CN114629550A - 一种自适应的可见光接收装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的可见光接收装置和方法，包括光探测器、电压直流耦合转交流耦合电路、滤波器模块、ADC模块、电平检测电路、信号判决模块、异步多相位串并转换模块、数据选择模块、接收统计模块和灵敏度调节模块，其特征在于：所述光探测器将光信号转换成电信号，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连，所述光探测器的数据输出与电压直流耦合转交流耦合电路相连。本发明所述的一种自适应的可见光接收装置和方法，将直流耦合电路转换成交流耦合电路，采用两个判决电压降低了误码率，提高了接收机的接收性能，通过多个采样相位同时对数据进行采集，减轻了异步接口采样误差造成的影响，进一步降低了误码率。

Description

一种自适应的可见光接收装置和方法

技术领域

本发明涉及无线通信设备技术领域，特别涉及一种自适应的可见光接收装置和方法。

背景技术

由于光信号在水中有损耗和失真，所以对光探测器的性能要求很高，尤其是对在所用光源波长范围内的灵敏度的要求更高。同时原有技术采用的是普通的串并转换，在采样脉冲有效时对收到的串行数据进行采样，最终转换成并行数据，由于收到的数据是发射端发送过来的，采样脉冲是本端设备产生的，两者之间不完全同步，采样脉冲的提前或滞后都可能导致采样错误。此外原有技术使用的是单一的判决电压，对信号的上升沿和下降沿无法区别处理，容易造成误码，从而影响接收机的接收性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种自适应的可见光接收装置和方法，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种自适应的可见光接收装置，包括光探测器、电压直流耦合转交流耦合电路、滤波器模块、ADC模块、电平检测电路、信号判决模块、异步多相位串并转换模块、数据选择模块、接收统计模块和灵敏度调节模块，所述光探测器将光信号转换成电信号，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连，所述光探测器的数据输出与电压直流耦合转交流耦合电路相连；

所述电压直流耦合转交流耦合电路的输入与光探测器相连，所述电压直流耦合转交流耦合电路的输出与差分放大器相连；

所述滤波器模块的数据输入与差分放大器相连，所述滤波器模块的数据输出与ADC模块相连；

所述ADC模块的数据输入与滤波器模块相连，所述ADC模块的数据输出与电平检测电路相连；

所述电平检测电路的数据输入与ADC模块相连，所述电平检测电路的数据输出与信号判决模块相连；

所述信号判决模块的输入与电平检测电路相连，电平检测电路根据输入的数字信号值，计算出最大电压MAX和最小电压MIN，计算电路和过程如下：电路包含两个相同容量的缓存1和2，输入的数字信号写入缓存1，写入时记录最大MAX和最小电压值MIN，缓存1写满后开始读出，将MAX、MIN和读出的缓存数据同时输出到信号判决模块。缓存1读出数据的同时输入切换到缓存2进行写入数字信号的操作，写入时记录最大MAX和最小电压值MIN，缓存2写满后开始读出，将MAX、MIN和缓存的读出数据同时输出到信号判决模块。缓存1读出数据的同时输入数据写操作切换回缓存1,循环往复。缓存1和缓存2的容量为：采样率÷数据带宽×单字节编码后bit数，缓存容量不能太小，否则最大、最小电压判断不准确；也不能太大，否则无法适应传输过程中出现的线路干扰，缓存容量为：采样率÷数据带宽×单字节编码后bit数；所述信号判决模块的输出与异步多相位串并转换模块相连；信号判决模块将输入的数字信号与实时产生的判决电压进行比较，输出串行电平。判决电压比较过程如下：根据电平检测电路得到的最高电平MAX，计算判决电压A=（MAX-AVG）÷2，根据电平检测电路得到的最低电平MIN，计算判决电压B=（AVG-MIN）÷2，当电平检测电路输出的信号电压值大于A时，判决输出电平为高；当输出电压小于B时，判决输出电平为低；其他情况判决输出保持之前的值，AVG为耦合信号中间电压。

所述异步多相位串并转换模块的数据输入与信号判决模块相连，所述异步多相位串并转换模块的数据输出与数据选择模块和接收统计模块相连；

所述数据选择模块的数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述数据选择模块的数据输出与数据处理模块相连；

所述接收统计模块的一路数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述接收统计模块的一路数据输入与数据处理模块相连，所述接收统计模块的数据输出与灵敏度调节模块相连；

所述灵敏度调节模块的输入与接收统计模块相连，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连。

一种自适应的可见光接收方法，包括以下步骤：

步骤 1：设置灵敏度电压控制光探测器，然后进入步骤2；

步骤 2：光信号经过光探测器被转换成电信号，然后进入步骤3；

步骤3：光探测器接收到的信号经过直流耦合转交流耦合电路，将直流耦合信号转换成交流耦合差分信号；然后进入步骤4；

步骤4：交流耦合差分信号经过差分放大器放大信号实现增益调节；然后进入步骤5；

步骤5：经过放大后的信号经过滤波器，滤除掉不需要的频带信号和噪音；然后进入步骤6；

步骤 6：AD采集数据将信号转为数字信号；然后进入步骤7；

步骤 7：根据AD采集到的数字信号在一定时间段内的最大、最小电压，计算出A、B两个判决电压，对交流耦合信号进行判决，产生串行高低电平的数据流；然后进入步骤8；

步骤8：AD采集的数据经过判决电压比较转换成串行数据后，再异步多相位采集串并转换模块在不同相位采集变成多组并行数据；同时并行数据的最低位是校验位，通过校验位验证数据正确性，选择校验正确的数据传送到数据处理模块进行处理；然后进入步骤9；

步骤9：数据处理模块对数据进行帧同步、译码、解帧处理,同时异步多相位采集串并转换模块处理过程中统计接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数等参数；然后进入步骤10；

步骤10：在灵敏度调节模块根据统计到的接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数这四个参数，计算出一个值，根据RAM中保存的多组计算值中比较出最大的计算值；然后返回步骤1。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明中采用直流耦合转交流耦合电路，去除直流分量，信号电平会以固定中间电平为基准上下波动，便于后续进行双判决电压比较、增益调节和噪声滤除；

2.本发明中在原有的传输装置上增加了可以调节光探测器模块灵敏度的功能，自适应调节探测器输出电平的强弱，通过计算误码率及光探测器信号强度，增大了接收信号电压的范围，实时调整灵敏度电压，使光探测器工作在最佳状态，可抵御突发的外部环境变化造成的干扰，降低误码率；

3.本发明中采用多相位异步串口数据采集，由于发送端与接收端时钟不同步，会造成接收端异步采样精度下降，通过多个采样相位同时对数据进行采集，采集后计算校验值优选出一路无校验错误的数据，提高接收数据正确性；

4.本发明中探测器输出的原始信号经过交流耦合转换后，信号会在一个固定的中间电平AVG附近上下波动，并在原始信号的上升沿会产生一个正脉冲，在原始信号的下降沿会产生一个负脉冲，通过AD的采样后，根据一段时间内记录得到的最高电平MAX，计算判决电压A=（MAX-AVG）÷2，根据一段时间内记录得到的最低电平MIN，计算判决电压B=（AVG-MIN）÷2，当信号电压值大于A时，判决输出电平为高；当输出电压小于B时，判决输出电平为低；其他情况判决输出保持之前的值，通过A、B两个不同的判决电压调整，可降低误码率，提高了接收性能。

附图说明

图1为本发明实现方法的模块框图。

图2为本发明中灵敏电压自适应模块流程图。

图3为本发明中多相位串并转换模块流程图。

图4为本发明中实施例1模块框图。

图5为本发明中判决电压比较原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，一种自适应的可见光接收装置，包括光探测器、电压直流耦合转交流耦合电路、滤波器模块、ADC模块、电平检测电路、信号判决模块、异步多相位串并转换模块、数据选择模块、接收统计模块和灵敏度调节模块，其特征在于：所述光探测器将光信号转换成电信号，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连，所述光探测器的数据输出与电压直流耦合转交流耦合电路相连；

所述电压直流耦合转交流耦合电路的输入与光探测器相连，所述电压直流耦合转交流耦合电路的输出与差分放大器相连，电压直流耦合转交流耦合电路可以去掉直流分量；

所述滤波器模块的数据输入与差分放大器相连，所述滤波器模块的数据输出与ADC模块相连，滤波器模块可以滤除干扰信号，保留所需频带信号；

所述ADC模块的数据输入与滤波器模块相连，所述ADC模块的数据输出与电平检测电路相连，ADC模块用于模数转换，将接收到的模拟信号转换为数字信号；

所述电平检测电路的数据输入与ADC模块相连，所述电平检测电路的数据输出与信号判决模块相连，电平检测电路根据输入的数字信号值，计算判决电压A和B，输出到信号判决模块，包含两个相同容量的缓存1和2，输入的数字信号写入缓存1，写入时记录最大和最小电压值，缓存1写满后开始读出，同时切换到缓存2进行写入数字信号的操作，写入时记录最大和最小电压值，缓存2写满后开始读出，同时写入操作切换回缓存1,循环往复，缓存容量为：采样率÷数据带宽×单字节编码后bit数，缓存容量不能太小，否则判断最大、最小电压不准确；也不能太大，否则无法适应传输过程中出现的线路干扰；

所述信号判决模块的输入与电平检测电路相连，所述信号判决模块的输出与异步多相位串并转换模块相连，信号判决模块根据电平检测电路输出的最高电平MAX，设置一个判决电压A=（MAX-AVG）÷2，根据最低电平MIN，设置一个判决电压B=（AVG-MIN）÷2，对从ADC过来的数据进行判决处理，大于电压A，则输出高电平，小于电压B则输出低电平，其它情况保持输出为上一次判决的值；

所述异步多相位串并转换模块的数据输入与信号判决模块相连，所述异步多相位串并转换模块的数据输出与数据选择模块和接收统计模块相连，异步多相位串并转换模块，在多个相位下进行采集，将信号判决模块的串行数据转换成多组并行数据；

所述数据选择模块的数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述数据选择模块的数据输出与数据处理模块相连，数据选择模块异步多相位串并转换模块传过来的数据，选择其中校验正确的数据送到数据处理模块进行处理；

所述接收统计模块的一路数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述接收统计模块的一路数据输入与数据处理模块相连，所述接收统计模块的数据输出与灵敏度调节模块相连，接收统计模块统计单位时间内的接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数等参数；

所述灵敏度调节模块的输入与接收统计模块相连，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连，灵敏度调节模块实现光探测器光电倍增管的敏感电压的自动配置功能。

一种自适应的可见光接收方法，包括以下步骤：

步骤 1：设置灵敏度电压控制光探测器，然后进入步骤2；

步骤 2：光信号经过光探测器被转换成电信号，然后进入步骤3；

步骤3：光探测器接收到的信号经过直流耦合转交流耦合电路，将直流耦合信号转换成交流耦合差分信号；然后进入步骤4；

步骤4：交流耦合差分信号经过差分放大器放大信号实现增益调节；然后进入步骤5；

步骤5：经过放大后的信号经过滤波器，滤除掉不需要的频带信号和噪音；然后进入步骤6；

步骤 6：AD采集数据将信号转为数字信号；然后进入步骤7；

步骤 7：根据AD采集到的数字信号在一定时间段内的最大、最小电压，计算出A、B两个判决电压，对交流耦合信号进行判决，产生串行高低电平的数据流；然后进入步骤8；

步骤8：AD采集的数据经过判决电压比较转换成串行数据后，再异步多相位采集串并转换模块在不同相位采集变成多组并行数据；同时并行数据的最低位是校验位，通过校验位验证数据正确性，选择校验正确的数据传送到数据处理模块进行处理；然后进入步骤9；

步骤9：数据处理模块对数据进行帧同步、译码、解帧处理,同时异步多相位采集串并转换模块处理过程中统计接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数等参数；然后进入步骤10；

步骤10：在灵敏度调节模块根据统计到的接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数这四个参数，计算出一个值，根据RAM中保存的多组计算值中比较出最大的计算值；然后返回步骤1。

实施例1

本实施例中一种自适应的可见光接收装置和方法由光电倍增管（P25A）、直流耦合转交流耦合电路、差分放大器（lmh6515）、滤波器（hmc900）、ADC（AD9484）、电位器（AD5270）和FPGA电路组成，FPGA电路通过SPI接口控制电位器输出探测器灵敏度电压，探测器电路输出信号到直流耦合转交流耦合电路，交流耦合信号经过差分放大器、滤波和ADC采集，再通过LVDS输出到FPGA电路，其中光探测器电路、直流耦合转交流耦合、差分放大器、滤波器、ADC器和电位器的具体实现不在本专利范围内。

FPGA电路使用Xilinx ZYNQ系列，型号为：xc7z020clg400-2，FPGA为可编程器件，可实现硬件电路功能，本实施例中，其内部实现了电平检测模块、信号判决模块、异步多相位串并转换模块、灵敏度调节模块、统计接收、数据处理模块。其中数据处理模块的具体实现不在本专利范围。

电平检测模块是根据高速AD采样后数字化的数据在一定时间段内的最大电压（MAX）、最小电压（MIN），输出两个判决电压A和B，连同数据一起送到信号判决模块进行处理，包含两个相同容量的缓存1和2，输入的数字信号写入缓存1，写入时记录最大和最小电压值，缓存1写满后开始读出和输出写入时记录的最大、最小电压值，同时切换到缓存2进行写入数字信号的操作，写入时记录最大和最小电压值，缓存2写满后开始读出和输出写入时记录的最大、最小电压值，同时写入操作切换回缓存1,循环往复。根据最大MAX和最小电压MIN值通过公式：A=（MAX-AVG）÷2计算得判决电压A，根据最低电平MIN通过公式：B=（AVG-MIN）÷2计算得到判决电压B。AVG为固定中间电平，在本实施例中为128，缓存容量计算公式为：采样率÷数据带宽×单字节编码后bit数，本实施例中采样率为250M，数据带宽25M，单字节编码后bit数为19bit，因此本实施例中缓存1和缓存2的容量均为190。

信号判决模块接收，当数据值大于判决电压A则判决输出高电平，当数据小于判决电压B则判决输出低电平，其它情况保持前一个判决输出值不变，从而产生串行数据。

异步多相位串并转换模块由多相位采集和串并转换组成。多相位采集：将采样脉冲提前、延迟x至1个周期，加上原本的采样脉冲，就有2x+1个采样脉冲，这2x+1个采样脉冲同时对接收到的数据进行采样，可同时产生2x+1组并行数据，由于数据最后一个比特位为奇偶校验位，根据校验位判断收到的数据是否正确，从校验正确的输出中选择编号最小的一组数据作为最终输出。串并转换：M为每秒计数总数，为采样率÷传输速率，本实施例中采样率为250M，传输速率为25M，因此M=10，分频数计数器和位宽数计数器实现串并转换的计数，在分频计数器计数到M/2时开始采集串行数据，分频计数器计数到M时，数据就左移一位，位宽计数器计数到N+1（N为单字节编码后bit数，还有一位校验位，因此是N+1）且分频计数器计数到M/2时就完成了串并转换。采集数和相位数可根据需要自行调整。

灵敏度调节模块，上电后，先将所有电压配置值都遍历一遍，每个电压配置完后等待一段固定时间（本实施例中为1秒），在此时间中统计接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数的计数，并计算出计算值，计算值公式为：

计算值 =接收字节数/接收帧数 - 错误字节数* CRC错误数

并将这5个值填写到RAM中（地址为电压值-0x30），轮询电路循环轮询RAM各地址空间，从中选择计算值最大的相应电压对光电倍增管灵敏度电压进行配置。配置后根据当前固定时间段内统计并计算得到的计算值实时更新RAM，后续继续比较得出计算值最大的配置电压值，从而配置光电倍增管灵敏度电压，当所RAM中所有计算值均相同时，重新进行上电后的电压轮询配置过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种自适应的可见光接收装置，包括光探测器、电压直流耦合转交流耦合电路、滤波器模块、ADC模块、电平检测电路、信号判决模块、异步多相位串并转换模块、数据选择模块、接收统计模块和灵敏度调节模块，其特征在于：所述光探测器将光信号转换成电信号，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连，所述光探测器的数据输出与电压直流耦合转交流耦合电路相连；

所述电压直流耦合转交流耦合电路的输入与光探测器相连，所述电压直流耦合转交流耦合电路的输出与差分放大器相连；

所述滤波器模块的数据输入与差分放大器相连，所述滤波器模块的数据输出与ADC模块相连；

所述ADC模块的数据输入与滤波器模块相连，所述ADC模块的数据输出与电平检测电路相连；

所述电平检测电路的数据输入与ADC模块相连，所述电平检测电路的数据输出与信号判决模块相连；

所述信号判决模块的输入与电平检测电路相连，所述信号判决模块的输出与异步多相位串并转换模块相连；

所述异步多相位串并转换模块的数据输入与信号判决模块相连，所述异步多相位串并转换模块的数据输出与数据选择模块和接收统计模块相连；

所述数据选择模块的数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述数据选择模块的数据输出与数据处理模块相连；

所述接收统计模块的一路数据输入与异步多相位串并转换模块相连，所述接收统计模块的一路数据输入与数据处理模块相连，所述接收统计模块的数据输出与灵敏度调节模块相连；

所述灵敏度调节模块的输入与接收统计模块相连，所述灵敏度调节模块的输出与光探测器相连。

2.根据权利要求1所述的一种自适应的可见光接收装置的接收方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤 1：设置灵敏度电压控制光探测器，然后进入步骤2；

步骤 2：光信号经过光探测器被转换成电信号，然后进入步骤3；

步骤3：光探测器接收到的信号经过直流耦合转交流耦合电路，将直流耦合信号转换成交流耦合差分信号；然后进入步骤4；

步骤4：交流耦合差分信号经过差分放大器放大信号实现增益调节；然后进入步骤5；

步骤5：经过放大后的信号经过滤波器，滤除掉不需要的频带信号和噪音；然后进入步骤6；

步骤 6：AD采集数据将信号转为数字信号；然后进入步骤7；

步骤 7：根据AD采集到的数字信号在一定时间段内的最大、最小电压，计算出A、B两个判决电压，对交流耦合信号进行判决，产生串行高低电平的数据流；然后进入步骤8；

步骤8：AD采集的数据经过判决电压比较转换成串行数据后，再异步多相位采集串并转换模块在不同相位采集变成多组并行数据；同时并行数据的最低位是校验位，通过校验位验证数据正确性，选择校验正确的数据传送到数据处理模块进行处理；然后进入步骤9；

步骤9：数据处理模块对数据进行帧同步、译码、解帧处理,同时异步多相位采集串并转换模块处理过程中统计接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数等参数；然后进入步骤10；

步骤10：在灵敏度调节模块根据统计到的接收帧数、CRC错误数、接收字节数、错误字节数这四个参数，计算出一个值，根据RAM中保存的多组计算值中比较出最大的计算值；然后返回步骤1。

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