基于FPGA的可见光通信系统设计

作     者：严丹丹 yandandan

作者单位：成都理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈金鹰

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：可见光通信 LED PIN 2FSK FPGA 

摘      要：随着LED灯性能的不断提升与应用的不断拓展,采用高频开关的LED作为光源的可见光通信技术日趋成熟。白光LED灯在照明状态下传输数据。可见光通信技术具有光谱资源丰富,LED灯响应灵敏度高,节能环保,通信安全等优点。缓解了现有无线通信中存在的频谱资源紧张问题。基于以上研究价值,本文研究设计了基于FPGA的可见光通信系统。本文主要对白光LED在两台电脑之间传输数据进行研究设计。首先掌握了可见光通信系统的研究背景与研究意义和国内外的研究现状,其次对光源白光LED和光探测器PIN的原理和特性进行深入分析,LED的特性包括伏安特性、调制特性、光谱特性、辐射特性。通过对可见光通信的链路和信道分析,本系统确定采用定向视距链路,强度调制直接检测技术（IM/DD）。对系统总体设计方案所涉及的通信协议,2FSK调制解调方法和开发工具FPGA进行深入分析,作为后续调制解调设计的理论依据。接下来对系统软件和硬件做具体设计,系统软件设计采用FPGA对PC端发送的异步串行数据进行2FSK调制解调。调制解调器包括分频模块、数据接收模块、调制模块、解调模块、数据发送模块、显示模块共六大模块。其中分频模块对系统时钟进行分频得到fs,f0,f1,f2,ftb五种频率。其中fs为数据接收模块和数据发送模块提供接收发送时钟,f0为调制模块基波频率,f1,f2为调制模块载波频率。ftb为显示模块时钟频率。数据接收模块的功能是完成对异步串行数据的准确接收。调制模块的功能是将二进制数据进行2FSK编码。解调模块的功能是将2FSK信号解调成二进制数据。显示模块显示接收模块的数据,从而直观的验证接收模块已正确接收异步串行数据。解调模块的数据也通过显示模块显示,从而验证解调模块已实现解调2FSK信号的功能。发送模块的功能是将解调的数据发送到PC接收终端。硬件设计包括发射端和接收端电路设计。发射端的LED驱动电路完成直流驱动LED正常工作并把交流信号加载到直流偏置电流中的功能。接收电路的功能是将检测的光信号转换成电信号,此时的电信号为非常微弱（μA数量级）的电流信号,需要把该电流信号转换成电压信号并放大,达到TTL电平判定的范围。接收端电路包括前置放大电路,低通滤波电路和主放大电路。系统采用ISE软件进行程序编写以及调试,通过专业EDA仿真工具ModelSim对调制解调器的六大功能模块进行波形仿真,通过分析信号波形验证各模块实现期望的功能。采用示波器观察信号在各环节的波形,分析验证软硬件端的功能。首先观察FPGA开发板出来的调制信号,验证其完成2FSK调制功能,其次观察光电转换后的波形,分析波形参数的变化以及失真度,采取相应补偿措施并观察处理后的波形是否消除失真。最后观察FPGA解调通路的波形,验证其完成解调功能。在对软硬件功能都测试完成后,采用PC端的串口助手作为信源和信宿对可见光通信系统进行整体验证。本文设计的基于FPGA的可见光通信系统能够达到预期的在两台PC之间传输数据的目的。综上所述,首次提出采用2FSK进行信号调制解调的思想,对照明光传输数据时的信道特点、白光LED和PIN光电探测器的原理以及特性、异步通信的信号采样方式进行了深入的研究。分析认为,传统光纤通信中直接采用0、1码控制光源通断来承载数据时,当连续传输0时会严重影响光照强度,提出通过双频信号分别承载0、1来实现既能照明同时又能传输数据的新型VLC信号2FSK调制的思路。提出了通过16倍速率进行数据采样以解决异步通信相位不匹配的问题。设计了系统的总体方案,提出了当数据收、发两端时钟不同步时的解决方案。利用FPGA技术进行了信号调制与解调制设计,同时对光电转换与接收电路进行设计。编写了实现VLC信号2FSK调制的VHDL程序,系统在Xilinx公司的ISE开发环境下进行编程,经ModelSim软件仿真,最后将生成的位流文件下载到Spartan XC3S100E芯片进行数据的调制与解调制收发试验,系统达到预定的设计效果。