CN104467906A - 超高速数字信号无线收发器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高速数字信号无线收发器，由发送端子系统和接收端子系统构成，发送端子系统和接收端子系统通过无线通信连接；发送端子系统和接收端子系统均由光电转换模块、串并转换模块、FPGA数字信号处理模块和无线通信模块组成。本发明可以有效的实现具有相对运动设备的超高速数字信号无线传输，降低设备间相对运动连接部件所需的加工精度，增强系统可靠性同时可以有效的降低设备成本。
Description
技术领域
本发明属于无线数字技术领域，主要涉及一种用于数字信号传输的装置，特别是涉及一种超高速数字信号无线收发器，实现接收与发射两端存在相对运动的1Gbps以上的光纤数字信号的非接触式传输。
背景技术
在医疗电子设备中，CT检测，特别是多层CT检测得到了广泛的应用，而CT的测试探头位于转动结构，显示存储设备位于静止结构上，两者存在相对运动，导致大数据量的采集数据需要通过非接触方式传输。已知的超高速非接触式数字传输器是采用近场电场耦合或激光传输的技术实现1Gbps以上的数字信号传输。但是对于近场电场耦合方式传输，技术难度高，设备加工精度对于系统性能影响较大，激光传输技术对于运动产生的震动噪声和位移难以控制，对于应用在具有相对运动的设备间实现超高速数字信号传输还存在着成本偏高及系统误码率难以满足要求等缺点。
发明内容
发明目的：
为克服近场耦合和激光传输原理方案的技术难度高，载体设备加工精度高的缺点以降低传输系统的成本，本发明提出了一种基于远场无线通信原理的超高速数字信号无线收发器，可以在10米范围内任意两点间设置收发装置，在相对运动速度小于10米/秒时可以有效的进行数据传输，对载体的形状和加工精度没有任何要求。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：
一种超高速数字信号无线收发器，该收发器由发送端子系统和接收端子系统构成，其特征在于：发送端子系统和接收端子系统通过无线通信进行数据传输；发送端子系统和接收端子系统均由四个模块组成，分别为：光电转换模块、串并转换模块、FPGA数字信号处理模块和无线通信模块。
收发器以单模光纤（550nm）LC接口，作为与其他设备的数据接口，通过系统参数的调整实现195Mbps-1.1Gbps速率数字链路的无线传输。
发送端子系统包括光电转换模块、串并转换模块、发送端FPGA模块（3）和无线发送装置；光电转换模块连接串并转换模块，串并转换模块连接发送端FPGA模块，发送端FPGA模块连接无线发送装置。
接收端子系统包括光电转换模块、串并转换模块、接收端FPGA模块和无线接收装置；光电转换模块连接串并转换模块，串并转换模块连接接收端FPGA模块，接收端FPGA模块连接无线接收装置。
收发器的天线放置在由两个U型环构成的环状封闭区域内，两个U型环为金属固定环与金属转动环，两者紧密扣在一起形成封闭空间，两者存在相对运动间隙；接收端子系统设置在接收装置放置位置，发送端子系统设置在发送装置放置位置。
优点和效果：
本发明在超高速数字信号系统中，利用远场无线通信技术解决信号非接触式传输的需求，远场无线通信单元中采用基于多天线及正交频分复用技术构建的通信模组，利用FPGA对通信模组基带信号的处理，实现超高速光纤与无线通信模组的数据对接，为改善无线通信模组信道特性引入的误码问题，FPGA的基带数字信号处理中，相应的引入了差错控制技术，达到了降低系统误码率的目的。
本发明可以有效的实现具有相对运动设备的超高速数字信号无线传输，降低设备间相对运动连接部件所需的加工精度，增强系统可靠性同时可以有效的降低设备成本。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为U型环结构及放置示意图；
图3为光电转换模块及串并转换模块电路图；
图4为发送端FPGA模块电路图；
图5为无线发送装置电路图；
图6为无线接收装置电路图；
图7为接收端FPGA模块电路图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行具体说明：
本发明是一种超高速数字信号无线收发器，该收发器由发送端子系统和接收端子系统构成，其特征在于：发送端子系统和接收端子系统通过无线通信进行数据传输；发送端子系统和接收端子系统均由四个模块组成，分别为：光电转换模块、串并转换模块、FPGA数字信号处理模块和无线通信模块。
收发器以单模光纤（550nm）LC接口，作为与其他设备的数据接口，通过系统参数的调整实现195Mbps-1.1Gbps速率数字链路的无线传输。
发送端子系统包括光电转换模块1、串并转换模块2、发送端FPGA模块3和无线发送装置4；光电转换模块1连接串并转换模块2，串并转换模块2连接发送端FPGA模块3，发送端FPGA模块3连接无线发送装置4。
接收端子系统包括光电转换模块1、串并转换模块2、接收端FPGA模块6和无线接收装置5；光电转换模块1连接串并转换模块2，串并转换模块2连接接收端FPGA模块6，接收端FPGA模块6连接无线接收装置5。
如图2中所示，收发器的天线放置在由两个U型环构成的环状封闭区域内，两个U型环为金属固定环7与金属转动环8，两者紧密扣在一起形成封闭空间，两者存在相对运动间隙；接收端子系统设置在接收装置放置位置9，发送端子系统设置在发送装置放置位置10。
图1中 1为550nm光电转换模块，采用Finisar公司的SFP_ FTRJ8519F1MN模块，2为串并转换模块，采用sypress公司的syp15g1010bx芯片，3为发送端FPGA模块，4为无线发送装置，采用Amimon 公司WHD-200T传送器及Analog Device公司的ADC7511接口转换芯片，5为无线接收装置，采用Amimon 公司WHD-200T接收器及Analog Device公司的ADC7612接口转换芯片，6为接收端FPGA模块；7为金属固定环，8为金属转动环，两者紧密扣在一起形成封闭空间，两者存在相对运动间隙，9为接收装置放置位置，10为发送装置放置位置。
本发明的光电转换模块1 与串并转换模块2 通过两对差分信号线相连，分别为图3中的in+ in-和out+ out-。串并转换模块2与发送端FPGA模块3 通过图3中的引脚标号为TXD[0-7]和TXCT[0-1]构成10路并行总线进行数据交互。发送端FPGA模块3与无线发送装置4 通过图4中DTX[0-35],VCLK_TX,DE_TX,HSYNC,VSYNCY引脚与图5中的无线发送模块接口转换ADC7511芯片相连，无线发送模块接口转换芯片通过图5中的TXAC+ TXAC- TXA0+ TXA0- TXA1+ TXA1- TXA2+ TXA2-与WHD-200T传送器进行数据传输。
图6中，无线接收装置5接收高速无线数据，通过引脚TXAC+ TXAC- TXA0+ TXA0- TXA1+ TXA1- TXA2+ TXA2-与无线接收接口转换芯片进行数据交互，再通过图6中DRX[0-35],VCLK_RX,DE_RX,HS_CS_RX,VS_FIELD_RX引脚与接收端FPGA模块6相连，接收端FPGA模块6再通过引脚标号为RXD[0-7]和RXCT[0-1]构成10路并行总线与串并转换模块2）相连，串并转换模块2再通过两对差分信号线与光电转换模块1相连完成数据传递。
本发明工作原理如下：
1、发送端195M-1.1Gbps光纤数字信号通过光电转换后得到差分数字信号，最大1.1Gbps差分数字信号经串并转换模块处理得到10路19.5M-110Mbps并行信号，再经FPGA模块差错控制编码及补位得到10路39.25-165Mbps的并行信号，经无线信号传输到接收端。
2、接收端将无线信号转换成10路39.25-165Mbps的并行信号, 再经去冗余及差错控制解码得到10路19.5M-110Mbps并行信号，再经串并转换模块恢复为195M-1.1Gbps的差分串行信号，经光电转换恢复为195M-1.1Gbps光纤数字信号。
本发明基带信号单元的处理器采用了Xilinx公司XC3S500E数字信号处理器，可以高速对数字信号进行处理，针对系统传输信号的特性加载数字信号差错控制方法，提高传输装置的误码率。
本发明采用的Turbo码作为差错控制手段。
Turbo码的应用包含3种技术：（1）递归系统卷积码（RSC）作为分量码，（2）随机交织器，（3）软输出迭代解码算法。对于Turbo码的设计主要集中在算法中成员码的选择、交织器的设计、译码算法的设计、成员码编码器归零处理及停止迭代判据选择等。
（1）解码迭代次数设计
通过研究发现随着解码迭代次数的增加，BER逐渐减小。综合考虑原始数据误码率，系统处理延时及纠错性能，选择合理的迭代次数。
（2）分量编码RSC设计
随着RSC分量编码器移位寄存器数量的增加，Turbo码的纠错性能也在提高。本发明采用的生成矩阵传递函数为[3721]的Turbo码。
（3）交织器类型，大小和信息序列长度设计
一般情况下交织器大小和信息序列的分组长度相同，本发明采用改进型S伪随机交织器，通过综合迭代次数，编码器类型， 原始数据误码率，系统处理延时及纠错性能对不同的长度进行分析，设置合理的交织长度与信息长度，完成纠错算法设计。
通过验证纠错算法分析，可将数据误码率降低6-7个数量级。
发明在工作时需要发送装置和接收装置同时工作，工作过程如下：
1、光纤数字信号进入到图1中发送端光纤收发模块，再将进行光电转换后的高速差分数字信号送入图1中的串并转换模块，将高速串行数字信号转换成中速并行信号，送入FPGA进行信号调理，在将处理后的信号送入无线发送模块中，实现超高速数字信号的无线发送。FPGA的作用是对数据进行编码，实现信号的差错控制。
2、在图1接收装置中无线接收模块实现信号接收，并将接收到的信号送入图1的FPGA中，完成信号的解码及并行数据同步，恢复的多路并行信号再经并串转换模块转换成为高速差分数字信号，再将差分信号送入光纤收发模块，实现电信号向光信号的转换。从而实现了超高速光纤信号的非接触传递。
3、收发装置的天线放置在由两个U型环构成的环状封闭区域内，如图2所示，其中一个固定在静止结构上的金属U型环放置接收装置，一个安装在转动结构上的金属U型环内放置发射装置，两个U形环扣在一起，形成闭合的环状封闭区域，对外电子干扰形成屏蔽。无线信号在封闭区域内传播可以有效的避免其他设备的电磁干扰信号对无线通信系统的影响。
Claims (5)
1.一种超高速数字信号无线收发器，该收发器由发送端子系统和接收端子系统构成，其特征在于：发送端子系统和接收端子系统通过无线通信进行数据传输；发送端子系统和接收端子系统均由四个模块组成，分别为：光电转换模块、串并转换模块、FPGA数字信号处理模块和无线通信模块。
2. 根据权利要求1所述的超高速数字信号无线收发器，其特征在于：收发器以单模光纤（550nm）LC接口，作为与其他设备的数据接口，通过系统参数的调整实现195Mbps-1.1Gbps速率数字链路的无线传输。
3. 根据权利要求1所述的超高速数字信号无线收发器，其特征在于：发送端子系统包括光电转换模块（1）、串并转换模块（2）、发送端FPGA模块（3）和无线发送装置（4）；光电转换模块（1）连接串并转换模块（2），串并转换模块（2）连接发送端FPGA模块（3），发送端FPGA模块（3）连接无线发送装置（4）。
4. 根据权利要求1所述的超高速数字信号无线收发器，其特征在于：接收端子系统包括光电转换模块（1）、串并转换模块（2）、接收端FPGA模块（6）和无线接收装置（5）；光电转换模块（1）连接串并转换模块（2），串并转换模块（2）连接接收端FPGA模块（6），接收端FPGA模块（6）连接无线接收装置（5）。
5. 根据权利要求1所述的超高速数字信号无线收发器，其特征在于：收发器的天线放置在由两个U型环构成的环状封闭区域内，两个U型环为金属固定环（7）与金属转动环（8），两者紧密扣在一起形成封闭空间，两者存在相对运动间隙；接收端子系统设置在接收装置放置位置（9），发送端子系统设置在发送装置放置位置（10）。
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