符瀟天 黃明 饒嘉成 汪弈舟 楊富華
摘? ?要: 基于FPGA技術,設計與實現(xiàn)了高質量數(shù)字可見光音頻通信系統(tǒng)。利用雙路高速高精度AD采樣音頻信號,通過FPGA編碼實現(xiàn)高速可見光通信(VLC);進行系統(tǒng)驗證,表明該系統(tǒng)可以在室內復雜照明環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信,也可利用特定透鏡組在室外光照環(huán)境下實現(xiàn)長距離的可靠通信;針對LED頻閃問題,使用8b/10b編碼方式抑制頻閃效應。達到了滿意效果:在室外50 m和室內3 m以內兩個場景進行測試,室外測試選取了晴天正午與午夜,系統(tǒng)可以傳輸清晰的音頻信號;室內測試在復雜室內照明環(huán)境下進行,實現(xiàn)了清晰的音頻傳輸。
關鍵詞: 可見光通信(VLC);LED;音頻通信系統(tǒng);FPGA;8b/10b
中圖分類號:TN91? ? 文獻標識碼:A? ? 文章編號:2095-8412 (2020) 06-087-05
工業(yè)技術創(chuàng)新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.015
引言
近年來,隨著高亮度發(fā)光二極管(LED)生產技術的不斷進步,越來越多的照明設備使用LED作為主要發(fā)光器件。相比于傳統(tǒng)照明器件,LED既具有高能效比、長壽命以及小型化等優(yōu)勢,也擁有更高的響應靈敏度、更好的調制性能以及更大的發(fā)射功率。這些優(yōu)勢也使得基于照明LED的可見光通信(VLC)技術蓬勃發(fā)展。相較于傳統(tǒng)無線通信技術而言,VLC技術具有對健康無潛在危害、無電磁輻射泄露、高保密性等優(yōu)點,使其具有了廣闊的應用前景。
本文首先基于FPGA技術,提出高質量數(shù)字可見光音頻通信系統(tǒng)方案;然后,進行系統(tǒng)搭建,利用雙路高速高精度AD采樣音頻信號,通過FPGA編碼實現(xiàn)高速可見光數(shù)字傳輸;最后,進行系統(tǒng)驗證,表明該系統(tǒng)可以在室內復雜照明環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信,也可利用特定透鏡組在室外光照環(huán)境下實現(xiàn)長距離的可靠通信。實驗結果可靠,系統(tǒng)設計可供研究者參考。
1? 系統(tǒng)設計方案
系統(tǒng)總體分為發(fā)送端與接收端兩部分,如圖1所示的系統(tǒng)框圖。
發(fā)送端由音頻采集、AD轉換器、FPGA處理以及LED驅動單元組成;接收端由PIN光電轉換模塊、限幅放大電路、FPGA處理以及I2S音頻解碼模塊組成。音頻采集模塊具備雙路音頻壓擴器,可以采集大動態(tài)范圍的音頻信號,經過高速、高動態(tài)范圍AD轉換器采樣的信號,由FPGA編碼后轉換為光信號發(fā)出。高靈敏度的PIN光電轉換模塊接收到的光信號經過跨阻放大和限幅放大后,經FPGA解碼,使用I2S音頻解碼芯片還原出原始音頻信號。
因數(shù)字通信時會引發(fā)LED頻閃,系統(tǒng)使用了8b/10b編碼方式來抑制頻閃效應[1]。本文使用可見光通信常用的OOK調制方式[2],根據無線光通信的仿真模型[3],系統(tǒng)光路中使用了特定的透鏡組來實現(xiàn)室外遠距離傳播。
2? 系統(tǒng)硬件設計
音頻采集使用PMOD接口的雙路AD采集模塊,在模塊設計上集成了雙路SA575音頻壓擴器與ADCS7476串行AD轉換器,如圖2所示。音頻壓擴器可以提供更好的音頻動態(tài)范圍,在抑制噪聲的同時提高音頻清晰度;ADCS7476具有1 MHz采樣頻率和12位動態(tài)范圍,實現(xiàn)對雙路音頻的高速且高質量采樣。
音頻輸出采用PMOD接口的雙路I2S音頻輸出模塊,模塊集成一個CS4344 DA轉換器,此轉換器具有192 kHz采樣頻率和16位動態(tài)范圍,并使用I2S總線方式輸入,輸出左右聲道雙路高質量音頻信號。如圖3所示。
音頻通信系統(tǒng)的發(fā)送端電路如圖4所示,以OOK方式將信號調制于三顆安裝在鋁基板(PCB)上的大功率照明用LED燈。因LED內部阻抗較小,F(xiàn)PGA無法有效地將功率傳輸給LED,故此驅動方案的優(yōu)勢在于可以利用場效應管自身特性解決阻抗不匹配的問題,將FPGA輸出信號功率有效地傳輸給LED。同時該方案具有較好的適應性,可以簡單地應用于已有的LED照明系統(tǒng)中。
接收端使用高增益的PIN光電二極管將光強信號轉化為電流信號,利用跨阻放大電路轉換為電壓信號,如圖5所示。同時使用兩級限幅放大電路恢復OOK信號,如圖6所示。跨阻放大器需要對PIN輸出的微弱電流信號進行放大,故選用具有較寬帶寬與低輸入噪聲的電流型反饋放大器組件,以實現(xiàn)高信噪比的小信號放大。限幅放大器設計了450倍電壓放大,利用其限幅功能將信號限制在0~2 V,可以有效重建原始信號,同時彌補PIN帶寬受限引入的高頻損失。
該硬件方案設計具備適用范圍廣、結構簡單、可靠性高、高速率、長距離傳輸?shù)葍?yōu)點,可以應用于多種可見光通信場景。
3? 數(shù)據傳輸方式
在實時的音頻信號傳輸中,0與1的出現(xiàn)概率不相等,這會導致通信過程中LED亮度產生頻閃[4]。80 Hz以下的頻閃會對人體健康產生一系列危害,可能會導致頭疼、焦慮甚至癲癇發(fā)作;80 Hz以上的頻閃會使人產生空間運動幻覺,進而誘發(fā)嚴重的事故。因此在編碼設計上需要對可能出現(xiàn)的頻閃現(xiàn)象進行抑制。同時數(shù)據傳輸中出現(xiàn)連續(xù)的0或1會使接收端位同步模塊丟失同步幀。
為解決上述問題,數(shù)據傳輸時使用8b/10b編碼。
具體傳輸方式結構設計為:音頻模塊使用了12位AD轉換器,同時8b/10b編碼需求8位并行輸入,因此數(shù)據幀長應選定為12與8的公倍數(shù)。同時綜合考慮實時性與編碼需求,最終選定一幀傳輸6次采樣數(shù)據,雙路交替?zhèn)鬏敼?2位的原始數(shù)據,數(shù)據以8位為一個字節(jié)進行處理。
原始數(shù)據幀結構如圖7所示。
等待一個數(shù)據幀完成后,將9個字節(jié)的數(shù)據依次進行8b/10b編碼。如圖8所示,8b/10b編碼器將8位數(shù)據分成低5位和高3位兩個部分,分別進行5b/6b編碼和3b/4b編碼,低5位完成編碼后將被放置于高6位上,高3位完成編碼后將被放置于低4位上,通過RD控制器檢查重組成10位數(shù)據,存入編碼后數(shù)據幀中。8b/10b編碼具有極性之分,當1多于0時稱之為正極性,反之稱之為負極性。RD(Running Disparity)控制器通過判斷當前輸出的極性來控制編碼器下一次的輸出極性,以此保證輸出數(shù)據的直流平衡[5]。
在數(shù)字同步通信中,數(shù)據幀的起止端需要加入適當?shù)耐酱a組,用于正確的進行幀同步。巴克碼具有一個尖銳的自相關函數(shù),經常用于同步通信中,作為幀同步碼組使用。本文選用13+7+4總計24位巴克碼作為幀頭,其中13位巴克碼用于幀間數(shù)據緩沖,余下11位用于幀同步。圖9所示為增加幀頭后的數(shù)據幀。
4? FPGA編碼設計
輸出端FPGA程序結構框圖如圖10所示。其中AD采樣控制器通過串口方式以96 kHz采樣頻率從AD7476獲得音頻采樣并輸出12位并行數(shù)據,預組幀模塊采用一個深度為6、寬12位的先入先出棧來組織數(shù)據幀,滿棧時將72位數(shù)據全部輸出給預編碼—編碼模塊完成編碼。編碼后數(shù)據輸入一個深度9、寬10位的棧中組織成編碼數(shù)據幀,疊加24位巴克碼幀頭后完成輸出。
其中,8b/10b編碼部分由預編碼和編碼兩部分模塊組成,預編碼模塊將72位數(shù)據分割為8位的字節(jié),并在每個8位的高位增加2位的控制位,后續(xù)的編碼模塊通過判斷輸入數(shù)據的高2位是否為2b10來確定輸入是否為K碼[6]。
接收端FPGA程序結構框圖如圖11所示。接收到的數(shù)據首先經過超前滯后位同步之后,送入幀同步器檢測幀頭,幀同步器具有一個114位緩存區(qū),在其14~20及21~24位設置兩個巴克碼序列檢測,利用巴克碼自相關函數(shù)的尖銳性來提取后90位的數(shù)據,提取的數(shù)據使用一個預解碼—解碼模塊實現(xiàn)數(shù)據校驗、分割及解碼。
CS4344要求FPGA輸出每聲道16位串行數(shù)據,因此解碼后輸出的8位芯片需要通過一個數(shù)據還原模塊恢復原始12位采樣數(shù)據,并將其補充為16位。輸出控制器利用I2S總線將音頻數(shù)據輸出。
5? 實測
在3 m通信距離下及50 m使用特定透鏡組通信距離下分別測試硬件鏈路。使用Tektronix GigaBERT-1400 Generator誤碼分析儀發(fā)送1 Mbps、PN17隨機序列,并在接收端使用Tektronix GigaBERT-1400 Analyzer誤碼分析儀測試誤碼率,在兩種測試距離下誤碼率均為0。圖12為1 Mbps、50 m通信距離下的接收端波形眼圖,可見眼圖清晰。
圖12展示了FPGA編碼輸出測試的結果,可見幀組成符合預期,發(fā)送端與接收端輸出信號與設計吻合。
系統(tǒng)總體通信測試選取了室外50 m和室內3 m以內兩個場景進行測試,室外測試選取了晴天正午與午夜,系統(tǒng)可以傳輸清晰的音頻信號;室內測試在復雜室內照明環(huán)境下實現(xiàn)了清晰的音頻傳輸。
6? 結論
本文設計了一套基于可見光的高質量音頻通信系統(tǒng),測試了硬件電路在不同通信距離下的誤碼率,同時在多種光照環(huán)境和距離下測試了音頻質量,通過使用8b/10b編碼方式抑制了通信時的頻閃效應。該系統(tǒng)具有成本低、結構簡單可靠、不受自然環(huán)境和一般室內照明的影響、高音頻采樣率、高音頻動態(tài)范圍、高速長距離、可兼顧照明等優(yōu)點。該系統(tǒng)在教學、安全通信、家庭物聯(lián)網等領域有極大的應用推廣價值,對可見光通信技術的實際應用推廣具有非常積極的影響。
基金項目
北方工業(yè)大學信息學院學生科技活動、北京市大學生科學研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目資助與支持
參考文獻
[1] 汪弈舟, 黃明, 張軒, 等. 一種改善室內可見光通信頻閃效應的設計與實現(xiàn)[J]. 工業(yè)技術創(chuàng)新, 2019, 6(4): 61-65.
[2] Ke X Z, Chen J N. Performance comparison of various pulse position modulation in wireless laser communication[J]. Laser Technology, 2012, .
[3] Ghassemlooy Z, Popoola W, Rajbhandari S. Optical wireless communications: system and channel modelling with MATLAB[M]. CRC Press, Inc. 2012.
[4] 盛迎曉, 李曉妮, 胡余兵, 等. 照明產品頻閃的國際標準進展及其測量方案[C]// 2016年中國照明論壇: 半導體照明創(chuàng)新應用暨智慧照明發(fā)展論壇論文集. 北京: 中國照明學會, 2016.
[5] 程佩青. 數(shù)字信號處理教程: 第三版[M]. 北京: 清華大學出版社, 2007.
[6] 陳章進, 鐘國海, 畢卓. 一種基于低成本FPGA的高速8B/10B編解碼器設計[J]. 微計算機信息, 2012(10): 189-190.
作者簡介:
符瀟天(1997—),通信作者,男,在讀碩士研究生。主要研究方向:無線通信與信號處理。
E-mail: fu_xiaotian@foxmail.com
(收稿日期:2020-10-30)