井下可見光語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計

張申，　張震

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008;2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州　221008)

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實驗研究

井下可見光語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計

張申1，2，張震1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008;2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州221008)

摘要：基于井下可見光通信對通信速率要求不高的特點，采用脈沖編碼調(diào)制方式，設(shè)計了一種可實現(xiàn)移動礦燈與液壓頂板LED基站之間通信的井下可見光語音傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TP3067芯片對語音信號進(jìn)行脈沖編碼，將編碼信號疊加直流信號來驅(qū)動LED器件，接收端對接收的編碼信號進(jìn)行光電檢測和放大處理后，解碼恢復(fù)出語音信號。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在2.048 Mbit/s通信速率下，接收光功率為-9 dB·m時，系統(tǒng)誤碼率為10-83，實現(xiàn)了語音信號不失真?zhèn)鬏敗?/p>

關(guān)鍵詞：井下語音傳輸； 可見光通信； 脈沖編碼調(diào)制； 直流偏置； T型均衡器

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.0959.005.html

0　引言

井下可見光通信首先要求能夠可靠、穩(wěn)定地進(jìn)行語音傳輸，其次能夠為礦工提供照明系統(tǒng)，對通信速率沒有過高要求。在該種情況下，綜合考慮技術(shù)復(fù)雜度和成本，系統(tǒng)采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式。該方式實現(xiàn)成本低，方式簡單，通信穩(wěn)定可靠，雖然通信速率只有2.048 Mbit/s，但可以不失真地傳輸語音信號，在系統(tǒng)有效傳輸距離內(nèi)，誤碼率可以得到很好的控制。

1　系統(tǒng)原理

井下可見光語音傳輸系統(tǒng)原理：在井下液壓頂板上布設(shè)LED基站，對于井下信號上傳到井上的情況，移動礦燈對礦工的語音信號編碼，并將編碼信號以可見光形式傳輸?shù)絃ED基站；LED基站將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號通過電力線載波和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳到井上，在井上實現(xiàn)信號解碼與恢復(fù)。對于井上信號下傳到井下的情況，先對井上模擬語音信號進(jìn)行編碼，編碼信號經(jīng)電力線載波和環(huán)網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)揭簤喉敯錖ED基站；LED基站將該信號以可見光形式發(fā)送給移動礦燈，移動礦燈將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)行解碼，恢復(fù)出語音信號。

為實現(xiàn)系統(tǒng)雙向通信，液壓頂板LED基站與移動礦燈均包含可見光通信的上行發(fā)射電路和下行接收電路，如圖1所示。對于上行發(fā)射電路，首先將模擬語音信號進(jìn)行數(shù)字編碼，編碼后的語音信號加載到上行LED光載波上，信號通過可見光形式傳遞。對于下行接收電路，光電二極管首先將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)信號放大和解碼處理，恢復(fù)出發(fā)射端的模擬語音信號。

圖1　井下可見光語音傳輸系統(tǒng)原理

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

井下可見光語音傳輸系統(tǒng)由語音編解碼電路、LED驅(qū)動電路、光電二極管放大電路、T型網(wǎng)絡(luò)均衡電路、功率放大電路組成，如圖2所示。

圖2　井下可見光語音傳輸系統(tǒng)硬件組成

2.1LED驅(qū)動電路

LED驅(qū)動電路如圖3所示。為提高LED光照強(qiáng)度，電路中使用直流偏置技術(shù)，將語音編碼信號疊加直流電源，然后將疊加后的信號加載到LED器件上。輸入的直流電壓需要達(dá)到LED陣列的閾值開啟電壓。

圖3　LED驅(qū)動電路

偏置樹實現(xiàn)電路如圖4所示。DC為驅(qū)動LED器件的直流信號；AC為語音編碼后的交流信號；AC+DC為經(jīng)過耦合的直流與交流的疊加輸出信號；H1為磁珠，可以吸收高頻尖峰干擾；C1為獨(dú)石電容，用于濾除電源干擾，防止由電源產(chǎn)生的雜波對后續(xù)電路產(chǎn)生干擾；C2為電解電容，用于隔直流通交流，使交流編碼信號通過；L1用于通直流阻交流，將直流電流加載到LED器件上。

2.2光電二極管放大電路

光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似。在偏置電壓下，光電二極管產(chǎn)生的反向電流與光照強(qiáng)度成正比，反向電流微弱，需要進(jìn)行放大處理。光電二極管放大電路如圖5所示。該電路為跨阻放大電路，有2個方面的要求：將光電二極管的反向電流

圖4　偏置樹實現(xiàn)電路

進(jìn)行放大處理；電路具有盡量高的帶寬。圖5中光電二極管PD選用硅基PIN光電二極管，該二極管具有結(jié)電容小、渡越時間短、靈敏度高、溫度不敏感的特點[1]，響應(yīng)度為0.4～0.6 A/W，暗電流為1～10 nA，上升時間為0.5～1.0 ns，帶寬為0.3～0.7 GHz，偏壓為5 V[2]。C3可避免電路發(fā)生振蕩，改變R1可調(diào)節(jié)輸出電壓。Vbias為光電二極管偏置電壓,Vo為電路輸出電壓。

圖5　光電二極管放大電路

2.3T型網(wǎng)絡(luò)均衡電路

在可見光通信系統(tǒng)中，信道的嚴(yán)重不平坦特性為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸帶來了很大障礙。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量，需要在發(fā)射端采用預(yù)均衡技術(shù)，對LED的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。預(yù)均衡技術(shù)分為硬件均衡和軟件均衡2種。硬件均衡是指使用傳統(tǒng)的模擬電路對信號衰減進(jìn)行補(bǔ)償；軟件均衡是指基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計符合要求的有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器，以達(dá)到均衡效果。本文采用硬件均衡技術(shù)。T型網(wǎng)絡(luò)均衡電路如圖6所示。C6，L2用于提高輸入信號的高頻截止頻率，但會導(dǎo)致輸入信號增益幅度產(chǎn)生一定的衰減；控制下行接收電路幅頻響應(yīng)曲線的低頻增益呈上升趨勢，使接收端幅頻響應(yīng)曲線在較大的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。R2，R5用于改變低頻的最低幅度，即低頻的起始幅度。對于不同的LED及外界環(huán)境，信道響應(yīng)不同，相應(yīng)的硬件均衡電路設(shè)計參數(shù)也要調(diào)整。

2.4語音編解碼電路

語音編解碼芯片采用TP3067。它是一款基于A律的壓縮編碼芯片，具有TTL或CMOS兼容的數(shù)字接口，內(nèi)部集成了AD、DA轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部自動歸零電路，串行I/O接口[3]。該芯片可對語音信號輸出PCM編碼數(shù)據(jù)，并對PCM編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)出語音信號。TP3067有同步和非同步

圖6　T型網(wǎng)絡(luò)均衡電路

2種工作模式。同步模式是指編碼輸出信號的發(fā)送端和接收端采用相同的主時鐘和位時鐘，非同步模式采用不同的時鐘信號。語音編解碼電路如圖7所示。該電路采用同步模式。語音信號從VFXI+引腳輸入，DX引腳輸出PCM編碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是每8位作為1幀，數(shù)據(jù)輸出速率為2.048 Mbit/s。DR為PCM編碼數(shù)據(jù)輸入引腳，VPO+為解碼語音信號輸出引腳。時鐘信號要求：主時鐘為2.048 MHz，位時鐘為8 kHz。

圖7　語音編解碼電路

2.5功率放大電路

功率放大電路用于驅(qū)動接收端末端的揚(yáng)聲器，采用甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路，如圖8所示。其中VI為TP3067輸出的解碼信號。雙極結(jié)型三極管T1組成前置放大級，雙極結(jié)型三極管T2和T3組成互補(bǔ)輸出級。靜態(tài)時，D1，D2上產(chǎn)生的壓降為T2,T3提供了一個適當(dāng)?shù)钠珘?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)。該電路基本上可實現(xiàn)線性放大。

圖8　功率放大電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要為TP3067提供主時鐘脈沖信號和位時鐘脈沖信號。時鐘信號由FPGA產(chǎn)生。系統(tǒng)軟件在Quartus II編譯環(huán)境，采用Verilog HDL硬件語言描述設(shè)計。主時鐘脈沖可利用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)實現(xiàn)，位時鐘脈沖可通過主時鐘脈沖的256分頻來實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，為了降低成本，可采用晶振和計數(shù)器等芯片產(chǎn)生時鐘信號[4]。

4　系統(tǒng)測試

實驗主要研究系統(tǒng)誤碼率與接收光功率、數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系，并采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波來模擬語音信號，觀察接收端正弦波的恢復(fù)情況，以驗證系統(tǒng)的可行性。

4.1誤碼率測試

為研究不同可見光數(shù)據(jù)傳輸速率下，系統(tǒng)誤碼率與光電二極管接收光功率之間的關(guān)系，搭建了誤碼率測試平臺，測試原理如圖9所示。首先對由數(shù)據(jù)發(fā)生器產(chǎn)生的交流數(shù)據(jù)信號加載一個直流偏置，以達(dá)到LED器件的閾值電壓。調(diào)制后的交流數(shù)據(jù)信號加載到LED器件上，產(chǎn)生調(diào)制光信號。該信號由光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大電路后，由誤碼儀測試誤碼率。通過數(shù)據(jù)發(fā)生器可改變系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖9　系統(tǒng)誤碼率測試原理

250，500，800 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率下的誤碼率與接收光功率關(guān)系如圖10所示,其中r為誤碼率。可看出在相同接收光功率情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率越小，誤碼率越低；在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率條件下，接收光功率越大，誤碼率越低。為了降低系統(tǒng)誤碼率，一方面可降低數(shù)據(jù)傳輸速率，另一方面可增加接收光功率。后者可通過增加發(fā)射端光功率或利用透鏡的聚光作用來實現(xiàn)。

4.2系統(tǒng)可行性測試

為了驗證系統(tǒng)能對語音信號進(jìn)行很好的傳輸，利用正弦信號模擬發(fā)射端的語音信號，在接收端利用示波器測試恢復(fù)出的模擬正弦信號，結(jié)果如圖11所示。其中上方正弦信號為從函數(shù)發(fā)生器直接加載的正弦信號，下方正弦信號為接收端恢復(fù)出的信號，可看出波形失真度小。

圖10　不同數(shù)據(jù)傳輸速率下誤碼率與接收光功率關(guān)系

圖11　發(fā)射端加載的模擬信號與接收端恢復(fù)信號對比

5　結(jié)語

利用語音編碼芯片TP3067搭建了一個移動礦燈與液壓頂板LED基站之間的井下可見光語音傳輸系統(tǒng)，傳輸速率為2.048 Mbit/s，在接收光功率為-9 dB·m時，系統(tǒng)誤碼率為10-83。該系統(tǒng)引入直流偏置技術(shù)，增加了發(fā)射端的光功率；引入T型均衡器，補(bǔ)償了LED器件的頻率特性。系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，傳輸可靠，經(jīng)測試可不失真地傳輸語音信號。

參考文獻(xiàn)：

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文章編號：1671-251X(2016)08-0017-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.005

收稿日期：2016-03-04；修回日期：2016-06-27；責(zé)任編輯：李明。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAK06B05)。

作者簡介：張申(1964-)，男，江蘇徐州人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為感知礦山物聯(lián)網(wǎng)。通信作者：張震(1991-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要研究方向為可見光通信技術(shù)，E-mail:1518769607@qq.com。

中圖分類號：TD655

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-08-03 09:59

Design of underground voice transmission system by visible light

ZHANG Shen1,2,ZHANG Zhen1,2

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China; 2.Internet of Things (Perception Mine) Research Center,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Based on low communication rate requirement of underground visible light communication, an underground voice transmission system by visible light between mobile cap-lamp and hydraulic ram LED base station was designed by use of pulse code modulation mode. In the system, voice signal is coded by TP3067, and the coded signal is added direct current signal to drive LED. The received coded signal by receiver is decoded to renew the voice signal after photoelectric detection and amplifying. The experimental results show that the system error rate is 10-83when receiving power is -9 dB·m under system communication rate of 2.048 Mbit/s, which realizes voice transmission without distortion.

Key words:underground voice transmission; visible light communication; pulse code modulation; direct current bias; T-type equalizer

張申，張震.井下可見光語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(8)：17-20.