无线激光通信在高速视频传输中的应用 (1).docx

Vol. 3 No. 3June 2010第3卷第3期中国光学与应用光学2010 年 6 月Chinese Journal of Optics and Applied Optics文章编号 1674-2915(2010)03-0290-06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)摘要:利用无线激光通信传输速率高的优势，设计并实现了一套622 Mbps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。关键词：激光通信;视频传输；乒乓操作；曼彻斯特编码;FPGA 中®分类号:TN929.12文献标识码：AApplication of wireless laser communicationto high speed video transmissionLIU JieH2, 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, C/?z7?6z)Abstract: 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 is made 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-收稿日期：2010-02-16修订日期：2010-04-13基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目(2008AA8080502)vides a platform for further research on laser communication technologies.Key words: laser communication ； video transmission ； ping-pong operation ； Manchester code ； FPGAT T A FPGA tz ffl| 卜八、cHp 八二,ir限幅放大互阻放大PIN管驱动器激光二极管j:天线°显示器3软件控制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52,我国在这方面的研究起步较 晚，但发展较快12。本文在学习和借鉴国内外研究的基础上八独 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27 MB/s的速率送至FPGA,经FPGA处理后转 换成77. 76 MB/s的并行信号，并串转换芯片，将该 信号串化为622 Mbps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622 MHz时钟和相应的串行数据，经过串并转 换芯片解串后得到77. 76 MHz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。I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名称参数值数据速率27 MB/s传输速率622 Mbps平均功率36.7 mW发散角1.5 mrad探测器灵敏度一 29 mdB接收透镜口径75 mm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T作主要是对12c总线的读写。根据12c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。Fig. 2 FSM of configuration¥配置序具有良好的通用性和稳定性，稍加改动即可应用于其它12c总线芯片的读写控 制。 32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27 MHz速率收发而激光通信模 块中的并行信号以77. 76 MHz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。以发射端为例，输人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。发送缓冲(a) Transmitting buffer发送数据A/D 图像 数据(b)接收端(b) Receiving bufferA像据 D/图数图3乒乓操作Fig. 3 Ping-pong operation3.3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，。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，有利于从串行尊据流检测字节边界以及同步 控制。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311 Mbps,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 49)所示，接收端接收并解码后的波形如 图4(b)所 示。(J-UTLTUTJ-LJ-LJ-LJ-LJ-U-LrLJ-U-LJ-U-U-LJ-LnLJ-U-Lrn 厂=i r-t , ij i7"""?L-=n i- r -n ；WfqnuTJtLruTnLnjvMLrun nuuwXfuuMijuiL4LruTnLrurur发送端仿真时力图(a) Simulation wavefbnn in transmitter502? MIO77 MH/CRSr»rslWlK'ljlS daiuom Iwdullla小 wrreq?Q daUMHiGwrliill?r<jieq2ffi Q2 i"n "丁 i o rn。rn ° rn。i 】i。门 o 厂门（）rn。rn。q i。）。V co .X Cl x X C3 X C4 X C5 X C6 X C7 >< 80 X 81 ,110111 011101110111 |o|iLo .11011n0''1 o11 oii1 0000O'111!01(b)接收端解码后波形图(b) Decoded waveform in receiver图4曼彻斯特编解码Fig. 4 Manchester coding and decoding3.4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OxCC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”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OxCC。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 人码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 插入码后立即进人准备状态，准备接收有效数据， 一旦检测到插人码结束，即开始接收一组有效视频 数据，并写人一个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27 MHz的速率连续读取3个FIFO 即可，每次读取HFO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：其中为振幅#（、）为接收点光 束腰粗。根 W（2）据系统的各项参数可以粗略地计算出理论最大通信 距离为6.3km o本文受到简易跟瞄装置的限制，进行了短距离的实验，实验环境为楼内长廊，发射机 和接收机相距约HO m,时间为夜晚。图5接收信号波形Fig. 5 Waveform of receiving signal接收端恢复后的622 Mbps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。参考文献：1 马惠军，朱小磊.自由空间激光通信最新进展"激光与光电子学进展，2005,4269.MA H J, ZHU X L. 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(in Chinese )作者简介: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咸兔哮根(权用利)中或核必期科(物理口爹矣；无残电电冬哮、电信技术类)发光学报是中国物理学会发光分会与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所共同主办的中国 物理学会发光分会的学术会刊。该刊是以发光学、凝聚态物质中的激发过程为专业方向的综合性学术刊物。发光学报于1980年创刊，曾于1992年，1996年，2000年和2004年连续四次被中文核心期刊要 目总览评为“物理学类核心期刊”，并于200()年同时被评为“无线电电子学、电信技术类核心期干。 2000年获中国科学院优秀期刊二等奖。现已被中国学术期刊(光盘版)、中国期刊网和“万方数 据资源系统”等列为源期刊。英国科学文摘(SA)自1999年；美国化学文摘(CA)和俄罗斯文 摘杂志(AJ)自2000年；美国剑桥科学文摘社网站自2002年；日本科技文献速报(CBST, JICST) 自2003年已定期收录检索该刊论文;2008年被荷兰“Elsevier Bibliographic Databases”确定为源 期刊。2001年在 国家科技部组织的“中国期刊方阵”的评定中，发光学报被评为“双效期刊”。2002年获中国科学院 2()012002年度科学出版基金“择重”资助。2004年被选人中国知识资源总库中国科技精品库。本刊内容丰富、信息量大，主要反映本学科专业领域的科研和技术成就，及时报道国内外的学术动态， 开展学术讨论和交流，为提高我国该学科的学术水平服务。发光学报为双月刊，A4开本，144页，国内外公开发行。国内定价：4()元，全年240元，全国各地 邮局均可订阅。发光学报欢迎广大作者、读者广为利用，踊跃投稿。主管单位：中国科学院主办单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国物理学会发光分会地址:长春市东南湖大路3888号发光学报编辑部邮 编：130033电话：(0431) 86176862, 84613407E-mail ； fgxbt 126. com国内统一刊号：CN 22-1116/04国际标准刊号- ISSN 1000-7032国内邮发代号：12-312国外发行代号：4863BMhttp:/www. fgxb. org