【摘要】：隨著LED燈性能的不斷提升與應(yīng)用的不斷拓展,采用高頻開關(guān)的LED作為光源的可見光通信技術(shù)日趨成熟。白光LED燈在照明狀態(tài)下傳輸數(shù)據(jù)。可見光通信技術(shù)具有光譜資源豐富,LED燈響應(yīng)靈敏度高,節(jié)能環(huán)保,通信安全等優(yōu)點。緩解了現(xiàn)有無線通信中存在的頻譜資源緊張問題�；谝陨涎芯績r值,本文研究設(shè)計了基于FPGA的可見光通信系統(tǒng)。本文主要對白光LED在兩臺電腦之間傳輸數(shù)據(jù)進行研究設(shè)計。首先掌握了可見光通信系統(tǒng)的研究背景與研究意義和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,其次對光源白光LED和光探測器PIN的原理和特性進行深入分析,LED的特性包括伏安特性、調(diào)制特性、光譜特性、輻射特性。通過對可見光通信的鏈路和信道分析,本系統(tǒng)確定采用定向視距鏈路,強度調(diào)制直接檢測技術(shù)(IM/DD)。對系統(tǒng)總體設(shè)計方案所涉及的通信協(xié)議,2FSK調(diào)制解調(diào)方法和開發(fā)工具FPGA進行深入分析,作為后續(xù)調(diào)制解調(diào)設(shè)計的理論依據(jù)。接下來對系統(tǒng)軟件和硬件做具體設(shè)計,系統(tǒng)軟件設(shè)計采用FPGA對PC端發(fā)送的異步串行數(shù)據(jù)進行2FSK調(diào)制解調(diào)。調(diào)制解調(diào)器包括分頻模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、調(diào)制模塊、解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、顯示模塊共六大模塊。其中分頻模塊對系統(tǒng)時鐘進行分頻得到fs,f0,f1,f2,ftb五種頻率。其中fs為數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊提供接收發(fā)送時鐘,f0為調(diào)制模塊基波頻率,f1,f2為調(diào)制模塊載波頻率。ftb為顯示模塊時鐘頻率。數(shù)據(jù)接收模塊的功能是完成對異步串行數(shù)據(jù)的準確接收。調(diào)制模塊的功能是將二進制數(shù)據(jù)進行2FSK編碼。解調(diào)模塊的功能是將2FSK信號解調(diào)成二進制數(shù)據(jù)。顯示模塊顯示接收模塊的數(shù)據(jù),從而直觀的驗證接收模塊已正確接收異步串行數(shù)據(jù)。解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)也通過顯示模塊顯示,從而驗證解調(diào)模塊已實現(xiàn)解調(diào)2FSK信號的功能。發(fā)送模塊的功能是將解調(diào)的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC接收終端。硬件設(shè)計包括發(fā)射端和接收端電路設(shè)計。發(fā)射端的LED驅(qū)動電路完成直流驅(qū)動LED正常工作并把交流信號加載到直流偏置電流中的功能。接收電路的功能是將檢測的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,此時的電信號為非常微弱(μA數(shù)量級)的電流信號,需要把該電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大,達到TTL電平判定的范圍。接收端電路包括前置放大電路,低通濾波電路和主放大電路。系統(tǒng)采用ISE軟件進行程序編寫以及調(diào)試,通過專業(yè)EDA仿真工具ModelSim對調(diào)制解調(diào)器的六大功能模塊進行波形仿真,通過分析信號波形驗證各模塊實現(xiàn)期望的功能。采用示波器觀察信號在各環(huán)節(jié)的波形,分析驗證軟硬件端的功能。首先觀察FPGA開發(fā)板出來的調(diào)制信號,驗證其完成2FSK調(diào)制功能,其次觀察光電轉(zhuǎn)換后的波形,分析波形參數(shù)的變化以及失真度,采取相應(yīng)補償措施并觀察處理后的波形是否消除失真。最后觀察FPGA解調(diào)通路的波形,驗證其完成解調(diào)功能。在對軟硬件功能都測試完成后,采用PC端的串口助手作為信源和信宿對可見光通信系統(tǒng)進行整體驗證。本文設(shè)計的基于FPGA的可見光通信系統(tǒng)能夠達到預(yù)期的在兩臺PC之間傳輸數(shù)據(jù)的目的。綜上所述,首次提出采用2FSK進行信號調(diào)制解調(diào)的思想,對照明光傳輸數(shù)據(jù)時的信道特點、白光LED和PIN光電探測器的原理以及特性、異步通信的信號采樣方式進行了深入的研究。分析認為,傳統(tǒng)光纖通信中直接采用0、1碼控制光源通斷來承載數(shù)據(jù)時,當連續(xù)傳輸0時會嚴重影響光照強度,提出通過雙頻信號分別承載0、1來實現(xiàn)既能照明同時又能傳輸數(shù)據(jù)的新型VLC信號2FSK調(diào)制的思路。提出了通過16倍速率進行數(shù)據(jù)采樣以解決異步通信相位不匹配的問題。設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案,提出了當數(shù)據(jù)收、發(fā)兩端時鐘不同步時的解決方案。利用FPGA技術(shù)進行了信號調(diào)制與解調(diào)制設(shè)計,同時對光電轉(zhuǎn)換與接收電路進行設(shè)計。編寫了實現(xiàn)VLC信號2FSK調(diào)制的VHDL程序,系統(tǒng)在Xilinx公司的ISE開發(fā)環(huán)境下進行編程,經(jīng)ModelSim軟件仿真,最后將生成的位流文件下載到Spartan XC3S100E芯片進行數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)制收發(fā)試驗,系統(tǒng)達到預(yù)定的設(shè)計效果。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2369178