基于USB接口的可見光無線接入設(shè)計(jì)

目前，用于室內(nèi)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的無線接人技術(shù)主要有藍(lán)牙、紅外和HomeRF等。從傳輸速率來看，藍(lán)牙為1Mbps，F(xiàn)IR標(biāo)準(zhǔn)的紅外線可以達(dá)到4Mbps(未來的VFIR標(biāo)準(zhǔn)紅外線將達(dá)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(shí)際測(cè)試速度都與理論值之間有不小的差距，僅可以滿足對(duì)速度要求不高的無線接人。然而，實(shí)際應(yīng)用對(duì)速度的要求越來越高，為了適應(yīng)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(xué)者們正在研究更高傳輸速率的無線接人技術(shù)。計(jì)算機(jī)USB接口和無線光通信技術(shù)的結(jié)合將為計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(diǎn)，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(shì)，再加上實(shí)現(xiàn)高速無線網(wǎng)絡(luò)的要求，無線光通信越來越受到關(guān)注和重視。

由于USB快速、方便、簡(jiǎn)單，將外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，USB接口已經(jīng)成為最優(yōu)先的選擇。通過USB接口

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(gòu)成：

1．接口電路，連接計(jì)算機(jī)和光收發(fā)機(jī)，將來自計(jì)算機(jī)USB的信號(hào)變換成適合發(fā)射電路調(diào)制的信號(hào)，同時(shí)將接收電路送來的信號(hào)變換成USB信號(hào)送給計(jì)算機(jī)，實(shí)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(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，調(diào)制過的信號(hào)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(hào)調(diào)制的可見光光脈沖信號(hào)(這個(gè)過程稱之為電光轉(zhuǎn)換，即E／O轉(zhuǎn)換)，最后經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射到大氣信道中。

3．光接收電路，通過光學(xué)天線把發(fā)送端發(fā)送來的光脈沖信號(hào)會(huì)聚到光電檢測(cè)器(APD)，將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(這個(gè)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(hào)經(jīng)過放大解調(diào)后送給USB接口電路。

電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋接電路

橋接電路的作用是使計(jì)算機(jī)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(gè)稱為橋接器的芯片里面。USB接口信號(hào)屬于總線型信號(hào)，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(hào)，所以，必須把它轉(zhuǎn)換成諸如TTL電平形式的基帶信號(hào)后才可以作為調(diào)制信號(hào)。橋接電路的主要任務(wù)就是完成這種轉(zhuǎn)換；當(dāng)計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，橋接器的主要功能與發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)相反。

計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其傳輸速率的高低與橋接器的轉(zhuǎn)換速率息息相關(guān)，所以，選擇并設(shè)計(jì)好橋接器及其外圍電路至關(guān)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(dá)16Mbps。它是一個(gè)低成本、低功耗、USB到紅外光(完全可以用于可見光信號(hào))傳輸?shù)臉蚪涌刂破骷?。它完成PC USB接口數(shù)據(jù)與光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，令光調(diào)制信號(hào)通過USB口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，主要解決以下三方面的問題：信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換--差分信號(hào)／TTL電平信號(hào)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(yīng)速率／16Mbps速率的轉(zhuǎn)換，這些是高速無線光通信實(shí)現(xiàn)的橋梁。

發(fā)射電路

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

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的驅(qū)動(dòng)器為Maxim公司的MAX3905光通信驅(qū)動(dòng)芯片， 其傳輸速率為8Mbps～150Mbps。它有兩個(gè)輸入緩沖器電路，一個(gè)是為差分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)計(jì)的輸入端(IN+和IN-)，另一個(gè)是為TTL電平信號(hào)單端輸入的緩沖器。二者受DIFF端電平的控制，當(dāng)DIFF端懸空(高電平)時(shí)，選擇TTL單端輸入；當(dāng)DIFF端接地(低電平)時(shí)，選擇的是差分輸入，在本設(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)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(dòng)器等電路。MAx3905在電路設(shè)計(jì)、布局、尺寸(小)、性能、功能等方面是目前相關(guān)器件中比較優(yōu)良的一種。

本發(fā)射機(jī)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(lán)光相比，紅光在大氣信道中傳輸時(shí)，在對(duì)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(shì)。同時(shí)從性價(jià)比上考慮，采用紅光LED在安裝調(diào)試時(shí)，可以目視對(duì)準(zhǔn)，省去了價(jià)格昂貴的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，而且650nm的紅光LED價(jià)格便宜，大大降低了系統(tǒng)成本。

接收電路

光接收機(jī)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(gè)光通信系統(tǒng)性能的綜合反映。光接收機(jī)電路主要包含光檢測(cè)器和放大器，其作用就是將接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行放大。對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制的數(shù)字光信號(hào)，在接收端采用直接檢測(cè)方式時(shí)，光接收機(jī)由光電檢測(cè)器、低噪前置放大器、寬帶放大器和電壓增益放大器構(gòu)成光接收機(jī)的線性通道，以完成光／電轉(zhuǎn)換，把信號(hào)放大到判決電路所需的信號(hào)電平。

本文在硬件電路的設(shè)計(jì)過程中，選擇了MAX3901作為接收機(jī)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(cè)器等關(guān)鍵電路。MAX3901的信號(hào)路經(jīng)一個(gè)跨阻放大器(TIA)、一個(gè)電壓放大器和一個(gè)消直流電路。TIA將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)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(hào)放大并轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸出。消直流電路通過低頻反饋網(wǎng)絡(luò)消除輸入端信號(hào)的直流成分，以使輸入信號(hào)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(cè)(DD，Direct Detect)接收，在設(shè)計(jì)時(shí)選用PIN光電二極管作為光電檢測(cè)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(duì)增益影響大，還需要對(duì)偏壓進(jìn)行控制或?qū)囟妊a(bǔ)償，使得電路變得復(fù)雜。因此，選用PIN光電二極管作為光電檢測(cè)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(shí)，信號(hào)通過USB接口傳送給橋接器STlR4220，經(jīng)由橋接電路進(jìn)行信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平送往驅(qū)動(dòng)電路MAX3905，最后經(jīng)光源發(fā)送出去，完成發(fā)送過程。接收時(shí)，光電檢測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給接收電路MAX3901，接收電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平送往橋接電路STIR4220，橋接電路把TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成LISB接口信號(hào)送往計(jì)算機(jī)，完成接收過程。

結(jié)語

本文在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(dá)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。