基于FPGA的自由空間音頻信號傳輸及頻譜顯示系統(tǒng)

楊　丹，毛昱楓，于　虹

(東南大學電子科學與工程學院，南京210096)

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基于FPGA的自由空間音頻信號傳輸及頻譜顯示系統(tǒng)

楊丹，毛昱楓，于虹*

(東南大學電子科學與工程學院，南京210096)

摘要:自由空間光通信技術(shù)隨著設(shè)備成本的下降，相關(guān)應用也在不斷擴展。基于自由空間光通信技術(shù)，我們搭建了一個音頻信號傳輸系統(tǒng)。以聲音信號調(diào)制的激光作為信號源，采用光電晶體管及其反饋電路對信號進行接收，并使用FPGA組成的控制電路實現(xiàn)信號解調(diào)，還原初始信號。同時實現(xiàn)了FIR濾波，F(xiàn)FT變換和VGA時序。我們完成了系統(tǒng)搭建和測試，實現(xiàn)了高識別率、低成本的自由空間音頻信號傳輸及頻譜顯示。

關(guān)鍵詞:大氣光通信;音頻信號傳輸;動態(tài)頻譜顯示; FPGA

自由空間光通信FSO(Free Space Optical communication)［1－6］是一種以自由空間作為傳輸介質(zhì)，激光作為載波的通信技術(shù)。近年來，隨著人們對高寬帶、低成本接入技術(shù)的迫切需求，F(xiàn)SO在視距傳輸［7］、寬帶接入［8］中有了新的發(fā)展機遇。同時由于光通信器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展［9］，自由空間光通信設(shè)備的制造成本大幅下降，F(xiàn)SO得到越來越多的應用。

目前，自由空間光通信已經(jīng)成為發(fā)達國家寬帶通信［10］的關(guān)鍵技術(shù)，而衛(wèi)星光通信［11］和室內(nèi)光通信［12］是研究的熱點。自由空間光通信所使用的激光頻率高，方向性好，可使用的頻譜寬，無需申請頻率使用許可。因此，我們提出了一種基于自由空間光通信的音頻信號傳輸系統(tǒng)，采用FPGA作為接收端控制核心，實現(xiàn)了音頻信號的高質(zhì)量接收與頻譜顯示。

1　總體方案

本系統(tǒng)采用波長為650 nm激光作為載波。自由空間中某一位置的聲音信號對載波激光調(diào)制［13］后按照一定的光路到達接收端，被BPX43三極管及相應電路解調(diào)并進行初步的放大濾波，通過AD轉(zhuǎn)換被送入FPGA內(nèi)部進行高速運算和處理。當接收端的控制模塊得到平滑低噪的信號后，對該信號分別作FFT變換和DA轉(zhuǎn)換，進而將目標信號的數(shù)字特征和模擬特征全部展示出來，從而實現(xiàn)自由空間音頻信號的傳輸及頻譜顯示。在實驗中，我們采用輸出電阻8 Ω，功率為0.5 W的小喇叭作為聲音源，并且使信號源距離接收端約10 m的距離。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　硬件組成

2.1激光發(fā)射供電電路

由于光電晶體管還會受到激光信號以外的背景光的影響，為了提高精度我們采用了可調(diào)光強的分壓電路作為載波信號發(fā)射電路。供電電路中LM2940芯片從9 V處得到直流5 V電壓源，REF3225芯片為AD及DA芯片提供高精度的2.5 V參考電壓，穩(wěn)壓芯片電路原理如圖2所示。

圖2　穩(wěn)壓芯片LM2940和REF3225電路

2.2光電管接收解調(diào)模塊

接收解調(diào)模塊即系統(tǒng)原理圖中光電三極管采集部分，包括光電三極管接收反饋電路以及有源放大濾波電路。［14］不同于光電二極管和光伏電池［15］，光電三極管的基極單獨引出來可以接入解調(diào)電路，以控制器件工作的偏置點。前置濾波放大電路對音頻信號進行第1級放大濾波，采用TL072芯片，雙路低噪聲JFET輸入通用運算放大器，輸入阻抗高，因而輸入信號不易失真。接收端的主要電路如圖3所示。

圖3　光電三極管接收電路

2.3控制模塊

采用XILINX公司開發(fā)的擁有10萬門邏輯單元、8位VGA端口的Spartan 3E－100系統(tǒng)板作為FPGA控制平臺，可以滿足本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度以及內(nèi)部資源占用量的需求。

3　軟件設(shè)計

3.1軟件模塊組成

軟件控制單元包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(AD_ Driver)、FIR數(shù)字濾波器(FIR_core)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(DA_driver)、快速傅里葉變換(FFT_core)、VGA顯示控制(VGA_ctrl)。電路設(shè)計如圖4所示。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(AD_Driver)中clk、rst、result分別代表時鐘、復位、16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，ad_ clk、ad_cs、ad_data分別連接A/D芯片的時鐘、片選、輸出。在時鐘的驅(qū)動下，result左移并接收ad_ data，同時4 bit計數(shù)器記錄左移次數(shù)，當計數(shù)器計滿時讀取result，獲得16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖4　軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

FIR數(shù)字濾波器(FIR_core)中clk、din、dout、rfd、rdy分別代表時鐘、16 bit輸入、16 bit輸出、可以接收新數(shù)據(jù)標志和數(shù)據(jù)可以讀取標志。這個模塊是由IP核實現(xiàn)的，F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)文件通過MATLAB的FDATOOL工具箱生成，通帶范圍為90Hz～1100Hz。當rfd為1將AD_Driver的result送至din，當rdy為1讀取dout獲得濾波后的數(shù)據(jù)。

D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(DA_ driver)中clk、rst、start、data分別代表時鐘、復位、模塊啟動、16 bit待數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，da_cs、da_clk、da_data分別連接D/A芯片的片選、時鐘、輸入。在start上升沿模塊開始工作，在時鐘的驅(qū)動下data左移依次輸出最高位到da_data。

快速傅里葉變換(FFT_core)中clk、start、xn_re、xn_im、xk_re、xk_im、xk_index、rfd、dv分別代表時鐘、啟動、8 bit輸入數(shù)據(jù)實部、虛部、8 bit輸出數(shù)據(jù)實部、虛部、序號、可以接收新數(shù)據(jù)標志、數(shù)據(jù)可以讀取標志。這個模塊是由IP核實現(xiàn)的1024點FFT，當rfd 為1將FIR_core的dout高8位送入xn_re，xn_im始終置0，當dv為1讀取xk_re，xk_im，xk_index。

VGA顯示控制(VGA_ctrl)中clk、rst、xk_re、xk_ im、xk_index、h_sync、v_sync、VGA_RGB分別代表時鐘、復位、快速傅里葉變換結(jié)果實部、虛部、序號、VGA行同步信號、場同步信號、像素RGB值。根據(jù)頻譜顯示需要的頻率對應的快速傅里葉變換結(jié)果的序號，篩選出實部、虛部經(jīng)過CORDIC核［16］的運算得到選擇頻率的幅值。在時鐘的驅(qū)動下，送出顯示640×480分辨率頻譜的數(shù)據(jù)。

3.2MATLAB聯(lián)合仿真［17］

二進制波形激勵文件使用MATLAB生成，為60 Hz、800 Hz和1 200 Hz的正弦合成信號。仿真輸出結(jié)果寫入文本文件中用以MATLAB處理分析。由仿真結(jié)果可知，頻域波形中800 Hz頻率分量沒有衰減，60 Hz及1 200 Hz頻率分量均有－30 dB以上的衰減;時域波形中輸出信號沒有明顯失真，濾波器具有較好的性能。仿真效果如圖5和圖6所示。

圖5　仿真前后的頻域波形

圖6　仿真前后的時域波形

3.3系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

軟硬件平臺搭建并仿真完成后，用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個信號源來模擬聲源，其頻率范圍為90 Hz～1.1 kHz，峰峰值在100 mV左右。將該信號從三極管接收電路的下一級電路接入，并調(diào)節(jié)至合適的放大倍數(shù)，對電路作進一步的測評與改進。實際測試得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　模擬信號源測試數(shù)據(jù)

4　實驗結(jié)果

以650 nm波長的激光作為載波光信號，利用XILINX開發(fā)平臺實現(xiàn)了自由空間音頻信號傳輸及動態(tài)頻譜顯示，實驗系統(tǒng)如圖7所示。圖8為一定距離內(nèi)的一個音頻信號通過自由空間光通信傳播后到達接收端，在接收端進行多級模擬濾波和數(shù)字濾波后其頻率分量的實時顯示動態(tài)頻譜圖。從圖中可以看到，音頻信號的頻率在90 Hz～1 100 Hz之間。

圖7　實驗系統(tǒng)展示

圖8　動態(tài)頻譜圖

由于光信號采集難度比較大，為了提高可靠度，采用光電三極管反饋電路對原采集方法進行改進，降低了環(huán)境對信號采集的影響。采用Basys2自帶的核去設(shè)計算法，有效地節(jié)省了資源，提高了運算效率。

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楊　丹(1993－)，女，漢族，陜西省寶雞市人，東南大學電子科學與工程學院本科生，213113023@seu.edu.cn;

于　虹(1966－)，女，漢族，江蘇省南京市人，東南大學MEMS教育部重點實驗室教授，研究方向為微納機電系統(tǒng)、光電子，h_yu@seu.edu.cn。

Design of Fall Detection System Based on MPU6050 Acceleration Transducer*

ZHUO Congbin1，YANG Longpin2，ZHOU Lin1*，LUO Dan1
(1.Institute of communication software，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China; 2.Beijing Hospital，Beijing 100730，China)

Abstract:Through analyzing the change of the motion state(SVM)and the attitude features of different stage of elderly people’s activities of daily life and falling down，a falling detection system is designed based on MPU6050 acceleration transducer，which is wearable.It samples users’acceleration values and transmits to computer through wireless technology (HC－60 Bluetooth).Using MATLAB simulation tool to analyze the acceleration values and find their difference sets up different fall detection threshold with different stage of elderly people.Finally，experimental results show that the algorithm of setting different falling detection threshold to different ages has a higher accuracy and practicability.

Key words:fall detection; MPU6050 accelerometers; SVM; GSM; HC－60 bluetooth

doi:EEACC:7230; 7320E; 7510D10.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.021

收稿日期:2014－09－24修改日期:2014－10－24

中圖分類號:TN929.12

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0817－04