CN103684597A - 基于fpga的可见光视频通信系统及方法 - Google Patents

基于fpga的可见光视频通信系统及方法 Download PDF

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韩大海
汪新勇
张民
焦璐
李青
王绪峰
李昂
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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的可见光视频通信系统及方法，将待传输的视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码控制模块；FPGA信号编码控制模块将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；为LED光源提供直流偏置电压，并与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；耦合处理后的混合信号被传输至LED光源，驱动LED光源发光产生光脉冲信号；将光脉冲信号转换为电压信号，提取电压信号中的时钟信号和数据信号；根据时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块进行视频播放。本发明能够实现短距离、高速率的可见光视频通信。

Description

基于FPGA的可见光视频通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的可见光视频通信系统及方法。
背景技术
LED具有响应灵敏度高、调制性能好、发射功率大等优点，利用这些特点，可将数据调制到LED可见光上进行传输，构成短距离、大容量的可见光视频通信系统，从而实现照明的同时也能通信的双重效果。与传统射频通信和其它光无线通信相比，可见光无线通信具有无需无线电频谱认证，不存在电磁干扰，保密性好等优势，特别适合医疗、矿井、机场和保密会议室等特殊场合的应用。
目前所用的WiFi无线传输方式存在大量的电磁辐射干扰，特别是在特殊场合，比如医院，机场和其他电磁敏感区域，无线WiFi传输方式受到很大限制。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的是提出一种基于现场可编程逻辑门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）的可见光视频通信系统及方法，以实现短距离、高速的可见光视频通信。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于FPGA的可见光视频通信方法，包括：
S1、将待传输的视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码控制模块；
S2、FPGA信号编码控制模块采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
S3、将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
S4、为LED光源提供直流偏置电压，并与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
S5、耦合处理后的混合信号被传输至LED光源，驱动LED光源发光产生光脉冲信号；
S6、将光脉冲信号转换为光电流信号；
S7、将光电流信号转换为电压信号，提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
S8、根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块进行视频播放。
优选地，对光脉冲信号进行汇聚和滤光；
然后将滤光后的光脉冲信号转换为光电流信号。
本发明还提出了一种基于FPGA的可见光视频通信系统，包括：
视频流生成模块，用于将视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码处理模块；
FPGA信号编码控制模块，用于采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
驱动电路，将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
LED偏置电路，为LED光源提供直流偏置电压，与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
LED光源，在耦合处理后的混合信号的驱动下发光产生光脉冲信号；
光电探测器，用于将光脉冲信号转换为光电流信号；
前置放大电路，用于将光电流信号进行跨阻放大，转换为电压信号；
时钟数据恢复电路，用于提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
FPGA解码控制模块，用于根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块；
视频播放模块，用于接收以太网口传输的解码后的信号并进行视频播放。
优选地，光电探测器前还包括：
汇聚透镜，用于汇聚LED光源发出的光脉冲信号；
蓝光滤光片，用于对汇聚后的光脉冲信号进行滤光。
（三）有益效果
本发明的实施例中，以FPGA为主要信号处理模块实现可见光视频通信，FPGA具有可重复编程的灵活性和并行处理能力，具有较强的信号处理能力，如信号的量化、编码、调制解调等，并且FPGA在信号滤波方面也具有优势，因此，将FPGA应用在可见光视频通信系统中的信号处理方面是比较理想的选择。
本发明的实施例中，为了满足时钟数据恢复电路的数据传输速率要求，需要在对信号进行编码前首先进行FIFO缓存，使得编码后的信号传输速率提高，而为了满足以太网口的传输速率，需要在对信号进行解码后首先进行FIFO缓存再经以太网口传输，使得视频流信号能够进行流畅传输。
本发明的实施例中通过相应的硬件电路和FPGA信号编码/解码控制模块实现系统的断点续传功能，即当无线光信号被障碍物阻断后，由于光电探测器无法接收到光信号，因此视频停止播放；当障碍物移开之后，光电探测器恢复接收光信号，从而恢复视频播放。
本发明的实施例中提出的基于FPGA的可见光视频通信系统和方法具有无需无线电频谱认证，不存在电磁干扰，保密性好等优势，特别适合医疗、矿井、机场和保密会议室等特殊场合的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于FPGA的可见光视频通信方法的流程图；
图2为本发明实施例中基于FPGA的可见光视频通信系统框图；
图3为本发明系统实施例中发送端FPGA信号处理模块框图；
图4为本发明系统实施例中接收端FPGA探测恢复模块框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
参见图1，为了实现可见光视频通信，本发明实施例提出了一种基于FPGA的可见光视频通信方法，包括：
S1、将待传输的视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码处理模块；
S2、FPGA信号编码处理模块采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
S3、将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
S4、为LED光源提供直流偏置电压，并与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
S5、耦合处理后的混合信号被传输至LED光源，驱动LED光源发光产生光脉冲信号；
S6、将光脉冲信号转换为光电流信号；
S7、将光电流信号转换为电压信号，提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
S8、根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块进行视频播放。
本发明的上述实施例中，以FPGA为主要信号处理模块实现可见光通信，FPGA具有可重复编程的灵活性和并行处理能力，具有较强的信号处理能力，如信号的量化、编码、调制解调等，并且FPGA在信号滤波方面也具有优势，因此，将FPGA应用在可见光视频通信系统中的信号处理方面是比较理想的选择。
本发明的上述实施例中，为了提高接收端的信噪比，将光脉冲信号转换为光电流信号之前首先将光脉冲信号进行汇聚；同时由于所用白光LED光源的发光原理是蓝光基片激发黄色荧光粉而成的，对蓝光的响应速率较高，因此，采用蓝光滤光片对汇聚后的光脉冲信号进行滤光后再将其转换成光电流信号，以提高系统的传输速率。
因此，参见图2，本发明实施例中提出的基于FPGA的可见光视频通信方法包括：
1、在PC电脑上利用视频流生成软件将待传输的视频生成视频流信号；
2、采用UDP协议经以太网口发送视频流信号；
3、采用FPGA接收以太网口发送的视频流信号，并将视频流信号进行FIFO缓存和编码；
4、将编码后的视频流信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
5、为LED光源提供直流偏置电压，并与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号，从而使得当没有视频信号传输时LED光源也能够发光，实现照明；
6、耦合处理后的混合信号传输到LED光源，驱动LED光源发光；
7、LED光源将耦合后的信号转换成光脉冲信号后，光脉冲信号以自由空间为媒介进行无线传输；
8、采用汇聚透镜对光脉冲信号进行汇聚；
9、通过蓝光滤光片对汇聚后的光脉冲信号进行滤波处理；
10、将滤波后的光脉冲信号转换成光电流信号；
11、将光电流信号进行跨阻放大，转换为电压信号；
12、提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
13、根据提取的时钟信号对提取的数据信号进行解码；
14、将解码后的信号进行FIFO缓存；
15、将FIFO缓存的信号经以太网口发送至PC电脑进行视频播放。
参见图3和图4，本发明的另一个实施例还提出了一种基于FPGA的可见光视频通信系统，包括：
视频流生成模块，用于将视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码处理模块；
FPGA信号编码控制模块，用于采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
驱动电路，将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
LED偏置电路，为LED光源提供直流偏置电压，与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
LED光源，在耦合处理后的混合信号的驱动下发光产生光脉冲信号；
光电探测器，用于将光脉冲信号转换为光电流信号；
前置放大电路，用于将光电流信号进行跨阻放大，转换为电压信号；
时钟数据恢复电路，用于提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
FPGA解码控制模块，用于根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块；
视频播放模块，用于接收以太网口传输的解码后的信号并进行视频播放。
本发明系统的上述实施例中，所述LED光源是蓝光基片激发黄色荧光粉而发出白光的；
所述光电探测器前还包括：
汇聚透镜，用于汇聚LED光源发出的光脉冲信号；
蓝光滤光片，用于对汇聚后的光脉冲信号进行滤光。
因此，本发明实施例的有益效果是：
本发明的实施例中，以FPGA为主要信号处理模块实现可见光视频通信，FPGA具有可重复编程的灵活性和并行处理能力，具有较强的信号处理能力，如信号的量化、编码、调制解调等，并且FPGA在信号滤波方面也具有优势，因此，将FPGA应用在可见光视频通信系统中的信号处理方面是比较理想的选择。
本发明的实施例中，为了满足时钟数据恢复电路的数据传输速率要求，需要在对信号进行编码前首先进行FIFO缓存，使得编码后的信号传输速率提高，而为了满足以太网口的传输速率，需要在对信号进行解码后首先进行FIFO缓存再经以太网口传输，使得视频流信号能够进行流畅传输。
本发明的实施例中通过相应的硬件电路和FPGA信号编码/解码控制模块实现系统的断点续传功能，即当无线光信号被障碍物阻断后，由于光电探测器无法接收到光信号，因此视频停止播放；当障碍物移开之后，光电探测器恢复接收光信号，从而恢复视频播放。
本发明的实施例中提出的基于FPGA的可见光视频通信系统和方法具有无需无线电频谱认证，不存在电磁干扰，保密性好等优势，特别适合医疗、矿井、机场和保密会议室等特殊场合的应用。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的可见光视频通信方法，其特征在于，包括：
S1、将待传输的视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码控制模块；
S2、FPGA信号编码控制模块采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
S3、将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
S4、为LED光源提供直流偏置电压，并与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
S5、耦合处理后的混合信号被传输至LED光源，驱动LED光源发光产生光脉冲信号；
S6、将光脉冲信号转换为光电流信号；
S7、将光电流信号转换为电压信号，提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
S8、根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块进行视频播放。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的可见光视频通信方法，步骤S6包括：
对光脉冲信号进行汇聚和滤光；
将滤光后的光脉冲信号转换为光电流信号。
3.一种基于FPGA的可见光视频通信系统，其特征在于，包括：
视频流生成模块，用于将视频转化为视频流信号，并经以太网口将所述视频流信号传输给FPGA信号编码处理模块；
FPGA信号编码控制模块，用于采用FPGA将视频流信号进行FIFO缓存之后对接收的视频流信号进行编码；
驱动电路，将编码后的信号进行无失真放大，使得放大后的信号与LED光源特性相匹配；
LED偏置电路，为LED光源提供直流偏置电压，与放大后的信号进行耦合处理产生混合信号；
LED光源，在耦合处理后的混合信号的驱动下发光产生光脉冲信号；
光电探测器，用于将光脉冲信号转换为光电流信号；
前置放大电路，用于将光电流信号进行跨阻放大，转换为电压信号；
时钟数据恢复电路，用于提取电压信号中的时钟信号和数据信号；
FPGA解码控制模块，用于根据提取的时钟信号对数据信号进行解码和FIFO缓存，并经以太网口传输给视频播放模块；
视频播放模块，用于接收以太网口传输的解码后的信号并进行视频播放。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的可见光视频通信系统，光电探测器前还包括：
汇聚透镜，用于汇聚LED光源发出的光脉冲信号；
蓝光滤光片，用于对汇聚后的光脉冲信号进行滤光。
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