引言

目前，用于室內(nèi)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)主要有藍(lán)牙、紅外和HomeRF等。從傳輸速率來(lái)看，藍(lán)牙為1Mbps，F(xiàn)IR標(biāo)準(zhǔn)的紅外線(xiàn)可以達(dá)到4Mbps (未來(lái)的VFIR標(biāo)準(zhǔn)紅外線(xiàn)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(mǎn)足對(duì)速度要求不高的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)。然而，實(shí)際應(yīng)用對(duì)速度的要求越來(lái)越高，為了適應(yīng)高速無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)，滿(mǎn)足大容量的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，專(zhuān)家學(xué)者們正在研究更高傳輸速率的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)。計(jì)算機(jī)USB接口和無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)的結(jié)合將為計(jì)算機(jī)提供高速的無(wú)線(xiàn)接入。

可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)接入系統(tǒng)

無(wú)線(xiàn)光通信是在無(wú)線(xiàn)電通信基礎(chǔ)上向更高射頻頻率的延伸，與無(wú)線(xiàn)電通信相比，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電頻段電磁波的干擾等，而且頻譜資源無(wú)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的要求，無(wú)線(xiàn)光通信越來(lái)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(guò)USB接口，利用無(wú)線(xiàn)光通信可實(shí)現(xiàn)高速的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)。基于USB接口的可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統(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(lái)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(lái)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(wú)線(xiàn)雙工通信。

2.光發(fā)射電路，將經(jīng)過(guò)USB接口電路處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，調(diào)制過(guò)的信號(hào)再經(jīng)放大后送入調(diào)制光源——可見(jiàn)光激光器(LD)，使其發(fā)出被編碼電信號(hào)調(diào)制的可見(jiàn)光光脈沖信號(hào)(這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為電光轉(zhuǎn)換，即E/O轉(zhuǎn)換)，最后經(jīng)光學(xué)天線(xiàn)發(fā)射到大氣信道中。

3.光接收電路，通過(guò)光學(xué)天線(xiàn)把發(fā)送端發(fā)送來(lái)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(guò)程稱(chēng)之為光電轉(zhuǎn)換，即O/E轉(zhuǎn)換)，轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)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。脈碼調(diào)制/解調(diào)電路和接口電路可以集成在一個(gè)稱(chēng)為橋接器的芯片里面。USB接口信號(hào)屬于總線(xiàn)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(guò)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(jiàn)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(guò)USB口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，主要解決以下三方面的問(wèn)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(wú)線(xiàn)光通信實(shí)現(xiàn)的橋梁。

發(fā)射電路

發(fā)射機(jī)是無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)技術(shù)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T(mén)TL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。