井下可见光语音传输系统设计.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 8 Au g ．2 01 6 ’ ’ ’ ” ” ’ i实验研究 Ⅲ． ． ．1 “ H ． ’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 1 7 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 0 5 张申， 张震． 井下可见光语音传输系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 1 7 2 0 ． 井下可见光语音传输系统设计 张 申 。 ， 张震 。 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 ． 中国矿业大学 物联 网 感知矿山 研究中心，江苏 徐州 2 2 1 O O 8 摘要 基 于 井下 可见光 通信 对通 信速 率要 求 不 高的特 点 ， 采 用脉 冲编码 调 制 方 式 ， 设 计 了一种 可 实现 移 动 矿 灯与 液压 顶板 L E D基 站之 间通 信 的井 下 可 见光 语 音 传输 系统 。该 系统 采 用 T P 3 0 6 7芯 片 对语 音 信 号 进 行 脉 冲编码 ， 将 编码信 号 叠加 直流 信号 来 驱动 L E D 器件 ， 接 收 端对接收 的编码信号进行 光 电检 测和放 大处 理后 ， 解码恢复 出语音信号。实验结果表明， 该 系统在 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s 通信速率下， 接收光功率为一9 d B m时， 系统 误码 率 为 1 O 。 ， 实现 了语 音信 号 不失 真传 输 。 关键 词 井下语 音传 输 ；可 见光 通信 ； 脉 冲 编码调 制 ；直流偏 置 ；T 型均衡 器 中图分类号 T D6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 8 0 3 0 9 5 9 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 ． T P ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 0 9 5 9 ． 0 0 5 ． h t ml De s i g n o f u nd e r g r o u nd v o i c e t r a ns mi s s i o n s y s t e m by v i s i bl e l i g ht ZH ANG She n 一． ZH ANG Zhe n ’ 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 E n 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，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8，Ch i n a；2 ． I n t e r n e t o f Th i n g s Pe r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r C h 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 Ba s e d o n l o w c o mm u ni c a t i o n r a t e r e q ui r e m e n t o f u nde r gr o und v i s i bl e l i g ht c o m mun i c a t i o n， a n u n d e r g r o u n d v o i c e t r a n s mi s s i o n s y s t e m b y v i s i b l e l i g h t b e t we e n mo b i l e c a p l a mp a n d h y d r a u l i c r a m LED b a s e s t a t i o n wa s d e s i gn e d by us e o f pu l s e c o de mod ul a t i on mod e．I n t he s y s t e m ，v o i c e s i gn a l i s c od e d by TP3 0 67，a n d t he c o de d s i g na l i s a d de d d i r e c t c ur r e n t s i g n a l t o d r i ve LED ．The r e c e i v e d c o de d s i gn a l by r e c e i v e r i s d e c o d e d t o r e n e w t h e v o i c e s i g n a l a f t e r p h o t o e l e c t r i c d e t e c t i o n a n d a mp l i f y i n g．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m e r r o r r a t e i s 1 0 一 。 。wh e n r e c e i v i n g p o we r i s 一 9 d B ．m u n d e r s y s t e m c o mmu n i c a t i o n r a t e o f 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s ，wh i c h r e a l i z e s v o i c e t r a n s mi s s i o n wi t h o u t d i s t o r t i o n． Ke y wo r d s u n d e r g r o u n d v o i c e t r a n s mi s s i o n； v i s i b l e l i g h t c o mmu n i c a t i o n； p u l s e c o d e mo d u l a t i o n； di r e c t c u r r e nt bi a s；T t y pe e q u a l i z e r 0 引言 可见光通信方式提出已经有很长时间， 技术成 熟。其调制方式有开关键控调制 OO K 、 脉 冲位置 调制 P P M 、 差分脉冲位 置调制 DP P M 及可实现 高速通信 的正交频分复用 OF D M 技术 ， 通信速率 可达 Gb i t ／ s c 。上述调制方式实现较为复杂， 成本 相对较高。可见光通信方式用于煤矿井下具有独特 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 0 4 ； 修 回日期 2 0 1 6 ～ 0 6 2 7 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 1 3 B A K0 6 B 0 5 。 作者简介 张申 1 9 6 4 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 教授 ， 博 士 ， 博 士研究 生导 师 ， 主要研究方 向为感知矿 山物联网 。通信作 者 张震 1 9 9 1 一 ， 男 ， 江苏 徐州人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为可见光通信技术 ， E ma i l 1 5 1 8 7 6 9 6 0 7 q q ． c o rn。 1 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 优势 ， 最重要 的是 不 易受 到 外 界光 线 的干 扰 。在井 下 ， 个人光通信移动终端通常为矿灯 ， 此时通信主要 分 为 2种 移动 矿 灯 与液 压顶 板 L E D基 站 通 信 ； 移 动矿灯与移动矿灯通信。对于井下环境 ， 液压支架 的宽 度 和支架 中心距 相关 。 目前 国内外液 压支架 中 心距大部分为 1 ． 2 5 ～1 ． 5 I n ， 支护高度通常为 2 ． 5 ～ 5 m，所 以固定 L E D基 站 间距 离 为 1 ． 2 5 ～l _ 7 5 m。 由于一 般 工 作 面 高 3 ～ 5 m， 所 以矿 灯 与 液 压 顶 板 一 L E D基站通信的有效距离控制在 ／ 5 一 V＼ ， 5 ． 0 7 5 9 r r l 。本文采用可见光通信方式 ， 设计了一种 井下可见光语音传输系统 ， 通过移动矿灯与液压顶 板 L E D基站的通信 ， 实现语音信号传输。该系统有 效传输距离大于 5 m， 满足矿灯与液压顶板 L E D通 信的有效距离要求。 井下可见光通信首先要求能够可靠、 稳定地进 行语音传输， 其次能够为矿工提供照明系统 ， 对通信 速率没有过高要求。在该种情况下 ， 综合考虑技术 复杂度和成本 ， 系统采用 脉 冲编码 调制 P C M 方 式 。该方式实现成本低 ， 方式简单 ， 通信稳定可靠 ， 虽然通信速率只有 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s ， 但可以不失真地 传输语音信号 ， 在系统有效传输距离 内， 误码率可以 得 到很好 的控 制 。 1 系统 原理 井下可见光语音传输 系统原理 在井下液压顶 板 上布设 L E D基站 ， 对 于井下 信号 上传 到井上 的情 况 ， 移动矿灯对矿工的语音信号编码 ， 并将编码信号 以可见光形式传输到 L E D基站； L E D基站将接收 到的光信号转换 为电信号， 并将电信号通过电力线 载波和环网交换机上传到井上 ， 在井上实现信号解 码与恢复。对于井上信号下传到井下的情况 ， 先对 井上模拟语音信号进行编码 ， 编码信号经 电力线载 波 和环 网 交 换 机 传 输 到 液 压 顶 板 L E D 基 站 ； L E D 基 站将该 信号 以可 见 光 形式 发 送 给 移 动 矿灯 ， 移 动 矿灯将接收到的光信号转换 为电信号后进行解码 ， 恢复出语音信号。 为实现系统双 向通信 ， 液压顶板 L E D基站与移 动矿灯均包含可见光通信 的上行发射电路和下行接 收电路 ， 如图 1 所示 。对于上行发射 电路 ， 首先将模 拟语音信号进行数字编码， 编码后 的语音信号加载 到上行 L E D光载波上 ， 信号通过可见光形式传递 。 对于下行接收电路 ， 光 电二极管首先将光信号转换 为电信号， 然后经信号放大和解码处理 ， 恢复出发射 端的模拟语音信号 。 上 行 接 收 电 路 耋 下 行 接 收 电 路 圆圆国餐圈圃圃 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ． 图 I 井下可见光语音传输系统原理 2系统 硬件 设计 井下可见光语音传输系统由语音编解码电路 、 L E D驱动 电路 、 光 电二 极 管 放 大 电路 、 T 型 网 络 均 衡电路 、 功率放大电路组成 ， 如图 2所示 。 图 2井 F司见 光 语 音 传 输 系统 硬 件 组 成 2 ． 1 L ED 驱 动 电路 L E D驱动 电路 如 图 3所 示 。为 提 高 L E D光 照 强度 ， 电路中使用直流偏置技术 ， 将语音编码信号叠 加 直 流 电源 ， 然 后将叠 加后 的信 号加 载到 L E D器件 上 。输入 的直 流 电压 需要 达 到 L E D 阵列 的阈值 开 启 电压 。 语音编码信号 直流电流 图 3 LED驱 动 电 路 偏置树实现电路如图 4所示。DC为驱动 L E D 器件 的直流信 号； AC为语音编 码后 的交 流信号 ； AC D C为经过 耦合的直流与交 流的叠加输 出信 号； H 为磁珠 ， 可 以吸收高频尖峰干扰 ； C 为独石 电容 ， 用于滤除 电源干扰 ， 防止 由电源产生 的杂波对 后续 电路产生干扰 ； C 为电解 电容 ， 用于隔直流通 交流 ， 使交流编码信号通过； L 用于通直流阻交流 ， 将直流电流加载到 L E D器件上 。 2 ． 2光 电二极 管放 大 电路 光 电二 极 管 的结 构 与 P N结 二 极管 类 似 。在偏 置 电压下 ， 光 电二极 管 产 生 的反 向 电流 与 光 照 强度 成正 比 ， 反 向电流微 弱 ， 需 要进行 放 大处理 。光 电二 极管放大 电路如 图 5所示。该 电路为跨阻放大 电 路 ， 有2 个方面 的要 求 将光 电二极管 的反 向电流 2 0 1 6年 第 8期 张 申等 井下 可见光 语音 传输 系统设计 1 9 交流编码 信号 A C 直流信号 D C LE D 图 4 偏 置树实现电路 进行放大处理； 电路具有尽量高 的带宽。图 5中光 电二极 管 P D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 [ ， 响应度 为 0 ． 4 ～ 0 ． 6 A／ W ， 暗 电流 为 1 ～ 1 0 n A， 上 升 时 间 为 0 ． 5 ～ 1 ． 0 n s ， 带 宽 为 0 ． 3～ 0 ． 7 GHz ， 偏压为 5 Vl_ 2 ] 。C 。可避免 电路发生振荡 ， 改 变 R 可 调 节 输 出 电压 。V i 为 光 电二极 管偏 置 电压 ， 。 为 电路输 出电压 。 5 V 图 5 光 电二极管放大电路 2 ． 3 T 型 网络均 衡 电路 在可见光通信系统中， 信道 的严重不平坦特性 为实现高速数据传输带来 了很大障碍 。为进一步提 升系 统容 量 ， 需 要 在 发射 端 采用 预 均 衡技 术 ， 对 L E D的频率特性进行补偿 。预均衡技术分为硬件 均衡和软件均衡 2种。硬件均衡是指使用传统的模 拟 电路对信号衰减进行补偿 ； 软件均衡是指基 于现 场可编程门阵列 F P GA 设计符合要求 的有限冲激 响应 F I R 滤 波 器 ， 以达 到 均 衡 效 果 。本 文 采 用 硬 件均衡技术。T型 网络均衡电路如图 6所示 。C ， L 用于提高输入信号的高频截止频率 ， 但会导致输 入信号增益幅度产生一定 的衰减 ； 控制下行接收 电 路幅频响应曲线的低频增益呈上升趋势 ， 使接收端 幅频响应曲线在较大的频率范围内保持稳定 。R ， R 用于改变低频 的最低 幅度 ， 即低频 的起始 幅度。 对于不同的 L E D及外界环境 ， 信道 响应不 同， 相应 的硬 件均 衡 电路设 计参 数也 要 调整 。 2 ． 4语 音 编解码 电路 语音 编 解码 芯 片采 用 T P 3 0 6 7 。它是 一 款 基 于 A律的压缩编码芯片 ， 具有 T TL或 C MOS兼容 的 数字接 口， 内部集成了 AD、 DA转换模块 ， 内部 自动 归零电路 ， 串行 I ／ O接 口_ 3 ] 。该芯片可对语音信号 输出 P C M 编码数 据 ， 并对 P C M 编码数 据进 行解 码 ， 恢 复 出语 音 信号 。 T P3 0 6 7 有 同步 和 非 同步 C 图 6 T 型 网 络 均 衡 电 路 2种工作模式。同步模式是指编码输出信号的发送 端 和接 收端 采用 相 同 的 主 时钟 和 位 时 钟 ， 非 同 步模 式采用不 同的时钟信号。语音编解码 电路如图 7 所 示 。该电路采用同步模式。语音信号从 VF X I 引 脚输入 ， DX引脚输 出 P C M 编码数据 ， 数据结构是 每8位作 为 1帧 ， 数 据输 出速率 为 2 ． 0 4 8 Mb i t ／ s 。 D R为 P C M 编码数据输入引脚 ， VP 0为解码语音 信 号 输 出 引 脚。 时 钟 信 号 要 求 主 时 钟 为 2 ． 0 4 8 MHz ， 位 时钟 为 8 k HZ 。 I VPO VBB G ND VF XI V PO VF XI V PI GS X V FR O A NL B VC C T P3 0 6 7 TS X - 5V 二 V0I CE1 N ----------------一 。 2 ． 1 k Q l DA 。 T A I N F S R F 。 S X x - - 1 DR ux r一 主时钟脉冲 输入端 位时钟脉冲 输入端 图 7语 音 编 解 码 电路 2 ． 5 功率放 大电路 功率放 大电路用于驱动接收端末端的扬声器 ， 采用甲乙类双电源互补对称电路 ， 如图 8所示 。其 中 为 T P 3 0 6 7输 出的解码信号 。双极结 型三极 管 T 组成前置放大级 ， 双极结 型三极 管 T。和 T。 组成互补输 出级。静态时 ， D ， D 。上产生的压降为 T ， T。 提供 了一个适当的偏压 ， 使 之处 于微导通状 态 。该 电路 基本 上可 实现 线性 放大 。 r 图 8 功率 放大电路