一种基于FPGA的可见光红外交替通信发射装置

一种基于fpga的可见光红外交替通信发射装置
技术领域
1.本实用新型涉及光通信技术领域，尤其是指一种基于fpga的可见光红外交替通信发射装置。


背景技术：

2.随着互联网技术的发展，人们对网络的速度和覆盖程度产生了更高的需求。对于传统的无线电通信，其无法穿透金属，以及频谱资源受限，因此无法实现对于金属密闭及需要电磁屏蔽空间的信号覆盖传输。近年来，使用led的室内可见光通信系统由于具有速率高、安全、节能环保、频谱资源丰富等优势，成为了解决传统电磁波通信技术问题的热门技术。尽管可见光通信系统兼有照明和通信的功能，但是前者的优先级在系统设计中的优先级更高。实际上，为了适应不同应用场景和节能环保的要求，led的亮度等级需要进行调整，因此，支持调光控制的可见光通信系统已成为研究的热点。然而，由于高带宽驱动电路实现和高速实时系统研发难度大的限制，还是存在着无法同时支持全范围调光和信号稳定传输的困难，其中支持调光功能的可见光通信发射装置稀少，限制了该系统的普及速度和应用范围。
3.中国专利cn201410024723.5，公开号cn103763829b，公开了一种基于ofdm信号的光源调光方法，该方法基于mppm调光控制的混合可见光通信系统，正交频分复用(ofdm)与多脉冲位置调制(mppm)相结合,不仅支持高速可见光通信,同时满足了用户对照明源的亮度调节的需求。这种混合调制方法确保系统具有mppm的调光功能,且引入的ofdm传输可以有效地提高频谱效率。
4.中国专利cn201610320643.3，公开号cn105846896b，公开了一种红外补偿全范围调光的可见光ofdm通信装置。该方法既可以全范围调光也可以传输ofdm信号，且调光时对ofdm信号的传输速率、传输质量造成较小影响，能够降低传统方案中信号传输性能对调光占空比的依赖性，并有效降低系统复杂度。
5.现有技术存在以下缺陷：
6.1、基于ofdm信号的光源调光方法只支持在可见光调光脉冲pwm的“on”时隙内进行信号的加载，无法在整个pwm调光周期时间内加载信号，尤其在光照强度较低时，损失了大量传输时间，效率较低。
7.2、红外补偿全范围调光的可见光ofdm通信装置中未见红外补偿的具体硬件实现方式、led驱动的明确方案、克服pwm调光脉冲对实际调制信号的干扰的方法，只给出了理想情况下算法层面的解决方案，没有考虑装置实现中出现的问题。
8.3、上述两种方案均未有提及实际用何种芯片和器件实现发射装置，技术方案不够清晰完整，无法在实际应用过程中为系统提供指导。


技术实现要素：

9.为此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于fpga的可见光红外交替通信
发射装置，其构建了与可见光互补的红外通信发射装置，可以在一个pwm调光周期内实现可见光和红外的交替传输，提升了现有可见光通信系统的时间利用效率。
10.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于fpga的可见光红外交替通信发射装置，包括输入接口、fpga单元、数模转换单元和光发射单元；所述fpga单元与输入接口连接；所述fpga单元发出第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号，所述第一脉冲控制信号与所述第二脉冲控制信号交替产生；所述光发射单元包括可见光发射电路和红外光发射电路；所述第一脉冲控制信号与所述可见光发射电路通信连接，所述第二脉冲控制信号与所述红外光发射电路通信连接；所述数模转换单元与所述可见光发射电路和红外光发射电路均连接，以向所述可见光发射电路和红外光发射电路中输入调制信号。
11.作为优选的，所述第一脉冲控制信号的占空比和第二脉冲控制信号的占空比之和为1。
12.作为优选的，所述第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号之间无死区互补。
13.作为优选的，所述输入接口包括数据输入接口和调光输入接口，所述数据输入接口和调光输入接口均与所述fpga单元的输入端连接。
14.作为优选的，所述调光输入接口发出的调光输入值的范围为0
‑
100％。
15.作为优选的，所述可见光发射电路包括第一光耦隔离芯片、第一三极管和白光led；所述fpga单元与所述第一光耦隔离芯片的输入端连接；所述第一光耦隔离芯片的第一输出引脚与所述白光led的阳极连接，所述白光led的阴极与所述第一三极管的集电极连接，所述第一三极管的基极与所述数模转换单元连接，所述第一三极管的发射极与所述第一光耦隔离芯片的第二输出引脚连接。
16.作为优选的，所述第一三极管的基极与所述数模转换单元之间依次连接有电阻r1和电容c1，所述第一三极管的发射极与所述第一光耦隔离芯片的第二输出引脚之间连接有电阻r2。
17.作为优选的，所述红外光发射电路包括第二光耦隔离芯片、第二三极管和红外led；所述fpga单元与所述第二光耦隔离芯片的输入端连接；所述第二光耦隔离芯片的第一输出引脚与所述红外led的阳极连接，所述红外led的阴极与所述第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的基极与所述数模转换单元连接，所述第二三极管的发射极接地。
18.作为优选的，所述第二三极管的基极与所述数模转换单元之间依次连接有电阻r5和电容c2；所述第二三极管的发射极与地端之间连接有电阻r8，所述电阻r8和地端之间的连接结点与fpga单元的地端端口连接。
19.作为优选的，所述fpga单元选用xilinx spartan
‑
6芯片，所述数模转换单元选用的型号为alinx an9767。
20.本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
21.1、突破了现有可见光通信发射装置只能在pwm调光脉冲“on”时隙内加载调制信号的问题。本实用新型构建了与可见光互补的红外光发射电路，第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号交替产生，能够在整个pwm调光周期内实现可见光和红外光的交替传输，提升了时间利用效率。
22.2、本实用新型利用fpga作为核心控制，利用其并行特性，精准调光，高速响应。
23.3、本实用新型调光方式简单，同时支持第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号调
光和调制信号加载传输，不需对调制信号有特殊要求即可实现较精确调光控制。
附图说明
24.为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：
25.图1为本实用新型可见光红外交替通信发射装置的系统通信图；
26.图2为本实用新型光发射单元的电路原理图；
27.图3为第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的波形图；
28.图4为调制信号的输出波形示意图。
29.说明书附图标记说明：第一光耦隔离芯片u1，第二光耦隔离芯片u2，白光ledd1,第一三极管t1，电阻r1，电阻r2，电阻r3，电阻r4，电容c1，红外ledd2，第二三极管t2，电阻r5,电阻r6，电阻r7,电阻r8，电容c2。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
31.实施例1
32.参照图1～图4所示，本实用新型公开了一种基于fpga的可见光红外交替通信发射装置，包括：
33.输入接口、fpga单元、数模转换模块和光发射单元。
34.上述fpga单元作为核心控制，利用其并行特性，精准调光，高速响应。
35.具体的，上述fpga单元中的核心芯片选用xilinx公司的spartan6系类。上述fpga单元与输入接口连接，用户通过上述输入接口输入所需发射的数据流以及光照强度，上述fpga单元发出第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号，上述第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号交替产生。
36.优选的，上述第一脉冲控制信号为第一pwm脉冲，上述第二脉冲控制信号为第二pwm脉冲。上述第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号为双路互补pwm调光脉冲。当第一脉冲控制信号的占空比为d，则第二脉冲信号的占空比为1
‑
d，且两者之间无死区互补。
37.上述输入接口包括数据输入接口和调光输入接口，上述数据输入接口和调光输入接口均与所述fpga单元的输入端连接。通过上述数据输入接口以输入所需发射的数据流，通过上述调光输入接口以输入所需的光照强度。
38.上述数模转换单元与可见光发射电路和红外光发射电路均连接，以向可见光发射电路和红外光发射电路中输入调制信号。上述数模转换单元选用的型号为alinx an9767。
39.进一步的，上述调光输入接口能够发出的调光输入值的范围为0
‑
100％。
40.上述光发射单元包括可见光发射电路和红外发射电路。上述第一脉冲控制信号与可见光发射电路通信连接，上述第二脉冲控制信号与红外光发射电路通信连接。
41.参照图2所示，优选的，上述可见光发射电路包括第一光耦隔离芯片u1、第一三极管和白光ledd1。其中，上述fpga单元与第一光耦隔离芯片u1的输入端连接，上述第一脉冲控制信号控制第一光耦隔离芯片u1。上述第一光耦隔离芯片u1的第一输出引脚与白光
ledd1的阳极连接，上述白光ledd1的阴极与第一三极管的集电极连接，第一三极管的基极与所述数模转换单元连接，第一三极管的发射极与第一光耦隔离芯片u1的第二输出引脚连接。上述第一三极管的基极与数模转换单元之间依次连接有电阻r1和电容c1，上述第一光耦隔离芯片u1的第一输出引脚和白光ledd1的阳极之间的连接结点与第一三极管的发射极连接，上述第一光耦隔离芯片u1的第一输出引脚和白光ledd1的阳极之间的连接结点与第一三极管的发射极之间依次连接有电阻r3、电阻r4和电阻r2。
42.上述红外光发射电路包括第二光耦隔离芯片u2、第二三极管和红外ledd2。其中，上述fpga单元与第二光耦隔离芯片u2的输入端连接，上述第二脉冲控制信号控制第二光耦隔离芯片u2。第二光耦隔离芯片u2的第一输出引脚与红外ledd2的阳极连接，红外ledd2的阴极与第二三极管的集电极连接，第二三极管的基极与数模转换单元连接，第二三极管的发射极接地。上述第二三极管的基极与所述数模转换单元之间依次连接有电阻r5和电容c2。上述第二三极管的发射极与地端之间连接有电阻r8，电阻r8和地端之间的连接结点与fpga单元的地端端口连接。上述第二光耦隔离芯片u2的第一输出引脚和红外ledd2的阳极之间的连接结点与第二三极管的发射极连接，上述第二光耦隔离芯片u2的第一输出引脚和红外ledd2的阳极之间的连接结点与第一三极管的发射极之间依次连接有电阻r6、电阻r7和电阻r8。使用光耦隔离芯片控制led，使得输入输出隔离，降低了本发射装置对pwm调光脉冲的驱动能力要求，减小了输入输出间的相互干扰。
43.上述第一光耦隔离芯片u1和第二光耦隔离芯片u2均使用光耦隔离mosfet场效应管模块。上述第一三极管t1和第二三极管t2选用英飞凌型号为bfr93aw的射频三极管。
44.上述可见光发射电路在第一光耦隔离芯片u1的“开”时隙内工作，白光ledd1亮，并将输入的调制信号加载至白光ledd1发射；在第一光耦隔离芯片u1的“关”时隙内停止工作，白光ledd1灭，不能加载输入的调制信号。红外光发射电路在第二光耦隔离芯片u2的“开”时隙内工作，红外ledd2发射红外光，并将输入的调制信号加载至红外ledd2发射；在第二光耦隔离芯片u2的“关”时隙内停止工作，红外ledd2灭，不能加载输入的调制信号。
45.进一步的，上述第一光耦隔离芯片u1和第二光耦隔离芯片u2能够分别控制第一三极管t1、第二三极管t2的导通和断开，用作调光控制接口。第一三极管t1、第二三极管t2用来进行v/i转换，将基极输入的电压信号放大并转换成集电极流经led的电流信号，并提升驱动能力，通过将输入电压信号发大转换为电流信号，克服了led电压电流关系非线性问题，精准加载输入的电压信号，减小由于led电压电流关系非线性带来的失真。电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8构成电阻网络，为第一三极管t1和第二三极管t2提供导通时的静态工作点，电容c1、电容c2作为前级数模转换与可见光发射电路、红外光发射电路的耦合。
46.参照图4所示，根据从第一光耦隔离芯片u1和第二光耦隔离芯片u2模块手册上获取的的上升沿和下降沿延迟时间t1、t2，fpga单元分别在第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的上升沿后构建时长为max{t1、t2}的死区，死区内fpga单元不可输出有效信号，其余可以根据输出任意调制格式信号。fpga单元在非死区时输出的数字信号经过与之连接的数模转化模块输出调制信号。本实用新型突破了现有可见光通信发射装置只能在pwm调光脉冲“on”时隙内加载调制信号的问题。本实用新型构建了与可见光互补的红外光发射电路，第一脉冲控制信号与第二脉冲控制信号交替产生，能够在整个pwm调光周期内实现可见
光和红外光的交替传输，提升了时间利用效率。
47.实施例2
48.使用本实用新型加载调制格式为pam
‑
4的调制信号，在占空比为40％下，即光照强度为40％时，能够实现速率为15mbit/s的数据传输，比现有使用pam
‑
4调制的可见光通信发射装置速率提升了55.4％，误码率稳定低于10
‑4。
49.使用pda光电传感器能够接收到上述发射装置发出的实际波形。除在交替的死区外，上述发射装置在一个pwm调光脉冲周期内均可加载需要发射的pam
‑
4调制信号，时隙内提升了时间利用效率57.6％。
50.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。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变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。