Verwenden einer LED zum Übertragen von Daten

Ich bin gespannt auf die Möglichkeiten, die LEDs bieten, um Daten über eine kurze Reichweite (2 oder 3 Meter) zu übertragen, und auf die maximale Datenübertragungsrate, die von sorgfältig ausgewählten Komponenten für Verbraucher erwartet werden kann. Ich interessiere mich für eine minimale Hardware + "intelligente" (Mikrocontroller) Softwarelösung.

Ich sehe dies als zweiteiliges Designproblem:

1. Die "physikalische Medium" -Schicht (Hardware): Was wäre eine gute Wahl für LED und Empfänger (Fototransistor?) Für die Hochfrequenzsignalisierung? Welche Art von Ansteuerschaltung sollte ich verwenden?
2. Die "Signalcodierungs" -Schicht (Software): Wäre ein Protokoll entlang der Linie des Manchester-Codes effizient? Oder sind andere Codierungsprotokolle für dieses Medium effizienter?

Dinge, die ich ausschließe: Ich kenne mich mit kostengünstigen und robusten IR5-Modulen aus, aber sie sind nicht für eine schnelle Datenübertragung ausgelegt. Ich verstehe auch, dass die Verwendung von kohärentem Licht (einer Laserdiode) eine bessere Bandbreite bieten kann. Auch keine Glasfaser: Daten würden über Luft übertragen.

Aktualisieren:

Die Motivation für dieses Setup wäre eine Alternative zu Power Line Communication (PLC) oder Wifi. Eine Bandbreite im Bereich von 25 bis 100 MBit / s würde also den Trick machen. Dies erklärt auch die Einschränkung "keine Faser", aber ein minimaler Reflektor wäre akzeptabel.

In Anbetracht der Entfernung, die ich in Betracht ziehe, denke ich, dass leistungsstarke / eng fokussierte Lösungen wie Ronja übertrieben sein können (sie haben tatsächlich eine viel höhere " minimale Entfernung ").

In Anbetracht des Hardware-Teils: Sie sind überzeugt von der hohen Bandbreite, die ich mit geeigneten "Nicht-Phosphor" -LEDs erreichen kann. Sind einige Farben in dieser Hinsicht besser als andere? Worauf sollte ich im Datenblatt achten, um sicherzustellen, dass sie diese Eigenschaft haben?

In Anbetracht der Kodierung: Was wäre für diese Verwendung besser als Manchester? Etwas bandbreiteneffizienteres wie eine RLL-Variante ? Ich bin eher ein Programmierer als eine Elektronikperson, daher bin ich mit der Codierung / Decodierung von Software besser vertraut. Aber würden mir einige ICs bei der Dekodierung helfen (was nach meinem Verständnis der schwierige Teil ist)? Sollte ich vor dem Decodieren eine Vorfilterung des Signals in Betracht ziehen, indem ich möglicherweise die Frequenzeigenschaften des Codierungsprotokolls ausnütze?

Gewünschtes Ergebnis 1 ..

Voll genug Details zu bauen eine von 160 Mbps bei 1 Meter freie Luft LED PIN - Diode Link hier

Freiraum Optische Kommunikationsverbindung mit LEDs ECE 4007 Senior Design Project Abschnitt L01, FSO-Gruppe Adam Swett Clayton Huff Trang Thai Nguyen Trinh
1. Mai 2008

Empfänger:

Sendeschaltung ABER siehe Text:

Handbuch für optische Luftkommunikation. Oben zitiert.
Ärgerliches Format.
Hier

Ich sagte ursprünglich:

• Bei Verwendung einer LED ohne Leuchtstoff würde ich erwarten, dass 10 bis 100 Mbit / s möglich sind, wobei der Empfang der Hauptbegrenzungsfaktor ist, gefolgt von der Schwierigkeit, die LED bei solchen Geschwindigkeiten sauber zu modulieren.

Es stellt sich heraus, dass dies ungefähr richtig ist :-).

Berichten aus der Praxis zufolge können mit LEDs mit weißem Leuchtstoff mit relativ einfachen Methoden - hauptsächlich Filterung und Entzerrung - Raten von 100 Mbit / s erzielt werden. Dies entspricht einem 25-fachen Gewinn gegenüber der "out of the box" -Rate von etwa 4 Mbit / s für eine weiße Leuchtstoff-LED. Also - reale Welt freie Luftübertragung:

• Weiße Phosphor-LED wie geliefert - ca. 4 Mbit / s

• Weiße Phosphor-LED mit nicht zu harter Magie - 100 Mbit / s

• Mit NRZ DC betriebene LEDs - 200 Mbit / s

• LEDs mit negativ niedrigem NRZ zum Herausfegen der Ladung - 300 Mbit / s

• LEDs theoretische Grenzüberschreitungen von "Gesetzen der Physik" - 1 - 2 Gbit / s

Empfänger

Für das Morgen ist das Böse davon ausreichend.

PIN-Diodenempfänger.
Lesen Sie die Anwendungshinweise.
Abspielen.

Hervorragende Diskussion über Stromversorgungsprobleme für IR-Kommunikation in Geräten mit geringem Stromverbrauch / Batterie. Erscheint bei einem schnellen Überfliegen hervorragend. Man sagt

• Die Verwendung von Infrarotlicht (IR) als Mittel zur drahtlosen Kommunikation zwischen Computern, Computerperipheriegeräten, Digitalkameras und anderen Verbraucherprodukten hat in den letzten Jahren breite Akzeptanz gefunden. Dies ist hauptsächlich auf die geringen Kosten für die Implementierung von IR-Lösungen im Gegensatz zu funkbasierten Implementierungen zurückzuführen. Der zunehmende Druck, in diesem Bereich Verbraucherprodukte mit geringem Stromverbrauch und hoher Geschwindigkeit herzustellen, macht die Implementierung von IR-Transceivern, bei denen es sich um integrierte Sender und Empfänger handelt, jedoch schwieriger. In diesem Artikel werden einige der wichtigsten technischen Probleme behandelt, die beim Entwurf von IR-Transceivern berücksichtigt werden müssen.

Ein theoretischer Ausgangspunkt:

Extrem umfassende Hinweise zu optischen Halbleiterquellen - siehe Seite 35 von 67 für die LED-Modulationsbandbreite. Theoretischer als Sie es wollten, ABER "bereitet die Bühne" für anderes Material.

Erfolge in der realen Welt:

Aus Mark Rages Ronja Referenz

Durch luftoptische Kommunikationsseite

Es sagt:

• Diese Seite befasst sich mit atmosphärischen (durch die Luft) optischen Fernkommunikationen ("Lichtstrahl") verschiedener Arten unter Verwendung kohärenter und nicht kohärenter Lichtquellen, Methoden zur Abschwächung atmosphärischer Auswirkungen auf solche Kommunikationen sowie mit verschiedenen Technologien, die an der Übertragung und Kommunikation beteiligt sind Empfangen solcher Mitteilungen. Der Großteil des Inhalts dieser Seiten wird von selbst finanzierten Hobbyisten produziert, die sich der Herausforderung gestellt haben, den Stand der Technik in diesem etwas arkanen Bereich voranzutreiben.)

Mehr über dieselben Leute

Ronja

Man sagt:

• Ronja ist ein kostenloses Technologieprojekt für zuverlässige optische Datenverbindungen mit einer aktuellen Reichweite von 1,4 km und einer Kommunikationsgeschwindigkeit von 10 Mbit / s Vollduplex.

  Zu den Anwendungen dieses drahtlosen Netzwerkgeräts gehören das Rückgrat freier, öffentlicher und gemeinschaftlicher Netzwerke, die Internetverbindung für Einzelpersonen und Unternehmen sowie die Sicherheit zu Hause und in Gebäuden. In Kombination mit WiFi-Geräten ist eine Verbindung mit hoher Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit möglich. Der Twibright Ronja-Datenlink kann benachbarte Häuser mit Ethernet-Zugang über die Straße vernetzen, das Problem der letzten Meile für ISPs lösen oder eine Verbindungsschicht für schnelle Nachbarschaftsnetzwerke bereitstellen.

Wie man eine weiße Leuchtstoff-LED bei etwa 25-facher unveränderter Bandbreite moduliert.

Einen Blick wert: Dieser "Brief" vom August 2009 zeigt, wie schnell Sie eine langsame weiße LED drücken können !!! .
Sie verwenden eine weiße LED mit einer Leuchtstoffantwort im Bereich von wenigen MHz, filtern die langsame gelbe Komponente heraus und gleichen sie aus, um eine Modulationsbandbreite von 50 MHz zu erhalten, die das Ein- und Ausschalten von NRZ bei 100 Mbit / s ermöglicht.

Sie stellen fest, dass die erreichten 50 Mbit / s das 25-fache der ungleichmäßigen ungefilterten Bandbreite sind.

Ich würde mich fragen, warum nicht eine blaue LED ohne Leuchtstoff verwenden?

Einige praktische Grenzen und ein einfaches Mittel, um sie zu erweitern:

In dieser Zusammenfassung wird darauf hingewiesen, dass InGaAsP-LEDs für 300 Mbit / s bei voller Leistung geeignet sind, wenn Sie gut mit ihnen sprechen (Rückwärtsvorspannung aus dem Impuls, um die Ladung schneller zu entfernen), und 200 Mbit / s, wenn Sie mit nicht Rückwärtsvorspannung fahren.
Man sagt:

• Das Anlegen von Sperrvorspannungsimpulsen an Ein-Aus-Übergängen erhöhte die maximale Bitrate des Vollleistungsbetriebs langwelliger InGaAsP-LEDs von 200 auf 300 Mbit / s durch Verringerung der gespeicherten Ladungsabfallzeit.

  Obwohl die Schaltung hauptsächlich für DS-4-Experimente ohne Rückkehr zu Null (NRZ) entwickelt wurde, arbeitet sie mit 50 bis 300 Mbit / s für die Rückkehr zu Null (RZ) oder das NRZ-Format mit festen oder pseudozufälligen Wortmustern.

Ein anderer Weg, um zu einer maximalen Modulationsrate zu gelangen

Hier ist eine nützliche, aber kompakte Antwort auf "Wie schnell ist eine LED?" Und es ist erwähnenswert, dass sie "ungefähr 2 GHz Modulationsbandbreite oder ungefähr 1 Gbit / s" im Vergleich zu den oben genannten 300 Mbit / s sagen. Beachten Sie, dass für technische Zwecke 300 ~~~ = 1000 :-)

Einige vermuten leicht, dass die reale Welt behauptet:

Rohpreise glaubwürdig.
Regen betroffene Raten scheinen "ziemlich gut".

Hier ist ein "Through Air Claim von 400 Mbit / s über mehrere Kilometer mit LEDs:

MegaMantis - LED-basiert,
400 Mbit / s in freier Luft,
mehrere km Reichweite,
mäßig regenunempfindlich,
Walker.

Ich würde alles Technische nehmen, was diese Leute sagten (das Unternehmen ist jetzt nicht mehr im Geschäft, glaube ich), aber Power Beat behauptete, über mehrere Kilometer eine Open-Spave-Übertragung mit 400 Mbit / s unter Verwendung von LEDs (nicht LASER) durchzuführen.

Gargoyle für MegaMantis (die optische Verbindung) und Powerbeat (das Unternehmen) und Peter Witihera (der CEO und Hauptideenmann), um zu sehen, was Sie aus den Ansprüchen machen können.

2007 Diskussion mit defekten Links

Wahrscheinlich der beste technische Kommentar, den Sie bekommen werden

• „Mit einer LED ist es heute möglich, eine modulierte Geschwindigkeit von bis zu 400 Mbit / s zu erreichen“, sagt Witehira.

  Und Witehira sagt, dass das System seines Unternehmens nicht von Regen betroffen ist und für Nebel angepasst werden kann.

  „Sie können dies überwinden, indem Sie eine Kombination aus zwei verschiedenen Wellenlängen an den Extremen mit Licht erzielen - fernes Infrarot und nahes Ultraviolett, das tiefblau ist. Wenn beide gleichzeitig ausgeführt werden, haben Sie kein Problem mit Nebel. Möglicherweise haben Sie immer noch ein Problem mit dem Whiteout “, sagte er.

  Um Ecken herumzukommen, sagte Witehira, geht es nur darum, Licht von Glas zu reflektieren oder ein Netzwerk von Lichtern aufzubauen. Und die Sichtlinienmöglichkeiten wachsen: Vor achtzehn Monaten konnte die Technologie des Unternehmens Daten nur 3 Meter senden; Jetzt kann es 4 Kilometer überspannen. Die maximale Sichtlinie beträgt derzeit wahrscheinlich 11 Kilometer, schätzt das Unternehmen.

Aber Vorsicht Will Robinson ...

Trotz des Vorbehalts "keine Faser" kann dies unabhängig davon nützlich sein:

Über ein paar Meter können Sie mit Plastik-Angelschnur mit vernünftigen Datenraten und mit genügend Leistung davonkommen. Ich habe gesehen, dass es für 100 mm verwendet wurde.

Sie können aber Glasfaser-Rohfaser blank - es ist zerbrechlich und keine vernünftige Wahl.

Sie können optische Patchkabel für "industrielle" Systeme kaufen. Dies kann attraktiv sein, nachdem Sie die Leistungsspezifikation für das Standard-Audio-Glasfaserkabel gelesen haben.

Beachten Sie, dass es Multimode- und Single-Mode-Fasern gibt. Über ein paar Meter sind die ersteren in der Tat sehr zu finden.

Sie können aber optische Verbindungskabel für inländische AV-Systeme - hoch verfügbar. Sie können sie sogar als Standardzubehör für XBox und PS3 erhalten.

Steckverbinder werden allgemein als "TOSLINK" bezeichnet - eigentlich ein JIS F05-Steckverbinder.

Viele Informationen hier {Wikipedia}, einschließlich der eher schlechten Bandbreite und Reichweite.
Man sagt:

• TOSLINK-Kabel können vorübergehend ausfallen oder dauerhaft beschädigt werden, wenn sie fest gebogen werden. Ihre hohe Lichtsignaldämpfung begrenzt ihre effektive Reichweite auf etwa 6 Meter.

  Die Bandbreite kann mit hochreiner Quarzfaser 10 MHz betragen, für ein billigeres Kunststoffkabel jedoch 5 bis 6 MHz. [5]

  Ein TOSLINK-Glasfaserkabel, das an einem Ende beleuchtet wird Für TOSLINK können verschiedene Glasfasertypen verwendet werden: kostengünstige 1-mm-Kunststoff-Glasfasern, hochwertige Multistrand-Kunststoff-Glasfasern oder optische Quarzglas-Glasfasern, je nach gewünschter Bandbreite und Anwendung.

  TOSLINK-Kabel sind normalerweise auf 5 Meter Länge begrenzt, mit einem technischen Maximum von 1 von 10 Metern für eine zuverlässige Übertragung ohne Verwendung eines Signalverstärkers oder eines Repeaters. Es ist jedoch sehr häufig, dass Schnittstellen in neueren Unterhaltungselektronikgeräten (Satellitenempfänger und PCs mit optischen Ausgängen) mit selbst kostengünstigen TOSLINK-Kabeln (0,75 USD / m) problemlos über 30 Meter laufen. TOSLINK-Sender arbeiten mit einer nominalen optischen Wellenlänge von 650 nm (~ 461,2 THz).

Viele dieser Bilder verlinken auf relevante Seiten

Optisches PS3-Datenkabel.

Reihe von optischen PS3-Kabeln mit TOSLINK-Anschlüssen

Es wäre hilfreich zu wissen, wie hoch die Frequenz ist, an der Sie interessiert sind. Ich kenne LED-basierte Systeme mit 25 Mbit / s und wäre nicht überrascht, wenn etwa 100 Mbit / s möglich wären. 10 Mbit / s Ethernet über Glasfaser mit LED-Sendern war früher eine recht häufige Konfiguration. Um die höchsten Modulationsfrequenzen von einer LED zu erhalten, wären speziell ausgewählte LEDs und spezielle Treiberschaltungen erforderlich. Um die höchste Datenrate zu erzielen, müssen Sie speziell nach Geräten mit geringer Kapazität suchen.

Außerdem sind die Systeme, mit denen ich vertraut bin, Glasfasersysteme, kein freier Speicherplatz. Der freie Speicherplatz führt zu zusätzlichen Problemen wie der Mehrwegedispersion (z. B. Interferenzen durch dasselbe Signal, das von Wänden oder was auch immer reflektiert wird), die die Gesamtsystemleistung einschränken oder eine höhere Sendeleistung erfordern können. Sie müssen auch den Abstrahlwinkel des Ausgangs Ihrer LED berücksichtigen (oder eine Optik hinzufügen, um ihn zu steuern).

Die Manchester-Codierung ist insofern vorteilhaft, als sie es relativ einfachen Schaltungen im Empfänger ermöglicht, den Sendertakt aus dem Datensignal wiederherzustellen. In einem Freiraumsystem kann es auch die Vorteile eines "Trägersignals" bieten, indem es dem Empfänger ermöglicht, zu unterscheiden, ob tatsächlich ein Signal vorhanden ist oder nicht. Der Sender muss jedoch doppelt so schnell schalten wie die Datenrate. Dies ist wahrscheinlich nicht die beste Option, wenn Sie versuchen, die maximale Datenrate einer bestimmten LED zu ermitteln.

Im Übrigen wird die Codierung auf Manchester-Ebene normalerweise nicht als Softwarefunktion betrachtet - sie wird eher von einer dedizierten digitalen Schaltung ausgeführt.