CN115766369A - 一种基于水下可见光通信的ofdm基带传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统，属于光通信技术领域。其包括接口模块、发送模块和接收模块。在发送端，数据源通过千兆网接口或万兆网接口输入，输入的数据经过RS编码、行列交织、QAM调制、Hermitian矩阵变换、IFFT运算、加循环前缀、加训练序列、加直流偏置和DA转换后对激光器进行调制，激光器经过模拟调制后输出调制激光信号。在接收端，探测器对激光信号进行探测，探测到的信号经过AD转换、去直流偏置、信号检测、去循环前缀、FFT运算、信道补偿、QAM解调、解交织和RS解码后由千兆网接口和万兆网接口输出。本发明对基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统设计，实现了基于OFDM系统的数据信号的高速处理和传输。

Description

一种基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是指一种基于水下光通信的OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用)基带传输系统。该基带系统基于Xilinx平台的FPGA进行开发，数据接口类型为千兆网口和万兆网口，可以实现数据的高速传输。

背景技术

海域是各国之间博弈的重要区域，随着水下通信的不断发展，构建和完善水下一体化通信网络，提升水下潜航器、水下机器人等作战平台的信息传输能力变得至关重要。目前主要的水下通信方式有海底光缆通信、水下无线电通信、水声通信等。海底光缆通信为有线通信方式，可以实现远距离、高速率通信，但需要预先规划和搭建，维护成本高，通信方式不够灵活；水下无线电通信主要采用3-30kHz的甚低频和30-300Hz的超低频波段来实现，可以穿透海水进行传输，主要用于近岸潜艇与岸边指挥部之间的低速通信；水声通信可以实现水下远距离通信，但通信速率较低，通信速率典型值为100公里16bps，且水声通信容易被其它水声通信设备捕获，安全性较低。相比其它水下无线通信方式，水下无线光通信具有传输速率高、安全性好、体积小、能耗低等优点，可以实现近距离的高速数据传输，对于水下一体化通信网络的补充尤为重要，有效填充了水下组网中光缆通信、无线电通信、水声通信之外的空缺。

水下可见光通信系统中光源选择蓝、绿波段的光(0.45～0.55μm)，该波段的光在海水信道中的吸收和散射系数较小，最为符合水下光通信的需求。相比于无线电通信和水声通信传输系统，可见光通信系统可以达到很高的数据传输速率，为此本专利在对外数据接口上引入千兆网口和万兆网口，以实现基带传输系统与上位机之间的高速数据交换。此外相比于其它通信系统，基于可见光通信传输系统的光源调制信号只能为非负实数，为此本专利针对水下可见光通信对OFDM基带传输系统进行设计，基于FPGA设计平台产生了符合可见光调制需求的OFDM波形。

发明内容

本发明的目的提供一种基于水下光通信的OFDM基带传输系统，其数据源通过千兆网口或万兆网口接入，可实现文本、视频等信息的高速数据传输。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统，包括接口模块、发送模块和接收模块；

所述接口模块用于实现高速数据传输；

所述发送模块包括RS(Reed-solomon，里德-所罗门)编码模块、交织模块、QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)调制模块、矩阵变换模块、IFFT(Inverse Fast Fourier Transform,快速傅里叶逆变换)模块、加训练序列模块、直流偏置模块和DA(Digital to analog,数字到模拟)转换模块；

在发送端，千兆网口或万兆网口与所述的接口模块的物理输入接口相连，接口模块的用户输出端口与RS编码模块的输入端口相连，所述RS编码模块的输出端口与所述的交织模块的输入端口相连，所述的交织模块的输出端口与所述的QAM调制模块的输入端口相连，所述的QAM调制模块的输出端口与所述的矩阵变换模块的输入端口相连，所述的矩阵变换模块的输出端口与所述的IFFT模块的输入端口相连，所述的IFFT模块的输出端口与所述的加训练序列模块的输入端口相连，所述的加训练序列模块的输出端口与所述的直流偏置模块的输入端口相连，所述的直流偏置模块的输出端口与所述的DA转换模块的输入端口相连，所述的DA转换模块的输出接口与外部激光器的输入接口相连；

所述接收模块包括AD(Analog-to-Digital,模拟到数字)转换模块、去直流偏置模块、信号检测模块、去循环前缀模块、FFT(fast Fourier transform,快速傅里叶变换)模块、信道补偿模块、QAM解调模块、解交织模块和RS解码模块；

在接收端，探测器的输出接口与所述的AD转换模块的输入接口相连，所述的AD转换模块的输出端口与所述的去直流偏置模块的输入端口相连，所述的去直流偏置模块的输出端口与所述的信号检测模块的输入端口相连，所述的信号检测模块的输出端口与所述的去循环前缀模块的输入端口相连，所述的去循环前缀模块的输出端口与所述的FFT模块的输入端口相连，所述的FFT模块的输出端口与所述的信道补偿模块的输入端口相连，所述的信道补偿模块的输出端口与所述的QAM解调模块的输入端口相连，所述的QAM解调模块的输出端口与所述的解交织模块的输入端口相连，所述的解交织模块的输出端口与所述的RS解码模块的输入端口相连，所述的RS解码模块的输出端口与所述的接口模块的用户输入端口相连，所述的接口模块的物理输出接口与外部千兆网和万兆网接口相连。

进一步的，所述接口模块包括千兆网模块、万兆网模块和数据选择模块；所述千兆网模块和万兆网模块分别设有作为对外接口的千兆网口和万兆网口；所述千兆网模块和万兆网模块接收后的数据均通过数据选择模块输出。

本发明的有益效果在于：

1.使用可见光作为信息载体，相比于无线电通信和水声通信可以达到很高的通信速率。

2.在对外数据接口中引入千兆网口和万兆网口，可以实现基带传输系统与上位机之间的高速数据传输。

3.可见光的调制信号只能为非负实数，本发明对基带传输系统进行设计，可以产生符合光源调制需求的的OFDM波形。

附图说明

图1为本发明实施例的OFDM基带传输系统的总体设计框图。

图2为本发明实施例的接口模块设计框图。

图3为本发明中16-QAM星座映射。

图4为本发明实施例中IFFT的原理图。

图5为本发明实施例中FFT的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实施例进一步阐述

基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统，其特点在于，包括接口模块、发送模块和接收模块，OFDM基带传输系统的总体设计框图如图1所示。

所述的接口模块由千兆网模块、万兆网模块和数据选择模块组成。

所述的发送模块由RS编码模块、交织模块、QAM调制模块、矩阵变换模块、IFFT模块、加训练序列模块、直流偏置模块和DA转换模块组成。

所述的接收模块由AD转换模块、去直流偏置模块、信号检测模块、去循环前缀模块、FFT模块、信道补偿模块、QAM解调模块、解交织模块和RS解码模块组成。

在发送端，千兆网口或万兆网口与所述的接口模块的物理输入接口相连，所述的接口模块的用户输出端口与所述的RS编码模块的输入端口相连，所述的RS编码模块的输出端口与所述的交织模块的输入端口相连，所述的交织模块的输出端口与所述的QAM调制模块的输入端口相连，所述的QAM调制模块的输出端口与所述的矩阵变换模块的输入端口相连，所述的矩阵变换模块的输出端口与所述的IFFT模块的输入端口相连，所述的IFFT模块的输出端口与所述的加训练序列模块的输入端口相连，所述的加训练序列模块的输出端口与所述的直流偏置模块的输入端口相连，所述的直流偏置模块的输出端口与所述的DA转换模块的输入端口相连，所述的DA转换模块的输出接口与外部激光器的输入接口相连。

在接收端，探测器的输出接口与所述的AD转换模块的输入接口相连，所述的AD转换模块的输出端口与所述的去直流偏置模块的输入端口相连，所述的去直流偏置模块的输出端口与所述的信号检测模块的输入端口相连，所述的信号检测模块的输出端口与所述的去循环前缀模块的输入端口相连，所述的去循环前缀模块的输出端口与所述的FFT模块的输入端口相连，所述的FFT模块的输出端口与所述的信道补偿模块的输入端口相连，所述的信道补偿模块的输出端口与所述的QAM解调模块的输入端口相连，所述的QAM解调模块的输出端口与所述的解交织模块的输入端口相连，所述的解交织模块的输出端口与所述的RS解码模块的输入端口相连，所述的RS解码模块的输出端口与所述的接口模块的用户输入端口相连，所述的接口模块的物理输出接口与外部千兆网和万兆网接口相连。

本系统基于Xilinx公司开发的vivado集成开发环境进行设计。

1.接口模块

为支持高速数据传输，接口形式采用千兆网口和万兆网口，接口模块原理框图如图2所示。接口模块包括千兆网模块、万兆网模块和数据选择模块。千兆网模块由IP核AXI1G/2.5G Ethernet Subsystem、第一跨时钟同步模块和第二跨时钟同步模块组成，万兆网模块由IP核10G Ethernet Subsystem、第一位宽转换模块、第二位宽转换模块、第三跨时钟同步模块和第四跨时钟同步模块组成。

2.RS编解码模块

可见光信号在水下信道的传输过程中会受到散射、吸收、湍流、多径等多种因素的影响而产生失真，导致接收端对收到的信号进行恢复时出现错误，RS编码模块对信息码元按一定规则引入监督码元，在接收端按以相应的逆规则进行解码时，可以发现信息码元中的错误并进行纠正。RS(n,k)码可以由m、n和k等参数表示，其中m表示码元符号位宽，n为码字长度，k为信息段长度。RS(n,k)码最多可纠正(n-k)/2个错误。RS编码模块由IP核Reed-Solomon Encoder和第三位宽转换模块组成，RS解码模块由Reed-Solomon Decoder IP核和第四位宽转换模块组成。

3.交织和解交织模块

编解码的纠错能力有一定限度，当信号中出现大范围的连续错误时，会超出编解码的纠错能力。交织将数据位置在一一对应的条件下进行重新排列，使得连续的数据分开发送，在信道的传输过程中出现连续错误时，解交织可以将连续错误均匀的分散到多个数据包中，使得连续错误变为随机错误，提高编解码的纠错能力。交织和解交织均采用按行输入、按列输出的方式来实现，其中交织模块使用第一RAM实现，解交织模块使用第二RAM实现。

4.QAM调制解调模块

QAM调制为幅度和相位联合调制，在同样的符号速率下能够提供更高的比特传输速率，而不影响传输的可靠性。QAM调制通过映射的方式将二进制数据映射为复数数据，映射后的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相分量和正交分量。本系统采用16-QAM的映射方式，其星座映射图如图3所示，将输入数据每4bit为一组，其中低两位映射为实部，高两位映射为虚部。

5.矩阵变换模块和直流偏置模块

对于可见光通信系统，生成的OFDM符号必须为非负实数。对IFFT前的频域数据进行矩阵变换，构建成Hermitian矩阵，Hermitian矩阵经IFFT后的数据全部为实数，矩阵变换模块使用第三RAM实现。IFFT后的数据加上合适的直流偏置，保证偏置后的数据为非负。对于一维Hermitian矩阵{a_k}(其中k＝0,1,...,n)满足以下条件：

a₀＝0

6.IFFT/FFT模块和循环前缀

OFDM系统可以利用IFFT/FFT代替滤波器来实现频分复用，降低了OFDM的实现难度，IFFT与FFT原理如图4所示。OFDM属于多载波调制体制，相比于单载波调制，其每个调制子载波的数据周期扩大为原始数据符号周期的N倍，因此OFDM技术可以降低符间干扰的影响，但为了最大限度的降低符间干扰，对抗多径衰减与多径时延，依然需要在OFDM符号之前插入循环前缀作为保护间隔，当保护间隔的长度大于信道中的最大时延扩展时，一个符号的多径分量便不会对下一个符号产生干扰。IFFT模块使用第一Fast Fourier TransformIP核实现，IFFT模块包括两部分，第一部分为IFFT，第二部分为加循环前缀，两部分均可通过对Fast Fourier Transform IP核进行配置实现。FFT模块使用第二Fast FourierTransform IP核实现。

7.加训练序列模块、信号检测模块和信道补偿模块

信号检测用于寻找OFDM符号数据的起始位置，确定FFT操作的正确位置。信号在实际信道的传输过程中，由于信道环境的不理想，接收端收到的信号会产生错误，为恢复出发送端的数据信息，接收端需要对信道特性进行估计，并对接收到的数据进行补偿。发送端在每一包数据的开始加入短训练序列和长训练序列，其中短训练序列用于信号检测，长训练符号用于信道补偿。加训练序列模块将训练序列的时域值存储在第一ROM中，发送时直接从第一ROM中进行读取。信道补偿模块将长训练序列的频域值存储在第二ROM中，信道补偿时根据接收到的长训练序列与存储在第二ROM中的本地长训练序列进行信道补偿。

参照图1至图5，本实施例的外部数据信号由千兆网口或万兆网口进入所述接口模块。千兆网口数据进入所述AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem IP核，IP核的输出位宽为8bit，AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem IP核的用户输出端口接到所述第一跨时钟同步模块的输入端口，第一跨时钟同步模块的输出端接到所述数据选择模块的第一输入端口。万兆网口数据进入所述10G Ethernet Subsystem IP核，IP核的输出位宽为64bit，10GEthernet Subsystem IP核的用户输出端口接到所述第一位宽转换模块的输入端口，第一位宽转换模块将输入的64bit数据转换为8bit数据。第一位宽转换模块的输出端口接到所述第三跨时钟同步模块的输入端口，第三跨时钟同步模块的输出端口接到所述数据选择模块的第二输入端口。

所述数据选择模块的输出端口接到所述RS编码模块的Reed-Solomon Encoder IP核输入端口，设置Reed-Solomon Encoder IP核的数据位宽为8，码字长度n为24，信息段长度k为18。Reed-Solomon Encoder IP核的输出端口接到所述第三位宽转换模块的输入端口，第三位宽转换模块将输入的8bit数据转换为4bit数据。

所述第三位宽转换模块的输出端口接到所述交织模块的输入端口，交织模块将输入数据按行写入到深度为m行n列的所述第一RAM中，数据全部写入后将第一RAM中的数据按列读出。

所述第一RAM的输出端口接到所述QAM调制模块的输入端口，QAM调制模块将4bit数据映射为复数，其中低两位映射为实部，高两位映射为虚部，实部和虚部数据位宽均为8bit。

所述QAM调制模块的输出端口接到所述矩阵变换模块的输入端口，矩阵变换模块根据输入数据构建Hermitian矩阵。Hermitian矩阵构建方法如下：将输入数据流向两路，第一路数据的开始插入一个数据后直接输出，插入数据值为零。第二路数据取共轭后输入到所述第三RAM中，并在数据末尾插入一个数据，数据值零，当第一路数据输出完成后将第三RAM中的数据逆序读出。

所述矩阵变换模块的输出端口接到所述IFFT模块的输入端口，将所述第一FastFourier Transform IP核设置为IFFT模式并将添加循环前缀模式打开，数据经过IFFT和添加循环前缀后输出，经过IFFT变换后的数据为时域数据，输出数据位宽为12bit。

所述IFFT模块输出端口接到所述加训练序列模块输入端口，加训练序列模块将所述第一ROM中的存储的时域短训练序列和长训练序列数据读出，加在每包数据的起始位置。

所述加训练序列模块的输出端口接到所述直流偏置模块的输入端口，直流偏置模块将数据加上合适的直流偏置，使所有数据变成非负。

所述直流偏置模块的输出端口接到所述DA转换模块的输入端口，DA转换模块将输入的数字信号转换为模拟信号输出。

所述DA转换模块的输出接口接到激光器的输入接口，激光信号经过模拟调制后输出，探测器对激光信号进行探测。

探测器的输出接口接到所述AD转换模块的输入接口，AD转换模块将输入的模拟信号转换为数字信号输出。

所述AD转换模块的输出端口接到所述去直流偏置模块的输入端口，去直流偏置模块根据所述直流偏置模块中的偏置值，对输入的信号进行去直流偏置。

所述去直流偏置模块的输出端口接到所述信号检测模块的输入端口，信号检测模块对输入数据进行延时自相关运算，当短训练序列数据到达时，延时自相关运算结果大于设定阈值，此时判定有有效信号到达，并将有效信号输出。

所述信号检测模块的输出端口接到所述去循环前缀模块的输入端口，去循环前缀模块将每个OFMD符号前的循环前缀去除。

所述去循环前缀模块的输出端口接到所述FFT模块的输入端口，将所述第二FastFourier Transform IP核设置为FFT模式，输入信号经过FFT后变为频域信号输出。

所述FFT模块的输出端口接到所述信道补偿模块的输入端口，信道补偿模块将输入的长训练序列与存储于所述第二ROM中的本地长训练序列进行互相关运算，得到信道估计值，之后根据信道估计值对信号进行信道补偿。

所述信道补偿模块的输出端口接到所述QAM解调模块的输入端口，QAM解调模块对实部数据和虚部数据分别进行解星座映射，实部数据解映射到4bit数据中的低两位，虚部数据解映射到高两位。

所述QAM解调模块的输出端口接到所述解交织模块的输入端口，解交织模块将输入数据按行写入到深度为n行m列的第二RAM中，数据全部写入后将第二RAM中的数据按列读出。

所述解交织模块的输出端口接到所述RS解码模块中的的第四位宽转换模块的输入端口，第四位宽转换模块将输入的4bit数据转换为8bit数据。设置所述Reed-SolomonDecoder IP核的数据位宽为8，码字长度n为24，信息段长度k为18。第四位宽转换模块的输出端口接到Reed-Solomon Decoder IP核的输入端口。

所述RS解码模块中的Reed-Solomon Decoder IP核的输出端口同时接到所述接口模块中的第二跨时钟同步模块的输入端口和第四跨时钟同步模块的输入端口。第二跨时钟同步模块的输出端口接到所述AXI 1G/2.5G Ethernet Subsystem IP核的用户数据输入端口，通过千兆网口输出。第四跨时钟同步模块的输出端口接到所述第二位宽转换模块的输入端口，第二位宽转换模块将8bit数据转换为64bit数据。第二位宽转换模块的输出端口接到所述10G Ethernet Subsystem IP核的用户数据输入端口，通过万兆网口输出。

Claims (2)

1.一种基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统，其特征在于，包括接口模块、发送模块和接收模块；

所述接口模块用于实现高速数据传输；

所述发送模块包括RS编码模块、交织模块、QAM调制模块、矩阵变换模块、IFFT模块、加训练序列模块、直流偏置模块和DA转换模块；

在发送端，千兆网口或万兆网口与所述的接口模块的物理输入接口相连，接口模块的用户输出端口与RS编码模块的输入端口相连，所述RS编码模块的输出端口与所述的交织模块的输入端口相连，所述的交织模块的输出端口与所述的QAM调制模块的输入端口相连，所述的QAM调制模块的输出端口与所述的矩阵变换模块的输入端口相连，所述的矩阵变换模块的输出端口与所述的IFFT模块的输入端口相连，所述的IFFT模块的输出端口与所述的加训练序列模块的输入端口相连，所述的加训练序列模块的输出端口与所述的直流偏置模块的输入端口相连，所述的直流偏置模块的输出端口与所述的DA转换模块的输入端口相连，所述的DA转换模块的输出接口与外部激光器的输入接口相连；

所述接收模块包括AD转换模块、去直流偏置模块、信号检测模块、去循环前缀模块、FFT模块、信道补偿模块、QAM解调模块、解交织模块和RS解码模块；

在接收端，探测器的输出接口与所述的AD转换模块的输入接口相连，所述的AD转换模块的输出端口与所述的去直流偏置模块的输入端口相连，所述的去直流偏置模块的输出端口与所述的信号检测模块的输入端口相连，所述的信号检测模块的输出端口与所述的去循环前缀模块的输入端口相连，所述的去循环前缀模块的输出端口与所述的FFT模块的输入端口相连，所述的FFT模块的输出端口与所述的信道补偿模块的输入端口相连，所述的信道补偿模块的输出端口与所述的QAM解调模块的输入端口相连，所述的QAM解调模块的输出端口与所述的解交织模块的输入端口相连，所述的解交织模块的输出端口与所述的RS解码模块的输入端口相连，所述的RS解码模块的输出端口与所述的接口模块的用户输入端口相连，所述的接口模块的物理输出接口与外部千兆网和万兆网接口相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于水下可见光通信的OFDM基带传输系统，其特征在于，所述接口模块包括千兆网模块、万兆网模块和数据选择模块；所述千兆网模块和万兆网模块分别设有作为对外接口的千兆网口和万兆网口；所述千兆网模块和万兆网模块接收后的数据均通过数据选择模块输出。

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