CN111934766B - 一种可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可见光通信系统，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的信号发射模块、D/A转换模块、直流偏置模块、发射端功率放大模块和光源模块；接收端包括依次连接的光电探测器、接收端功率放大模块、A/D转换模块和信号接收模块；信号发射模块和信号接收模块均包括物理层和数据链路层，物理层用于信号调制，数据链路层用于数据通讯；信号发射模块的物理层包括设置有共轭对称模块的发射基带；信号接收模块的物理层包括设置有逆共轭对称模块的接收基带。本系统在实验室使用的时候，能够不断接收和发射数字信号，同时能够将数字信号进行调制和解调制，令实验室用的可见光通信系统具有良好的实时性。

Description

一种可见光通信系统
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地，涉及一种可见光通信系统。
背景技术
可见光通信系统(VLC)是一种新型绿色环保的通信解决方案，使用当前照明领域已经普及的发光二极管(LED)作为信号发射源，照明的同时能够提供通信的功能。
国内外对可见光通信系统技术(VLC)的研究,其中多数研究工作都采用离线可见光通信系统。离线可见光通信系统是指在发射端使用MATLAB与任意波形生成器(AWG)结合来生成经过调制的复杂时域信号(例如高阶的正交频分复用(OFDM)，离散多音频调制(DMT)，然后经过D/A电路，功率放大电路，通过Bias-T与直流偏置耦合，加载在LED上，驱动LED发射信号。而在接收端使用高端示波器接收并存储时域信号，并将其输入MATLAB等软件进行信号离线处理，总的来说传统的离线系统是先把要发的数据先在MATLAB设计好，然后通过U盘等形式把数据挪到任意波形发生器(AWG)，即信号的调制和信号的解调均是离线处理。离线可见光通信系统的缺点是不能连续不断地发送数据，只能短暂地发射一个数据帧，缺少实时性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中实验室的可见光通信系统不能连续不断发送数据，缺少实时性的问题，提供一种可见光通信系统，令系统能够不断发出数据并被接收，具有实时性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可见光通信系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的信号发射模块、直流偏置模块、发射端功率放大模块和光源模块；所述接收端包括依次连接的光电探测器、接收端功率放大模块和信号接收模块；所述信号发射模块和所述信号接收模块均包括物理层和数据链路层，所述物理层用于信号调制，所述数据链路层用于数据通讯；所述信号发射模块的物理层包括设置有共轭对称模块的发射基带；所述信号接收模块的物理层包括设置有逆共轭对称模块的接收基带。
信号发射模块通过数据链路层与电脑等实验设备进行连接，将并接收到的数字信号发出，其中数字信号通过共轭对称模块转换为可以调制光源模块信号的实数。而光源模块发出光源信号后，光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，输送至信号接收模块。信号接收模块的接收基带将信号进行解调，并通过数据链路层发送至电脑等设备。在此过程中，数据的调解和解调都是通过系统一次性完成，而且信号发射模块能够不断接收数字信号并发出，而信号接收模块也能不断将信号接收并发出。
优选的，所述信号发射模块与所述直流偏置模块之间设置有D/A转换模块；所述接收端功率放大模块与所述信号接收模块之间连接有A/D转换模块；D/A转换模块将发射基带发出的数字信号转换为电路可识别的模拟电流信号。A/D转换模块则将模拟电流信号转换为可以在电能等设备显示的数字信号。
优选的，所述发射基带为无线通信射频发射基带，所述共轭对称模块设置在所述无线通信射频发射基带的逆傅里叶变换模块的前端。可见光通信对光源模块的调制信号要求为实数，而为了达到这一要求，必须让输入数据在进行逆傅里叶变换前满足共轭对称的形式。
优选的，所述共轭对称模块包括先进先出存储器和先进后出存储器。其中，先进先出存储器和先进后出存储器的数据深度均为为64位，所述先进后出存储器包括两块双端口静态随机存储器和控制逻辑单元组成。先进先出存储器是FIFO是软件提供的IP核，先进后出的存储器是DPRAM(双端口静态随机存储器)加上逻辑控制模块打包组成的。逻辑控制模块的功能：按高地址向低地址从ram中取数据，并对符号位取反。
32点复数信号依次进入了共轭对称模块模块，这32点复数信号将会被先进先出存储器和先进后出存储器记录并存储，此时在先进后出存储器对这32点进行共轭及转置处理，即对虚部符号位取反操作。此时先从先进先出存储器中输出32点复数，由于先进先出存储器先进先出的特性，使得输出数据顺序为输入顺序。先进先出存储器中32点输出完毕后，从先进后出存储器中取出32点复数，由于先进后出的特性，使得输出顺序与进入顺序相反，且已经对32点复数进行了共轭操作，将64点复数结合起来，即完成了共轭对称功能。
优选的，所述共轭对称模块还包括分别与所述先进先出存储器和先进后出存储器连接的多路选择器。随着控制信号的不同取值，来选择不同的输入进行输出。
优选的，所述接收基带为无线通信射频接收基带，所述逆共轭对称模块设置在所述傅里叶变换模块的后端。傅里叶变换模块将时域信号变换成频域信号，由于可见光通信的特性，输入到傅里叶变换模块的64点时域信号全是实数，傅里叶变换变换后，是呈现共轭对称的64点复数序列，其中后32点复数是多余的，不携带信息，通过逆共轭对称模块将信号重新调制为与初始数字信号一致的携带信息的32点复数序列。
优选的，所述逆共轭对称模块包括三个先进先出存储器和一个过滤模块，其中两个先进先出存储器的输出端与所述多路选择器的输入端连接，所述多路选择器的输出端与第三个先进先出存储器的输入端连接。数据输入信号陆陆续续输入64点复数，此时先在时钟信号的控制下，先写入第一个先进先出存储器，然后再输出给过滤模块(fitter)，fitter对64点进行裁剪，去掉后32点，先缓存。输入输入信号又输入64点到第二个先进先出存储器中，第二个先进先出存储器输出到fitter，同样裁剪后32点，等fitter中缓存64点复数后，再连续输出给第三个先进先出存储器进行缓存输出。
优选的，所述数据链路层包括无线通信单元和以太网通信单元。可见光通信系统可以通过wifi或者以太网络接收和发出数字信号。
优选的，所述发射基带和所述接收基带均由现场可编程门阵列组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本系统在实验室使用的时候，能够不断接收和发射数字信号，同时能够将数字信号进行调制和解调制，令实验室用的可见光通信系统具有良好的实时性。
附图说明
图1是本发明的一种可见光通信系统的模块连接图；
图2是本发明本发明的一种可见光通信系统的发射基带的连接图；
图3是本发明本发明的一种可见光通信系统的共轭对称模块的结构示意图；
图4是本发明本发明的一种可见光通信系统的接收基带的模块连接图；
图5是本发明本发明的一种可见光通信系统的逆共轭对称模块的模块结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1所示为一种可见光通信系统的实施例，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的信号发射模块、D/A转换模块、直流偏置模块、发射端功率放大模块和光源模块；接收端包括依次连接的光电探测器、接收端功率放大模块、A/D转换模块和信号接收模块；信号发射模块和信号接收模块均包括物理层和数据链路层，物理层用于信号调制，数据链路层用于数据通讯；信号发射模块的物理层包括设置有共轭对称模块的发射基带；信号接收模块的物理层包括设置有逆共轭对称模块的接收基带。
本实施例的工作原理或工作流程：信号发射模块通过数据链路层与电脑等实验设备进行连接，将并接收到的数字信号发出，其中数字信号通过共轭对称模块转换为可以调制光源模块信号的实数，其中D/A转换模块将发射基带发出的数字信号转换为电路可识别的模拟电流信号。而光源模块发出光源信号后，经过信道传输。光电探测器将探测到的光信号转换为电信号，A/D转换模块则将模拟电信号转换为可以在电能等设备显示的数字信号，再输送至信号接收模块。信号接收模块的接收基带将信号进行解调，并通过数据链路层发送至电脑等设备。在此过程中，数据的调解和解调都是通过系统一次性完成，而且信号发射模块能够不断接收数字信号并发出，而信号接收模块也能不断将信号接收并发出。
本实施例的有益效果：本系统在实验室使用的时候，能够不断接收和发射数字信号，同时能够将数字信号进行调制和解调制，令实验室用的可见光通信系统具有良好的实时性。
实施例2
如图1-5所示为一种可见光通信系统的另一实施例，与实施例1的区别在于，对其中的各单元进一步限定。
其中，信号发射模块和信号接收模块均为WARP V3 KIT开发板，主要由现场可编程门阵列(FPGA)，以及一些其他的外围电路组成，外围电路属于现有开发板的部分，本实施例不作描述。其中FPGA的型号为Xilinx Virtex-6，这是高端系列的FPGA芯片。光源模块为LED灯模块。
如图2所示，发射基带为无线通信射频发射基带，共轭对称模块设置在无线通信射频发射基带的逆傅里叶变换模块的前端。可见光通信对光源模块的调制信号要求为实数，而为了达到这一要求，必须让输入数据在进行逆傅里叶变换前满足共轭对称的形式。在本实施例中，发射基带的包括依次连接的扰码(Scrambing)模块、卷积编码(Encoing)模块、交织(Interleaving)模块、信号调制(Modulation)模块、插入导频(pilot Insertion)模块、共轭对称模块、逆傅里叶变换(IFFT)模块、前导码插入(Preamble Insertion)模块,天线选择(Antenna Selection)模块，数字信号依次经过上述的模块。
具体的，如图3所示，共轭对称模块包括先进先出存储器(FIFO)和先进后出存储器(stack)。其中，先进先出存储器和先进后出存储器的数据深度均为为64位，先进后出存储器包括两块双端口静态随机存储器和控制逻辑单元组成。32点复数信号依次进入了共轭对称模块模块，这32点复数信号将会被先进先出存储器和先进后出存储器记录并存储，此时在先进后出存储器对这32点进行共轭及转置处理，即对虚部符号位取反操作。此时先从先进先出存储器中输出32点复数，由于先进先出存储器先进先出的特性，使得输出数据顺序为输入顺序。先进先出存储器中32点输出完毕后，从先进后出存储器中取出32点复数，由于先进后出的特性，使得输出顺序与进入顺序相反，且已经对32点复数进行了共轭操作，将64点复数结合起来，即完成了共轭对称功能。
其中，共轭对称模块还包括分别与先进先出存储器和先进后出存储器连接的多路选择器。
如图4所示，接收基带为无线通信射频接收基带，逆共轭对称模块设置在傅里叶变换模块的后端。傅里叶变换模块将时域信号变换成频域信号，由于可见光通信的特性，输入到傅里叶变换模块的64点时域信号全是实数，傅里叶变换变换后，是呈现共轭对称的64点复数序列，其中后32点复数是多余的，不携带信息，通过逆共轭对称模块将信号重新调制为与初始数字信号一致的携带信息的32点复数序列。本实施例中，接收基带包括依次连接的天线选择模块、同步模块、载波频率补偿模块、傅里叶变换模块、逆共轭对称模块、均衡模块、解映射模块、解交织模块、解卷积编码模块、解扰码模块、输出模块，数字信号依次经过上述的模块。
如图5所示，逆共轭对称模块包括三个先进先出存储器和一个多路选择器，其中两个先进先出存储器的输出端与多路选择器的输入端连接，多路选择器的输出端与第三个先进先出存储器的输入端连接。数据输入信号陆陆续续输入64点复数，此时先在时钟信号的控制下，先写入第一个先进先出存储器，然后再输出给fitter模块，fitter对64点进行裁剪，去掉后32点，先缓存。输入输入信号又输入64点到第二个先进先出存储器中，第二个先进先出存储器输出到fitter，同样裁剪后32点，等fitter中缓存64点复数后，再连续输出给第三个先进先出存储器进行缓存输出。
另外的，数据链路层包括无线通信单元和以太网通信单元。可见光通信系统可以通过wifi或者以太网络接收和发出数字信号。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可见光通信系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的信号发射模块、直流偏置模块、发射端功率放大模块和光源模块；所述接收端包括依次连接的光电探测器、接收端功率放大模块和信号接收模块；其特征在于，所述信号发射模块和所述信号接收模块均包括物理层和数据链路层，所述物理层用于信号调制，所述数据链路层用于数据通讯；所述信号发射模块的物理层包括设置有共轭对称模块的发射基带；所述信号接收模块的物理层包括设置有逆共轭对称模块的接收基带；所述共轭对称模块包括并联连接先进先出存储器和先进后出存储器；所述共轭对称模块还包括分别与所述先进先出存储器和先进后出存储器串联连接的多路选择器；所述发射基带为无线通信射频发射基带，所述共轭对称模块设置在所述无线通信射频发射基带的逆傅里叶变换模块的前端；所述接收基带为无线通信射频接收基带，所述逆共轭对称模块设置在所述傅里叶变换模块的后端；所述逆共轭对称模块包括三个先进先出存储器和一个多路选择器，其中两个先进先出存储器的输出端与所述多路选择器的输入端连接，所述多路选择器的输出端与第三个先进先出存储器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种可见光通信系统，其特征在于，所述信号发射模块与所述直流偏置模块之间设置有D/A转换模块；所述接收端功率放大模块与所述信号接收模块之间连接有A/D转换模块。
3.根据权利要求2所述的一种可见光通信系统，其特征在于，所述先进后出存储器包括两块双端口静态随机存储器和控制逻辑单元组成。
4.根据权利要求1所述的一种可见光通信系统，其特征在于，所述数据链路层包括无线通信单元和以太网通信单元。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种可见光通信系统，其特征在于，所述发射基带和所述接收基带均由现场可编程门阵列组成。
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