基于可见光通信技术的以太网通信系统设计

孙欣欣，王延军

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050000）

0 引言

可见光通信技术（visible light Communication，VLC）是现阶段一种新型的无线通信模式，是由400～700 nm波长范围的可见光为媒介实现无线通信[1]。因此，该技术不仅具备现有射频通信无法比拟的通信速度和频谱资源，还具备高带宽、防电磁干扰以及功耗低等优点，所以在室内外通信、军事等领域中拥有广阔的发展前景。基于此，本文通过利用可见光通信技术替代微波通信技术，实现以太网通信系统设计，并对其展开探究。

1 可见光通信系统的设计原理及构成

首先，可见光通信系统又被称为双向全双工系统，该系统由上行链路和下行链路等两个部分构成。取其中LED照明设备为下行链路的下行数据发射器，通过将信号加载到LED灯上发出可见光，而此时载有信号的可见光就会在室内信道中进行传输，最后由用户端的线性接收端实现可见光接收。上行链路具备多种类型，需要根据实际的应用场景来选择不同类型的链路，一般上行链路分为可见光链路、射频WiFi链路等。同时，上行链路的光链路设计与下行链路设计相同，但上行链路发射器并不需要通过照明就能够实现。其次，可见光通信系统的由3个部分构成：发射端、信号以及接收端，具体见图1所示。

图1 可见光通信系统的构成示意图

其中，发射端和接收端均具备基带和光等两个部分。光的发射与接收等前端，实现了对光信号与电信号两者之间的转换，而基带发射端实现了对以太网网络信号的编码和调制处理，而接收端则实现了对接收的信号进行解码、调制等处理工作[2]。

2 以太网通信系统链路结构设计

根据可见光通信技术设计的以太网通信系统主要由近端和远端等两个模块构成。其中，近端模块主要是借助网络运营商提供的以太网光猫为终端，实现数据的发送与接收工作；而远端模块设计主要实现与设备的连接，进程数据的上传与下载工作。并且，两个模块的硬件完全一致，实现了全双工通信设计，具体见图2所示。

图2 基于可见光通信技术的以太网通信链路结构图

受现有LED调制带宽大小的影响，无法充分满足以太网的高速通信，由于LED时发散光源，因此在实现全双工通信时，系统的上、下行链路的LED光源在同时点亮时，会发生串扰的现象，无法有效满足高速、长距离的远程通信需要。所以，本文选择利用具备高带宽的红色激光器为发射光源，实现以太网信号传输。则系统的接收端利用光电二极管为本系统的光电探测器，并通过在探测器前端加装透镜，以此提高通信的距离[3]。

3 系统电路设计

3.1 光源驱动电路模块设计

该驱动电路的设计，通过将通信信号加载到光源之上，以此实现了电信号与光信号两者之间的转换。而以太网通信系统的光源驱动电路设计，具体见图3所示。光源驱动电路的设计，分为放大和偏置等两部分，从图3上看，当交流信号输入口后端是由R1与C1共同构成了滤波电路，以此实现了对信号噪声的过滤。而R2和R3两者的比值对输入的静态工作点有着直接的影响，从而使得光源稳定工作在线性区间，使得输出的交流信号无失真现象的发生。而放大部分电路的设计，进一步将信号进行放大，通过将直流信号与交流信号共同加载到光源的两端，以此实现了信号的发射[4]。

图3 光源驱动电路设计示意图

3.2 光源检测电路模块设计

该模块的设计主要是由光电探测器，将接收到的光信号转换为电信号，并对其信号进行处理。而本系统在设计过程中选择利用APD作为探测器。首先，从开关电源电路设计方面来看，本文在通信系统设计过程中采用的光源探测器的反向击穿电压接近95 V，因此需要利用自举升压二极管和自举升压电容等相关电子元器件，实现电容放电电压与电源电压的叠加，以此使得电压能够实现多级放大。而当单极升压电路的三极管导通时，其电感电压的公式为：

从上述公式（1）中来看，tON代表了开关管导通发的时间，所以当k断开时，则其电感电压为：

从公式（2）上来看，tOFF代表了开关管得断开时间，在结合伏秒平衡原则下，开关导通以及开关断开流过的电感电流之间的大小相等，所以其占空比则为：

以此可以得出经过单级升高之后的电压大小为：

由于，基于可见光通信技术的以太网通信系统设计需要升压较高。因此，需要利用多级升压电路才能够为系统提供稳定的电压支持。

其次，高速转换电路的设计，为APD工作状态下接收到的光信号转换成的电流信号，进行处理，以此使得以太网终端的网口或使用的设备能够对转换后的电流信号进行识别，并进行电平判决。在转换电路设计时，还需要具备高增益带宽积。

3.3 信号转换电路模块设计

经过网口直接输出的以太网信号，需要借助电路进行提取和处理之后，才能够满足系统的需求。同时，以太网信号作为一个差分信号，而可见光通信技术需要单端信号才能够进行传输。并且输入设备以及以太网网口的信号设计必须为差分信号，因此在检测电路模块设计之后，还需要针对其差分信号模块进行充分的考虑，进行信号提取电路、差分转单端电路和单端转差分电路设计[5]。

首先，以太网信号提取电路的功能是通过直接的方式，将以太网物理层差分信号通过提取之后，在进行通信。整个过程并不需要经过发送端的编码映射、调制和接收端的解码和解调等操作，就能够实现信号通信，并使得降低信噪比的损失。其次，差分转单端电路设计，主要利用差分接收器放大芯片来实现，该芯片能够在高频率工作状态下，依然具备极高的共模抑制比。所以符合高速差分信号传输的应用[6]。具体差分转单端电路的公式为：

从（6）公式上来看，以太网信号通过从VIN+和VIN一端进入到电路中，然后从VOUT端输出。

而单端转差分电路的设计，本文主要选择利用低失真差分ADC驱动器为此电路的主要核心芯片。其中，该芯片的-3 dB带宽达到了320 MHz，压摆率达到了1 150 V/us，具备了低谐波和低失真等特点。

3.4 整体电路集成模块设计

以太网通信系统包含了多种电路模块，而这些模块之间需要利用传输线实现模块连接，因此这会对系统的整体频率响应和稳定性等方面产生一定程度的影响。所以，需要对系统的整体电路进行集成化处理，简单来说就是将系统上述模块集成在一块PCB板之上，这样一来不仅降低了模块的占用面积，还使得系统的稳定性得到了提高。同时，为了便于安装，本文针对集成之后的电路板，将其封装在了结构模块之中。而整体模块的设计，通过RJ45接口网线和终端等实现了数据交互传输+。

3.5 光通信介质转换模块设计

该模块设计主要由主控制机器、网络控制器以及以太网接口电路等3个部分构成。其中，以太网接口选择具备网络隔离变压器功能的HR911105A来实现以太网接口设计。

3.6 网络接口电路设计

首先，本文以STM32F芯片为主处理器，实现光通信介质转换模块设计。该芯片主要作用于驱动以太网控制器和数据格式转换，以及实现数据的接收和发送等工作。而以太网网络接口电路的设计，则是由网络控制器和主处理器等部分构成。其次，ENC28J60芯片作为一个具备MAC与PHY，支持半双工模式和全双工通信的网络控制器。其内部物理层选择利用过滤机制实现对传入的数据包进行限制；其接口设计为标准SPI串行接口，在4根线的作用下，即可以实现和主控芯片的通信。网络接口电路的设计，在（TPIN+/TPIN-）与（TPOUT+/TPOUT-）等差分脚上需要进行1:1的脉冲变压器连接。同时，为保障稳压器的工作稳定性，在VCAP的引脚与地两者之间，还需要利用1 010 μF的稳压电容进行连接，为其工作提供保障。

3.7 转换协议设计

以太网通信系统设计时，主要以MLT-3（Multi-LevelTransmit-3）[7]多阶基带数字编码方式为以太网信号编码的方式。而MLT-3是一种具备正电平、零电平以及负电平的双极性码。在可见光通信技术当中，通信信号经过调制之后，到LED光源上的TTL电平，在光源的明暗变化下可以在自由的空间中进行信号传输。其中TTL电平是一种具备正电平和零电平的单极性码。而光通信介质转换模块的设计，实现了以太网通信系统和可见光通信系统两种传输介质之间的电平极性转换以及不同通信之间的协议转换。

4 实验测试结果与性能分析

4.1 以太网通信系统测试

基于可见光通信技术的以太网通信系统进程测试分析，需要搭建一个具备上、下行链路和家用设备的可用于测试的平台（具体参考见图2所示）。整个系统的通信线路设计在上行链路和下行链路以及近端模块、远端模块的作用下通过集成模块实现了以太网信号的传输。并且，在光路传输时，本文设计加入了反射镜，以此提高以太网通信的距离。为保障该系统的实用性，本文首先通过利用网线直连的方式与100 Mbps进行以太网接口连接，并每隔10 min对设备的上传与下载速度进行一次测试。接着，利用基于可见光通信技术的以太网通信系统，进行上网连接，并利用上述测试网速的方法进行测试。通过对网线直连模式与本文联网模式下设备的上传速度和下载速度的测试结果进行对比分析，得知使用以太网通信系统上网的设备其上传和下载速度基本上与网线直连模式的速度一致，进而证明了该系统能够实现100 Mbps以太网传输[8]。

其次，为进一步证明该系统的可行性，在实验测试过程当中，通过尝试移动接收端模块，从中发现，在保证入射光依旧照射透镜范围之内时，接收端的微小距离移动或转动较小的角度范围内，本文系统能够实现以太网通信。最后，本文又分别对本文系统进行黑暗和正午环境等分别对以太网通信系统的通信进行测试，实验证明不管是在哪种情况下，该系统均能够稳定实现100 Mbps的以太网信号传输。

4.2 系统性能测试

为验证以太网通信系统的整体通信性能，本文从链路和误码率等两个方面对该系统的性能进行分析。首先从图4（a）的带宽测试链路方面来看，矢量网络分析的端口1在近端模块的输入端成功加载扫频信号，而远端模块实现了对扫频信号的接收之后，并将其结果输入到矢量网络分析仪的端口2上。然后，通过对系统的频率响应方面的测试结果来分析，该系统的带宽能够达到42 MHz，且能够有效应用于高速通信场景当中。其次，从图4（b）误码率测试链路上看，通过利用误码率分析仪，将去阈值设置为3.8×10-3，从测试结果来看，该以太网通信系统能够实现150 Mbps速率的高速信号传输[9]。

图4 系统的带宽性能与误码率链路测试示意图

5 结语

综上所述，为解决以太网上下行传输问题，本文基于可见光通信技术，提出并设计了一种以太网通信系统。而该通信系统的设计，能够在不经过调制的状况下，上下行链路均能够实现以太网信号的传输。同时，为进一步证明该通信系统的可行性，通过搭建测试环境对本文设计的以太网通信系统尽心了10 m的100 Mbps远距离联网通信测试，最后证明了该系统的可靠性。