CN110518977A - 水下可见光通信方法及水下可见光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种水下可见光通信方法及水下可见光通信装置。所述水下可见光通信方法包括如下步骤：接收一待发送的数据包，并将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器中；根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据；将读取的所述发送数据进行RS编码；调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。本发明一方面能够提高数据匹配的效率，有效改善水下可见光通信的效率以及数据传输的准确性；另一方面，能够有效纠正数据信息传递过程中的错误，提高数据传输的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种水下可见光通信方法及水下可见光通信装置。
背景技术
可见光通信是利用荧光灯或者发光二极管(Light Emitting Diode，LED)等发出的肉眼看不到、以高速频率闪烁的信号来实现信息的传输，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。可见光通信是利用半导体照明(例如LED灯)的光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。
但是，在水下可见光通信中，由于外界环境中各种噪声以及其他一些不可预知的因素，在可见光传输的过程中，极易造成信息错误。一般来说，这种信息错误可以分为两类：一类是随机错误，即单个比特错误，而且各个错误彼此独立，互不相关，此类错误一般是由于热噪声引起的；另一类是突发错误，即错误比特连续出现，但是连续的错误比特的长度不是很长。错误的出现，极易影响水下可见光通信的质量，从而限制了水下可见光通信技术的应用领域。
因此，如何减少水下可见光通信过程中的错误比特，提高水下可见光通信的准确率，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种水下可见光通信方法及水下可见光通信装置，用于解决现有的水下可见光通信过程中信息传输的准确率较低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种水下可见光通信方法，包括如下步骤：
接收一待发送的数据包，并将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器中；
根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据；
将读取的所述发送数据进行RS编码；
调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，接收一待发送的数据包的具体步骤包括：
通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
将所述待发送的数据包存储至FIFO存储器的发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长存储至FIFO存储器的包长存储区。
优选的，调制RS编码后的数据至光源的驱动信号的具体步骤包括：
调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率；
调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，还包括如下步骤：
接收来自于外界的第二光信号；
解调所述第二光信号，获取接收数据；
存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区；
将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区；
通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据传输至所述上位机。
优选的，存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区的具体步骤包括：
判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至至FIFO存储器的待解码数据区。
为了解决上述问题，一种水下可见光通信装置，包括：
FIFO存储器；
顶层收发模块，用于接收一待发送的数据包；
发送控制模块，连接所述顶层收发模块和所述FIFO存储器，用于将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器中；
发送模块，连接所述发送控制模块和所述FIFO存储器，用于根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据，并将读取的所述发送数据进行RS编码，以及调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，所述顶层收发模块用于通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
所述FIFO存储器包括发送缓冲区和包长存储区，所述发送控制模块用于将所述待发送的数据包存储至所述发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长存储至所述包长存储区。
优选的，所述发送模块用于调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率，并调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，还包括：
接收模块，用于接收来自于外界的第二光信号，并解调所述第二光信号，获取接收数据；
接收控制模块，连接所述FIFO存储器，用于存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区，并将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区；
所述顶层收发模块用于通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据传输至所述上位机。
优选的，所述接收控制模块还用于判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至FIFO存储器的待解码数据区。
本发明提供的水下可见光通信方法及水下可见光通信装置，一方面采用FIFO存储器来进行数据缓冲，能够提高数据匹配的效率，有效改善水下可见光通信的效率以及数据传输的准确性；另一方面，采用RS编码方式，能够有效纠正数据信息传递过程中的错误，提高数据传输的准确度。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中水下可见光通信方法的流程示意图；
附图2是本发明具体实施方式中FPGA内部实现流程图；
附图3是本发明具体实施方式中水下可见光通信的发送链路图；
附图4是本发明具体实施方式中水下可见光通信的接收链路图；
附图5是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的框图；
附图6是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的水下可见光通信方法及水下可见光通信装置的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种水下可见光通信方法，附图1是本发明具体实施方式中水下可见光通信方法的流程示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的水下可见光通信方法，包括如下步骤：
步骤S11，接收一待发送的数据包，并将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器中。
具体来说，FIFO存储器用于不同时钟域之间的数据传输，因此，在两个不同的时钟域之间可以采用FIFO存储器作为数据缓冲。而且，对于不同宽度的数据接口，也可以采用FIFO存储器，例如单片机为8位数据输出，而DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)可能为16位输入，在单片机与DSP连接时就可以采用FIFO来达到数据匹配的目的。本具体实施方式通过采用FIFO存储器对待发送数据信息进行缓存，防止了待发送数据信息的丢失，而且有助于提高数据传输速率、扩充传输的数据量，并通过集中数据减少了整个水下可见光通信装置的高速度传输负担。
优选的，接收一待发送的数据包的具体步骤包括：
通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
将所述待发送的数据包存储至FIFO存储器的发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长存储至FIFO存储器的包长存储区。
本具体实施方式采用FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)设计，附图2是本发明具体实施方式中FPGA内部实现流程图，附图3是本发明具体实施方式中水下可见光通信的发送链路图。具体来说，顶层收发模块是通过硬件电路结构与上位机进行网口通信的模块，用于实现通过透明传输方式传输的数据(例如百兆数据)的接收和发送，所述顶层收发模块直接决定可见光通信装置中的硬件结构与上位机通信的速率(例如百兆速率、千兆速率)。上位机将所述待发送的数据包发送，顶层收发模块通过以太网接收到所述待发送的数据包之后，不经过校验，而是直接将所述待发送的数据包送入FIFO存储器的发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长写入FIFO存储器的包长存储区。
步骤S12，根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据。
具体来说，发送控制模块按照FIFO存储器中的包长存储区存储的包长，从FIFO存储器的发送缓冲区读取发送数据，并进行分包处理操作。
步骤S13，将读取的所述发送数据进行RS编码。
具体来说，所述发送控制模块在读取到所述发送数据之后，将所述发送数据送入RS编码顶层进行RS编码，并将RS编码后的所述发送数据传输至发送模块。
RS编码方式具有较强的纠错能力，对于随机错误，由于RS码是块码，如果在一个信息块中，错误较少，则错误可以被RS码全部纠正；对于突发错误，RS编码方式也能有效的纠正错误。RS码的纠错能力是以所能纠正的符号数来表示的。对RS码来说，一个符号内错一个比特与错所有比特是相同的，因此RS码就对随机错误比较敏感，这使得RS码特别适用于纠突发错误。综上所述，RS码是一类非常好的码字，性能优良，非常适合可见光通信系统的编码。本具体实施方式在先进先出的传输基础上采用了RS(255，239)编码方式，二进制频移键控，最多能实现纠正8个错误，可纠正连续40比特的错误。
步骤S14，调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，调制RS编码后的数据至光源的驱动信号的具体步骤包括：
调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率；
调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
具体来说，所述发送模块将RS编码后的所述发送数据调整至指定的带宽频率，并通过2FSK(2Frequency Shift Keying，二进制频移键控)信号调制后，加载至光源的驱动电路中，以驱动所述光源向外界发射携带有所述发送数据的第一光信号。二进制频移键控是通过对两个不同载波信号进行变换使其成为数字信号来完成信息传输的，是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列0、1状态而变化。二进制频移键控相较于ASK的最大优势是：实现容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。
当没有发送数据加载至所述光源的驱动信号中时，可以控制所述光源发送0101二进制比特流。
为了实现全双工通信，优选的，所述水下可见光通信方法还包括如下步骤：
接收来自于外界的第二光信号；
解调所述第二光信号，获取接收数据；
存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区；
将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区；
通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据传输至所述上位机。
优选的，存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区的具体步骤包括：
判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至至FIFO存储器的待解码数据区。
附图4是本发明具体实施方式中水下可见光通信的接收链路图。具体来说，接收模块以FSK解调异步的方式接收来自于外界的第二光信号，获取所述第二光信号中携带的接收数据。接收控制模块通过检测接收到的所述接收数据的输出位、同步标志位和比特流数据判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至至FIFO存储器的待解码数据区。RS解码顶层从FIFO存储器的待解码数据区中读取数据，并进行解码，同时还会校验所述接收数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式。若确定满足透明传输数据包的格式，则直接将数据写入到FIFO存储器的接收缓冲区。最后，所述顶层收发模块通过以太网向所述上位机传输所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据。
在本具体实施方式中，首先，以太网收发顶层主要实现百兆数据通过透明传输方式来发送和接受，在接收到第二光信号时，收发顶层模块不经过校验，而将其直接送入FIFO存储器的接收缓冲区，然后以单个数据包的形式再慢慢透明传输出来，以处理突发的传输错误和问题。具体的，在以太网收发顶层的FPGA实现方面，需要设定百兆接收端口，并设立以太网接收数据完成标志位、数据发送完成标志位；百兆发送端口，并设置25MHz的输入时钟、以太网trig应答信号结束信号等，在发送端口以太网需要从FIFO中读出8位数据的个数；FIFO的写入接收、接收包的帧数个数存储器；发送/接收模块的读取及写入等。
其次，在发送模块，持续发送波特率为1MBaud的FSK信号，发送1MHz方波时代表'1'，发送2MHz方波时代表'0'，如果可见光通信装置中的写入数据信号(vlc_wrsig)有效，则发送总线上数据，否则发送虚拟数据(dummy_data)；同时发送控制程序发送RS(255,239)编码后的数据，与网络透明传输接口融合，RS编码器时钟周期设置8000ns，以保证与可见光通信装置的发送速率1M相匹配。
然后，针对接收模块，输出比特和标志位，波特率为1MHz，输出同步时钟供后端处理并改变接收方式为异步接收；对于RS解码模块，该模块与以太网模块通过FIFO互联，确定blkstrt控制信号的起始位置和blkend控制信号的结束位置，保证信号与时钟上升沿同步。
最后，为了实现50m通信距离和1Mbps的传输速率，结合外部发射驱动模块、接收光学前端放大模块电路，并且使用独特的LED光学透镜与封装和高灵敏度的雪崩光电二极管，完成设计全部基于FPGA硬件开发结合光学电路的远程数字光通信系统。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种水下可见光通信装置，附图5是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的框图，附图6是本发明具体实施方式中水下可见光通信装置的整体结构示意图，本具体实施方式所述的水下可见光通信装置的控制方法参见图1-图3。如图1-图5所示，本具体实施方式提供的水下可见光通信装置，包括：
FIFO存储器50；
顶层收发模块51，用于接收一待发送的数据包；
发送控制模块52，连接所述顶层收发模块51和所述FIFO存储器50，用于将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器50中；
发送模块53，连接所述发送控制模块52和所述FIFO存储器50，用于根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据，并将读取的所述发送数据进行RS编码，以及调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，所述顶层收发模块51用于通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
所述FIFO存储器50包括发送缓冲区501和包长存储区502，所述发送控制模块52用于将所述待发送的数据包存储至所述发送缓冲区501、并将所述待发送的数据包的包长存储至所述包长存储区502。
优选的，所述发送模块53用于调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率，并调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
优选的，所述水下可见光通信装置还包括：
接收模块55，用于接收来自于外界的第二光信号，并解调所述第二光信号，获取接收数据；
接收控制模块54，连接所述FIFO存储器50，用于存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区503，并将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区504；
所述顶层收发模块51用于通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区504中的所述接收数据传输至所述上位机。
优选的，所述接收控制模块54还用于判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至FIFO存储器的待解码数据区503。
本具体实施方式提供的水下可见光通信方法及水下可见光通信装置，一方面采用FIFO存储器来进行数据缓冲，能够提高数据匹配的效率，有效改善水下可见光通信的效率以及数据传输的准确性；另一方面，采用RS编码方式，能够有效纠正数据信息传递过程中的错误，提高数据传输的准确度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水下可见光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
接收一待发送的数据包，并将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器中；
根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据；
将读取的所述发送数据进行RS编码；
调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
2.根据权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，接收一待发送的数据包的具体步骤包括：
通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
将所述待发送的数据包存储至FIFO存储器的发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长存储至FIFO存储器的包长存储区。
3.根据权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，调制RS编码后的数据至光源的驱动信号的具体步骤包括：
调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率；
调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
4.根据权利要求2所述的水下可见光通信方法，其特征在于，还包括如下步骤：
接收来自于外界的第二光信号；
解调所述第二光信号，获取接收数据；
存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区；
将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区；
通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据传输至所述上位机。
5.根据权利要求1所述的水下可见光通信方法，其特征在于，存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区的具体步骤包括：
判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至至FIFO存储器的待解码数据区。
6.一种水下可见光通信装置，其特征在于，包括：
FIFO存储器；
顶层收发模块，用于接收一待发送的数据包；
发送控制模块，连接所述顶层收发模块和所述FIFO存储器，用于将所述待发送的数据包及其包长存储于一FIFO存储器中；
发送模块，连接所述发送控制模块和所述FIFO存储器，用于根据所述待发送的数据包的包长读取所述待发送的数据包中的发送数据，并将读取的所述发送数据进行RS编码，以及调制RS编码后的所述发送数据至光源的驱动信号，使得所述光源向外发射第一光信号。
7.根据权利要求6所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述顶层收发模块用于通过以太网接收来自于上位机的待发送的数据包；
所述FIFO存储器包括发送缓冲区和包长存储区，所述发送控制模块用于将所述待发送的数据包存储至所述发送缓冲区、并将所述待发送的数据包的包长存储至所述包长存储区。
8.根据权利要求6所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述发送模块用于调整RS编码后的所述发送数据至指定的带宽频率，并调制具有指定带宽频率的所述发送数据加载至光源的驱动信号中，使得所述光源向外发射第一光信号。
9.根据权利要求7所述的水下可见光通信装置，其特征在于，还包括：
接收模块，用于接收来自于外界的第二光信号，并解调所述第二光信号，获取接收数据；
接收控制模块，连接所述FIFO存储器，用于存储所述接收数据至FIFO存储器的待解码数据区，并将所述接收数据进行RS解码，并将RS解码后的所述接收数据存储至FIFO存储器的接收缓冲区；
所述顶层收发模块用于通过以太网将所述FIFO存储器的接收缓冲区中的所述接收数据传输至所述上位机。
10.根据权利要求6所述的水下可见光通信装置，其特征在于，所述接收控制模块还用于判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至至FIFO存储器的待解码数据区。
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| GR01 | Patent grant | ||
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