一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法及裝置，其裝置包括發射機和接收機兩部分，發射機部分包括：激光源、入射光路、數字微鏡器件、出射光路和發射機控制電路，接收機部分包括：接收光路、光電傳感陣列、接收機控制電路和差錯報警電路；通信方法是在發射機端利用數字微鏡器件將電信號轉換成光信號輸出，在接收機端利用光電傳感陣列將光信號恢復成電信號，并且利用FPGA實現PWM調制解調、加密解密算法和CRC數據校驗，保證通信的安全和正確；本發明解決了現有無線激光通信系統信道數量少、系統傳輸速率慢的問題，利用數字微鏡器件多達百萬路的通信信道和FPGA強大的運算能力為高速安全的無線激光通信提供了一種可行的方案。
【專利說明】一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線激光通信領域，特別是一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法及裝置。
【背景技術】
[0002]數字微鏡器件由美國TI公司在1987年發明，它是一種基于半導體制造技術，由高速數字式光反射開關陣列組成的器件，涉及微電子制造、微電子機械、集成電路設計、精密光學等技術。數字微鏡器件主要應用于DLP投影系統中，但是近幾年其應用領域得到極大拓展，比如立體顯示、3D打印、微顯示及寬光譜應用等。
[0003]無線激光通信是指以激光作為載波、大氣作為傳輸介質的光通信，激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點，很適合作為短距離光通信的載體。與微波通信相比，無線激光通信具有無需申請通信頻段、信息容量大、頻帶寬、抗電磁干擾能力強、保密性好等特點。與光纖通信相比以及其他有線通信相比，具有機動靈活、運行成本低、易于推廣等特點。無線激光通信可以應用在以下場合:1.不具備接入條件(某些環境下不能鋪設光纖)時提供高效接入方案；2.為醫院、飛機等對電磁干擾有嚴格限制的場合提供通信；3.為智能小區、大企業的寬帶接入的最后一公里提供一種快速靈活的解決方案；4.在突發的自然或者人為意外災害中，如果原有通信線路被破壞，可以用無線激光通信系統進行快速部署提供應急通信。
[0004]現有的無線激光通信系統一般采用一個信號源，配合一組發射和接收裝置實現無線激光通信。這種技術存在由于只有一個或者幾個通信信道，導致系統的傳輸速率難以得到顯著提升。
[0005]現有的光通信技術中對于信源數據的加密處理普遍不夠嚴格甚至沒有，如果光信號被他人竊取，那么信號內容也就被竊取，所以在安全性方面存在一些隱患。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有技術的不足而提出的一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法及裝置，其裝置可以實現多達百萬路通信信道的無線激光通信，顯著提高了無線激光通信系統的傳輸速率，并且利用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)強大的運算能力可以實現多種加密算法保證通信的安全。
[0007]本發明的目的是這樣實現的:
一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信裝置，該裝置包括:
激光光源，用于產生入射點光源；
入射光路，與激光光源連接，用于把點光源變成均勻面光源，并入射到數字微鏡器件
上；
數字微鏡器件，與入射光路連接，利用微鏡的開關作用將電信號轉換成光信號輸出，每一個微鏡對應一條通信信道，目前單片數字微鏡器件分辨率可達1920*1080，即該數字微鏡陣列上有1920*1080=2，073，600個微鏡，本發明就是利用這個微鏡陣列來實現多達百萬路
通信信道的無線激光通信。
[0008]出射光路，與數字微鏡器件連接，將微鏡反射出來的光信號進行光學處理，便于在自由空間傳播；
發射機控制電路，與激光光源和數字微鏡器件連接，對信源輸入的信號進行數據處理，并實現對數字微鏡器件的驅動控制；
接收光路，接收來自自由空間光通道的光信號，進行光路調整并輸出給光電傳感陣
列；
光電傳感陣列，與接收光路連接，其感光像素與數字微鏡器件的微鏡是一一對應的關系，感光像素將接收到的光信號進行光電轉換，恢復出對應的電信號；
接收機控制電路，與光電傳感陣列和差錯報警電路連接，對光電傳感陣列恢復的電信號進行數據處理，并進行校驗，如果無誤則輸出，否則向差錯報警電路發出報警請求；差錯報警電路，接收來自接收機控制電路的報警請求，并發出報警信號。
[0009]所述發射機控制電路包括MCU、FPGA、信源輸入電路和數字微鏡器件控制芯片，MCU控制信源輸入電路的工作狀態，信源輸入電路接收信源輸入并通過數據總線與FPGA連接，FPGA對輸入的數據進行處理，數字微鏡器件控制芯片提供數字微鏡器件所需的專用復位信號。
[0010]所述接收機控制電路包括MCU、FPGA和信宿輸出電路，FPGA對光電傳感陣列恢復的電信號進行處理，并將處理后的數據通過信宿輸出電路輸出，MCU控制信宿輸出電路的工作狀態。
[0011]一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法，該方法包括如下步驟:
1)信源數據通過信源輸入電路送給發射機FPGA;
2)在發射機FPGA內對信源數據插入CRC校驗碼；
3)在發射機FPGA內對插入CRC校驗碼的數據進行加密；
4)在發射機FPGA內把加密后的數據重排分配給各個信道，并進行二進制PWM調制；
5)發射機FPGA輸出LVDS信號，驅動數字微鏡器件輸出對應的光信號；
6)光電傳感陣列將接收到的光信號轉換成電信號輸出到接收機FPGA；
7)在接收機FPGA內對光電傳感陣列每個像素恢復的電信號進行二進制PWM解調；
8)在接收機FPGA內對解調后的數據進行重新組合；
9)在接收機FPGA內對重組后的數據執行加密過程的逆運算即進行解密；
10)在接收機FPGA內對解密后的數據進行CRC差錯校驗；
11)如果CRC差錯校驗沒有發現錯誤，則輸出數據，否則向報警電路發出報警請求。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
(1)、本發明可提供多達百萬路的無線激光通信信道，使系統的傳輸速率得到極大的提聞。
[0013](2)、本發明可以利用FPGA強大的運算能力對信源數據進行各種加密算法，即使光信號被他人竊取，在保證加密算法安全的情況下，就可以保證信源數據的安全。
【專利附圖】
【附圖說明】[0014]圖1為本發明裝置結構框圖；
圖2為本發明裝置中發射機控制電路結構示意圖；
圖3為本發明裝置中接收機控制電路結構示意圖；
圖4為本發明裝置中發射機控制電路的FPGA內數據處理流程圖；
圖5為本發明裝置中接收機控制電路的FPGA內數據處理流程圖；
圖6為本發明數字微鏡器件的工作狀態示意圖；
圖7為本發明入射光路將點光源轉換成面光源示意圖；
圖8為光的PWM原理示意圖；
圖9為本發明二進制PWM調制原理示意圖；圖中“ □”表示微鏡處于“開”狀態，“.”表示微鏡處于“關”狀態；
圖10為本發明數字微鏡器件根據圖9的信號實現對應已調光信號的工作狀態示意圖，圖中“ □”表示微鏡處于“開”狀態，“.”表示微鏡處于“關”狀態；
圖11為本發明的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0015]參閱圖1，本發明由激光光源1、入射光路2、數字微鏡器件3、出射光路4、發射機控制電路5、接收光路6、光電傳感陣列7、接收機控制電路8及差錯報警電路9組成，本發明激光點光源I由LED激光器產生，經過入射光路2的均光作用實現點光源到均勻面光源的轉換。該均勻面光源入射到數字微鏡器件3上，利用數字微鏡器件3對其進行調制產生已調光信號。已調光信號經過出射光路4的光學處理在自由空間中傳播，在接收光路6對接收到的已調光信號進行光路調整后送至光電傳感陣列7實現光電轉換，恢復出對應的電信號從而完成無線激光通信的過程。
[0016]參閱圖2，本發明的發射機控制電路5包括MCU、FPGA、信源輸入電路和數字微鏡器件控制芯片。信源輸入電路接收信源數據，該數據包括原始發送信號和控制信號。其中控制信號給MCU控制激光光源的強度，原始發送信號通過數據總線傳送到FPGA，在FPGA內進行數據處理，并且FPGA輸出LVDS信號實現對數字微鏡器件的控制。數字微鏡器件控制芯片提供數字微鏡器件所需的電源和復位信號。
[0017]參閱圖3，本發明的接收機控制電路8包括MCU、FPGA和信宿輸出電路。光電傳感陣列把恢復出的電信號送到FPGA，在FPGA內進行數據處理，并進行CRC數據校驗，如果校驗無誤則通過信宿輸出電路將數據輸出，如果校驗出現錯誤則向差錯報警電路發出報警請求。
[0018]參閱圖4，本發明的發射機控制電路的FPGA內數據處理的過程是FPGA接收來自信源輸入電路的信源數據，對數據插入CRC校驗碼，再根據通信的要求加入所需的加密算法；對于分辨率為1920*1080的數字微鏡器件，有1920*1080=2，073，600個微鏡，每個微鏡對應一條通信信道，所以需要將加密后的數據進行重排分配，將數據按照固定位寬分給每個微鏡，再進行二進制PWM調制實現對數字微鏡器件的控制。
[0019]參閱圖5，本發明的接收機控制電路的FPGA內數據處理的過程是FPGA接收來自光電傳感陣列的電信號輸出，因為光電傳感陣列上的每個像素對應一個微鏡，所以需要將每個像素的恢復出的電信號先進行二進制PWM解調，然后進行重新組合，恢復成發射機部分原來的數據格式，再對數據進行解密，即執行加密運算的逆運算，然后執行CRC差錯校驗，如果沒有出現錯誤，將數據通過數據總線輸出到信宿輸出電路輸出，否則向報警電路發出報警請求。
[0020]參閱圖6，該圖為數字微鏡器件的微鏡工作過程示意圖。圖中A表示數字微鏡器件上的一個微鏡，每一個微鏡都可以被控制向兩個不同的方向翻轉，分別對應“開”和“關”狀態。通過控制微鏡的翻轉方向就可以實現對輸入光信號的調制，當微鏡處于“開”狀態時，輸入光信號被反射出去，代表輸出“ I ” ；當微鏡處于“關”狀態時，輸入光信號被光吸收面吸收，沒有光信號輸出，代表輸出“O”。
[0021]參閱圖7，該圖為入射光路將點光源轉換成均勻面光源的示意圖。 [0022]參閱圖8，該圖為光的PWM原理示意圖，因為光電傳感陣列是一個對光信號進行時間積分的器件，對于光電傳感陣列上的一個像素，在固定周期內接受光照射的時間越長，那么恢復出的電信號電壓值越大，這個原理和人眼感覺亮度信號是一致的；所以在一個固定周期t內即使將亮的時間分成幾段分布在不同的時間上，只要占空比不變，由于積分效應，光電傳感陣列恢復出的電壓值是一樣的，這就是光的PWM原理。
[0023]參閱圖9，如果將這個固定周期劃分成時間長度呈2的等比數列的時間段，那么就可以用二進制數據來表示這一段的PWM波形了，圖9就是用4bit 二進制數據來對通道1、
2、3、4進行光的PWM調制。二進制數中的每一位與一個時間段對應，權重大的位對應較長的時間段，bit0、l、2、3對應的時間段長度分別是T、2T、4T、8T，所以4bit數據總的時間長度是15T，同理Nbit數據對應的總時間長度是(2N-1) T。這里只是用4bit 二進制數做示意，在設計時要根據實際情況選擇合適的二進制位數。本系統選擇的是8bit 二進制數，這是根據CMOS器件的響應速度決定的。因為CMOS器件是慢速器件，不能像數字微鏡器件那樣快速地實現光電轉換，所以利用光的PWM原理，將8bit的二進制數據按照PWM調制的方法輸出，光電傳感陣列上的一個像素每次光電轉換恢復的是8bit的電信號。數字微鏡器件的微鏡翻轉一次的時間是T=35us，所以發送8bit數據所需的時間是255T=255*35us=8.925ms,在這個時間下光電傳感陣列可以正常完成一次光電轉換。所以對于分辨率為1920*1080的數字微鏡器件，采用8bit 二進制PWM調制的系統傳輸速率可以達到1920*1080*8bit/(35us*255)=l.858689Gbps !
參閱圖10，該圖為2x2數字微鏡陣列根據圖9的信號實現對應已調光信號的過程示意圖。微鏡1、2、3、4分別對應圖9中的通道1、2、3、4，通道1、2、3、4的發送數據為“ 1111”、“1010”、“0011”、“0000”，所以在bitO對應的I個T的時間內，微鏡1、2、3、4的狀態分別是“開”、“關”、“開”、“關”，在bitl對應的2個T的時間內，微鏡1、2、3、4的狀態分別是“開”、“開”、“開”、“關”，在bit2對應的4個T的時間內，微鏡1、2、3、4的狀態分別是“開”、“關”、“關”、“關”，在bit3對應的8個T的時間內，微鏡1、2、3、4的狀態分別是“開”、“開”、“關”、“關”。
[0024]參閱圖11，系統上電后，MCU執行初始化程序，分別配置信源輸入電路和信宿輸出電路的初始化狀態，FPGA配置芯片自動裝載程序；然后通過信源輸入電路把要發送的數據裝載到發射機FPGA中；發射機FPGA對數據進行處理，并且輸出LVDS信號驅動數字微鏡器件對數據進行光的二進制PWM調制；光電傳感陣列將接收到的光信號轉換成電信號送到接收機FPGA ;接收機FPGA對轉換后的數據進行處理，并進行CRC差錯校驗，如果沒有出現錯誤，則本次通信完成，等待下一次新的發送請求；如果出現錯誤，則發出通信錯誤信號，向報警電路發出報警請求，并檢查是否需要重新發送，如果需要就重新裝載發送數據，否則結束。
【權利要求】
1.一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信裝置，其特征在于該裝置包括: 激光光源(I)，用于產生入射點光源； 入射光路(2)，與激光光源(I)連接，用于把點光源變成均勻面光源，并入射到數字微鏡器件上； 數字微鏡器件(3)，與入射光路(2)連接，利用微鏡的開關作用將電信號轉換成光信號輸出，每一個微鏡對應一條通信信道； 出射光路(4)，與數字微鏡器件(3)連接，將微鏡反射出來的光信號進行光學處理，便于在自由空間傳播； 發射機控制電路(5)，與激光光源(I)和數字微鏡器件(3)連接，對信源輸入的信號進行數據處理，并實現對數字微鏡器件的驅動控制； 接收光路(6)，接收來自自由空間光通道的光信號，進行光路調整并輸出給光電傳感陣列； 光電傳感陣列(7)，與接收光路(6)連接，其感光像素與數字微鏡器件的微鏡是一一對應的關系，感光像素將接收到的光信號進行光電轉換，恢復出對應的電信號； 接收機控制電路(8)，與光電傳感陣列(7)和差錯報警電路(9)連接，對光電傳感陣列恢復的電信號進行數據處理，并進行校驗，無誤則輸出，否則向差錯報警電路發出報警請求； 差錯報警電路(9 )，接收來自接收機控制電路的報警請求，并發出報警信號。
2.根據權利要求1所述的通信裝置，其特征在于發射機控制電路(5)包括MCU、FPGA、信源輸入電路和數字微鏡器件控制芯片，MCU控制信源輸入電路的工作狀態，信源輸入電路接收信源輸入并通過數據總線與FPGA連接，FPGA對輸入的數據進行處理，數字微鏡器件控制芯片提供數字微鏡器件所需的復位信號。
3.根據權利要求1所述的通信裝置，其特征在于接收機控制電路(8)包括MCU、FPGA和信宿輸出電路，FPGA對光電傳感陣列恢復的電信號進行處理，并將處理后的數據通過信宿輸出電路輸出，MCU控制信宿輸出電路的工作狀態。
4.根據權利要求1所述的通信裝置，其特征在于光電傳感陣列(7)為CMOS器件。
5.一種基于數字微鏡器件的多通道無線激光通信方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 信源數據通過信源輸入電路送給發射機FPGA ； 在發射機FPGA內對信源數據插入CRC校驗碼； 在發射機FPGA內對插入CRC校驗碼的數據進行加密； 在發射機FPGA內把加密后的數據重排分配給各個信道，并進行二進制PWM調制； 發射機FPGA輸出LVDS信號，驅動數字微鏡器件輸出對應的光信號； 光電傳感陣列將接收到的光信號轉換成電信號輸出到接收機FPGA ； 在接收機FPGA內對光電傳感陣列每個像素恢復的電信號進行二進制PWM解調； 在接收機FPGA內對解調后的數據進行重新組合； 在接收機FPGA內對重組后的數據執行加密過程的逆運算即進行解密； 在接收機FPGA內對解密后的數據進行CRC差錯校驗； 如果CRC差錯校驗沒有發現錯誤，則輸出數據，否則向報警電路發出報警請求。
【文檔編號】H04L9/14GK103684587SQ201310588664
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】劉一清, 何鵬 申請人:華東師范大學