Utilizzo di un LED per trasmettere dati

Sono curioso delle possibilità offerte dai LED per trasmettere dati a breve distanza (2 o 3 metri) e quale velocità massima di trasmissione dei dati ci si può aspettare da componenti scelti con cura, ma di livello consumer. Sono interessato a una soluzione hardware minimale + software "intelligente" (micro-controller).

Quindi vedo questo come un problema di progettazione in due parti:

1. Il livello "medium fisico" (hardware): quale sarebbe una buona scelta di LED e ricevitore (fototransistor?) Per la segnalazione ad alta frequenza? Che tipo di circuito di guida dovrei usare?
2. Il livello di "codifica del segnale" (software): un protocollo lungo la linea del codice di Manchester sarebbe efficiente? O altri protocolli di codifica sono più efficienti per questo supporto?

Cose che sto escludendo: conosco moduli IR5 economici e robusti, ma non sono progettati per una rapida trasmissione dei dati. Comprendo anche che l'uso della luce coerente (un diodo laser) può fornire una migliore larghezza di banda. Inoltre, nessuna fibra ottica: i dati sarebbero trasmessi attraverso l'aria.

Aggiornare:

La motivazione per questa configurazione sarebbe in alternativa alla comunicazione su linea elettrica (PLC) o Wifi; quindi una larghezza di banda nell'intervallo da 25 a 100 Mb / s farebbe il trucco. Ciò spiega anche il vincolo "nessuna fibra", ma un certo riflettore minimo sarebbe accettabile.

Considerando la distanza "dall'altra parte della stanza" che sto prendendo in considerazione, penso che soluzioni potenti / fortemente focalizzate come Ronja possano essere eccessive (in realtà hanno una " distanza minima " molto più alta ).

Considerando la parte hardware: sei positivo nell'elevata larghezza di banda che posso ottenere con LED "non fosforo" adeguati. Alcuni colori sono migliori di altri in questo senso? Cosa devo cercare nel foglio dati per assicurarmi che abbiano questa caratteristica?

Considerando la codifica: cosa sarebbe meglio di Manchester per questo utilizzo? Qualcosa di più efficiente in termini di larghezza di banda come una variante RLL ? Sono più un programmatore che una persona elettronica, quindi sono più a mio agio con la codifica / decodifica del software; ma alcuni IC mi aiuterebbero con la decodifica (che, a quanto ho capito, è la parte difficile)? Dovrei prendere in considerazione qualche pre-filtro del segnale prima della decodifica, magari sfruttando le caratteristiche di frequenza del protocollo di codifica?

Risultato desiderato 1st

Dettagli abbastanza completi per costruire uno dei 160 Mbps a 1 metro di collegamento LED aria-diodo PIN libero qui

Spazio libero Comunicazione ottica Collegamento mediante LED
ECE 4007 Progetto di progettazione senior Sezione L01, Gruppo FSO Adam Swett Clayton Huff Trang Thai Nguyen Trinh
1 maggio 2008

Ricevitore:

Circuito di trasmissione MA vedi testo:

Attraverso il manuale delle comunicazioni ottiche aeree. Citata sopra.
Formato fastidioso.
Qui

Inizialmente ho detto:

• Usando un LED senza fosforo, mi aspetto che siano possibili da 10 a 100 'di Mbps, con la ricezione come principale fattore limitante, seguita dalla difficoltà di modulare in modo pulito il LED a tali velocità.

Si scopre che questo è giusto :-).

I rapporti del mondo reale indicano che è possibile ottenere velocità di 100 Mbps con i LED al fosforo bianco utilizzando metodi relativamente semplici, principalmente filtraggio ed equalizzazione, per un guadagno di circa 25x rispetto alla velocità "out of the box" di circa 4 Mbps per un LED al fosforo bianco. Quindi - la trasmissione di aria libera del mondo reale:

• LED fosforo bianco fornito - circa 4 Mbps

• LED fosforo bianco con magia non troppo dura - 100 Mbps

• LED pilotati con NRZ DC - 200 Mbps

• LED con NRZ basso negativo per spazzare via la carica - 300 Mbps

• Limiti di spinta teorici dei LED delle "leggi della fisica" - 1 - 2 Gbps

ricevitori

Basta al domani è il suo male.

Ricevitore diodo PIN.
Leggi le note sull'applicazione.
Giocare.

Superba discussione sui problemi di alimentazione delle comunicazioni IR nelle apparecchiature a bassa potenza / batteria. Appare superbo in breve tempo. Dicono

• L'uso della luce a infrarossi (IR) come mezzo di comunicazione wireless tra computer, periferiche per computer, fotocamere digitali e altri prodotti di consumo ha ottenuto ampia accettazione negli ultimi anni. Ciò è dovuto principalmente al basso costo dell'implementazione di soluzioni IR rispetto alle implementazioni radio. La crescente pressione per produrre prodotti di consumo a bassa potenza e ad alta velocità in quest'arena, tuttavia, rende più impegnativa l'implementazione dei ricetrasmettitori IR, che sono un trasmettitore e un ricevitore integrati. Questo articolo affronterà alcuni dei principali problemi tecnici che devono essere considerati durante la progettazione dei ricetrasmettitori IR.

Un punto di partenza teorico:

Note estremamente complete sui sughi semiconduttori ottici - vedere la pagina 35 di 67 per la larghezza di banda della modulazione LED. Più teorico di quanto volevi MA "pone le basi" per altro materiale.

Risultati nel mondo reale:

Dal riferimento di Mark Rages Ronja

Attraverso la pagina delle comunicazioni ottiche aeree

Dice:

• Questa pagina tratta delle comunicazioni ottiche ("luce") atmosferiche a lunga distanza ("raggio di luce") di vario tipo usando fonti di luce coerenti e non coerenti, metodi per mitigare gli effetti atmosferici su tali comunicazioni, nonché varie tecnologie coinvolte nella trasmissione e ricevere tali comunicazioni. La maggior parte dei contenuti di queste pagine è prodotta da hobbisti autofinanziati che hanno affrontato la sfida di promuovere lo stato dell'arte in questo campo un po 'arcano.)

Altro sulle stesse stesse persone

Ronja

Dicono:

• Ronja è un progetto di tecnologia gratuita per collegamenti dati ottici affidabili con una portata attuale di 1,4 km e una velocità di comunicazione di 10 Mbps full duplex.

  Le applicazioni di questo dispositivo di rete wireless includono la spina dorsale di reti pubbliche, pubbliche e comunitarie, la connettività Internet individuale e aziendale e anche la sicurezza domestica e degli edifici. Il collegamento ad alta affidabilità e disponibilità è possibile in combinazione con dispositivi WiFi. Il datalink di Twibright Ronja può collegare in rete case vicine con accesso ethernet su strada, risolvere l'ultimo problema di miglio per gli ISP o fornire uno strato di collegamento per reti mesh di vicinato veloci.

Come modulare un LED al fosforo bianco a circa 25 volte la sua larghezza di banda non modificata.

Vale la pena dare un'occhiata: questa "lettera" di agosto 2009 mostra quanto velocemente puoi spingere un LED bianco lento !!! .
Usano un LED bianco con risposta al fosforo nella gamma pochi MHz, filtrano il componente giallo lento ed equalizzano, per ottenere una larghezza di banda di modulazione di 50 MHz, che consente di attivare / disattivare NRZ a 100 Mb / s.

Notano che i 50 Mb / s raggiunti sono 25 volte la larghezza di banda non filtrata non bilanciata.

Mi chiedo, perché non usare un LED blu senza fosforo?

Alcuni limiti pratici e un modo semplice per estenderli:

Questo abstract rileva che i LED InGaAsP sono buoni per 300 Mbps a piena potenza se parli bene con loro (polarizzazione inversa off pulsare per spazzare via più velocemente) e 200 Mbps se guidi con polarizzazione non inversa.
Dicono:

• L'applicazione di impulsi di polarizzazione inversa alle transizioni on-off ha aumentato la velocità in bit massima del funzionamento a piena potenza dei LED InGaAsP a lunghezza d'onda lunga da 200 a 300 Mbits / s riducendo il tempo di caduta della carica memorizzata.

  Sebbene progettato principalmente per esperimenti DS-4 senza ritorno a zero (NRZ), il circuito funziona da 50 a 300 Mbits / s per il ritorno a zero (RZ) o in formato NRZ con schemi di parole fissi o pseudo-casuali.

Un altro modo di arrivare al massimo tasso di modulazione

Ecco una risposta utile ma compatta a "Quanto è veloce un LED" e vale la pena notare che dicono "circa 2 GHz di larghezza di banda di modulazione o circa 1 Gb / s" rispetto ai 300 Mb / s sopra. Si noti che per scopi di ingegneria 300 ~~~ = 1000 :-)

Alcuni sospettano vagamente affermazioni nel mondo reale:

Tassi grezzi credibili.
Le percentuali di pioggia sembrano "piuttosto buone".

Ecco un'affermazione "attraverso l'aria di 400 Mbps su diversi chilometri usando i LED:

MegaMantis - Basato su LED,
400 Mbps in aria libera,
diversi km di distanza,
moderatamente immune alla pioggia,
Walker.

Prenderei qualsiasi cosa tecnica che queste persone hanno detto (penso che la società ora sia defunta), ma Power Beat ha affermato che la trasmissione a spave aperta a 400 Mbps su diversi chilometri utilizzando LED (non LASERS).

Gargoyle per MegaMantis (il collegamento ottico) e Powerbeat (la società) e Peter Witihera (CEO e uomo delle idee principali) per vedere cosa puoi fare delle affermazioni.

Discussione del 2007 con collegamenti interrotti

Probabilmente il miglior commento tecnico che riceverai

• "Con un LED oggi è possibile ottenere fino a 400 Mbps a velocità modulata", afferma Witehira.

  E Witehira afferma che il sistema della sua azienda non è influenzato dalla pioggia e può essere adattato alla nebbia.

  “Puoi superarlo avendo una combinazione di due diverse lunghezze d'onda agli estremi che puoi ottenere con la luce: lontano infrarosso e vicino ultravioletto, che è un blu profondo. Se hai entrambi in esecuzione contemporaneamente, non hai problemi con la nebbia. Potresti avere ancora un problema con il whiteout ", ha detto.

  Girare gli angoli, ha detto Witehira, è solo questione di far rimbalzare la luce dal vetro o creare una rete di luci. E le possibilità della linea di vista stanno crescendo: diciotto mesi fa la tecnologia dell'azienda poteva inviare dati a soli 3 metri; ora può estendersi per 4 chilometri. La massima visuale al momento è probabilmente di 11 chilometri, secondo l'azienda.

Ma attenzione Will Robinson ...

Nonostante la condizione "nessuna fibra", ciò può essere utile indipendentemente:

Nel giro di pochi metri PUOI cavartela con la lenza di plastica a velocità dati sensibili e con potenza sufficiente. L'ho visto usato per 100 di mm.

Puoi solo scoprire la fibra grezza a fibra ottica: è fragile e non è una scelta sensata.

Puoi acquistare cavi patch ottici per i tuoi sistemi "industriali". Questi possono essere interessanti dopo aver letto le specifiche di prestazione per il cavo in fibra ottica audio standard.

Nota: ci sono fibre multimodali e monomodali. Nel giro di pochi metri i primi si trovano davvero.

Puoi solo cavi di collegamento ottico per sistemi AV domestici: altamente disponibili. Puoi persino acquistarli come accessori XBox e PS3 standard.

I connettori sono generalmente noti come "TOSLINK", in realtà un connettore JIS F05.

Molte informazioni qui {Wikipedia} tra cui la larghezza di banda piuttosto scarsa e la portata raggiunta.
Dicono:

• I cavi TOSLINK possono temporaneamente guastarsi o essere permanentemente danneggiati se piegati saldamente. La loro elevata attenuazione del segnale luminoso limita la portata effettiva a circa 6 metri (20 piedi).

  La larghezza di banda può essere di 10 MHz con fibra di quarzo ad elevata purezza, ma da 5 a 6 MHz per un cavo di plastica più economico. [5]

  Un cavo audio in fibra ottica TOSLINK illuminato su un'estremità Per TOSLINK possono essere utilizzati diversi tipi di fibra: fibra ottica in plastica da 1 mm economica, fibre ottiche in plastica multistrand di alta qualità o fibre ottiche in vetro al quarzo, a seconda della larghezza di banda e dell'applicazione desiderate.

  I cavi TOSLINK sono generalmente limitati a 5 metri di lunghezza, con un massimo tecnico di 1 di 10 metri, per una trasmissione affidabile senza l'uso di un ripetitore del segnale o di un ripetitore. Tuttavia, è molto comune che le interfacce sui più recenti prodotti elettronici di consumo (ricevitori satellitari e PC con uscite ottiche) passino facilmente oltre 30 metri su cavi TOSLINK anche a basso costo ($ 0,75 / m). I trasmettitori TOSLINK funzionano ad una lunghezza d'onda ottica nominale di 650 nm (~ 461,2 THz).

Molte di queste immagini si collegano a pagine pertinenti

Cavo dati ottico PS3.

Gamma di cavi ottici PS3 con connettori TOSLINK

Sarebbe utile sapere quanto sia alta la frequenza a cui sei interessato. Conosco sistemi basati su LED a 25 Mb / se non sarei sorpreso se fosse possibile 100 Mb / se circa. 10 Mb / s Ethernet su fibra ottica con trasmettitori a LED era una volta una configurazione abbastanza comune. Ottenere le più alte frequenze di modulazione da un LED richiederebbe LED appositamente scelti e circuiti di pilotaggio specializzati. Per ottenere la massima velocità di trasmissione dati devi cercare specificamente dispositivi a bassa capacità.

Inoltre, i sistemi con cui ho familiarità sono sistemi in fibra ottica, non spazio libero. Lo spazio libero introduce ulteriori problemi come la dispersione multi-percorso (ad es. Interferenza dello stesso segnale rimbalzato dalle pareti o altro) che potrebbe limitare le prestazioni complessive del sistema o richiedere una maggiore potenza del trasmettitore. Dovrai anche considerare (o aggiungere l'ottica per controllare) l'angolo di radiazione dell'uscita dal tuo LED.

La codifica Manchester è utile in quanto consente ai circuiti abbastanza semplici nel ricevitore di recuperare l'orologio del trasmettitore dal segnale dati. In un sistema di spazio libero può anche fornire i vantaggi di un segnale "portante" nel consentire al ricevitore di distinguere se un segnale è effettivamente presente o meno. Ma richiede che il trasmettitore passi due volte più velocemente della velocità dei dati, quindi probabilmente non è il migliore se stai cercando di spremere la massima velocità dei dati da un determinato LED.

Per inciso, la codifica a livello di Manchester non è normalmente considerata una funzione software: è più probabile che venga eseguita da un circuito digitale dedicato.