基于以太网的可见光通信系统课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020-11-01,#,基于以太网的可见光通信系统,吴华炳 谢彬 白仲亮,基于以太网的可见光通信系统吴华炳 谢彬 白仲亮,1,1.,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：,1.可见光通信的概念目录：,2,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,：,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,3,2.,基于以太网的,LED,可见光通信系统,：,可见光通信实验平台：,2.基于以太网的LED可见光通信系统：可见光通信实验平台：,4,实物图：,实物图：,5,系统通信链路,：,系统通信链路：,6,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。,从计算机A向计算机B发送以太网数据的流程是：,7,(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。,(1)接口处理电路:,8,(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。,(2)以太网介质转换模块：,9,(3),光源,LED,的工作原理与特性,:,a.,伏安特性,:,(3)光源LED的工作原理与特性:,10,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,：,基于以太网的可见光通信系统课件,11,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,:,可见光LED 驱动调制技术：,12,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,设置好合适的偏置电流，以使静态工作点位于LED 的P-I 特,13,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。,调制带宽是衡量LED的调制能力的参数,是LED用于无,14,两种优化的研究方法：,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。,两种优化的研究方法：,15,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。,均衡技术：,16,（,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。,（4）光发射机:,17,（,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。,（5）光接收机:,18,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。,光接收模块原理图:,19,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。,前置放大电路：,20,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。,主放大电路：,21,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,（信号传输速率）,高速率分集接收装置（高于,100M,）,当传输速率超过,100M,时,由于码间串扰的影响,不能将信号直接相加,必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择,.,在高速通信中,信噪比最大的方向为直射链接的方向。此时,应选取最接近直射链接的方向作为最佳接收方向。,光接收机新技术：分集接收,22,低速率分集接收探测器原理框图,高速率分集接收探测器原理框图,低速率分集接收探测器原理框图高速率分集接收探测器原理框图,23,在接收机的不同方向上安装的多个光电探测器均匀分布于一个半球面上,这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。只要不是整个接收机被遮住,通信就不会中断。关于探测器的个数和布局,需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。理论计算和计算机仿真结果表明,采用分集接收系统,能很好地克服不同路径引起的码间干扰的影响。而且,当接收机随用户位置改变或室内有人员走动和其他物体产生阴影时,通过分集接收系统自动判决和选择,不需要人工设置就能保证通信系统的畅通。实验证明,在高速通信中,采用分集接收技术的系统信噪比平均提高了,2dB,有效提高了系统性能。,在接收机的不同方向上安装的多个光电探测器均匀分布于一,24,几种可见光通信技术的研究：,1.,均衡技术,2.,分集接收技术,3.,自适应传输技术,4.,室内,LED,可见光,MIMO,通信,几种可见光通信技术的研究：,25,自适应传输技术：,采用自适应收发器的设计方案,可以有效减缓光无线通信中信噪比的剧烈波动,.,在发射端,借助一个信号处理器,(DSP),来完成对机电定向系统的实时控制。,DSP,被广泛应用于现代通信中,使通信系统获得更高的信噪比、更好的灵活性及调节预见性。对白噪声、非平衡千扰和多径干扰,可以有相应的实现方法去进行最佳的信号处理。在接收端,则采用单一的光电检测器来简化对光前端的设计。这个优化的设计方案采用定向机制将更多的光能量集中到单一信道,一方面由于接收端视场的减小而降低了环境噪声对系统性能的影响,另一方面大大提高了系统抗多径畸变的能力。,自适应传输技术：,26,室内,LED,可见光,MIMO,通信：,MIMO,技术的优点：在不增加频谱资源的前提下具有更高的传输容量，还能够克服通信链路被室内人员走动，家具的阴影而打断通信链路的问题。,MIMO,通信系统组成：,室内LED可见光MIMO通信：,27,室内可见光,MIMO,通信系统模型：,关键点：,1.LED,的发散角很大，漫反射部分信号在总接收信号中也占有相当大的成分。,2.,由于光线在信道中传输的路径不同，达到光学接收器的时间也不同，,MIMO,系统容易产生码间串扰现象。,3.,因为信道存在多径效应，系统的调制速率越高，多径效应就越明显。,室内可见光MIMO通信系统模型：,28,系统信道模型：,输出信号：,信道传输矩阵：,第,j,个接收与第,i,个发射装置的功率传输关系：,解调信号：,考虑漫反射后的信道模型：,系统信道模型：,29,MIMO,信道的特性包括：时域特性、频域特性和直流增益。时域特性用信道的单位脉冲响应来表征，频域特性则为信道的频率响应，通信的可靠性则可以由信道的直流增益间接表示。,脉冲响应,=,直射脉冲响应,+,漫反射脉冲响应,在不影响计算精确度的前提下，,K,的取值没有必要很高，即可以舍弃高次反射部分。称此为简化的光线跟踪法。,第,j,个接收器经过,k,次反射的频率