吳燕，卑璐璐，張申，李軼，孫文達(dá)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州　221008；2.徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院，江蘇 徐州　221111；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州　221008)

?

經(jīng)驗(yàn)交流

基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)

吳燕1,3，卑璐璐2，張申1,3，李軼1,3，孫文達(dá)1,3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州221008；2.徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院，江蘇 徐州221111；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州221008)

針對(duì)現(xiàn)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸距離近、成本高等問題，采用白光LED設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合音頻編解碼芯片TP3067實(shí)現(xiàn)多路音頻信號(hào)的復(fù)用傳輸，采用FPGA作為主控制器控制編碼信號(hào)的時(shí)隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高2.048 Mbit/s的傳輸速率，最多可傳輸32路音頻信號(hào)，且傳輸穩(wěn)定。

音頻通信; 數(shù)字通信；可見光通信；時(shí)分復(fù)用

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.0957.004.html

0　引言

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)技術(shù)具有對(duì)人眼安全、發(fā)射功率高、無需申請(qǐng)無線電頻譜證、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因而其具有極大的發(fā)展前景，為光通信提供了一種全新的數(shù)據(jù)接入方式[1-2]。但VLC技術(shù)仍具有一定的局限性，如只能在有光的情況下使用。因此，VLC技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境是當(dāng)前射頻無線通信無法實(shí)施或電磁干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合，如煤礦工作面等。

近年來，關(guān)于VLC技術(shù)的研究成果越來越多，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在通信鏈路和調(diào)制方式等方面做了大量的工作。國(guó)內(nèi)對(duì)VLC技術(shù)的研究還不成熟，有關(guān)院校設(shè)計(jì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸距離近，成本高，難以得到廣泛應(yīng)用。本文采用白光LED設(shè)計(jì)了基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)，結(jié)合音頻編解碼芯片TP3067實(shí)現(xiàn)多路音頻信號(hào)的復(fù)用傳輸，采用FPGA作為主控制器控制編碼信號(hào)的時(shí)隙。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高2.048 Mbit/s的通信速率，具有復(fù)雜度低、功耗低、成本低、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，PCM編解碼所使用的時(shí)隙由FPGA控制，發(fā)送端和接收端使用同一個(gè)時(shí)鐘脈沖。

圖1　基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1PCM編解碼模塊

PCM編解碼模塊選用的芯片是TP3067，該芯片內(nèi)部集成了編碼和解碼電路，是一個(gè)單路編解碼器。TP3067的幀同步信號(hào)為8 kHz，編碼速率為2.048 MHz，每幀含8 bit數(shù)據(jù)。音頻信號(hào)經(jīng)過抽樣、量化、編碼后轉(zhuǎn)換為PCM編碼信號(hào)，該信號(hào)在一個(gè)特定時(shí)隙中被發(fā)送出去，在其他時(shí)隙中編解碼器沒有信號(hào)輸出。同樣，解碼電路也只在一個(gè)特定的時(shí)隙從外部接收PCM編碼信號(hào)，然后經(jīng)解碼、帶通濾波和放大后輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)。

1.2光電檢測(cè)及放大電路

光電檢測(cè)及放大電路選用硅基PIN光電二極管，該二極管具有結(jié)電容小、渡越時(shí)間短、靈敏度高、溫度不敏感的特點(diǎn)[3]，響應(yīng)度為0.4～0.6 A/W，暗電流為1～10 nA，上升時(shí)間為0.5～1.0 ns，帶寬為0.3～0.7 GHz，偏壓為5 V[4]。光電二極管接收到的信號(hào)一般非常微弱，需要設(shè)計(jì)低噪聲前置放大電路將微弱的信號(hào)放大，同時(shí)，也將器件本身產(chǎn)生的噪聲降到最低。選用AD8001作為前置放大電路的主芯片。光電檢測(cè)及放大電路如圖2所示。

圖2　光電檢測(cè)及放大電路

前置放大電路的放大倍數(shù)為

(1)

式中R2，R3，R4均取1 kΩ。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了接收端光電檢測(cè)及放大電路的幅頻特性，使用正弦波直接驅(qū)動(dòng)LED光源，光電二極管接收信號(hào)后送前置放大電路放大，再用示波器測(cè)量接收到的正弦波幅值，得到的幅頻特性曲線如圖3所示。由圖3可見，截止頻率為10.8 MHz，滿足系統(tǒng)傳輸要求。

圖3　幅頻特性曲線

1.3時(shí)鐘脈沖的產(chǎn)生

2.048 MHz主時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生，8 kHz幀同步脈沖由主時(shí)鐘計(jì)數(shù)分頻得到。為防止傳輸干擾，2路幀同步脈沖之間相差1個(gè)時(shí)隙。

1.4LED驅(qū)動(dòng)電路

由于編碼后的PCM信號(hào)功率達(dá)不到LED光源的驅(qū)動(dòng)要求，系統(tǒng)采用直流偏置技術(shù)將編碼后的PCM信號(hào)疊加直流電源，然后將疊加后的信號(hào)加載到LED器件上，從而能將編碼后的語音信號(hào)以光的形式發(fā)送出去。

2　系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。系統(tǒng)采用3 W白光LED作為發(fā)送光源，2路不同的音頻信號(hào)作為信源，信源經(jīng)過TP3067編碼及LED驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED光源發(fā)光，為防止干擾，2個(gè)LED之間的距離設(shè)置為10 cm。在接收端，采用1個(gè)光電二極管接收2個(gè)LED光源的光信號(hào)并復(fù)用為1路PCM電信號(hào)，經(jīng)前置放大電路放大后進(jìn)行傳輸。每路PCM信號(hào)只占用32個(gè)時(shí)隙中的1個(gè)時(shí)隙，時(shí)隙號(hào)由FPGA產(chǎn)生的幀同步脈沖控制，每個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)為8 bit，占用時(shí)間為3.9 μs，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.048 Mbit/s。在信宿端分別用2個(gè)TP3067芯片解碼，恢復(fù)出原始的音頻信號(hào)。調(diào)整發(fā)射光源和光電二極管的位置，使光信號(hào)以直射的方式傳播。為判斷接收到的信號(hào)是否以可見光方式傳輸，可通過遮擋通信鏈路來確認(rèn)。通信鏈路被遮擋時(shí)，信宿端接收不到系統(tǒng)傳輸?shù)囊纛l信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能同時(shí)傳輸2路音頻信號(hào)，且傳輸穩(wěn)定、失真度小。

圖4　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

當(dāng)信源使用幅值均為百毫伏數(shù)量級(jí)、頻率為1 kHz和2 kHz的正弦信號(hào)代替時(shí)，信源和信宿端的波形如圖5所示，圖5(a)為2路輸入正弦信號(hào)，圖5(b)為經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后恢復(fù)出來的正弦信號(hào)。結(jié)果表明，信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中失真度比較小，波形無明顯失真，信宿端信號(hào)頻率和信源頻率相同。

3　結(jié)語

介紹了可見光音頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹了PCM編解碼電路、光電檢測(cè)及放大電路和LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使用FPGA產(chǎn)生編碼脈沖和幀同步脈沖，控制2路音頻信號(hào)的時(shí)隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2.048 Mbit/s的傳輸速率及2路音頻信號(hào)的復(fù)用傳輸，可擴(kuò)展為最多32路音頻信號(hào)的復(fù)用傳輸。

(a) 信源端波形

(b) 信宿端波形

[1]駱宏圖,陳長(zhǎng)纓,傅倩,等.白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù),2011,35(2):56-59.

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Multi-channel digital audio communication system based on visible light transmission

WU Yan1,3,BEI Lulu2,ZHANG Shen1,3,LI Yi1,3,SUN Wenda1,3

(1.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008,China; 2.School of Information and Electrical Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221111,China; 3.Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In view of problem of short transmission distance and high cost of existing point to point digital communications system,multi-channel digital audio communication system based on visible light transmission was designed and implemented by use of white LED.The system combines audio codec chip of TP3067 to implement multiplexing transmission of multi-channel audio signals,and uses FPGA as the main controller to control time slot of encoder signals.Experimental results show that the system can achieve transfer rate of up to 2.048 Mbit/s,and audio signal of up to 32-channels can be transmitted stably.

audio communication; digital communication; visible light communication; time-division multiplexing

1671-251X(2016)10-0079-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.018

吳燕，卑璐璐，張申，等.基于可見光傳輸?shù)亩嗦窋?shù)字音頻通信系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(10)：79-81.

2016-03-24；

2016-08-24；責(zé)任編輯：胡嫻。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2013BAk06B05)。

吳燕(1991-)，女，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊旱V井下可見光通信，E-mail:suixin@cumt.edu.cn。

TD655

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-30 09:57