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)計和成本方面的瓶頸，以推動VLC更廣泛的普及和應(yīng)用。提出并實現(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信號對可見光進行調(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的傳輸距離上實現(xiàn)了平均94 Mbps的穩(wěn)定實時傳輸。本方案克服了VLC復(fù)雜性和高成本的問題，有望推動可見光通信技術(shù)在無線通信領(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：TN929.1? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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)計與實現(xiàn)[J].商洛學(xué)院學(xué)報，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）是一種利用光的強度變化來傳輸信息的通信技術(shù)。VLC因其超寬、免許可的頻譜特點，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，發(fā)光二極管（LED）低成本、高可靠的優(yōu)勢也在推動著VLC技術(shù)的進步。近年來，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺[2]，使用VLC技術(shù)實現(xiàn)的Li-Fi系統(tǒng)能夠同時實現(xiàn)照明和數(shù)據(jù)傳輸功能，并且已經(jīng)應(yīng)用于某些對無線電波敏感的領(lǐng)域或場所，如工廠、醫(yī)院等[3]。同時，LED設(shè)備的能效和市場需求的快速提升，也為VLC的實施提供了必要的硬件基礎(chǔ)[4]。

為了促進可見光通信技術(shù)在實際應(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。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)，實現(xiàn)了一個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，這些額外的器件無疑增加了實現(xiàn)成本和難度。實際上，來自以太網(wǎng)的基帶信號可以直接用于可見光信號的調(diào)制，從而避免了復(fù)雜的信號處理過程。光無線信道比電纜信道更復(fù)雜，可能會受到環(huán)境光的干擾，同時也會被物體阻擋。這種影響可能會導(dǎo)致傳輸錯誤或傳輸中斷。一旦以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)生錯誤，它只能丟棄消息幀，因此無法提供可靠的傳輸。而通過使用反饋協(xié)議，如自動重傳請求（ARQ）策略，可以在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)無差錯的通信。因此，對于VLC系統(tǒng)來說，需要采用ARQ策略來建立可靠的連接。

本文提出并設(shè)計一種經(jīng)濟高效、與快速以太網(wǎng)兼容的可見光通信方案。為了便于系統(tǒng)性能的測試與加速，借助于TCP/IP數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ機制。通過試驗驗證的方法，對可見光通信系統(tǒng)的傳輸速率進行測量。并在不同信道條件下，包括良好和更差的情況下分別進行測量，以進一步驗證該方案的可行性。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

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)送信號的過程中，信源數(shù)據(jù)首先被封裝進ARQ幀中，隨后每個ARQ幀又被進一步打包成以太網(wǎng)幀以適應(yīng)以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。而在接收信號時，上層協(xié)議會逐層拆解下層傳遞過來的數(shù)據(jù)包，從以太網(wǎng)幀中提取出ARQ幀，并進一步從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)。對于網(wǎng)卡輸出信號有兩種處理選項。第一個選項是將差分信號轉(zhuǎn)換為更高功率的單端信號，然后通過電纜直接將其輸入到發(fā)射機板。第二個選項是使用一個介質(zhì)轉(zhuǎn)換器與以太網(wǎng)卡連接進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將輸出信號轉(zhuǎn)換為單端信號，然后將其連接到發(fā)射機。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探測器將其轉(zhuǎn)換成電信號。隨后，該電信號被轉(zhuǎn)換為一對差分信號，并發(fā)送回介質(zhì)轉(zhuǎn)換器或以太網(wǎng)卡。

1.2 VLC發(fā)射機設(shè)計

為了能使用交流信號控制LED的瞬時光功率，通常會采用bias-T電路，該電路能夠?qū)C和AC信號疊加在一起，然后點亮LED。不同于常見的共陰極LED或單個LED，本研究采用三色LED具有共陽極結(jié)構(gòu)。因此，需要從陰極輸入調(diào)制信號，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，因為LED是由DC和AC信號同時驅(qū)動的。在DC環(huán)路中，使用高阻抗的電感LDC來阻礙AC信號的通過，而LED的靜態(tài)工作點通過串聯(lián)電阻RQ進行調(diào)整。在AC環(huán)路中，使用大電容CAC來阻礙DC偏置電流的通過。電容器C0將AC信號引向地面以閉合AC環(huán)路，并同時過濾掉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)射機實物如圖3所示，其尺寸大小設(shè)計匹配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，一個導(dǎo)通的LED被一個與電容并聯(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=是一個常量，決定了最高的響應(yīng)。ωn=是拐點角頻率。

圖4顯示了在不同直流偏置電流下測得的頻率響應(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。事實上，總信號功率的80%包含在62.5 MHz以下。因此，需要一個均衡器來拓寬發(fā)射器的帶寬。而一階均衡器足以構(gòu)建一個平坦的響應(yīng)，覆蓋MLT-3信號的帶寬。

1.4 VLC均衡器設(shè)計

為了實現(xiàn)帶寬的擴展，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，而后者通常因為其簡單性而被采用[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，其帶寬由第二個拐點頻率決定。因此，經(jīng)過均衡處理后的帶寬仍然是有限的。由于無源均衡器通過抑制信號高頻部分的能量來擴大帶寬，因此發(fā)射器帶寬的提高是以犧牲信噪比（SNR）為代價的[14]。

2? 結(jié)果與分析

首先測量均衡器和發(fā)射機的S21參數(shù)，測量的結(jié)果將與仿真結(jié)果進行比較。隨后，搭建VLC系統(tǒng)以實現(xiàn)兩臺電腦之間的實時通信，并使用iperf3收集實時速率以證明以太網(wǎng)-VLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3中的發(fā)射機由兩部分組成，它們分別用于實現(xiàn)將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號并對可見光進行調(diào)制。來自Thorlabs的PIN檢測器（PDA10A2）用于檢測光信號，并且在接收器前方放置一個凸透鏡（ACL50832U-A）用于聚光。在不同的應(yīng)用場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光進行準(zhǔn)直和聚焦，以擴展通信距離。LED的S21參數(shù)由Rigol的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA，RSA3015N）測量得到。

VNA的信號輸出端連接到驅(qū)動電路的信號輸入端，光電探測器的輸出信號端連接到VNA的信號輸入端。圖4顯示了藍色、綠色和紅色LED在不同偏置電流下的測量結(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來生成光信號。

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)動電路與均衡器連接后，最高頻率響應(yīng)僅為-31 dB。為了補償無源均衡帶來的衰減，需要在接收端增加一個功率放大器來提高接收信號的功率。VLC系統(tǒng)的最終均衡頻率響應(yīng)是圖5中的實線，3 dB帶寬為92 MHz，最高響應(yīng)為0.93 dB。帶寬和響應(yīng)均符合試驗條件。

為了建立光鏈路，首先需要在發(fā)射機上使用SMA電纜將LED驅(qū)動電路與轉(zhuǎn)換器電路連接起來，并將使用RJ45網(wǎng)線連接電腦與轉(zhuǎn)換器板。電腦會自動識別連接，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進行實時速率測試。傳輸距離分別設(shè)置為0.2 m和2 m，測試時間持續(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。

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

3? 結(jié)論

本文提出并實現(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信號對可見光進行調(diào)制。該方案中采用的發(fā)射機包括轉(zhuǎn)換板和驅(qū)動板兩部分。轉(zhuǎn)換板的目的是將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，以提高信號功率。驅(qū)動板則用于光信號的調(diào)制。為了增加發(fā)射機的帶寬，本文采用了簡單的一階均衡技術(shù)并成功實現(xiàn)了92 MHz帶寬，足以支持MLT-3基帶信號的傳輸。最后通過該VLC系統(tǒng)，在兩臺電腦之間建立了無線光鏈路，測試結(jié)果顯示實時速率達到94 Mbps，媲美使用網(wǎng)線連接的速率。

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