劉 杰，陳 濤，王建立，董 磊

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

無線激光通信在高速視頻傳輸中的應用

劉 杰1，2，陳 濤1，王建立1，董 磊1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

利用無線激光通信傳輸速率高的優(yōu)勢，設計并實現(xiàn)了一套622Mbps視頻傳輸系統(tǒng)。將視頻轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、激光收發(fā)等功能集中在單塊電路板上，提高了靈活性。使用片內(nèi)異步先進先出隊列（FIFO）組成乒乓操作，對連續(xù)視頻數(shù)據(jù)流進行有效切換控制。采用曼徹斯特編碼較好地從接收信號中恢復出數(shù)據(jù)和時鐘，有利于接收串行數(shù)據(jù)流的邊界檢測和同步。實驗表明，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定地傳輸視頻，滿足地面距離應用的需要，為進一步研究激光通信各項技術提供了平臺。

激光通信；視頻傳輸；乒乓操作；曼徹斯特編碼；FPGA

1 引言

激光通信又稱自由空間光通信（Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO）、大氣激光通信、無線激光通信等，是最近20多年發(fā)展的一種新型通信手段，具有傳輸速率高、功耗小等優(yōu)點，尤其適用于星間通信和深空探測等領域。

隨著信息時代對海量數(shù)據(jù)傳輸需求的增加，如高分辨率照片、高清視頻、實時數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)微波通信的低傳輸速率逐漸成為通信的瓶頸。無線激光通信作為解決該問題的手段之一，已經(jīng)被各國研究機構重視和研究。目前，國外的研究主要集中在美國、歐洲和日本［1，2］，我國在這方面的研究起步較晚，但發(fā)展較快［2，3］。

本文在學習和借鑒國內(nèi)外研究的基礎上，獨立設計了一套無線激光通信系統(tǒng)并用于視頻傳輸。該系統(tǒng)將視頻轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和存儲、激光收發(fā)等功能在單塊電路板上實現(xiàn)，具有高度的靈活性，方便使用。本文方法結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）豐富資源和強大的數(shù)據(jù)處理功能，為以后進一步在應用中研究通信協(xié)議、糾錯碼等激光通信技術奠定了一定的基礎。

2 硬件平臺

通信系統(tǒng)分別由發(fā)射部分和接收部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Overview of the system

在發(fā)射部分，標準模擬視頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后以27MB/s的速率送至FPGA，經(jīng)FPGA處理后轉(zhuǎn)換成77.76MB/s的并行信號，并串轉(zhuǎn)換芯片，將該信號串化為622Mbps的差分信號后，經(jīng)由驅(qū)動芯片驅(qū)動激光二極管發(fā)光，最后通過光學天線準直后發(fā)射到自由空間。

接收部分信號流恰好與發(fā)射部分相反。激光信號由光學天線接收并聚焦于探測器靶面，響應光電流經(jīng)互阻放大器和帶有時鐘恢復功能的限幅放大器，得到622MHz時鐘和相應的串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換芯片解串后得到77.76MHz時鐘和8位并行數(shù)據(jù)送至FPGA并進行相應處理。最后，視頻數(shù)據(jù)由D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為原始模擬視頻信號。

根據(jù)通信需求及實際情況，本文所設計的系統(tǒng)各項基本參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，信道帶寬完全滿足視頻傳輸需要，發(fā)射端平均出射光功率和接收端靈敏度均較理想。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

3 軟件控制

對數(shù)據(jù)流的時序控制和處理等工作主要是在FPGA內(nèi)部進行，包括視頻轉(zhuǎn)換芯片配置、乒乓操作、曼徹斯特編解碼以及同步控制等。

3.1 視頻轉(zhuǎn)換芯片配置

本系統(tǒng)采用的視頻轉(zhuǎn)換芯片為SAA7113和SAA7121，均為可編程控制，配置工作主要是對I2C總線的讀寫［4］。根據(jù)I2C總線數(shù)據(jù)操作格式的特點，在配置程序中設計了一個六狀態(tài)的有限狀態(tài)機，如圖2所示。根據(jù)寫寄存器過程中地址自增的特點，采用了寫完首個寄存器地址后連續(xù)寫寄存器控制字的方法，減少了配置時間和程序復雜性。

圖2 配置狀態(tài)機Fig.2 FSM of configuration

本配置程序具有良好的通用性和穩(wěn)定性，稍加改動即可應用于其它I2C總線芯片的讀寫控制。

3.2 乒乓操作

由于本文所設計的信道速率大于實際數(shù)據(jù)速率，即視頻數(shù)據(jù)以27MHz速率收發(fā)而激光通信模塊中的并行信號以77.76MHz收發(fā)，因此產(chǎn)生了讀寫時鐘不同、速率不匹配的問題。乒乓操作是解決這種數(shù)據(jù)流控制問題的常用方法之一［5］。

以發(fā)射端為例，輸入數(shù)據(jù)流選擇單元將視頻數(shù)據(jù)等時地分配到兩個大小相同的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這里的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是在FPGA內(nèi)部開辟的FIFO。讀FIFO過程則由滿指示信號來啟動，由于讀過程比寫過程快得多，只要深度足夠大，如8個以上字節(jié)，則不用擔心會出現(xiàn)同時讀寫同一個FIFO而產(chǎn)生沖突問題。接收端的工作過程與此正好相反，將收到的有效數(shù)據(jù)經(jīng)處理后寫入不同的FIFO，再連續(xù)不斷地讀出。稍有不同的是，由于寫過程快而讀過程慢，為了防止可能的同時讀寫沖突，采用了3個FIFO以增加時間間隔。原理框圖如圖3所示。

圖3 乒乓操作Fig.3 Ping-pong operation

3.3 曼徹斯特編碼

曼徹斯特編碼是一種常用的基帶信號編碼方式。它使每個比特編碼為兩個比特，0編碼為10，即為從高電平到低電平的跳變，1編碼為01，即為從低電平到高電平的跳變。采用曼徹斯特編碼主要有以下幾個目的：消除直流分量，有利于接收端時鐘恢復，有利于從串行數(shù)據(jù)流檢測字節(jié)邊界以及同步控制［6］。

曼徹斯特編碼的一個主要問題是降低了帶寬的利用率，根據(jù)其定義，實際帶寬利用率只有原來的二分之一。不過由表1的參數(shù)可知，經(jīng)過曼徹斯特編碼以后，系統(tǒng)的有效傳輸速率為311Mbps，仍然大于視頻數(shù)據(jù)速率，因此采用該編碼是有效并且可行的。

在VHDL語言中實現(xiàn)曼徹斯特編碼的方法是調(diào)用一個編/解碼函數(shù)，發(fā)送端將每個字節(jié)映射為相應的兩個編碼字節(jié)，接收端將每兩個編碼字節(jié)還原為一個有效字節(jié)。發(fā)送測試碼的仿真波形圖如圖4（a）所示，接收端接收并解碼后的波形如圖4（b）所示。

圖4 曼徹斯特編解碼Fig.4 Manchester coding and decoding

3.4 邊界檢測及同步控制

由于實驗是在樓宇內(nèi)進行，空氣穩(wěn)定潔凈，故近似認為激光傳輸基本不受大氣的影響，忽略誤碼率，即認為接收端準確無誤地收到發(fā)送端的激光信號。之后的工作即是從串行數(shù)據(jù)流中檢測出字節(jié)邊界，然后將有效視頻數(shù)據(jù)提取出來。

由上一小節(jié)可知，采用曼徹斯特編碼以后，每個傳輸?shù)木幋a字節(jié)只有24＝16種可能性，加上兩個用于同步控制的字節(jié)0xCC和0x33，實際上只占所有可能的狀態(tài)（28＝256個）中9/128。因此，只要從串行數(shù)據(jù)流中連續(xù)提取的字節(jié)一直在這個集合內(nèi)，即可判斷已經(jīng)正確地檢測到字節(jié)的邊界，否則就進行相應的移位操作。

同步控制是數(shù)字通信中關鍵內(nèi)容之一，是正確獲取有效數(shù)據(jù)的前提。本文根據(jù)并行信號的寬度以及采用曼徹斯特編碼等實際情況，采用了簡單實用的同步方法［7］。

在發(fā)送端空閑時，比如對A/D轉(zhuǎn)換芯片的配置還未完成，發(fā)送空閑碼0xCC。當空閑狀態(tài)結(jié)束后，開始不間斷地循環(huán)寫兩個FIFO。由于對FIFO的讀過程比寫過程快，可在讀空一個FIFO并發(fā)送完編碼但另一個FIFO滿信號來之前發(fā)送插入碼0x33作為同步字符，同時保持串行數(shù)據(jù)流連續(xù)。接收端接收到空閑碼后也處于空閑狀態(tài)；當收到插入碼后立即進入準備狀態(tài)，準備接收有效數(shù)據(jù)，一旦檢測到插入碼結(jié)束，即開始接收一組有效視頻數(shù)據(jù)，并寫入一個FIFO，之后再次進入準備狀態(tài)，準備接收下一組數(shù)據(jù)并寫入下一個FIFO。讀取過程則相對簡單，只需以27MHz的速率連續(xù)讀取3個FIFO即可，每次讀取FIFO內(nèi)的兩個字節(jié)后進行一次解碼并且送往D/A。

實驗證明，采用該同步方法簡單易于實現(xiàn)，在短距離內(nèi)工作穩(wěn)定。缺點是健壯性不夠好，一旦信道條件變差，將引起誤碼率升高，直接破壞同步性能。

4 實驗結(jié)果

在認為光束為高斯圓分布的情況下，根據(jù)z處振幅的高斯分布公式：

圖5 接收信號波形Fig.5 Waveform of receiving signal

接收端恢復后的622Mbps串行測試信號如圖5所示，其中橫坐標為時間，縱坐標為信號幅度。由于高速信號測量儀器不完備、測量方法不完善等原因，可以看到波形存在一定的過沖，但信號整體上恢復較理想，能夠滿足通信需求。

實驗證明，本文所設計的系統(tǒng)可以穩(wěn)定地傳輸視頻，畫面清晰穩(wěn)定，達到了設計的預期目標。

5 結(jié)論

本文設計的激光通信實驗系統(tǒng)成功地進行了視頻傳輸，完成了數(shù)據(jù)存儲、時序控制、編解碼及同步等工作，驗證了激光作為載波的新型大容量通信手段的可行性和有效性。

本文的工作為設計完善的遠距離通信樣機，進一步深入開展整體鏈路預算及分解、糾錯編碼、大氣影響及背景噪聲研究等工作奠定了基礎。

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Application of w ireless laser communication to high speed video transm ission

LIU Jie1，2，CHEN Tao1，WANG Jian-li1，DONG Lei1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

A video system with a transmission speed of 622 Mbps is designed and realized by taking the high speed characteristic of wireless laser communication.Functions of the system such as video converting，data processing and buffering，laser transmitting/receiving are implemented on a single circuit board to achieve a better flexibility.The ping-pong operation which ismade up of internal asynchronous FIFO（First in First out）is utilized to effectively switch the continuous video data flow.Manchester code is employed to obtain better recoveries of data and clocks from the received signals.Moreover，it is also easier to detect the byte boundary from serialized data flow and to synchronize the communication.Experimental results show that the system can transmit video signals stably and meet the application need in the under ground distance，and the system pro-vides a platform for further research on laser communication technologies.

laser communication；video transmission；ping-pong operation；Manchester code；FPGA

1674-2915（2010）03-0290-06

TN929.12

A

2010-02-16；

2010-04-13

國家863高技術研究發(fā)展計劃資助項目（2008AA8080502）

劉 杰（1985—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事自由空間激光通信技術方面的研究。E-mail：jijieliu@mail.ustc.edu.cn