全双工深紫外光通信装置及其控制方法

摘要

本发明涉及一种全双工深紫外光通信装置及其控制方法。全双工深紫外光通信装置包括发射模块、接收模块和控制模块；发射模块包括采集单元、第一交换集成单元、驱动单元、加速开关电路、晶体管驱动单元和深紫外LED阵列；采集单元用于接收待发送的信息；第一交换集成单元用于将多口RJ45并行输入数据汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式；控制模块用于形成调制信号；接收模块包括光电探测器、运放滤波电路、模数转换单元、第二交换集成单元和用户交互单元；控制模块用于形成解调信号；第二交换集成单元用于将单口RJ45并行输入数据形式的解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式。本发明实现了高保密性的数据传输，并且能够有效提高信号的传输质量。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种全双工深紫外光通信装置及其控制方法。

背景技术

紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础进行的光通信技术。日盲区的存在，为工作在该波段的紫外光通信装置提供了一个良好的通信背景。由于紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术，因此，紫外光在大气中的散射作用使紫外光的能量传输方向发生改变，但吸收作用带来的衰减使紫外光的传输限定在一定的距离内。其次，在光通信中，由于外界环境中各种噪声以及其他一些不可预知的因素，在光传输的过程中极易造成信息错误。一类错误是由于外界环境中不同波段的光干扰导致的突发性错误，即错误比特连续出现，极易影响通信链路的稳定性与通信质量；另一类错误是沙尘颗粒等物理因素导致的直距阻碍或反射干扰，也会在一定程度上提高光通信传输的误码率，从而限制了光通信技术的应用领域。

因此，如何改善光通信过程中多媒体信息传输质量差、保密性低的问题，以提高多媒体信息的光传输效率，是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种全双工深紫外光通信装置及其控制方法，用以解决现有的光通信传输方法在传输信息方面质量较差、保密性较低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种全双工深紫外光通信装置，包括发射模块、接收模块和控制模块；其中：

所述发射模块包括采集单元、第一交换集成单元、驱动单元、加速开关电路、晶体管驱动单元和深紫外LED阵列；所述采集单元用于接收待发送的信息；所述第一交换集成单元用于将来自于所述采集单元的多口RJ45并行输入数据形式的所述待发送的信息汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式，并传输至所述控制模块；所述控制模块用于对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行信道编码和二进制频移键控调制，形成调制信号后传输至所述加速开关电路；所述驱动单元用于向所述深紫外LED阵列提供电源驱动信号，且所述驱动单元的输出端连接所述加速开关电路，所述加速开关电路将所述调制信号加载至所述电源驱动信号；所述晶体管驱动单元的输入端连接所述加速开关电路、输出端连接所述深紫外LED阵列，用于驱动所述深紫外LED阵列发射第一深紫外调制光信号；

所述接收模块包括光电探测器、运放滤波电路、模数转换单元、第二交换集成单元和用户交互单元；所述光电探测器用于接收来自于外界的第二深紫外调制光信号，并将所述第二深紫外调制光信号转换为电信号；所述运放滤波电路用于将所述电信号通过两级负反馈进行放大；所述模数转换单元用于将放大后的所述电信号进行判决处理，并输出成规整数字波形信号；所述控制模块用于将所述规整数字波形信号解调，形成解调信号；所述第二交换集成单元用于将来自于所述控制模块的单口RJ45并行输入数据形式的所述解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式，得到待接收的信息；所述用户交互单元，用于输出所述待接收的信息。

可选的，所述控制模块用于对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行IP位同步确认，并经由二进制频移键控调制处理与RS信道编码处理后形成调制信号，再将所述调制信号压入FIFO存储器的发送缓存区，最后以锁相环规定时钟周期向所述加速开关电路输出所述调制信号。

可选的，所述控制模块还用于检测所述规整数字波形信号的输出位、同步标志位和比特流数据，并根据检测到的所述输出位、所述同步标志位和所述比特流数据判断是否接收到完整字节，若是，则将所述规整数字波形信号存储至FIFO存储器的待解码数据区；

所述控制模块中的RS解码顶层从所述FIFO存储器的所述待解码数据区中读取数据并进行解码处理，并在解码的同时校验所述待解码数据区中存储的数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式；

所述控制模块在确认所述待解码数据区中存储的数据满足透明传输数据包的格式后，直接将解码后的解调信号写入到所述FIFO存储器的接收缓冲区，所述控制模块中的顶层收发单元通过以太网向所述第二交换集成单元传输所述解调信号。

可选的，所述用户交互单元包括一触摸显示屏；

所述触摸显示屏还用于接收用户发出的指令，所述控制模块根据所述指令执行相应的操作。

可选的，所述指令包括调整所述全双工深紫外光通信装置的工作状态和所述采集单元的远程控制，所述工作状态包括关闭状态、信号发射状态、信号接收状态、信号发射接收全双工状态中的一种或者两种以上。

可选的，所述发射模块还包括：

散热单元，设置于所述深紫外LED阵列外围，用于对所述深紫外LED阵列进行散热处理。

可选的，所述接收模块还包括：

滤波片，设置于所述光电探测器的接收端，用于滤除夹杂于所述第二深紫外调制光信号中的背景光。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种如上述任一项所述的全双工深紫外光通信装置的控制方法，包括如下步骤：

接收一待发送的信息；

将多口RJ45并行输入数据形式的所述待发送的信息汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式；

对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行信道编码和二进制频移键控调制，形成调制信号；

将所述调制信号加载至所述深紫外LED阵列的电源驱动信号之后，驱动所述深紫外LED阵列发射第一深紫外调制光信号；

接收来自于外界的第二深紫外调制光信号，并将其转换为电信号；

将所述电信号通过两级负反馈进行放大；

将放大后的所述电信号进行判决处理，形成规整数字波形信号；

将所述规整数字波形信号解调，形成解调信号；

将单口RJ45并行输入数据形式的所述解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式，得到待接收的信息；

输出所述待接收的信息。

可选的，形成调制信号的具体步骤包括：

对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行IP位同步确认；

经由二进制频移键控调制处理与RS信道编码处理后形成调制信号；

将所述调制信号压入FIFO存储器的发送缓存区；

以锁相环规定时钟周期输出所述调制信号。

可选的，形成解调信号的具体步骤包括：

检测所述规整数字波形信号的输出位、同步标志位和比特流数据，并根据检测到的所述输出位、所述同步标志位和所述比特流数据判断是否接收到完整字节，若是，则将所述规整数字波形信号存储至FIFO存储器的待解码数据区；

从所述FIFO存储器的所述待解码数据区中读取数据并进行解码处理，并在解码的同时校验所述待解码数据区中存储的数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式；

在确认所述待解码数据区中存储的数据满足透明传输数据包的格式后，直接将解码后的解调信号写入到所述FIFO存储器的接收缓冲区，并通过以太网传输所述解调信号。

本发明提供的全双工深紫外光通信装置及其控制方法，采用深紫外光作为信号传输的载体，实现了高保密性的数据传输，且深紫外光抗干扰能力强，从而能够有效提高信号的传输质量。同时，所述全双工深紫外光通信装置可用于非视距通信，且其具有很高的信噪比以及不需要跟踪瞄准等特点，从而有助于扩展深紫外光通信技术的应用领域。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中全双工深紫外光通信装置的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中控制模块在处理待发送的信息时的示意图；

附图3是本发明具体实施方式中控制模块在处理待接收的信息时的示意图；

附图4是本发明具体实施方式的全双工深紫外光通信装置在发射信号时的方法流程示意图；

附图5是本发明具体实施方式的全双工深紫外光通信装置在接收信号时的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的全双工深紫外光通信装置及其控制方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种全双工深紫外光通信装置，附图1是本发明具体实施方式中全双工深紫外光通信装置的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的所述全双工深紫外光通信装置，包括发射模块、接收模块和控制模块12；其中：

所述发射模块包括采集单元10、第一交换集成单元11、驱动单元13、加速开关电路14、晶体管驱动单元15和深紫外LED阵列16；所述采集单元10用于接收待发送的信息；所述第一交换集成单元11用于将来自于所述采集单元10的多口RJ45并行输入数据形式的所述待发送的信息汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式，并传输至所述控制模块12；所述控制模块12用于对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行信道编码和二进制频移键控调制，形成调制信号后传输至所述加速开关电路14；所述驱动单元13用于向所述深紫外LED阵列16提供电源驱动信号，且所述驱动单元13的输出端连接所述加速开关电路14，所述加速开关电路14将所述调制信号加载至所述电源驱动信号；所述晶体管驱动单元15的输入端连接所述加速开关电路14、输出端连接所述深紫外LED阵列16，用于驱动所述深紫外LED阵列16发射第一深紫外调制光信号；

所述接收模块包括光电探测器19、运放滤波电路20、模数转换单元21、第二交换集成单元22和用户交互单元23；所述光电探测器19用于接收来自于外界的第二深紫外调制光信号，并将所述第二深紫外调制光信号转换为电信号；所述运放滤波电路20用于将所述电信号通过两级负反馈进行放大；所述模数转换单元21用于将放大后的所述电信号进行判决处理，并输出成规整数字波形信号；所述控制模块12用于将所述规整数字波形信号解调，形成解调信号；所述第二交换集成单元22用于将来自于所述控制模块的单口RJ45并行输入数据形式的所述解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式，得到待接收的信息；所述用户交互单元23，用于输出所述待接收的信息。

具体来说，通过所述全双工深紫外光通信装置向外界传输一待发送的信息时：首先，通过所述采集单元10采集所述待发送的信息，并将所述待发送的信息传输至所述第一交换集成单元11。所述待发送的信息可以是音频信息或者视频信息等多媒体信息，也可以是通过额外的传感器采集到的传感信息。所述采集单元10接收到的所述待发送的信息为多口RJ45并行输入数据形式的信息。接着，所述第一交换集成单元11将来自于所述采集单元10的多口RJ45并行输入数据形式的所述待发送的信息汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式，并传输至所述控制模块12。所述控制模块12所述控制模块12可以包括一FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)。所述FPGA将单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送的信息进行信道编码及二进制频移键控调制，形成调制信号后传输至所述加速开关电路14。同时，所述驱动单元13输出电源驱动信号至所述加速开关电路14。所述加速开关电路14在接收到所述调制信号之后，将所述调制信号加载至所述电源驱动信号中，并将加载有所述调制信号的所述电源驱动信号传输至所述晶体管驱动单元15。所述晶体管驱动单元15根据接收到的加载有所述调制信号的所述电源驱动信号驱动所述深紫外LED阵列16发射第一深紫外调制光信号。所述第一深紫外调制光信号为携带有所述待发送的信息的明暗光信号。

所述驱动单元13可以为恒流驱动单元或者恒压驱动单元，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只需要确保在驱动所述深紫外LED阵列16时保持以恒流状态输出所述电源驱动信号。所述晶体管驱动单元15可以包括MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。

通过所述全双工深紫外光通信装置从外界接收一待接收的信息时：首先，通过所述光电探测器19接收携带有所述待接收的信息的所述第二深紫外调制光信号，并将所述第二深紫外调制光信号进行光电转换，生成电信号。所述待发送的信息可以是音频信息或者视频信息等多媒体信息，也可以是传感信息。所述光电探测器19可以为雪崩二极管光电探测器。接着，所述运放滤波电路20将较弱的所述电信号通过两级负反馈放大至合适的幅度(具体的幅度本领域技术人员可以根据实际需要进行调整)，再由所述模数转换单元21对放大后的所述电信号进行判决处理，输出成规整数字波形信号。所述运放滤波电路20可以包括TIA(跨阻放大器)和/或HPF(高通滤波器)。所述FPGA将所述规整数字波形信号解调，形成解调信号。所述FPGA输出的解调信号为单口RJ45并行输入数据形式。随后，所述第二交换集成单元22将单口RJ45并行输入数据形式的所述解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式，得到待接收的信息后，将所述待接收的信息通过所述用户交互单元23实现人机交互输出。

可选的，所述控制模块12用于对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行IP位同步确认，并经由二进制频移键控调制处理与RS信道编码处理后形成调制信号，再将所述调制信号压入FIFO存储器的发送缓存区，最后以锁相环规定时钟周期向所述加速开关电路输出所述调制信号。

附图2是本发明具体实施方式中控制模块在处理待发送的信息时的示意图。为了解决大数据量传输拥塞问题，提升信号传输质量，在通过所述深紫外LED阵列16向外界传输所述待发送的信息时，所述全双工深紫外光通信装置中的前级RJ45网口(即所述采集单元10)获取所述第一交换集成单元11的配置信息，并以8路并行的方式输入至所述以太网口芯片(即所述第一交换集成单元11)，由所述以太网口芯片进行多路转单路汇总至所述FPGA处理。如图2所示，所述第一交换集成单元11通过所述FPGA的RJ45网口输入所述待发送的信息。所述FPGA对所述待发送的信息进行以太网解包后，进行IP位同步确认(即IP包判决)，经由所述FPGA中的调制解调单元124进行二进制频移键控调制(即FSK调制)与所述FPGA中的信道编码单元121进行Reed-Solomon信道编码(即RS信道编码)后压入所述控制模块12中的FIFO(First Input First Output，先进先出)存储器的发送缓存区，最后以锁相环规定时钟周期往所述加速开关电路14输出所述发送缓存区的信号(即所述调制信号)。

可选的，所述控制模块12还用于检测所述规整数字波形信号的输出位、同步标志位和比特流数据，并根据检测到的所述输出位、所述同步标志位和所述比特流数据判断是否接收到完整字节，若是，则将所述规整数字波形信号存储至FIFO存储器的待解码数据区；

所述控制模块12中的RS解码顶层从所述FIFO存储器的所述待解码数据区中读取数据并进行解码处理，并在解码的同时校验所述待解码数据区中存储的数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式；

所述控制模块12在确认所述待解码数据区中存储的数据满足透明传输数据包的格式后，直接将解码后的解调信号写入到所述FIFO存储器的接收缓冲区，所述控制模块12中的顶层收发单元通过以太网向所述第二交换集成单元传输所述解调信号。

附图3是本发明具体实施方式中控制模块在处理待接收的信息时的示意图。为了解决大数据量传输拥塞问题，提升信号传输质量，所述全双工深紫外光通信装置在接收所述待接收的信息时，所述FPGA通过检测接收自所述模数转换单元21的接收数据的输出位、同步标志位和比特流数据来判断是否接收到完整的字节，若是，则将所述接收数据存储至所述FIFO存储器的待解码数据区。之后，所述FPGA中的数据同步单元123进行同步化操作，把异步数据同步化。接着，所述FPGA中的RS解码顶层从FIFO存储器的待解码数据区中读取数据，并进行解码，同时还会校验接收数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式。若确定满足透明传输数据包的格式，则直接将数据写入到FIFO存储器的接收缓冲区。最后，所述FPGA中的顶层收发单元通过以太网向RJ45网口(即所述第二交换集成单元22)传输FIFO存储器的接收缓冲区中的接收数据。

所述透明传输是指以任意的比特流数据组合都应当能在链路上传输。具体实现时需保证所传数据中的比特组合与控制信息区分开，就能实现透明传输。即满足透明传输数据包的格式是指，满足所传数据中的比特组合与控制信息区分开。本具体实施方式在FPGA的IP核底层采用的是字符填充法，即在数据帧的帧头填充转义控制字符，以达到避免数据信息位与特定字符相同的误判情况。

所述FPGA中还可以根据实际需要设置串口驱动单元126，用于实现串口驱动。所述FPGA中还可以根据实际需要设置网口配置单元125，使得用户可以灵活对所述FPGA的输入网口和/输出网口进行配置。

可选的，所述用户交互单元23包括一触摸显示屏；

所述触摸显示屏还用于接收用户发出的指令，所述控制模块12根据所述指令执行相应的操作。

可选的，所述指令包括调整所述全双工深紫外光通信装置的工作状态和所述采集单元的远程控制，所述工作状态包括关闭状态、信号发射状态、信号接收状态、信号发射接收全双工状态中的一种或者两种以上。

举例来说，用户可以通过触摸所述显示屏实现对所述采集单元10的远程控制，例如调整所述采集单元10采集音频信号、视频信息或者传感信号的精度，或者更改所述采集单元10与外界设备或者所述第一交换集成单元11之间的通信方式，以实现对所述采集单元10的远程配置。所述全双工深紫外光通信装置向外界传输所述待发送的信息时，所述触摸显示屏还可以用于显示所述待发送的信息，以使得用户确认所述待发送的信息是否准确。所述控制模块12中的发射驱动单元122用于驱动并控制所述触摸显示屏。

为了及时散除所述深紫外LED阵列的热量，从而提高所述深紫外LED阵列的使用寿命，可选的，所述发射模块还包括：

散热单元17，设置于所述深紫外LED阵列16外围，用于对所述深紫外LED阵列16进行散热处理。

为了减少环境中的背景光对所述光电探测器接收信号的影响，从而进一步提高深紫外光通信的质量，可选的，所述接收模块还包括：

滤波片18，设置于所述光电探测器19的接收端，用于滤除夹杂于所述第二深紫外调制光信号中的背景光。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种如上述任一项所述的全双工深紫外光通信装置的控制方法。附图4是本发明具体实施方式的全双工深紫外光通信装置在发射信号时的方法流程示意图，附图5是本发明具体实施方式的全双工深紫外光通信装置在接收信号时的方法流程示意图。本具体实施方式中全双工深紫外光通信装置的结构可参见图1-图3。如图1-图5所示，本具体实施方式提供的全双工深紫外光通信装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤S41，接收一待发送的信息；

步骤S42，将多口RJ45并行输入数据形式的所述待发送的信息汇总并转换成单口RJ45并行输出数据形式；

步骤S43，对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行信道编码和二进制频移键控调制，形成调制信号；

步骤S44，将所述调制信号加载至所述深紫外LED阵列的电源驱动信号之后，驱动所述深紫外LED阵列发射第一深紫外调制光信号；

步骤S51，接收来自于外界的第二深紫外调制光信号，并将其转换为电信号；

步骤S52，将所述电信号通过两级负反馈进行放大；

步骤S53，将放大后的所述电信号进行判决处理，形成规整数字波形信号；

步骤S54，将所述规整数字波形信号解调，形成解调信号；

步骤S55，将单口RJ45并行输入数据形式的所述解调信号转换成多口RJ45并行输出数据形式，得到待接收的信息；

步骤S56，输出所述待接收的信息。

可选的，形成调制信号的具体步骤包括：

对单口RJ45并行输出数据形式的所述待发送信息进行IP位同步确认；

经由二进制频移键控调制处理与RS信道编码处理后形成调制信号；

将所述调制信号压入FIFO存储器的发送缓存区；

以锁相环规定时钟周期输出所述调制信号。

可选的，形成解调信号的具体步骤包括：

检测所述规整数字波形信号的输出位、同步标志位和比特流数据，并根据检测到的所述输出位、所述同步标志位和所述比特流数据判断是否接收到完整字节，若是，则将所述规整数字波形信号存储至FIFO存储器的待解码数据区；

从所述FIFO存储器的所述待解码数据区中读取数据并进行解码处理，并在解码的同时校验所述待解码数据区中存储的数据是否发生误码，以确定是否满足透明传输数据包的格式；

在确认所述待解码数据区中存储的数据满足透明传输数据包的格式后，直接将解码后的解调信号写入到所述FIFO存储器的接收缓冲区，并通过以太网传输所述解调信号。

本具体实施方式提供的全双工深紫外光通信装置及其控制方法，采用深紫外光作为信号传输的载体，实现了高保密性的数据传输，且深紫外光抗干扰能力强，从而能够有效提高信号的传输质量。同时，所述全双工深紫外光通信装置可用于非视距通信，且其具有很高的信噪比以及不需要跟踪瞄准等特点，从而有助于扩展深紫外光通信技术的应用领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。