CN103684587A - 一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法及装置，其装置包括发射机和接收机两部分，发射机部分包括：激光源、入射光路、数字微镜器件、出射光路和发射机控制电路，接收机部分包括：接收光路、光电传感阵列、接收机控制电路和差错报警电路；通信方法是在发射机端利用数字微镜器件将电信号转换成光信号输出，在接收机端利用光电传感阵列将光信号恢复成电信号，并且利用FPGA实现PWM调制解调、加密解密算法和CRC数据校验，保证通信的安全和正确；本发明解决了现有无线激光通信系统信道数量少、系统传输速率慢的问题，利用数字微镜器件多达百万路的通信信道和FPGA强大的运算能力为高速安全的无线激光通信提供了一种可行的方案。

Description

一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法及装置

技术领域

本发明涉及无线激光通信领域，特别是一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法及装置。

背景技术

数字微镜器件由美国TI公司在1987年发明，它是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，涉及微电子制造、微电子机械、集成电路设计、精密光学等技术。数字微镜器件主要应用于DLP投影系统中，但是近几年其应用领域得到极大拓展，比如立体显示、3D打印、微显示及宽光谱应用等。

无线激光通信是指以激光作为载波、大气作为传输介质的光通信，激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点，很适合作为短距离光通信的载体。与微波通信相比，无线激光通信具有无需申请通信频段、信息容量大、频带宽、抗电磁干扰能力强、保密性好等特点。与光纤通信相比以及其他有线通信相比，具有机动灵活、运行成本低、易于推广等特点。无线激光通信可以应用在以下场合：1.不具备接入条件（某些环境下不能铺设光纤）时提供高效接入方案；2.为医院、飞机等对电磁干扰有严格限制的场合提供通信；3.为智能小区、大企业的宽带接入的最后一公里提供一种快速灵活的解决方案；4.在突发的自然或者人为意外灾害中，如果原有通信线路被破坏，可以用无线激光通信系统进行快速部署提供应急通信。

现有的无线激光通信系统一般采用一个信号源，配合一组发射和接收装置实现无线激光通信。这种技术存在由于只有一个或者几个通信信道，导致系统的传输速率难以得到显著提升。

现有的光通信技术中对于信源数据的加密处理普遍不够严格甚至没有，如果光信号被他人窃取，那么信号内容也就被窃取，所以在安全性方面存在一些隐患。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提出的一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法及装置，其装置可以实现多达百万路通信信道的无线激光通信，显著提高了无线激光通信系统的传输速率，并且利用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）强大的运算能力可以实现多种加密算法保证通信的安全。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信装置，该装置包括：

激光光源，用于产生入射点光源；

入射光路，与激光光源连接，用于把点光源变成均匀面光源，并入射到数字微镜器件上；

数字微镜器件，与入射光路连接，利用微镜的开关作用将电信号转换成光信号输出，每一个微镜对应一条通信信道，目前单片数字微镜器件分辨率可达1920*1080，即该数字微镜阵列上有1920*1080=2,073,600个微镜，本发明就是利用这个微镜阵列来实现多达百万路通信信道的无线激光通信。

出射光路，与数字微镜器件连接，将微镜反射出来的光信号进行光学处理，便于在自由空间传播；

发射机控制电路，与激光光源和数字微镜器件连接，对信源输入的信号进行数据处理，并实现对数字微镜器件的驱动控制；

接收光路，接收来自自由空间光通道的光信号，进行光路调整并输出给光电传感阵列；

光电传感阵列，与接收光路连接，其感光像素与数字微镜器件的微镜是一一对应的关系，感光像素将接收到的光信号进行光电转换，恢复出对应的电信号；

接收机控制电路，与光电传感阵列和差错报警电路连接，对光电传感阵列恢复的电信号进行数据处理，并进行校验，如果无误则输出，否则向差错报警电路发出报警请求；

差错报警电路，接收来自接收机控制电路的报警请求，并发出报警信号。

所述发射机控制电路包括MCU、FPGA、信源输入电路和数字微镜器件控制芯片，MCU控制信源输入电路的工作状态，信源输入电路接收信源输入并通过数据总线与FPGA连接，FPGA对输入的数据进行处理，数字微镜器件控制芯片提供数字微镜器件所需的专用复位信号。

所述接收机控制电路包括MCU、FPGA和信宿输出电路，FPGA对光电传感阵列恢复的电信号进行处理，并将处理后的数据通过信宿输出电路输出，MCU控制信宿输出电路的工作状态。

一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法，该方法包括如下步骤：

1)      信源数据通过信源输入电路送给发射机FPGA；

2)      在发射机FPGA内对信源数据插入CRC校验码；

3)      在发射机FPGA内对插入CRC校验码的数据进行加密；

4)      在发射机FPGA内把加密后的数据重排分配给各个信道，并进行二进制PWM调制；

5)      发射机FPGA输出LVDS信号，驱动数字微镜器件输出对应的光信号；

6)      光电传感阵列将接收到的光信号转换成电信号输出到接收机FPGA；

7)      在接收机FPGA内对光电传感阵列每个像素恢复的电信号进行二进制PWM解调；

8)      在接收机FPGA内对解调后的数据进行重新组合；

9)      在接收机FPGA内对重组后的数据执行加密过程的逆运算即进行解密；

10)  在接收机FPGA内对解密后的数据进行CRC差错校验；

11)  如果CRC差错校验没有发现错误，则输出数据，否则向报警电路发出报警请求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

⑴、本发明可提供多达百万路的无线激光通信信道，使系统的传输速率得到极大的提高。

⑵、本发明可以利用FPGA强大的运算能力对信源数据进行各种加密算法，即使光信号被他人窃取，在保证加密算法安全的情况下，就可以保证信源数据的安全。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为本发明装置中发射机控制电路结构示意图；

图3为本发明装置中接收机控制电路结构示意图；

图4为本发明装置中发射机控制电路的FPGA内数据处理流程图；

图5为本发明装置中接收机控制电路的FPGA内数据处理流程图；

图6为本发明数字微镜器件的工作状态示意图；

图7为本发明入射光路将点光源转换成面光源示意图；

图8为光的PWM原理示意图；

图9为本发明二进制PWM调制原理示意图；图中“□”表示微镜处于“开”状态，“■”表示微镜处于“关”状态；

图10为本发明数字微镜器件根据图9的信号实现对应已调光信号的工作状态示意图，图中“□”表示微镜处于“开”状态，“■”表示微镜处于“关”状态；

图11为本发明的工作流程图。

具体实施方式

参阅图1，本发明由激光光源1、入射光路2、数字微镜器件3、出射光路4、发射机控制电路5、接收光路6、光电传感阵列7、接收机控制电路8及差错报警电路9组成，本发明激光点光源1由LED激光器产生，经过入射光路2的均光作用实现点光源到均匀面光源的转换。该均匀面光源入射到数字微镜器件3上，利用数字微镜器件3对其进行调制产生已调光信号。已调光信号经过出射光路4的光学处理在自由空间中传播，在接收光路6对接收到的已调光信号进行光路调整后送至光电传感阵列7实现光电转换，恢复出对应的电信号从而完成无线激光通信的过程。

参阅图2，本发明的发射机控制电路5包括MCU、FPGA、信源输入电路和数字微镜器件控制芯片。信源输入电路接收信源数据，该数据包括原始发送信号和控制信号。其中控制信号给MCU控制激光光源的强度，原始发送信号通过数据总线传送到FPGA，在FPGA内进行数据处理，并且FPGA输出LVDS信号实现对数字微镜器件的控制。数字微镜器件控制芯片提供数字微镜器件所需的电源和复位信号。

参阅图3，本发明的接收机控制电路8包括MCU、FPGA和信宿输出电路。光电传感阵列把恢复出的电信号送到FPGA，在FPGA内进行数据处理，并进行CRC数据校验，如果校验无误则通过信宿输出电路将数据输出，如果校验出现错误则向差错报警电路发出报警请求。

参阅图4，本发明的发射机控制电路的FPGA内数据处理的过程是FPGA接收来自信源输入电路的信源数据，对数据插入CRC校验码，再根据通信的要求加入所需的加密算法；对于分辨率为1920*1080的数字微镜器件，有1920*1080=2,073,600个微镜，每个微镜对应一条通信信道，所以需要将加密后的数据进行重排分配，将数据按照固定位宽分给每个微镜，再进行二进制PWM调制实现对数字微镜器件的控制。

参阅图5，本发明的接收机控制电路的FPGA内数据处理的过程是FPGA接收来自光电传感阵列的电信号输出，因为光电传感阵列上的每个像素对应一个微镜，所以需要将每个像素的恢复出的电信号先进行二进制PWM解调，然后进行重新组合，恢复成发射机部分原来的数据格式，再对数据进行解密，即执行加密运算的逆运算，然后执行CRC差错校验，如果没有出现错误，将数据通过数据总线输出到信宿输出电路输出，否则向报警电路发出报警请求。

参阅图6，该图为数字微镜器件的微镜工作过程示意图。图中A表示数字微镜器件上的一个微镜，每一个微镜都可以被控制向两个不同的方向翻转，分别对应“开”和“关”状态。通过控制微镜的翻转方向就可以实现对输入光信号的调制，当微镜处于“开”状态时，输入光信号被反射出去，代表输出“1”；当微镜处于“关”状态时，输入光信号被光吸收面吸收，没有光信号输出，代表输出“0”。

参阅图7，该图为入射光路将点光源转换成均匀面光源的示意图。

参阅图8，该图为光的PWM原理示意图，因为光电传感阵列是一个对光信号进行时间积分的器件，对于光电传感阵列上的一个像素，在固定周期内接受光照射的时间越长，那么恢复出的电信号电压值越大，这个原理和人眼感觉亮度信号是一致的；所以在一个固定周期t内即使将亮的时间分成几段分布在不同的时间上，只要占空比不变，由于积分效应，光电传感阵列恢复出的电压值是一样的，这就是光的PWM原理。

参阅图9，如果将这个固定周期划分成时间长度呈2的等比数列的时间段，那么就可以用二进制数据来表示这一段的PWM波形了，图9就是用4bit二进制数据来对通道1、2、3、4进行光的PWM调制。二进制数中的每一位与一个时间段对应，权重大的位对应较长的时间段，bit0、1、2、3对应的时间段长度分别是T、2T、4T、8T，所以4bit数据总的时间长度是15T，同理Nbit数据对应的总时间长度是（2^N-1）T。这里只是用4bit二进制数做示意，在设计时要根据实际情况选择合适的二进制位数。本系统选择的是8bit二进制数，这是根据CMOS器件的响应速度决定的。因为CMOS器件是慢速器件，不能像数字微镜器件那样快速地实现光电转换，所以利用光的PWM原理，将8bit的二进制数据按照PWM调制的方法输出，光电传感阵列上的一个像素每次光电转换恢复的是8bit的电信号。数字微镜器件的微镜翻转一次的时间是T=35us，所以发送8bit数据所需的时间是255T=255*35us=8.925ms，在这个时间下光电传感阵列可以正常完成一次光电转换。所以对于分辨率为1920*1080的数字微镜器件，采用8bit二进制PWM调制的系统传输速率可以达到1920*1080*8bit/(35us*255)=1.858689Gbps！

参阅图10，该图为2x2数字微镜阵列根据图9的信号实现对应已调光信号的过程示意图。微镜1、2、3、4分别对应图9中的通道1、2、3、4，通道1、2、3、4的发送数据为“1111”、“1010”、“0011”、“0000”，所以在bit0对应的1个T的时间内，微镜1、2、3、4的状态分别是“开”、“关”、“开”、“关”，在bit1对应的2个T的时间内，微镜1、2、3、4的状态分别是“开”、“开”、“开”、“关”，在bit2对应的4个T的时间内，微镜1、2、3、4的状态分别是“开”、“关”、“关”、“关”，在bit3对应的8个T的时间内，微镜1、2、3、4的状态分别是“开”、“开”、“关”、“关”。

参阅图11，系统上电后，MCU执行初始化程序，分别配置信源输入电路和信宿输出电路的初始化状态，FPGA配置芯片自动装载程序；然后通过信源输入电路把要发送的数据装载到发射机FPGA中；发射机FPGA对数据进行处理，并且输出LVDS信号驱动数字微镜器件对数据进行光的二进制PWM调制；光电传感阵列将接收到的光信号转换成电信号送到接收机FPGA；接收机FPGA对转换后的数据进行处理，并进行CRC差错校验，如果没有出现错误，则本次通信完成，等待下一次新的发送请求；如果出现错误，则发出通信错误信号，向报警电路发出报警请求，并检查是否需要重新发送，如果需要就重新装载发送数据，否则结束。

Claims (5)

1.一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信装置，其特征在于该装置包括：

激光光源（1），用于产生入射点光源；

入射光路（2），与激光光源（1）连接，用于把点光源变成均匀面光源，并入射到数字微镜器件上；

数字微镜器件（3），与入射光路（2）连接，利用微镜的开关作用将电信号转换成光信号输出，每一个微镜对应一条通信信道；

出射光路（4），与数字微镜器件（3）连接，将微镜反射出来的光信号进行光学处理，便于在自由空间传播；

发射机控制电路（5），与激光光源（1）和数字微镜器件（3）连接，对信源输入的信号进行数据处理，并实现对数字微镜器件的驱动控制；

接收光路（6），接收来自自由空间光通道的光信号，进行光路调整并输出给光电传感阵列；

光电传感阵列（7），与接收光路（6）连接，其感光像素与数字微镜器件的微镜是一一对应的关系，感光像素将接收到的光信号进行光电转换，恢复出对应的电信号；

接收机控制电路（8），与光电传感阵列（7）和差错报警电路（9）连接，对光电传感阵列恢复的电信号进行数据处理，并进行校验，无误则输出，否则向差错报警电路发出报警请求；

差错报警电路（9），接收来自接收机控制电路的报警请求，并发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于发射机控制电路（5）包括MCU、FPGA、信源输入电路和数字微镜器件控制芯片，MCU控制信源输入电路的工作状态，信源输入电路接收信源输入并通过数据总线与FPGA连接，FPGA对输入的数据进行处理，数字微镜器件控制芯片提供数字微镜器件所需的复位信号。

3.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于接收机控制电路（8）包括MCU、FPGA和信宿输出电路，FPGA对光电传感阵列恢复的电信号进行处理，并将处理后的数据通过信宿输出电路输出，MCU控制信宿输出电路的工作状态。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于光电传感阵列（7）为CMOS器件。

5.一种基于数字微镜器件的多通道无线激光通信方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

信源数据通过信源输入电路送给发射机FPGA；

在发射机FPGA内对信源数据插入CRC校验码；

在发射机FPGA内对插入CRC校验码的数据进行加密；

在发射机FPGA内把加密后的数据重排分配给各个信道，并进行二进制PWM调制；

发射机FPGA输出LVDS信号，驱动数字微镜器件输出对应的光信号；

光电传感阵列将接收到的光信号转换成电信号输出到接收机FPGA；

在接收机FPGA内对光电传感阵列每个像素恢复的电信号进行二进制PWM解调；

在接收机FPGA内对解调后的数据进行重新组合；

在接收机FPGA内对重组后的数据执行加密过程的逆运算即进行解密；

在接收机FPGA内对解密后的数据进行CRC差错校验；

如果CRC差错校验没有发现错误，则输出数据，否则向报警电路发出报警请求。

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