CN109120342A - 基于fpga实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构，属于可见光通信关键技术研究领域。本发明基于8B10B信道编码技术，在点对点可见光通信的场景下，通过定义的数据帧结构能够使数据在可见光通信信道上具有很高的传输效率。8B10B编码具有的电平平衡特性同时能够保证LED在工作时不会发生闪烁，充分地复用了LED照明功能。8B10B编码后的信号通过基于FPGA的集成收发器实现串化和解串功能。本发明立足于新兴的可见光通信技术，在可见光通信信道上的数据传输格式上提供了一种可靠的方案，解决了目前可见光通信数据层面传输方式上的相关问题，为可见光通信技术普及打下了坚实的基础。

Description

基于FPGA实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构

【技术领域】本发明公开了基于FPGA实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构，属于可见光通信关键技术研究领域。

【背景技术】

近年来，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)作为一个新的通信技术，正在逐渐走进学术界的视野。可见光通信，可通俗理解为“灯泡通信”，它以激光、LED等一系列发光器件为载体，用可见光频段的电磁波作为载波，将数据信息调制到可见光上，从而实现通过其通信的目的。目前学界和业界所定义的可见光通信概念始于2000年。作为一种新兴的无线通信技术，可见光通信有很多优点：

1.带宽范围宽(380nm-780nm，相当于405THz)，不受使用许可证限制；

2.安全性高，保密性好；

3.绿色环保；

4.在准确方向定位上具有明显优势；

5.能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用，对现行已有的无线通信场景具有极大的补充作用。

目前可见光通信的通信速率已经具有飞跃级的提升，因此相关应用场景的设计也应运而生。本发明定义了在可见光通信信道下通信的数据帧结构，使数据在可见光通信信道上具有很高的传输效率，从而获得到更多的应用场景。采用电平平衡特性的编码方式同时能够保证LED在工作时不会发生闪烁，充分地复用了LED的照明功能。

【发明内容】

本发明旨在提供一种数据在可见光通信信道上的传输格式，从而实现更高的传输效率。

发明提出了基于FPGA实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构，包括如下部分：

(1)基于8B10B编码的数据帧定义：包括帧同步码、帧起始定界符、帧负载以及帧校验四部分；

(2)数据封装和解封逻辑：将输入的数据流封装成指定的帧结构，使其能够在经过可见光信道后被正确地接收；

(3)校验机制：通过帧校验，筛选并剔除在传输过程中发生错误的数据帧。号与光信号之间的双向转换。

本发明为可见光通信的数据传输格式提供了一种解决方案，该方案易于实现，具有很高的传输效率，能够应对可见光通信应用于数据通信场合中所面对的传输错误，并将其从数据流中剔除。

【本发明的优点和积极效果】

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，基于已有的信道编码技术，成熟度高，实施简便；

第二，考虑到可见光信道可能出现的各种情况，传输效率比较高；

第三，基于帧校验模块可以筛选并剔除在传输过程中发生错误的数据帧。

【附图说明】

图1为帧结构示意简图。

图2为数据帧数据字和控制字的关系图。

【具体实施方式】

本发明为可见光通信信道侧逻辑的核心部分，定义了用于在可见光通信信道下通信的数据帧结构，传来的数据流封装成数据帧由此从LED发射端串行化并传出；LED接收端接收到信号后将其解串并恢复成原来的数据帧，此为完成了一笔数据帧的传输。由于可见光通信属于串行通信，因此可见光通信信道侧需要一对收发器，即发送端需要串化器将10比特的字转化为比特流，接收端需要解串器将串行的比特流恢复为10比特的字交付后级逻辑进行处理。方案中收发器采用FPGA集成收发器模块用8B10B的编解码方式来实现。

图1描述了用于可见光通信信道的数据帧的示意图。方案中数据位宽为32，即同一个时钟沿下处理4字节的数据。对于每一帧而言，先发送一个前导码(0xff0000bc)，标志着数据帧的到来，然后在前导码之后发送帧起始码(0xffxxxxfb)，其中包含了数据帧的长度信息(xxxx即为长度信息)，长度范围为0-65535；随后是数据负载部分，即待封装的数据帧，搭载着数据信息；在数据部分全部发送完毕后，在数据部分结束之后添加一个校验码，用于接收端进行校验，筛选并剔除在传输过程中发生错误的数据帧。方案中数据校验采用CRC32，计算从帧起始码开始，到数据部分末尾处停止。数据帧和数据帧之间有一个最小的帧间隔，为32比特时间，对于位宽为32的系统而言，则为一个时钟的间隔。帧间隔期间发送0xbc，对应于8B10B的K28D5。在传输空闲时，发送端持续发送K28D5，为接收端提供接收校准的功能。

根据8B10B编码的内容，数据流由两部分组成：数据字和控制字。数据字即为编码后的数据部分，控制字则对编码后的数据流在传输至接收端后，起到用于接收端逻辑调整和对数据帧之间划分出间隔的作用。经过8B10B编码的数据流，每个字的10个比特中最多有5个连0或连1，且相邻字之间极性互补，从而能够保证数据流在串行传输时能够具有直流平衡的特性。方案中8B10B编解码功能由FPGA集成收发器模块来完成。

8B10B的控制码针对8比特位宽的数据，对于每个时钟沿32比特并行的输入，K码控制位的位宽为4比特。为了避免数据在接收过程中发生字节级别的错位，方案中K码控制位采用0001用于帧结构中前导码、帧起始码和帧间隔，采用0000用于数据区段，以此来在接收端区分出实际传输的数据。数据帧数据字和控制字之间的关系如图2所示。

Claims (1)

1.基于FPGA实现点对点可见光通信中的一种数据帧结构，包括如下部分：

(1)基于8B10B编码的数据帧定义：包括帧同步码、帧起始定界符、帧负载以及帧校验四部分；

(2)数据封装和解封逻辑：将输入的数据流封装成指定的帧结构，使其能够在经过可见光信道后被正确地接收；

(3)校验机制：通过帧校验，筛选并剔除在传输过程中发生错误的数据帧。