(一)技術領域

本發(fā)明屬于可見光通信(visiblelightcommunication,縮寫為vlc)技術領域。

(二)

背景技術：

可見光通信技術(visiblelightcommunication,vlc)是指利用可見光波段的光作為信息載體，無需電纜或光纜等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。這種通信方式，無電磁輻射，綠色低碳，可有效避免無線電通信中電磁信號泄漏等弱點。利用可見光通信，可構建抗干擾的安全通信環(huán)境。

可見光通信可利用普通的商用化led燈作為發(fā)射模塊，能夠在保證照明的情況下，進行通信。近來，基于led燈的可見光通信技術引起了工業(yè)界及學術界的廣泛關注。然而，基于商業(yè)化led燈的可見光通信系統(tǒng)的速率目前往往受限于led的調(diào)制帶寬。因此，為了實現(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。目前，它被認為在未來高速室內(nèi)無線光網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)中心中有著良好的應用潛力。另外，vllc系統(tǒng)中的光鏈路可采用激光束進行信號傳輸。而激光束的遠距離傳輸能力非常強，即使是功率低至10mw的激光束，都可以在天氣晴朗的夜空中傳輸超百米的距離。因此，vllc通信系統(tǒng)也可用于實現(xiàn)相近樓隔間的無線通信。再者，常規(guī)無線電通信在水下幾乎無法使用并且常規(guī)水下通信方式(如，次聲波通信)速率較慢，而研究表明可見光波段中的藍綠光在水中的衰減系數(shù)比較小，因此，基于藍綠光的vllc系統(tǒng)也可用于實現(xiàn)高速的水下通信系統(tǒng)。

實際中，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)利用紅外激光通信設備用于搭建樓宇間的無線通信鏈路。但是，紅外激光相比于可見光波段激光，在空氣中的衰減度更大。同時，紅外激光不可見，在安裝紅外激光通信設備時，實現(xiàn)精確對準需要采取額外的措施。因此，采用激光可見光實現(xiàn)樓宇間無線鏈路，相比于采用紅外激光，在上述方面具有一定的優(yōu)勢。此外，紅外激光通信亦不適合用于水下進行通信，在這方面，vllc系統(tǒng)具有較明顯的優(yōu)勢。

正交頻分復用(ofdm)技術，是一種多載波調(diào)制技術，可有效抵抗多徑效應，抵抗符號間干擾，同時，ofdm技術可適應不同設計需求，靈活分配數(shù)據(jù)容量和功率，便于提供靈活的高速和變速綜合數(shù)據(jù)傳輸，再者，ofdm技術可將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，這將大大消除信號波形間的干擾，從而提高信號傳輸?shù)念l譜效率。根據(jù)不同的接收方式，ofdm可分為直接檢測(dd,directdetection)–ofdm和相干檢測(cd，coherentdetection)–ofdm。其中，直接檢測ofdm，是采用強度調(diào)制進行單路發(fā)射，然后單路接收并檢測信號強度進行的傳輸方式。采用直接檢測ofdm，可實現(xiàn)單燈單檢測器的vllc系統(tǒng)，同時可提高vllc系統(tǒng)信號傳輸?shù)念l譜效率，降低系統(tǒng)對激光二極管的調(diào)制帶寬需求。

本發(fā)明，將基于ofdm及激光可見光通信技術，實現(xiàn)能夠進行無線鏈接、遠程傳輸?shù)木W(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)裝置，即一種無線路由裝置。值得一提的是本裝置將具備網(wǎng)絡接口，并主要實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)。之所以這樣做，也是由于目前數(shù)字網(wǎng)絡通信的便捷性，同時通過網(wǎng)口可以輕松實現(xiàn)與電腦上軟件的對接。

(三)

技術實現(xiàn)要素：

從上文可知，本發(fā)明的目的是提供一種基于ofdm技術、激光可見光通信技術的無線連接路由器。本發(fā)明的具體方案如下：

裝置為全雙工收發(fā)裝置。其中，發(fā)送端包括：以太網(wǎng)接口模塊(以太網(wǎng)芯片等組成，芯片工作于全雙工模式)、信號調(diào)制模塊(由數(shù)字電路芯片及外圍電路組成)、數(shù)模轉換器(數(shù)模轉換芯片及其外圍電路組成)、發(fā)射信號處理模塊(由直流偏置電路、信號放大電路等組成)、可見激光發(fā)射模塊(由激光二極管、透鏡等組成)。接收端包括：光電探測接收模塊(由光電二極管、透鏡等組成)、接收信號處理模塊(信號放大電路等組成)、模數(shù)轉換器(模數(shù)轉換芯片及其外圍電路組成)、信號解調(diào)模塊(由數(shù)字電路芯片及外圍電路組成)、以太網(wǎng)接口模塊(以太網(wǎng)芯片等組成)。其中，發(fā)射端的信號調(diào)制模塊可與接收端的信號解調(diào)模塊共用一個數(shù)字電路芯片，全雙工模式下的以太網(wǎng)接口亦可被發(fā)射端與接收端共用。

本裝置的詳細組成情況、工作原理及工作過程詳見本說明書(四)、(五)、(六)。

(四)附圖說明

圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。

圖2是一實驗示意圖。它示意表示使用本發(fā)明，實現(xiàn)兩臺電腦通過無線連接進行網(wǎng)絡通信的情況。

1-以太網(wǎng)接口模塊

2-調(diào)制解調(diào)模塊

3-數(shù)模轉換器

4-發(fā)射信號處理模塊

5-激光發(fā)射模塊

6-光電檢測模塊

7-接收信號放大模塊

8-模數(shù)轉換器

9-交換機-1

10-交換機-2

11-個人電腦-1

12-個人電腦-2

(五)具體實施方式

下面結合具體實驗例子和附圖，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：

以太網(wǎng)接口模塊1，由以太網(wǎng)芯片及其外圍電路組成，其中以太網(wǎng)芯片工作于全雙工，用于收發(fā)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；

調(diào)制解調(diào)模塊2，可由數(shù)字電路(專用集成電路asic或可編程邏輯門陣列fpga)實現(xiàn)，用于實現(xiàn)ofdm調(diào)制與解調(diào)；

數(shù)模轉換器3，由數(shù)模轉換芯片及其外圍電路組成，與調(diào)制解調(diào)模塊相連，用于將數(shù)字信號轉化為模擬信號輸出；

發(fā)射信號處理模塊4，可由直流偏置器及信號放大器組成，前端與數(shù)模轉換器相連，后端與激光發(fā)射模塊相連，主要實現(xiàn)驅動后端激光器，并將前端輸入信號調(diào)制至后端激光器上；

激光發(fā)射模塊5，可由可見光波段激光二極管或可見光波段垂直腔面發(fā)射激光器，以及散熱器等組成，用于實現(xiàn)電光轉換，發(fā)射出激光；

光電檢測接收模塊6，可由光電二極管及跨阻放大電路實現(xiàn)，用于接收激光信號，實現(xiàn)光電轉換；

接收信號處理模塊7，由信號放大器以及濾波器等實現(xiàn)，用于將光電轉換后的信號進行放大，并去除不必要的噪聲；

模數(shù)轉換器8，由模數(shù)轉換芯片及其外圍電路組成，采集電信號轉換為數(shù)字信號；

圖2為使用本發(fā)明實現(xiàn)兩臺電腦無線連接網(wǎng)絡通信的實驗配置圖，除了上述所提及的部件外，還包括：

交換機9、10：有線網(wǎng)絡互聯(lián)的基本器件，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的分組交換。

電腦11、12：用于驗證使用本發(fā)明后的網(wǎng)絡互聯(lián)情況；

(六)本發(fā)明的工作過程如下：

裝置信號發(fā)射過程：首先，以太網(wǎng)接口接收到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)后，傳輸給調(diào)制解調(diào)模塊，進行ofdm調(diào)制。其后，調(diào)制解調(diào)模塊將調(diào)制后的ofdm數(shù)字信號加載至數(shù)模轉換器，產(chǎn)生模擬電信號輸出。然后，發(fā)射信號處理模塊，通過內(nèi)部信號放大器對模擬電信號進行放大，再通過內(nèi)部直流偏置器將放大后的模擬電信號附加上直流信號，傳輸給后端的激光發(fā)射模塊。最后激光發(fā)射模塊內(nèi)部的激光產(chǎn)生器，接收電信號，實現(xiàn)電光轉換，發(fā)射出激光。

裝置信號接收過程：首先，光電檢測模塊檢測到激光信號，將其轉化為電信號。其后，接收信號處理模塊，對光電檢測后的電信號進行放大，傳輸給后端的模數(shù)轉換器。然后，模數(shù)轉換器，實現(xiàn)模數(shù)轉換，得到數(shù)字信號。最后，調(diào)制解調(diào)模塊處理數(shù)字信號，進行ofdm解調(diào)，得到發(fā)送過來的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，便可以通過以太網(wǎng)接口傳輸。

對于本發(fā)明的使用，可參考圖2中描述的實驗例程。圖二的工作過程可描述如下：

兩臺電腦(11、12)分別連接在兩個獨立起來的交換機(9、10)上，通過這樣模擬兩臺電腦分處于兩個獨立有線網(wǎng)絡的情況。交換機9、10都分別通過網(wǎng)口連接上一個本發(fā)明所述的裝置。在這樣一個系統(tǒng)中，電腦11嘗試通過地址解析協(xié)議(arp)與電腦12建立首次連接的過程可描述如下。

arp詢問過程：首先，電腦11發(fā)送目的物理地址為ff:ff:ff:ff:ff的arp詢問數(shù)據(jù)給底層交換機9。然后，交換機9將會通過廣播的形式傳輸arp詢問數(shù)據(jù)包到一個本發(fā)明所述的裝置(標記為裝置-1)。裝置-1接收數(shù)據(jù)，再進行調(diào)制，產(chǎn)生激光信號進行發(fā)射。其后，另一本發(fā)明裝置(標記為裝置-2)接收到裝置-1發(fā)射的激光信號，實現(xiàn)信號檢測與處理，還原為原始的廣播數(shù)據(jù)，再傳輸至交換機10。交換機10亦將通過廣播的形式，送至電腦12。電腦12獲取數(shù)據(jù)，arp詢問過程完畢。arp應答過程：首先，電腦12獲取詢問數(shù)據(jù)后，驗證數(shù)據(jù)中ip地址為本機ip，將產(chǎn)生arp應答數(shù)據(jù)包反饋給交換機10。然后，交換機10接收到電腦12的arp應答數(shù)據(jù)包，將根據(jù)之前所記錄的源物理地址找到裝置-2所對應的端口，并將數(shù)據(jù)通過該端口傳輸給裝置-2。其后，裝置-2接收數(shù)據(jù)，同樣實現(xiàn)一次調(diào)制，發(fā)射激光信號到裝置-1。裝置-1，解調(diào)激光信號，還原為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，便可通過交換機9轉達給電腦11。

通過arp詢問與應答這樣有來有回的類似過程，即便兩臺電腦(11、12)分處于獨立的網(wǎng)絡，但通過本發(fā)明裝置實現(xiàn)無線連接，亦可實現(xiàn)電腦11與電腦12的雙向通信。

(七)主要技術優(yōu)勢

本發(fā)明使用可見激光進行傳輸，無電磁輻射，無需注冊頻譜使用許可。它可使用于相近樓宇間，實現(xiàn)網(wǎng)絡的無線對接。由于采用的是可見激光，在安裝與配置過程中，可輕松實現(xiàn)裝置的對準。另外，由于在水中，藍綠光波段的衰減系數(shù)較低，本發(fā)明亦可用于水下進行高速信號傳輸。這是常規(guī)無線通信系統(tǒng)難以實現(xiàn)的。同時，本發(fā)明采用正交頻分復用技術，系統(tǒng)頻譜效率高，因此，對用于構建本發(fā)明所用器件的帶寬需求較低。