一种基于OFDM的可见光通信无线音箱的制作方法

本发明属于可见光通信领域，具体涉及一种基于ofdm的可见光通信无线音箱。

背景技术：

生活中的电子产品越来越多地从有线变为无线，选用无线作为解决方案，其目的就在于可以自由的移动音源；而常规的音箱在使用时，由于导线的限制，其音箱无法脱离音源的一定范围，且在室内进行导线的布置，不仅麻烦而且不美观。

传统的无线音箱采用的无线技术主要包括fm、红外、蓝牙、wifi、2.4g等技术；然而，这些技术中，fm技术受到传输带宽的限制，普遍音质不佳，并且容易受到干扰，会出现串频现象，导致稳定性欠佳，保密性差；红外无线传输带宽高，但发射功率要求较高，且易受遮蔽物的影响，导致音频信号无法传输；蓝牙传输数据量小，影响到高品质音频的播放；2.4g有延迟，对即时播放的体验不佳；wifi功耗较大，硬件昂贵，成本过高。

现有的可见光无线音箱通常使用开关键控调制或脉冲宽度调制方式，由于系统设计简单，且不能高效利用led灯带宽，导致通信速率降低，频谱利用率降低；另一方面，可见光在空间传输过程中，其传输路径除了直射路径，还有漫射路径，所以，从led灯发送信号，到接收端光电探测器接收到信号，会存在多条光信号路径，从而导致接收到的信号之间会出现相互干扰的问题，即现有可见光无线音箱会受多径效应的影响，致使其抗干扰能力弱。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有无线音箱的技术缺陷，提供一种基于ofdm的可见光通信无线音箱，用以解决传统无线音箱的传输速率慢、易受干扰和成本过高的问题，以及频谱利用率低和易受多径效应影响的问题。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于ofdm的可见光通信无线音箱，其发送端包括：音频信号源、数模转换模块(dac)及led驱动电路模块，接收端包括：光电转换模块、模数转换模块(adc)及音箱；其特征在于，发送端还包括源信号处理模块和ofdm调制模块，接收端还包括与发射端对应的ofdm解调模块和接收信号处理模块；

发送端：所述音频信号源、源信号处理模块、ofdm调制模块、数模转换模块(dac)及led驱动电路模块依次连接；音频信号源输出源音频信号，源信号处理模块接收源音频信号、并使其实现可见光信道上传输，减小信道对信号的干扰；ofdm调制模块对源信号处理模块的输出信号进行ofdm调制、输出ofdm数字信号，调制后信号能够对抗多径效应的影响，并且提高频率利用率和传输速率；数模转换模块将调制后的ofdm数字信号转换为模拟信号进行传输；led驱动电路模块将模拟信号加载到led灯上，驱动led灯进行音频信号的空间发送；

接收端：所述光电转换模块、模数转换模块(adc)、ofdm解调模块、接收信号处理模块及音箱依次连接；光电转换模块将从空间中接收到的led光信号转换为接收模拟信号(电信号)；模数转换模块将接收模拟信号转换为接收数字信号，便于对信号进行处理；ofdm解调模块将接收数字信号进行ofdm解调，使其恢复为源信号处理模块的输出数据；接收信号处理模块将ofdm解调后的信号恢复为源音频信号，再将源音频信号送入音响，通过音响进行音频播放。

进一步的，所述源信号处理模块包括：依次连接的加扰模块、卷积编码模块及交织模块，其中：

加扰模块用于对源音频信号进行加扰处理，使用生成多项式s(x)＝x⁷+x⁴+1生成伪随机码序列，加扰后的数据进入卷积编码模块；

卷积编码模块对加扰后的数据进行卷积编码处理，采用(2,1,7)卷积码，将加扰后的数据进行卷积编码生成两路输出数据a和b：输出数据a的生成多项式为s(x)＝x⁶+x⁵+x³+x²+1，输出数据b的生成多项式为s(x)＝x⁶+x³+x²+x¹+1；再将生成的两路并行数据转换为串行数据输出到交织模块；

交织模块对卷积编码后的数据进行交织处理，采用两级交织的方式；第一级交织变换公式为：i＝(ncbps/16)(k×mod16)+floor(k/16)，k＝0,1,...,ncbps-1，其中，k为交织前的比特标号，i为交织后的标号，ncbps为一次ifft处理的比特数；第二级交织变换公式为：j＝s×floor(i/s)+(i+ncbps-floor(16×i/ncbps))mods，i＝0,1,...,ncbps-1，其中，j为第二级交织后的比特标号，s为每个子载波编码的比特数除以2；交织后的数据送入ofdm调制模块。

进一步的，所述ofdm调制模块包括：依次连接的16qam映射模块、插入导频模块、共轭对称模块、ifft模块、加循环前缀和加窗模块；其中：

16qam映射模块，将输入数据以4比特为一组映射到16个星座点上，并对映射后数据进行归一化处理得到i、q两路数据；

插入导频模块，对i、q两路数据分别进行导频的插入；

共轭对称模块，将插入导频后的i、q两路数据进行共轭对称，使i、q两路数据合并为一路数据，便于led对信号的发送；

ifft模块，用于将信号进行快速傅立叶逆变换，从而实现ofdm的子信道分配，即将数据调制到频道的各个子载波上，提高频谱利用率和传输速率；

加循环前缀和加窗模块，对ifft变化后数据进行加循环前缀和加窗处理，用于消除码间串扰(isi)和子载波间干扰(ici)。

进一步的，所述ofdm解调模块包括：依次连接的去循环前缀和去窗模块、fft变换模块、去共轭对称模块、去导频模块和16qam逆映射模块；各子模块均为所述ofdm调制模块内部各子模块的逆过程，从而实现信号的ofdm解调。

所述接受信号处理模块包括：依次连接的解交织模块、viterbi译码模块和解扰模块；各子模块均为所述源信号处理模块各子模块的逆过程，从而实现源音频信号的恢复。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供基于ofdm的可见光通信无线音箱，在照明的同时兼顾通信，不存在电磁辐射，对人体无害，不会造成电磁波污染，无需无线电频谱认证，与其他通信技术不易形成干扰，并且设备简单，成本低；

2、通过加扰、卷积编码和交织模块，提高通信性能稳定，使信号不易受干扰。

3、使用共轭对称模块，实现了i、q两路数据到一路数据的转换，从而适于led的强度调制要求；

4、采用ofdm调制，使频谱利用率高，传输速率快，能有效抵抗多径效应对信号传输的影响，减小误码率；

5、使用方便灵活，可以根据实际需求调整音响位置。

附图说明

图1为本发明基于ofdm的可见光通信无线音箱的系统结构框图。

图2为本发明实施例中发送端fpga数据处理部分的详细结构框图。

图3为本发明实施例中接收端fpga数据处理部分的详细结构框图。

图4为本发明实施例中16qam星座映射规律图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例提供一种基于ofdm的可见光通信无线音箱，其系统结构框图如图1所示，其发送端包括：依次连接的音频信号源101、源信号处理模块102、ofdm调制模块103、数模转换模块(dac)104和led驱动电路模块105；其接收端包括：依次连接的光电转换模块106、ofdm解调模块107、接收信号处理模块108、模数转换模块(dac)109和音箱110；本实施例中，源信号处理模块102、ofdm调制模块103、ofdm解调模块107和接收信号处理模块108由fpga来完成数据处理；

源信号处理模块102的输入端与音频信号源101的输出端相连，源信号处理模块102将音频信号源101的输出信号进行处理，使处理后的音频信号适于再可见光信道上传输，减小信道对信号的干扰；ofdm调制模块103的输入端接源信号处理模块102的输出端，ofdm调制模块103对源信号处理模块的输出信号进行ofdm调制，使调制的信号能够对抗多径效应的影响，并且提高频率利用率和传输速率；dac模块104将调制后的ofdm数字信号转换为模拟信号进行传输；led驱动电路模块105将dac模块104转换后的模拟信号加载到led灯上，驱动led灯进行音频信号的空间发送；

光电转换模块106将从空间中接受到的led光信号转换为电信号，然后送入adc模块107的输入端；adc模块107将光电转换模块输出的模拟信号转换为数字信号，便于对信号进行处理；ofdm解调模块108将adc模块107转换后的数字信号进行ofdm解调，使其恢复为源信号处理模块102的输出数据；接收信号处理模块109将ofdm解调后的信号进行处理，使其恢复为原始音频信号，再将该信号送入音响110，通过音响110进行音频播放。

如图2所示，其为所述无线音箱发送端fpga数据处理部分的详细结构框图，源信号处理模块102和ofdm调制模块103用fpga来实现；其中，源信号处理模块102包括依次连接的加扰模块201、卷积编码模块102和交织模块103；音频信号源101产生原始音频串行码流，即原始音频信号；

加扰模块201对原始音频串行码流进行加扰处理，使用生成多项式s(x)＝x⁷+x⁴+1生成伪随机码序列，其原理是用fpga生成一个扰码器scram，其为7位的寄存器，设置扰码器初始值为scramble[6:0]＝2’b101_1101，将scramble[3]与scramble[6]进行异或处理得到一个输出值scramble_out，将scramble的第6位左移一位，再将scramble_out送入scramble的最低位，等待下一个异或处理；同时将scramble_out与输入的原始音频串行数据码流进行异或运算，得到加扰后的数据输入，加扰后的数据进入卷积编码模块202；

卷积编码模块202对加扰后的数据进行卷积编码处理，采用(2,1,7)卷积码，即码长为2比特，信息元为1比特，约束长度为7，对应码率r＝1/2；将加扰后的数据进行卷积编码生成两路输出数据a和b：输出数据a的生成多项式为s(x)＝x⁶+x⁵+x³+x²+1，输出数据b的生成多项式为s(x)＝x⁶+x³+x²+x¹+1；再将生成的两路并行数据转换为串行数据输出到交织模块203；

交织模块203对卷积编码后的数据进行交织处理，采用两级交织的方式；第一级是保证相邻的编码比特被映射到不相邻的子载波上，具体变换公式为

i＝(ncbps/16)(k×mod16)+floor(k/16)，k＝0,1,...,ncbps-1(1-1)

其中，k为交织前的比特标号，i为交织后的标号，ncbps为一次ifft处理的比特数，这里取值192；mod为求余运算，floor为向零取整运算；硬件实现时，使用fpga的一片双口ram作为整个模块的存储区，按上述公式(1-1)进行写地址的生成，然后读出地址为从0地址开始自动加1的顺序方式，以此顺序方式读出写入的数据，从而完成第一级的交织；第二级的交织是保证相邻的编码比特被分别映射到星座图的重要和次要位置，其变换公式为

j＝s×floor(i/s)+(i+ncbps-floor(16×i/ncbps))mods，i＝0,1,...,ncbps-1(1-2)

其中，j为第二级交织后的数据标号，s为每个子载波编码的比特数除以2，子载波编码方式为16qam，对应子载波编码比特数为4比特，所以s＝2；硬件实现时，使用一块容量为24bit的双口ram作为第二级交织的存储单元，根据公式(1-2)，其对应实现的功能是前12bit的数据不变，后12bit的数据相邻两位数据交换位置，最后得到交织模块203的数据输出。交织后的数据送入ofdm调制模块103。

从图2中可以看出，ofdm调制模块103包括16qam映射模块204、插入导频模块205、共轭对称模块206、ifft变换模块207以及加循环前缀和加窗模块208；

16qam映射模块204将交织后的数据进行星座映射，将输入的串行数据码流以每4bit为一组，进行星座映射，其映射规则如图4所示；映射完成后，为了使映射后的码元有一样的平均功率，需要对映射后数据进行归一化处理，即将映射后的输出数据再乘以这样就得到16qam映射后的i、q两路数据；

插入导频模块205将16qam映射模块204输出的i、q两路数据分别进行导频的插入；将输入的i路(或q路)数据每48个一组，将后24个数据映射到ifft的1～6、8～20、22～26端口上，其中7端口和21端口插入导频；再将前24个数据映射到38～42、44～56、58～63端口上，其中43端口和57端口插入导频；ifft总端口为64个，则剩余的0端口、27～37端口置0；这样就完成了导频的插入；

共轭对称模块206将插入导频后的i、q两路数据进行共轭对称，使i、q两路信号变为一路实信号，从而能够加载到led灯上进行数据传输；将共轭对称后的数据送入ifft变换模块207；

ifft变换模块207对数据进行ifft变换(快速傅立叶逆变换)，通过实例化fpga的ifftip核，将输入的共轭对称后的数据每64个为一组进行ifft变换，从而实现频域数据向时域信号的转换；即将64个数据码元分别变换到可见光信道的64个子信道上，提高了可见光信道的频带利用率和传输速率；再将变换后的数据送入加循环前缀和加窗模块208；

加循环前缀和加窗模块208对ifft变换后的数据进行加循环前缀和加窗处理；为了消除码间串扰(isi)和子载波间串扰(ici)，先进行循环前缀添加处理，将ifft变换后的64个串行数据的后1/4长度的数据复制到该64个数据的前面形成前缀，则添加了循环前缀后的数据长度达到80个，从而实现消除isi和ici的目的；紧接着对该80个数据进行加窗处理，常采用的窗函数为升余弦函数，其定义如下：

其中，β为滚降因子，ts为加窗前的长度，而加窗后的符号长度为(1+β)ts，从而允许在相邻符号之间存在有相互重叠的区域，使得ofdm符号在带宽之外的功率谱密度下降得更快，提高抗干扰能力；本系统中ts＝4.0μs，βts＝50ns，对应β＝1/80，系统数据为离散时间对应的数据，则加窗函数对应变为

对于硬件实现为，将插入循环前缀后的80个数据的第1个数据和第17个数据分别除以2在相加得到加窗后的80个数据的第1个数据，即完成加窗操作；

数据经过加循环前缀和加窗模块208后，基于fpga的数据编码和调制过程完成，将其输出的数字信号输入dac模块104，实现数字信号到模拟信号的转换；转换后的模拟信号送到led驱动电路模块。

led驱动电路模块105包括电压转电流部分和led恒流驱动电路部分；由于led采用强度调制方式，即led灯的发光强度与驱动其发光的电流成正比关系，所以需将dac模块104输出的电压模拟信号转换为电流信号，再加载到led灯上；同时为了使led灯正常，实现传输信号时可以照明，需要加上一个恒流源，驱动led在其工作区正常发光；将两个信号叠加于led灯上，即可实现信号的发送和led灯的照明。

至此完成所述无线音箱发送端部分的设计。

光电转换模块106将接收到的可将光转换为电压信号，再送入adc模块107；该模块包括pin光电检测器、前置放大电路、带通放大器和主放大器四个部分；其中，pin光电检测器检测空间中的可将光，将可见光通过光电效应转换为电流信号；前置放大电路将pin光电检测器产生的电流信号转换为电压信号，便于信号处理，同时对信号进行放大；带通滤波器滤除前置放大电路处理过的信号中的低频信号和高频干扰；将滤波后的信号送入主放大器中，把信号放大为适合acd模块107处理的电压信号；acd模块107将光电转换模块106处理后的模拟电压信号转换为数字信号送入fpga进行处理。

如图3所示，其为所述无线音箱接收端fpga数据处理部分的详细结构框图，ofdm解调模块108和接收信号处理模块109用fpga来实现，这两个模块对应发送端ofdm调制模块103和源信号处理模块102的逆过程；ofdm解调模块108包括去循环前缀和去窗模块308、fft变换模块307、去共轭对称模块306、去导频模块305和16qam逆映射模块304。

adc模块107转换后的数字信号送入去循环前缀和去窗模块308，对信号进行去循环前缀和去窗处理；硬件实现为将输入的数据每80个一组，去除前16个，留下后64个有效数据；将该64个数据送入fft变换模块307中进行快速傅里叶变换，完成时域信号到频域信号的转换；将fft变换后的数据送入去共轭对称模块306中，将一路实信号转换为i、q两路信号；这两路信号送入去导频模块305，该模块去除两路64个数据中的4个导频和12个置0的数据，最后得到两路48个16qam映射后的数据；去导频后的数据送入16qam模块逆映射模块304，该模块将数据通过16qam星座图逆映射为交织后的数据；到此完成ofdm解调的过程。

从图3中可以看出，接收信号处理模块109包括解交织模块303、veterbi译码模块302和解扰模块301；ofdm解调后的数据送入解交织模块303，该模块依然是两级解交织，第一级解交织为第二级交织的逆过程，第二级解交织为第一级交织的逆过程；硬件实现如下，第一级解交织将数据每24个为一组，前12个保持不变，后12个相邻的数据交换位置。第二级解交织变换公式为：

k＝16×i-(ncbps-1)floor(16×i/ncbps)i＝0,1,...,ncbps-1(1-5)

该公式为写地址产生公式，读地址为顺序方式产生，这样，就完成了解交织过程；veterbi译码模块302对解交织后的数据进行卷积码的译码，这里通过实例化fpga的veterbi译码ip核来完成译码过程；将译码后的数据送入解扰模块301，解扰模块和加扰模块有相同的伪随机序列生成方式，即s(x)＝x⁷+x⁴+1；通过此伪随机序列进行解扰，从而得到原始音频信号，将该信号送入音箱110，就可以进行音频的播放；

至此，完成了至此完成所述无线音箱接收端部分的设计。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。