基于FPGA的自由空間音頻信號傳輸及頻譜顯示系統

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

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隨著設備成本的下降，相關應用也在不斷擴展。基于自由空間光通信技術，我們搭建了一個音頻信號傳輸系統。以聲音信號調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信號解調，還原初始信號。同時實現了FIR濾波，FFT變換和VGA時序。我們完成了系統搭建和測試，實現了高識別率、低成本的自由空間音頻信號傳輸及頻譜顯示。

關鍵詞:大氣光通信;音頻信號傳輸;動態頻譜顯示; 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，激光作為載波的通信技術。近年來，隨著人們對高寬帶、低成本接入技術的迫切需求，FSO在視距傳輸［7］、寬帶接入［8］中有了新的發展機遇。同時由于光通信器件制造技術的飛速發展［9］，自由空間光通信設備的制造成本大幅下降，FSO得到越來越多的應用。

目前，自由空間光通信已經成為發達國家寬帶通信［10］的關鍵技術，而衛星光通信［11］和室內光通信［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，采用FPGA作為接收端控制核心，實現了音頻信號的高質量接收與頻譜顯示。

1　總體方案

本系統采用波長為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并進行初步的放大濾波，通過AD轉換被送入FPGA內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轉換，進而將目標信號的數字特征和模擬特征全部展示出來，從而實現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。系統原理圖如圖1所示。

圖1　系統原理框圖

2　硬件組成

2.1激光發射供電電路

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光強的分壓電路作為載波信號發射電路。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，穩壓芯片電路原理如圖2所示。

圖2　穩壓芯片LM2940和REF3225電路

2.2光電管接收解調模塊

接收解調模塊即系統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公司開發的擁有10萬門邏輯單元、8位VGA端口的Spartan 3E－100系統板作為FPGA控制平臺，可以滿足本系統對數據處理速度以及內部資源占用量的需求。

3　軟件設計

3.1軟件模塊組成

軟件控制單元包括A/D模數轉換驅動(AD_ Driver)、FIR數字濾波器(FIR_core)、D/A數模轉換驅動(DA_driver)、快速傅里葉變換(FFT_core)、VGA顯示控制(VGA_ctrl)。電路設計如圖4所示。

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

圖4　軟件模塊結構圖

FIR數字濾波器(FIR_core)中clk、din、dout、rfd、rdy分別代表時鐘、16 bit輸入、16 bit輸出、可以接收新數據標志和數據可以讀取標志。這個模塊是由IP核實現的，FIR濾波器的系數文件通過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獲得濾波后的數據。

D/A數模轉換驅動(DA_ driver)中clk、rst、start、data分別代表時鐘、復位、模塊啟動、16 bit待數模轉換數據，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輸入數據實部、虛部、8 bit輸出數據實部、虛部、序號、可以接收新數據標志、數據可以讀取標志。這個模塊是由IP核實現的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、快速傅里葉變換結果實部、虛部、序號、VGA行同步信號、場同步信號、像素RGB值。根據頻譜顯示需要的頻率對應的快速傅里葉變換結果的序號，篩選出實部、虛部經過CORDIC核［16］的運算得到選擇頻率的幅值。在時鐘的驅動下，送出顯示640×480分辨率頻譜的數據。

3.2MATLAB聯合仿真［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。仿真輸出結果寫入文本文件中用以MATLAB處理分析。由仿真結果可知，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系統測試數據

軟硬件平臺搭建并仿真完成后，用函數發生器產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，并調節至合適的放大倍數，對電路作進一步的測評與改進。實際測試得到的數據如表1所示。

表1　模擬信號源測試數據

4　實驗結果

以650 nm波長的激光作為載波光信號，利用XILINX開發平臺實現了自由空間音頻信號傳輸及動態頻譜顯示，實驗系統如圖7所示。圖8為一定距離內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字濾波后其頻率分量的實時顯示動態頻譜圖。從圖中可以看到，音頻信號的頻率在90 Hz～1 100 Hz之間。

圖7　實驗系統展示

圖8　動態頻譜圖

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，降低了環境對信號采集的影響。采用Basys2自帶的核去設計算法，有效地節省了資源，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、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