楊　丹，毛昱楓，于　虹

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

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基于FPGA的自由空間音頻信號(hào)傳輸及頻譜顯示系統(tǒng)

楊丹，毛昱楓，于虹*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)用也在不斷擴(kuò)展。基于自由空間光通信技術(shù)，我們搭建了一個(gè)音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)。以聲音信號(hào)調(diào)制的激光作為信號(hào)源，采用光電晶體管及其反饋電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，并使用FPGA組成的控制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，還原初始信號(hào)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了FIR濾波，F(xiàn)FT變換和VGA時(shí)序。我們完成了系統(tǒng)搭建和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了高識(shí)別率、低成本的自由空間音頻信號(hào)傳輸及頻譜顯示。

關(guān)鍵詞:大氣光通信;音頻信號(hào)傳輸;動(dòng)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(lái)，隨著人們對(duì)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(jī)遇。同時(shí)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(lái)越多的應(yīng)用。

目前，自由空間光通信已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)。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(wú)需申請(qǐng)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(hào)傳輸系統(tǒng)，采用FPGA作為接收端控制核心，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)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(zhǎng)為650 nm激光作為載波。自由空間中某一位置的聲音信號(hào)對(duì)載波激光調(diào)制［13］后按照一定的光路到達(dá)接收端，被BPX43三極管及相應(yīng)電路解調(diào)并進(jìn)行初步的放大濾波，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換被送入FPGA內(nèi)部進(jìn)行高速運(yùn)算和處理。當(dāng)接收端的控制模塊得到平滑低噪的信號(hào)后，對(duì)該信號(hào)分別作FFT變換和DA轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將目標(biāo)信號(hào)的數(shù)字特征和模擬特征全部展示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自由空間音頻信號(hào)的傳輸及頻譜顯示。在實(shí)驗(yàn)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(hào)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(huì)受到激光信號(hào)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(qiáng)的分壓電路作為載波信號(hào)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(dú)引出來(lái)可以接入解調(diào)電路，以控制器件工作的偏置點(diǎn)。前置濾波放大電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行第1級(jí)放大濾波，采用TL072芯片，雙路低噪聲JFET輸入通用運(yùn)算放大器，輸入阻抗高，因而輸入信號(hào)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(wàn)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(tái)，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)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(jì)

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(dòng)(AD_ Driver)、FIR數(shù)字濾波器(FIR_core)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)(DA_driver)、快速傅里葉變換(FFT_core)、VGA顯示控制(VGA_ctrl)。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)(AD_Driver)中clk、rst、result分別代表時(shí)鐘、復(fù)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(shí)鐘、片選、輸出。在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，result左移并接收ad_ data，同時(shí)4 bit計(jì)數(shù)器記錄左移次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)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(shí)鐘、16 bit輸入、16 bit輸出、可以接收新數(shù)據(jù)標(biāo)志和數(shù)據(jù)可以讀取標(biāo)志。這個(gè)模塊是由IP核實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)文件通過(guò)MATLAB的FDATOOL工具箱生成，通帶范圍為90Hz～1100Hz。當(dāng)rfd為1將AD_Driver的result送至din，當(dāng)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(dòng)(DA_ driver)中clk、rst、start、data分別代表時(shí)鐘、復(fù)位、模塊啟動(dòng)、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(shí)鐘、輸入。在start上升沿模塊開始工作，在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘、啟動(dòng)、8 bit輸入數(shù)據(jù)實(shí)部、虛部、8 bit輸出數(shù)據(jù)實(shí)部、虛部、序號(hào)、可以接收新數(shù)據(jù)標(biāo)志、數(shù)據(jù)可以讀取標(biāo)志。這個(gè)模塊是由IP核實(shí)現(xiàn)的1024點(diǎn)FFT，當(dāng)rfd 為1將FIR_core的dout高8位送入xn_re，xn_im始終置0，當(dāng)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(shí)鐘、復(fù)位、快速傅里葉變換結(jié)果實(shí)部、虛部、序號(hào)、VGA行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、像素RGB值。根據(jù)頻譜顯示需要的頻率對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換結(jié)果的序號(hào)，篩選出實(shí)部、虛部經(jīng)過(guò)CORDIC核［16］的運(yùn)算得到選擇頻率的幅值。在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)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(jìn)制波形激勵(lì)文件使用MATLAB生成，為60 Hz、800 Hz和1 200 Hz的正弦合成信號(hào)。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(shí)域波形中輸出信號(hào)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(shí)域波形

3.3系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

軟硬件平臺(tái)搭建并仿真完成后，用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)源來(lái)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(hào)從三極管接收電路的下一級(jí)電路接入，并調(diào)節(jié)至合適的放大倍數(shù)，對(duì)電路作進(jìn)一步的測(cè)評(píng)與改進(jìn)。實(shí)際測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　模擬信號(hào)源測(cè)試數(shù)據(jù)

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以650 nm波長(zhǎng)的激光作為載波光信號(hào)，利用XILINX開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了自由空間音頻信號(hào)傳輸及動(dòng)態(tài)頻譜顯示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。圖8為一定距離內(nèi)的一個(gè)音頻信號(hào)通過(guò)自由空間光通信傳播后到達(dá)接收端，在接收端進(jìn)行多級(jí)模擬濾波和數(shù)字濾波后其頻率分量的實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)頻譜圖。從圖中可以看到，音頻信號(hào)的頻率在90 Hz～1 100 Hz之間。

圖7　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示

圖8　動(dòng)態(tài)頻譜圖

由于光信號(hào)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(duì)原采集方法進(jìn)行改進(jìn)，降低了環(huán)境對(duì)信號(hào)采集的影響。采用Basys2自帶的核去設(shè)計(jì)算法，有效地節(jié)省了資源，提高了運(yùn)算效率。

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楊　丹(1993－)，女，漢族，陜西省寶雞市人，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)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(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，研究方向?yàn)槲⒓{機(jī)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(hào):TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0817－04