可见光通信数字基带系统设计及其FPGA实现

doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.04.005

西安电子科技大学学报 ›› 2022, Vol. 49 ›› Issue (4): 31-38.doi: 10.19665/j.issn1001-2400.2022.04.005

可见光通信数字基带系统设计及其FPGA实现

王鹤潼¹(),牛书强¹(),施会丽¹(),王平¹(),郭立新^1,²(),刘忠玉²()

1.西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071
2.西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安 710071

收稿日期:2021-07-23 出版日期:2022-08-20 发布日期:2022-08-15
通讯作者: 王平
作者简介:王鹤潼(1998—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail: htwang_61@stu.xidian.edu.cn|牛书强(1995—),男,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail: imnsq@stu.xidian.edu.cn|施会丽(1997—),女,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail: shl123456@stu.xidian.edu.cn|郭立新(1968—),男,教授,博士,E-mail: lxguo@xidian.edu.cn|刘忠玉(1980—),男,副教授,博士,E-mail: liuzy@xidian.edu.cn
基金资助:
陕西省重点研发计划重点产业创新链项目(2017ZDCXL-GY-06-02);国家自然科学基金面上项目(62071365)

Design and implementation of the VLC digital baseband system based on FPGA

WANG Hetong¹(),NIU Shuqiang¹(),SHI Huili¹(),WANG Ping¹(),GUO Lixin^1,²(),LIU Zhongyu²()

1. State Key Laboratory of Integrated Services Networks,Xidian University,Xi’an 710071,China
2. School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China

Received:2021-07-23 Online:2022-08-20 Published:2022-08-15
Contact: Ping WANG

摘要/Abstract

摘要：

可见光通信物理层主要使用的非对称限幅和直流偏置两种光正交频分复用方案,只能在频谱效率与功率效率间选择其一。为了兼顾二者,基于自适应偏置的光正交频分复用提出了一种适于可见光通信的数字基带系统设计方案,并通过现场可编程逻辑门阵列搭建的室内可见光通信硬件平台对该方案进行了实现和验证。研究中首先通过自适应偏置光正交频分复用的MATLAB离线实现验证了使用光正交频分复用信号在室内进行可见光通信的可行性,并确定了数字基带系统中使用的参数。其次给出了可见光通信数字基带系统的设计方案。最后基于该方案,通过现场可编程逻辑门阵列搭建了室内可见光通信硬件平台,并对收发端主要模块进行介绍。测试表明所提出的可见光通信数字基带系统有效提高了频谱资源利用率,降低了系统能耗。其中物理层特殊的帧结构设计提高了快速傅里叶变换窗口检测的准确性和信道估计与均衡的能力,从而有效降低了误码率,保证了通信传输速率,进而提升了数字基带系统的整体性能。

关键词: 正交频分复用, 可见光通信, 现场可编程逻辑门阵列, 数字基带

Abstract:

There are two physical layer technologies mainly used in visible light communication (VLC) including asymmetrically clipped optical orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and direct current biased optical OFDM,but they can only select either spectral or power efficiency.To balance them,a VLC digital baseband system with the adaptively biased optical OFDM scheme is designed and implemented by the field programmable gate array (FPGA) hardware platform.First of all,the adaptively biased optical OFDM scheme is offline implemented by MATLAB to verify the feasibility of the indoor VLC system using the optical OFDM signal,with the parameters used in this system determined.And then,the design scheme for the VLC digital baseband system is introduced.Finally,based on the digital baseband system,the indoor VLC hardware platform is built by FPGA,with the main modules in the transmitter and receiver presented.Test results on the platform illustrate that the proposed VLC digital baseband system can effectively improve the utilization of spectrum resources and reduce system energy consumption.Meanwhile,the special frame structure design in the physical layer can not only enhance the ability of channel estimation and equalization,but also improve the accuracy of Fast Fourier Transform window detection,which plays a dramatically important role in reducing the bit error rate,guaranteeing the communication transmission rate,and improving the overall digital baseband system performance.

Key words: orthogonal frequency division multiplexing, visible light communication, field programmable gate array, digital baseband system

中图分类号:

TN92

王鹤潼,牛书强,施会丽,王平,郭立新,刘忠玉. 可见光通信数字基带系统设计及其FPGA实现[J]. 西安电子科技大学学报, 2022, 49(4): 31-38.

WANG Hetong,NIU Shuqiang,SHI Huili,WANG Ping,GUO Lixin,LIU Zhongyu. Design and implementation of the VLC digital baseband system based on FPGA[J]. Journal of Xidian University, 2022, 49(4): 31-38.

图/表 12

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表1

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表4

参考文献 15

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系统参数	参数值	系统参数	参数值
采样频率F_S/MHz	10	IFFT/FFT点数N_FFT	128
CP点数N_CP	32	OFDM符号采样点数N_sym	160
OFDM符号长度T_sym/μs	16	一帧数据中OFDM符号数N_OFDM	30
短序列符号长度/μs	16	长序列符号长度/μs	32
QAM调制	4QAM & 16QAM	通信距离/m	1.5

b1b0	实部/ I路	虚部/Q路	b1b0	实部/ I路	虚部/Q路
00	1111111110000000	1111111110000000	11	0000000001111111	0000000001111111
01	1111111110000000	0000000001111111	10	0000000001111111	1111111110000000

信号	类型	功能描述	信号	类型	功能描述
xn_re	输入信号	输入信号实部	xk_im	输出信号	输出信号虚部
xn_im	输入信号	输入信号虚部	xn_index	输出信号	输入数据下标
start	输入信号	开始输入数据	xk_index	输出信号	输出数据下标
fwd_inv	输入信号	选择执行FFT/IFFT	busy	输出信号	开始进行FFT计算
clk	输入信号	时钟信号	dv	输出信号	开始输出FFT结果
xk_re	输出信号	输出信号实部	done	输出信号	示意FFT变换完成

方案名称	调制方式	净比特率/(Mb·s^-1)	误码率/%	计算复杂度^[9-10]	符号功率/mW
DCO-OFDM	4QAM	7.159	0.074 4	2 308	40.207
ACO-OFDM	4QAM	3.636	0.048 8	2 308	5.524
HACO-OFDM	4QAM&2PAM	5.398	0.089 5	5 132	6.328
EO-OFDM/OQAM	2PAM&2PAM	7.352	0.110 3	4 876	156.240
ABO-OFDM	4QAM	5.455	0.065 0	2 308	31.731

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Design and implementation of the VLC digital baseband system based on FPGA

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