基于可见光传输的多路数字音频通信系统.pdf

第 4 2卷 第 1 O期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO． 1 O Oc t ．2 O1 6 ◆ i经验 交流 { - ．． ． ． ◆ J◆ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 7 9 0 3 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 1 8 吴燕 ， 卑璐璐 ， 张申， 等． 基于可见光传输 的多路数字音频通信系统[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 7 9 8 1 ． 基于可见光传输的多路数字音频通信系统 吴燕 。 ， 卑璐璐 ， 张申 。 ， 李轶 。 ， 孙文达 。 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 徐州工程学院 信电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 1 ； 3 ． 中 国矿业 大 学 物联 网 感 知矿 山 研究 中心 ， 江 苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对现有点对点数字通信 系统传输距 离近 、 成本高等问题 ， 采用白光 L E D设计并实现 了基 于可见 光传 输 的 多路 数 字音 频通 信 系统 。该 系统 结合 音 频 编 解码 芯 片 T P 3 0 6 7实现 多路 音 频信 号 的 复 用传 输 ， 采 用 F P GA作为主控制器控制编码信号的时隙。实验 结果表 明， 该 系统可 实现最高 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s的传输速 率 ， 最 多可传 输 3 2路 音频 信 号 ， 且 传榆 稳 定 。 关键 词 音频 通 信 ；数 字通信 ；可 见光 通信 ；时分 复用 中图分 类号 TD 6 5 5 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 9 3 0 0 9 5 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 0 9 5 7 ． 0 0 4 ． h t ml M ul t i c h a n ne l di g i t a l a u di o c o mmu ni c a t i o n s y s t e m b a s e d o n v i s i bl e l i g ht t r a ns mi s s i o n W U Ya n 一， BEI Lul u ， ZH ANG S he n 一，LI Yi 一， SUN W e n da t 。 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y Xuz ho u 22 1 0 08，Chi na；2． Sc ho o l o f I nf o r m a t i o n a nd El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Xu z ho u I ns t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 1 ，Ch i n a ；3 ． I n t e r n e t o f Th i n g s Pe r c e p t i o n Mi n e Re s e a r c h C e n t e r ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m of s ho r t t r a ns m i s s i o n d i s t a nc e a nd h i gh c o s t o f e x i s t i ng p oi nt t o po i nt d i g i t a l c o mmu n i c a t i o n s s y s t e m ，mu l t i c h a n n e l d i g i t a l a u d i o c o mmu n i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n v i s i b l e l i g h t t r a n s mi s s i o n wa s d e s i g n e d a n d i mp l e me n t e d b y u s e o f wh i t e LE D．Th e s y s t e m c o mb i n e s a u d i o c o d e c c h i p o f TP3 0 6 7 t o i mpl e m e nt m ul t i pl e x i ng t r a ns mi s s i o n o f mul t i c ha n ne l a u d i o s i g na l s ，a nd us e s FPGA a s t he ma i n c o nt r o l l e r t o c o nt r o 1 t i me s l o t o f e nc o de r s i gn a l s．Ex pe r i m e nt a 1 r e s u l t s s ho w t ha t t he s y s t e m c a n a c h i e v e t r a n s f e r r a t e o f u p t o 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s ，a n d a u d i o s i g n a l o f u p t o 3 2 一 c h a n n e l s c a n b e t r a n s mi t t e d s t a bl y． Ke y wo r ds a ud i o c omm u ni c a t i on；di g i t a l c o m mu ni c a t i o n； v i s i bl e l i g ht c o m mun i c a t i o n； t i m e d i v i s i on m u l t i pl e x i ng 0 引言 可见 光 通 信 Vi s i b l e L i g h t C o mmu n i c a t i o n ， VL C 技术具有对人眼安全 、 发射功率高 、 无需 申请 无线电频谱证 、 无电磁干扰等优点 ， 因而其具有极大 的发展前景 ， 为光通信提供 了一种全新 的数据接人 方式 。但 VL C技术仍具有一定的局限性， 如只 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 2 4 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 8 2 4 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 3 B Ak 0 6 B 0 5 作者简介 吴燕 1 9 9 I 一 ， 女 ， 湖南邵 阳人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为煤矿井下可见光通信 ， E ma i l s u i x i n c u mt ． e d u ． c n 。 8 O 工矿 自动 化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 能在有光的情况下使用。因此 ， VL C技术的应用环 境是 当前射频无线通信无法实施或电磁干扰较强的 场合 ， 如煤矿工作面等。 近年来 ， 关 于 VL C技 术 的研 究 成 果 越来 越 多 ， 国内外很多学者在通信链路和调制方式等方面做了 大量的工作 。国内对 VL C技术 的研 究还不成熟 ， 有关院校设计的点对点数字通信系统传输距离近 ， 成本 高 ， 难 以得 到广泛应 用 。本文 采用 白光 L E D设 计 了基于可见光传输 的多路数字音频通信系统 ， 结 合音频编解码芯片 T P 3 0 6 7实现多路音频信号的复 用传输 ， 采用 F P GA作为主控制器控制编码信号的 时隙。系统可实现最高 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s的通信速率， 具有复杂度低 、 功耗低、 成本低 、 无电磁辐射等优点。 匝 团 ’ 豳 南 一 里 眶 j I 竺 坠 I 图 1 基于可见光传输的多路数字音频通信系统结构 l _ 1 P CM 编 解 码 模 块 P C M 编解 码模 块 选 用 的 芯 片是 T P 3 0 6 7 ， 该 芯 片内部集成 了编码和解码 电路 ， 是 一个单路编解码 器。TP 3 0 6 7的帧同步信 号为 8 k Hz ， 编码 速率为 2 ． 0 4 8 MHz ， 每帧含 8 b i t 数 据。音频信 号经过抽 样 、 量化、 编码后转换为 P C M 编码信号， 该信号在 一 个特定时隙中被发送 出去， 在其他时隙中编解码 器没有信号输 出。同样 ， 解码电路也只在一个特定 的时隙从外部接收 P C M 编码信号 ， 然后经解码、 带 通滤波和放大后输出相应的模拟信号 。 1 ． 2光 电检 测 及 放 大 电路 光电检测及放 大电路选用硅基 P I N 光电二极 管 ， 该二极管具有结电容小 、 渡越时间短、 灵敏度高、 温度不敏感的特点口 ] ， 响应度为 0 ． 4 ～0 ． 6 A／ w ， 暗 电流 为 1 ～1 O n A， 上升 时间为 0 ． 5 ～1 ． 0 n s ， 带 宽 为 0 ． 3 ～O ． 7 GHz ， 偏压为 5 V[ 4 ] 。光 电二极管接收到 的信号 一般 非常微 弱 ， 需 要设 计 低 噪 声前 置 放 大 电 路将微弱的信号放大， 同时， 也将器件本身产生的噪 声降到最低。选用 AD 8 0 0 1作为前置放大电路的主 芯片。光 电检测及放大电路如图 2所示 。 SV 图 2光 电 检 测 及 放 大 电路 前置放大电路的放大倍数为 A 一 1 惫 R 。 1 式 中 R ， R。 ， R 均取 1 k Q。 实 验测试 了接 收端光 电检测 及放 大 电路 的 幅频 特 性 ， 使 用 正 弦波 直 接驱 动 L E D光 源 ， 光 电二 极管 接收信号后送前置放大电路放大， 再用示波器测量 接收到的正弦波幅值， 得到的幅频特性 曲线如图 3 所示 。由图 3可见， 截止频率为 1 0 ． 8 MHz ， 满足系 统传输要求。 频 率 ／ M H z 图 3幅频特性曲线 1 ． 3 时钟脉 冲的 产生 2 ． 0 4 8 MHz 主时钟 由 F P GA 内部的锁相环模 块产生 ， 8 k Hz 帧同步脉冲由主时钟计数分频得到。 为防止传 输 干扰 ， 2路 帧同步 脉 冲之间相 差 1个 时隙 。 1 ． 4 LE D 驱 动 电路 由于编码后的 P C M 信号功率达不到 L E D光 源 的驱动要 求 ， 系统 采用 直 流 偏 置技 术 将 编码 后 的 P C M 信号叠加直流电源， 然后将叠加后的信号加载 到 L E D器件上 ， 从而能将编码后的语音信号以光的 2 0 1 6年 第 1 O期 昊燕等 基于可见光传输的多路数字音频通信 系统 8 1 形式 发送 出去 。 2 系统 测试 根 据 所 设计 的 电路 进行 实验 测 试 ， 实 验 平 台如 图 4所 示 。系 统 采 用 3 W 白光 L E D 作 为 发 送 光 源 ， 2 路 不 同 的 音 频 信 号 作 为 信 源 ， 信 源 经 过 TP 3 0 6 7编 码及 L E D驱 动 电路 后 驱 动 2个 L E D光 源 发 光 ， 为 防 止 干 扰 ， 2个 L E D 之 间 的 距 离 设 置 为 1 0 c m。在接 收 端 ， 采 用 1个 光 电 二 极 管 接 收 2个 I ． E D光源 的光信号并复用为 1路 P C M 电信号 ， 经 前置放大电路放大后进行传输 。每路 P CM 信号只 占用 3 2 个 时 隙 中 的 1个 时 隙 ， 时 隙 号 由 F P GA 产 生的 帧 同步 脉 冲 控 制 ， 每 个 时 隙 的数 据 为 8 b i t ， 占 用时间为 3 ． 9 s ， 数据 传输速率为 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s 。 在信宿端分 别用 2个 TP 3 0 6 7芯片解码 ， 恢复 出原 始的音频信号。调 整发射光源 和光电二极 管的位 置， 使光信号以直射的方式传播 。为判断接 收到 的 信号是否以可见光方式传输 ， 可通过遮挡通信链路 来确认。通信链路被遮挡 时， 信宿端接 收不 到系统 传输的音频信号。实验结果 表明， 系统能同时传输 2路音频信号 ， 且传输稳定 、 失真度小。 a 信源端波形 DSo X 2 0l2 MY5I 3 6 096 7 S J a nl 6 I 3 【 7 4 0 2 0l 6 b1 齐 酉端 渡 } 眵 图 5 输入及输 出信号波形 介绍 了 P C M 编 解 码 电路 、 光 电 检 测 及 放 大 电路 和 I E D驱动电路的设计 。该系统使用 F P GA产生编 码脉冲和帧 同步脉 冲． 控制 2路音频信号 的时隙。 实验结果表明， 该 系统实现了 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s的传输 速率及 2路音频 信号 的复用 传输 ， 可 扩展 为最 多 3 2路音频信号的复用传输。 参 考 文献 图 4 实验平 台 [ 4 ] 当信 源使用 幅值均 为 百毫伏 数 量级 、 频率 为 1 k Hz和2 k Hz 的正弦信号代替 时， 信源和信宿端 r 5 ] 的波形如 图 5所示 ， 图 5 a 为 2路输入正弦信号 ， 图 5 b 为经过 系统传输 后恢复 出来 的正 弦信号。 E 6 ] 结果表明， 信号在传输的过程 中失真度 比较小 ， 波形 无明显失真 ， 信宿端信号频率和信源频率相同。 3结语 [ 7 ] 介 绍 了可 见光 音频 通信 系统 的设 计方 法 ， 重点 骆宏图 ， 陈长缨 ， 傅倩 ． 等． 白光 L E D室 内可见光通 信 的关键技术[ J ] ． 光通信技术 ． 2 O 1 1 ， 3 5 2 5 6 5 9 ． 刘宏展 ， 吕晓旭 ． 王发 强 ， 等． 白光 L E D照 明的可 见光 通信 的 现 状 及 发 展 [ J ] ． 光 通 信 技 术 ， 2 0 0 9 ， 3 3 7 5 3 56 ． 刘洋 ， 章国安． 可见 光通信调制方式 及其性能研 究E J 3 ． 激光与光 电子学进展 ． 2 O l 4 9 6 5 7 1 ． 康华 光 ， 陈 大钦 ， 张 林． 电子 技 术基 础模 拟 部分 [ M] ． 5版． 北 京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 8 ． 马秀萍 ， 刘伟 ． 张申 ， 等． 煤矿 井下可见光通 信系统设计 I- J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 l 6 ～ 1 9 ． K0M I NE T ， NAKA ； AW A M ． Fun da me nt a l a n al y s i s f o r v i s i b l e - l i g h t c o mmu n i c a t i o n s y s t e m u s i n g L ED l i g h t s [J] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n s u me r El e c t r on i cs ． 20 04． 5 01 l 0 0～ 1 07． 梁烈勇． 短 距 离 L E D 可 JI ． 光音频 传 输 系统设 计 [ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 2 ． 3 8 9 1 8 2 0 ．