或帶通濾波器，而后者通常因?yàn)槠浜?jiǎn)單性而被采用[13]。均衡器的傳遞函數(shù)滿足一階高通濾波器的標(biāo)準(zhǔn)形式，記作：

HE（S）=? ? ? ?（2）

考慮圖2中的實(shí)際電路。K′=，ω1=C1R1，ω2=。為了在3 dB帶寬內(nèi)獲得平坦的響應(yīng)，需要選擇適當(dāng)?shù)木馄鲄?shù)，使ω1=ω2。將LED與均衡器連接后，均衡后的頻率響應(yīng)是式（1）和式（2）的乘積，即：

HT（S）=? ? ?（3）

式（3）表明均衡器可以使LED表現(xiàn)為具有更寬頻帶的低通濾波器，其帶寬由第二個(gè)拐點(diǎn)頻率決定。因此，經(jīng)過均衡處理后的帶寬仍然是有限的。由于無(wú)源均衡器通過抑制信號(hào)高頻部分的能量來(lái)擴(kuò)大帶寬，因此發(fā)射器帶寬的提高是以犧牲信噪比（SNR）為代價(jià)的[14]。

2? 結(jié)果與分析

首先測(cè)量均衡器和發(fā)射機(jī)的S21參數(shù)，測(cè)量的結(jié)果將與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。隨后，搭建VLC系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電腦之間的實(shí)時(shí)通信，并使用iperf3收集實(shí)時(shí)速率以證明以太網(wǎng)-VLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3中的發(fā)射機(jī)由兩部分組成，它們分別用于實(shí)現(xiàn)將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)并對(duì)可見光進(jìn)行調(diào)制。來(lái)自Thorlabs的PIN檢測(cè)器（PDA10A2）用于檢測(cè)光信號(hào)，并且在接收器前方放置一個(gè)凸透鏡（ACL50832U-A）用于聚光。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中還需要濾光片或（和）散射片，但本研究中并沒有使用它們。本文中構(gòu)建的鏈路僅使用凸透鏡對(duì)光進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦，以擴(kuò)展通信距離。LED的S21參數(shù)由Rigol的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，RSA3015N）測(cè)量得到。

VNA的信號(hào)輸出端連接到驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)端連接到VNA的信號(hào)輸入端。圖4顯示了藍(lán)色、綠色和紅色LED在不同偏置電流下的測(cè)量結(jié)果。三種LED最明顯的變化是隨著電流的增加，最高響應(yīng)也就是DC增益逐漸降低。在紅色LED中，不同頻率上的衰減幾乎相同，但在藍(lán)色LED中，低頻處的衰減較大。在相同的偏置電流下，紅色LED的響應(yīng)度最高，因此最好使用紅色LED來(lái)生成光信號(hào)。

均衡器中的電容和電阻分別為8 pF和2 kΩ，其頻率響應(yīng)曲線如圖5中的虛線所示。最低響應(yīng)為-26.67 dB，最高響應(yīng)為-3.23 dB。將驅(qū)動(dòng)電路與均衡器連接后，最高頻率響應(yīng)僅為-31 dB。為了補(bǔ)償無(wú)源均衡帶來(lái)的衰減，需要在接收端增加一個(gè)功率放大器來(lái)提高接收信號(hào)的功率。VLC系統(tǒng)的最終均衡頻率響應(yīng)是圖5中的實(shí)線，3 dB帶寬為92 MHz，最高響應(yīng)為0.93 dB。帶寬和響應(yīng)均符合試驗(yàn)條件。

為了建立光鏈路，首先需要在發(fā)射機(jī)上使用SMA電纜將LED驅(qū)動(dòng)電路與轉(zhuǎn)換器電路連接起來(lái)，并將使用RJ45網(wǎng)線連接電腦與轉(zhuǎn)換器板。電腦會(huì)自動(dòng)識(shí)別連接，然后就可以在系統(tǒng)中觀察連接的狀態(tài)。一旦建立連接，就可以在Windows操作系統(tǒng)中使用iperf3進(jìn)行實(shí)時(shí)速率測(cè)試。傳輸距離分別設(shè)置為0.2 m和2 m，測(cè)試時(shí)間持續(xù)100 s。

結(jié)果顯示在圖6（a）中，以太網(wǎng)-VLC在0.2 m距離下的最大速率是96.4 Mbps，最小速率是86.1 Mbps。在2 m的距離下最大速率是95.5 Mbps，最小速率是86.1 Mbps。這兩個(gè)距離的小速率差異反映了VLC鏈路的穩(wěn)定性。相比之下，通過直接使用RJ45網(wǎng)線連接的兩臺(tái)PC之間的最大和最小速率分別為94.9 Mbps和87.7 Mbps。三種連接方式的平均速率如圖6（b）所示，分別為94.62，

94，94.17 Mbps。結(jié)果表明，VLC鏈路與網(wǎng)線鏈路一樣好。

除了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電腦之間的互聯(lián)外，還可以通過VLC系統(tǒng)將主機(jī)與交換機(jī)連接，最終為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)連接。VLC鏈路位于物理層，對(duì)通信協(xié)議棧的較高級(jí)別來(lái)說是透明的。這意味著以太網(wǎng)芯片并不知道信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過了光信道。因此，不需要對(duì)固件和軟件進(jìn)行任何修改。

3? 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種將快速以太網(wǎng)與VLC相結(jié)合的方案，通過直接利用RJ45端口輸出的MLT-3信號(hào)對(duì)可見光進(jìn)行調(diào)制。該方案中采用的發(fā)射機(jī)包括轉(zhuǎn)換板和驅(qū)動(dòng)板兩部分。轉(zhuǎn)換板的目的是將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，以提高信號(hào)功率。驅(qū)動(dòng)板則用于光信號(hào)的調(diào)制。為了增加發(fā)射機(jī)的帶寬，本文采用了簡(jiǎn)單的一階均衡技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)了92 MHz帶寬，足以支持MLT-3基帶信號(hào)的傳輸。最后通過該VLC系統(tǒng)，在兩臺(tái)電腦之間建立了無(wú)線光鏈路，測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)時(shí)速率達(dá)到94 Mbps，媲美使用網(wǎng)線連接的速率。

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