Page 30 - 网络电信2023年10月刊

基于FPGA的多通道可见光通信系统的设计

与实现

刘杰徽，甘若宏，甘智宇，王 锋，李 婷
重庆前卫科技集团有限公司

摘要：与传统的射频通信方式相比，可见光的频谱资源丰富，且具有较高的安全性。设计的多通道可见光
通信系统分为发射端与接收端，基于Verilog HDL语言对发送端的通道分发模块、透传组帧模块、信道码块分
割模块以及接收端的透传解帧模块、通道合并模块进行了详细设计，实现了最大支持16路数据同时收发的多通
道可见光通信系统。为满足系统的高速通信，设计优化可见光通信的发射/接收系统电路，在发射端采用前级
预加重电路，有效补偿了信道损失；在接收端采用由电阻和电容共同构成的 T 型放大电路来实现对衰减信号
的补偿。最后，联合实验平台进行测试，结果表明设计的多通道可见光通信系统传输误码率不大于10-9 ，单
通道传输速率不低于30 Mb/s，此研究有利于提高可见光通信系统的可靠性、高速性。
关键词：多通道；可见光通信；误码率；传输速率

引言 二、多通道可见光通信系统的发射端设计
传统的无线通信技术难以避免电磁干扰，无法保证系统安 2.1发射链路总体架构
全性，且频谱资源紧缺 [1-2] 。与之相比，可见光通信技术频谱资 发射链路通过以太网MAC core接收PC发来的数据，同时使
源丰富，具有高速性、安全性。本文采用高频开关的LED作为 用以太网流控机制来 控制PC下发数据的速率。接收到的MAC数
光源，可以缓解频谱资源紧缺等问题 [3-4] 。目前可见光通信是 据以帧为单位分配到各个可见光发 射链路上。各发射链路接收
比较热门的研究方向，但是可见光通信的FPGA技术实现还不够 到MAC数据帧后，经过透传组帧、码块分割、RS编码、8B10B编
成熟 [5-7] 。现场可编程门阵列（FPGA）具有高集成度、高速度、 码、串并转换、添加同步头后，即完成方波调制模式的所有处
低费用、低风险、设计灵活等优点，因此基于FPGA实现的可见 理，通过FPGA的GPIO将数据发射给可见光发射模块 [13] 。发射链
光通信系统具备高速运行能力，系统性能得到很大提升 [8-10] 。 路的总体架构如图2所示。
综上所述，本文提出一种基于FPGA的可见光通信架构，使用 2.2基于Verilog的通道分发设计
Verilog HDL语言实现通道分发与合并机制，发送端驱动电路采 该模块主要用于将通过以太网MAC core接收到的数据分发
用预加重电路，接收端驱动电路采用电阻和电容共同构成的T型 至各个传输通道。如图3所示，通道的分配受分发状态机控制，
放大电路，实现了系统的多通道传输以及高速通信功能。 分发策略为将数据以数据帧为单位，
均匀分发至各个可见光发送通道中。当MAC core的第一个
一、多通道可见光通信系统整体设计图1中，多通道可见 数据到达后，分发状态机将数据送入通道1 FIFO，并跳转至将
光通信系统架构分为发 射端和接收端。发射端板卡使用以太网 下一帧数据分发给通道2 FIFO的状态，依此类推。数据分发至
接收其他设备送来的数据，经FPGA处理后，通过多个可见光发 各FIFO后，等待各通道的可见光链路从FIFO中取走数据并发送。
射模块发送至接收端板卡。接收端板卡使用可见光接收模 块接 该模块中的CHANNEL_CNT常数用于控制可见光通道的数目。
收光信号，并发送给FPGA。FPGA接收到信号后，经处理还原为 分发状态机在每完成一帧的分发，开始跳转至下一个状态时会
以太网帧，再通过以太网接口送给其他设备。FPGA和以太网PHY 查看该常数，以决定状态跳转的方向。如当某数据帧分发给通
芯片间通过MII或GMII完成通信 [11-12] 。 道4后，若CHANNEL_CNT为4，则说明实际硬件中仅有4个可见光
传输通道，此时分发状态机将跳转至向通道1分发数据的状态。

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