本發(fā)明屬于自由空間光通信(Free-space Optical Communication,縮寫為FSO)技術(shù)領(lǐng)域。

(二)

背景技術(shù)：

自由空間光通信，在多種場景下有著引人注目的應(yīng)用前景。它可應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高可靠性的回程線路，亦可應(yīng)用于城市遭遇災(zāi)難后的重建中，實(shí)現(xiàn)臨時的通信網(wǎng)絡(luò)。它無需注冊頻譜使用許可，無電磁輻射，相比于無線通信，更加綠色，它亦無需光纜連接，相比于光纖通信，其相關(guān)設(shè)備及組件的安裝更加方便。屬于自由空間光通信范疇的可見光通信，繼承了自由空間光通信的優(yōu)點(diǎn)，近幾年在學(xué)術(shù)界掀起了一股熱潮。以發(fā)光二極管(LED)為光源的可見光通信技術(shù)，由于能夠同時提供照明與通信的能力，一時間被產(chǎn)業(yè)界所看好。然而，基于LED的可見光通信，其通信速率與帶寬往往受限于LED的調(diào)制帶寬。因此，為了實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，近來有研究者提出使用激光二極管(LD)來替代LED實(shí)現(xiàn)基于激光的可見光通信(VLLC)。激光可見光通信得益于光源的優(yōu)勢，相比于基于LED的可見光通信，能夠獲得更高的傳輸速率與更遠(yuǎn)的傳輸距離。目前，它被認(rèn)為在未來高速室內(nèi)無線光網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)中心中有著良好的應(yīng)用潛力。

SDI接口是一種“數(shù)字分量串行接口”，常被用于傳輸串行數(shù)字視頻信號。按照清晰度及速率，SDI可分為標(biāo)準(zhǔn)清晰度SD-SDI、高清標(biāo)準(zhǔn)HD-SDI和3G-SDI三種，對應(yīng)速率分別是270Mb/s、1.485Gb/s和2.97Gb/s。據(jù)我們所知，如果視頻信號反復(fù)壓縮和解壓縮，必將引起圖像質(zhì)量下降和延時增加。因此，通常以SDI傳輸無壓縮視頻，相比于基于視頻壓縮與解壓縮的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)視頻傳輸?shù)姆绞?，時延更小，實(shí)時性能更佳。然而，SDI傳輸視頻，通常是基于有線連接，并且傳輸距離通常限制在100米以內(nèi)。

通過結(jié)合激光可見光通信技術(shù)及SDI視頻傳輸技術(shù)，將能夠打破SDI視頻傳輸依賴有線傳輸且傳輸距離短的現(xiàn)狀。同時，在使用激光可見光通信技術(shù)的基礎(chǔ)上使用正交頻分復(fù)用技術(shù)，能夠有效提高信號頻譜效率，降低光源帶寬需求。另外，F(xiàn)PGA作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。它的可重構(gòu)、可配置性，使得調(diào)試與研發(fā)相對簡單。目前，F(xiàn)PGA在實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路導(dǎo)通方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，正交頻分復(fù)用系統(tǒng)也常采用FPGA來實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。本發(fā)明，將基于以上所提技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于激光可見光通信技術(shù)的三速SDI視頻傳輸系統(tǒng)。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

從上文可知，本發(fā)明的目的是提供一種基于SDI視頻傳輸技術(shù)、激光可見光通信技術(shù)及OFDM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的中遠(yuǎn)距離無線連接的視頻傳輸裝置。本發(fā)明的具體方案如下：

裝置分為收發(fā)兩端。發(fā)射端由SDI信號輸入接口，線纜均衡器，可編程門陣列電路板，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，激光二極管(LD)驅(qū)動電路以及激光二極管組成。

接收端由光電檢測器(含驅(qū)動與信號放大電路)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可編程門陣列電路板，線纜均衡器，SDI信號輸出接口組成。

(四)附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明在搭配個人電腦使用時的實(shí)驗(yàn)配置圖。

1-SDI信號輸入接口

2-電纜均衡器

3-可編程邏輯門陣列電路(FPGA)板

4-數(shù)模轉(zhuǎn)換器

5-激光二極管(LD)驅(qū)動電路

6-激光二極管(LD)

7-光電檢測器(含驅(qū)動與信號放大電路)

8-模數(shù)轉(zhuǎn)換器

9-可編程邏輯門陣列電路(FPGA)板

10-電纜均衡器

11-SDI信號輸出接口

12-個人電腦(含高清晰度多媒體接口，HDMI)

13-HDMI轉(zhuǎn)SDI信號轉(zhuǎn)換器

14-SDI轉(zhuǎn)HDMI信號轉(zhuǎn)換器

15-高清液晶顯示器(含HDMI接口)

(五)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)例子和附圖，對本發(fā)明作具體說明。

由圖1所示，本發(fā)明中的裝置整體框架，各部件分別說明如下：

SDI輸入接口1，用于輸入SDI視頻信號；

電纜均衡器2，用于對輸入的SDI視頻信號做線纜均衡；

可編程邏輯門陣列電路(FPGA)板3，用于采集均衡后的SDI視頻信號進(jìn)行數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制，同時板載通用異步收發(fā)傳輸器(UART)串口，可供用戶使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對電路板的調(diào)節(jié)；

數(shù)模轉(zhuǎn)換器4，結(jié)合FPGA使用，將FPGA處理得到的OFDM數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為OFDM模擬電信號；

激光二極管驅(qū)動電路5，用于將電OFDM信號加上直流偏置以驅(qū)動激光二極管；

激光二極管6，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；

光電檢測器7，內(nèi)含驅(qū)動與電信號放大電路，用于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，并放大轉(zhuǎn)換后的電信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器8，采集電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

可編程邏輯門陣列電路(FPGA)板9，用于獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號進(jìn)行OFDM解調(diào)，同樣板載UART串口，可供用戶使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對電路板的調(diào)節(jié)；

線纜均衡器10，用于對來自解調(diào)后得到的串行信號進(jìn)行線纜均衡；

SDI輸出接口11，用于輸出SDI信號。

圖2為本發(fā)明在搭配個人電腦使用時的實(shí)驗(yàn)配置圖，除了上述所提及的部件外，還包括：

個人電腦12，含HDMI接口，用于通過HDMI接口輸出數(shù)字視頻信號；

HDMI轉(zhuǎn)SDI轉(zhuǎn)換器13，用于將HDMI數(shù)字視頻信號傳換為SDI視頻信號；

SDI轉(zhuǎn)HDMI信號轉(zhuǎn)換器14，用于將SDI視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號；高清液晶顯示器15，含HDMI接口，用于接收HDMI數(shù)字視頻信號并播放視頻；

本發(fā)明的工作過程如下：

在發(fā)射端，首先通過SDI輸入接口輸入SDI數(shù)字視頻信號，再通過線纜均衡，然后被FPGA通過內(nèi)部的高速串口(如，集成于FPGA內(nèi)部的Gbit收發(fā)模塊)采集，原始數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為FPGA內(nèi)部二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再進(jìn)行OFDM調(diào)制。其中，OFDM調(diào)制過程包括里德-所羅門編碼、星座點(diǎn)映射、厄米特對稱(由于裝置中是單路單燈通信，這里采用厄米特對稱實(shí)現(xiàn)直接檢測OFDM來傳輸實(shí)數(shù)信號)、快速反傅里葉變換(IFFT)、加循環(huán)前綴、插入訓(xùn)練序列等數(shù)字信號處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過OFDM調(diào)制之后再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生OFDM電信號。最終，OFDM電信號經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動激光二極管(LD)，LD發(fā)射出光信號。

在接收端，光電檢測器檢測到光信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器及另一FPGA電路板進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)OFDM解調(diào)。其中，解調(diào)過程包括幀同步、去循環(huán)前綴、快速傅里葉變換(FFT)、采樣頻譜估計(jì)、信道估計(jì)、采樣頻譜補(bǔ)償、信道均衡、解映射、里德-所羅門解碼等數(shù)字信號處理。解調(diào)完成后，將得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)。FPGA將二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過內(nèi)部的高速串口(如，集成于FPGA內(nèi)部的Gbit收發(fā)模塊)輸出串行電信號。最終，通過另一線纜均衡器，便可得到SDI數(shù)字視頻信號，完成傳輸。

另外值得一提的是，收發(fā)兩端FPGA電路板將采用UART串口以方便用戶通過上位機(jī)，能夠在電路運(yùn)行過程中修改FPGA內(nèi)部信號處理過程中的一些參數(shù)(比如幀間隔、星座映射的映射方式)。這樣以來，整個系統(tǒng)可調(diào)節(jié)，因此能夠適應(yīng)不同速率SDI的傳輸。

對于圖2中描述的實(shí)驗(yàn)例程，其工作過程除上述所描述的部分外，發(fā)射端部分，在SDI輸入接口上連接了HDMI轉(zhuǎn)SDI轉(zhuǎn)換器的SDI輸出端，同時HDMI轉(zhuǎn)SDI轉(zhuǎn)換器的HDMI輸入端則連接著個人電腦的HDMI接口。接收端部分，在SDI輸出接口上連接了SDI轉(zhuǎn)HDMI轉(zhuǎn)換器的SDI輸入端，同時SDI轉(zhuǎn)HDMI轉(zhuǎn)換器的HDMI輸入端則連接著液晶顯示器(LCD)。通過這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，個人電腦上播放的視頻，便能夠經(jīng)過傳輸，由最終的液晶顯示器進(jìn)行顯示。

(六)主要技術(shù)優(yōu)勢

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)中遠(yuǎn)距離無線連接下的三速SDI視頻信號的傳輸。本發(fā)明采用可見光通信技術(shù)，無需注冊頻譜使用許可，無電磁輻射；采用可編程邏輯門陣列進(jìn)行信號處理，高效，快速，并且可重配置。本發(fā)明可應(yīng)用于搭建無線且遠(yuǎn)距離連接的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，亦可架設(shè)于樓宇之間，實(shí)現(xiàn)電視節(jié)目的直播接入與轉(zhuǎn)發(fā)。