Page 30 - 网络电信2022年7/8月刊

一种光通信数字图像传输系统的设计与实现

李知恒 周 锋 杨文俊
哈尔滨工程大学水声工程学院

摘要:本文以光通信数字图像
传输为目标,基于FPGA 设计了一种
可见光通信数字图像传输系统。
首先,在光通信系统发射端利用数
字图像编码技术将图片信息转换为
BMP图像编码格式,然后通过UART
串口通信协议将图像数据发送至
FPGA调制系统进行OOK调制,经功率
放大后以光通信方式进行传输。其
次,在接收端将接收到的图像数据
进行非相干解调,将解调后的图像
数据在接收端显示或进行后续处
理。在此基础上,基于FPGA对光通
信的调制、
解 调 电 路 及 紫 光 L E D 通 信
电路进行了设计,并利用System
Verilog语言进行了实现。最后,对
光通信图像传输系统进行了实验测
试,实验结果表明该系统可以在满
足通信速率与误码率的条件下,实
现图片信息的有效传输。

随着无线通信技术的发展,新型高速无线通信技术逐渐受 图1 光通信数字图像传输系统总体设计方案
到人们的关注,比如光通信是一种高速通信技术的典型代表之
[1]
一 。光通信技术具有速率快、带宽高、抗干扰能力强等优势
[2-6]
,近年来已逐渐被用于许多通信应用场景中,如水下通信领域
[7-8] 。由于传统的水声通信方式存在通信速率低、通信距离近、
抗干扰能力差的缺陷,无法满足大量图像与视频数据的通信需求
[9] 。可见光通信具有传输距离远、穿透能力强、方向性好、时
延低、收发端系统设计简单等优势 [10-12] ,非常适合水下无线图像
与无线视频传输。因此,可见光通信技术在未来海洋图像与视频
讯号传输领域中具有极大的应用价值。 其中,光通信发射系统由 FPGA-DDS模块、功率放大模块以
文献 [13] 给出了一种基于单片机实现的可见光字符传输系统, 及紫光 LED发射模块组成,完成对信号发射机输入数字图像信号
字符信息数据量较小,对实时性要求不高,该系统并不适合大数 的调制与发射功能,主要的工作流程如下:首先,利用 UART串口
据量信息的传输。文献 [14] 给出了一种基于STM32单片机实现的可 通信将数字图像文件从信号发射机传输至FPGA-DDS调制系统,然
见光语音及温度信息传输系统,该系统需要将采集到的模拟信号 后在FPGA 中将数字图像文件进行 OOK 调制,再通过 DAC信号调
进行A/D转换后进行后续处理,采集信息的完整性与实时性易受 理电路将已调信号输出,最后通过光纤激光发射模块(功率放大
到A/D采样精度及采样速率的影响,因此不适合于数据量大的图 模块+紫光LED发射管)将已调信号发射出去;接收系统由光电接
像信息的传输。本文采用 FPGA 实现的光通信图像传输系统,相 收模块、精密放大模块、非相干解调系统组成,完成对数字图像
较于单片机方案具有在调制解调、编码解码等数字信号处理环 调制信号的解调功能,主要工作流程如下:首先,利用光电接收模
节更好的实时性以及更快的处理速度,因而具有更强的实用性。 块接收信号,并通过精密放大模块对其放大,然后通过非相干解
调系统(包络检波器与高速比较器)对接收信号进行解调,最后将
一．系统总体方案设计 解调得到的数字信号通过 UART 串口通信发送至信号接收机以
可 见 光 通 信 数 字 图 像 传 输 系 统 主 要 基 于 进行后续处理。在图像传输系统中,调制与 解 调 是 系 统 设
Altera Cyclone IV EP4CE6E22C8 FPGA进行设计,主要包括光通 计 的 核 心 环 节,具 体 原 理 如 下所述。
信发射系统、光通信接收系统,其设计方案如图1所示。

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