一种采用WDM波分复用的汽车光纤通信系统架构及可靠性验证实例

正文

我们设计了使用波分复用的车载通信系统，并研究了其在各种环境下的特性。由于单根光纤可以传输多个波长的光，因此假设与传统的同轴电缆相比，这将导致通信所需的电缆数量和重量的减少。因此，车辆维护和燃油效率得到了改善。以同轴电缆数据为参考，在车载环境下测量和比较了单模光纤（SMF）、波分复用（WDM）系统的传输特性和光纤的传输特性。

Introduction 介绍

近年来，由于自动驾驶技术的快速发展和车辆安全要求的提高，每辆车中使用的电线数量和重量都在增加[1]。这降低了车辆的可维护性和燃油效率，这已成为一个长期存在的问题。为了解决这些问题，1985年发明了控制器局域网（CAN）通信协议，该协议用单根电线连接每个电子控制单元（ECU）。车辆中使用的CAN协议是一种总线类型的协议，称为CAN总线通信。CAN总线、CAN星形和CAN环协议目前被广泛使用[2]。这种CAN总线通信在一定程度上减少了车辆布线。然而，即使采用了CAN协议，车辆电线的数量和车辆的整体重量也在继续增加。

因此，我们提出了一种使用CAN通信和光分复用的车载通信方法[3]。这将解决问题并提高车辆的可维护性和燃油效率。在传统方法中，每根同轴电缆传输一个电信号，但在所提出的方法中，由于不同波长的光可以通过光纤，因此可以通过单根光纤发送和接收多个信号。这将消除传统同轴电缆引起的布线和重量增加，从而提高车辆维护和燃油效率。

另一方面，该方法的缺点包括

1.将电信号转换为光信号（光信号到电信号）时的信号衰减

2.由于振动引起的光纤耦合的物理衰减。

但是，关于信号衰减，可以通过增加放大器来抑制衰减，并且可以相对容易地解决此缺点。在这项研究中，我们将测量光纤在各种环境下的传输特性以及波分复用（WDM）的使用。

Proposed Methodology and Conventional Techniques

拟议的方法和常规技术

在传统方法中，每根同轴电缆发送和接收一个电信号，以在每个ECU之间进行通信。在所提出的方法中，多个波长的光通过一根光纤以减少电缆的数量。

A. Optical fiber A. 光纤

光纤是用于1970年代开始实施的通信系统的方法。与 1970 年代之前使用的同轴电缆相比，光纤具有重量轻、损耗低、延迟和噪声等各种优点。

光纤大致分为两类：单模光纤（SMF）和多模光纤（MMF）[4]。

SMF 是一种光纤，其中光仅通过光纤的中心。核心系统小至9μm，因此传输损耗低[5]。因此，可以一次传输大量数据。此外，由于只有一个波长通过光纤，因此具有不受不同波长光影响的优点。一个缺点是核心系统小至9μm，使其容易弯曲，不适合安装在布线困难的地方。此外，为了实现大量数据的传输，使用高纯度玻璃材料作为核心材料，使得SMF的价格不经济。

MMF是具有多个透光路径的光纤。核心系统比SMF大50μm或62.5μm[6]，可以传输各种数据。与SMF不同，由于多个波长的光穿过光纤内部，因此无法发送和接收大容量数据。但是，其大型核心系统和抗弯曲性使其可以安装在布线困难的位置。缺点是，MMF中的光在穿过光纤时会反复经历全反射，因此在长距离通信的情况下，传输速度可能会因每个波长而异。

B. Wavelength Division Multiplexing

B. 波分复用

WDM是用于传输大容量信号的光通信技术之一。在WDM的传输侧，准备多个发射不同波长光的半导体激光器，并对每个激光器进行调制以产生信号光。然后，这些信号束通过使用组合设备在单根光纤中传输。在接收端，信号光使用解调器分成不同波长的光，然后由光电探测器接收。使用的波长越多，可以传输的信号就越多。本研究利用这一特性来减少电线的数量和重量。WDM可分为两大类Corough WDM（CWDM）和Dense WDM（DWDM）[8]，[9]。

CWDM 是一种 WDM，它使用 18 个波长，分为 20nm 间隔，从 1271nm 到 1611nm。然而，在实践中，很少有使用所有18个波长的情况，并且通常使用从1471nm到1611nm的8个波长或从1531nm到1611nm的4个波长。它适用于中短距离传输。DWDM是一种WDM，它使用160个波长，分为1.6nm的间隔，从1531nm到1611nm，产生的波长是CWDM的9倍，能够传输更广泛的波长。传输距离长，数据传输可达1000公里。

使用时分复用等传统多路复用方法，如果在之后传输另一个数据，则在该数据传输完成之前无法使用线路，但是使用这种波分复用方法，可以更快地传输数据。此外，由于多根光纤可以集成到一根光纤中，因此该系统在易于维护和成本方面具有显着优势。

传统方法使用电信号进行车载通信。因此，每个信号需要一条接线线。所提出的方法将第二节中描述的两种常规技术应用于车载通信。通过使用光纤和WDM，可以使用单根光纤电缆传输多个信号，从而减少布线重量和电线数量。

SECTION III. 第三节.

Experimental Equipment and Environment

实验设备与环境

在本实验中，我们将使用SMF测量一个信号的误码率（BER），使用WDM测量两个信号组合的误码率，基于同轴电缆信号的BER这是传统方法。脉冲信号使用MATLAB生成，并通过GNURadio发送到Lime SDR（软件定义无线电）。然后通过RoF-Link将电信号转换为光信号，转换后的光信号在接收之前再次转换为电信号，从而测量光信号中的误码率。

A. Transmission signal generation

A. 传输信号生成

MATLAB用于创建传输信号。发射信号是随机信号 0 和 1 的 10，000 位脉冲信号。产生的脉冲信号以波形文件（.wav）输出，生成的信号通过读取GNU_Radio中的波形文件进行传输。

B. Radio Over Fiber (RoF)-Link

B. 光纤无线电 （RoF）-链路

RoF-Link是一种将电信号转换为光信号的设备[10]。

本实验中使用了两种类型的RoF-Link，波长分别为1310nm和1530nm。使用这些RoF-Links，SMF中的传输特性和使用WDM的两个信号将与传统方法中使用的同轴电缆进行比较。

当RoF-Link的光输入电平降低1 dB时，RoF-Link的增益降低2 dB。因此，为了稳定输出，当光接收电平在+6 dB至-1.5 dB范围内变化时，在系统内部插入一个放大器，以将增益稳定在一定范围内

C. LimeSDR and GNU_Radio C. LimeSDR和GNU_Radio

LimeSDR发送和接收MATLAB中产生的脉冲信号。在该实验中，该设备在每个波长（1310nm和1550nm）下使用。GNU_Radio是控制上述LimeSDR的软件，将用于调整LimeSDR的发射功率（增益）以及检查输入和输出信号。GNU_Radio通过连接用C++和Python编写的块来实现通信。每个用C++编写的信号处理模块都有一个输入和输出接口，通过组合这些模块，可以实现信号的发送和接收。在实验中，通过操纵该模块屏幕来调节传输功率（增益）。

D. WDM Fiber D. 波分复用光纤

与普通光纤不同，WDM光纤将两种波长的光聚合成一根光纤。通过结合本实验中的两根光纤，将两个波长组合成一个波长，随后组合成一个波长的信号恢复为两个波长。此外，由于采用了RoF-Link设备，本实验将使用自适应波长为1310nm和1550nm的WDM光纤。

各波长带宽±15.0nm，最大发射功率1W，偏振损耗依赖性≥0.2dB。方向性为≥60dB，光纤在波长组合前为SMF。

SECTION IV. 第四节.

Experimental Circuit and Experimental Parameters

实验电路及实验参数

在第四节中，我们结合了第三节所述的实验设备，并使用常规方法同轴电缆和提出的方法WDM光纤对传输特性进行了实验。

A. Connection circuit (Non-Vibration)

A. 连接电路（无振动）

在非振动实验中，创建并测量了三个连接的电路。无花果。图1.显示了使用传统同轴电缆（SMA）的拼接电路，图。图2.显示了同轴电缆被光纤（SMF）取代的电路，如图所示。3. 显示了使用 WDM 光纤的电路。

在图所示的WDM实验中。

3.，通过使用安装在PC中的GNU无线电同时将不同波形的信号发送到两个LimeSDR，伪输出两个不同的信号。

SMA电缆实验和SMF实验之间的电路没有重大差异。唯一的区别是发射和接收之间是否存在RoF-Link从电信号到光信号的转换。因此，在SMA电缆实验和SMF实验中使用相同的GNU Radio设置来发送和接收相同的信号。此外，图中的TX和RX接线。

2. 使用与图中使用的SMA电缆相同的接线进行测量。

在具有单波长信号的电路中，使用1310nm的光波长进行测量，而在使用WDM的电路中，除了1310nm波长外，还使用1530nm的光波长。

SMA circuit SMA 电路

SMF circuit SMF 电路

WDM circuit (Non-Vibration)

波分复用电路（无振动）

B. Connection circuit (Vibration)
B. 连接电路（振动）

使用WDM电路（图）进行了振动实验。3.） 在 A. 节中描述。

4.显示实验的电路图。在使用WDM系统的点执行振动。

5.显示所用电机的频率和转矩特性。电机的频率特性用于测量多个振动频率的误码率。

WDM circuit (Vibration) 波分复用电路（振动）

WDM motor characteristics (Vibration)

光纤固定点

振动装置如图所示。

6.振动装置由连接到下部的电机和连接到上部的光纤组成。连接到底部的电机通过改变电压来旋转以产生振动，振动被传递到连接到顶部的光纤。

图7.显示了附着在设备顶部的光纤的视图，其中WDM光纤的接头固定在设备上，以检查振动环境中光通信的衰减

C. Connection circuit (High Temperature)
C. 连接电路（高温）

SMF circuit (High Temperature)
SMF 电路（高温）

D. GNU Radio parameters D. GNU 无线电参数

GNU Radio 发送和接收信号并进行调整。

表 1 显示了每个参数。

在该测量实验中，接收器发射功率固定为50dB，发射器发射功率在10至50dB之间每5dB变化一次。传输的信号是第三节所述的10，000位脉冲信号。

SECTION V. 第五节.

Experimental Results 实验结果

BER (Non-Vibration) 误码率（无振动）

BER (Vibration) 误码率（振动）

BER (High Temperature) 误码率（高温）

从GNU Radio获得的非振动接收信号也如图所示。

10. 与传统同轴电缆 （SMA） 相比，在 SMF 和 WDM 情况下，当光纤被光纤取代时，在传输功率低的情况下观察到很大差异。这可能是由于在低传输功率情况下，由于光信号转换为电信号（电到光信号）时的衰减，信号没有很好地恢复。在同轴电缆的情况下，由于信号没有转换，即使在传输功率低的情况下，也可以使用相对保存的BER进行通信。另一方面，当传输功率较高时，使用光纤和同轴电缆（SMA）获得低BER。此外，SMF和WDM光纤之间的误码率性能没有显著差异。研究发现，即使将电信号转换为光信号，并通过单根光纤接收多个波长的数据，也可以准确地发送和接收数据。

从GNU无线电获得的振动接收信号也显示在图中。

11. 比较振动和非振动时的误码率，可以看出，当光纤振动时，随着传输功率的降低，误码率低于非振动时的误码率。可以推断，噪声是由振动在光信号中产生的，噪声的影响使BER随着传输功率的降低而降低。在前一种情况下，由于当传输功率低时光信号无法恢复为电信号，误码率恶化。此外，WDM光纤通信在振动环境下工作，在每种发射功率下，波长1和波长2的误码率均无显著差异。此外，误码率不会因振动频率而发生显著变化，当振动发生时，误码率恶化，任何频率的误码率均无明显变化。

12. 显示每个温度下的 BER 测量结果。比较室温下的SMF和高温条件下的SMF，90°C和100°C时的误码率与室温下的误码率没有显著差异。然而，误码率在110°C和120°C时增加。这可以被认为是由于SMF的高温引起的光纤内部结构的轻微变形，导致BER增加。不过，这种趋势可以通过将发射功率提高约5 dBm来解决。此外，当恒温室内的温度达到130°C或更高时，一部分光纤涂层熔化。在操作汽车应用的光纤时，必须使用能够承受高温的涂层。

Conclusion 结论

本文重点介绍了车辆布线，提出了一种光纤波分复用方法，该方法减少了布线的数量和重量。实验结果表明，与传统同轴电缆的传输效率相比，使用光纤的WDM方案可以充分适应车辆布线。此外，无论振动环境中的振动频率如何，误码率都会降低，但降低并不显着，可以通过增加传输功率来补偿。在热环境实验中，当温度达到110°C或更高时，BER降低，但下降幅度不大，可以通过增加传输功率来补偿。

综上所述，光纤是一种完全适用于车载通信系统的通信方式，光复用的使用使得减少车载通信天线的数量和重量成为可能。未来，我们将在振动和热环境下进行光复用实验，以获得更可重复的结果。

审核编辑：刘清