Page 44 - 网络电信2020年11月刊上

解 决 方 案

图2 悬空薄膜LED 器件光镜图 的结构，即两边都装载LED与PD，并且结构对称，两边FPGA都
应当具备接收信号处理和发送数据处理的功能，以支持TCP传输
的需求。因此，发送端的示意图如图5所示，首先经过网口接收
数据，接着把网口接到的一包一包的数据，经过差分线输入网
口芯片，利用网口芯片与FPGA的协同工作，转换为CMOS 电平送
予FPGA进行信号处理，接着经过量身定做的恒流恒压源驱动电
路，结合MOS管进行恒流恒压输出，从而驱动LED发出响应的OOK
调制信号。在发送端，网口直联的是一端电脑，而FPGA 主要实
现了FIFO、同步等功能，在1.3 节软件设计中将重点介绍。
接收端如图6所示。与发送端不同的是，为了保证接收高度
灵敏以及远距离，需要有两个方面的提升: (1)PD的选型，采用
APD模块，使得传输灵敏度大幅上升，这就直观地体现为传输距
离显著上升。(2)利用高带宽跨阻放大、高速比较器等电路，送
入FPGA 的FIFO 栈中进行高速处理，分析出信号后经过网口芯
片，由CMOS电平转换为以太网中的帧结构，打包送入另一端的
网口设备。这就是整个系统发送接收的主要硬件电路了。
众所周知，大功率LED比小功率LED的响应速度要慢，1W 以
图3 为悬空薄膜LED器件的I-V 曲线图。图4为悬空薄膜LED
上的大功率LED的调制带宽往往不到3MHz ［6］ ，在有限的带宽下
器件的I-t曲线图。
如何提高探测速率，是大功率LED调制和脉冲整形技术要解决的
2．系统硬件设计
问题。目前的大功率LED驱动方案包括单MOS 管驱动、双MOS 管
推挽驱动、峰化电路加速技术和大功率MOSFET 开关技术 ［7-8］ 。
图3 悬空薄膜LED器件I-V曲线
上述技术需要跟不同型号的LED组合测试，以达到最佳的驱动
效果; 大功率LED还需要解决驱动电路与LED的阻抗不匹配的问
题，由于LED在前向偏置时在低频段会出现负电容，为了解决匹
配技术，还需要考虑采用负阻抗转换技术进行阻抗转化和匹配
［9］
。接收部分需要考虑高速的问题和APD的选型问题，但这一
点在如今已经有相对成熟的设计模块，笔者在此技术上进行改
进，从而在保证基本高速远距无线通信的同时，进而保证光互
联系统的稳定性和鲁棒性。
3．系统软件设计
众所周知，计算机可以作为我国科技的迅猛发展以及信息
化时代到来的代表，而计算机恰好可以和FPGA 进行完美的组
图4 悬空薄膜LED器件I-t曲线
合，充分弥补了FPGA 的一些缺点。而且它们两者之间的相互影
响，可以让彼此的优势发挥到最大限度，在使用时能够更加高
效率地工作 ［10］ 。越来越多的上位机与FPGA 利用网口或是串口
通信协同工作，为系统的软件设计开辟了思路。
本系统软件部分主要用FPGA 实现4个功能: FIFO、同步、
数据处理及AD/DA 数据的发送接收。而作为本系统的最大亮
点，也是在FPGA 实现超前滞后门的同步通信上面。图7 是超前
滞后门的FPGA实现原理。利用匹配滤波结合超前滞后门使得数
据进行稳定的高速传输。门时钟25MHz，接收到的8位并行数据
转换为串行数据，放入栈中，接着进行特定的运算，在一个符
号周期内进行超前或滞后的判决，满足门限条件，即无超前无
滞后现象，可以判断这个符号位是可以发送的，接着以3．125
MHz的时钟频率发送它，这样可以做到很好的一个同步，也是本
系统最大的亮点之一。
发送方面采用了FIFO缓存，接着进入发送状态判断，如
通常来说，光互联系统主要分为两大部分: 接收部分和发
果认为一帧数据换存完毕，并且时钟沿到来满足发送条件，那
射部分。因为网络上的数据传输几乎都是基于TCP/IP 协议栈
么进行并/串转换，将数据发送到驱动电路上，让LED发送一定
的，因而是一个双工通信，所以在硬件上，应该做成完全对称
的信号。需要说明的是，这里的速率是可以通过改变锁相环来
68 网络电信 二零二零年十一月