基於fpga的可見光視頻通信系統及方法
2023-06-09 03:29:46 2
基於fpga的可見光視頻通信系統及方法
【專利摘要】本發明提供一種基於FPGA的可見光視頻通信系統及方法，將待傳輸的視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼控制模塊；FPGA信號編碼控制模塊將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼；將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；為LED光源提供直流偏置電壓，並與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號；耦合處理後的混合信號被傳輸至LED光源，驅動LED光源發光產生光脈衝信號；將光脈衝信號轉換為電壓信號，提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；根據時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊進行視頻播放。本發明能夠實現短距離、高速率的可見光視頻通信。
【專利說明】基於FPGA的可見光視頻通信系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線光通信【技術領域】，尤其涉及一種基於FPGA的可見光視頻通信系統及方法。
【背景技術】
[0002]LED具有響應靈敏度高、調製性能好、發射功率大等優點，利用這些特點，可將數據調製到LED可見光上進行傳輸，構成短距離、大容量的可見光視頻通信系統，從而實現照明的同時也能通信的雙重效果。與傳統射頻通信和其它光無線通信相比，可見光無線通信具有無需無線電頻譜認證，不存在電磁幹擾，保密性好等優勢，特別適合醫療、礦井、機場和保密會議室等特殊場合的應用。
[0003]目前所用的WiFi無線傳輸方式存在大量的電磁輻射幹擾，特別是在特殊場合，比如醫院，機場和其他電磁敏感區域，無線WiFi傳輸方式受到很大限制。
【發明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發明的目的是提出一種基於現場可編程邏輯門陣列(Field ProgrammableGate Array,FPGA)的可見光視頻通信系統及方法，以實現短距離、高速的可見光視頻通信。
[0006](二)技術方案
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提出了一種基於FPGA的可見光視頻通信方法，包括:
[0008]S1、將待傳輸的視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼控制模塊；
[0009]S2、FPGA信號編碼控制模塊採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼；
[0010]S3、將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；
[0011]S4、為LED光源提供直流偏置電壓，並與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號;
[0012]S5、耦合處理後的混合信號被傳輸至LED光源，驅動LED光源發光產生光脈衝信號;
[0013]S6、將光脈衝信號轉換為光電流信號；
[0014]S7、將光電流信號轉換為電壓信號，提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；
[0015]S8、根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊進行視頻播放。
[0016]優選地，對光脈衝信號進行匯聚和濾光；
[0017]然後將濾光後的光脈衝信號轉換為光電流信號。
[0018]本發明還提出了一種基於FPGA的可見光視頻通信系統，包括:[0019]視頻流生成模塊，用於將視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼處理模塊；
[0020]FPGA信號編碼控制模塊，用於採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼；
[0021]驅動電路，將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；
[0022]LED偏置電路，為LED光源提供直流偏置電壓，與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號；
[0023]LED光源，在耦合處理後的混合信號的驅動下發光產生光脈衝信號；
[0024]光電探測器，用於將光脈衝信號轉換為光電流信號；
[0025]前置放大電路，用於將光電流信號進行跨阻放大，轉換為電壓信號；
[0026]時鐘數據恢復電路，用於提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；
[0027]FPGA解碼控制模塊，用於根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊；
[0028]視頻播放模塊，用於接收乙太網口傳輸的解碼後的信號並進行視頻播放。
[0029]優選地，光電探測器前還包括:
[0030]匯聚透鏡，用於匯聚LED光源發出的光脈衝信號；
[0031 ] 藍光濾光片,用於對匯聚後的光脈衝信號進行濾光。
[0032](三)有益效果
[0033]本發明的實施例中，以FPGA為主要信號處理模塊實現可見光視頻通信，FPGA具有可重複編程的靈活性和並行處理能力，具有較強的信號處理能力，如信號的量化、編碼、調製解調等，並且FPGA在信號濾波方面也具有優勢，因此，將FPGA應用在可見光視頻通信系統中的信號處理方面是比較理想的選擇。
[0034]本發明的實施例中，為了滿足時鐘數據恢復電路的數據傳輸速率要求，需要在對信號進行編碼前首先進行FIFO緩存，使得編碼後的信號傳輸速率提高，而為了滿足乙太網口的傳輸速率，需要在對信號進行解碼後首先進行FIFO緩存再經乙太網口傳輸，使得視頻流信號能夠進行流暢傳輸。
[0035]本發明的實施例中通過相應的硬體電路和FPGA信號編碼/解碼控制模塊實現系統的斷點續傳功能，即當無線光信號被障礙物阻斷後，由於光電探測器無法接收到光信號，因此視頻停止播放；當障礙物移開之後，光電探測器恢復接收光信號，從而恢復視頻播放。
[0036]本發明的實施例中提出的基於FPGA的可見光視頻通信系統和方法具有無需無線電頻譜認證，不存在電磁幹擾，保密性好等優勢，特別適合醫療、礦井、機場和保密會議室等特殊場合的應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。[0038]圖1為本發明實施例中基於FPGA的可見光視頻通信方法的流程圖；
[0039]圖2為本發明實施例中基於FPGA的可見光視頻通信系統框圖；
[0040]圖3為本發明系統實施例中發送端FPGA信號處理模塊框圖；
[0041]圖4為本發明系統實施例中接收端FPGA探測恢復模塊框圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不能用來限制本發明的範圍。
[0043]參見圖1，為了實現可見光視頻通信，本發明實施例提出了一種基於FPGA的可見光視頻通信方法，包括:
[0044]S1、將待傳輸的視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼處理模塊；
[0045]S2、FPGA信號編碼處理模塊採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼；
[0046]S3、將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；
[0047]S4、為LED光源提供直流偏置電壓，並與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號;
[0048]S5、耦合處理後的混合信號被傳輸至LED光源，驅動LED光源發光產生光脈衝信號;
[0049]S6、將光脈衝信號轉換為光電流信號；
[0050]S7、將光電流信號轉換為電壓信號，提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；
[0051]S8、根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊進行視頻播放。
[0052]本發明的上述實施例中，以FPGA為主要信號處理模塊實現可見光通信，FPGA具有可重複編程的靈活性和並行處理能力，具有較強的信號處理能力，如信號的量化、編碼、調製解調等，並且FPGA在信號濾波方面也具有優勢，因此，將FPGA應用在可見光視頻通信系統中的信號處理方面是比較理想的選擇。
[0053]本發明的上述實施例中，為了提高接收端的信噪比，將光脈衝信號轉換為光電流信號之前首先將光脈衝信號進行匯聚；同時由於所用白光LED光源的發光原理是藍光基片激發黃色螢光粉而成的，對藍光的響應速率較高，因此，採用藍光濾光片對匯聚後的光脈衝信號進行濾光後再將其轉換成光電流信號，以提高系統的傳輸速率。
[0054]因此，參見圖2，本發明實施例中提出的基於FPGA的可見光視頻通信方法包括:
[0055]1、在PC電腦上利用視頻流生成軟體將待傳輸的視頻生成視頻流信號；
[0056]2、採用UDP協議經乙太網口發送視頻流信號；
[0057]3、採用FPGA接收乙太網口發送的視頻流信號，並將視頻流信號進行FIFO緩存和編碼；
[0058]4、將編碼後的視頻流信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；
[0059]5、為LED光源提供直流偏置電壓，並與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號，從而使得當沒有視頻信號傳輸時LED光源也能夠發光，實現照明；
[0060]6、稱合處理後的混合信號傳輸到LED光源,驅動LED光源發光；
[0061]7、LED光源將I禹合後的信號轉換成光脈衝信號後,光脈衝信號以自由空間為媒介進行無線傳輸；
[0062]8、採用匯聚透鏡對光脈衝信號進行匯聚；
[0063]9、通過藍光濾光片對匯聚後的光脈衝信號進行濾波處理；
[0064]10、將濾波後的光脈衝信號轉換成光電流信號；
[0065]11、將光電流信號進行跨阻放大，轉換為電壓信號；
[0066]12、提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；
[0067]13、根據提取的時鐘信號對提取的數據信號進行解碼；
[0068]14、將解碼後的信號進行FIFO緩存；
[0069]15、將FIFO緩存的信號經乙太網口發送至PC電腦進行視頻播放。
[0070]參見圖3和圖4,本發明的另一個實施例還提出了一種基於FPGA的可見光視頻通信系統，包括:
[0071]視頻流生成模塊，用於將視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼處理模塊；
[0072]FPGA信號編碼控制模塊，用於採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼；
[0073]驅動電路，將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配；
[0074]LED偏置電路，為LED光源提供直流偏置電壓，與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號；
[0075]LED光源，在耦合處理後的混合信號的驅動下發光產生光脈衝信號；
[0076]光電探測器，用於將光脈衝信號轉換為光電流信號；
[0077]前置放大電路，用於將光電流信號進行跨阻放大，轉換為電壓信號；
[0078]時鐘數據恢復電路，用於提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號；
[0079]FPGA解碼控制模塊，用於根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊；
[0080]視頻播放模塊，用於接收乙太網口傳輸的解碼後的信號並進行視頻播放。
[0081]本發明系統的上述實施例中，所述LED光源是藍光基片激發黃色螢光粉而發出白光的；
[0082]所述光電探測器前還包括:
[0083]匯聚透鏡，用於匯聚LED光源發出的光脈衝信號；
[0084]藍光濾光片，用於對匯聚後的光脈衝信號進行濾光。
[0085]因此，本發明實施例的有益效果是:
[0086]本發明的實施例中，以FPGA為主要信號處理模塊實現可見光視頻通信，FPGA具有可重複編程的靈活性和並行處理能力，具有較強的信號處理能力，如信號的量化、編碼、調製解調等，並且FPGA在信號濾波方面也具有優勢，因此，將FPGA應用在可見光視頻通信系統中的信號處理方面是比較理想的選擇。[0087]本發明的實施例中，為了滿足時鐘數據恢復電路的數據傳輸速率要求，需要在對信號進行編碼前首先進行FIFO緩存，使得編碼後的信號傳輸速率提高，而為了滿足乙太網口的傳輸速率，需要在對信號進行解碼後首先進行FIFO緩存再經乙太網口傳輸，使得視頻流信號能夠進行流暢傳輸。
[0088]本發明的實施例中通過相應的硬體電路和FPGA信號編碼/解碼控制模塊實現系統的斷點續傳功能，即當無線光信號被障礙物阻斷後，由於光電探測器無法接收到光信號，因此視頻停止播放；當障礙物移開之後，光電探測器恢復接收光信號，從而恢復視頻播放。
[0089]本發明的實施例中提出的基於FPGA的可見光視頻通信系統和方法具有無需無線電頻譜認證，不存在電磁幹擾，保密性好等優勢，特別適合醫療、礦井、機場和保密會議室等特殊場合的應用。
[0090]本發明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本發明限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1.一種基於FPGA的可見光視頻通信方法，其特徵在於，包括: 51、將待傳輸的視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼控制模塊； 52、FPGA信號編碼控制模塊採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼； 53、將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配； 54、為LED光源提供直流偏置電壓，並與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號； 55、耦合處理後的混合信號被傳輸至LED光源，驅動LED光源發光產生光脈衝信號； 56、將光脈衝信號轉換為光電流信號； 57、將光電流信號轉換為電壓信號，提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號； 58、根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊進行視頻播放。
2.根據權利要求1所述的基於FPGA的可見光視頻通信方法，步驟S6包括: 對光脈衝信號進行匯聚和濾光； 將濾光後的光脈衝信號轉換為光電流信號。
3.一種基於FPGA的可見光視頻通信系統，其特徵在於，包括: 視頻流生成模塊，用於將視頻轉化為視頻流信號，並經乙太網口將所述視頻流信號傳輸給FPGA信號編碼處理模塊； FPGA信號編碼控制模塊，用於採用FPGA將視頻流信號進行FIFO緩存之後對接收的視頻流信號進行編碼； 驅動電路，將編碼後的信號進行無失真放大，使得放大後的信號與LED光源特性相匹配； LED偏置電路，為LED光源提供直流偏置電壓，與放大後的信號進行耦合處理產生混合信號; LED光源，在耦合處理後的混合信號的驅動下發光產生光脈衝信號； 光電探測器，用於將光脈衝信號轉換為光電流信號； 前置放大電路，用於將光電流信號進行跨阻放大，轉換為電壓信號； 時鐘數據恢復電路，用於提取電壓信號中的時鐘信號和數據信號； FPGA解碼控制模塊，用於根據提取的時鐘信號對數據信號進行解碼和FIFO緩存，並經乙太網口傳輸給視頻播放模塊； 視頻播放模塊，用於接收乙太網口傳輸的解碼後的信號並進行視頻播放。
4.根據權利要求3所述的基於FPGA的可見光視頻通信系統，光電探測器前還包括: 匯聚透鏡，用於匯聚LED光源發出的光脈衝信號； 藍光濾光片，用於對匯聚後的光脈衝信號進行濾光。
【文檔編號】H04B10/116GK103684597SQ201310582529
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月19日 優先權日:2013年11月19日
【發明者】韓大海, 汪新勇, 張民, 焦璐, 李青, 王緒峰, 李昂 申請人:北京郵電大學