CN103825656A - 基于tcp/ip的可见光通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于TCP/IP的可见光通信系统，包括发射机和接收机；发射机包括依次连接的数字发射单元、光发射单元以及光发射组件；接收机包括依次连接的光接收组件、光接收单元以及数字接收单元。本发明具有以下有益效果：发射功率高；无需申请频谱；无电磁干扰；安全保密；可利用带宽高；能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。
Description
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种基于TCP/IP的可见光通信系统及方法。
背景技术
近年来，使用可见光的可见光通信系统已有了稳定的发展。已提出了采用LED照明光源作为光源的可见光通信系统。
还提出了一种可见光通信技术，在该技术中，通过采用以视觉上无法识别的高速度闪烁LED的光通信来高速传送信息。
可见光通信系统采用比如AM（调幅）之类的调制方法作为通信方法，这是基于可见光亮度的变化的。特别地根据传送数据（数字信号串）来调制光源所发出的可见光，并将调制过的光作为可见光信号传送。
同时，在采用LED作为光源的通信方法中，通常采用光转化技术，利用荧光粉吸收LED芯片发出的较短波长的光如蓝光，激发出较长波长的光，通过激发荧光粉产生的光与原芯片发射光混合得到白光，并对白光进行调制。
在使用LED 作为光源的可见光通信系统中，可见效传送设备和接收设备的尺寸，并可减小功耗。因此，例如，作为使用移动终端的通信系统，这种通信系统是有益的。当要通过增加调制速率来实现高速通信时，由于例如LED 的响应特性，将难于实现这种高速通信。但通过在发送和接收设备中采用均衡技术，并在接收端窄带滤光，可以提高调制速度。
将发射设备和接收设备与基于TCP/IP的可见光通信网关有机连接，可见光通信网关采用嵌入式平台，在嵌入式系统上运行有TCP/IP应用层程序，该程序实现了数据从以太网接收信道编码到二进制数据转发的全过程。在接收端，PIN光电探测器的光电转换信号，该信号可直接由可见光通信网关接收处理，转换成信道编码发送到以太网。
目前没有发现国内有同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于TCP/IP的可见光通信系统及方法，具体的技术方案如下：
一种基于TCP/IP的可见光通信系统，包括发射机和接收机；
发射机包括依次连接的数字发射单元、光发射单元以及光发射组件；其中，光发射组件包括一发光LED，数字发射单元包括依次连接的发射以太网控制器、发射信号处理器以及D/A转换器，D/A转换器与光发射单元连接；
发射以太网控制器用于接收以太网数据，并将以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给发射信号处理器；比特流中包含信道编码；发射信号处理器用于对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号；D/A转换器用于将数字信号转换为模拟信号并输出；光发射单元用于对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给光发射组件；光发射组件用于根据单极性功率信号发射可见光；
接收机包括依次连接的光接收组件、光接收单元以及数字接收单元；其中，光接收组件包括一光电探测器，数字接收单元包括依次连接的A/D转换器、接收信号处理器以及接收以太网控制器，光接收单元与A/D转换器连接；
光接收组件用于接收可见光，并将可见光转换为模拟信号；光接收单元用于对模拟信号依次进行放大、滤波、放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给A/D转换器；A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号并输出，该数字信号为二进制数据；接收信号处理器用于对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流；接收以太网控制器用于接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
作为优化方案，发射信号处理器包括依次连接的发射帧处理模块、前端编码FIFO模块、编码模块、后端编码FIFO模块、添加同步序列模块以及NRZ码调制模块；其中，发射帧处理模块与发射以太网控制器连接，NRZ码调制模块与D/A转换器连接；
发射帧处理模块用于对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；前端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式向编码模块发送数据；编码模块用于对数据进行编码；后端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经编码后的数据；添加同步序列模块用于对编码后的数据添加同步序列；NRZ码调制模块用于将数据调制成不归零码，输出数字信号。
作为优化方案，接收信号处理器包括依次连接的同步模块、解调和检测模块、前端解码FIFO模块、解码模块、后端解码FIFO模块以及接收帧处理模块；其中，同步模块以及解调和检测模块分别与A/D转换器连接，接收帧处理模块与接收以太网控制器连接；
同步模块用于接收来自A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给解调和检测模块；解调和检测模块用于接收来自A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据；前端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式向解码模块发送数据；解码模块用于对数据进行解码；后端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经解码后的数据；接收帧处理模块用于对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。
作为优化方案，光发射单元包括依次连接的功率放大器和偏置器；其中，功率放大器与数字发射单元连接，偏置器与发光LED连接。
作为优化方案，光接收单元包括依次连接的跨阻放大器、低通滤波器、普通放大器以及自动增益控制器；其中，跨阻放大器与光电探测器连接，自动增益控制器与数字接收单元连接。
作为优化方案，光接收组件还包括滤波片和聚光透镜。
一种基于TCP/IP的可见光通信方法，包括光发射步骤和光接收步骤：
光发射步骤具体包括：
利用发射以太网控制器接收以太网数据，并将以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给发射信号处理模块；比特流中包含信道编码；
利用发射信号处理器对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号给D/A转换器；
利用D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号输出到光发射单元；
利用光发射单元对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给发光LED；
利用发光LED根据单极性功率信号发射可见光；
光接收步骤具体包括：
利用光接收组件接收可见光，并将可见光转换为模拟信号，再将模拟信号发送给光接收单元；
利用光接收单元对模拟信号依次进行放大、滤波、放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给A/D转换器；
利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号给接收信号处理器；该数字信号为二进制数据；
利用接收信号处理器对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流给接收以太网控制器；
利用接收以太网控制器接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
作为优化方案，利用发射信号处理器对比特流进行处理并输出相应的数字信号的步骤具体为：
利用发射帧处理模块对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；
利用前端编码FIFO模块采用先入先出的方式向编码模块发送数据；
利用编码模块对数据进行编码；
利用后端编码FIFO模块采用先入先出的方式输出经编码后的数据；
利用添加同步序列模块对编码后的数据添加同步序列；
利用NRZ码调制模块将数据调制成不归零码，输出数字信号。
作为优化方案，利用接收信号处理器对数字信号进行处理并输出相应的比特流的步骤具体为：
利用同步模块接收来自A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给解调和检测模块；
利用解调和检测模块接收来自A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据；
利用前端解码FIFO模块采用先入先出的方式向解码模块发送数据；
利用解码模块对数据进行解码；
利用后端解码FIFO模块采用先入先出的方式输出经解码后的数据；
利用接收帧处理模块对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1) 发射功率高；
(2) 无需申请频谱；
(3) 无电磁干扰；
(4) 安全保密；
(5) 可利用带宽高；
(6) 能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。
附图说明
图1为基于TCP/IP的可见光通信系统的结构方框图；
图2为发射机的工作过程的流程图；
图3为接收机的工作过程的流程图；
图4为发射信号处理器的工作过程的流程图；
图5为接收信号处理器的工作过程的流程图；
图6为用于解释根据第一实施例的均衡前后信道幅频响应；
图7为使用蓝光LED发光激发表面的荧光物质，产生黄光从而获得肉眼所需的白光LED光谱；
图8为光发射步骤的流程图；
图9为光接收步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于，提供一种基于TCP/IP大功率可见光通信系统及其方法，图7为使用蓝光LED发光激发表面的荧光物质，产生黄光从而获得肉眼所需的白光LED光谱。如图7所示，这种技术具有成本低、制作简单、易产业化的优点。照明用LED发出的光是非相干光，只能采用强度调制，即通过光强弱传递信息，在不采用发射端和接收端预均衡和接收端窄带滤光的等技术的条件下,此类照明用大功率LED能够使用的调制速率上限仅2~3 Mbps。图6为采用均衡前后信道幅频响应，实测均衡前信道3dB带宽约为15MHz，均衡后提高到约80MHz，能支持最高150Mbps调制速度。
下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。
实施例1：
如图1所示，基于TCP/IP的可见光通信系统，包括发射机和接收机。
如图1和2所示，发射机包括依次连接的数字发射单元、光发射单元以及光发射组件；其中，光发射组件包括一发光LED，数字发射单元包括依次连接的发射以太网控制器、发射信号处理器以及D/A转换器，D/A转换器与光发射单元连接。在本实施例中，发光LED为4颗额定功率为3W的LED串联而成。
所述发射以太网控制器用于接收以太网数据，并将所述以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给所述发射信号处理器；所述比特流中包含信道编码；所述发射信号处理器用于对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号；所述D/A转换器用于将数字信号转换为模拟信号并输出；所述光发射单元用于对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给所述光发射组件；所述光发射组件用于根据所述单极性功率信号发射可见光。
在本实施例中，光发射单元包括依次连接的功率放大器和偏置器；其中，功率放大器与数字发射单元连接，偏置器与发光LED连接。在本实施例中，为偏置器（Bias Tee）加载一直流偏置信号，偏置器根据该直流偏置信号对输入的信号进行偏置处理。
如图1和图3所示，接收机包括依次连接的光接收组件、光接收单元以及数字接收单元；其中，光接收组件包括一光电探测器，数字接收单元包括依次连接的A/D转换器、接收信号处理器以及接收以太网控制器，光接收单元与A/D转换器连接。在本实施例中，光接收组件还包括滤波片和聚光透镜，在光电探测器接收可见光之前，滤波片对可见光进行滤波，聚光透镜再对滤波后的可见光进行聚光。
所述光接收组件用于接收所述可见光，并将所述可见光转换为模拟信号；所述光接收单元用于对模拟信号依次进行放大、滤波、放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给所述A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号并输出，该数字信号为二进制数据；所述接收信号处理器用于对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流；所述接收以太网控制器用于接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
在本实施例中，光接收单元包括依次连接的跨阻放大器、低通滤波器、普通放大器以及自动增益控制器；其中，跨阻放大器与光电探测器连接，自动增益控制器与数字接收单元连接。
如图4所示，发射信号处理器包括依次连接的发射帧处理模块、前端编码FIFO模块、编码模块、后端编码FIFO模块、添加同步序列模块以及NRZ码调制模块；其中，发射帧处理模块与发射以太网控制器连接，NRZ码调制模块与D/A转换器连接。
在本实施例中，发射信号处理器为一个转换芯片FPGA，该芯片内运行TCP/IP应用层程序，用于将从以太网接收到的信道编码转换为二进制数据。
发射帧处理模块用于对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；发射帧处理模块接收的比特流中即包含待转换的信道编码。前端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式向编码模块发送数据；编码模块用于对数据进行编码；后端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经编码后的数据；添加同步序列模块用于对编码后的数据添加同步序列；NRZ码调制模块用于将数据调制成不归零码，输出数字信号。该输出的数字信号即为转换后获得的二进制数据。
如图5所示，接收信号处理器包括依次连接的同步模块、解调和检测模块、前端解码FIFO模块、解码模块、后端解码FIFO模块以及接收帧处理模块；其中，同步模块以及解调和检测模块分别与A/D转换器连接，接收帧处理模块与接收以太网控制器连接。
在本实施例中，接收信号处理器为一个转换芯片FPGA，该芯片内运行TCP/IP应用层程序，用于将接收到的二进制数据转换为信道编码。
同步模块用于接收来自A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给解调和检测模块；解调和检测模块用于接收来自A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据。其中，由A/D转换器输出的模拟信号即为待转换的二进制数据。前端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式向解码模块发送数据；解码模块用于对数据进行解码；后端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经解码后的数据；接收帧处理模块用于对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。输出的比特流中即包含转换后得到的信道编码。
基于TCP/IP的可见光通信方法，包括光发射步骤和光接收步骤：
如图8所示，光发射步骤具体包括：
利用发射以太网控制器接收以太网数据，并将以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给发射信号处理模块；比特流中包含信道编码；
利用发射信号处理器对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号给D/A转换器；
利用D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号输出到光发射单元；
利用光发射单元对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给发光LED；
利用发光LED根据单极性功率信号发射可见光。
如图9所示，光接收步骤具体包括：
利用光接收组件接收可见光，并将可见光转换为模拟信号，再将模拟信号发送给光接收单元；
利用光接收单元对模拟信号依次进行放大、滤波、二次放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给A/D转换器；
利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号给接收信号处理器；该数字信号为二进制数据；
利用接收信号处理器对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流给接收以太网控制器；
利用接收以太网控制器接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
在本实施例中，利用发射信号处理器对比特流进行处理并输出相应的数字信号的步骤具体为：
利用发射帧处理模块对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；
利用前端编码FIFO模块采用先入先出的方式向编码模块发送数据；
利用编码模块对数据进行编码，该编码采用曼彻斯特编码或8B10B编码；
利用后端编码FIFO模块采用先入先出的方式输出经编码后的数据；
利用添加同步序列模块对编码后的数据添加同步序列；
利用NRZ码调制模块将数据调制成不归零码，输出数字信号。
在本实施例中，利用接收信号处理器对数字信号进行处理并输出相应的比特流的步骤具体为：
利用同步模块接收来自A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给解调和检测模块；
利用解调和检测模块接收来自A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据；
利用前端解码FIFO模块采用先入先出的方式向解码模块发送数据；
利用解码模块对数据进行解码；
利用后端解码FIFO模块采用先入先出的方式输出经解码后的数据；
利用接收帧处理模块对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，包括发射机和接收机；
所述发射机包括依次连接的数字发射单元、光发射单元以及光发射组件；其中，所述光发射组件包括一发光LED，所述数字发射单元包括依次连接的发射以太网控制器、发射信号处理器以及D/A转换器，所述D/A转换器与所述光发射单元连接；
所述发射以太网控制器用于接收以太网数据，并将所述以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给所述发射信号处理器；所述比特流中包含信道编码；所述发射信号处理器用于对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号；所述D/A转换器用于将数字信号转换为模拟信号并输出；所述光发射单元用于对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给所述光发射组件；所述光发射组件用于根据所述单极性功率信号发射可见光；
所述接收机包括依次连接的光接收组件、光接收单元以及数字接收单元；其中，所述光接收组件包括一光电探测器，所述数字接收单元包括依次连接的A/D转换器、接收信号处理器以及接收以太网控制器，所述光接收单元与所述A/D转换器连接；
所述光接收组件用于接收所述可见光，并将所述可见光转换为模拟信号；所述光接收单元用于对模拟信号依次进行放大、滤波、放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给所述A/D转换器；所述A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号并输出，该数字信号为二进制数据；所述接收信号处理器用于对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流；所述接收以太网控制器用于接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
2.根据权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，所述发射信号处理器包括依次连接的发射帧处理模块、前端编码FIFO模块、编码模块、后端编码FIFO模块、添加同步序列模块以及NRZ码调制模块；其中，所述发射帧处理模块与所述发射以太网控制器连接，所述NRZ码调制模块与所述D/A转换器连接；
所述发射帧处理模块用于对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；所述前端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式向编码模块发送数据；所述编码模块用于对数据进行编码；所述后端编码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经编码后的数据；所述添加同步序列模块用于对编码后的数据添加同步序列；所述NRZ码调制模块用于将数据调制成不归零码，输出数字信号。
3.根据权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，所述接收信号处理器包括依次连接的同步模块、解调和检测模块、前端解码FIFO模块、解码模块、后端解码FIFO模块以及接收帧处理模块；其中，所述同步模块以及所述解调和检测模块分别与所述A/D转换器连接，所述接收帧处理模块与所述接收以太网控制器连接；
所述同步模块用于接收来自所述A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给所述解调和检测模块；所述解调和检测模块用于接收来自所述A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据；所述前端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式向解码模块发送数据；所述解码模块用于对数据进行解码；所述后端解码FIFO模块用于采用先入先出的方式输出经解码后的数据；所述接收帧处理模块用于对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。
4.根据权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，所述光发射单元包括依次连接的功率放大器和偏置器；其中，所述功率放大器与所述数字发射单元连接，所述偏置器与所述发光LED连接。
5.根据权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，所述光接收单元包括依次连接的跨阻放大器、低通滤波器、普通放大器以及自动增益控制器；其中，所述跨阻放大器与所述光电探测器连接，所述自动增益控制器与所述数字接收单元连接。
6.根据权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统，其特征在于，所述光接收组件还包括滤波片和聚光透镜。
7.一种基于TCP/IP的可见光通信方法，利用如权利要求1所述的基于TCP/IP的可见光通信系统进行通信，其特征在于，包括光发射步骤和光接收步骤：
所述光发射步骤具体包括：
利用发射以太网控制器接收以太网数据，并将所述以太网数据转换为比特流，再将比特流发送给发射信号处理模块；所述比特流中包含信道编码；
利用发射信号处理器对比特流进行处理，将信道编码转换为二进制数据，并输出相应的数字信号给D/A转换器；
利用D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号输出到光发射单元；
利用光发射单元对模拟信号进行功率放大和偏置处理，输出一单极性功率信号给发光LED；
利用发光LED根据所述单极性功率信号发射可见光；
所述光接收步骤具体包括：
利用光接收组件接收所述可见光，并将所述可见光转换为模拟信号，再将模拟信号发送给光接收单元；
利用光接收单元对模拟信号依次进行放大、滤波、放大和增益处理，并将处理后的模拟信号发送给所述A/D转换器；
利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并输出数字信号给所述接收信号处理器；该数字信号为二进制数据；
利用接收信号处理器对数字信号进行处理，将二进制数据转换为信道编码，并输出相应的比特流给所述接收以太网控制器；
利用接收以太网控制器接收比特流，并将比特流转换为以太网数据并输出。
8.根据权利要求7所述的基于TCP/IP的可见光通信方法，其特征在于，利用发射信号处理器对比特流进行处理并输出相应的数字信号的步骤具体为：
利用发射帧处理模块对比特流进行解MAC帧以及组建物理帧的处理，获取数据；
利用前端编码FIFO模块采用先入先出的方式向编码模块发送数据；
利用编码模块对数据进行编码；
利用后端编码FIFO模块采用先入先出的方式输出经编码后的数据；
利用添加同步序列模块对编码后的数据添加同步序列；
利用NRZ码调制模块将数据调制成不归零码，输出数字信号。
9.根据权利要求7所述的基于TCP/IP的可见光通信方法，其特征在于，利用接收信号处理器对数字信号进行处理并输出相应的比特流的步骤具体为：
利用同步模块接收来自所述A/D转换器的模拟信号，并对模拟信号进行同步处理，再输出同步后的模拟信号给所述解调和检测模块；
利用解调和检测模块接收来自所述A/D转换器的模拟信号，并根据同步后的模拟信号进行解调和检测，获得数据；
利用前端解码FIFO模块采用先入先出的方式向解码模块发送数据；
利用解码模块对数据进行解码；
利用后端解码FIFO模块采用先入先出的方式输出经解码后的数据；
利用接收帧处理模块对数据进行解物理帧以及组建MAC帧的处理，再输出比特流。
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