Использование светодиода для передачи данных


8

Мне любопытно, какие возможности предлагают светодиоды для передачи данных на короткие расстояния (2 или 3 метра), и какую максимальную скорость передачи данных можно ожидать от тщательно подобранных, но качественных компонентов. Меня интересует минимальное аппаратное + «умное» (микроконтроллерное) программное решение.

Итак, я вижу это как проблему дизайна из двух частей:

  1. Уровень «физической среды» (аппаратный): какой будет хороший выбор светодиода и приемника (фототранзистор?) Для высокочастотной сигнализации? Какую схему вождения я должен использовать?
  2. Уровень "кодирования сигнала" (программный): будет ли эффективен протокол по манчестерскому коду? Или другие протоколы кодирования более эффективны для этой среды?

Вещи, которые я исключаю: я знаю о не дорогих и надежных модулях IR5, но они не предназначены для быстрой передачи данных. Я также понимаю, что использование когерентного света (лазерный диод) может обеспечить лучшую пропускную способность. Также нет волоконной оптики: данные будут передаваться по воздуху.

Обновить:

Мотивация для этой установки будет в качестве альтернативы связи по линии электропередачи (PLC) или Wi-Fi; так что пропускная способность в диапазоне от 25 до 100 Мбит / с подойдет. Это также объясняет ограничение «без волокна», но приемлем минимальный минимальный отражатель.

Принимая во внимание расстояние «через комнату», которое я рассматриваю, я думаю, что мощные / сильно сфокусированные решения, такие как Ronja, могут быть излишними (у них на самом деле гораздо более высокое « минимальное расстояние »).

Что касается аппаратной части: вы уверены в высокой пропускной способности, которую я могу получить с помощью правильных светодиодов «без фосфора». Некоторые цвета лучше других в этом отношении? Что я должен искать в таблице данных, чтобы убедиться, что они имеют эту характеристику?

Учитывая кодировку: что будет лучше, чем Манчестер для этого использования? Что-то более эффективное по пропускной способности, такое как вариант RLL ? Я больше программист, чем специалист по электронике, поэтому мне легче с программным кодированием / декодированием; но помогут ли мне некоторые микросхемы с декодированием (что, насколько я понимаю, самая сложная часть)? Должен ли я рассмотреть некоторую предварительную фильтрацию сигнала перед декодированием, возможно, используя преимущества частотных характеристик протокола кодирования?


Вы пытаетесь использовать светодиод для передачи сообщений азбуки Морзе?
stanigator

Если вы думаете о визуальном (глазовом) декодировании сигнала, нет, это не то, на что я нацеливаюсь. Я рассматриваю гораздо более высокие скорости передачи сигналов (1 Мбит / с или более) и более эффективное кодирование, чем код Морзе.
опарисы

Насколько сфокусирована ширина луча, которую вы рассматриваете на tx и rx?
Kellenjb

Вы видели это ?
icarus74

Ответы:


8

Желаемый результат 1-й

Достаточно полно деталей, чтобы построить один из светодиодов со свободным воздухом со скоростью 160 Мбит / с на расстоянии 1 метра. Ссылка на PIN-код здесь

Оптическая линия связи в свободном пространстве с использованием светодиодов
ECE 4007 Секция старшего дизайн-проекта L01, FSO Group Адам Светт Клейтон Хафф Транг Тай Нгуен Трин
1 мая 2008 года

Получатель:

введите описание изображения здесь

Схема передачи НО см. Текст:

введите описание изображения здесь


Справочник по воздушно-оптической связи. Цитируется выше.
Раздражающий формат.
Вот


Я изначально сказал:

  • Используя не фосфорный светодиод, я ожидал, что возможны 10–100 Мбит / с, при этом принимаемый сигнал является основным ограничивающим фактором, за которым следует сложность в чистой модуляции светодиода на таких скоростях.

Оказывается, это правильно :-).

Реальные мировые отчеты показывают, что скорости 100 Мбит / с достижимы при использовании светодиодов с белым люминофором, используя относительно простые методы - главным образом, фильтрацию и эквалайзер, для усиления примерно в 25 раз по сравнению со стандартной скоростью около 4 Мбит / с для светодиодов с белым люминофором. Итак - в реальном мире свободный воздух передают:

  • Белый люминофорный светодиод в комплекте - около 4 Мбит / с

  • Белый фосфорный светодиод с не слишком сильным волшебством - 100 Мбит / с

  • Светодиоды с постоянным током NRZ - 200 Мбит / с

  • Светодиоды с отрицательным низким NRZ для сметания заряда - 300 Мбит / с

  • Светодиоды теоретического раздвигают пределы «законов физики» - 1 - 2 Гбит / с

Приемники

Достаточно завтра - зло его.

PIN-диодный приемник.
Прочитайте заметки по применению.
Играть в.


Превосходное обсуждение вопросов питания для ИК-связи в оборудовании с низким энергопотреблением / батареей. Превосходно выглядит при быстром снятии. Они говорят

  • Использование инфракрасного (ИК) света в качестве средства беспроводной связи между компьютерами, периферийными устройствами, цифровыми камерами и другими потребительскими товарами получило широкое признание в последние годы. Это связано прежде всего с низкой стоимостью внедрения ИК-решений в отличие от реализаций на основе радио. Однако растущее давление на производство маломощных и высокоскоростных потребительских товаров в этой области делает внедрение ИК-приемопередатчиков, представляющих собой интегрированный передатчик и приемник, более сложным. В этой статье будут рассмотрены некоторые ключевые технические вопросы, которые необходимо учитывать при проектировании ИК-трансиверов.

Теоретическая отправная точка:

Чрезвычайно подробные сведения об оптических полупроводниковых источниках - см. Стр. 35 из 67 для определения ширины полосы светодиодной модуляции. Более теоретический, чем вы хотели, НО "готовит почву" для другого материала.


Достижения в реальном мире:

От Марка Rages Ronja ссылка

Через воздушную оптическую страницу ком

Это говорит:

  • На этой странице рассматриваются атмосферные (воздушные) оптические ("световые лучи") связи на большие расстояния различных типов с использованием когерентных и некогерентных источников света, методы смягчения атмосферных воздействий на такие виды связи, а также различные технологии, используемые для передачи и получать такие сообщения. Большая часть контента на этих страницах производится хобби-самофинансируемыми людьми, которые взяли на себя задачу продвинуть состояние дел в этой несколько загадочной области.)

Больше на тех же самых людей

Ronja

Они говорят:

  • Ronja - это бесплатный технологический проект для надежных оптических каналов передачи данных с текущим диапазоном 1,4 км и скоростью передачи данных 10 Мбит / с в дуплексном режиме.

    Приложения этого беспроводного сетевого устройства включают в себя магистрали бесплатных, общедоступных и общественных сетей, индивидуальное и корпоративное подключение к Интернету, а также безопасность дома и здания. Высокая надежность и доступность соединения возможны в сочетании с WiFi-устройствами. Канал данных Twibright Ronja может объединять в сеть соседние дома с межсетевым доступом через Ethernet, решать проблему последней мили для интернет-провайдеров или предоставлять канальный уровень для ячеистых сетей с быстрым соседством.


Как модулировать белый люминофорный светодиод при 25-кратной неизменной полосе пропускания.

На это стоит обратить внимание: это «письмо» за август 2009 года показывает, как быстро вы можете нажать медленный белый светодиод !!! ,
Они используют белый светодиод с люминофорным откликом в диапазоне нескольких МГц, отфильтровывают медленную желтую составляющую и выравнивают, чтобы получить полосу модуляции 50 МГц, которая позволяет включать / выключать NRZ со скоростью 100 Мбит / с.

Они отмечают, что достигнутые 50 Мбит / с в 25 раз превышают неквалифицированную нефильтрованную полосу пропускания.

Интересно, почему бы не использовать синий светодиод без люминофора?


Некоторые практические ограничения и простые способы их расширения:

В этом реферате отмечается, что светодиоды InGaAsP хороши для 300 Мбит / с при полной мощности, если вы хорошо с ними разговариваете (обратное смещение пульсирует, чтобы ускорить зарядку) и 200 Мбит / с, если вы едете с не обратным смещением.
Они говорят:

  • Применение импульсов обратного смещения на переходах «включено-выключено» увеличило максимальную скорость передачи битов в режиме полной мощности длинноволновых светодиодов InGaAsP с 200 до 300 Мбит / с за счет уменьшения времени падения накопленного заряда.

    Хотя схема предназначена в основном для экспериментов DS-4 без возврата к нулю (NRZ), схема работает на скорости от 50 до 300 Мбит / с для формата возврата к нулю (RZ) или NRZ с фиксированными или псевдослучайными образцами слов.


Другой способ достижения максимальной скорости модуляции

Вот полезный, но компактный ответ на вопрос «Как быстро работает светодиод», и стоит отметить, что они говорят «около 2 ГГц с шириной полосы модуляции или около 1 Гбит / с» по сравнению с 300 Мбит / с выше. Обратите внимание, что для инженерных целей 300 ~~~ = 1000 :-)


Некоторые подозрительно относятся к реальным утверждениям:

Сырые ставки правдоподобны.
Скорости, вызванные дождем, кажутся "довольно хорошими".

Вот заявка на пропускную способность 400 Мбит / с на несколько километров с использованием светодиодов:

MegaMantis - на основе светодиодов,
400 Мбит / с на открытом воздухе,
несколько километров,
умеренно устойчивый к дождю,
Walker.

Я бы взял что-нибудь техническое, что сказали эти люди (я думаю, что компания уже несуществующая), но Power Beat требовал 400 Мбит / с передачи с открытым пространством через несколько километров, используя светодиоды (не ЛАЗЕРЫ).

Gargoyle для MegaMantis (оптическая связь) и Powerbeat (компания) и Питера Витихера (генеральный директор и главный специалист по идеям), чтобы увидеть, что вы можете сделать из претензий.

Обсуждение 2007 года с неработающими ссылками

Наверное, лучший технический комментарий, который вы получите

  • «Сегодня с помощью одного светодиода можно получить скорость до 400 Мбит / с», - говорит Витехира.

    А Витехира говорит, что система его компании не подвержена влиянию дождя и может быть отрегулирована для тумана.

    «Вы можете преодолеть это, имея комбинацию двух разных длин волн в крайних значениях, которые вы можете получить с помощью света - дальнего инфракрасного и ближнего ультрафиолетового, который темно-синего цвета. Если у вас оба бегут одновременно, у вас нет проблем с туманом. У вас все еще могут быть проблемы с белым светом », - сказал он.

    Витехира сказал, что обходить повороты - это просто отражать свет от стекла или создавать сеть из огней. И возможности прямой видимости растут: восемнадцать месяцев назад технология компании могла передавать данные всего на 3 метра; теперь он может охватывать 4 километра. Максимальная прямая видимость на данный момент составляет, вероятно, 11 километров, считает компания.

Но, осторожно, Уилл Робинсон ...



В ОП особо упоминается «без волокон», передача «по воздуху».
Фотон

Обязательно взгляните на Ronja: оптическая связь с открытым исходным кодом и полные планы строительства. ronja.twibright.com
markrages

3

Несмотря на оговорку «нет волокна», это может быть полезно независимо от:


За несколько метров вы МОЖЕТЕ уйти с пластиковой лески с разумной скоростью передачи данных и с достаточной мощностью. Я видел это используется для 100-х мм.

Можно, кроме волоконно-оптического необработанного волокна голым - это хрупкий и не разумный выбор.

Вы можете купить оптические соединительные кабели для "промышленных" систем. Tese может быть привлекательным после прочтения спецификации производительности для аудио-волоконно-оптического кабеля STD.

Обратите внимание, что существуют многомодовые и одномодовые волокна. За несколько метров первые действительно находят.


Вы можете использовать оптические соединительные кабели для бытовых аудио-видео систем. Вы можете даже получить их как стандартные аксессуары XBox и PS3.

Разъемы обычно называются «TOSLINK» - фактически разъем JIS F05.

Здесь много информации {Wikipedia}, включая довольно низкую пропускную способность и достигнутый диапазон.
Они говорят:

  • Кабели TOSLINK могут временно выйти из строя или быть повреждены при сильном изгибе. Их высокое ослабление светового сигнала ограничивает их эффективную дальность до 6 метров (20 футов).

    Ширина полосы пропускания может составлять 10 МГц для высокочистого кварцевого волокна, но от 5 до 6 МГц для более дешевого пластикового кабеля. [5]

    Волоконно-оптический аудиокабель TOSLINK, освещаемый с одного конца. Для TOSLINK можно использовать несколько типов оптоволокна: недорогие пластмассовые оптоволоконные кабели диаметром 1 мм, высококачественные многопроволочные пластмассовые оптоволоконные кабели или оптоволоконные кабели из кварцевого стекла в зависимости от требуемой полосы пропускания и области применения.

    Длина кабелей TOSLINK обычно ограничена 5 метрами, а максимальная техническая длина составляет 1 метра 10 метров для надежной передачи без использования усилителя сигнала или повторителя. Тем не менее, очень часто интерфейсы на новой бытовой электронике (спутниковые ресиверы и ПК с оптическими выходами) легко преодолевают расстояние более 30 метров даже по недорогим ($ 0,75 / м) кабелям TOSLINK. Передатчики TOSLINK работают на номинальной оптической длине волны 650 нм (~ 461,2 ТГц).

Многие из этих изображений ссылаются на соответствующие страницы

PS3 оптический кабель для передачи данных.

введите описание изображения здесь

Линейка оптических кабелей PS3 с разъемами TOSLINK



2

Было бы полезно узнать, насколько высока частота, которая вас интересует. Я знаю системы на основе светодиодов со скоростью 25 Мбит / с и не удивлюсь, если 100 Мбит / с или около того возможны. 10 Мбит / с Ethernet по оптоволокну с использованием светодиодных передатчиков был довольно распространенной конфигурацией. Чтобы получить самые высокие частоты модуляции от светодиода, потребуются специально выбранные светодиоды и специализированные схемы управления. Чтобы получить максимальную скорость передачи данных, вам нужно специально искать устройства с низкой емкостью.

Кроме того, системы, с которыми я знаком, - это оптоволоконные системы, а не свободное пространство. Свободное пространство создает дополнительные проблемы, такие как многолучевое рассеяние (например, помехи от того же сигнала, отраженного от стен или что-либо другое), которые могут ограничивать общую производительность системы или требовать более высокой мощности передатчика. Вам также необходимо учитывать (или добавить оптику для контроля) угол излучения на выходе вашего светодиода.

Манчестерское кодирование выгодно тем, что оно позволяет довольно простым схемам в приемнике восстанавливать тактовую частоту передатчиков из сигнала данных. В системе свободного пространства он также может обеспечивать преимущества сигнала «несущей», позволяя приемнику различать, присутствует ли какой-либо сигнал на самом деле или нет. Но для этого требуется, чтобы передатчик переключался в два раза быстрее, чем скорость передачи данных, поэтому, вероятно, не самый лучший, если вы пытаетесь выжать максимальную скорость передачи данных из данного светодиода.

Между прочим, кодирование на уровне Манчестера обычно не считается программной функцией - скорее всего, оно будет выполняться выделенной цифровой схемой.

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.