基于可见光通信技术的以太网通信系统设计.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期基于可见光通信技术的以太网通信系统设计黄文早(武汉虹信技术服务有限责任公司 湖北 武汉)【摘摘要要】可见光通信是以可见光为信息载体的新型无线光通信技术利用发光二极管()高速响应特性实现照明与通信功能无线可见光通信系统技术提供通信需求具有无频谱许可要求、提高信息安全性等优势引起人们的广泛关注无线可见光通信技术使得室内 光源兼顾通信与照明等功能用于传输的能耗低于传统射频无线通信系统 无线可见光通信系统信道模型、光电资源配置优化等研究受到人们的关注 为解决以太网通信高速传输问题本研究介绍了可见光通信系统技术对系统设计分为以太网接口、光源驱动电路级上下链路设计通过测试证明以太网通信系统设计具有可行性【关关键键词词】可可见见光光通通信信技技术术 以以太太网网 通通信信系系统统设设计计【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】()作者简介:黄文早()男湖北武汉本科工程师研究方向:主要从事通信技术、系统集成、工程管理工作 引言通信的发展与人类生活密切相关通信技术的飞速发展加快资源的共享通信技术在人类社会生产生活各领域发挥着重要的作用 随着移动通信技术的快速发展单纯依靠传统无线通信手段不能满足用户对数据的需求人们对通信技术提出更高的要求 光电通信是人类通信技术的重要手段被认为是通信发展史上的革命性进步无线光通信分为大气空间与水下无线光通信大气无线光通信包括室内与室外无线光通信室内无线光通信分为红外紫外光与可见光通信可见光通信是兼具照明与通信功能的新型通信技术是以 波长范围可见光为媒介实现无线通信无线可见光通信具有不占用电磁频段等优点在短距离传输场合具有很大的应用空间在室内外通信等领域具有广阔发展前景结合广泛采用的以太网技术可以为用户带来安全的上网体验 可见光通信技术原理光通信是以光波为载波的通信技术电磁波是由同相振荡且相互垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波电磁波特性主要由波长和频率属性决定按照频率分为无线电波、微波与红外波段等 可见光通信是利用半导体发光二极管高速响应特性实现照明与通信功能的通信技术分为室内可见光通信和室外可见光通信室内可见光通信作为全新的无线宽带高速数据接入方式引起人们 的 广 泛 关 注 发 光 二 极 管 器 件()可以将电能转换为光能白光 具有驱动电压低、使用寿命长等优点 照明技术的发展为可见光通信技术发展提供了广阔的空间 可见光通信技术具有发射功率高、绿色安全与保密性好等优点电磁波理论认为波长 介于 的电磁波为光波波长分为紫外光、红外光与可见光频段现有光通信主要是可见光与红外光频段考虑安全性问题避免使用紫外光 通信技术分为模拟与数字技术模拟技术是对载波信号振幅等进行调制的方式数字技术利用数模转换原理实现连续传输信号发射端拥有信号提取电路、时钟信号电路等信号接收端包括信号接收电路与判断电路等光电通信在许多场合是混合组网共同发展的 模拟数字信号模式可通过光通信传输光通信的频带宽、传输容量大不占用电磁频谱资源具有良好的发展前景 无线空间光通信光源主要包括 与激光 光源是随着 技术发展引入的新型光源自由空间光通信()技术发展经历了高峰、低谷与复苏期阶段 随着 光源广泛普及使用自由空间光通信技术融入 照明赋予其新的扩展空间 以太网可见光通信系统可见光通信技术如何扩大适用范围是影响其未来发展的关键相应通信技术是局域网技术 局域网()是区域内多台通信设备互联组成的小型网络包括以太网、令牌环网与光纤分布式数据接口()以太网是广泛应用的技术 目前以太网覆盖商业、家庭等应用场合但存在必须依赖实体线缆的限制 电气和电子工程师协会()推出的 协议组建立了全新的无线局域网标准并获得巨大成功 标准利用不需申请授权的 的因特网服务管理器()判断传输无线信号经过多次修改日趋完善光学系统是以太网自由空间光通信系统结构的关键部分不成熟的光学系统设计导致通信质量变差 现有自由空间光通信系统大多围绕光学系统输入展开研究 针对在 光源外部安装灯罩会使很多光散射到周围区域未充分利用光的能量要求单向通信保证接收端受到光源辐射即可保证通信正常要求双工通信上行通道泄露光干扰下行通道光的传播上下行通道分隔使系统分离成两部分在通信两端设计光电协议转换电路增加成本研究系统在光源增加抛物面反射天线汇聚直 阵列发出的可见光以实现全双工的要求 个人电脑(信息记录材料 年 月 第 卷第 期)的以太网 接口通过双绞线与光电协议器相连上行数据调制 阵列后通过对应抛物面天线发射通过光接收器将数据传给光电转换器处理 天线是将实体传输传播导波转换为自由波的结构大多数天线为互易器件天线具有明显的反向特性按照其频率函数性能分为谐振、口径与宽带天线 使用反射器由于具有开放口辐射方向被准直为接近直线的路径从而避开遮挡物 可见光双工通信系统可见光通信()是利用照明 快速开关的特性使白光 在照明的同时进行数据传输的无线光通信可见光通信具有人体安全性好、无电磁干扰等优点通过与电力线载波通信结合组建成室内可见光通信网络可作为室内定位系统基站 室内可见光无线通信由上下行通信链路组成为室内提供照明的同时进行下行信息发送 上行链路是制约室内可见光通信发展的瓶颈目前射频主要以 为典型解决方案 逆向调制通信()对入射光束调制数据发送端无须主动光源即可完成通信过程可见光双工通信系统是利用光学逆向调制技术实现可见光单光源全双工通信的新型方案室内可见光单光源双工通信系统由主动端和逆向端两部分组成逆向端向主动端回复通信链路为上行链路主动端固定于室内天花板逆向端位于各类信息终端 主动端提供系统调制光源用逆向调制器对下行光信号二次调制 主动端对二次调制光信号处理实现单向光源的全双工通信 单光源双工通信中涉及两次调制在逆向端利用逆向调制器对接收到下行光信号进行二次调制光学器件参数一定反射平面离焦量大接收端光电探测器输出功率小 可见光双工通信系统中主动端提供光源上行链路调制信号由逆向调制端以反射光束形式发出 下行链路信号容易对上行链路造成干扰上下行链路应选择不同的调制方式便于主动端从接收到的信号中分离出上行链路信号 下行链路调制光信号需要采用光强度恒定的调制方式设计离焦型猫眼逆向调制器压电陶瓷片对不同频率驱动信号响应封堵不同相移键控()等相位调制方式难以实现频移键控()受信道幅度非线性影响小为提高上下链路抗干扰能力选择 为上下链路调制格式下行链路选用正交相移键控()调制方式 是基于 发展的调制技术对 调制基带数据相对编码解调端通过恢复信号进行解差分处理利用相对码传输方式解决 通信相位模糊问题 调制部分包括码元变换与星座映射部分对编码后序列进行串并转换星座映射模块根据 路和 路数据映射相应相位 将、数据与正交载波()和()相乘将信号调制数据相加得到调制信号 解调采用相干解调法正交和同相支路信号包括高低频分量 对信号进行低通滤波后得到仅包含基带波形的低频分量恢复正交支路与同相支路数据 调制是用载波不同相位代表数字信息组合输入基带信号进行分组按照组合状态下不同映射到相位载波上的波形载波相位携带 个比特信息 系统上行链路采用 调制格式编码后数字基带信号转换为不同频率载波信号 基于可见光通信的以太网系统设计可见光通信系统由上下行链路部分组成通过将信号加载到 灯上发出可见光用户端线性接收端实现可见光接收 需要根据实际应用场景选择不同类型链路上行链路分为可见光与射频 链路等上行链路发射器不需要通过照明即可实现 发射端和接收端具备基带和光部分实现对光电信号的转换接收端实现对接收信号解码等处理工作 图 为可见光通信系统的构成示意图 根据可见光通信技术设计以太网通信系统由远近端模块构成近端模块借助以太网光猫为终端远端模块设计实现与设备的连接实现双工通信设计图 可见光通信系统的构成示意图 无法充分满足以太网高速通信实现双工通信时系统上下链路 光源在同时发生电量串扰现象研究利用红色激光器为发射光源系统接收端利用光电二极管作为光电探测器 光驱动电路设计通过通信信号加载到光源上以太网通信系统光源驱动电路设计分为放大和偏置两部分滤波电路实现对信号噪声过滤 和 布置影响静态工作点使得输出交流电信号无失真现象 放大部分电路设计将直流与交流信号加载到光源两端图 为基于可见光通信技术的以太网通信链路结构图光源检测模块设计主要是光电探测器系统在设计中选择利用雪崩光电二极管()为探测器通信系统设计中采用光源探测器反向击穿电压接近 实现电容放电电压与电源电压的叠加单极升压电路三极管导通时电感电压公式为/断开时电感电压为/开关导通及断开时流过的电感电流相等信息记录材料 年 月 第 卷第 期图 基于可见光通信技术的以太网通信链路结构图 单级升高后电压为/需要利用多级升压电路为系统提供稳定的电压支持 高速转换电路设计使得以太网终端网口对转换后的电流信号识别 网口输出以太网信号需要借助电路提取满足系统需求 可见光通信系统需要单端信号传输检测电路模块设计后需要考虑差分信号模块 以太网信号提取功能将以太网物理层差分信号提取不需经过发送端编码映射等操作降低信噪比的损失 利用差分接收器放大芯片可在高频率工作状态下具备较高的抑制比 差分转单端电路公式为()(/)以太网通过 进入电路 单端转差分电路设计利用低失真差分模拟数字转换器()作为主要核心芯片压摆率达到/以太网通信系统包含多种电路模块对系统整体频率响应等方面产生影响将系统模块集成在印制电路板()上降低模块占用面积针对集成后电路板封装在结构模块中通过 接口网线等实现数据交互传输 图 为光源驱动电路设计图图 光源驱动电路设计图光通信介质转换模块设计由网络控制器等部分构成以太网接口选择 实现以太网接口设计 以 芯片为主处理器驱动以太网控制器和数据格式转换 以太网接口电路设计由主处理器等部分构成 芯片支持双工通信网络控制器接口设计为标准 串行接口 网络接口电路设计需要进行 脉冲变压器连接在虚信道分配问题()上引脚与地脚间需要利用 的稳压电容连接 以太网通信系统设计以 多阶基带数字编码方式为以太网编码方式通信信号调制后得到 光源上晶体管 晶体管逻辑()电平 电平是具备正零电平的单极性码实现以太网通信系统和可见光通信系统传输介质间的电平极性转换 可见光通信的以太网系统实验测试基于可见光通信技术的以太网通信系统进行测试分析需要搭建可用于测试的平台系统通信线路设计上下线路通过集成模块实现以太网信号传输设计加入反射镜提高以太网通信距离通过利用网线直连的方式与 进行以太网接口连接利用可见光通信技术的以太网通信系统进行上网连接通过对网线直连模式与联网模式下设备速度测试结果对比证明系统可实现 以太网传输 从链路和误码率方面分析系统性能矢量网络分析端口 在近端模块输入端成功加载扫频信号将其结果输入到矢量网络分析仪的端口上系统带宽可达到 通过误码率分析以太网通信系统可实现 速率的高速信号传输 结语综上所述当前各种智能手机应用层出不穷社交网络服务发展改变人们的交流方式 国家提出“互联网”行动理念使信息技术与现代制造业等融合创新让移动数据业务量迅速增长 移动通信网络难以满足移动通信发展需求依靠提高系统频谱利用效率提高容量难以满足快速增长的应用需求开发利用新型频谱资源是无线通信发展的必然趋势 无线可见光通信技术是以 发出光为载波进行数据传输的无线通信技术半导体光照通信系统实现方式由网络接入控制器与接收机组成将 驱动电信号转换为光信号接收机将光信号转换为电信号发送给用户 本文设计以太网通信系统可在不经调制上下行链路下实现以太网信号传输通过搭建测试环境对设计的以太网通信系统进行远距离联网通信测试证明其可靠性【参考文献】龚从安.基于 的水下高速激光通信系统的研究.南京:南京邮电大学.孙欣欣 王延军.基于可见光通信技术的以太网通信系统设计.信息记录材料 ():.卢霆威 王泽平 刘梦 等.基于可见光通信技术的全双工以太网通信系统设计.电子学报 ():.顾金波.水下蓝光 视频传输系统设计与实现.桂林:桂林电子科技大学.(下转第 页)信息记录材料 年 月 第 卷第 期访问策略等方式将内外网隔离开来及时识别入侵计算机应用系统的行为并加以阻止同时做好硬件设备日常管理工作以此来提高计算机系统软硬件系统的稳定性从企业和个人方面进行分析企业需要不断提高使用人员的专业能力和安全意识定期普及网络安全相关知识使其在应用计算机科学与技术过程中自觉规范自身行为不给违法分子可乘之机 同时企业要进一步加大自身网络安全防护管理力度通过技术手段对计算机系统中的数据信息进行管理尽可能避免数据信息储存、传递过程中出现丢失、篡改等问题为企业稳定、健康发展夯实基础 从法律方面进行分析相关部门需要不断优化和完善相关法律法规并成立专项小组做好网络安全监督管理工作严厉打击网络违法犯罪分子为广大用户营造良好的网络环境 近年来我国针对计算机科学与技术的应用已经出台了一系列法律法规包括中华人民共和国网络安全法等为维护网络安全、治理网络隐患奠定了坚实基础从源头打击了网络犯罪行为 并且在法律法规不断优化和完善的同时公民、法人及其他组织的合法权益也得到了切实保障为计算机科学与技术现代化应用和发展创造了更加广阔的空间 构建完善的系统结构在计算机科学与技术应用范围逐渐拓宽的时代背景下越来越多行业将其作为建立竞争优势的抓手希望在技术支撑下简化工作流程、提高工作效率、创造更高经济效益进而走在行业发展前端获得更加优质的资源 目前很多行业在计算机科学与技术应用中仍然缺乏专业化、针对性的体系参考无法充分发挥软件的作用和优势如要实现此目标需要构建完善的系统结构 不同行业发展需求和发展特点不尽相同计算机系统的功能要求也存在较大差异需要充分利用计算机科学与技术的作用和优势构建与自身发展需 求和实际 情况相符的 系统结构 例如办公人员在日常工作中需要完成大量数据信息收集、整理、储存、分析等工作因此企业在设计计算机软件系统结构时也要考虑如何减轻工作人员的工作负担同时保证工作质量 进而在系统设计中增加计算机软件系统数据信息收集、处理、分析等功能保证计算机软件系统与办公情境相符才能够提高系统应用率 企业在日常工作中最常用的办公软件包括、等合理使用办公软件既能够提高工作效率也能够为企业现代化发展奠定基础 因此想要构建完善的计算机系统就要从不同用户角度思考问题 寄存器作为计算机系统中的重要组成部分主要用来保存和描述数据典型的寄存器包括 位、位、位、位几种在实际应用中需要结合用户需求进行合理选择 另外计算机的体系结构和组成无法完全分离如微处理器中的 位寄存器可以按照 位计算机相同方式实现但如果使用 位数据总线那么功能单元也必然是 位的 由此看出系统结构的组成部分十分复杂在计算机科学与技术应用中程序员看到的计算机往往是抽象视图计算机的硬件会被隐藏这个抽象视图现在通常被称作指令集体系结构 结语综上所述近年来我国计算机科学与技术应用范围逐渐拓宽为各行业、各领域升级改革奠定了良好基础尤其在教育教学、办公自动化等方面呈现出了广阔的发展空间 但计算机科学与技术现代化应用依然面临专业人员匮乏、网络安全隐患较多等问题 本文主要从培养专业人才、加强网络安全管理、优化系统结构等方面入手对计算机科学与技术应用中存在的困境进行突破以期为计算机科学与技术的发展和应用奠定基础在为广大用户提供更多便利的同时使其现代化应用赶超世界先进水平【参考文献】刘林.计算机科学与技术的发展与展望.集成电路应用 ():.吴小翠.计算机科学与技术的现代化运用探讨.数字通信世界():.海连.大数据背景下计算机科学与技术的应用探讨.数字技术与应用 ():.朱睿.计算机科学与技术的应用与展望.集成电路应用 ():.徐彬 陆黎.嵌入式校企合作人才培养模式在计算机科学与技术专业中的应用研究.电脑知识与技术 ():.丛伟 李鸿艳.新工科背景下的计算机科学与技术专业人才培养方案修订.计算机教育():.施莹超.信息时代背景下计算机科学技术的运用.信息与电脑(理论版)():.(上接第 页)景涛.基于 的水下光无线通信技术研究.北京:北京邮电大学.田原.可见光通信系统基带传输关键技术研究.南京:东南大学.李远航.基于可见光的水下环境监测系统.南京:南京邮电大学.张欢.可见光全双工通信系统设计.西安:西安理工大学.