CN109379135A - 一种dco-ofdm可见光通信系统的发送装置 - Google Patents

一种dco-ofdm可见光通信系统的发送装置 Download PDF

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Abstract

一种DCO‑OFDM可见光通信系统的发送装置，包括依次连接的预加重模块、数模转换模块、保护模块、滤波器、幅度衰减器、功率放大器、Bias‑Tee偏置器及恒流源模块，量化后的数字信号传至所述预加重模块进行数字预加重补偿运算后，传至所述数模转换模块产生模拟信号，依次由所述保护模块吸收过载脉冲、所述滤波器模块进行滤波、所述幅度衰减器模块进行调整、所述功率放大器模块进行功率放大，所述偏置器模块将来自所述恒流源模块的偏置电流和来自所述功率放大器模块的信号进行耦合，然后利用耦合的信号驱动LED灯发出光信号。本发明可对发送信号进行数字预加重补偿，优化LED频响特性，还能降低DCO‑OFDM基带信号的中的噪声。

Description

一种DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其涉及一种DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置,包括依次连接的预加重模块、数模转换模块、保护模块、滤波器、幅度衰减器、功率放大器、Bias-Tee偏置器及恒流源模块。
背景技术
在可见光通信系统中，光信号的发送装置是一个重要的组成部分。对于光信号发送装置，最需要解决的是如何扩展LED的可用带宽和降低OFDM基带信号中的噪声问题。对于扩展LED的可用带宽，以往大多都是采用均衡电路或者谐振电路对信号功率进行加重，从而相当于扩展了LED带宽，但会出现以下问题：一方面，由于受限于硬件电路的局限性，并不能很好地对LED带宽进行补偿；另一方面，由于LED的频率响应也与LED的偏置电流的大小有关，纯粹地从信号功率上去补偿未必能够达到预期的效果。对于降低OFDM基带信号中的噪声，以往电路设计都没考虑这方面的因素，但在实现中噪声对基带信号的干扰是不可忽略的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种不仅可以结合LED的频率响应特性对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，而且还能降低DCO-OFDM基带信号中的噪声的信号发送装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，包括依次连接的预加重模块、数模转换模块、保护模块、滤波器、幅度衰减器、功率放大器、Bias-Tee偏置器及恒流源模块，量化后的数字信号传至所述预加重模块进行数字预加重补偿运算后，传至所述数模转换模块产生模拟信号，依次由所述保护模块吸收过载脉冲、所述滤波器模块进行滤波、所述幅度衰减器模块进行调整、所述功率放大器模块进行功率放大，所述偏置器模块将来自所述自恒流源模块的偏置电流和来自所述功率放大器模块的信号进行耦合，然后利用耦合的信号驱动LED灯发出光信号。
所述预加重模块，采用Xilinx公司Spartan6系列XC6SLX16-2CSG324FPGA作为运行平台，主要由数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块、存储LED补偿数据子模块构成，所述数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块依次相连，所述卷积运算子模块与所述存储LED补偿数据子模块相连，所述数据缓存子模块具有数据输入端、数据输出端，所述数据输入端接收来自上位机或者其他数据源的14位并行比特流数据，所述数据输出端与所述数模转换模块输入端相连并输出数字信号；负责接收来自上位机或者其他数据源的14位并行比特流数据并对数据流做预加重处理。
所述数模转换模块主要由依次连接的AN9767、低通滤波器、第一级运放、第二级运放及BNC接口元件构成；负责来自所述数字域预加重模块的14位并行比特流数据并将此数字信号转换成模拟电压信号。
所述保护模块，主要由两个TVS瞬态抑制二极管D1、D2构成，所述二极管D1的阳极与所述二极管D2的阴极和信号线连接，所述二极管D1的阴极与正电源连接，所述二极管D2的阳极与负电源连接，可利用TVS的极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力这两个特性，防止瞬态过压冲击，吸收来自所述数模转换模块输出的脉幅信号边沿的过载脉冲，保护电子线路中的元器件免受损坏。
所述滤波器为数字可调式，主要由数字电位器R2、数字电位器R3、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器U2构成的Sallen-Key结构的二阶低通巴特沃斯滤波器构成，所述电容C1一端与所述数字电位器R2和所述数字电位器R3连接，另一端与所述电容C3和所述运算放大器U2输出端连接，所述电容C2一端与所述数字电位器R3、运算放大器U2正相输入端连接，另一端接地，所述运算放大器U2的反相输入端与输出端连接；负责信号的滤波。
其中，所述Sallen-Key结构的二阶低通巴特沃斯滤波器，其传递表达式为A(S)＝1/(1+aS+bS2)，而电阻的阻值与其的关系是所以在确定电容C1、C2的容值和保证电容C1、C2的容值满足关系的条件下，可使用IIC接口协议来调节数字电位器R2、R3的阻值，从而灵活地配置低通滤波器的截止频率。
所述幅度衰减器，为数字可调式，主要由数字可调电位器R1、电阻R4、电阻R5、运算放大器U3构成的反相比例放大器构成，所述数字可调电位器R1一端与所述电阻R4和所述运算放大器U3反相输入端连接，另一端与所述运算放大器U3输出端连接，所述电阻R5一端与所述运算放大器U3正相输入端连接，另一端与地连接；负责调节信号的幅度，保证信号幅度处于所述功率放大器的线性放大范围，避免出现饱和失真，可使用IIC接口协议来调节数字电位器R1灵活地调节衰减比例。
所述功率放大器负责放大信号的功率，采用Mini-Circus公司的ZHL-6A+模块。
所述Bias-Tee偏置器负责为信号提供直流偏置，采用Mini-Circus公司的ZFBT-4R2GW+模块。
所述恒流源模块，负责调节恒流源输出电流大小，主要由恒流源芯片U5、电阻R7、数字可调电位器R6和电容C4构成，所述数字可调电位器R6一端与所述电容C4、恒流源芯片U5的电流调节端连接，另一端与所述电阻R7连接，所述电容C4一端与所述电阻R7和地连接，所述恒流源芯片U5的电流输出端与所述Bias-Tee偏置器的直流端连接。所述电阻R7、数字可调电位器R6用于调节恒流源输出电流大小，所述电容C4用于稳定恒流源输出的电流，输出的电流表达式
优选地，所述恒流源芯片U5采用上海如韵电子有限公司的直流线性恒流源芯片CN5710。
所述LED灯的阳极与所述Bias-Tee偏置器输出端连接，阴极与地连接。
与现有技术相比，采用本发明的技术方案不仅可以结合LED的频率响应特性对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，而且还能降低DCO-OFDM基带信号的中的噪声。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中，A1：预加重模块，A2：数模转换模块，A3：保护模块，A4：滤波器，A5：幅度衰减器，A6：功率放大器，A7：Bias-Tee偏置器，A8：恒流源模块，C1、C2、C3：电容，R1、R2、R3、R4、R5、R7：固定值电阻，R1、R2、R3、R6：数字可调电位器，D1、D2:TVS二极管，U1：数模转换模块，U2：电压反馈型运算放大器，U3：电流型反馈型运算放大器，U4：功率放大器，U5直流线性恒流源，U6：Bias-Tee偏置器，D3：功率为1W的绿光LED灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，包括依次连接的预加重模块A1、数模转换模块A2、保护模块A3、滤波器A4、幅度衰减器A5、功率放大器A6、Bias-Tee偏置器A7及恒流源模块A8，量化后的数字信号传至所述预加重模块A1模块进行数字预加重偿运算后，传至所述数模转换模块A2模块产生模拟信号，依次由所述保护模块A3模块吸收过载脉冲、所述滤波器A4模块进行滤波、所述幅度衰减器A5模块进行调整、所述功率放大器A6模块进行功率放大，所述偏置器A7模块将来自所述恒流源模块A8模块的偏置电流和来自所述功率放大器A6模块的信号进行耦合，然后利用耦合的信号驱动LED灯D3发出光信号。
所述预加重模块A1，采用Xilinx公司Spartan6系列XC6SLX16-2CSG324FPGA作为运行平台，主要由数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块、存储LED补偿数据子模块构成，所述数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块依次相连，所述卷积运算子模块与所述存储LED补偿数据子模块相连，所述数据缓存子模块具有数据输入端、数据输出端，所述数据输入端接收来自上位机或者其他数据源的14位并行比特流数据，所述数据输出端与所述数模转换模块A2输入端相连并输出数字信号；负责接收来自上位机或者其他数据源的14位并行比特流数据并对数据流做预加重处理，其中所述数据帧头识别子模块按照并行结构实时地监测数据流，一旦发现帧头立即捕获OFDM符号数据，并启动卷积运算子模块将存储在存储LED补偿数据子模块的数据与该OFDM符号数据进行卷积运算，实现频域上的预加重；一个数据帧会有多个OFDM符号，上述卷积运算过程会分别对每个OFDM符号进行卷积运算，直至一个数据帧结束。
所述数模转换模块A2主要由依次连接的数模转换芯片AN9767、低通滤波器、第一级运放、第二级运放及BNC接口元件构成；负责来自所述数字域预加重模块A1的14位并行比特流数据，根据事先设定好的采样率将OFDM数字基带信号转换成OFDM模拟基带信号，并将模拟基带信号传至防瞬态过压冲击的所述保护模块A3。
所述保护模块A3，主要由两个TVS瞬态抑制二极管D1、D2构成，所述二极管D1的阳极与所述二极管D2的阴极和信号线连接，所述二极管D1的阴极与正电源连接，所述二极管D2的阳极与负电源连接；一方面，TVS具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力这两个特性；另一方面，数模转换模块A2输出的是边沿带有过载脉冲的脉幅信号，此过载脉冲极有可能会损坏后续的元器件。因此可以在保证OFDM基带信号完整的情况下选用合适参数的TVS二极管，吸收来自模数转换模块A2输出的脉幅信号边沿的过载脉冲，从而有效地保护电子线路中的元器件免受损坏。
所述滤波器A4为数字可调式，主要由数字电位器R2、数字电位器R3、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器U2构成的Sallen-Key结构的二阶低通巴特沃斯滤波器构成，所述电容C1一端与所述数字电位器R2和所述数字电位器R3连接，另一端与所述电容C3和所述运算放大器U2输出端连接，所述电容C2一端与所述数字电位器R3、运算放大器U2正相输入端连接，另一端接地，所述运算放大器U2的反相输入端与输出端连接；负责信号的滤波。
其中，所述Sallen-Key结构的二阶低通巴特沃斯滤波器，其传递表达式为A(S)＝1/(1+aS+bS2)，而电阻的阻值与其的关系是所以在确定电容C1、C2的容值和保证电容C1、C2的容值满足关系的条件下，可使用IIC接口协议来调节数字电位器R2、R3的阻值，从而灵活地配置低通滤波器的截止频率；经过防瞬态过压冲击的所述保护模块A3的OFDM基带信号仍然有相当一部分的过载脉冲并未吸收掉，而且有一些外部因素使得基带信号带有新的噪声，可调的所述滤波器A4可以根据需求调节截止频率，进一步滤除OFDM基带信号中的噪声。
所述幅度衰减器A5为数字可调式，主要由数字可调电位器R1、电阻R4、电阻R5、运算放大器U3构成的反相比例放大器构成，所述数字可调电位器R1一端与所述电阻R4和所述运算放大器U3反相输入端连接，另一端与所述运算放大器U3输出端连接，所述电阻R5一端与所述运算放大器U3正相输入端连接，另一端与地连接；负责调节信号的幅度保证信号幅度处于所述功率放大器A6的线性放大范围，避免出现饱和失真，可使用IIC接口协议来调节数字电位器R1灵活地调节衰减比例。数字可调的滤波器A4输出的OFDM基带信号有相当大的幅度，若直接进入功率放大器A6会使得信号出现饱和失真，因此数字可调的幅度衰减器A5则可以按照一定的需求对OFDM基带信号幅度进行适当的衰减，使得信号进入功率放大器A6的线性放大区。
所述功率放大器A6负责放大信号的功率，采用Mini-Circus公司的ZHL-6A+模块，该模块有2.5KHz～500MHz的放大带宽，保证了OFDM基带信号放大后的频谱仍然保持一定的平坦度。
所述Bias-Tee偏置器A7负责为信号提供直流偏置，采用Mini-Circus公司的ZFBT-4R2GW+模块，该模块有100KHz～4.2GHz的偏置带宽，为信号提供直流偏置。
所述恒流源模块A8，负责调节恒流源输出电流大小，主要由恒流源芯片U5、电阻R7、数字可调电位器R6和电容C4构成，所述数字可调电位器R6一端与所述电容C4、恒流源芯片U5的电流调节端连接，另一端与所述电阻R7连接，所述电容C4一端与所述电阻R7和地连接，所述恒流源芯片U5的电流输出端与所述Bias-Tee偏置器A7的直流端连接；所述电阻R7、数字可调电位器R6用于调节恒流源输出电流大小，所述电容C4用于稳定恒流源输出的电流，一方面，信号必须加载到一定直流偏置上才能通过LED发送出去，但此直流偏置的大小与LED的线性区域有关；另一方面，直流偏置的大小影响着LED频率响应特性，因此，必须通过外部计算来调整恒流源输出的电流大小；输出的电流表达式
优选地，所述恒流源芯片U5采用上海如韵电子有限公司的直流线性恒流源芯片CN5710。
所述LED灯D3的阳极与所述Bias-Tee偏置器A7输出端连接，阴极与地连接。
所述数字可调电位器R1、R2、R3、R6均采用ADI公司的AD5272芯片，该芯片可通过IIC协议接口来调整电阻的大小。
与现有技术相比，采用本发明的技术方案不仅可以结合LED的频率响应特性对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，而且还能降低DCO-OFDM基带信号的中的噪声。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，包括依次连接的预加重模块、数模转换模块、保护模块、滤波器、幅度衰减器、功率放大器、Bias-Tee 偏置器及恒流源模块，量化后的数字信号传至所述预加重模块进行数字预加重补偿运算后，传至所述数模转换模块产生模拟信号，依次由所述保护模块吸收过载脉冲、所述滤波器模块进行滤波、所述幅度衰减器模块进行调整、所述功率放大器模块进行功率放大，所述偏置器模块将来自所述恒流源模块的偏置电流和来自所述功率放大器模块的信号进行耦合，然后利用耦合的信号驱动LED灯发出光信号。
2.根据权利要求1所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述预加重模块，采用 Xilinx公司Spartan6 系列 XC6SLX16-2CSG324 FPGA 作为运行平台，主要由数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块、存储LED补偿数据子模块构成，所述数据缓存子模块、数据帧头识别子模块、卷积运算子模块依次相连，所述卷积运算子模块与所述存储LED补偿数据子模块相连，所述数据缓存子模块具有数据输入端、数据输出端，所述数据输入端接收来自上位机或者其他数据源的14位并行比特流数据，所述数据输出端与所述数模转换模块输入端相连并输出数字信号。
3.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述数模转换模块主要由依次连接的数模转换芯片AN9767、低通滤波器、第一级运放、第二级运放及BNC接口元件构成。
4.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述保护模块，主要由两个TVS瞬态抑制二极管D1、D2构成，所述二极管D1的阳极与所述二极管D2的阴极和信号线连接，所述二极管D1的阴极与正电源连接，所述二极管D2的阳极与负电源连接。
5.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述滤波器为数字可调式，主要由数字电位器R2、数字电位器R3、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器U2构成的Sallen-Key结构的二阶低通巴特沃斯滤波器构成，所述电容C1一端与所述数字电位器R2和所述数字电位器R3连接，另一端与所述电容C3和所述运算放大器U2输出端连接，所述电容C2一端与所述数字电位器R3、运算放大器U2正相输入端连接，另一端接地，所述运算放大器U2的反相输入端与输出端连接。
6.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于， 所述幅度衰减器，为数字可调式，主要由数字可调电位器R1、电阻R4、电阻R5、运算放大器U3构成的反相比例放大器构成，所述数字可调电位器R1一端与所述电阻R4和所述运算放大器U3反相输入端连接，另一端与所述运算放大器U3输出端连接，所述电阻R5一端与所述运算放大器U3正相输入端连接，另一端与地连接。
7.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述功率放大器采用 Mini-Circus公司的ZHL-6A+模块。
8.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述Bias-Tee偏置器采用 Mini-Circus公司的ZFBT-4R2GW+模块。
9.根据权利要求1或2所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述恒流源模块，主要由恒流源芯片U5、电阻R7、数字可调电位器R6和电容C4构成，所述数字可调电位器R6一端与所述电容C4、恒流源芯片U5的电流调节端连接，另一端与所述电阻R7连接，所述电容C4一端与所述电阻R7和地连接，所述恒流源芯片U5的电流输出端与所述Bias-Tee偏置器的直流端连接。
10.根据权利要求9所述的DCO-OFDM可见光通信系统的发送装置，其特征在于，所述恒流源芯片U5采用上海如韵电子有限公司的直流线性恒流源芯片CN5710。
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