崔紅濤 曹自平 孫超林

(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

0 引言

厚壁密閉金屬腔體是一類典型的國防和工業(yè)特種裝備，它使得腔內(nèi)高溫、高壓、甚至高爆炸和高輻射性環(huán)境能夠安全地與外界隔絕。實際應(yīng)用中為不降低這類裝備的力學(xué)強(qiáng)度，通常希望盡可能不在腔體上開孔甚至開窗，但這導(dǎo)致利用常規(guī)技術(shù)對腔內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控變得極為困難[1]。一直以來，無線監(jiān)控是以電磁波為通信載體進(jìn)行信號無線傳輸，而密閉金屬腔體卻會對電磁波形成屏蔽效應(yīng)[2?3]。另一方面，對于超聲波而言，金屬是其良好傳輸媒介，較低功率的超聲波在金屬中傳播距離可達(dá)數(shù)米之遙，因此以超聲波為通信載體進(jìn)行跨厚壁金屬的無線實時監(jiān)控完全具有可行性[4?7]。

跨金屬超聲無線通信技術(shù)的研究在可查文獻(xiàn)上可追溯至2000 年Hobart 等[8]的工作，盡管他們沒有給出通信速率方面的數(shù)據(jù)，但立即吸引大量研究者在這一領(lǐng)域持續(xù)跟進(jìn)。在早期階段，相關(guān)報道集中于采用二進(jìn)制啟閉鍵控(On-offkeying,OOK)、相移鍵控(Phase-shift keying,PSK)和頻移鍵控(Frequency-shift keying,FSK)常規(guī)調(diào)制方法，通信速率在數(shù)百bit/s 至數(shù)十kbit/s 之間[9]。隨著正交頻分多路復(fù)用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技術(shù)的興起，該技術(shù)逐漸被引入超聲跨金屬通信領(lǐng)域，在2010年前后通信速率實現(xiàn)了Mbit/s 量級[10]。但研究者們很快發(fā)現(xiàn)，由于OFDM對頻偏敏感和峰均功率比高，基于該技術(shù)的跨金屬超聲通信系統(tǒng)較難穩(wěn)定工作以及較難實現(xiàn)低功耗化。在2014年，余紫瑩等[11]開始探索基于單載波頻域均衡(Single carrier frequency-domain equalization,SC-FDE)的跨金屬超聲通信，隨后他們實現(xiàn)了1.3 Mbit/s 的通信速率，在一定程度上避免了OFDM 技術(shù)的不足?，F(xiàn)階段，高速跨金屬超聲通信的研究基本上可歸納為兩類：OFDM 型和SC-FDE型。

需要指出的是，盡管前人在跨金屬超聲通信領(lǐng)域取得了豐碩成果，但作為高速通信重要應(yīng)用場景的視頻無線傳輸在本領(lǐng)域還鮮見報道。迄今為止，前人研究工作基本上基于信號發(fā)生器、信號分析儀和示波器等專用通信測試儀器進(jìn)行實驗，而這往往離實際應(yīng)用還有較大距離?；谝陨显?，本論文嘗試采用不同于SC-FDE 的單載波時域均衡(Single carrier time-domain equalization,SC-TDE)進(jìn)行跨厚壁金屬的超聲視頻無線傳輸。與SC-FDE 相比，SC-TDE實現(xiàn)簡單、占用的邏輯資源更小[12]，因此更有利于在小型設(shè)備上以較低功率搭建可用的通信系統(tǒng)。

1 跨金屬壁通信方案

跨金屬壁超聲通信通道結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由金屬壁及位于其兩側(cè)正對的超聲波換能器組成。其中，兩個超聲換能器采用材料為PZT5 的圓形壓電片制作而成，中心頻率為10 MHz，直徑為13 mm，中間用50 mm厚的鋁板金屬壁分開。在每個換能器和金屬壁之間是一層耦合劑凝膠，旨在提高各組件之間的聲功率傳輸效率[13]。

圖1 超聲通信通道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ultrasonic communication channel

1.1 發(fā)送端

系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)如圖2 所示，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field programmable gate array,FPGA)通過串行攝像頭控制總線(Serial camera control bus,SCCB)協(xié)議配置攝像頭的寄存器，配置圖像分辨率為VGA(640×480)，一幅圖像由307200個像素點(diǎn)組成，像素點(diǎn)數(shù)據(jù)格式為RGB565。為了解決攝像頭的采集圖像速率和發(fā)送數(shù)據(jù)速率不一致的問題，系統(tǒng)加入了一片容量256 Mbit 的同步動態(tài)隨機(jī)存儲器(Synchronous dynamic random access memory,SDRAM)作為圖像數(shù)據(jù)的緩存器。FPGA將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過SDRAM 的緩存后，對每一個像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)中加入起始位、同步位、校驗位、停止位和保護(hù)間隔位，像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。然后FPGA配置數(shù)字振蕩器(Numerically controlled oscillator,NCO)IP 核產(chǎn)生頻率為10 MHz 的載波信號，通過OOK調(diào)制方式將圖像數(shù)據(jù)調(diào)制為數(shù)字帶通信號，經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換電路和信號放大電路驅(qū)動發(fā)送端超聲換能器。發(fā)送端超聲換能器由逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，穿透金屬厚壁到達(dá)接收端。

圖2 系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the system sender

圖3 像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Data structure of pixels

1.2 接收端

系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)如圖4 所示，接收端超聲換能器由正壓電效應(yīng)將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號放大電路、模擬帶通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸給接收端FPGA。FPGA將接收到的信號經(jīng)過自適應(yīng)時域均衡器消除超聲回波信號，然后將數(shù)字調(diào)制信號解調(diào)為數(shù)字基帶信號，經(jīng)過SDRAM的緩存后驅(qū)動VGA顯示器顯示圖像。

圖4 系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of system receiver

設(shè)計完成的系統(tǒng)實物如圖5 所示，其中，系統(tǒng)主控制器FPGA 采用Altera 公司的Cyclone IV E 系列的EP4CE16F17C8 芯片。攝像頭采用Omni Vision 公司生產(chǎn)的OV7725。D/A 轉(zhuǎn)換電路采用轉(zhuǎn)換速率125 MHz 的高速轉(zhuǎn)換芯片AD9708，A/D轉(zhuǎn)換電路采用轉(zhuǎn)換速率32 MHz 的高速轉(zhuǎn)換芯片AD9280。信號放大電路采用高速運(yùn)放ADA4870芯片，最大輸出電壓±20 V，用于放大由FPGA 產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制信號。

圖5 系統(tǒng)實物圖Fig.5 Physical drawing of system

2 回波消除技術(shù)

測試的信道脈沖響應(yīng)波形如圖6 所示。將FPGA 產(chǎn)生的單脈沖激勵信號加載在發(fā)送端超聲換能器上，激勵壓電晶片發(fā)出超聲波信號，經(jīng)金屬信道的傳輸衰減，采用數(shù)字示波器Agilent 2012A采集信號波形?？梢钥闯龀髅}沖響應(yīng)信號外還有幾個超聲波回波產(chǎn)生，回波效應(yīng)對超聲波的影響非常明顯，它是導(dǎo)致超聲波通信誤碼率較高的主要因素之一[14]。為實現(xiàn)超聲波高速通信，系統(tǒng)采用基于SC-TDE技術(shù)的自適應(yīng)時域均衡器消除回波。

圖6 信道的脈沖響應(yīng)Fig.6 Impulse response of channel

2.1 基于符號LMS的自適應(yīng)時域均衡器

在利用FPGA 構(gòu)建自適應(yīng)時域均衡器的過程中，考慮到運(yùn)算量和硬件資源等因素，系統(tǒng)采用符號最小均方(Least mean square,LMS)算法來實現(xiàn)自適應(yīng)時域均衡器。符號LMS 算法是LMS 算法的簡化，它只給出梯度迭代的方向，而不給出具體的梯度值，因此運(yùn)算量更少，運(yùn)算速度更快[15]。算法的運(yùn)算步驟為

其中，輸出信號y(n)等于濾波器系數(shù)向量w(n)與輸入信號x(n)的卷積。而濾波器系數(shù)向量不斷根據(jù)誤差信號e(n)更新，誤差信號為期望信號d(n)與實際輸出信號y(n)的差，sign[e(n)]是對e(n)取符號運(yùn)算，μ為加權(quán)向量更新時的步長因子。

2.2 自適應(yīng)時域均衡器的硬件實現(xiàn)

自適應(yīng)時域均衡器的實現(xiàn)分為兩個階段。在自適應(yīng)訓(xùn)練階段，將未穿透金屬壁的系統(tǒng)發(fā)送端信號作為自適應(yīng)時域均衡器的期望信號，穿透金屬壁的信號作為輸入信號，訓(xùn)練獲得自適應(yīng)時域均衡器的濾波器系數(shù)。在工作階段，均衡器的系數(shù)保持不變，既能滿足對環(huán)境的適應(yīng)性，又可以減少計算量[14]。

基于自適應(yīng)時域均衡器實現(xiàn)過程中所需完成的各種操作，在FPGA 中相應(yīng)為其劃分不同模塊：卷積模塊、誤差計算模塊、系數(shù)更新模塊和控制模塊。其模塊框圖如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)時域均衡器的FPGA 實現(xiàn)模塊框圖Fig.7 FPGA implementation block diagram of adaptive time domain equalizer

完成自適應(yīng)時域均衡器設(shè)計和實現(xiàn)后進(jìn)行了實驗測試，圖8(a)為超聲波信號穿透金屬壁均衡前的信號波形，信號有效值(Effective value,EV)為0.707 V，噪聲EV 為0.212 V，接收信噪比為10.46 dB。經(jīng)過自適應(yīng)時域均衡器后的波形如圖8(b)所示，信號EV 為0.636 V，噪聲EV 為0.0707 V，接收信噪比提高到19.08 dB，驗證了自適應(yīng)均衡器能有效消除回波信號，提高接收信噪比。

圖8 均衡前后的信號波形Fig.8 Signal waveform before and after equalization

3 實驗結(jié)果

完成系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)后對該系統(tǒng)進(jìn)行了實驗測試，使用Signal Tap 邏輯分析儀對接收端FPGA進(jìn)行在線仿真，得到的波形如圖9 所示。其中，首行的信號是A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，依次經(jīng)過自適應(yīng)時域均衡器處理、數(shù)字整流、有限沖激響應(yīng)(Finite impulse response,FIR)數(shù)字低通濾波和判決之后最終輸出解調(diào)后的數(shù)據(jù)。從在線仿真圖中可以看出，F(xiàn)PGA 解調(diào)的數(shù)據(jù)和接收的波形一一對應(yīng)，驗證了系統(tǒng)能夠?qū)邮盏臄?shù)據(jù)實現(xiàn)正確解調(diào)。

圖9 Signal Tap 邏輯分析儀在線仿真圖Fig.9 Online simulation diagram of signal tap logic analyzer

測試場景如圖5 所示，系統(tǒng)以DJ440-NB 型數(shù)控伺服雕刻機(jī)的控制設(shè)備和雕刻設(shè)備作為發(fā)送端攝像頭的拍攝對象。金屬厚度越厚信號衰減越大，誤比特率(Bit error rate,BER)越高[16]，穿透50 mm 和60 mm 鋁板接收端解調(diào)顯示的圖像分別如圖10 和圖11 所示?？梢钥闯龃┩?0 mm 鋁板時圖像清晰，而穿透60 mm鋁板時圖像有失真。

圖10 穿透厚度50 mm 鋁板解調(diào)顯示的圖像Fig.10 Demodulate the displayed image through 50 mm thick aluminum plate

圖11 穿透厚度60 mm 鋁板解調(diào)顯示的圖像Fig.11 Demodulated the displayed image through 60 mm thick aluminum plate

表1 給出了穿透不同厚度鋁板得到的平均BER，在穿透60 mm 鋁板、傳輸速率為4 Mbit/s時，每幀圖像平均BER接近10?1，從圖11可以看出解調(diào)顯示的圖像有失真。在穿透50 mm 鋁板、傳輸速率為4 Mbit/s 時，每幀圖像平均BER 達(dá)到10?3，從圖11可以看出解調(diào)顯示的圖像清晰，是系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)。

表1 穿透不同厚度鋁板得到的平均BERTable 1 Average BER obtained by penetrating aluminum plates with different thickness

4 結(jié)論

本論文基于普及型FPGA 芯片采用SC-TDE技術(shù)成功搭建了一套高速的跨金屬超聲無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工作頻率10 MHz 的PZT 超聲換能器作為超聲波發(fā)射端和接收端，以計算資源占用小的符號LMS 算法在FPGA 中構(gòu)建自適應(yīng)時域均衡器，搭載攝像頭進(jìn)行視頻現(xiàn)場采集，開展了厚度50 mm鋁板雙側(cè)之間的實時視頻無線傳輸實驗。結(jié)果表明該系統(tǒng)在穿透50 mm 厚鋁板時，自適應(yīng)時域均衡器能較好地消除超聲回波所引起的碼間干擾，接收信噪比由原來的10.46 dB 提高到19.08 dB，可以進(jìn)行實時性良好的視頻無線傳輸。由于整套通信系統(tǒng)未采用專用儀器設(shè)備和對計算資源占用較小，預(yù)期經(jīng)進(jìn)一步完善后可實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜化和低功耗化，從而使之實用化成為可能。