Page 28 - 网络电信2023年4月刊

二、可见光通信数字基带系统设计方案 图３ 室内可见光通信系统硬件平台实物展示
基于自适应偏置光正交频分复用的可见光通信数字基带系
统设计主要包括两个部分:系统的基本参数和物理层帧结构。该
系统中采取与第1节相同的采样频率,即10MHz。因为ISE14.7开
发环境中的快速傅里叶变换核设置的数据长度多为2的幂次方,
故该系统采取27,即128点的快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变
换,并取其长度的1/4作为循环前缀。表1中列出了可见光通信数
字基带系统中主要使用的数据参数。
表１ 可见光通信数字基带系统基本参数设计

3.1 快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块
快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块是该平台的核心
部分。发射端的快速傅里叶逆变换将子载波上承载的频域符号
转换为时域信号进行传输,而接收端的快速傅里叶变换模块将接
图２ 可见光通信数字基带系统物理层帧结构示意图 收到的时域信号转换为频域符号进行解调。串行的比特数据在
进入 FPGA 后,每2个或4个比特分为一组,通过格雷码映射到复
平面上,进行4QAM 或16QAM 的数字映射。本节实验中快速傅里
叶逆变换/快速傅里叶变换模块中设置的IP核输入为16bit,故而
将星座点的值量化为16bit的数据。即在4QAM 数字映射中,实部
和虚部两条支路的十进制取值为{-128,+127},而在16QAM 数字
映射中,两条支路的十进制取值为{-384,-128,+127,+381}。以
4QAM 映射方案为例,其二进制取值对照如表2所示。
表２ ４ＱＡＭ数字映射二进制取值对照表

映射后的QAM符号对应前64个子载波中所有的奇载波和
图2展示了该系统所设计的物理层帧结构。以快速傅里叶逆
第2(2n+1)个偶载波,n=0,1,2,…,15,而第4n个子载波被空
变换后128点的时域数据和32点的循环前缀,共160个采样点长度
置,n=0,1,2,…,15,不携带有效数字符号。映射后的调制信号随
为一组OFDM数据符号。可见光通信数字基带系统中的每一帧由
即加载进入厄米特对称模块,形成128点的频域符号。该平台主
前导序列和数据载荷两部分组成。其中,前导序列包含160个采
要采用ISE14.7开发环境中的 FFTIP核实现快速傅里叶逆变换/
样点长度的短训练序列和两组相同OFDM数据符号组成的长训练
快速傅里叶变换。FFTIP核的设置主要包含参数配置、算法架构
序列,分别用于寻找每一帧快速傅里叶变换的窗口位置和信道的
方式和输入输出信号分析。可见光通信数字基带系统中 FFTIP
估计与均衡。数据载荷部分位于前导序列之后,通过自适应偏置
核的参数配置为1个通道数目,128点快速傅里叶变换长度,16bit
光正交频分复用方案承载传输的有效信息。在该系统所设计的
输入数据宽度,数据正序输出并添加循环前缀使能和使用可配置
物理层帧结构中,每一帧包括由一组短训练序列,一组长训练序
逻辑块的蝴蝶算法等。算法架构方式采取流水线I/O结构,以实
列组成的前导序列和30组 OFDM 数据符号组成的数据载荷。
现数据的连续处理和较大的吞吐量。FFTIP核中主要输入输出信
号的功能描述如表3所示。
三、可见光通信数字基带系统的FPGA实现
第1节通过自适应偏置光正交频分复用方案的MATLAB离线实 表３ FFT IP核输入输出信号功能描述
现验证了使用光OFDM信号在室内进行可见光通信的可行性。通
过FPGA搭建室内可见光通信硬件平台,设计并实现第2节提出的
基于自适应偏置光正交频分复用方案的可见光通信数字基带系
统。具体地,基于FPGA在ISE14.7开发环境下利用Verilog语言实
现室内可见光通信系统的关键技术,并将给出发射端和接收端快
速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换模块、自适应直流偏置模块、 图4展示了发射端快速傅里叶逆变换模块的部分时序图。快
前导序列模块等3个主要模块的实现原理、细节及实验结果。图 速傅里叶逆变换模块将输入信号fwd_inv设置为0,表示进行快速
3展示了笔者搭建的室内可见光通信系统硬件平台的实物装置。 傅里叶逆变换。当输入信号start变为高电平时,加载厄米特对

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