基于計算機USB接口和無線光通信技術實現(xiàn)可見光無線接入系統(tǒng)設計

引言

目前，用于室內(nèi)計算機數(shù)據(jù)通信的無線接人技術主要有藍牙、紅外和HomeRF等。從傳輸速率來看，藍牙為1Mbps，F(xiàn)IR標準的紅外線可以達到4Mbps（未來的VFIR標準紅外線將達到16Mbps）；HomeRF的傳輸速率只有1Mbps～2Mbps（FCC建議增加到8Mbps～11Mbps）。而且，它們的實際測試速度都與理論值之間有不小的差距，僅可以滿足對速度要求不高的無線接人。然而，實際應用對速度的要求越來越高，為了適應高速無線接入網(wǎng)，滿足大容量的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，專家學者們正在研究更高傳輸速率的無線接人技術。計算機USB接口和無線光通信技術的結合將為計算機提供高速的無線接人。

可見光無線接入系統(tǒng)

無線光通信是在無線電通信基礎上向更高射頻頻率的延伸，與無線電通信相比，無線光通信有著更加明顯的優(yōu)點，如帶寬更寬、容量更大、安全保密性更高、不受無線電頻段電磁波的干擾等，而且頻譜資源無需頻率使用許可證。由于具有以上優(yōu)勢，再加上實現(xiàn)高速無線網(wǎng)絡的要求，無線光通信越來越受到關注和重視。

由于USB快速、方便、簡單，將外部設備與計算機相連時，USB接口已經(jīng)成為最優(yōu)先的選擇。通過USB接口，利用無線光通信可實現(xiàn)高速的接入。

基于USB接口的可見光無線通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由三大部分構成：

1．接口電路，連接計算機和光收發(fā)機，將來自計算機USB的信號變換成適合發(fā)射電路調(diào)制的信號，同時將接收電路送來的信號變換成USB信號送給計算機，實現(xiàn)高速率的無線雙工通信。

2．光發(fā)射電路，將經(jīng)過USB接口電路處理過的信號進行編碼調(diào)制，調(diào)制過的信號再經(jīng)放大后送人調(diào)制光源一一可見光激光器（LD），使其發(fā)出被編碼電信號調(diào)制的可見光光脈沖信號（這個過程稱之為電光轉(zhuǎn)換，即E／O轉(zhuǎn)換），最后經(jīng)光學天線發(fā)射到大氣信道中。

3．光接收電路，通過光學天線把發(fā)送端發(fā)送來的光脈沖信號會聚到光電檢測器（APD），將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號（這個過程稱之為光電轉(zhuǎn)換，即O／E轉(zhuǎn)換），轉(zhuǎn)換過來的微弱電信號經(jīng)過放大解調(diào)后送給USB接口電路。

電路系統(tǒng)設計

橋接電路

橋接電路的作用是使計算機和后面的收發(fā)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。在圖1中，脈碼調(diào)制／解調(diào)電路和接口電路可以集成在一個稱為橋接器的芯片里面。USB接口信號屬于總線型信號，這種數(shù)據(jù)電平不是通信中所要求的脈沖波形，即不是通信中的基帶信號，所以，必須把它轉(zhuǎn)換成諸如TTL電平形式的基帶信號后才可以作為調(diào)制信號。橋接電路的主要任務就是完成這種轉(zhuǎn)換；當計算機接收數(shù)據(jù)時，橋接器的主要功能與發(fā)送數(shù)據(jù)時相反。

計算機進行高速數(shù)據(jù)傳輸時，其傳輸速率的高低與橋接器的轉(zhuǎn)換速率息息相關，所以，選擇并設計好橋接器及其外圍電路至關重要，通過軟硬件的控制去配合USB的不同速率形式（USB2.0有低速、全速和高速三種速率形式）。這里，選用了STIR4220橋接芯片，其轉(zhuǎn)換速率可達16Mbps。它是一個低成本、低功耗、USB到紅外光（完全可以用于可見光信號）傳輸?shù)臉蚪?a target="_blank">控制器件。它完成PC USB接口數(shù)據(jù)與光信號之間的轉(zhuǎn)換，令光調(diào)制信號通過USB口與計算機進行無線數(shù)據(jù)通信，主要解決以下三方面的問題：信號形式的轉(zhuǎn)換--差分信號／TTL電平信號的轉(zhuǎn)換；編碼方式的轉(zhuǎn)換--PPM編碼/USB的反向NRZI差分碼的轉(zhuǎn)換；傳輸速率的轉(zhuǎn)換--USB相應速率／16Mbps速率的轉(zhuǎn)換，這些是高速無線光通信實現(xiàn)的橋梁。

發(fā)射電路

發(fā)射機是光通信的重要組成部分，它的功能是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送出去，主要由光源和驅(qū)動電路組成。

在系統(tǒng)設計中選用的驅(qū)動器為Maxim公司的MAX3905光通信驅(qū)動芯片， 其傳輸速率為8Mbps～150Mbps。它有兩個輸入緩沖器電路，一個是為差分數(shù)據(jù)設計的輸入端（IN+和IN-），另一個是為TTL電平信號單端輸入的緩沖器。二者受DIFF端電平的控制，當DIFF端懸空（高電平）時，選擇TTL單端輸入；當DIFF端接地（低電平）時，選擇的是差分輸入，在本設計中選用TTL單端輸入。該芯片還包含輸入緩沖器、緩沖輸入控制器、信號檢測器、溫控器、調(diào)制電流發(fā)生器、偏置電流發(fā)生器、輸出驅(qū)動器等電路。MAx3905在電路設計、布局、尺寸（小）、性能、功能等方面是目前相關器件中比較優(yōu)良的一種。

本發(fā)射機電路中所采用的光源為650nm的紅光發(fā)光二極管（LED），與綠光和藍光相比，紅光在大氣信道中傳輸時，在對背景噪聲中的熒光和紫外線的抵抗能力上具有一定的優(yōu)勢。同時從性價比上考慮，采用紅光LED在安裝調(diào)試時，可以目視對準，省去了價格昂貴的望遠鏡對準系統(tǒng)，而且650nm的紅光LED價格便宜，大大降低了系統(tǒng)成本。

接收電路

光接收機是光通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的性能好壞是整個光通信系統(tǒng)性能的綜合反映。光接收機電路主要包含光檢測器和放大器，其作用就是將接收到的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進行放大。對于強度調(diào)制的數(shù)字光信號，在接收端采用直接檢測方式時，光接收機由光電檢測器、低噪前置放大器、寬帶放大器和電壓增益放大器構成光接收機的線性通道，以完成光／電轉(zhuǎn)換，把信號放大到判決電路所需的信號電平。

本文在硬件電路的設計過程中，選擇了MAX3901作為接收機電路的主芯片。它是一種性能良好的光通信接收器件，內(nèi)部包含了單端TTL電平轉(zhuǎn)換輸出器、CML差分輸出器、TIA、前置低噪放大器、電壓增益放大器、輸出緩沖器、消直流電路、電源電壓檢測器等關鍵電路。MAX3901的信號路經(jīng)一個跨阻放大器（TIA）、一個電壓放大器和一個消直流電路。TIA將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送到電壓放大器電路，電壓放大電路將單端輸入的電壓信號放大并轉(zhuǎn)換為差分信號輸出。消直流電路通過低頻反饋網(wǎng)絡消除輸入端信號的直流成分，以使輸入信號集中在TIA的線性范圍內(nèi)，從而減小脈寬失真。

接入系統(tǒng)采用的是直接檢測（DD，Direct Detect）接收，在設計時選用PIN光電二極管作為光電檢測器。這是由于PIN光電二極管工作電壓低，不需要偏壓控制；雖然APD雪崩光電二極管電流增益高，但是它的工作電壓較高，而且溫度變化對增益影響大，還需要對偏壓

進行控制或?qū)囟妊a償，使得電路變得復雜。因此，選用PIN光電二極管作為光電檢測器。

系統(tǒng)電路

系統(tǒng)電路如圖2所示。電路工作流程大致如下：發(fā)送時，信號通過USB接口傳送給橋接器STlR4220，經(jīng)由橋接電路進行信號形式的轉(zhuǎn)換，把信號轉(zhuǎn)換成TTL電平送往驅(qū)動電路MAX3905，最后經(jīng)光源發(fā)送出去，完成發(fā)送過程。接收時，光電檢測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號送給接收電路MAX3901，接收電路將信號轉(zhuǎn)換為TTL電平送往橋接電路STIR4220，橋接電路把TTL電平信號轉(zhuǎn)換成LISB接口信號送往計算機，完成接收過程。

結語

本文在現(xiàn)有技術基礎上，設計了基于LISB接口的室內(nèi)可見光無線接入電路。由于受到橋接芯片傳輸速率的限制，本系統(tǒng)的傳輸速率僅達到16Mbps。為了更好地利用USB接口，提高15SB接口的效率，開發(fā)更高數(shù)據(jù)傳輸速率的USB橋接電路成為重中之重。

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