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特性性:c.调制制特特性性:调制制特性性是是指指将将电电信信号号加加载载到到LED光源源上上变变成成光光信信号号的的特特性性。。LED的调调制制特特性性主主要要有有两两个个问问题题，，一一是是线线性性，，二二是是带带宽宽。LED输出出功功率率可表示示为为：可见见光光LED驱动动调制制技技术术：光波波是电电磁磁波波的的一一部部分分，，理理论论上上光光通通信信系系统统的的信信号号调调制制方方式式和和电电通通信信系系统统一一样样，，都都可可以以通通过过调调幅幅、、调调频频及及调调相相把把信信息息调调制制到到光光上上.因为为LED光源源的的频频谱谱不不纯纯，，中中心心频频率率也也极极不不稳稳定定，，出出于于设设计计实实现现简简单单和和经经济济效效益益上上考考虑虑，，光光通通信信系系统统几几乎乎都都采采用用直直接接调调制制-幅度度调调制制方方式式，，称称为为直直接接光光强强度度调调制制法法，，即即改改变变光光源源的的激激励励电电流流，，使使得得光光输输出出强强度度随随信信号号“0””和“1””的不不同同而而改改变变，，用用不不同同光光输输出出强强度度代代表表不不同同信号号。LED的模模拟拟调调制制技技术术:设置置好好合合适适的的偏偏置置电电流流，，以以使使静静态态工工作作点点位位于于LED的P-I特性性曲曲线线的的中中间间，，避避免免线线性性失失真真，，然然后后再再提提供供足足够够大大的的调调制制电电流流驱驱动动LED光源源发发出出足足够够强强的的光光功率率。LED的数数字字调调制制技技术术:利用用PCM脉冲冲来来实现现控制制LED导通通和和截截止止，驱动动电路路主主要要起起到开开和关的的作用用，LED的P-I特性性的的非非线线性性对数数字调调制来来说说影影响响很很小小，所以以电路路的的开开关关速速率率，即数据据调调制制速速率率才才是是数数字字调调制制首首要要考考虑虑问问题题调制制带宽宽是是衡衡量量LED的调调制制能能力力的的参参数数,是LED用于于无无线线光光通通信信的的重重要要参参数数之之一一,它关关系系到到LED的数数据据传传输输速速度度大大小小。。LED的调调制制带带宽宽主主要要受受有有源源区区载载流流子子复复合合寿寿命命和和PN结结结电电容容的的影影响响。。在在白白光光LED制造造工工艺艺上上,除了了减减少少载载流流子子复复合合寿寿命命和和减减小小寄寄生生电电容容,我们们还还可可以以采采用用具具有有很很大大的的潜潜在在调调制制带带宽宽的的多多芯芯片片型型白白光光。。此此外外,通过过外外部部驱驱动动电电路路的的优优化化设设计计也也是是提提高高LED调制制能能力力的的一一种种方方法法。。两种优优化化的的研研究究方方法法：：☆射射极极耦耦合合电电流流开开关关型型LED高速速调调制制驱驱动动电电路路：：由于于该电电路路超超越越了了线性性范范围围工作作,即使使输输入入端过过激激励励时时,其仍仍没没有有达到到饱饱和和,所以以开开关关速速率率更高高,计算算表表明明该电电路路可可响应应300Mb/s以上上的的数数字字信信号号。。☆均衡衡技术术：：国外外研究究人人员员通通过过在在白光光LED通信信系系统统中引入均均衡技技术来来提高高系统统的调调制带带宽。。以16个LED作为光源,同时借助于于16组略有差差异的的调谐谐驱动电电路使每个LED具有不同的的峰值值频率。。每个个LED的前置均均衡电电路都都由一一个缓缓存器器、谐振振电路路、谐谐振电电容、、谐振振电感以以及直直流源源组成(将产生的的直流流信号叠加到到原始始信号号上)。通过实实验证证明,采用均衡技技术将将LED的调制带带宽从3MHZ提高到了25MHZ,同时相应地地降低低了系系统的的误码率率。在在接收端端也引入了了均衡技技术,在实验验中接接收端端的均均衡方方案由由一个个简单的一阶阶模拟拟均衡衡器组组成。最终的的实验验测试试表明明,收发两端引引入均均衡技技术后后,系统可可以在在保持级级误误码率率的同时时提供供超过75Mb/s的传输速速率。。（4）光发射机机:光发射射机原原理框框图：光发射机机的主主要功功能是是将电电信号号调制制到LED光源发发出的的光上上，然然后在在自由由空间间中传传播出出去。光发射射机性性能的的主要要技术术要求求包括括：（1）光源源性能能应符符合要要求。。（2）稳定定的输输出光光功率。。稳定的的光功功率输输出能能够保保持系系统的的稳定定性。。（3）调制制方法法要简简单，，好的的消光光比。（4）快的的响应应速度度。（5）光接收收机:光接收收机原理框框图：：信息的处理理是采采用“电处理理、光光传输输”方式，，这种种工作作方式式的特特点是是：光光电探探测器器的功功能相相当于于电通通信系系统中中的检检波器器，仅仅仅是是完成成光强强度变变换的的检测测，完完成光光/电转换换；检检测出出的电电信号号在后后续处处理中中与传传统的的电通通信系系统几几乎一一样，，在传传统的的电系系统中中完成成放大大等各各种处处理。。光接收收模块块原理理图:光信号号由PIN光电二二极管管接收收转换换成电电流信信号，，通过过前置置放大大器和和主放放大电电路进进行放放大。。前置置放大大器和和主放放大器器之间间采用用阻容容耦合合的方式进进行连连接。使得得两级级放大大之间间的静静态工工作点点相互互独立立，并并且可可以起起到滤滤除低低频干干扰的的作用用。前置放放大电电路：主要部分为为跨阻阻抗放放大器器、差差分信信号转转换器器和差差分放放大输输出。。PIN光电二二极管管接收收光信信号并并转化化成电电流从从输入入引脚脚IN输入，，经过过跨阻阻放大大器进进行放放大，，再经经过差差分信信号转转换器器转换换成差差分信信号，，然后后通过过差分分放大大器输输出。。主放大大电路路：主放大电电路对对信号号进行行多级级放大大，使使得信信号强强度满满足判判决再再生的的需要要。并并且，，电路路具有有自动动增益益（AGC）功能能，对对输入入信号号的变变化作作出补补偿控控制，保持持输出信信号的的幅度度基本本不变变。放大后的信信号供供以太太网介介质转转换模模块进进行时时钟提提取、、判决决再生生，然然后通通过双双绞线线传输输到计算机机。光接收收机新新技术术：分分集接接收一种基于于分集集技术术的光光接收收机技技术可可以用来克克服码间干干扰和和阴影影的影响。。分集接接收的的思想想就是是在接接收收机机的的不不同同方方向向上上安安装装多多个个光光电电探探测测器器,对多多个探探测测器器接接收收到到的的信信号号进进行行比比较较,选取取信信噪噪比比最大大的信信号号进进行行通通信信。低速率率分分集集接接收收装置置（（低低于于100M）分集集接接收收电电路路（信信号号传传输输速速率率））高速速率率分集集接接收收装置置（（高高于于100M）当传输输速速率率超过过100M时,由于于码码间串串扰扰的的影影响响,不能能将将信信号号直直接接相相加加,必须须设计计专专门门的控控制制电电路路对对信信道道进进行行自自动动判判决决和和选择择.在高高速速通通信信中中,信噪噪比比最大大的的方方向向为为直直射射链链接接的的方方向向。。此此时时,应选选取取最接接近近直射射链链接接的的方方向向作作为为最最佳佳接接收收方方向向。。低速速率率分分集集接接收收探探测测器器原原理理框框图图高速速率率分分集集接接收收探探测测器器原原理理框框图图在接收收机机的的不不同同方方向向上上安安装装的的多多个个光光电电探测测器器均匀匀分分布布于于一一个个半半球球面面上上,这样样在在减减少少探探测测器器个数数的同同时时又又提提高高了了接接收收效效果果。。只只要要不不是是整整个个接收收机机被被遮住住,通信信就就不不会会中中断断。。关关于于探探测测器器的的个个数数和和布局局,需要要根根据据具具体体环环境境和和通通信信性性能能的的要要求求来来决决定定。理理论论计算算和和计计算算机机仿仿真真结结果果表表明明,采用用分集集接接收收系统统,能很很好好地地克克服服不不同同路路径径引引起起的的码码间间干干扰扰的影影响响。。而而且且,当接接收收机机随随用用户户位位置置改改变变或或室室内内有有人员员走动动和和其其他他物物体体产产生生阴阴影影时时,通过分集接收收系统自动判决和选择,不需要人工设设置就能保证证通信系统的畅通。实验证明,在高速通信中中,采用分集接收技术的系统信信噪比平均提提高了2dB,有效提高了系统性能。几种可见光通通信技术的研研究：1.均衡技术2.分集接收技术术3.自适应传输技术4.室内LED可见光MIMO通信自适应传输技术：采用自适应收发器器的设计方案案,可以有效减缓光无线通信中信信噪比的剧烈烈波动.在发射端,借助一个信号处理理器(DSP)来完成对机电电定向系统的实时控制。DSP被广泛应用于现现代通信中,使通信系统获得更高的信噪比比、更好的灵灵活性及调节节预见性。对白白噪声、非平衡千扰扰和多径干扰扰,可以有相应的的实现方法去进行最最佳的信号处处理。在接收端,则采用单一的光电检测器器来简化对光光前端的设计计。这个优化的设计方案采采用定向机制制将更多的光光能量集中到单一信道,一方面由于接接收端视场的的减小而降低了环境噪声对系系统性能的影影响,另一方面大大大提高了系统抗多径畸畸变的能力。室内LED可见光MIMO通信：MIMO技术的优点：：在不增加频频谱资源的前前提下具有更更高的传输容容量，还能够够克服通信链链路被室内人人员走动，家家具的阴影而而打断通信链链路的问题。。MIMO通信系统组成成：室内可见光MIMO通信系统模型型：关键点：1.LED的发散角很大大，漫反射部部分信号在总总接收信号中中也占有相当当大的成分。。2.由于光线在信信道中传输的的路径不同，，达到光学接接收器的时间间也不同，MIMO系统容易产生生码间串扰现现象。3.因为信道存在多径效应，系系统的调制速速率越高，多多径效应就越越明显。系统信道模型型：输出信号：信道传输矩阵阵：第j个接收与第i个发射装置的的功率传输关关系：解调信号：考虑漫反射后后的信道模型型：MIMO信道的特性包包括：时域特特性、频域特特性和直流增增益。时域特特性用信道的的单位脉冲响响应来表征，，频域特性则则为信道的频频率响应，通通信的可靠性性则可以由信信道的直流增增益间接表示示。脉冲响应=直射脉冲响应应+漫反射脉冲响响应在不影响计算精确确度的前提下下，K的取值没有必必要很高，即即可以舍弃高高次反射部分分。称此为简简化的光线跟跟踪法。第j