无线激光通信在高速视频传输中的应用

刘 杰，陈 涛，王建立，董 磊

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院研究生院，北京 100039）

无线激光通信在高速视频传输中的应用

刘 杰1，2，陈 涛1，王建立1，董 磊1

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院研究生院，北京 100039）

利用无线激光通信传输速率高的优势，设计并实现了一套622Mbps视频传输系统。将视频转换、数据处理、激光收发等功能集中在单块电路板上，提高了灵活性。使用片内异步先进先出队列（FIFO）组成乒乓操作，对连续视频数据流进行有效切换控制。采用曼彻斯特编码较好地从接收信号中恢复出数据和时钟，有利于接收串行数据流的边界检测和同步。实验表明，本系统可以稳定地传输视频，满足地面距离应用的需要，为进一步研究激光通信各项技术提供了平台。

激光通信；视频传输；乒乓操作；曼彻斯特编码；FPGA

1 引言

激光通信又称自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO）、大气激光通信、无线激光通信等，是最近20多年发展的一种新型通信手段，具有传输速率高、功耗小等优点，尤其适用于星间通信和深空探测等领域。

随着信息时代对海量数据传输需求的增加，如高分辨率照片、高清视频、实时数据等，传统微波通信的低传输速率逐渐成为通信的瓶颈。无线激光通信作为解决该问题的手段之一，已经被各国研究机构重视和研究。目前，国外的研究主要集中在美国、欧洲和日本［1，2］，我国在这方面的研究起步较晚，但发展较快［2，3］。

本文在学习和借鉴国内外研究的基础上，独立设计了一套无线激光通信系统并用于视频传输。该系统将视频转换、数据处理和存储、激光收发等功能在单块电路板上实现，具有高度的灵活性，方便使用。本文方法结合现场可编程门阵列（FPGA）丰富资源和强大的数据处理功能，为以后进一步在应用中研究通信协议、纠错码等激光通信技术奠定了一定的基础。

2 硬件平台

通信系统分别由发射部分和接收部分组成，如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Overview of the system

在发射部分，标准模拟视频信号经过A/D转换后以27MB/s的速率送至FPGA，经FPGA处理后转换成77.76MB/s的并行信号，并串转换芯片，将该信号串化为622Mbps的差分信号后，经由驱动芯片驱动激光二极管发光，最后通过光学天线准直后发射到自由空间。

接收部分信号流恰好与发射部分相反。激光信号由光学天线接收并聚焦于探测器靶面，响应光电流经互阻放大器和带有时钟恢复功能的限幅放大器，得到622MHz时钟和相应的串行数据，经过串并转换芯片解串后得到77.76MHz时钟和8位并行数据送至FPGA并进行相应处理。最后，视频数据由D/A转换芯片转换为原始模拟视频信号。

根据通信需求及实际情况，本文所设计的系统各项基本参数如表1所示。由表1可以看出，信道带宽完全满足视频传输需要，发射端平均出射光功率和接收端灵敏度均较理想。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

3 软件控制

对数据流的时序控制和处理等工作主要是在FPGA内部进行，包括视频转换芯片配置、乒乓操作、曼彻斯特编解码以及同步控制等。

3.1 视频转换芯片配置

本系统采用的视频转换芯片为SAA7113和SAA7121，均为可编程控制，配置工作主要是对I2C总线的读写［4］。根据I2C总线数据操作格式的特点，在配置程序中设计了一个六状态的有限状态机，如图2所示。根据写寄存器过程中地址自增的特点，采用了写完首个寄存器地址后连续写寄存器控制字的方法，减少了配置时间和程序复杂性。

图2 配置状态机Fig.2 FSM of configuration

本配置程序具有良好的通用性和稳定性，稍加改动即可应用于其它I2C总线芯片的读写控制。

3.2 乒乓操作

由于本文所设计的信道速率大于实际数据速率，即视频数据以27MHz速率收发而激光通信模块中的并行信号以77.76MHz收发，因此产生了读写时钟不同、速率不匹配的问题。乒乓操作是解决这种数据流控制问题的常用方法之一［5］。

以发射端为例，输入数据流选择单元将视频数据等时地分配到两个大小相同的数据缓冲区，这里的数据缓冲区是在FPGA内部开辟的FIFO。读FIFO过程则由满指示信号来启动，由于读过程比写过程快得多，只要深度足够大，如8个以上字节，则不用担心会出现同时读写同一个FIFO而产生冲突问题。接收端的工作过程与此正好相反，将收到的有效数据经处理后写入不同的FIFO，再连续不断地读出。稍有不同的是，由于写过程快而读过程慢，为了防止可能的同时读写冲突，采用了3个FIFO以增加时间间隔。原理框图如图3所示。

图3 乒乓操作Fig.3 Ping-pong operation

3.3 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是一种常用的基带信号编码方式。它使每个比特编码为两个比特，0编码为10，即为从高电平到低电平的跳变，1编码为01，即为从低电平到高电平的跳变。采用曼彻斯特编码主要有以下几个目的：消除直流分量，有利于接收端时钟恢复，有利于从串行数据流检测字节边界以及同步控制［6］。

曼彻斯特编码的一个主要问题是降低了带宽的利用率，根据其定义，实际带宽利用率只有原来的二分之一。不过由表1的参数可知，经过曼彻斯特编码以后，系统的有效传输速率为311Mbps，仍然大于视频数据速率，因此采用该编码是有效并且可行的。

在VHDL语言中实现曼彻斯特编码的方法是调用一个编/解码函数，发送端将每个字节映射为相应的两个编码字节，接收端将每两个编码字节还原为一个有效字节。发送测试码的仿真波形图如图4（a）所示，接收端接收并解码后的波形如图4（b）所示。

图4 曼彻斯特编解码Fig.4 Manchester coding and decoding

3.4 边界检测及同步控制

由于实验是在楼宇内进行，空气稳定洁净，故近似认为激光传输基本不受大气的影响，忽略误码率，即认为接收端准确无误地收到发送端的激光信号。之后的工作即是从串行数据流中检测出字节边界，然后将有效视频数据提取出来。

由上一小节可知，采用曼彻斯特编码以后，每个传输的编码字节只有24＝16种可能性，加上两个用于同步控制的字节0xCC和0x33，实际上只占所有可能的状态（28＝256个）中9/128。因此，只要从串行数据流中连续提取的字节一直在这个集合内，即可判断已经正确地检测到字节的边界，否则就进行相应的移位操作。

同步控制是数字通信中关键内容之一，是正确获取有效数据的前提。本文根据并行信号的宽度以及采用曼彻斯特编码等实际情况，采用了简单实用的同步方法［7］。

在发送端空闲时，比如对A/D转换芯片的配置还未完成，发送空闲码0xCC。当空闲状态结束后，开始不间断地循环写两个FIFO。由于对FIFO的读过程比写过程快，可在读空一个FIFO并发送完编码但另一个FIFO满信号来之前发送插入码0x33作为同步字符，同时保持串行数据流连续。接收端接收到空闲码后也处于空闲状态；当收到插入码后立即进入准备状态，准备接收有效数据，一旦检测到插入码结束，即开始接收一组有效视频数据，并写入一个FIFO，之后再次进入准备状态，准备接收下一组数据并写入下一个FIFO。读取过程则相对简单，只需以27MHz的速率连续读取3个FIFO即可，每次读取FIFO内的两个字节后进行一次解码并且送往D/A。

实验证明，采用该同步方法简单易于实现，在短距离内工作稳定。缺点是健壮性不够好，一旦信道条件变差，将引起误码率升高，直接破坏同步性能。

4 实验结果

在认为光束为高斯圆分布的情况下，根据z处振幅的高斯分布公式：

图5 接收信号波形Fig.5 Waveform of receiving signal

接收端恢复后的622Mbps串行测试信号如图5所示，其中横坐标为时间，纵坐标为信号幅度。由于高速信号测量仪器不完备、测量方法不完善等原因，可以看到波形存在一定的过冲，但信号整体上恢复较理想，能够满足通信需求。

实验证明，本文所设计的系统可以稳定地传输视频，画面清晰稳定，达到了设计的预期目标。

5 结论

本文设计的激光通信实验系统成功地进行了视频传输，完成了数据存储、时序控制、编解码及同步等工作，验证了激光作为载波的新型大容量通信手段的可行性和有效性。

本文的工作为设计完善的远距离通信样机，进一步深入开展整体链路预算及分解、纠错编码、大气影响及背景噪声研究等工作奠定了基础。

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SKLAR B.Digital Communications-Fundamentalsand Applications［M］.2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2002.（in Chinese）

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Beijing University，701 Institute of Guangdong Province.Principles of Lasers［M］.1976.（in Chinese）

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，Fine 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

国家863高技术研究发展计划资助项目（2008AA8080502）

刘 杰（1985—），男，江苏连云港人，硕士研究生，主要从事自由空间激光通信技术方面的研究。E-mail：jijieliu@mail.ustc.edu.cn