基于计算机USB接口和无线光通信技术实现可见光无线接入系统设计

引言

目前，用于室内计算机数据通信的无线接人技术主要有蓝牙、红外和HomeRF等。从传输速率来看，蓝牙为1Mbps，FIR标准的红外线可以达到4Mbps（未来的VFIR标准红外线将达到16Mbps）；HomeRF的传输速率只有1Mbps～2Mbps（FCC建议增加到8Mbps～11Mbps）。而且，它们的实际测试速度都与理论值之间有不小的差距，仅可以满足对速度要求不高的无线接人。然而，实际应用对速度的要求越来越高，为了适应高速无线接入网，满足大容量的高速数据传输要求，专家学者们正在研究更高传输速率的无线接人技术。计算机USB接口和无线光通信技术的结合将为计算机提供高速的无线接人。

可见光无线接入系统

无线光通信是在无线电通信基础上向更高射频频率的延伸，与无线电通信相比，无线光通信有着更加明显的优点，如带宽更宽、容量更大、安全保密性更高、不受无线电频段电磁波的干扰等，而且频谱资源无需频率使用许可证。由于具有以上优势，再加上实现高速无线网络的要求，无线光通信越来越受到关注和重视。

由于USB快速、方便、简单，将外部设备与计算机相连时，USB接口已经成为最优先的选择。通过USB接口，利用无线光通信可实现高速的接入。

基于USB接口的可见光无线通信系统原理框图如图1所示，系统由三大部分构成：

1．接口电路，连接计算机和光收发机，将来自计算机USB的信号变换成适合发射电路调制的信号，同时将接收电路送来的信号变换成USB信号送给计算机，实现高速率的无线双工通信。

2．光发射电路，将经过USB接口电路处理过的信号进行编码调制，调制过的信号再经放大后送人调制光源一一可见光激光器（LD），使其发出被编码电信号调制的可见光光脉冲信号（这个过程称之为电光转换，即E／O转换），最后经光学天线发射到大气信道中。

3．光接收电路，通过光学天线把发送端发送来的光脉冲信号会聚到光电检测器（APD），将接收的光信号转换成电信号（这个过程称之为光电转换，即O／E转换），转换过来的微弱电信号经过放大解调后送给USB接口电路。

电路系统设计

桥接电路

桥接电路的作用是使计算机和后面的收发系统协调工作。在图1中，脉码调制／解调电路和接口电路可以集成在一个称为桥接器的芯片里面。USB接口信号属于总线型信号，这种数据电平不是通信中所要求的脉冲波形，即不是通信中的基带信号，所以，必须把它转换成诸如TTL电平形式的基带信号后才可以作为调制信号。桥接电路的主要任务就是完成这种转换；当计算机接收数据时，桥接器的主要功能与发送数据时相反。

计算机进行高速数据传输时，其传输速率的高低与桥接器的转换速率息息相关，所以，选择并设计好桥接器及其外围电路至关重要，通过软硬件的控制去配合USB的不同速率形式（USB2.0有低速、全速和高速三种速率形式）。这里，选用了STIR4220桥接芯片，其转换速率可达16Mbps。它是一个低成本、低功耗、USB到红外光（完全可以用于可见光信号）传输的桥接控制器件。它完成PC USB接口数据与光信号之间的转换，令光调制信号通过USB口与计算机进行无线数据通信，主要解决以下三方面的问题：信号形式的转换--差分信号／TTL电平信号的转换；编码方式的转换--PPM编码/USB的反向NRZI差分码的转换；传输速率的转换--USB相应速率／16Mbps速率的转换，这些是高速无线光通信实现的桥梁。

发射电路

发射机是光通信的重要组成部分，它的功能是将电信号转换成光信号发送出去，主要由光源和驱动电路组成。

在系统设计中选用的驱动器为Maxim公司的MAX3905光通信驱动芯片， 其传输速率为8Mbps～150Mbps。它有两个输入缓冲器电路，一个是为差分数据设计的输入端（IN+和IN-），另一个是为TTL电平信号单端输入的缓冲器。二者受DIFF端电平的控制，当DIFF端悬空（高电平）时，选择TTL单端输入；当DIFF端接地（低电平）时，选择的是差分输入，在本设计中选用TTL单端输入。该芯片还包含输入缓冲器、缓冲输入控制器、信号检测器、温控器、调制电流发生器、偏置电流发生器、输出驱动器等电路。MAx3905在电路设计、布局、尺寸（小）、性能、功能等方面是目前相关器件中比较优良的一种。

本发射机电路中所采用的光源为650nm的红光发光二极管（LED），与绿光和蓝光相比，红光在大气信道中传输时，在对背景噪声中的荧光和紫外线的抵抗能力上具有一定的优势。同时从性价比上考虑，采用红光LED在安装调试时，可以目视对准，省去了价格昂贵的望远镜对准系统，而且650nm的红光LED价格便宜，大大降低了系统成本。

接收电路

光接收机是光通信系统中必不可少的组成部分，它的性能好坏是整个光通信系统性能的综合反映。光接收机电路主要包含光检测器和放大器，其作用就是将接收到的微弱光信号转换成电信号，并进行放大。对于强度调制的数字光信号，在接收端采用直接检测方式时，光接收机由光电检测器、低噪前置放大器、宽带放大器和电压增益放大器构成光接收机的线性通道，以完成光／电转换，把信号放大到判决电路所需的信号电平。

本文在硬件电路的设计过程中，选择了MAX3901作为接收机电路的主芯片。它是一种性能良好的光通信接收器件，内部包含了单端TTL电平转换输出器、CML差分输出器、TIA、前置低噪放大器、电压增益放大器、输出缓冲器、消直流电路、电源电压检测器等关键电路。MAX3901的信号路经一个跨阻放大器（TIA）、一个电压放大器和一个消直流电路。TIA将微弱的电流信号转换成电压信号送到电压放大器电路，电压放大电路将单端输入的电压信号放大并转换为差分信号输出。消直流电路通过低频反馈网络消除输入端信号的直流成分，以使输入信号集中在TIA的线性范围内，从而减小脉宽失真。

接入系统采用的是直接检测（DD，Direct Detect）接收，在设计时选用PIN光电二极管作为光电检测器。这是由于PIN光电二极管工作电压低，不需要偏压控制；虽然APD雪崩光电二极管电流增益高，但是它的工作电压较高，而且温度变化对增益影响大，还需要对偏压

进行控制或对温度补偿，使得电路变得复杂。因此，选用PIN光电二极管作为光电检测器。

系统电路

系统电路如图2所示。电路工作流程大致如下：发送时，信号通过USB接口传送给桥接器STlR4220，经由桥接电路进行信号形式的转换，把信号转换成TTL电平送往驱动电路MAX3905，最后经光源发送出去，完成发送过程。接收时，光电检测器将接收到的光信号转换成电信号送给接收电路MAX3901，接收电路将信号转换为TTL电平送往桥接电路STIR4220，桥接电路把TTL电平信号转换成LISB接口信号送往计算机，完成接收过程。

结语

本文在现有技术基础上，设计了基于LISB接口的室内可见光无线接入电路。由于受到桥接芯片传输速率的限制，本系统的传输速率仅达到16Mbps。为了更好地利用USB接口，提高15SB接口的效率，开发更高数据传输速率的USB桥接电路成为重中之重。

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