短距离数据传输

短距离数据传输（精选10篇）

短距离数据传输 篇1

0 引言

在许多测控现场中,数据传输是通过有线电缆实现的,但有些场合由于空间或条件的限制根本无法铺设电缆,这样就不能将测控中的数据进行实时有效的传输,限制了其使用的灵活性。随着集成电路和射频技术的飞速发展,无线数据传输功能的实现越来越容易。短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、安装施工简便灵活等特点,解决了特定环境下不宜使用有线电缆传送数据的问题。

1 短距离无线数据传输系统总体设计

图1为短距离无线数据传输系统总体设计,系统分为硬件和软件两个部分。硬件部分包括射频收发芯片nRF2401A模块、AT89C52单片机、RS232串行接口等;软件部分包括nRF2401A配置程序、数据发送程序、数据读取程序、串口接收程序等。

2 短距离无线数据传输系统的硬件设计

2.1 射频收发模块

nRF2401A芯片工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段,是一种短距离、高速率、低功耗、低成本的非标准无线通信技术。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等,输出功率和通信频道可通过程序进行配置,具有多种低功率工作模式,并可同时接收2个不同频道的数据,而且所需外围元件较少,使得硬件电路在体积和重量上有较大的优势。

nRF2401A为QFN24引脚封装,外形尺寸只有5 mm×5 mm。其主要引脚功能如下:PWR-UP为上电端,CE为工作状态使能端,CS为片选端,控制器通过对nRF2401A的PWR-UP、CE和CS管脚状态组合设置控制nRF2401的工作方式,当状态组合为110、101、100时芯片分别处于收发模式、配置模式、空闲模式,当PWR-UP置0时芯片处于掉电状态;CLK1、CLK2分别为通道1和通道2的时钟信号端;DATA、DOUT为通道1、通道2数据端,控制器与nRF2401A由CLK、DR和DATA组成的三线接口交换传输数据,通道1可接收和发送数据,通道2只能接收数据。

2.2 AT89C52和nRF2401A的接口电路设计

AT98C52单片机经过P1口与nRF2401A相连,单片机通过模拟nRF2401A的发射或接收时序,控制射频芯片nRF2401A的工作方式以及与AT89C52之间的数据传输。

2.3 电压转换电路设计

由于单片机系统的电压值为5 V,而射频部分电路只需3.3 V稳定电压,因此需要进行电压转换,选用LM1117芯片,其转换电路见图2。5 V的电压通过LM1117后,变成3.3 V的稳压输出,分别供给AT89C52、MAX232和nRF2401A使用。

2.4 AT89C52与计算机之间RS232串行接口电路的设计

由于单片机为TTL电平,与RS232电平互不兼容,所以两者相连时,需进行电平转换。可选用常见的MAXIM公司的标准型 RS232转换器件MAX232,芯片内部有自升压的电平倍增电路,将TTL电平转换成RS232电平,以满足RS232标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。

3 短距离无线数据传输系统的软件设计

根据nRF2401A的ShockBurstTM收发模式的时序,用C语言编写了nRF2401A的初始化配置程序、发射和接收程序、串口通讯程序等。整个程序采用模块化设计,可读性强,移植和扩展性好。

3.1 射频收发芯片nRF2401A的初始化配置程序

单片机初始化nRF2401A,设置CS高,CE低,进入nRF2401A配置模式,由Data脚将配置参数输入nRF2401A,写入18个字节的配置字(前3个字节是测试芯片用的,无需修改),发送端的配置字为8E08、1C10、2000、1CCC、CCCC、CCCC、CCCC、CC83、6F04,接收端的配置字为8E08、1C10、2000、1CCC、CCCC、CCCC、CCCC、CC83、6F05。设定发送端和接收端的地址长度为32 bit,地址为0xCCCCCCCC,每次发送的数据长度为128 bit,16 bit CRC校验使能,ShockBurstTM模式,传输速率设置为1 Mb/s,晶振频率16 MHz,发射功率0 dBm,工作频道为2 402 MHz。其具体程序如下:

3.2 射频收发芯片nRF2401A的数据发送程序

nRF2401A在ShockBurstTM模式发射,接口引脚端为CE、CLK1和DATA。发射程序如下:

3.3 射频收发芯片nRF2401A的数据接收程序

nRF2401A在ShockBurstTM模式接收,接口引脚端为CE、CLK1、DATA和DR1。接收程序如下:

3.4 单片机AT89C52与主机串口通讯程序

单片机AT89C52将nRF2401A接收到的数据,经MAX232电平转换芯片转换后,通过RS232串口传输给主机。单片机与主机之间的波特率参数设置要相同,具体的程序如下:

4 系统实验与性能分析

实验中,取单片机存储器中16个字节的一组数作为测试数据,PC机接收到的数据采用串口调试助手显示,通过比较来分析系统性能和影响因素。通过实验测得在空旷地传输有效距离为20 m,距离达到30 m以后,接收端已经接收不到数据。当中间有门或者其他障碍物阻隔时,接收距离会下降到10 m左右。在有效距离内,系统传输的正确率能达到100%,可靠性较好。所以系统的性能与发射功率、实际应用环境和天线均有很大关系,如要继续加大传输距离,可以在发射端加入功率放大模块,这样也相应地增加了系统的功耗。

经过实验验证,该系统能够实现稳定可靠的数据传输,完全可以应用于相关测控领域。非标准单片无线射频芯片nRF2401A由于较好的性能、较低的功耗、较低的价格、简单的开发,在低成本应用场合显示了其独特的优势。

摘要：介绍了一个基于nRF2401A射频芯片的短距离无线数据传输系统,通过AT89C52单片机控制射频芯片nRF2401A,实现2个射频芯片之间在ShockBurstTM模式下进行数据的发射与接收,同时接收方通过AT89C52单片机的串口将接收到的数据经RS232接口电平转换后传给主机。通过实验分析了无线数据传输系统的性能、主要影响因素以及系统的稳定性。

关键词：无线数据传输,单片机,射频芯片nRF2401A,短距离

参考文献

[1]李文仲.C8051F系列单片机与短距离无线数据通信[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]周坚.单片机C语言轻松入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4]陈丽娟,常丹华.基于nRF2401A芯片的无线数据通信[J].电子器件,2006,29(1):248-250.

[5]刘刚,彭荣群.Protel DXP 2004 SP2原理图与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

短距离数据传输 篇2

据美国宇航局太空网9月15日报道，一位曾供职美宇航局的科学家利用无线电波，将太阳能在两个夏威夷岛屿之间传输了92英里(约合148公里)的距离。他宣称，实验成果证明这一技术可以将太阳能从卫星传回地球。

约翰〃曼金斯(JohnC.Mankins)向《探索频道》演示了这项太阳能传输技术。《探索频道》为这次历时4个月的实验提供了经费，并于美国东部时间9月12日晚9点播出了实验结果。曼金斯的构想是将重达1102磅(约合500公斤)的轨道卫星收集的太阳能传输至地面一个大型接收站。

曼金斯曾在美宇航局工作25年之久，长期负责宇航局太空太阳能项目，直至该项目被取消。今年5月，他成功将20瓦的太阳能在两个岛屿之间传输。据曼金斯介绍，由于岛上的接收站过于小，只有千分之一的能量被接收到。这次实验耗资约100万美元，曼金斯表示，他要是有更多的资金，那么就能造出更大的太阳能阵列。

短距离数据传输 篇3

研究人员在实验中用到了两个相互独立的玻璃容器，每个容器内包含有由数十亿个铯气态原子组成的云团。他们首先朝第一个玻璃容器内发送激光，接着，奇异的量子现象发生了：光和气体相互纠缠在一起，这意味着它们已经建立了某种量子连接。

这两个玻璃容器都置于一个拥有磁场的房间内。当具有某一特定波长的激光照射在气态原子上时，原子内部最外层的电子会像磁针一样指向同一个方向——朝上或朝下。科学家们解释道，正是这一方向组成了量子信息，就像计算机的信息由0和1组成一样。

这些气体会发出包含有量子信息的光量子，这些光随后被发送到第二个气体容器上，此时，研究人员也从光那儿读取到了量子信息，并用探测器对光量子进行了登记。然后，探测器发出的信号被传回第一个容器，结果发现，该容器里原子内的电子方向会根据信号进行调整。这样，他们就实现了量子信息从第二个容器到第一个容器的隐形传输。

研究人员表示，实验在室温下进行，这使得气态原子能在玻璃容器内以200米/秒的速度移动，导致它们会不断撞上玻璃壁，从而失去其携带的量子信息。但研究人员在玻璃容器内部涂上了一层石蜡避免了这一点。此外，一种非常灵敏、可以有效地探测到光量子并进行登记的探测器也促进了结果的稳定性。

短距离数据传输 篇4

在现代无线通信中,GSM、CDMA、3G、Wi-Fi等主流技术成为无线数据传输网络的主流解决方案,通信速率高,质量可靠,但存在成本过高的缺点,广泛应用将造成了极大的资源浪费,因而在众多的小区域,低速率数据通信领域难以推广。现短距离无线通信可以采用不同的网络技术,如蓝牙、IEEE802.11、Home RF、红外线等,它与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络相比,无论在基本的结构上,还是在应用的层次上,均有很大的不同,两者在服务范围和针对的业务(数据、话音)上也有很大不同。短距离无线通信网设计的初衷是为了在移动环境下提供短距离的宽带无线接入或临时性的网络形成,是因特网在移动环境下的进一步发展。

本文给出了短距离多点无线数据采集与传输网络的信息终端(子机)和无线接收主机模块的硬件和软件设计方案,并根据该方案,构筑了一个工作于ISM(Industrial Scientific Medical)频段的低功耗、高性能的无线数据通信系统。

1 系统实现模型

系统是由一台中央监控设备CMS(Central Monitoring System)和多台远程终端设备MRTU(Multiple Remote Termial Unit)构成的点对多点多任务无线通信系统。远程终端(信息终端)实际上是多台移动站,均能够移动,并且在移动的过程中还可以进行通信。中央监控设备CMS与每一台远程终端RTU(Remote Termial Unit)都以双向通信方式进行数据传递,接下来对其信息终端(子机)和无线接入主机(控制中心)的硬件和软件的关键部分进行设计。

2 系统硬件设计

为了方便系统设计、维护和升级,单元节点硬件部分根据功能特性、电气特性的不同以模块的方式构建。基本结构由射频收发模块、控制及处理模块、通用串行接口模块、数据缓冲及存储模块和多能电源管理模块等五大模块组成。以下是各部分模块电路功能说明与实现。

2.1 射频收发模块

从发送的角度实现对处理好的数据包进行高频调制和发送给指定通信对象,在接收角度获取来自通信对象的高频信号并解调还原为调制前的原始数据包。

射频收发模块的电路主体为n RF905无线收发芯片[1],模块设计使用16MHz的晶振作为其工作频率。n RF905无线收发芯片支持采用印刷天线的形式来接收射频信号。为了提高接收灵敏度和提高抗干扰能力,射频收发模块采用外接天线并加入了滤波电路。

2.2 控制及处理模块

控制及处理模块主要由中央控制单元(MCU)和外围电路构成,有两大功能:一为用于控制和协调各大模块的工作状态;二为对从接口获取的数据进行处理和发送转发,如路由处理、数据打包、数据拆包、校验、重发请求等。

模块的核心MCU采用51系列单片机。为了工业性能的保证,在实际设计中,我们采用的是WINBOND(华邦)78LE54系列[2],具备有8-bit CMOS微控制器,兼容2.4-5.5V的宽电压供电,256Bytes的片内RAM,16KB的Flash EPROM,64KB的寻址能力,四个8Bit标准IO口,一个标准输入输出双工串口。

单片机工作晶振频率为22.1184MHz。为匹配无线收发芯片n RF905的逻辑电平,单片机采用3.3V供电。为了保证单片机运行的稳定性,对悬空的引脚均接入Vcc进行保护。

2.3 多能电源管理模块

多能电源管理模块的最大特点是兼容8V-24V的宽电压范围输入供电,为各模块提供合适和稳定的工作电源,包括CMOS电源和TTL电源等,分别为5V和3.3V。特别加入了电子开关功能,在实际应用中可以由其它上层系统控制电源的供电与否,在节省能耗方面有很大的意义。模块主要由电源转换芯片C851414和AS-1117-3.3构成。C851414先完成8V—24V到5V的电压转换,再由AS-1117-3.3进行5V到3.3V的二次转换。为优化电源的纹波特性,电路加入了适当的滤波电容和电感。

2.4 通用串行接口模块

通用串行接口模块用于连接通用终端设备,如数字信号输出设备或者是带有AD转换的模拟量采集设备。同时提供通用的RS232串行接口,为计算机终端的数据交换提供入口。硬件电路主要由RS232接口驱动芯片MAX232和RS232标准九针接口构成。

2.5 数据缓冲及储存模块

数据缓冲及存储模块主要有数据缓冲和数据存储两大功能。数据缓冲和存储任务分别由32KByte的RAM和16KByte的EEPROM担任。数据缓冲区用于临时数据的缓存,如转发数据、待传和待收队列中的数据;数据存储区用于系统一些固定信息进行的储存,如路由信息、本机名称、本机地址和断电保护还原信息等。

3 系统软件设计

系统性能的实现依赖于其有效合理的软件控制,本次软件设计则是在硬件环境的基础上开发一个具有数据转发、冲突避免、出错重传、超时重试等功能的无线网络协议,从而实现系统的设计目标。

整个网络由一台主机及多台分散的子机构成,每个子机中必须有一个无线收发节点(本系统采用n RF905单片射频收发器),整个无线网络各个节点都有唯一标识的地址,地址由具有唯一性标识的子机内容组成,可依具体情况而定。为了方便起见,实际系统中的每个子机中的无线收发节点的地址由我们自己设定(4 bytes)。

为了提高系统的可靠性,协议设计为停--等型,从数据链路层的角度来看,发送过程大致为:数据源方首先向数据目标方请求建立连接,在得到目标方的回应后才开始发送数据,并在每次数据发送结束后等候目标方的应答,在接收到正确的应答后,继续发送下一组数据,直到所有数据发送完毕后,数据源方则请求拆除连接以释放信道资源,在收到目标方的应答后结束一次发送过程;接收过程大致为:在收到建立连接请求后,给出一个回应后开始接收数据,并在每接收完一次数据后给出一个有效的或无效的应答,直到接收到一个拆除连接请求,这时,把接收到的数据保存起来并给出一个应答后结束一次接收过程。

4 系统测试

任选两个节点之间的通信都可以以点对点之间的通信为模型进行测试。在稳定性测试中,我们对系统进行为期一周的不间断随机收发运行试验,未出现死机和丢包、错包现象。

在误码率测试中,由于系统加入了完善的校验和错误重传机制,在长达一周的稳定性、可靠性测试中,尚未发现有误码情况。在系统最大的工作负荷下,通过对示波器所侦测的多个数据帧进行如下的分析计算:速率=有效数据/传输时间,测得无线收发的数据传输速率为16kbps。

5 结束语

本文开发了基于n RF905无线收发芯片和51系列单片机为硬件核心的低功耗、高性能的无线数据通信系统,为在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种实时性较高、数据量较小的无线数据通信的理想解决方案。可广泛应用在各类数据无线通信、环境监测、安防系统等多个领域。我们相信只要通过对软件的进一步细化和完善,便可在该系统上实现更加完整智能化的通信协议。

参考文献

[1]Nordic VLSI.Data sheets for nRF905 Multiband Transceiver.2005.

[2]http://batescomponents.com/catalog/parts/78LE54-24.html.

[3]徐爱均,彭秀华编著.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程应用实践.北京:电子工业出版社,2000.

短距离数据传输 篇5

光电经纬仪利用雷达距离数据实现单站定位方法研究

为了解决经纬仪快速定位问题,提高其使用效率,提出利用在光电经纬仪附近同站住两维雷达距离测量数据,结合光电经纬仪俯仰角测量数据,将雷达测量的.相对于目标的距离数据转换到经纬仪相对于目标的距离数据,从而实现单站定位方法.经过误差分析表明,定位精度小于5m,满足对目标定位精度要求.同时经纬仪不需要与其它经纬仪交会即可对目标定位,减小了经纬仪对布站的限制.

作 者：张宇 张显国 ZHANG Yu ZHANG Xianguo 作者单位：92941部队,装备部,葫芦岛,125001刊 名：长春理工大学学报(自然科学版) ISTIC英文刊名：JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：31(4)分类号：V556.5关键词：光电经纬仪 单站定位 方法研究

短距离数据传输 篇6

基于VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)激光器、57米线缆,研究人员实现了64 Gb/s的传输速率。它比以往记录快14%,是当前典型商业技术的2.5倍。

为了发送数据,研究人员使用了标准的非归零(NRZ,non-return-to-zero)码调制。据美国纽约IBM TJ Watson研究中心的研究人员Dan Kuchta透露,NRZ调制并不会超越32Gb/s的传输速度。许多研究者认为,要实现更高的传输速率,需要求助于更复杂的调制类型,如脉冲振幅调制4(PAM-4,pulse-amplitude modulation-4)。

然而,由于Kuchta和他的同事们利用NRZ调制获得了较快的传输速度,NRZ技术至少还有一两个产品周期。Kuchta将于3月9日至13日在美国加利福尼亚州旧金山莫斯康展览中心举办的2014光纤通讯研讨会及展览会(OFC 2014,Optical Fiber Communication Conference & Exhibition2 0 1 4 )上展示这些研究结果。他的演讲题目为 " 6 4 G b / sTransmission over 57m MMF using an NRZ Modulated850nm VCSEL"。

为了实现高速,研究人员采用了瑞典查尔姆斯理工大学研制的VCSEL激光器和IBM研究中心开发定制的硅锗(Si Ge)芯片。Kuchta称,接收器芯片的设计是独一无二的。它同时在速度和灵敏度方面超越了当前的商业产品。驱动器芯片通过传输均衡技术加宽了光链路带宽。虽然这种方法在电气通信领域非常典型,但是它在光通信领域还是相对较新的。

这种较快的传输速度只能达到57米的距离,因此该技术并不适合跨洲发送数据。它最合适用在建筑物内传输数据。数据中心约80%的线缆及用于典型超级计算机的大多数电缆的传送距离都在50米以内。目前这项新技术目前已具备商用条件。

短距离数据传输 篇7

关键词：室外可见光通信,差分曼彻斯特编码,数字传输,光路设计,照明通信切换

白光LED被誉为第四代照明光源,具有寿命长、光效高、稳定性好和功耗低等优点[1,2]。除此之外,还具有调制特性好、响应灵敏度高、发射功率大等优点,可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)正是基于LED优良调制特性实现的。VLC技术属于绿色通信,具有对人眼安全、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰等优点。因此,VLC技术具有极大的发展前景,为无线光通信提供了一种全新数据接入方式,为人们广泛关注和研究[3]。

短距离室外可见光通信指利用LED光源进行短距离(通常几十米)的室外可见光通信,具有低成本、低功耗、对等性和无电磁辐射等特点。本文探讨短距离室外可见光数字通信技术,采用恒流驱动电路和切换电路保证LED照度、通信稳定性与照明通信之间切换,采用差分曼彻斯特编码来避免通信过程LED闪烁和保证光信号接收,并进行光路设计便于光路处理和干扰抑制。

1 室外可见光通信信道

可见光室外通信信道是大气信道,其为随机信道主要受瑞利散射影响。短距离通信可见光的波长较短,瑞利散射的作用较强烈,根据瑞利散射定律[4]得:

$a{}_m(\lambda )=\frac{8\text{π}{}^3}{3}\frac{(n{}^3-1){}^2}{{\rm N}\lambda {}^4}\frac{6+3\sigma }{6-7\sigma }(1)$

式(1)中,λ为入射光波长,N是单位体积内的大气分子、粒子数,n是大气分子、粒子的折射率,σ是退偏振因子。瑞利散射的前向散射和后向散射的比重大约各占一半,衰减系数与λ4成反比,因此短波光比长波光散射更明显,导致可见光衰减比较严重,降低系统的通信性能。

可见光在大气中传输中也会受到太阳光的影响,太阳光与可见光相近,会带来背景光噪声干扰。另外,天气因素也会对可见光室外通信效果产生影响。可见光在雨、雪和大雾中的透过能力下降,雪花、雨滴和雾滴对可见光进行散射和吸收等,经大气传输的光信号会产生衰减,衰减幅度变化较大,影响光的传输和系统的通信质量。因此,室外通信需充分考虑信道情况,采用光路设计和背景光干扰抑制等措施来减少外界干扰的影响,提高系统性能。

2 系统设计

2. 1 系统方案

室外可见光通信系统由通信光源白光LED、单片机、光电探测器、前置放大器和限幅放大电路等构成,如图1所示。待传输信号由FPGA完成差分曼彻斯特编码,单片机控制LED驱动电路与光源产

生可见光脉冲。光信号通过一定光路处理以保证一定的室外照度,然后以光束的形式发射到大气信道中,光路传输采取定向直射式视距方式,直射式视距链路中光接收机直接指向光源,光功率利用率高,可有效减少大气信道对链路的干扰。接收机中光电探测器前架设透镜,对信号光进行汇聚,使得PIN光电探测器接收范围更广,光电探测器将光信号转换成电信号,接收机中低噪声前置放大电路、AGC电路、限幅电路等电路对转换后的电信号放大、整形处理,并传输给FPGA进行解码处理,最后输出信号。单片机作为主控MCU控制LED照明亮度调整,实现计算机与FPGA的通信。

光源是室外可见光通信系统的关键器件,为了实现通信的同时能兼顾照明,并满足一定通信速率要求,为此,光源通常选用白光LED阵列。白光LED发出可见光,且发散角大便于光路处理和光路接收,可在大范围内安全可靠传输信号。由于通信光源白光LED的特殊性,光电探测器选择光电转换线性度好、工作电压要求低和响应速度快的PIN光电二极管。前置放大器作为光接收机的关键部分,前置放大器的增益应该足够大且固有噪声低,以产生足够大的输出电压幅度并克服后续电路噪声的影响,以获得较好的噪声和码间干扰性。AGC电路实现信号强度在一定范围发生变化时,光接收端接收到信号基本稳定,为系统提供一个较大的动态范围。

2.2 LED驱动与照明切换电路设计

系统采用LED恒流驱动[5,6]方式,恒流驱动电路如图2所示。待传输信号输入到DD311的使能端控制LED的亮灭实现光强度调制,从而实现信息加载到光载波上。输出端电压VL与GND 端之间加入一个足够大的电容以保持LED工作电源电压的稳定,同时接入退耦电容降低大电流信号对其他电路的影响。使能端EN之前加入一个阻容滤波RC电路,将使能端信号的电位上升或下降的时间延长,保证输出电流的瞬时反应更趋圆滑。调整Vbias电压改变参考输入电流,从而改变输出电流,实现LED亮度调节。Vbias电压由MCU控制,Vbias调光电压是通过FPGA产生PWM信号低通滤波得到的。系统照明切换通过光敏电阻模块和DD311使能端联合工作来实现的,白天,阳光亮度足够时,光敏电阻模块输出低电平,使能端处于禁止状态,LED不点亮,阴天或夜晚,阳光亮度不够时,光敏电阻模块输出高电平,使能端正常工作,点亮LED。

2.3 限幅放大电路设计

接收端,光信号经过光电探测器、前置放大电路和AGC电路处理后转化为电信号,但是AGC电路输出信号是模拟的,需将它转换成数字信号才能被后续信号处理电路识别。为此设计了限幅放大电路,其将AGC电路不同幅度的输出信号处理成等幅的数字信号,限幅放大电路如图3所示。信号经过第一级主放大器放大后送给后级限幅放大器,由于后级放大器放大倍数足够,放大信号峰峰值幅度达到VCC后会被限制在VCC以内,达到限幅作用。限幅放大得到的信号是双极性信号,需要转换成单极性的TTL电平才能送给FPGA解码,R1和D1起到电平转换作用。

2.4 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的改进,具备曼彻斯特码所拥有的优点,能提供足够的定时分量,而且无直流漂移,编码过程相对简单;并自带有同步时钟利于解码,解决码元同步问题,还能避免曼彻斯特码译码错误。差分曼彻斯特编码最多出现两个时钟的连0或连1,可有效地避免LED闪烁,保证LED光亮度恒定,提高抗干扰性能。差分曼彻斯特码信息“1”与“0”是以每个时钟位开始有无跳变来区分。即码元起始有跳变表示“0”,无跳变表示“1”。差分曼彻斯特编码时,设定一个标志flag,flag在每个时钟上升沿翻转一次,当flag为0时为每一数据位的起始判断输入,如果输入是“0”则输出翻转,如果输入是“1”则不翻转;当flag为1时表示数据位的中间,输出无条件翻转一次。由于差分曼彻斯特编码用电平跳变来表示信息,用两位寄存器表示差分曼彻斯特码的跳变情况,每个数据位中间必有一次跳变,这种跳变就是位同步信号,因此,数据编码后不会出现00的状况,应为01、10和11的形式。差分曼彻斯特解码时,若编码是11,即连续两次跳变,不论“11”表示的是一个完整的数据位还是两个数据位的头尾,解出数据都为 0;若是01或10,解出数据为1。

2.5 光路设计

为了屏蔽或抑制较强背景光(如太阳光、大功率的白炽灯)的影响,可见光通信系统中,光发射机光出射口和接收机入射口应设计较窄。光发射机前端采用非成像透镜对发射光进行汇聚,保证一定室外传输距离和光照度;接收机前端架设透镜对光信号汇聚,同时将PIN光电二极管设计在光聚焦点附近,使光电探测器光信号接收范围更宽与接收灵敏度更好;使背景光难以进入发射端影响光信号。

3 实验测试

3.1 光调制与解调测试

输出电流为300 mA时,将1.25 MHz方波加载至驱动电路使能端调制光载波,DD311芯片输出波形即调制波形(蓝色)和光接收模块限幅放大器波形(黄色)如图4所示。从图可知恒流驱动电路对频率较高的信号进行调制,对比输入波形和输出波形,调制信号出现了一定范围的变形和过冲;输出波形表明调制信号经后续前置放大、限幅等电路处理后,在接收端可得到较理想的传输信号,说明系统具有较好调制解调能力。

3.2 光接收放大性能测试

FPGA产生速率为1.25 Mbps的伪随机序列,经过差分曼彻斯特编码后调制到LED上发射出去,用光接收模块接收信号。用示波器观察对比光接收电路AGC和限幅放大输出波形。AGC和限幅放大眼图如图5所示。蓝色波形为AGC输出的眼图,黄色波形为限幅放大器输出的眼图。前置放大电路处理后输出信号得到一定放大和调整,AGC电路将前置放大器输出信号进一步放大,并也有一定限幅作用。限幅放大器将AGC输出的模拟信号等副数字化,使得眼图张得比较开。

3.3 室外通信测试

可见光发射机和光接收机均加上光学天线分别架设在相距45 m的两栋教学楼楼顶,架设时需考虑太阳运行轨迹,避免太阳光直射影响光发射机和接收机。用FPGA产生速率为1.25 Mbps的伪随机序列,经过差分曼彻斯特编码后调制到LED上,用光接收模块接收信号。用示波器观察发射码型和接收电路限幅输出的码型,结果如图6所示,蓝色为发射码信号,黄色为接收码信号。从测试结果可知,光信号经编码传输,在接收端经信号处理,恢复出与发射码相仿的码型。说明光收发端使用光学天线,能实现信号可靠接收和处理,满足短距离室外可见光通信。

4 结论

利用白光LED优良的特性构建出的短距离室外可见光通信系统,实现了信号可靠传输,恒流驱动保证了照度和通信稳定性,数字编码避免通信过程中LED闪烁,光路设计更好实现了信号传输和背景光的防护,对进一步研究室外可见光通信有一定的参考价值。基于白光LED的可见光通信技术可实现绿色通信,能快速构建通信网络,具有通信安全、不占用无线电频谱等优势,具有极大的发展前景,但要实现长距离室外可见光通信,还需要面对很多挑战。

参考文献

[1]赵惠珊,陈长缨,陈曦,等.白光LED通信系统的噪声与干扰分析.光通信技术,2011;1:60—62

[2]骆宏图,陈长缨,傅倩,等.白光LED室内可见光通信的关键技术.光通信技术,2011;2:56—59

[3]刘宏展,吕晓旭,王发强,等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展.光通信技术,2009;7:53—56

[4]胡晟,艾勇.自由空间光通信中气象因素影响分析.光学与光电技术,2003;1(3):17—20

[5]周志敏,纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例.北京:人民邮电出版社,2009:6—300

短距离数据传输 篇8

关键词：数据采集,远程通讯,多机通讯

1 引言

在分布式计算机监控系统中或主从式数据采集系统都是主机呼叫从机, 被呼叫的分机发回数据。通常一个主机带N个分机, 构成1:N系统。这种系统, 通讯距离远, 所以减少线路投资很重要, 为此我们再用半双工通讯, 这样通讯线路为一对。

本文对半双工远距离多机通讯接口电路进行了详细的分析, 指出了远距传输的波特率受线路电阻的分布和分布电容的限制。采用电流环传输可提高波特率。但在这种1:N系统中, 每个时刻线路都是一个在发, N个在收, 所以进入接受电路的电流不能太大。因此我们的设计是把进入每个接受电路的电流限制在1mA以下 (约0.7mA) , 分析传输现对波特率的影响时取N=20。图1 (a) 为系统结构图, 图1 (b) 为系统工作时序图。

2 接口电路

该接口电路主机与分机类似, 它由发送电路、接收电路、信道输出/保护电路、收发切换电路组成, 如图2所示。

2.1 发送电路

发送电路是由U4、Q2、Q3、Q6、Q7及发送控制电路组成。Q3、Q7和TTL输出电路一样具有很强的负载能力。因为传输信道具有比较大的分布电容, 此电路由Q3提供大电流向分布电容充电, Q7以饱和电阻给分布电容放电, 所以, 可以认为发送电路输出脉冲数据信号。发送控制脉冲P0为“0”, Q1截止, 发送数据Tx经U4、Q6、Q7。发“1”时, Q6, Q7截止, “1”脉冲由Q3输出。发“0”脉冲时, Q6, Q7饱和, “0”脉冲发送出去。

2.2 接受电路

接收电路由U2、U3、Q4、Q5组成。接收时P0为“1”收发控制电路光耦U1截止, Q1导通, 使BG饱合, 发送电路Q2、Q3截止, 成为组态, 让出了信道线, 让它端发送, 自端接收。

接收电路Q4、Q5采用复合管具有高放大倍数, 目的是使基极电压Vb值只由R5, R15分压决定。Q4、Q5工作在饱和导通与恒流源二种工作方式, 其偏置在3.7V, 所以当集电极电压小于3.7V时, 它饱和导通;而大于3.7V时, 它工作在横流方式。由图中所给参数, Q4、Q5其恒流为Ic= (Vb-2Vbe) /R16= (3.7-1.4) /3k≈0.7mA由于Ic不受集电极电压控制 (Q4、Q5集电极电压大于等于3.7V) , 所以只要信道“1”脉冲的幅度≥3.7V时, 流过Q5的电流都是0.7mA。这样解决了离发端较近的接收电路由于信道上由较高的“1”脉冲而吸收较大的电流, 使信道上产生较大的压降, 使远程接收端接收电路不能正常工作的难题。

当“1”脉冲幅度小于3.7V时, Q4、Q5饱和导通, 这时Q5的射极电阻R16 (3K) 直接接在信道上, 是信号不处于开路状态, 从而减少干扰脉冲的引入。Q5的基极和射极波形是信道上为“0”和“1”脉冲时电压的变化情况。

U2为电压比较器, 它的负端固定在1.8V, 当“1”脉冲使Q5的射极电压上升超过1.8V时, U2输出“1”;当信道的“1”脉冲使Q5的射极低于1.8V时, U2输出“0”, 图中D4是防止信道上为“0”脉冲时R5上的电流流入通道。R11、C1用来抑制窄脉冲干扰。这种电路抗干扰性好, 因为它不但要求信道上“1”脉冲的幅度大于3.7V, 而且还需要“1”脉冲提供0.7mA的电流, 也就是说它是从信道吸收电流工作的, 我们知道, 干扰脉冲一般只产生幅度而不能提供电流。

2.3 输出/输入保护电路

输出/输入保护电路见图2, 其中R18为压敏电阻, 用来防止在雷电发生时传输线上感应出高电压、大电流而损坏接口电路。R12、R14、R20、R21、D3又进一步对高电压进行限制, D3还有防止反向电压进入接口的作用。

3 上位机和下位机

上位机硬件采用pc机, 软件可以采用Vb高级语言编程。下位机 (从机) 采用单片机, 软件采用C语言编程。

如图3所示, 当主机通过传输线向各分机发出呼唤时, 先发地址帧。所有从机初始状态只收地址帧, 当收到主机发的地址帧与从机本地地址比较。若不同, 则不做相应。若相同, 发数据应答主机, 当主机收到应答信息, 认为从机收到信号, 就发命令帧, 命令帧采用数据帧格式, 其它从机不做相应。如果主机发送命令帧是采集信号, 那么该从机相应信号后, 向主机发采集数据传送到主机。这样就完成主机对分机数据采集。如果主机发送命令帧是发送数据, 那么从机接收主机发送数据。

参考文献

[1]何立民.单片机应用技术选编, 2004, 1, 1.

长距离电能传输新技术 篇9

该技术利用2条0.5—50千赫谐振电路以及两条谐振电路间的单股导线实现电压谐振模式下的10—100千伏电压电力传输。

该技术的优势主要有:

1、无需使用中继变压器实现长距离电能传输;

2、降低了电能输送的建设成本;

3、减少了电能传输过程中的损耗;

4、不会出现瞬间短路以及坏天气导致的事故;

5、节省了制造导线的铜金属;

6、可在照明系统中灵活调整照明电能。

此外, 该技术拥有“太阳能及风能单导线谐振外部照明系统”、“移动式照明设备”等2项发明专利和“节能型单导线谐振电能传输系统”、“单导线太阳能谐振外部照明系统”等2项实用新型设计专利。

长距离光传输解决方案 篇10

关键词：折射,色散,拉曼,EDFA

(一) 引言

光波在媒质中传播时, 由于光波和媒质的相互作用, 一般呈现两种效应, 一种是速度减慢引起的折射和双折射效应;另一种是光能减弱的消光效应。光信号在光纤内传输遵循如下非线性薛定锷方程式:

这两种效应导致光通讯信号在光纤中出现衰耗、色散、和非线性, 在长距离传输中表现尤为明显。因此, 为了接收端能从噪音中检测出信号, 我们需要补偿衰耗、色散以及使非线性效应最小化。

(二) 衰耗补偿

信号功率的衰减可以通过采用放大器来补偿, 然而对于超长距离的光传输系统在提高增益的同时会产生很多的噪音, 因此我们应该采用高功率的EDFA放大器和特殊的低噪音RAMAN拉曼放大器。

1. EDFA技术

掺饵光纤放大器 (EDFA) 的研制成功, 是光通信发展的一个“里程碑”。它的出现打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制, 使全光通信距离延长至上千公里, 为光纤通信带来了革命性的变化。EDFA一般是工作在1550nm窗口上, 该窗口光纤损耗系数比1310nm窗口还要低 (仅0.2dB/km) 。已商用的EDFA噪声小, 增益曲线好, 放大器带宽大, 与密集波分复用 (DWDM) 系统相兼容, 同时EDFA泵浦效率高、工作性能稳定、技术成熟, 一方面, EDFA可用作光发射机的功率放大器、光纤系统的在线中继放大器、光接收机的前置放大器, 另一方面EDFA在DWDM系统中也有广泛应用。

2. 拉曼 (RAMAN) 放大技术

拉曼是一种非线性物理现象, 通过向光纤输入高功率泵浦将信号放大 (也称为分布式RAMAN) 。通过这种方式, 传输光纤自身获得增益, 泵浦能量产生一个拉曼增益, 拉曼增益波长比泵浦波长高出100nm, 因此泵浦波长使用1450nm, 正好适合放大1550nm波长信号, 从而增加了光功率预算, 提高了信号有效传输距离。

ITU-T推荐如下G.655分类的拉曼放大器:

◆前向泵浦分布式拉曼放大器

◆后向泵浦分布式拉曼放大器

◆双向泵浦分布式拉曼放大器

拉曼放大器可以配置成任何类型, 与EDFA放大器一起配合使用在跨距的末端, 作为功率放大器或前置放大器。

如图1所示, 相对于普通的放大器, 通过防止传输信号通过非线性区域和低OSNR区域, 双向RAMAN放大器配置可以获得更长的链路传输距离。

(三) 色散补偿

色散是一种信号在光纤传输中引起信号变宽的现象, 是由于光信号 (频率) 会以不同速度通过光纤引起的, 降低了信号质量, 脉冲峰值和边缘会被消除, 从而使接收端很难在0/1之间分辨。

色散补偿的一种方法是增加色散补偿模块 (DCM) , 然而这种方法增加了衰耗、降低了信号的OSNR。

另外一种方法是采用高色散容限的发送器, 如外调制激光器。通过使用外调制, 我们能使信号变窄, 提高色散容限, 最大到1000km, 为光传输系统提供一个经济有效的解决方案 (节省DCM) 。在采用高发射功率的单通道系统中, 仍然需要增加DCM以避免自相位调制 (SPM) 效应。

(四) 非线性效应

通常光波或光粒子通过光纤传输, 相互之间影响非常小, 传输过程中几乎没有变化 (除了部分光吸收和光散射) 。然而, 却存在光波和传输介质之间的交互作用, 这些交互作用对光信号产生影响, 这些影响过程被称为非线性效应, 非线性效应的强度依赖于光信号的强度, 而不是简单地和光信号的数量有关, 这就是说, 当光信号功率低时, 非线性效应弱, 随着光功率的增加逐渐增强。

非线性效应在单通道应用时相对较小, DWDM应用时增强, 然而在单通道应用时, 当发送功率过高时仍然存在几个非线性效应。

(五) 光网络长距离传输的解决方案

图4是由最大传输容量为10Gbit/S的MSTP光传输设备和波长变换器、光功率放大器和前置放大器、拉曼放大器搭建的超长距离光传输平台, 此模型在西北电网经过现场测试, 甘肃庆阳西峰变电站至陕西谓南桥陵变电站, 光缆长度约280公里的G.652光纤, 衰耗为56分贝左右。测试数据证明各器件完全能满足实际应用。

在本系统中, 通过波长变换器、功率放大器、前置放大器、拉曼放大器的配合, 完美地解决了长跨距光纤传输系统需解决的光纤衰耗受限的问题、色散受限的问题、噪声受限问题。

OEO波长变换器波长转换器OEO的中心波长为1550.12nm, 色散容限值高达7200ps/nm, 解决光纤色散对光信号传输的影响, 使受光纤色散限制的传输距离增至360km。

EDFA光功率放大器的输出功率可达18dBm。

EDFA光前置放大器的接收灵敏度为-36dBm, 提高进入SDH/MSTP节点光接收机的光信号功率, 改善系统接收灵敏度。

RFA拉曼光纤放大器的有效增益为8～14dB, 提高输入到EDFA光前置放大器的信号电平, 进一步改善系统接收灵敏度。

(六) 结束语

EDFA与拉曼放大器结合的放大技术、色散和非线性容限较高的码型等技术都可以延长光放段的传输距离。长距离光传输系统对减少电再生站、光放站的数量, 延伸光放站之间的距离, 解决大型城市之间对带宽的迫切需要, 降低系统的成本和维护费用都起了很大的作用。光传输距离的延伸让我们的沟通不再有距离。

参考文献

[1]张宝富, 等.全光网络[M].北京:人民邮电出版社, 2002:23-26.

[2]张学康, 张金菊.光纤通信技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001:105-108.

[3]龚倩, 徐荣, 等.高速超长距离光传输技术[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

[4]于林生, 董胜, 唐斯宁, 等.光纤拉曼放大器在跨距SDH线路中的应用[J].光通信技术, 2003, 27 (4) :44-46.