[发明专利]用于通过塑料光纤的自适应数据通信的帧结构

说明书

技术领域

本发明涉及通过塑料光纤的数据传输。具体地，本发明涉及用于采用特定的帧结构通过塑料光纤传输和接收数据的方法和装置。

背景技术

当代的通信系统使用各种类型的线缆和无线接口。最为可靠的是能够达到很高的传输速率的玻璃光纤。另一方面，铜缆仍然构成电话线的一部分，其也用于数据传输。特别是在近几十年里，无线通信得到快速发展。所有的这些数据传输媒介均具有它们自己的特性且适用于不同方案和结构中的部署。

现在，玻璃光纤（GOF）特别用于要求非常大的带宽和非常小的衰减的通信中。由于玻璃光纤具有非常小的直径和非常小的数值孔径（NA），所以它的安装要求特定的且昂贵的接头工具和熟练的安装工人。

另一可能性是部署例如基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的塑料光纤（POF），该塑料光纤具有较大芯径（约1mm）和很大的数值孔径（NA值接近0.3至0.5）。最便宜和经常采用的塑料光纤是数值孔径为0.5的SI-POF。然而，还存在具有0.3的小数值孔径值的SI-POF，其与PMMA GI-POF一样，能够实现更高的数据速率，其中带宽与长度的乘积接近1GHz×100m。PMMA具有几个衰减窗口，其使得POF能与不同可见光源（包括从蓝光至红光的发光二极管（LED））或红色激光二极管一起使用（LD）。

与GOF相比，塑料光纤具有非常易于安装的优点。可以由专业或非专业的安装工人使用诸如剪刀或刀具的基本工具以及便宜的塑料接头来部署该塑料光纤。它可适应位置偏差和强震，因此可以在工业和车辆环境中安装这种塑料光纤而无损通信能力。由于具有较大的芯径，所以POF连接对端面上的残余灰尘也比GOF具有更高的耐受性。

因为通过POF的传输是光传输，所以塑料光纤完全不受电噪声的影响。因此，现存的铜线不会干扰塑料光纤的数据传送，所以甚至可以紧邻电缆安装塑料光纤。塑料光纤接头和用于POF的光电装置主要是低成本的消费品，这使得安装工人能够节省线缆成本以及安装、测试和维护时间。塑料光纤已经得到广泛应用，特别是对于车内的信息娱乐网络，且其现在可视为诸如媒体导向系统传输（MOST）的车载高速网络的全球标准。

图1示出了通过POF传输和接收数据的系统的实例。通过塑料光纤的数据传输是基于具有直接检测的光强调制。要传输的信号由对用户的位流信息进行编码和调制的数字电路110生成，并且被传输至发送器（Tx）模拟前端（AFE）120以用来将数字信号转换为控制发光元件130的电信号。在电信号转换为光信号之后，然后将光信号输入光纤150。用于塑料光纤的光电转换器通常是发光二极管（LED），其特征在于诸如峰值波长、波长宽度或发射模式分布的特性。LED中电信号转换为光信号的响应是非线性的。因此，LED以动态压缩形式将谐波失真引入通信信号。而且，非线性响应对温度具有高依赖性。

在通过塑料光纤150传输信号的过程中，主要由于模式色散，光信号会受到严重衰减以及失真的影响。在不同路径上的、具有不同速度和衰减的光纤中的传播光的不同模式会引起模式色散，从而使得到达接收器的时间不同。光信号也受所谓的模式耦合的影响，其中更高阶模式的能量传输至低阶模式，反之亦然。因此，光脉冲被加宽，从而导致了信号带宽减小。

在接收器端，来自塑料光纤150的光信号通过诸如光电二极管的光电转换器170转换为电强度。然后，通过模拟前端（AFE）180来处理电信号。具体地，电信号尤其是通过跨阻放大器（TIA）被放大且连接至数字接收器190。TIA通常是最重要的噪声源，它限制了通信系统最终的灵敏度。因为POF随着长度呈现出高衰减系数，所以光电二极管和TIA必须被设计为能够在非常大范围的光功率输入，同时电源供给受到限制的情况下工作。实施自动增益控制（AGC）允许这种情况，AGC控制作为光电二极管平均电流函数的跨阻抗。若干参数，如谐波失真、带宽和群延迟，以及TIA的输入参考噪声和闪变噪声都取决于可变跨阻，因此，数字接收器必须能够跟踪所有的这些噪声以便对通信数据最优地进行解码。