CN112636833B - 一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置，属于可见光通信领域。将以太网物理层的数据通过接口处理硬件电路直接提取出来，不需建立以太网与FPGA或DSP的通信网络接口，简化系统集成复杂度和降低开发周期，避免可见光通信速率降低问题；将以太网接口处理电路与差分转单端、单端转差分电路集成于一个模块中，避免高速信号在传输过程中衰减及信号反射问题。在发射端的光源驱动电路中集成自动功率控制电路，在接收端光电检测电路中设计漏电保护；在下行链路主要采用可见光激光进行通信，实现稳定双向通信，在低成本下满足实际应用中能进行可见光高速、远距离通信传输的要求，且满足家用数字网络电视等其他终端设备上网的性能要求。

Description

一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置

技术领域

本发明属于可见光通信领域，尤其是涉及一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置。

背景技术

可见光通信作为当下家用光纤上网的强有力的补充手段，有效解决了目前频谱资源日益枯竭的难题，而可见光的频谱资源十分丰富且使用无需复杂的授权许可；另外，可见光通信能够在医院等电磁受限或者敏感区域下使用，且安全系数高，只要阻挡可见光传输的路径，信号就能够有效被截断。

可见光通信技术是利用可见光光源发出高速明暗闪烁的信号来传递信息，在接收端通过光电探测器检测电路接收传来的信息；传统的系统主要是基于发送端通过DSP或者可编程逻辑器件FPGA进行数据提取、编码映射、数字调制和接收端的数字解调、编码解映射等操作才能完成以太网数据的传输；这样虽然能够完成以太网帧数据的传输，但是受限于器件的处理速度和存储容量很难达到高速传输的目的；另外，如果实现上行链路和下行链路同时进行数据的传输，不仅增加了系统的复杂度，难以远距离传输，而且误码率也会大幅度增加，在实际应用中，误码率的增加会导致以太网传输网速的降低；因此，寻找一种能够提高以太网传输速度又能够有利于上行和下行同时远距离传输的实际应用电路具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供主要通过硬件电路实现可见光通信的高速和远距离传输的一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置。

本发明包括下行链路和上行链路，所述下行链路设有以太网信号处理模块、光源驱动模块和光电检测模块；以太网信号处理模块的输入端外接以太网，以太网信号处理模块的输出端接光源驱动模块的输入端，光源驱动模块的输出端接光电检测模块的输入端；以太网信号处理模块用于提取以太网物理层信号，实现数据透传；光源驱动模块用于输出的交直流信号驱动可见光光源激光或红外激光发光，实现将电信号转换为光信号；光电检测模块用于接收光信号并转换为电压信号输出；所述上行链路设有终端信号处理模块、光源驱动模块、无线信号发送模块、光电检测模块和无线信号接收模块，终端信号处理模块接网络终端，终端信号处理模块的输出端分别接光源驱动模块和无线信号发送模块，光源驱动模块输出信号至光电检测模块，无线信号发送模块传输无线数据至无线信号接收模块；上行链路为下行链路实现信号握手反馈逆过程。

进一步的，所述以太网信号处理模块由以太网信号提取电路、差分转单端电路、单端转差分电路组成，所述光源驱动模块由切换开关、可见光激光驱动电路、红外激光驱动电路、自动增益控制电路和光源组成；所述光电检测模块由光电探测器，漏电保护电路，光电检测电路组成；所述以太网信号提取电路外接以太网，以太网信号提取电路用于提取以太网的物理层差分信号，实现数据的透传；所述差分转单端电路的输出端接切换开关，切换开关的输出端分别与可见光激光驱动电路和红外激光驱动电路相连，可见光激光驱动电路和红外激光驱动电路的输出端连接自动增益控制电路，自动增益控制电路连接光源；光源输出光信号至光电探测器，以实现光信号到电信号的转换；漏电保护电路用于当输出电流过大时，切断电路，实现漏电保护；光电检测电路连接单端转差分电路，光电检测电路跨阻放大后的信号传输至单端转差分电路，实现单端信号到差分信号的转换，通过用户网络终端的信号处理模块实现信号的接收。

所述探测器可采用雪崩光电二极管(APD)。

所述光源驱动模块的直流偏置和主芯片的供电可采用同一电源线。

所述主芯片可采用高增益低噪声芯片。

所述可见光激光驱动电路和红外激光驱动电路均设计集成自动功率控制电路，用于精确控制光源输出光功率。

所述光源采用GHz级带宽的可见光激光或红外激光。

所述无线信号发送模块可采用激光模块、WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块等中的至少一种。

所述以太网信号处理模块、终端信号处理模块、光源驱动模块、光电检测模块、无线信号发送模块、无线信号接收模块均可通过USB总线供电或以太网供电，总供电电流小于500mA。

以下给出本发明的工作原理：

目前，家用以太网主要采用100Base-T和1000base-X等其他局域网标准,其编码方式采用MLT-3(三电平编码)和8B/10B等编码技术，从通信速率和系统复杂度考虑，将以太网的物理层数据通过本发明的接口处理硬件电路(以太网信号提取电路)直接提取出来，不需要建立以太网与FPGA的通信网络接口。

可见光通信的传输速率很大程度取决于光源的-3dB调制带宽，由

可知，可见光光源的-3dB截至频率在注入电流密度J、基本电荷q、有源层厚度d一定的条件下(其中B为常数)，主要与载流子寿命τ有关，而一般的LED光源由于在设计其之初主要从照明和显示方面考虑，并未从通信方面考虑，载流子寿命τ较大，传输带宽一般只有几兆赫兹，远不能实现高速的可见光通信传输；本发明采用带宽达到GHz级别的可见光激光作为光源，可达到实际传输对带宽的要求,同时为了在面向产业化过程中达到一定的用户满意度，支持用户在本发明系统的条件下将光源切换到红外激光；另外，在本发明中，可见光激光的直流驱动电压不高于5V就可以满足接收端对接收光功率的要求；同时，由于其传输的发散角度小的特点可避免上行链路和下行链路的干扰问题。

从交换机或者路由网络端口以太网信号输出的下行链路中，接口处理硬件电路(即以太网信号提取电路)中提取出来的信号是差分信号，不能作为光源驱动电路的输入信号，另外，光电检测电路接收端输出信号是单端信号，不能作为用户端网络以太网差分输入端的信号，因此，从模块集成化和信号处理的实际应用中，将差分转单端、单端转差分硬件电路与接口处理硬件电路(以太网信号提取电路)集成在同一个模块中；从用户端网络终端信号输出的上行链路中，在原理上与下行链路一样，采用透传模式，本发明考虑到不同家庭用户对产品的需求不同，上行链路采用包括但不限于激光或者WiFi、ZigBee、蓝牙等其他无线传输方式。

在本发明中，光源驱动电路和光电检测电路是整个装置的核心。在光源驱动电路中，将光源的直流偏置和交流输入信号集成设计在主芯片外围搭建的电路模块中，主芯片的选取采用高增益带宽积和低噪声的芯片；同时为了降低系统的功率以及从系统简单化考虑，光源驱动电路的直流偏置和该电路中芯片的供电采用同一电源线。光源驱动电路输出的交直流信号驱动本发明系统中可见光光源激光或者红外激光发光，实现将电信号转换为光信号，通过自由空间传送到光电检测电路中的探测器。另外，由于半导体激光器的阈值电流和量子效率都会由于温度升高和器件的老化程度而变化，所以需要控制输出光功率并调整其驱动电流，在本发明系统中的光源驱动电路设计集成自动功率控制电路，精确控制光源输出光功率，以此避免环境温度变化较大或者由于器件的老化程度导致光源驱动电路的驱动电流过大导致激光性能变差甚至损坏器件。

本系统中光电检测电路中的探测器采用灵敏度高、响应速度快的雪崩光电二极管(APD)；采用电容和肖特基二极管的多级倍压作用升到达到APD反向击穿的标准。本发明系统中的检测电路将APD接收到的光电流信号转换为适合传输的电压信号。此输出的电压信号幅度需在适合范围内，幅度过大会导致非线性失真，难以恢复原始信号；幅度过小，难以满足接口处理电路对传输来的电压信号幅度的要求。另外，由于反向击穿电压较大，设计漏电保护功能，当电流过大切断电路，起到安全保护作用。

本发明中的供电方式采用5V总线供电方式；采用总线供电的方式的前提是总供电电流不能超过500mA，否则会造成提供总线供电的设备如电脑等烧毁。本发明包括上行和下行链路设计的整套装置从功率最小考虑，以及从“留有余量”考虑，所消耗功率不超过2W；因此本发明装置可以安全从USB总线获取电源。本发明基于激光在下行链路实现以太网物理层数据透传，在上行链路采用包括但不限于激光、WiFi、ZigBee、蓝牙等其他无线方式。

与现有相关技术比较，本发明具有如下有益效果：

首先，将以太网物理层的数据通过接口处理硬件电路(以太网信号提取电路)直接提取出来，不需要建立以太网与FPGA或者DSP的通信网络接口，不仅简化系统集成复杂度和降低开发周期，而且能够避免因AD器件采样率低的特点导致可见光通信速率降低的问题；其次，将以太网接口处理电路(以太网信号提取电路)与差分转单端、单端转差分电路集成于一个模块中，能够避免高速信号在传输过程中的衰减以及信号反射问题。在发射端的光源驱动电路中设计集成自动功率控制电路，在接收端光电检测电路中设计漏电保护功能，系统统一使用USB进行供电；最后，本发明在下行链路主要采用可见光激光进行通信，考虑不同用户和行业需求，本发明可将可见光激光自由切换到红外激光，其中可见光激光不仅起到默认条件下的可见光通信的作用，而且起到对红外激光与接收端的安装校准作用；上行链路采用包括但不限于激光、WiFi、ZigBee等其他无线数据透传方式，能够实现稳定的双向通信，同时在低成本的条件下满足在实际应用中能够进行可见光高速、远距离通信传输的要求，并且满足家用数字网络电视等其他终端设备上网的性能要求。

附图说明

图1为本发明实施例的整体系统框图。

在图1中，各标记为：11表示以太网信号提取电路，12表示差分转单端电路，13表示单端转差分电路；21表示切换开关，22表示可见光激光驱动电路，23表示红外激光驱动电路，24表示自动增益控制电路，25表示光源；31表示光电探测器APD，32表示漏电保护电路，33表示光电检测电路；4表示射频信号发送模块，5表示射频信号接收模块，其中41表示WiFi发送模块，42表示蓝牙发送模块，43表示ZigBee发送模块，51表示WiFi信号接收模块，52表示蓝牙信号接收模块，53表示ZigBee信号接收模块。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例包括上行链路和下行链路；所述下行链路设有以太网信号处理模块、光源驱动模块和光电检测模块；所述以太网信号处理模块由以太网信号提取电路11、差分转单端电路12、单端转差分电路13组成，所述光源驱动模块由切换开关21、可见光激光驱动电路22、红外激光驱动电路23、自动增益控制电路24和光源25组成；所述光电检测模块由光电探测器APD 31，漏电保护电路32，光电检测电路33组成；所述太网信号提取电路11外接以太网，差分转单端电路12的输出端接切换开关21，切换开关21的输出端分别与可见光激光驱动电路22和红外激光驱动电路23相连，可见光激光驱动电路22和红外激光驱动电路23的输出端连接自动增益控制电路24，自动增益控制电路24连接光源25；光源25输出光信号至光电探测器APD 31，以实现光信号到电信号的转换；漏电保护电路32用于当输出电流过大时，切断电路，实现漏电保护；光电检测电路33连接下行单端转差分电路13，光电检测电路33跨阻放大后的信号传输至单端转差分电路13，实现单端信号到差分信号的转换，通过用户网络终端的接口处理电路实现信号的接收；所述上行链路还设有无线信号发送模块和无线信号接收模块，有于无线数据的传输；所述以太网信号处理模块、光源驱动模块、光电检测模块、无线信号发送模块、无线信号接收模块外接电源模块。

交换机或者路由网络端口以太网信号进入到以太网信号提取电路11，通过以太网信号提取电路11直接提取以太网物理层信号，实现数据的透传，此时提取出来的信号仍然是差分信号。此过程不涉及PHY芯片对数据的处理，以此避免因AD器件对数据采样率低的特点而导致可见光通信速率降低的问题。

以太网信号提取电路11输出的差分信号进入差分转单端电路12，实现差分信号到单端信号的转换。

差分转单端电路12输出的信号进入到切换开关21，默认条件下切换开关21输出直接相连可见光激光驱动电路22，根据用户对光源敏感度以及行业多样化需求，切换开关21可以将信号切换到红外激光驱动电路23，自动增益控制电路24的自动功率控制功能精确控制可见光激光驱动电路22和红外激光驱动电路23驱动电路输出功率，以此避免环境温度变化较大或者由于器件的老化程度导致光源驱动电路的驱动电流过大导致光源25激光性能变差甚至损坏器件；此时，电信号实现到光信号的转换。

输出经过控制的光信号达到光电探测器APD 31的接收端，实现光信号到电信号的转换。

在光信号到电信号的转换过程中，需要较高的反向击穿电压，漏电保护电路32用于实现漏电保护功能，当输出电流过大，切断电路。

光电检测电路33实现电信号的跨阻放大，此放大的信号为单端信号，将此单端信号送到单端转差分电路13，用于实现单端信号到差分信号的转换，通过用户端的以太网信号提取电路11实现信号的接收实现信号的接收。

上述信号的整个传输路径为下行链路；本发明的上行链路设计代替一般的电力线传输，使用包括但不限于激光、WiFi、ZigBee、蓝牙实现数据透传，切换开关21实现光通信与射频通信之间的切换，如果采用光通信，原理与下行链路完全一样，如果上行链路采用射频通信，差分转单端电路12输出的单端信号进入射频信号发送模块4，由切换开关21自由切换到WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块，实现一种射频信号的上行链路的发送；射频信号发送模块4发送的射频信号由射频信号接收模块5相应的模块接收。以上行链路WiFi传输为例，差分转单端电路12输出的单端信号进入到WiFi发送模块41，由WiFi模块将射频WiFi信号发送出去，由WiFi信号接收模块51接收该频段的WiFi信号，WiFi信号接收模块51将接收到的信号由切换开关21完成切换发送给单端转差分电路13，完成上行链路的数据传输。上行链路是下行链路实现信号的握手反馈的逆过程，如图1的虚线所示。

以下给出本发明的工作原理：

目前，家用以太网主要采用100Base-T和1000base-X等其他局域网标准,其编码方式采用MLT-3(三电平编码)和8B/10B等编码技术，从通信速率和系统复杂度考虑，将以太网的物理层数据通过本发明的接口处理硬件电路(以太网信号提取电路)直接提取出来，不需要建立以太网与FPGA的通信网络接口。

可见光通信的传输速率很大程度取决于光源的-3dB调制带宽，由

可知，可见光光源的-3dB截至频率在注入电流密度J、基本电荷q、有源层厚度d一定的条件下(其中B为常数)，主要与载流子寿命τ有关，而一般的LED光源由于在设计其之初主要从照明和显示方面考虑，并未从通信方面考虑，载流子寿命τ较大，传输带宽一般只有几兆赫兹，远不能实现高速的可见光通信传输；本发明采用带宽达到GHz级别的可见光激光作为光源，可达到实际传输对带宽的要求,同时为了在面向产业化过程中达到一定的用户满意度，支持用户在本发明系统的条件下将光源切换到红外激光；另外，在本发明中，可见光激光的直流驱动电压不高于5V就可以满足接收端对接收光功率的要求；同时，由于其传输的发散角度小的特点可避免上行链路和下行链路的干扰问题。

从交换机或者路由网络端口以太网信号输出的下行链路中，接口处理硬件电路(即以太网信号提取电路)中提取出来的信号是差分信号，不能作为光源驱动电路的输入信号，另外，光电检测电路接收端输出信号是单端信号，不能作为用户端网络以太网差分输入端的信号，因此，从模块集成化和信号处理的实际应用中，将差分转单端、单端转差分硬件电路与接口处理硬件电路(以太网信号提取电路)集成在同一个模块中；从用户端网络终端信号输出的上行链路中，在原理上与下行链路一样，采用透传模式，本发明考虑到不同家庭用户对产品的需求不同，上行链路采用包括但不限于激光或者WiFi、ZigBee、蓝牙等其他无线传输方式。

在本发明中，光源驱动电路和光电检测电路是整个装置的核心。在光源驱动电路中，将光源的直流偏置和交流输入信号集成设计在主芯片外围搭建的电路模块中，主芯片的选取采用高增益带宽积和低噪声的芯片；同时为了降低系统的功率以及从系统简单化考虑，光源驱动电路的直流偏置和该电路中芯片的供电采用同一电源线。光源驱动电路输出的交直流信号驱动本发明系统中可见光光源激光或者红外激光发光，实现将电信号转换为光信号，通过自由空间传送到光电检测电路中的探测器。另外，由于半导体激光器的阈值电流和量子效率都会由于温度升高和器件的老化程度而变化，所以需要控制输出光功率并调整其驱动电流，在本发明系统中的光源驱动电路设计集成自动功率控制电路，精确控制光源输出光功率，以此避免环境温度变化较大或者由于器件的老化程度导致光源驱动电路的驱动电流过大导致激光性能变差甚至损坏器件。

本系统中光电检测电路中的探测器采用灵敏度高、响应速度快的雪崩光电二极管(APD)；采用电容和肖特基二极管的多级倍压作用升到达到APD反向击穿的标准。本发明系统中的检测电路将APD接收到的光电流信号转换为适合传输的电压信号。此输出的电压信号幅度需在适合范围内，幅度过大会导致非线性失真，难以恢复原始信号；幅度过小，难以满足接口处理电路对传输来的电压信号幅度的要求。另外，由于反向击穿电压较大，设计漏电保护功能，当电流过大切断电路，起到安全保护作用。

本发明中的供电方式采用5V总线供电方式；采用总线供电的方式的前提是总供电电流不能超过500mA，否则会造成提供总线供电的设备如电脑等烧毁。本发明包括上行和下行链路设计的整套装置从功率最小考虑，以及从“留有余量”考虑，所消耗功率不超过2W；因此本发明装置可以安全从USB总线获取电源。

本发明将以太网信号提取电路11与单端转差分电路13、差分转单端电路12集成为以太网信号处理模块；切换开关21、可见光激光驱动电路22、红外激光驱动电路23、自动增益控制电路24和光源25集成为光源驱动模块；由切换开关实现可见光激光或者红外激光驱动光源；光电探测器APD 31、漏电保护电路32、光电检测电路33集成为光电检测模块；上行链路还设有无线信号发送模块和无线信号接收模块。使用USB供电电路对以太网信号处理模块、光源驱动模块、光电检测模块、无线信号发送模块、无线信号接收模块进行统一供电。整个上行、下行通信链路建立后，能够实现数字网络电视、电脑等网络终端的高速、远距离联网。

Claims (4)

1.一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置，其特征在于包括下行链路和上行链路，所述下行链路设有以太网信号处理模块、下行光源驱动模块和下行光电检测模块；所述以太网信号处理模块由以太网信号提取电路、下行差分转单端电路、下行单端转差分电路集成为一个模块，所述下行光源驱动模块由下行切换开关、下行可见光激光驱动电路、下行红外激光驱动电路、下行自动增益控制电路和下行光源集成；所述下行光电检测模块由下行光电探测器、下行漏电保护电路、下行光电检测电路集成为一个模块；

所述上行链路设有终端信号处理模块、上行光源驱动模块、无线信号发送模块、上行光电检测模块和无线信号接收模块，终端信号处理模块由接口处理电路、上行差分转单端电路、上行单端转差分电路集成；所述上行光源驱动模块由上行切换开关、上行可见光激光驱动电路、上行红外激光驱动电路、上行自动增益控制电路和上行光源集成；所述上行光电检测模块由上行光电探测器、上行漏电保护电路、上行光电检测电路集成为一个模块；所述无线信号发送模块采用激光模块、WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块中的至少一种，无线信号接收模块采用与无线信号发送模块对应的激光模块、WiFi模块、ZigBee模块、蓝牙模块中的至少一种；

以太网信号处理模块的输入端外接以太网，以太网信号处理模块的输出端接下行光源驱动模块的输入端，下行光源驱动模块的输出端接下行光电检测模块的输入端；以太网信号处理模块用于提取以太网物理层差分信号，实现数据透传；所述下行光源驱动模块将光源的直流偏置和交流输入信号集成设计在主芯片外围搭建的电路模块中，下行光源驱动模块输出的交直流信号用于驱动可见光光源激光或者红外激光发光，以实现将电信号转换为光信号，通过自由空间传送到光电检测电路中的探测器；所述下行光源驱动模块采用自动功率控制电路，以精确控制光源输出光功率，以此避免环境温度变化大或者由于器件的老化程度导致光源驱动电路的驱动电流过大导致激光性能变差甚至损坏器件；所述下行光电检测模块用于接收光信号并转换为电压信号输出，以避免非线性失真和满足接口处理电路对传输来的电压信号幅度的要求；

所述下行差分转单端电路的输出端接下行切换开关，下行切换开关的输出端分别与下行可见光激光驱动电路和下行红外激光驱动电路相连，下行可见光激光驱动电路和下行红外激光驱动电路的输出端连接下行自动增益控制电路，下行自动增益控制电路连接下行光源；下行光源输出光信号至下行光电探测器，以实现光信号到电信号的转换；下行漏电保护电路用于当输出电流过大时，切断电路，实现漏电保护；下行光电检测电路连接上行单端转差分电路，下行光电检测电路跨阻放大后的信号传输至上行单端转差分电路，实现单端信号到差分信号的转换；所述下行可见光激光驱动电路和下行红外激光驱动电路均设计集成自动功率控制电路，用于精确控制光源输出光功率；

终端信号处理模块接网络终端，终端信号处理模块的输出端分别接上行光源驱动模块和无线信号发送模块，上行光源驱动模块输出信号至上行光电检测模块，上行差分转单端电路输出的单端信号进入无线信号发送模块，由上行切换开关自由切换到相应的信号发送模块，实现一种射频信号的上行链路的发送；无线信号发送模块发送的射频信号由无线信号接收模块对应接收，并通过上行切换开关切换后将信号发送给下行单端转差分电路，完成上行链路的数据传输；上行链路为下行链路实现信号握手反馈逆过程；

所述上行差分转单端电路的输出端接上行切换开关，上行切换开关的输出端分别与上行可见光激光驱动电路和上行红外激光驱动电路相连，上行可见光激光驱动电路和上行红外激光驱动电路的输出端连接上行自动增益控制电路，上行自动增益控制电路连接上行光源；上行光源输出光信号至上行光电探测器，以实现光信号到电信号的转换；上行漏电保护电路用于当输出电流过大时，切断电路，实现漏电保护；上行光电检测电路连接下行单端转差分电路，上行光电检测电路跨阻放大后的信号传输至下行单端转差分电路，实现单端信号到差分信号的转换；所述上行可见光激光驱动电路和上行红外激光驱动电路均设计集成自动功率控制电路，用于精确控制光源输出光功率；

所述以太网信号处理模块、终端信号处理模块、下行光源驱动模块、上行光源驱动模块下行光电检测模块、上行光电检测模块、无线信号发送模块、无线信号接收模块均通过USB总线供电或以太网供电，总供电电流小于500mA；

所述下行光源、上行光源采用GHz级带宽的可见光激光或红外激光。

2.如权利要求1所述一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置，其特征在于所述下行光电探测器、上行光电探测器均采用雪崩光电二极管，采用电容和肖特基二极管的多级倍压作用升到达到APD反向击穿的标准。

3.如权利要求1所述一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置，其特征在于所述下行光源驱动模块、上行光源驱动模块的直流偏置和主芯片的供电采用同一电源线。

4.如权利要求3所述一种基于激光的上行、下行可见光通信链路装置，其特征在于所述主芯片采用高增益低噪声芯片。

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