CN105262539A - 一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置，包括发送端、可见光信道和接收端，所述发送端包括第一DSP辅助模块、DSP发送模块、DC/DC驱动模块、DAC模块、信号耦合模块和LED光源模块，所述接收端包括可见光探测模块、前置放大与滤波模块、增益自调整模块、差分变换模块、差分ADC模块、DSP接收模块、第二DSP辅助模块，所述LED光源模块发出的光信号通过可见光信道传输至可见光探测模块。本发明通过自适应增益技术调整接收端信号的幅度，使其处于电子器件的线性工作范围内；本发明可降低通信装置的误码率，并实现在较大通信距离范围内误码率的均一化，从而为室内短途无线通信提供解决方案。

Description

一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置。

背景技术

随着新型材料、工艺及发光机理的革新，LED器件的发光效率和发光功率已得到了大幅提升，满足了其作为照明光源的基本要求，如今白光LED的光效已超过100lm/W，远超过白炽灯的光效(15lm/W)和荧光灯的光效(75lm/W)。与传统白炽灯和荧光灯相比，LED由于在节能、环保、光效等方面的优势，白光发光二极管（LED）逐步取代传统照明设备（如白炽灯）成为主流照明设备。基于白光LED的可见光通信技术也逐步发展并深入人心，它是一种利用快速的光脉冲无线传输信息的技术。由于该技术具有无电磁干扰、安全性好保密性高且能在通信的同时照明的优点，作为室内短途无线通信网络的一种替补方式有着良好的发展前景，也使之成为目前人们的研究热点。

相对于有线通信，可见光无线通信存在背景光干扰、多径干扰等技术难题，为了在复杂条件下能够可靠地传输信息并提高通信质量，正交频分复用以及离散多音频调制技术等多载波调制技术成为了众多科研工作者的研究热点。正交频分复用的核心思想是将串行的高速数据流传输利用串并转换技术分成多个并行的数据流传输，并调制在多个满足正交条件的子载波上从而实现高速数据的传输。这样做不但可以去除载波之间的相关性，而且充分利用了普通多载波调制所浪费的频带资源，进而显著提高了频谱利用率。

目前，正交频分复用可见光通信系统存在两个问题：一是，随着通信距离的增加，接收端接收到的信号随之减小，给后端光信号的探测带来很大困难；二是，可见光信道存在的线性失真为应用快速傅里叶变换还原信号带来困难，导致误码率增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置，用于改善正交频分复用可见光通信装置在不同通信距离下的性能，使系统的误码率在较大通信距离范围内处于一定水平上，克服现有正交频分复用可见光通信系统误码率对通信距离敏感造成的误码率高、通信距离短等缺点。

为了实现上述的目的，采用如下的技术方案。一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置，包括发送端、可见光信道和接收端，可见光信道为发送端至接收端的可见光自由传输空间，发送端与接收端由可见光信道连接；

所述发送端包括第一DSP辅助模块、第一按键模块、第一显示模块、DSP发送模块、DC/DC驱动模块、DAC模块、信号耦合模块和LED光源模块，第一DSP辅助模块内各单元与DSP发送模块电连接，第一按键模块的输出端与DSP发送模块电连接，第一显示模块的输入端与DSP发送模块电连接，DC/DC驱动模块的输入端与DSP发送模块电连接，DAC模块的输入端与DSP发送模块电连接，DC/DC驱动模块的输出端和DAC模块的输出端分别和信号耦合模块的两个输入端相连，信号耦合模块的输出端和LED光源模块的输入端电连接；

所述接收端包括可见光探测模块、前置放大与滤波模块、增益自调整模块、差分变换模块、差分ADC模块、DSP接收模块、第二DSP辅助模块、第二按键模块和第二显示模块，可见光探测模块的输出端与前置放大与滤波模块的输入端电相连，前置放大与滤波模块的输出端与增益自调整模块的信号输入端电相连，增益自调整模块的输出端与差分变换模块的输入端电相连，差分变换模块的输出端与差分ADC模块的输入端电相连，差分ADC模块的输出端与DSP接收模块电相连，增益自调整模块的控制输入端与DSP接收模块电相连，第二DSP辅助模块内各单元与DSP接收模块电连接，第二按键模块的输出端与DSP接收模块电连接，第二显示模块的输入端与DSP接收模块电连接；

所述LED光源模块发出的可见光信号直接进入可见光信道传输，经由可见光信道传输的可见光信号入射至可见光探测模块。

所述第一DSP辅助模块包括第一供电单元、第一SRAM单元、第一SROM单元、第一复位单元和第一JTAG单元，第一供电单元向发送端各模块提供所需的工作电压，第一SRAM单元与DSP发送模块电相连，第一SRAM单元与DSP发送模块电相连，第一复位单位与DSP发送模块电相连，第一JTAG单元与DSP发送模块电相连。

所述第二DSP辅助模块包括第二供电单元、第二SRAM单元、第二SROM单元、第二复位单元和第二JTAG单元，第二供电单元向接收端各模块提供所需的工作电压，第二SRAM单元与DSP接收模块电相连，第二SRAM单元与DSP发送模块电相连，第二复位单位与DSP发送模块电相连，第二JTAG单元与DSP发送模块电相连。

所述DC/DC驱动模块包括MOS管驱动器、PMOS管、Robycon电解电容、闭磁式功率电感、续流二极管，MOS管驱动器输出端与PMOS管相连，PMOS管输出端分别与闭磁式功率电感一端、续流二极管一端连接，Robycon电解电容分别与续流二极管另一端、闭磁式功率电感另一端连接。所述DAC模块包括双通道数字-模拟转换器。

所述可见光探测模块包括光电二极管、双通道高速低噪声运放芯片、多个电阻，可见光信号由光电二极管探测并输入到双通道高速低噪声运放芯片的输入端，双通道高速低噪声运放芯片使用多个电阻搭建成前端去噪放大电路，将可见光信号转换为可供后端探测的电信号输出。

所述前置放大与滤波模块包括低失真差分驱动器、电阻及电容，前端信号输入到低失真差分驱动器中，多个电阻将低失真差分驱动器搭建成前置放大器，其输出信号经过旁路电容滤波输出。

所述增益自调整模块包括零漂移程控放大器和电阻，放大及滤波信号输入到程控放大器中，程控放大器控制信号与DSP接收模块相连接，程控放大器输出端采用电容、电阻组成的RC滤波输出信号。

所述差分变换模块包括低失真差分驱动器、电容和电阻，前端信号输入经过电容、电阻进行滤波进入低失真差分驱动器中，产生两路幅值大小相等，相位极性相反的差分信号输出。

所述差分ADC模块包括差分型模拟-数字转换芯片、稳压模块、电容，差分信号输入到差分型模拟-数字转换芯片中，稳压模块输入接电源，输出标准电压接差分型模拟-数字转换芯片的电压基准端，多个电容连接到电源、地、信号之间作为滤波功能，差分型模拟-数字转换芯片输出信号送到DSP接收模块中进行数据处理及显示。

发送端的工作过程：DSP发送模块通过第一按键模块读取用户输入的信息、数据启动发送命令、数据停止发送命令等；当启动发送后，DSP发送模块控制DC/DC模块产生LED光源模块所需的直流电压，另一方面将要发送的数据进行串并转换、编码、快速傅里叶逆变换、插入导频、归一化和量化处理后变换为串行的数字量，并按照设定的时间间隔将数字量发送给DAC模块，后者输出正交频分复用基带信号；DAC模块输出的正交频分复用基带信号和DC/DC驱动模块产生的直流电压经信号耦合模块叠加后以驱动LED光源模块，使其发出的可见光信号加载了有用信息。该可见光信号通过可见光信道到达接收端。

接收端的工作过程：可见光探测模块将可见光信号变换为电信号，由前置放大与滤波模块放大以及去除噪声，并经增益自调整模块做信号幅度调理；调理后的信号经由差分变换模块被变换为差分信号后被传送至差分ADC模块；DSP接收模块经由差分ADC模块读取模拟电压，对其做如下处理：移除块状导频、快速傅里叶变换、信道估计、恢复原始数据、解码，最终得到有用信息，并将其显示到第二显示模块上。

增益自调整的过程：DSP接收模块通过差分ADC模块读取模拟电压，得到信号的幅度值（信号的最大值与最小值的差值）；若信号的幅度小于设定的最小值，则DSP接收模块发送命令控制增益自调整模块，增大该模块的增益；若信号的幅度大于设定的最大值，则DSP接收模块发送命令控制增益自调整模块，减小该模块的增益。

与现有技术相比，本发明通过自适应增益技术调整接收端信号的幅度，使其处于电子器件的线性工作范围内；本发明可降低通信装置的误码率，并实现在较大通信距离范围内误码率的均一化，从而为室内短途无线通信提供解决方案。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的结构如图1所示，本发明包括发送端、可见光信道和接收端；发送端与接收端经由可见光信道相连。发送端包括第一DSP辅助模块、第一按键模块、第一显示模块、DSP发送模块、DC/DC驱动模块、DAC模块、信号耦合模块、LED光源模块；接收端包括可见光探测模块、前置放大与滤波模块、增益自调整模块、差分变换模块、差分ADC模块、DSP接收模块、第二DSP辅助模块、第二按键模块和第二显示模块；可见光信道为发送端至接收端的可见光自由传输空间。

发射端各模块之间的连接关系为：第一DSP辅助模块内各单元与DSP发送模块电连接；第一按键模块的输出端与DSP发送模块电连接；第一显示模块的输入端与DSP发送模块电连接；DC/DC驱动模块的输入端与DSP发送模块电连接；DAC模块的输入端与DSP发送模块电连接；DC/DC驱动模块的输出端和DAC模块的输出端分别和信号耦合模块的两个输入端相连；信号耦合模块的输出端和LED光源模块的输入端电连接。

LED光源模块发出的可见光信号直接进入可见光信道传输，经由可见光信道传输的可见光信号入射至可见光探测模块。

接收端各模块之间的连接关系为：可见光探测模块的输出端与前置放大与滤波模块的输入端电相连；前置放大与滤波模块的输出端与增益自调整模块的信号输入端电相连；增益自调整模块的输出端与差分变换模块的输入端电相连；差分变换模块的输出端与差分ADC模块的输入端电相连；差分ADC模块的输出端与DSP接收模块电相连；增益自调整模块的控制输入端与DSP接收模块电相连；第二DSP辅助模块内各单元与DSP接收模块电连接；第二按键模块的输出端与DSP接收模块电连接；第二显示模块的输入端与DSP接收模块电连接。

第一DSP辅助模块包括第一供电单元、第一SRAM单元、第一SROM单元、第一复位单位、第一JTAG单元；各单元之间的连接关系为：第一供电单元向发送端各模块提供所需的工作电压；第一SRAM单元与DSP发送模块电相连；第一SRAM单元与DSP发送模块电相连；第一复位单位与DSP发送模块电相连；第一JTAG单元与DSP发送模块电相连。

第二DSP辅助模块包括第二供电单元、第二SRAM单元、第二SROM单元、第二复位单位、第二JTAG单元；各单元之间的连接关系为：第二供电单元向接收端各模块提供所需的工作电压；第二SRAM单元与DSP接收模块电相连；第二SRAM单元与DSP接收模块电相连；第二复位单位与DSP接收模块电相连；第二JTAG单元与DSP接收模块电相连。

DSP发送模块/DSP接收模块采用美国德州仪器（TI）公司生产的32位DSP芯片，型号为TMS320F2812PGF。第一按键模块/第二按键模块包括4个机械按键，分别与DSP发送模块/DSP接收模块相连；第一显示模块/第二显示模块采用OLED显示器，其输入端与DSP发送模块/DSP接收模块相连，输出端与OLED显示器相连。第一DSP辅助模块/第二DSP辅助模块包括供电单元、参考稳压电源单元、外部存储单元、LED指示灯单元、JTAG接口、复位单元。各单元详细信息与连接关系为：供电单元采用型号为PS767D301双电压调节稳压器，输出端连接外接电源，输出端为5V及3.3V电压，该输出端与其他各单元电源输入端相连，且每个输入端与地之间均采用0.1uF滤波电容连接；参考稳压电源单元采用CJ431AIZ精密可调基准电源，输出端更为精准电压与DSP发送模块/DSP接收模块中的ADC引脚相连；外部存储单元包括一片512K*16为字长的高速SRAM存储器IS61LV51216，以及一片1M*16位的COMOS并行多功能FLASH存储器SST39VF160，两片存储器输入输出端均与DSP发送模块/DSP接收模块相连；LED指示灯输入端采用普通发光二极管，其输入端与DSP发送模块/DSP接收模块相连；DSP发送模块/DSP接收模块通过JTAG接口下载程序调试，复位单元采用74HC08与机械按键，产生的复位信号输出至DSP发送模块/DSP接收模块。

DC/DC驱动模块采用BUCK型拓补电路，采用的主要元件为MOS管驱动器ADP3624ARZ，PMOS管SI4405，滤波电容为Robycon电解电容（大小为2200μF），储能电感为闭磁式功率电感（大小为102），续流二极管为超快恢复二极管HER207。

DAC模块采用TI公司的12位、双通道数字-模拟转换器，型号为DAC2932。AGND和DGND分别为模拟地和数字地，+3V_send和+3VD_send分别为模拟电源和数字电源，数字电源与DSP核心板共用3.3V。A12_send-A1_send为该芯片的12个数据端口，CLK与CS分别为驱动芯片所必需的时钟信号和片选信号。该芯片输入由DSP发送模块控制，输出为LED光源所需的直流电压。

信号耦合模块采用LINEAR公司电流反馈型运算放大器LT1210作为耦合直流成分和交流成分，以及放大信号的作用，其中DC_LP_BIAS为驱动LED的直流电压通过功率电阻R2转换为直流驱动LED，Signal为承载有信息的交流电压，OP_OUT为该运放的输出。

采用光电二极管PD接收可见光信号，并采用美国模拟器件AD公司双通道高速低噪声运放芯片AD8022对信号进行噪声滤除及信号放大。AD8022芯片内部集成了两个运放，利用该芯片实现第一级前置放大，第二级主放大功能。PD_out为输入信号(光敏二极管输出)，+IN2为前置放大器输出，+IN1为主放大输出。在芯片供电引脚的附近放置0.1uF陶瓷电容和10uF钽电容，实现电源滤波作用。

采用美国AD公司低失真差分驱动器AD8138作为前置放大及滤波模块。经过上一级放大后的信号接入到AD8138进行第二级放大，并经过输出旁路电容进行杂波滤除。

考虑到ADC电路所能够处理的信号幅度是有一定范围的，输出信号大小随着通信距离变化而变化，因此采用增益自调整模块自动调节放大倍数的作用。增益自调整模块的核心芯片为TI公司生产的零漂移程控放大器PGA113。8138_OUT是输入信号，VGAout是该芯片的输出信号，PGA_CS、PGA_DO和PGA_SCK分别是驱动该芯片的片选信号、控制信号和时钟信号。

输出信号VGAout要进入差分模数变换之前，必须将信号转换为差分信号，选用美国模拟器件的低失真差分驱动器AD8138将单端信号转为差分输出。为消除通信过程引入的直流干扰成分，在输入端采用两个0.1uF电容进行隔直处理。7356_IN+和7356_IN-为转换后的差分信号，具有幅值大小相等，相位极性相反的特点。

采用美国模拟器件公司生产的差分型模拟-数字转换芯片AD7356作为差分ADC模块核心。7356_IN+和7356_IN-为输入差分信号，7356_CS、7356_CLK和7356_data分别是驱动该芯片的片选信号、时钟信号和数据信号。为保证ADC基准信号的精准，采用REG1117-2.5提供精准2.5V参考电压。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种增益自调整型正交频分复用可见光通信装置，包括发送端、可见光信道和接收端，可见光信道为发送端至接收端的可见光自由传输空间，发送端与接收端由可见光信道连接，其特征在于：

所述发送端包括第一DSP辅助模块、DSP发送模块、DC/DC驱动模块、DAC模块、信号耦合模块和LED光源模块，所述第一DSP辅助模块与DSP发送模块连接，所述DC/DC驱动模块的输入端与DSP发送模块连接，所述DAC模块的输入端与DSP发送模块连接，所述DC/DC驱动模块的输出端、DAC模块的输出端分别与信号耦合模块的两个输入端连接，所述信号耦合模块的输出端与LED光源模块的输入端连接；

所述接收端包括可见光探测模块、前置放大与滤波模块、增益自调整模块、差分变换模块、差分ADC模块、DSP接收模块、第二DSP辅助模块，所述可见光探测模块、前置放大与滤波模块、增益自调整模块、差分变换模块、差分ADC模块、DSP接收模块依次连接，所述增益自调整模块的控制输入端与DSP接收模块连接，所述第二DSP辅助模块与DSP接收模块连接；

所述LED光源模块发出的光信号通过可见光信道传输至可见光探测模块。

2.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述第一DSP辅助模块包括第一供电单元、第一SRAM单元、第一SROM单元、第一复位单元和第一JTAG单元，所述第一供电单元与发送端各模块连接，为各模块供电，所述第一SRAM单元、第一SROM单元、第一复位单元、第一JTAG单元分别与DSP发送模块连接。

3.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述第二DSP辅助模块包括第二供电单元、第二SRAM单元、第二SROM单元、第二复位单元和第二JTAG单元，所述第二供电单元与接收端各模块连接，为各模块供电，所述第二SRAM单元、第二SROM单元、第二复位单元、第二JTAG单元分别与DSP接收模块连接。

4.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述DC/DC驱动模块包括MOS管驱动器、PMOS管、Robycon电解电容、闭磁式功率电感、续流二极管，所述MOS管驱动器输出端与PMOS管连接，所述PMOS管输出端分别与闭磁式功率电感一端、续流二极管一端连接，所述Robycon电解电容分别与续流二极管另一端、闭磁式功率电感另一端连接。

5.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述DAC模块包括双通道数字-模拟转换器。

6.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述可见光探测模块包括依次连接的光电二极管、双通道高速低噪声运放芯片和电阻，所述光电二极管的输出端与双通道高速低噪声运放芯片的输入端连接，所述双通道高速低噪声运放芯片使用电阻搭建成去噪放大电路。

7.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述前置放大与滤波模块包括低失真差分驱动器、电阻和电容，所述电阻将低失真差分驱动器搭建成前置放大器，其输出信号经过旁路电容滤波输出。

8.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述增益自调整模块包括零漂移程控放大器。

9.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述差分变换模块包括低失真差分驱动器。

10.根据权利要求1所述的可见光通信装置，其特征在于：所述差分ADC模块包括差分型模拟-数字转换芯片。