CN107733527A - 一种基于300Mbps可见光通信的以太网‑可见光适配器板级方案 - Google Patents

一种基于300Mbps可见光通信的以太网‑可见光适配器板级方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于300Mbps可见光通信的以太网‑可见光适配器板级方案，属于可见光通信技术关键设备的设计领域。本发明基于可编程逻辑门阵列技术，从板级设计层面实现了从以太网信号到可见光信号的转换，保证数据在介质过渡中的传输完成。本发明立足于新兴的可见光通信技术，辅助实现了可见光通信信道与现行通信接口进行适配的需求，可解决目前可见光‑以太网通信适配领域上硬件设备的难题，为未来可见光通信技术打下坚实的基础。

Description

一种基于300Mbps可见光通信的以太网-可见光适配器板级 方案
【技术领域】
本发明公开了一种基于300Mbps可见光通信的以太网-可见光适配器板级方案，属于可见光通信技术关键设备设计领域。
【背景技术】
近年来，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)作为一个新的通信技术，正在逐渐走进学术界的视野。可见光通信，可通俗理解为“灯泡通信”，它以激光、LED等一系列发光器件为载体，用可见光频段的电磁波作为载波，将数据信息调制到可见光上，从而实现通过其通信的目的。目前学界和业界所定义的可见光通信概念始于2000年。作为一种新兴的无线通信技术，可见光通信有很多优点：
1)带宽范围宽(380nm-780nm，相当于405THz)，不受使用许可证限制；
2)安全性高，保密性好、绿色环保；
3)在准确方向定位上具有明显优势；
4)能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用，对现行已有的无线通信场景起到很大的补充作用。
目前可见光通信的通信速率已经具有显著的提升，因此相关应用场景的设计也应运而生。鉴于目前单路LED通信实时速率已经远高出百兆全双工以太网的带宽100Mbps，因此有必要设计一款能够用于收发千兆以太网数据的LED通信设备。但是目前的LED峰值速率处于100Mbps和1000Mbps之间，峰值速率反映的即是其最小脉宽，因此千兆以太网不能直接和LED信道连通的最大问题就是信号脉宽的不一致。因此基于对应用场景设计的需求，有必要设计一款能够适配以太网和可见光信道的桥接设备来填补这类应用的需求。本发明针对可见光通信应用，提出了用于可见光通信应用场景的适配器板级设计方案。发明采用基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)技术来实现适配器的数据收发功能，具有专用性和可复用性，从而能够充分满足可见光通信的各项要求。
【发明内容】
本发明的目的是提供以太网数据流过渡到可见光通信信道的硬件基础，从而实现“灯泡上网”的目的，具体包括如下部分：
(1)以太网收发器接口电路：处理网络数据，建立以太网与FPGA的通信接口；
(2)基于FPGA的系统逻辑：作为系统的核心部分，搭载系统的核心逻辑，包括数据帧的收发、转存和适配等功能；
(3)光路收发器电路；将可见光信道侧的数据流进行串化解串以及电平接口适配，实现信号与光信号之间的双向转换。
【本发明的优点和积极效果】
与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：
第一，针对以太网-可见光适配器应用专门设计，具有很强的专用性；
第二，采用FPGA技术，利用其现场可编程性，可灵活调整设计，从而节约设计成本，缩短设计周期；
第三，光路接口电路使用片外的专用收发器，可充分保证数据串行化和解串过程中的转换效率，并能在较高的传输速率下仍能保证较低的误码率；
【说明附图】
图1描述了以太网-可见光适配系统基本结构框图。
【具体实施方式】
图1为以太网-可见光适配系统的板级设计基本结构框图，该设计从电路上保证同步于以太网端时钟的数据流同步到光路端数据时钟，实现数据在不同接口之间的适配功能。本发明共分为物理层PHY电路、FPGA电路和光路接口电路三个部分，以FPGA作为主控芯片，并配以三速以太网收发器和片外SERDES收发器组。
设计利用FPGA的可编程性，可根据用户需求实时配置适合的系统模块，进而提高系统的工作效率；低速端使用片外的专用收发器，可充分保证数据串行化和解串过程中的转换效率，并能在较高的传输速率下仍能保证较低的误码率。系统各模块协同工作，进而实现系统的实时性、可靠性和稳定性。工作流程分为三个部分：
1.以太网数据经由以太网PHY进入FPGA，由FPGA完成以太网数据包的缓冲和同步；
2.从网口进入的数据经过缓冲同步后送入串行器转换为串行信号，并接入可见光收发器发送端送出；
3.从可见光收发器接收端恢复的信号先经过解串器转换为同步于低速时钟的数据包，再将数据包通过缓冲器同步至以太网数据的发送时钟，最终经由以太网PHY发送出该数据。
由三速以太网收发器芯片为核心组成的物理层PHY电路，在设计中起到介质转换和建立与FPGA的通信接口的功能。此外，三速以太网收发器兼容三种速率，可以根据通信环境自动适应为10Mbps、100Mbps或1000Mbps的以太网信号，并且将以太网信号在模拟信道和三速兼容的数字8bit并行同步收发通信接口之间进行相互转换，实现系统链路逻辑与物理层电路的通信连接，保证系统的统一性与实时性。
FPGA起到承上启下的核心作用，串连起以太网收发器接口电路和光路收发器电路。基于FPGA的系统逻辑作为系统的核心部分，搭载系统的核心逻辑，其功能包括包括数据帧的收发、转存和适配等功能。FPGA即可编程逻辑门阵列，具有独特的查找表结构，通过可编程逻辑模块来进行设计实现逻辑功能电路，利用其现场可编程性，可灵活调整设计，从而节约设计成本，缩短设计周期。此外，FPGA采取并行运算保证了处理速度，可对高速以太网数据帧进行实时处理。进一步提高系统的即时性，同时也为可见光通信在高速高带宽的进一步探索上打下坚实基础。
光路收发器电路，负责数据的接收与发送，并建立起适配器与可见光光路的通信接口，实现电信号与光信号的双向转换。下行链路接收从FPGA发送而来的并行数据，并将其串化，转换为单路差分数据流发送至LED光发射模块。与此同时，上行链路处理从LED光发射模块接收到的数据，进行解串处理后送给FPGA。收发通道使用收发器ASIC，从而提高数据串化解串过程中的转换效率，使误码率维持在一个较低的水平，进而完成电信号与光信号的适配对接。

Claims (1)

1.一种基于300Mbps可见光通信的以太网-可见光适配器板级方案，方案包括如下部分：
(1)以太网收发器接口：将从网线传来的数据进行处理，并建立以太网数据与系统核心逻辑之间的通信接口；
(2)基于FPGA的系统逻辑：作为系统的核心部分，用于实现介质的转换以及数据缓冲机制等等，在板级系统中起到控制调度的作用；
(3)光路接口电路；与可见光通信收发模块进行对接，实现电信号与光信号的双向转换。
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