Usando um LED para transmitir dados

Estou curioso sobre as possibilidades oferecidas pelos LEDs para transmitir dados em um curto alcance (2 ou 3 metros) e qual taxa máxima de transmissão de dados pode ser esperada de componentes cuidadosamente escolhidos, mas de nível de consumidor. Estou interessado em uma solução mínima de software + software "inteligente" (microcontrolador).

Então, vejo isso como um problema de design em duas partes:

1. A camada "meio físico" (hardware): qual seria uma boa escolha de LED e receptor (fototransistor?) Para sinalização de alta frequência? Que tipo de circuito de direção devo usar?
2. A camada "codificação de sinal" (software): um protocolo ao longo da linha do código Manchester seria eficiente? Ou outros protocolos de codificação são mais eficientes para este meio?

Coisas que estou descartando: conheço os módulos IR5 pouco expansivos e robustos, mas eles não foram projetados para transmissão rápida de dados. Também entendo que o uso de luz coerente (um diodo laser) pode fornecer uma melhor largura de banda. Além disso, não há fibra ótica: os dados seriam transmitidos pelo ar.

Atualizar:

A motivação para essa configuração seria como uma alternativa à comunicação por linha de energia (PLC) ou Wifi; portanto, uma largura de banda na faixa de 25 a 100Mb / s seria suficiente. Isso também explica a restrição "sem fibra", mas um refletor mínimo seria aceitável.

Considerando a distância "do outro lado da sala" que estou considerando, acho que soluções poderosas / fortemente focadas, como Ronja, podem ser um exagero (na verdade, elas têm uma " distância mínima " muito maior ).

Considerando a parte do hardware: você é positivo na alta largura de banda que posso obter com os LEDs "non phospor" adequados. Algumas cores são melhores que outras a esse respeito? O que devo procurar na folha de dados para garantir que eles tenham essa característica?

Considerando a codificação: o que seria melhor que Manchester para esse uso? Algo mais eficiente em termos de largura de banda, como uma variante RLL ? Sou mais um programador do que uma pessoa em eletrônica, por isso estou mais à vontade com a codificação / decodificação de software; mas alguns CIs me ajudariam com a decodificação (que, na minha opinião, é a parte mais difícil)? Devo considerar uma pré-filtragem do sinal antes da decodificação, talvez aproveitando as características de frequência do protocolo de codificação?

Resultado desejado 1º

Detalhes completos o suficiente para construir aqui um link de diodo de LED para PIN de 160 Mbps a 1 metro de ar livre

Link de comunicação óptica de espaço livre usando LEDs
ECE 4007 Seção sênior do projeto de design L01, Grupo FSO Adam Swett Clayton Huff Trang Thai Nguyen Trinh
1 de maio de 2008

Receptor:

Circuito de transmissão MAS veja o texto:

Através do manual de comunicações ópticas aéreas. Citado acima.
Formato irritante.
Aqui

Eu disse originalmente:

• Usando um LED sem fósforo, eu esperaria que 10 a 100 'de Mbps fossem possíveis, sendo o recebido o principal fator limitante, seguido pela dificuldade em modular de forma limpa o LED a essas velocidades.

Acontece que isso está certo :-).

Relatórios do mundo real indicam que taxas de 100 Mbps são alcançáveis ​​com LEDs de fósforo branco usando métodos relativamente simples - principalmente filtragem e equalização, para um ganho de cerca de 25x acima da taxa "pronta para uso" de cerca de 4 Mbps para um LED de fósforo branco. Assim - o ar livre do mundo real transmite:

• LED de fósforo branco como fornecido - cerca de 4 Mbps

• LED de fósforo branco com magia não muito difícil - 100 Mbps

• LEDs acionados com NRZ DC - 200 Mbps

• LEDs com NRZ baixo negativo para varrer a carga - 300 Mbps

• Limites teóricos dos LEDs para "leis da física" - 1 - 2 Gbps

Receptores

Suficiente até o dia seguinte é o mal.

Receptor de diodo PIN.
Leia as notas de aplicação.
Toque.

Soberba discussão sobre questões de alimentação para comunicações de infravermelho em equipamentos de baixa potência / bateria. Aparece excelente em um momento rápido. Eles dizem

• O uso da luz infravermelha (IR) como meio de comunicação sem fio entre computadores, periféricos de computadores, câmeras digitais e outros produtos de consumo ganhou ampla aceitação nos últimos anos. Isso se deve principalmente ao baixo custo da implementação de soluções de IR, em contraste com as implementações baseadas em rádio. A crescente pressão para produzir produtos de consumo de baixa potência e alta velocidade nessa arena, no entanto, torna a implementação de transceptores de infravermelho, que é um transmissor e receptor integrado, mais desafiadora. Este artigo abordará alguns dos principais problemas técnicos que precisam ser considerados ao projetar transceptores de infravermelho.

Um ponto de partida teórico:

Notas extremamente abrangentes sobre fontes ópticas de semicondutores - consulte a página 35 de 67 para obter largura de banda de modulação por LED. Mais teórico do que você queria, mas "prepara o cenário" para outro material.

Realizações do mundo real:

Da referência de Mark Rages Ronja

Através da página de comunicações ópticas aéreas

Diz:

• Esta página trata das comunicações ópticas de longa distância atmosférica (através do ar) ("raio de luz") de vários tipos, usando fontes de luz coerentes e não coerentes, métodos para mitigar os efeitos atmosféricos nessas comunicações, bem como várias tecnologias envolvidas na transmissão e receber tais comunicações. A maior parte do conteúdo dessas páginas é produzida por entusiastas autofinanciados que assumiram o desafio de promover o estado da arte nesse campo um tanto misterioso.)

Mais nas mesmas pessoas

Ronja

Eles dizem:

• Ronja é um projeto de tecnologia gratuita para links de dados ópticos confiáveis, com um alcance atual de 1,4 km e uma velocidade de comunicação de 10 Mbps full duplex.

  Os aplicativos deste dispositivo de rede sem fio incluem a espinha dorsal de redes gratuitas, públicas e comunitárias, conectividade individual e corporativa à Internet e também segurança residencial e predial. É possível vincular alta confiabilidade e disponibilidade em combinação com dispositivos WiFi. O dibrink Twibright Ronja pode conectar redes de casas vizinhas com acesso Ethernet nas ruas, resolver o problema da última milha para ISPs ou fornecer uma camada de link para redes de malha rápida de vizinhança.

Como modular um LED de fósforo branco a cerca de 25 vezes a largura de banda não modificada.

Vale a pena dar uma olhada: Esta "carta" de agosto de 2009 mostra o quão rápido você pode pressionar um lento LED branco !!! .
Eles usam um LED branco com resposta de fósforo na faixa de poucos MHz, filtram o componente amarelo lento e equalizam, para obter largura de banda de modulação de 50 MHz, que permite ligar / desligar NRZ a 100 Mb / s.

Eles observam que os 50 Mb / s alcançados são 25x a largura de banda não filtrada e desigual.

Gostaria de saber, por que não usar um LED azul sem fósforo?

Alguns limites práticos e um meio fácil de estendê-los:

Este resumo observa que os LEDs InGaAsP são bons para 300 Mbps na potência máxima se você falar com eles (polarização reversa desligada pulsando para varrer a carga mais rapidamente) e 200 Mbps se você dirigir com polarização não inversa.
Eles dizem:

• A aplicação de pulsos de polarização reversa em transições on-off aumentou a taxa de bits máxima da operação de potência total dos LEDs InGaAsP de comprimento de onda longo de 200 para 300 Mbits / s pela redução do tempo de queda de carga armazenada.

  Embora projetado principalmente para experimentos DS-4 sem retorno ao zero (NRZ), o circuito opera de 50 a 300 Mbits / s para o formato retorno ao zero (RZ) ou NRZ com padrões de palavras fixos ou pseudoaleatórios.

Outra maneira de chegar à taxa máxima de modulação

Aqui está uma resposta útil, porém compacta, de "Qual a velocidade de um LED" e vale a pena notar que eles dizem 'largura de banda de modulação de 2 GHz ou cerca de 1 Gb / s' em comparação com os 300 Mb / s acima. Observe que, para fins de engenharia, 300 ~~~ = 1000 :-)

Alguns suspeitam ligeiramente das alegações do mundo real:

Taxas brutas críveis.
As taxas afetadas pela chuva parecem "bastante boas".

Aqui está uma reivindicação "aérea" de 400 Mbps ao longo de vários quilômetros usando LEDs:

MegaMantis - baseado em LED,
400 Mbps no ar livre,
alcance de vários km,
moderadamente imune à chuva,
Walker.

Eu levaria qualquer coisa técnica que essas pessoas dissessem (empresa agora extinta, eu acho), mas a Power Beat reivindicou transmissão de spave aberto de 400 Mbps por vários quilômetros usando LEDs (não LASERS).

Gargoyle para MegaMantis (o link óptico) e Powerbeat (a empresa) e Peter Witihera (o CEO e o principal homem de idéias) para ver o que você pode fazer com as reivindicações.

Discussão 2007 com links quebrados

Provavelmente o melhor comentário técnico que você receberá

• "Com um LED hoje, é possível obter até 400 Mbps em velocidade modulada", diz Witehira.

  E Witehira diz que o sistema de sua empresa não é afetado pela chuva e pode ser ajustado para o nevoeiro.

  “Você pode superar isso tendo uma combinação de dois comprimentos de onda diferentes nos extremos, pode obter o infravermelho distante da luz e o ultravioleta próximo, que é um azul profundo. Se você tem os dois correndo ao mesmo tempo, não tem problema com o nevoeiro. Você ainda pode ter um problema com o apagão ”, ele disse.

  Contornar as esquinas, disse Witehira, é apenas uma questão de refletir a luz do vidro ou criar uma rede de luzes. E as possibilidades de linha de visão estão aumentando: há dezoito meses a tecnologia da empresa podia enviar dados apenas a 3 metros; agora pode percorrer 4 quilômetros. A linha de visão máxima no momento é provavelmente de 11 quilômetros, avalia a empresa.

Mas, cuidado Will Robinson ...

Apesar da condição "sem fibra", isso pode ser útil independentemente:

Ao longo de alguns metros, você PODE fugir com linhas de pesca de plástico a taxas de dados sensíveis e com energia suficiente. Eu já o vi usado por centenas de mm.

Você pode apenas usar fibra óptica de fibra óptica - é frágil e não é uma escolha sensata.

Você pode comprar cabos ópticos para sistemas "industriais". Estes podem ser atraentes depois de ler as especificações de desempenho do cabo de fibra óptica de áudio padrão.

Observe que existem fibras multimodo e monomodo. Ao longo de alguns metros, os primeiros são bastante achados.

Você pode apenas conectar cabos ópticos para sistemas AV domésticos - altamente disponíveis. Você pode até obtê-los como acessórios XBox e PS3 padrão.

Os conectores são geralmente conhecidos como "TOSLINK" - na verdade, um conector JIS F05.

Muitas informações aqui {Wikipedia}, incluindo a pouca largura de banda e alcance alcançados.
Eles dizem:

• Os cabos TOSLINK podem falhar temporariamente ou ficar danificados permanentemente se estiverem bem dobrados. Sua alta atenuação do sinal de luz limita seu alcance efetivo a cerca de 6 metros (20 pés).

  A largura de banda pode ser de 10 MHz com fibra de quartzo de alta pureza, mas de 5 a 6 MHz para um cabo de plástico mais barato. [5]

  Um cabo de áudio de fibra óptica TOSLINK sendo iluminado em uma extremidade Vários tipos de fibra podem ser usados ​​para o TOSLINK: fibra óptica de plástico de 1 mm de baixo custo, fibras ópticas de plástico multistrand de alta qualidade ou fibras ópticas de vidro de quartzo, dependendo da largura de banda e aplicação desejadas.

  Os cabos TOSLINK geralmente são limitados a 5 metros de comprimento, com um máximo técnico de 1 a 10 metros, para uma transmissão confiável sem o uso de um intensificador de sinal ou de um repetidor. No entanto, é muito comum que interfaces em aparelhos eletrônicos de consumo mais recentes (receptores de satélite e PCs com saídas ópticas) passem facilmente mais de 30 metros em cabos TOSLINK, mesmo de baixo custo (US $ 0,75 / m). Os transmissores TOSLINK operam com um comprimento de onda óptico nominal de 650 nm (~ 461,2 THz).

Muitas dessas imagens possuem links para páginas relevantes

Cabo de dados ópticos PS3.

Gama de cabos ópticos PS3 com conectores TOSLINK

Seria útil saber com que frequência você está interessado. Conheço sistemas baseados em LED a 25 Mb / se não ficaria surpreso se fosse possível 100 Mb / s. Ethernet de 10 Mb / s sobre fibra óptica usando transmissores de LED já foi uma configuração bastante comum. Obter as frequências de modulação mais altas de um LED exigiria LEDs especialmente escolhidos e circuitos de driver especializados. Para obter a maior taxa de dados, você precisa procurar especificamente por dispositivos de baixa capacitância.

Além disso, os sistemas com os quais estou familiarizado são sistemas de fibra óptica, não espaço livre. O espaço livre apresenta problemas adicionais, como dispersão de caminhos múltiplos (por exemplo, interferência do mesmo sinal refletido nas paredes ou qualquer outra coisa) que possa limitar o desempenho geral do sistema ou exigir maior potência do transmissor. Você também precisará considerar (ou adicionar óptica para controlar) o ângulo de radiação da saída do seu LED.

A codificação Manchester é benéfica, pois permite que circuitos bastante simples no receptor recuperem o relógio do transmissor a partir do sinal de dados. Em um sistema de espaço livre, ele também pode fornecer os benefícios de um sinal de "portadora" ao permitir que o receptor diferencie se algum sinal está realmente presente ou não. Mas exige que o transmissor mude duas vezes mais rápido que a taxa de dados, portanto, provavelmente não é o melhor se você estiver tentando espremer a taxa máxima de dados de um determinado LED.

Aliás, a codificação no nível de Manchester normalmente não é considerada uma função de software - é mais provável que isso seja feito por um circuito digital dedicado.