高質(zhì)量數(shù)字可見光音頻通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

符瀟天 黃明 饒嘉成 汪弈舟 楊富華

摘? ?要： 基于FPGA技術(shù)，設(shè)計與實現(xiàn)了高質(zhì)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(nèi)復(fù)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(yīng)。達到了滿意效果：在室外50 m和室內(nèi)3 m以內(nèi)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(nèi)測試在復(fù)雜室內(nèi)照明環(huán)境下進行，實現(xiàn)了清晰的音頻傳輸。

關(guān)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(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-087-05

工業(yè)技術(shù)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(chǎn)技術(shù)的不斷進步，越來越多的照明設(shè)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(yīng)靈敏度、更好的調(diào)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(shù)蓬勃發(fā)展。相較于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)而言，VLC技術(shù)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(yīng)用前景。

本文首先基于FPGA技術(shù)，提出高質(zhì)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(nèi)復(fù)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(jié)果可靠，系統(tǒng)設(shè)計可供研究者參考。

1? 系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換器、FPGA處理以及LED驅(qū)動單元組成;接收端由PIN光電轉(zhuǎn)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(jīng)過高速、高動態(tài)范圍AD轉(zhuǎn)換器采樣的信號，由FPGA編碼后轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)出。高靈敏度的PIN光電轉(zhuǎn)換模塊接收到的光信號經(jīng)過跨阻放大和限幅放大后，經(jīng)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(yīng)[1]。本文使用可見光通信常用的OOK調(diào)制方式[2]，根據(jù)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(shè)計

音頻采集使用PMOD接口的雙路AD采集模塊，在模塊設(shè)計上集成了雙路SA575音頻壓擴器與ADCS7476串行AD轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)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(zhì)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O(shè)OK方式將信號調(diào)制于三顆安裝在鋁基板（PCB）上的大功率照明用LED燈。因LED內(nèi)部阻抗較小，F(xiàn)PGA無法有效地將功率傳輸給LED，故此驅(qū)動方案的優(yōu)勢在于可以利用場效應(yīng)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(yīng)性，可以簡單地應(yīng)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(zhuǎn)化為電流信號，利用跨阻放大電路轉(zhuǎn)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(fù)OOK信號，如圖6所示?？缱璺糯笃餍枰獙IN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(shè)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(shè)計具備適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、高速率、長距離傳輸?shù)葍?yōu)點，可以應(yīng)用于多種可見光通信場景。

3? 數(shù)據(jù)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(dǎo)致通信過程中LED亮度產(chǎn)生頻閃[4]。80 Hz以下的頻閃會對人體健康產(chǎn)生一系列危害，可能會導(dǎo)致頭疼、焦慮甚至癲癇發(fā)作;80 Hz以上的頻閃會使人產(chǎn)生空間運動幻覺，進而誘發(fā)嚴重的事故。因此在編碼設(shè)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(jù)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(jù)傳輸時使用8b/10b編碼。

具體傳輸方式結(jié)構(gòu)設(shè)計為：音頻模塊使用了12位AD轉(zhuǎn)換器，同時8b/10b編碼需求8位并行輸入，因此數(shù)據(jù)幀長應(yīng)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(jù)，雙路交替?zhèn)鬏敼?2位的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以8位為一個字節(jié)進行處理。

原始數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。

等待一個數(shù)據(jù)幀完成后，將9個字節(jié)的數(shù)據(jù)依次進行8b/10b編碼。如圖8所示，8b/10b編碼器將8位數(shù)據(jù)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(jù)，存入編碼后數(shù)據(jù)幀中。8b/10b編碼具有極性之分，當(dāng)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(dāng)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(jù)的直流平衡[5]。

在數(shù)字同步通信中，數(shù)據(jù)幀的起止端需要加入適當(dāng)?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(guān)函數(shù)，經(jīng)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(jù)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(jù)幀。

4? FPGA編碼設(shè)計

輸出端FPGA程序結(jié)構(gòu)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(jù)，預(yù)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(jù)幀，滿棧時將72位數(shù)據(jù)全部輸出給預(yù)編碼—編碼模塊完成編碼。編碼后數(shù)據(jù)輸入一個深度9、寬10位的棧中組織成編碼數(shù)據(jù)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(yù)編碼和編碼兩部分模塊組成，預(yù)編碼模塊將72位數(shù)據(jù)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(jù)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(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。接收到的數(shù)據(jù)首先經(jīng)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(shè)置兩個巴克碼序列檢測，利用巴克碼自相關(guān)函數(shù)的尖銳性來提取后90位的數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)使用一個預(yù)解碼—解碼模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗、分割及解碼。

CS4344要求FPGA輸出每聲道16位串行數(shù)據(jù)，因此解碼后輸出的8位芯片需要通過一個數(shù)據(jù)還原模塊恢復(fù)原始12位采樣數(shù)據(jù)，并將其補充為16位。輸出控制器利用I2S總線將音頻數(shù)據(jù)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(jié)果，可見幀組成符合預(yù)期，發(fā)送端與接收端輸出信號與設(shè)計吻合。

系統(tǒng)總體通信測試選取了室外50 m和室內(nèi)3 m以內(nèi)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(nèi)測試在復(fù)雜室內(nèi)照明環(huán)境下實現(xiàn)了清晰的音頻傳輸。

6? 結(jié)論

本文設(shè)計了一套基于可見光的高質(zhì)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(zhì)量，通過使用8b/10b編碼方式抑制了通信時的頻閃效應(yīng)。該系統(tǒng)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、不受自然環(huán)境和一般室內(nèi)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(xué)、安全通信、家庭物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用推廣價值，對可見光通信技術(shù)的實際應(yīng)用推廣具有非常積極的影響。

基金項目

北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院學(xué)生科技活動、北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目資助與支持

參考文獻

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[4] 盛迎曉， 李曉妮， 胡余兵， 等. 照明產(chǎn)品頻閃的國際標(biāo)準(zhǔn)進展及其測量方案[C]// 2016年中國照明論壇： 半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用暨智慧照明發(fā)展論壇論文集. 北京： 中國照明學(xué)會， 2016.

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[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(shè)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）