基于以太网的可见光通信系统

基于以太网的可见光通信系统吴华炳谢彬白仲亮1.可见光通信的概念2.基于以太网的LED可见光通信系统3.OFDM技术在可见光通信中的应用目录：可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

1.可见光通信的概念：

2.基于以太网的LED可见光通信系统：可见光通信实验平台：实物图：系统通信链路：从计算机A向计算机B发送以太网数据的流程是：1.计算机A通过自身的网卡，将需要的数据传输到信号接口处理电路模块，进行滤波和耦合到以太网转换模块。2.信号经以太网介质转换模块进行时钟恢复、解扰等处理，并将以太网的MLT-3电平转换成适合LED光源调制的单极性NRZ电平，再传输到光发射机模块。3.光发射模块的功能是向LED光源提供驱动电流，同时将电信号调制到LED光源上，实现信号的电/光转换。信号调制成光信号的形式，在空气中传播。计算机B接收来自计算机A的数据流程：1.PIN探测器接收来自计算机A的光信号，将光信号变成电信号。2.变换后的电信号在光接收机模块和以太网介质转换模块中进行放大、时钟提取和数据判决等处理，处理后的数据恢复出原来的信息供计算机B使用。(1)接口处理电路:接口处理电路主要用于信号电平耦合，主要作用有：1.将差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波使之得以增强，增大传输距离。2.提供芯片与外部模块的电气隔离，因为外部信号是通过电磁场的转换耦合进来的，隔离了直流分量，避免大直流分量对芯片的损坏，还起到静电保护作用和一定的防雷作用。3.兼容不同模块。隔离系统模块与模块之间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备，使得采用不同电压供电的模块可以兼容工作。(2)以太网介质转换模块：计算机通过网卡与外界局域连接起来，网卡发送数据是把计算机要发送的并行数据转换成串行数据，组装成以太网帧，然后通过网卡的RJ45接口发送到5类非屏蔽双绞线上。可见光通信系统要设计功能电路模块来完成信号从双极性三电平的MLT-3编码到单极性码。同样的道理，来自光接收器的单极性码也要通过功能电路模块变换成适合双绞线传输的双极性三电平的MLT-3编码。

另外，还有时钟提取、信号判决再生和数据转发等功能。以太网介质转换模块的工作方式是存储-转发，并不对4B5B码进行编码和解码处理。这种处理方式忽略所有的误码，以牺牲纠错性能来换取数据传输的最小时延。(3)光源LED的工作原理与特性:a.伏安特性:b.P-I特性:c.调制特性:

调制特性是指将电信号加载到LED光源上变成光信号的特性。LED的调制特性主要有两个问题，一是线性，二是带宽。LED输出功率可表示为：

可见光LED驱动调制技术：

光波是电磁波的一部分，理论上光通信系统的信号调制方式和电通信系统一样，都可以通过调幅、调频及调相把信息调制到光上.因为LED光源的频谱不纯，中心频率也极不稳定，出于设计实现简单和经济效益上考虑，光通信系统几乎都采用直接调制-幅度调制方式，称为直接光强度调制法，即改变光源的激励电流，使得光输出强度随信号“0”和“1”的不同而改变，用不同光输出强度代表不同信号。LED的模拟调制技术:设置好合适的偏置电流，以使静态工作点位于LED的P-I特性曲线的中间，避免线性失真，然后再提供足够大的调制电流驱动LED光源发出足够强的光功率。LED的数字调制技术:利用PCM脉冲来实现控制LED导通和截止，驱动电路主要起到开和关的作用，LED的P-I特性的非线性对数字调制来说影响很小，所以电路的开关速率，即数据调制速率才是数字调制首要考虑问题

调制带宽是衡量LED的调制能力的参数,是LED用于无线光通信的重要参数之一,它关系到LED的数据传输速度大小。LED的调制带宽主要受有源区载流子复合寿命和PN结结电容的影响。在白光LED制造工艺上,除了减少载流子复合寿命和减小寄生电容,我们还可以采用具有很大的潜在调制带宽的多芯片型白光。此外,通过外部驱动电路的优化设计也是提高LED调制能力的一种方法。两种优化的研究方法：☆射极耦合电流开关型LED高速调制驱动电路：

由于该电路超越了线性范围工作,即使输入端过激励时,其仍没有达到饱和,所以开关速率更高,计算表明该电路可响应300Mb/s以上的数字信号。☆均衡技术：

国外研究人员通过在白光LED通信系统中引入均衡技术来提高系统的调制带宽。以16个LED作为光源,同时借助于16组略有差异的调谐驱动电路使每个LED具有不同的峰值频率。每个LED的前置均衡电路都由一个缓存器、谐振电路、谐振电容、谐振电感以及直流源组成(将产生的直流信号叠加到原始信号上)。通过实验证明,采用均衡技术将LED的调制带宽从3MHZ提高到了25MHZ,同时相应地降低了系统的误码率。在接收端也引入了均衡技术,在实验中接收端的均衡方案由一个简单的一阶模拟均衡器组成。最终的实验测试表明,收发两端引入均衡技术后,系统可以在保持级误码率的同时提供超过75Mb/s的传输速率。（4）光发射机:光发射机原理框图：

光发射机的主要功能是将电信号调制到LED光源发出的光上，然后在自由空间中传播出去。光发射机性能的主要技术要求包括：（1）光源性能应符合要求。（2）稳定的输出光功率。稳定的光功率输出能够保持系统的稳定性。（3）调制方法要简单，好的消光比。（4）快的响应速度。（5）光接收机:光接收机原理框图：

信息的处理是采用“电处理、光传输”方式，这种工作方式的特点是：光电探测器的功能相当于电通信系统中的检波器，仅仅是完成光强度变换的检测，完成光/电转换；检测出的电信号在后续处理中与传统的电通信系统几乎一样，在传统的电系统中完成放大等各种处理。光接收模块原理图:

光信号由PIN光电二极管接收转换成电流信号，通过前置放大器和主放大电路进行放大。前置放大器和主放大器之间采用阻容耦合的方式进行连接。使得两级放大之间的静态工作点相互独立，并且可以起到滤除低频干扰的作用。前置放大电路：主要部分为跨阻抗放大器、差分信号转换器和差分放大输出。PIN光电二极管接收光信号并转化成电流从输入引脚IN输入，经过跨阻放大器进行放大，再经过差分信号转换器转换成差分信号，然后通过差分放大器输出。主放大电路：主放大电路对信号进行多级放大，使得信号强度满足判决再生的需要。并且，电路具有自动增益（AGC）功能，对输入信号的变化作出补偿控制，保持输出信号的幅度基本不变。放大后的信号供以太网介质转换模块进行时钟提取、判决再生，然后通过双绞线传输到计算机。光接收机新技术：分集接收一种基于分集技术的光接收机技术可以用来克服码间干扰和阴影的影响。分集接收的思想就是在接收机的不同方向上安装多个光电探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选取信噪比最大的信号进行通信。

低速率分集接收装置（低于100M）分集接收电路（信号传