正文

我們設(shè)計(jì)了使用波分復(fù)用的車載通信系統(tǒng)，并研究了其在各種環(huán)境下的特性。由于單根光纖可以傳輸多個波長的光，因此假設(shè)與傳統(tǒng)的同軸電纜相比，這將導(dǎo)致通信所需的電纜數(shù)量和重量的減少。因此，車輛維護(hù)和燃油效率得到了改善。以同軸電纜數(shù)據(jù)為參考，在車載環(huán)境下測量和比較了單模光纖（SMF）、波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)的傳輸特性和光纖的傳輸特性。

Introduction?介紹

近年來，由于自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展和車輛安全要求的提高，每輛車中使用的電線數(shù)量和重量都在增加[1]。這降低了車輛的可維護(hù)性和燃油效率，這已成為一個長期存在的問題。為了解決這些問題，1985年發(fā)明了控制器局域網(wǎng)（CAN）通信協(xié)議，該協(xié)議用單根電線連接每個電子控制單元（ECU）。車輛中使用的CAN協(xié)議是一種總線類型的協(xié)議，稱為CAN總線通信。CAN總線、CAN星形和CAN環(huán)協(xié)議目前被廣泛使用[2]。這種CAN總線通信在一定程度上減少了車輛布線。然而，即使采用了CAN協(xié)議，車輛電線的數(shù)量和車輛的整體重量也在繼續(xù)增加。

因此，我們提出了一種使用CAN通信和光分復(fù)用的車載通信方法[3]。這將解決問題并提高車輛的可維護(hù)性和燃油效率。在傳統(tǒng)方法中，每根同軸電纜傳輸一個電信號，但在所提出的方法中，由于不同波長的光可以通過光纖，因此可以通過單根光纖發(fā)送和接收多個信號。這將消除傳統(tǒng)同軸電纜引起的布線和重量增加，從而提高車輛維護(hù)和燃油效率。

另一方面，該方法的缺點(diǎn)包括

1.將電信號轉(zhuǎn)換為光信號（光信號到電信號）時(shí)的信號衰減

2.由于振動引起的光纖耦合的物理衰減。

但是，關(guān)于信號衰減，可以通過增加放大器來抑制衰減，并且可以相對容易地解決此缺點(diǎn)。在這項(xiàng)研究中，我們將測量光纖在各種環(huán)境下的傳輸特性以及波分復(fù)用（WDM）的使用。

Proposed Methodology and Conventional Techniques

擬議的方法和常規(guī)技術(shù)

在傳統(tǒng)方法中，每根同軸電纜發(fā)送和接收一個電信號，以在每個ECU之間進(jìn)行通信。在所提出的方法中，多個波長的光通過一根光纖以減少電纜的數(shù)量。

A. Optical fiber?A. 光纖

光纖是用于1970年代開始實(shí)施的通信系統(tǒng)的方法。與 1970 年代之前使用的同軸電纜相比，光纖具有重量輕、損耗低、延遲和噪聲等各種優(yōu)點(diǎn)。

光纖大致分為兩類：單模光纖（SMF）和多模光纖（MMF）[4]。

SMF 是一種光纖，其中光僅通過光纖的中心。核心系統(tǒng)小至9μm，因此傳輸損耗低[5]。因此，可以一次傳輸大量數(shù)據(jù)。此外，由于只有一個波長通過光纖，因此具有不受不同波長光影響的優(yōu)點(diǎn)。一個缺點(diǎn)是核心系統(tǒng)小至9μm，使其容易彎曲，不適合安裝在布線困難的地方。此外，為了實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸，使用高純度玻璃材料作為核心材料，使得SMF的價(jià)格不經(jīng)濟(jì)。

MMF是具有多個透光路徑的光纖。核心系統(tǒng)比SMF大50μm或62.5μm[6]，可以傳輸各種數(shù)據(jù)。與SMF不同，由于多個波長的光穿過光纖內(nèi)部，因此無法發(fā)送和接收大容量數(shù)據(jù)。但是，其大型核心系統(tǒng)和抗彎曲性使其可以安裝在布線困難的位置。缺點(diǎn)是，MMF中的光在穿過光纖時(shí)會反復(fù)經(jīng)歷全反射，因此在長距離通信的情況下，傳輸速度可能會因每個波長而異。

B. Wavelength Division Multiplexing

B. 波分復(fù)用

WDM是用于傳輸大容量信號的光通信技術(shù)之一。在WDM的傳輸側(cè)，準(zhǔn)備多個發(fā)射不同波長光的半導(dǎo)體激光器，并對每個激光器進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生信號光。然后，這些信號束通過使用組合設(shè)備在單根光纖中傳輸。在接收端，信號光使用解調(diào)器分成不同波長的光，然后由光電探測器接收。使用的波長越多，可以傳輸?shù)男盘柧驮蕉唷１狙芯坷眠@一特性來減少電線的數(shù)量和重量。WDM可分為兩大類Corough WDM（CWDM）和Dense WDM（DWDM）[8]，[9]。

CWDM 是一種 WDM，它使用 18 個波長，分為 20nm 間隔，從 1271nm 到 1611nm。然而，在實(shí)踐中，很少有使用所有18個波長的情況，并且通常使用從1471nm到1611nm的8個波長或從1531nm到1611nm的4個波長。它適用于中短距離傳輸。DWDM是一種WDM，它使用160個波長，分為1.6nm的間隔，從1531nm到1611nm，產(chǎn)生的波長是CWDM的9倍，能夠傳輸更廣泛的波長。傳輸距離長，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)1000公里。

使用時(shí)分復(fù)用等傳統(tǒng)多路復(fù)用方法，如果在之后傳輸另一個數(shù)據(jù)，則在該數(shù)據(jù)傳輸完成之前無法使用線路，但是使用這種波分復(fù)用方法，可以更快地傳輸數(shù)據(jù)。此外，由于多根光纖可以集成到一根光纖中，因此該系統(tǒng)在易于維護(hù)和成本方面具有顯著優(yōu)勢。

傳統(tǒng)方法使用電信號進(jìn)行車載通信。因此，每個信號需要一條接線線。所提出的方法將第二節(jié)中描述的兩種常規(guī)技術(shù)應(yīng)用于車載通信。通過使用光纖和WDM，可以使用單根光纖電纜傳輸多個信號，從而減少布線重量和電線數(shù)量。

SECTION III.?第三節(jié).

Experimental Equipment and Environment

實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境

在本實(shí)驗(yàn)中，我們將使用SMF測量一個信號的誤碼率（BER），使用WDM測量兩個信號組合的誤碼率，基于同軸電纜信號的BER這是傳統(tǒng)方法。脈沖信號使用MATLAB生成，并通過GNURadio發(fā)送到Lime SDR（軟件定義無線電）。然后通過RoF-Link將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，轉(zhuǎn)換后的光信號在接收之前再次轉(zhuǎn)換為電信號，從而測量光信號中的誤碼率。

A. Transmission signal generation

A. 傳輸信號生成

MATLAB用于創(chuàng)建傳輸信號。發(fā)射信號是隨機(jī)信號 0 和 1 的 10，000 位脈沖信號。產(chǎn)生的脈沖信號以波形文件（.wav）輸出，生成的信號通過讀取GNU_Radio中的波形文件進(jìn)行傳輸。

B. Radio Over Fiber (RoF)-Link

B. 光纖無線電 （RoF）-鏈路

RoF-Link是一種將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的設(shè)備[10]。

本實(shí)驗(yàn)中使用了兩種類型的RoF-Link，波長分別為1310nm和1530nm。使用這些RoF-Links，SMF中的傳輸特性和使用WDM的兩個信號將與傳統(tǒng)方法中使用的同軸電纜進(jìn)行比較。

當(dāng)RoF-Link的光輸入電平降低1 dB時(shí)，RoF-Link的增益降低2 dB。因此，為了穩(wěn)定輸出，當(dāng)光接收電平在+6 dB至-1.5 dB范圍內(nèi)變化時(shí)，在系統(tǒng)內(nèi)部插入一個放大器，以將增益穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)

C. LimeSDR and GNU_Radio?C. LimeSDR和GNU_Radio

LimeSDR發(fā)送和接收MATLAB中產(chǎn)生的脈沖信號。在該實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)備在每個波長（1310nm和1550nm）下使用。GNU_Radio是控制上述LimeSDR的軟件，將用于調(diào)整LimeSDR的發(fā)射功率（增益）以及檢查輸入和輸出信號。GNU_Radio通過連接用C++和Python編寫的塊來實(shí)現(xiàn)通信。每個用C++編寫的信號處理模塊都有一個輸入和輸出接口，通過組合這些模塊，可以實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)送和接收。在實(shí)驗(yàn)中，通過操縱該模塊屏幕來調(diào)節(jié)傳輸功率（增益）。

D. WDM Fiber?D. 波分復(fù)用光纖

與普通光纖不同，WDM光纖將兩種波長的光聚合成一根光纖。通過結(jié)合本實(shí)驗(yàn)中的兩根光纖，將兩個波長組合成一個波長，隨后組合成一個波長的信號恢復(fù)為兩個波長。此外，由于采用了RoF-Link設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)將使用自適應(yīng)波長為1310nm和1550nm的WDM光纖。

各波長帶寬±15.0nm，最大發(fā)射功率1W，偏振損耗依賴性≥0.2dB。方向性為≥60dB，光纖在波長組合前為SMF。

SECTION IV.?第四節(jié).

Experimental Circuit and Experimental Parameters

實(shí)驗(yàn)電路及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在第四節(jié)中，我們結(jié)合了第三節(jié)所述的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并使用常規(guī)方法同軸電纜和提出的方法WDM光纖對傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

A. Connection circuit (Non-Vibration)

A. 連接電路（無振動）

在非振動實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)建并測量了三個連接的電路。無花果。圖1.顯示了使用傳統(tǒng)同軸電纜（SMA）的拼接電路，圖。圖2.顯示了同軸電纜被光纖（SMF）取代的電路，如圖所示。3. 顯示了使用 WDM 光纖的電路。

在圖所示的WDM實(shí)驗(yàn)中。

3.，通過使用安裝在PC中的GNU無線電同時(shí)將不同波形的信號發(fā)送到兩個LimeSDR，偽輸出兩個不同的信號。

SMA電纜實(shí)驗(yàn)和SMF實(shí)驗(yàn)之間的電路沒有重大差異。唯一的區(qū)別是發(fā)射和接收之間是否存在RoF-Link從電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。因此，在SMA電纜實(shí)驗(yàn)和SMF實(shí)驗(yàn)中使用相同的GNU Radio設(shè)置來發(fā)送和接收相同的信號。此外，圖中的TX和RX接線。

2. 使用與圖中使用的SMA電纜相同的接線進(jìn)行測量。

在具有單波長信號的電路中，使用1310nm的光波長進(jìn)行測量，而在使用WDM的電路中，除了1310nm波長外，還使用1530nm的光波長。

SMA circuit?SMA 電路

SMF circuit?SMF 電路

WDM circuit (Non-Vibration)

波分復(fù)用電路（無振動）

B. Connection circuit (Vibration)
B. 連接電路（振動）

使用WDM電路（圖）進(jìn)行了振動實(shí)驗(yàn)。3.） 在 A. 節(jié)中描述。

4.顯示實(shí)驗(yàn)的電路圖。在使用WDM系統(tǒng)的點(diǎn)執(zhí)行振動。

5.顯示所用電機(jī)的頻率和轉(zhuǎn)矩特性。電機(jī)的頻率特性用于測量多個振動頻率的誤碼率。

WDM circuit (Vibration)?波分復(fù)用電路（振動）

WDM motor characteristics (Vibration)

光纖固定點(diǎn)

振動裝置如圖所示。

6.振動裝置由連接到下部的電機(jī)和連接到上部的光纖組成。連接到底部的電機(jī)通過改變電壓來旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生振動，振動被傳遞到連接到頂部的光纖。

圖7.顯示了附著在設(shè)備頂部的光纖的視圖，其中WDM光纖的接頭固定在設(shè)備上，以檢查振動環(huán)境中光通信的衰減

C. Connection circuit (High Temperature)
C. 連接電路（高溫）

SMF circuit (High Temperature)
SMF 電路（高溫）

D. GNU Radio parameters?D. GNU 無線電參數(shù)

GNU Radio 發(fā)送和接收信號并進(jìn)行調(diào)整。

表 1 顯示了每個參數(shù)。

在該測量實(shí)驗(yàn)中，接收器發(fā)射功率固定為50dB，發(fā)射器發(fā)射功率在10至50dB之間每5dB變化一次。傳輸?shù)男盘柺堑谌?jié)所述的10，000位脈沖信號。

SECTION V.?第五節(jié).

Experimental Results?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

BER (Non-Vibration)?誤碼率（無振動）

BER (Vibration)?誤碼率（振動）

BER (High Temperature)?誤碼率（高溫）

從GNU Radio獲得的非振動接收信號也如圖所示。

10. 與傳統(tǒng)同軸電纜 （SMA） 相比，在 SMF 和 WDM 情況下，當(dāng)光纖被光纖取代時(shí)，在傳輸功率低的情況下觀察到很大差異。這可能是由于在低傳輸功率情況下，由于光信號轉(zhuǎn)換為電信號（電到光信號）時(shí)的衰減，信號沒有很好地恢復(fù)。在同軸電纜的情況下，由于信號沒有轉(zhuǎn)換，即使在傳輸功率低的情況下，也可以使用相對保存的BER進(jìn)行通信。另一方面，當(dāng)傳輸功率較高時(shí)，使用光纖和同軸電纜（SMA）獲得低BER。此外，SMF和WDM光纖之間的誤碼率性能沒有顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，即使將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過單根光纖接收多個波長的數(shù)據(jù)，也可以準(zhǔn)確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

從GNU無線電獲得的振動接收信號也顯示在圖中。

11. 比較振動和非振動時(shí)的誤碼率，可以看出，當(dāng)光纖振動時(shí)，隨著傳輸功率的降低，誤碼率低于非振動時(shí)的誤碼率?？梢酝茢?，噪聲是由振動在光信號中產(chǎn)生的，噪聲的影響使BER隨著傳輸功率的降低而降低。在前一種情況下，由于當(dāng)傳輸功率低時(shí)光信號無法恢復(fù)為電信號，誤碼率惡化。此外，WDM光纖通信在振動環(huán)境下工作，在每種發(fā)射功率下，波長1和波長2的誤碼率均無顯著差異。此外，誤碼率不會因振動頻率而發(fā)生顯著變化，當(dāng)振動發(fā)生時(shí)，誤碼率惡化，任何頻率的誤碼率均無明顯變化。

12. 顯示每個溫度下的 BER 測量結(jié)果。比較室溫下的SMF和高溫條件下的SMF，90°C和100°C時(shí)的誤碼率與室溫下的誤碼率沒有顯著差異。然而，誤碼率在110°C和120°C時(shí)增加。這可以被認(rèn)為是由于SMF的高溫引起的光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輕微變形，導(dǎo)致BER增加。不過，這種趨勢可以通過將發(fā)射功率提高約5 dBm來解決。此外，當(dāng)恒溫室內(nèi)的溫度達(dá)到130°C或更高時(shí)，一部分光纖涂層熔化。在操作汽車應(yīng)用的光纖時(shí)，必須使用能夠承受高溫的涂層。

Conclusion?結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了車輛布線，提出了一種光纖波分復(fù)用方法，該方法減少了布線的數(shù)量和重量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)同軸電纜的傳輸效率相比，使用光纖的WDM方案可以充分適應(yīng)車輛布線。此外，無論振動環(huán)境中的振動頻率如何，誤碼率都會降低，但降低并不顯著，可以通過增加傳輸功率來補(bǔ)償。在熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度達(dá)到110°C或更高時(shí)，BER降低，但下降幅度不大，可以通過增加傳輸功率來補(bǔ)償。

綜上所述，光纖是一種完全適用于車載通信系統(tǒng)的通信方式，光復(fù)用的使用使得減少車載通信天線的數(shù)量和重量成為可能。未來，我們將在振動和熱環(huán)境下進(jìn)行光復(fù)用實(shí)驗(yàn)，以獲得更可重復(fù)的結(jié)果。

審核編輯：劉清