Utiliser une LED pour transmettre des données

Je suis curieux de connaître les possibilités offertes par les LED pour transmettre des données sur une courte distance (2 ou 3 mètres), et quel taux de transmission de données maximum peut être attendu de composants soigneusement choisis, mais de qualité grand public. Je suis intéressé par une solution matérielle minimale + logiciel "intelligent" (micro-contrôleur).

Je vois donc cela comme un problème de conception en deux parties:

1. La couche "support physique" (matériel): quel serait un bon choix de LED et de récepteur (phototransistor?) Pour la signalisation haute fréquence? Quel type de circuit de conduite dois-je utiliser?
2. La couche "codage du signal" (logiciel): un protocole du type code Manchester serait-il efficace? Ou d'autres protocoles de codage sont-ils plus efficaces pour ce support?

Choses que j'écarte: je connais les modules IR5 peu coûteux et robustes, mais ils ne sont pas conçus pour une transmission rapide des données. Je comprends également que l'utilisation d'une lumière cohérente (une diode laser) peut fournir une meilleure bande passante. De plus, pas de fibre optique: les données seraient transmises par voie aérienne.

Mise à jour:

La motivation de cette configuration serait une alternative à la communication par ligne électrique (PLC) ou au Wifi; une bande passante de 25 à 100 Mbits / s ferait donc l'affaire. Cela explique également la contrainte «pas de fibre», mais un réflecteur minimal serait acceptable.

Compte tenu de la distance "à travers la pièce" que j'envisage, je pense que les solutions puissantes / étroitement focalisées telles que Ronja peuvent être exagérées (elles ont en fait une " distance minimale " beaucoup plus élevée ).

Compte tenu de la partie matérielle: vous êtes positif dans la bande passante élevée que je peux atteindre avec des LED appropriées, "sans phospore". Certaines couleurs sont-elles meilleures à cet égard? Que dois-je rechercher dans la fiche technique pour m'assurer qu'ils ont cette caractéristique?

Compte tenu de l'encodage: quoi de mieux que Manchester pour cet usage? Quelque chose de plus efficace en termes de bande passante, comme une variante RLL ? Je suis plus programmeur qu'électronique, donc je suis plus à l'aise avec l'encodage / décodage logiciel; mais certains circuits intégrés pourraient-ils m'aider avec le décodage (qui, si je comprends bien, est la partie difficile)? Dois-je envisager un pré-filtrage du signal avant le décodage, peut-être en profitant des caractéristiques de fréquence du protocole de codage?

Résultat souhaité 1er

Détails suffisants pour construire l'un des 160 Mbps à 1 mètre de diode LED à air libre ici

Lien de communication optique en espace libre utilisant des LED
ECE 4007 Projet de conception principal Section L01, Groupe OFS Adam Swett Clayton Huff Trang Thai Nguyen Trinh
1er mai 2008

Receveur:

Circuit d'émission MAIS voir texte:

Par le biais d'un manuel de communications optiques aériennes. Cité ci-dessus.
Format ennuyeux.
Ici

J'ai d'abord dit:

• En utilisant une LED non phosphore, je m'attendrais à ce que 10 à 100 pieds de Mbps soient possibles, la réception étant le principal facteur limitant, suivie par la difficulté de moduler proprement la LED à de telles vitesses.

Il s'avère que c'est à peu près juste :-).

Des rapports réels indiquent que des taux de 100 Mbps sont réalisables avec des LEDs phosphores blanches en utilisant des méthodes relativement simples - principalement le filtrage et l'égalisation, pour un gain d'environ 25x sur le taux "prêt à l'emploi" d'environ 4 Mbps pour une LED phosphorescentes. Donc - transmission en air libre dans le monde réel:

• LED Phosphor blanche comme fournie - environ 4 Mbps

• LED Phosphor blanc avec magie pas trop dure - 100 Mbps

• LED entraînées avec NRZ DC - 200 Mbps

• LED à faible NRZ négatif pour balayer la charge - 300 Mbps

• Les LED repoussent les limites théoriques des "lois de la physique" - 1 - 2 Gbps

Récepteurs

Le mal est suffisant pour le lendemain.

Récepteur à diode PIN.
Lisez les notes d'application.
Jouer.

Superbe discussion sur les problèmes d'alimentation des communications infrarouges dans les équipements basse consommation / batterie. Semble superbe en un clin d'œil. Ils disent

• L'utilisation de la lumière infrarouge (IR) comme moyen de communication sans fil entre ordinateurs, périphériques d'ordinateurs, appareils photo numériques et autres produits de consommation a été largement acceptée ces dernières années. Cela est principalement dû au faible coût de mise en œuvre des solutions infrarouges contrairement aux implémentations radio. La pression croissante pour produire des produits de consommation à faible puissance et à haute vitesse dans ce domaine, cependant, rend la mise en œuvre d'émetteurs-récepteurs IR, qui est un émetteur et un récepteur intégrés, plus difficile. Cet article abordera certains des principaux problèmes techniques qui doivent être pris en compte lors de la conception des émetteurs-récepteurs IR.

Un point de départ théorique:

Notes extrêmement complètes sur les sources de semi-conducteurs optiques - voir page 35 sur 67 pour la bande passante de modulation des LED. Plus théorique que vous ne le vouliez MAIS "ouvre la voie" pour d'autres matériaux.

Réalisations du monde réel:

D'après la référence de Mark Rages Ronja

À travers la page des communications optiques aériennes

Ça dit:

• Cette page traite des communications optiques ("faisceaux lumineux") atmosphériques à longue distance ("faisceaux lumineux") de divers types utilisant des sources de lumière cohérentes et non cohérentes, des méthodes d'atténuation des effets atmosphériques sur ces communications, ainsi que des diverses technologies impliquées dans la transmission et recevoir ces communications. La majorité du contenu de ces pages est produite par des amateurs autofinancés qui ont relevé le défi de faire progresser l'état de l'art dans ce domaine quelque peu mystérieux.)

Plus sur les mêmes personnes

Ronja

Ils disent:

• Ronja est un projet technologique gratuit pour des liaisons de données optiques fiables avec une portée actuelle de 1,4 km et une vitesse de communication en duplex intégral de 10 Mbps.

  Les applications de ce dispositif de réseau sans fil incluent l'épine dorsale des réseaux gratuits, publics et communautaires, la connectivité Internet individuelle et d'entreprise, ainsi que la sécurité des maisons et des bâtiments. Une liaison haute fiabilité et disponibilité est possible en combinaison avec des appareils WiFi. La liaison de données Twibright Ronja peut mettre en réseau des maisons voisines avec un accès Ethernet transversal, résoudre le problème du dernier kilomètre pour les FAI ou fournir une couche de liaison pour des réseaux maillés de voisinage rapides.

Comment moduler une LED au phosphore blanc à environ 25 x sa bande passante non modifiée.

Ça vaut le coup d'oeil: cette "lettre" d'août 2009 montre à quelle vitesse vous pouvez pousser une LED blanche lente !!! .
Ils utilisent une LED blanche avec une réponse au phosphore dans la gamme de quelques MHz, filtrent la composante jaune lente et égalisent, pour obtenir une bande passante de modulation de 50 MHz, ce qui permet d'activer / désactiver NRZ à 100 Mb / s.

Ils notent que le 50 Mb / s atteint est 25x la bande passante non filtrée non égalisée.

Je me demande, pourquoi ne pas utiliser une LED bleue sans phosphore?

Quelques limites pratiques et un moyen facile de les étendre:

Ce résumé note que les LED InGaAsP sont bonnes pour 300 Mbps à pleine puissance si vous leur parlez bien (polarisation inverse désactivée pour balayer la charge plus rapidement) et 200 Mbps si vous conduisez avec une polarisation non inverse.
Ils disent:

• L'application d'impulsions de polarisation inverse lors des transitions marche-arrêt a augmenté le débit binaire maximal du fonctionnement à pleine puissance des LED InGaAsP à longue longueur d'onde de 200 à 300 Mbits / s en réduisant le temps de chute de charge stocké.

  Bien que conçu principalement pour des expériences DS-4 non-retour à zéro (NRZ), le circuit fonctionne de 50 à 300 Mbits / s pour le retour à zéro (RZ) ou NRZ avec des motifs de mots fixes ou pseudo-aléatoires.

Une autre façon d'arriver au taux de modulation maximum

Voici une réponse utile mais compacte à "Quelle est la vitesse d'une LED" et il convient de noter qu'ils disent "environ 2 GHz de bande passante de modulation ou environ 1 Gb / s" par rapport aux 300 Mb / s ci-dessus. Notez qu'à des fins d'ingénierie 300 ~~~ = 1000 :-)

Certains soupçonnent légèrement les affirmations du monde réel:

Des taux bruts crédibles.
Les taux de pluie semblent "plutôt bons".

Voici une réclamation "par voie aérienne de 400 Mbps sur plusieurs kilomètres à l'aide de LED:

MegaMantis - LED,
400 Mbps en air libre,
portée de plusieurs km,
modérément résistant à la pluie,
Walker.

Je prendrais tout ce que ces gens ont dit de technique (l'entreprise est aujourd'hui disparue, je pense), mais Power Beat a revendiqué une transmission à 400 Mbits / s sur plusieurs kilomètres à l'aide de LED (pas LASERS).

Gargouille pour MegaMantis (le lien optique) et Powerbeat (la société) et Peter Witihera (le PDG et l'homme des idées principales) pour voir ce que vous pouvez faire des réclamations.

Discussion 2007 avec liens rompus

Probablement le meilleur commentaire technique que vous obtiendrez

• «Aujourd'hui, avec une seule LED, il est possible d'obtenir jusqu'à 400 Mbps en vitesse modulée», explique Witehira.

  Et Witehira dit que le système de son entreprise n'est pas affecté par la pluie et peut être ajusté pour le brouillard.

  «Vous pouvez surmonter cela en ayant une combinaison de deux longueurs d'onde différentes aux extrêmes que vous pouvez obtenir avec la lumière - infrarouge lointain et ultraviolet proche, qui est un bleu profond. Si vous avez les deux en même temps, vous n'avez pas de problème avec le brouillard. Vous pouvez toujours avoir un problème avec le voile blanc », a-t-il déclaré.

  Se déplacer dans les coins, a déclaré Witehira, consiste simplement à faire rebondir la lumière sur le verre ou à créer un réseau de lumières. Et les possibilités de visibilité augmentent: il y a dix-huit mois, la technologie de l'entreprise pouvait envoyer des données à seulement 3 mètres; maintenant, il peut s'étendre sur 4 kilomètres. La ligne de vue maximale pour le moment est probablement de 11 kilomètres, estime la société.

Mais attention Will Robinson ...

Malgré la clause «pas de fibre», cela peut être utile malgré:

Sur quelques mètres, vous POUVEZ vous en sortir avec une ligne de pêche en plastique à des débits de données raisonnables et avec suffisamment de puissance. Je l'ai vu utilisé pour des centaines de mm.

Vous pouvez, mais la fibre brute de fibre optique nue - c'est fragile et ce n'est pas un choix judicieux.

Vous pouvez acheter des câbles patch optiques pour u systèmes "industriels". Cela peut être intéressant après avoir lu les spécifications de performance du câble à fibre optique audio standard.

Notez qu'il existe des fibres multimodes et monomodes. Sur quelques mètres les premiers sont en effet très trouvés.

Vous ne pouvez que des câbles de connexion optiques pour les systèmes audiovisuels domestiques - hautement disponibles. Vous pouvez même les obtenir en tant qu'accessoires XBox et PS3 standard.

Les connecteurs sont généralement appelés "TOSLINK" - en fait un connecteur JIS F05.

Beaucoup d'informations ici {Wikipedia}, y compris la bande passante et la portée assez médiocres obtenues.
Ils disent:

• Les câbles TOSLINK peuvent tomber temporairement en panne ou être endommagés de façon permanente s'ils sont fortement pliés. Leur forte atténuation du signal lumineux limite leur portée effective à environ 6 mètres (20 pieds).

  La bande passante peut être de 10 MHz avec une fibre de quartz de haute pureté, mais de 5 à 6 MHz pour un câble en plastique moins cher. [5]

  Un câble audio à fibres optiques TOSLINK illuminé à une extrémité Plusieurs types de fibres peuvent être utilisées pour TOSLINK: fibre optique plastique 1 mm bon marché, fibres optiques plastique multibrins de meilleure qualité ou fibres optiques en verre de quartz, selon la bande passante et l'application souhaitées.

  Les câbles TOSLINK sont généralement limités à 5 mètres de long, avec un maximum technique de 1 à 10 mètres, pour une transmission fiable sans l'utilisation d'un amplificateur de signal ou d'un répéteur. Cependant, il est très courant que des interfaces sur des appareils électroniques grand public plus récents (récepteurs satellite et PC avec sorties optiques) parcourent facilement plus de 30 mètres sur des câbles TOSLINK même à faible coût (0,75 $ / m). Les émetteurs TOSLINK fonctionnent à une longueur d'onde optique nominale de 650 nm (~ 461,2 THz).

Beaucoup de ces images renvoient vers des pages pertinentes

Câble de données optique PS3.

Gamme de câbles optiques PS3 avec connecteurs TOSLINK

Il serait utile de savoir à quelle fréquence vous êtes intéressé. Je connais des systèmes à LED à 25 Mb / s et je ne serais pas surpris si 100 Mb / s ou plus est possible. Ethernet 10 Mb / s sur fibre optique utilisant des émetteurs LED était autrefois une configuration assez courante. Pour obtenir les fréquences de modulation les plus élevées d'une LED, il faudrait des LED spécialement choisies et des circuits de commande spécialisés. Pour obtenir le débit de données le plus élevé, vous devrez rechercher spécifiquement les appareils à faible capacité.

De plus, les systèmes que je connais sont des systèmes à fibres optiques, pas de l'espace libre. L'espace libre introduit des problèmes supplémentaires tels que la dispersion multivoie (par exemple, les interférences provenant du même signal rebondi sur les murs ou autre) qui pourraient limiter les performances globales du système ou nécessiter une puissance d'émission plus élevée. Vous devrez également prendre en compte (ou ajouter des optiques pour contrôler) l'angle de rayonnement de la sortie de votre LED.

Le codage Manchester est avantageux en ce qu'il permet à des circuits assez simples dans le récepteur de récupérer l'horloge des émetteurs à partir du signal de données. Dans un système à espace libre, il peut également offrir les avantages d'un signal "porteur" en permettant au récepteur de distinguer si un signal est réellement présent ou non. Mais cela nécessite que l'émetteur commute deux fois plus vite que le débit de données, ce n'est donc probablement pas le meilleur si vous essayez de presser le débit de données maximal à partir d'une LED donnée.

Soit dit en passant, l'encodage au niveau de Manchester n'est normalement pas considéré comme une fonction logicielle - il est plus susceptible d'être effectué par un circuit numérique dédié.