高質量數字可見光音頻通信系統設計與實現

符瀟天 黃明 饒嘉成 汪弈舟 楊富華

摘? ?要： 基于FPGA技術，設計與實現了高質量數字可見光音頻通信系統。利用雙路高速高精度AD采樣音頻信號，通過FPGA編碼實現高速可見光通信（VLC）;進行系統驗證，表明該系統可以在室內復雜照明環境下實現可靠通信，也可利用特定透鏡組在室外光照環境下實現長距離的可靠通信;針對LED頻閃問題，使用8b/10b編碼方式抑制頻閃效應。達到了滿意效果：在室外50 m和室內3 m以內兩個場景進行測試，室外測試選取了晴天正午與午夜，系統可以傳輸清晰的音頻信號;室內測試在復雜室內照明環境下進行，實現了清晰的音頻傳輸。

關鍵詞： 可見光通信（VLC）;LED;音頻通信系統;FPGA;8b/10b

中圖分類號：TN91? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-087-05

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.015

引言

近年來，隨著高亮度發光二極管（LED）生產技術的不斷進步，越來越多的照明設備使用LED作為主要發光器件。相比于傳統照明器件，LED既具有高能效比、長壽命以及小型化等優勢，也擁有更高的響應靈敏度、更好的調制性能以及更大的發射功率。這些優勢也使得基于照明LED的可見光通信（VLC）技術蓬勃發展。相較于傳統無線通信技術而言，VLC技術具有對健康無潛在危害、無電磁輻射泄露、高保密性等優點，使其具有了廣闊的應用前景。

本文首先基于FPGA技術，提出高質量數字可見光音頻通信系統方案;然后，進行系統搭建，利用雙路高速高精度AD采樣音頻信號，通過FPGA編碼實現高速可見光數字傳輸;最后，進行系統驗證，表明該系統可以在室內復雜照明環境下實現可靠通信，也可利用特定透鏡組在室外光照環境下實現長距離的可靠通信。實驗結果可靠，系統設計可供研究者參考。

1? 系統設計方案

系統總體分為發送端與接收端兩部分，如圖1所示的系統框圖。

發送端由音頻采集、AD轉換器、FPGA處理以及LED驅動單元組成;接收端由PIN光電轉換模塊、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，可以采集大動態范圍的音頻信號，經過高速、高動態范圍AD轉換器采樣的信號，由FPGA編碼后轉換為光信號發出。高靈敏度的PIN光電轉換模塊接收到的光信號經過跨阻放大和限幅放大后，經FPGA解碼，使用I2S音頻解碼芯片還原出原始音頻信號。

因數字通信時會引發LED頻閃，系統使用了8b/10b編碼方式來抑制頻閃效應[1]。本文使用可見光通信常用的OOK調制方式[2]，根據無線光通信的仿真模型[3]，系統光路中使用了特定的透鏡組來實現室外遠距離傳播。

2? 系統硬件設計

音頻采集使用PMOD接口的雙路AD采集模塊，在模塊設計上集成了雙路SA575音頻壓擴器與ADCS7476串行AD轉換器，如圖2所示。音頻壓擴器可以提供更好的音頻動態范圍，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位動態范圍，實現對雙路音頻的高速且高質量采樣。

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轉換器，此轉換器具有192 kHz采樣頻率和16位動態范圍，并使用I2S總線方式輸入，輸出左右聲道雙路高質量音頻信號。如圖3所示。

音頻通信系統的發送端電路如圖4所示，以OOK方式將信號調制于三顆安裝在鋁基板（PCB）上的大功率照明用LED燈。因LED內部阻抗較小，FPGA無法有效地將功率傳輸給LED，故此驅動方案的優勢在于可以利用場效應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性，可以簡單地應用于已有的LED照明系統中。

接收端使用高增益的PIN光電二極管將光強信號轉化為電流信號，利用跨阻放大電路轉換為電壓信號，如圖5所示。同時使用兩級限幅放大電路恢復OOK信號，如圖6所示。跨阻放大器需要對PIN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，以實現高信噪比的小信號放大。限幅放大器設計了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。

該硬件方案設計具備適用范圍廣、結構簡單、可靠性高、高速率、長距離傳輸等優點，可以應用于多種可見光通信場景。

3? 數據傳輸方式

在實時的音頻信號傳輸中，0與1的出現概率不相等，這會導致通信過程中LED亮度產生頻閃[4]。80 Hz以下的頻閃會對人體健康產生一系列危害，可能會導致頭疼、焦慮甚至癲癇發作;80 Hz以上的頻閃會使人產生空間運動幻覺，進而誘發嚴重的事故。因此在編碼設計上需要對可能出現的頻閃現象進行抑制。同時數據傳輸中出現連續的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，數據傳輸時使用8b/10b編碼。

具體傳輸方式結構設計為：音頻模塊使用了12位AD轉換器，同時8b/10b編碼需求8位并行輸入，因此數據幀長應選定為12與8的公倍數。同時綜合考慮實時性與編碼需求，最終選定一幀傳輸6次采樣數據，雙路交替傳輸共72位的原始數據，數據以8位為一個字節進行處理。

原始數據幀結構如圖7所示。

等待一個數據幀完成后，將9個字節的數據依次進行8b/10b編碼。如圖8所示，8b/10b編碼器將8位數據分成低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位數據，存入編碼后數據幀中。8b/10b編碼具有極性之分，當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，以此保證輸出數據的直流平衡[5]。

在數字同步通信中，數據幀的起止端需要加入適當的同步碼組，用于正確的進行幀同步。巴克碼具有一個尖銳的自相關函數，經常用于同步通信中，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據緩沖，余下11位用于幀同步。圖9所示為增加幀頭后的數據幀。

4? FPGA編碼設計

輸出端FPGA程序結構框圖如圖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位并行數據，預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據幀，滿棧時將72位數據全部輸出給預編碼—編碼模塊完成編碼。編碼后數據輸入一個深度9、寬10位的棧中組織成編碼數據幀，疊加24位巴克碼幀頭后完成輸出。

其中，8b/10b編碼部分由預編碼和編碼兩部分模塊組成，預編碼模塊將72位數據分割為8位的字節，并在每個8位的高位增加2位的控制位，后續的編碼模塊通過判斷輸入數據的高2位是否為2b10來確定輸入是否為K碼[6]。

接收端FPGA程序結構框圖如圖11所示。接收到的數據首先經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，在其14～20及21～24位設置兩個巴克碼序列檢測，利用巴克碼自相關函數的尖銳性來提取后90位的數據，提取的數據使用一個預解碼—解碼模塊實現數據校驗、分割及解碼。

CS4344要求FPGA輸出每聲道16位串行數據，因此解碼后輸出的8位芯片需要通過一個數據還原模塊恢復原始12位采樣數據，并將其補充為16位。輸出控制器利用I2S總線將音頻數據輸出。

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編碼輸出測試的結果，可見幀組成符合預期，發送端與接收端輸出信號與設計吻合。

系統總體通信測試選取了室外50 m和室內3 m以內兩個場景進行測試，室外測試選取了晴天正午與午夜，系統可以傳輸清晰的音頻信號;室內測試在復雜室內照明環境下實現了清晰的音頻傳輸。

6? 結論

本文設計了一套基于可見光的高質量音頻通信系統，測試了硬件電路在不同通信距離下的誤碼率，同時在多種光照環境和距離下測試了音頻質量，通過使用8b/10b編碼方式抑制了通信時的頻閃效應。該系統具有成本低、結構簡單可靠、不受自然環境和一般室內照明的影響、高音頻采樣率、高音頻動態范圍、高速長距離、可兼顧照明等優點。該系統在教學、安全通信、家庭物聯網等領域有極大的應用推廣價值，對可見光通信技術的實際應用推廣具有非常積極的影響。

基金項目

北方工業大學信息學院學生科技活動、北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目資助與支持

參考文獻

[1] 汪弈舟， 黃明， 張軒， 等. 一種改善室內可見光通信頻閃效應的設計與實現[J]. 工業技術創新， 2019， 6（4）： 61-65.

[2] Ke X Z， Chen J N. Performance comparison of various pulse position modulation in wireless laser communication[J]. Laser Technology， 2012， .

[3] Ghassemlooy Z， Popoola W， Rajbhandari S. Optical wireless communications： system and channel modelling with MATLAB[M]. CRC Press， Inc. 2012.

[4] 盛迎曉， 李曉妮， 胡余兵， 等. 照明產品頻閃的國際標準進展及其測量方案[C]// 2016年中國照明論壇： 半導體照明創新應用暨智慧照明發展論壇論文集. 北京： 中國照明學會， 2016.

[5] 程佩青. 數字信號處理教程： 第三版[M]. 北京： 清華大學出版社， 2007.

[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）