基于FPGA的自由空间音频信号传输及频谱显示系统

杨　丹，毛昱枫，于　虹

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)



基于FPGA的自由空间音频信号传输及频谱显示系统

杨丹，毛昱枫，于虹*

(东南大学电子科学与工程学院，南京210096)

摘要:自由空间光通信技术随着设备成本的下降，相关应用也在不断扩展。基于自由空间光通信技术，我们搭建了一个音频信号传输系统。以声音信号调制的激光作为信号源，采用光电晶体管及其反馈电路对信号进行接收，并使用FPGA组成的控制电路实现信号解调，还原初始信号。同时实现了FIR滤波，FFT变换和VGA时序。我们完成了系统搭建和测试，实现了高识别率、低成本的自由空间音频信号传输及频谱显示。

关键词:大气光通信;音频信号传输;动态频谱显示; FPGA

自由空间光通信FSO(Free Space Optical communication)［1－6］是一种以自由空间作为传输介质，激光作为载波的通信技术。近年来，随着人们对高宽带、低成本接入技术的迫切需求，FSO在视距传输［7］、宽带接入［8］中有了新的发展机遇。同时由于光通信器件制造技术的飞速发展［9］，自由空间光通信设备的制造成本大幅下降，FSO得到越来越多的应用。

目前，自由空间光通信已经成为发达国家宽带通信［10］的关键技术，而卫星光通信［11］和室内光通信［12］是研究的热点。自由空间光通信所使用的激光频率高，方向性好，可使用的频谱宽，无需申请频率使用许可。因此，我们提出了一种基于自由空间光通信的音频信号传输系统，采用FPGA作为接收端控制核心，实现了音频信号的高质量接收与频谱显示。

1　总体方案

本系统采用波长为650 nm激光作为载波。自由空间中某一位置的声音信号对载波激光调制［13］后按照一定的光路到达接收端，被BPX43三极管及相应电路解调并进行初步的放大滤波，通过AD转换被送入FPGA内部进行高速运算和处理。当接收端的控制模块得到平滑低噪的信号后，对该信号分别作FFT变换和DA转换，进而将目标信号的数字特征和模拟特征全部展示出来，从而实现自由空间音频信号的传输及频谱显示。在实验中，我们采用输出电阻8 Ω，功率为0.5 W的小喇叭作为声音源，并且使信号源距离接收端约10 m的距离。系统原理图如图1所示。

图1　系统原理框图

2　硬件组成

2.1激光发射供电电路

由于光电晶体管还会受到激光信号以外的背景光的影响，为了提高精度我们采用了可调光强的分压电路作为载波信号发射电路。供电电路中LM2940芯片从9 V处得到直流5 V电压源，REF3225芯片为AD及DA芯片提供高精度的2.5 V参考电压，稳压芯片电路原理如图2所示。

图2　稳压芯片LM2940和REF3225电路

2.2光电管接收解调模块

接收解调模块即系统原理图中光电三极管采集部分，包括光电三极管接收反馈电路以及有源放大滤波电路。［14］不同于光电二极管和光伏电池［15］，光电三极管的基极单独引出来可以接入解调电路，以控制器件工作的偏置点。前置滤波放大电路对音频信号进行第1级放大滤波，采用TL072芯片，双路低噪声JFET输入通用运算放大器，输入阻抗高，因而输入信号不易失真。接收端的主要电路如图3所示。

图3　光电三极管接收电路

2.3控制模块

采用XILINX公司开发的拥有10万门逻辑单元、8位VGA端口的Spartan 3E－100系统板作为FPGA控制平台，可以满足本系统对数据处理速度以及内部资源占用量的需求。

3　软件设计

3.1软件模块组成

软件控制单元包括A/D模数转换驱动(AD_ Driver)、FIR数字滤波器(FIR_core)、D/A数模转换驱动(DA_driver)、快速傅里叶变换(FFT_core)、VGA显示控制(VGA_ctrl)。电路设计如图4所示。

A/D模数转换驱动(AD_Driver)中clk、rst、result分别代表时钟、复位、16 bit模数转换结果，ad_ clk、ad_cs、ad_data分别连接A/D芯片的时钟、片选、输出。在时钟的驱动下，result左移并接收ad_ data，同时4 bit计数器记录左移次数，当计数器计满时读取result，获得16 bit模数转换结果。

图4　软件模块结构图

FIR数字滤波器(FIR_core)中clk、din、dout、rfd、rdy分别代表时钟、16 bit输入、16 bit输出、可以接收新数据标志和数据可以读取标志。这个模块是由IP核实现的，FIR滤波器的系数文件通过MATLAB的FDATOOL工具箱生成，通带范围为90Hz～1100Hz。当rfd为1将AD_Driver的result送至din，当rdy为1读取dout获得滤波后的数据。

D/A数模转换驱动(DA_ driver)中clk、rst、start、data分别代表时钟、复位、模块启动、16 bit待数模转换数据，da_cs、da_clk、da_data分别连接D/A芯片的片选、时钟、输入。在start上升沿模块开始工作，在时钟的驱动下data左移依次输出最高位到da_data。

快速傅里叶变换(FFT_core)中clk、start、xn_re、xn_im、xk_re、xk_im、xk_index、rfd、dv分别代表时钟、启动、8 bit输入数据实部、虚部、8 bit输出数据实部、虚部、序号、可以接收新数据标志、数据可以读取标志。这个模块是由IP核实现的1024点FFT，当rfd 为1将FIR_core的dout高8位送入xn_re，xn_im始终置0，当dv为1读取xk_re，xk_im，xk_index。

VGA显示控制(VGA_ctrl)中clk、rst、xk_re、xk_ im、xk_index、h_sync、v_sync、VGA_RGB分别代表时钟、复位、快速傅里叶变换结果实部、虚部、序号、VGA行同步信号、场同步信号、像素RGB值。根据频谱显示需要的频率对应的快速傅里叶变换结果的序号，筛选出实部、虚部经过CORDIC核［16］的运算得到选择频率的幅值。在时钟的驱动下，送出显示640×480分辨率频谱的数据。

3.2MATLAB联合仿真［17］

二进制波形激励文件使用MATLAB生成，为60 Hz、800 Hz和1 200 Hz的正弦合成信号。仿真输出结果写入文本文件中用以MATLAB处理分析。由仿真结果可知，频域波形中800 Hz频率分量没有衰减，60 Hz及1 200 Hz频率分量均有－30 dB以上的衰减;时域波形中输出信号没有明显失真，滤波器具有较好的性能。仿真效果如图5和图6所示。

图5　仿真前后的频域波形

图6　仿真前后的时域波形

3.3系统测试数据

软硬件平台搭建并仿真完成后，用函数发生器产生一个信号源来模拟声源，其频率范围为90 Hz～1.1 kHz，峰峰值在100 mV左右。将该信号从三极管接收电路的下一级电路接入，并调节至合适的放大倍数，对电路作进一步的测评与改进。实际测试得到的数据如表1所示。

表1　模拟信号源测试数据

4　实验结果

以650 nm波长的激光作为载波光信号，利用XILINX开发平台实现了自由空间音频信号传输及动态频谱显示，实验系统如图7所示。图8为一定距离内的一个音频信号通过自由空间光通信传播后到达接收端，在接收端进行多级模拟滤波和数字滤波后其频率分量的实时显示动态频谱图。从图中可以看到，音频信号的频率在90 Hz～1 100 Hz之间。

图7　实验系统展示

图8　动态频谱图

由于光信号采集难度比较大，为了提高可靠度，采用光电三极管反馈电路对原采集方法进行改进，降低了环境对信号采集的影响。采用Basys2自带的核去设计算法，有效地节省了资源，提高了运算效率。

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杨　丹(1993－)，女，汉族，陕西省宝鸡市人，东南大学电子科学与工程学院本科生，213113023@seu.edu.cn;

于　虹(1966－)，女，汉族，江苏省南京市人，东南大学MEMS教育部重点实验室教授，研究方向为微纳机电系统、光电子，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

中图分类号:TN929.12

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0817－04