CN104485993B - 一种车载可见光无线数字语音通信系统 - Google Patents

Abstract

一种车载可见光无线数字语音通信系统，包括发送模块和接收模块。发送模块包括数字音频采集单元、RS编码单元、PWM调制单元、LED驱动单元、LED发射单元，各电路单元依次连接；接受模块包括PIN光电探测单元、信号提取单元、PWM解调单元、RS译码单元、数字音频输出单元，各电路单元依次连接。本发明实现了陌生车辆间即时语音通信；基于的LED灯集汽车照明与通信一体，无需额外的信号发射源安装空间，也不占用紧缺的频谱资源。本发明语音信号传输的高速、可靠，集成度高、抗干扰能力强、成本低；可实现更大的通信距离和更可靠的通信；探测器精度高、响应度高，暗电流低，具有更高的通信速率和更强的抗干扰能力和传输信道的可靠性。

Description

一种车载可见光无线数字语音通信系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种车载语音通信系统。

背景技术

可见光通信(VLC)是在白光LED技术上发展起来的新型的无线光通信技术，它利用可见光波段作为信息载体，不使用光纤等有限信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信技术。在可见光通信系统中，白光LED具有通信与照明的双重功能，由于LED的调制速率非常高，人眼完全感觉不到其闪烁。近年来，随着全球范围对绿色能源和节能环保的高度重视，高亮度可见光LED由于其高能效、无污染等显著优点发展迅猛。白光LED正在逐步取代传统的白炽灯和荧光灯，成为下一代新型照明光源。LED的高速电光响应特性使得它们也可同时作为通信光源，实现短距离无线光通信，具有通信速率高、无频率限制、成本低、绿色环保等特点，可应用于高速网络接入、数字家庭、定位和导航、智能驾驶、特殊场景下的抗干扰通信等。

专利(申请号：201110284925一种基于LED可见光的语音信息通告系统)采用OOK调制方式对语音信号进行调制且最高带宽不超过100kHz，这种调制方式抗干扰能力比较差，并且通信速率较低。

随着汽车总量的不断攀升，在道路行驶中，越来越容易出现汽车拥堵和交通事故。目前，非常需要一种前后陌生车辆间高可靠、抗干扰能力强的即时语音通信技术。该技术可以实现在驾驶过程中，在不知对方手机号码情况下，即时语音沟通交流，避免拥堵、追尾等交通事故。

发明内容

为了实现陌生车辆间即时语音通信技术，减少汽车拥堵和交通事故，本发明提供了一种以Zed-board平台(FPGA+ARM)为核心的车载可见光无线数字语音通信系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种车载可见光无线数字语音通信系统，包括发送模块和接收模块。发送模块包括数字音频采集单元、RS编码单元、PWM调制单元、LED驱动单元、LED发射单元，各电路单元依次连接；接受模块包括PIN光电探测单元、信号提取单元、PWM解调单元、RS译码单元、数字音频输出单元，各电路单元依次连接。

所述发送模块和接收模块基于Zed-board(FPGA+ARM)为核心的平台实现。

所述数字音频采集、数字音频输出单元及RS编译码单元基于Zed-board平台的ARM-corter处理器核实现。

所述PWM调制、PWM解调单元采用脉冲宽度调制方式，基于Zed-board平台的可编程逻辑FPGA实现。

在发送模块中，数字音频采集单元块对话筒输入的模拟音频信号进行采集，转化为数字音频信号，并将数字音频信号传输至RS编码单元；RS编码单元对数字音频信号进行编码，并将数据传输至PWM调制单元。LED驱动单元对调制信号进行放大、耦合处理，并将耦合处理后的电信号传输至LED发射单元；LED发射单元将上述电信号转换为光信号，并通过无线传输的方式传输至PIN光电探测单元。

所述的LED驱动单元包括六个完全相同的驱动电路，所述的驱动电路包含恒流驱动器、外挂电阻、直流电源、变阻器、反相器、接地电容。恒流驱动器5脚与PWM调制单元输出端连接，恒流驱动器3,4脚接地，直流电源经外挂电阻与恒流驱动器1,2脚相连，直流电源经接地电容与大地相连，用于消除电压尖峰。反相器输入端与恒流驱动器2脚相连，反相器输出端经变阻器与LED相连，变阻器用于调节LED电压，从而改变LED发光功率。所述反相器可增强带负载能力。

所述的LED发射单元采用六个功率较大的高亮白光LED合并而成，形成2*3面阵LED发射单元。

在接收模块中，PIN光电探测单元接受到光信号，将光信号转换为电信号；信号提取单元将电信号进行提取、放大处理；PWM解调单元对电信号进行解调处理；RS译码单元对解调信号进行译码处理；数字音频输出单元将解码后的数字信号进行数模转换为音频信号。

所述的光电探测单元包括PIN光电探测器、前置放大电路、主放大电路。所述PIN光电探测器采用高精度的PC10-6探测器，所述PIN光电探测器与电阻R1组成闭合回路。所述前置放大电路运算放大器U1同相输入端接收PIN探测器输出的信号。所述运算放大器U1的输出端经电阻R2、R3与所述运算放大器U1的反向输入端组成负反馈电路。所述主放大电路运算放大器U2同相输入端接收运算放大器U1输出端的信号。所述主放大电路运算放大器U2同相输出端经电阻R4、R5与所述运算放大器U2的反向输入端组成负反馈电路。

所述的信号提取单元包括比较电路和整形电路。所述比较电路的运算比较器U3的输入端与运算放大器U2的输出端连接。所述运算比较器U3的反向输入端输入可调节的门值电压。所述门值电压由滑动变阻器R6与正负5V电源组成。所述整形电路由U4组成的单稳态触发电路组成。所述单稳态触发电路的运算器U4的TRI端接运算比较器U3的输出端。所述单稳态触发器电包括运算器U4、电阻R8及地电容C6、C7。

所述的RS译码单元对解调信号进行译码处理，并将数字信号传输至音频输出单元。所述数字音频输出单元将解码后的数字信号进行数模转换为音频信号。

所述的数字音频采集单元与数字音频输出单元采用WM8731芯片，上述LED驱动电路恒流驱动器采用DD311芯片，反相器采用74HC00芯片，LED采用正白光高亮CREEQ5灯珠。上述PIN光电探测器采用高精度的PC10-6探测器，上述LED探测电路运算放大器U1、U2采用AD8620芯片，上述信号提取单元电压比较芯片U3采用LM393芯片，单稳态触发电路芯片U4采用555芯片。

本发明所具有的优点：

1.本发明可以实现陌生车辆间即时语音通信技术，减少道路拥堵和交通事故的发生。

2.本发明基于的LED灯集汽车照明与通信一体，无需额外的信号发射源安装空间，有效节约车辆内空间。同时采用可见光进行信息的传递，不占用紧缺的频谱资源。

3.本发明基于Zed-board平台，软硬件协同设计。实现RS高速编解码和PWM调制解调，提高传输速率和减小突发错误，提高语音信号传输的可靠性，保证高速可靠的通信。

4.本发明在一块FPGA芯片上即可实现音频采集，RS编译码及PWM调制解调,集成度高、抗干扰能力强、成本低、开发周期短。PWM调制方式相比于传统的开关键控(OOK)调制，它具有更高的通信速率和更强的抗干扰能力，且采用RS编译码，带宽最高达1MHz，进一步提高传输信道的可靠性。

5.本发明采用恒流驱动器DD311+反相器74HC00组合作为LED驱动电路,并且将6个相同的LED驱动电路组合在一起作为LED驱动单元，驱动2*3面阵LED发射单元。该设计高度保真、驱动能力强，实现了更大的通信距离和更可靠的通信。

6、本发明PIN光电探测器采用高精度的PC10-6低暗电流系列PIN光电二极管，该探测器精度高、响应度高，暗电流低。

7、本发明采用精度极高的输入放大器AD8620进行两级放大，具有超低失调电压和漂移、电流噪声小，宽带宽等特性，可以有效放大微弱信号。采用LM393电压比较电路和单稳态触发电路整形、滤波，具有极低的误码率，并有效提高了探测距离。

附图说明

图1为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的总体框图。

图2为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的PWM调制示意图。

图3为为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的LED驱动单元的驱动电路图。

图4为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的LED驱动单元和发射单元的设计原理图。

图5为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的汽车车灯电路框图。

图6为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的PIN光电探测单元图。

图7为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的信号提取单元图。

图8为本发明所设计的车载可见光无线数字语音通信系统的基于FPGA的PWM解调器设计图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实例对本发明作进一步的阐述。

如图1所示为本发明实施例的一种车载可见光无线数字语音通信系统的总体框图。包括发送模块和接收模块。发送模块包括数字音频采集单元、RS编码单元、PWM调制单元、LED驱动单元、LED发射单元。接收模块包括PIN光电探测单元、信号提取单元、PWM解调单元、RS译码单元、数字音频输出单元。

发送模块和接收模块基于Zed-board(FPGA+ARM)为核心的平台实现。Zed-board平台配置了Flash和SDRAM，是一块独立的SOPC最小系统板，支持SOPC开发，支持基于Nios II软核处理器和多内核的开发。

数字音频采集、输出单元及RS编译码单元基于Zed-board平台的ARM-corter处理器核实现。PWM调制、PWM解调单元基于Zed-board平台的可编程逻辑FPGA实现。

本发明中发射和接收这两模块，属于两个不同的线程，各自独立运行互不影响，只有这样才能形成全双工通信。

数字音频采集单元采用WM8731芯片采集音频信号。WM8731芯片里面集成了线路输入、麦克风输入、耳机输出、90dB信噪比的ADC、可以选择的高通数字滤波器、高品质过采样率结构DAC、线路输出和耳机输出。WM8731芯片里面内置了晶体振荡器、可配置的数字音频接口和2或3线可选的微处理器控制接口等。可以选择工作在主时钟或者从时钟模式。

数字音频信号通过RS编码单元进行编码。

图2是PWM调制示意图。PWM波通常由一系列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。高电平矩形脉冲的宽度代表了不同的数字信息，据此PWM调制单元对RS编码后的信号进行调制。

如图3是LED驱动电路。其主要包括单通道大功率LED恒流驱动器DD311、白光LED、外挂电阻、直流电源+5V、变阻器、反相器74HC00、接地电容。单通道大功率LED恒流驱动器，可承受最大输出电压高达36V，输出电流可达1A。恒流驱动器的5脚输出使能端用于接收PWM调制信号，最大输入频率高达1MHz。恒流驱动器3,4脚接地，直流电源经外挂电阻与恒流驱动器1,2脚相连，对调制信号进行放大。直流电源经接地电容与大地相连，用于消除电压尖峰。反相器的输入端与恒流驱动器2脚相连，输出端输出放大后的高频语音数字信号。反相器输出端经变阻器与LED相连，使得放大后的高频语音数字信号加在变阻器和LED的两端，驱动LED高速频闪发送语音数字信号。变阻器用于调节LED电压，从而改变LED发光功率。反相器可增强带负载能力。

如图4是LED驱动单元和发射单元的设计原理图。在本设计中，因工作电源采用+5V，为了增强驱动能力，使用6个完全相同的驱动电路分别单独驱动6个白光LED，因此LED驱动单元采用6个完全相同的驱动电路合并而成，LED发射单元采用6个相同的高亮白光LED合并而成，形成2*3面阵LED发射单元。此单元可以实现了LED车灯发送信号与照明的功能合为一体，新颖而独特。

如图5为基于可见光通信改装后的汽车车灯电路框图，LED驱动单元与前照灯开关连接，将汽车前照灯作为LED发射单元，与LED驱动单元输出端相连。

当进行陌生车辆即时语音通信时，LED驱动单元信号输入端接受到信号，驱动汽车前照灯高速频闪发送信息，同时提供照明。当车辆正常行驶时，LED驱动单元信号输入端处于高电平状态，前照灯常亮，供正常照明。

LED发射单元将上述电信号转换为光信号，并通过无线传输的方式传输至PIN光电探测单元。从而发送模块完成了信号的采集、编码、调制、发送。

如图6，所述PIN光电探测单元探测到上述光信号，通过与电阻R1组成的闭合回路将光信号转换为电压信号。所述电压信号传输至前置放大电路U1芯片的同相输入端。所述前置放大电路的输出端与电阻R2、R3组成的负反馈放大电路对上述电信号进行放大，并将放大信号传输至主放大电路。所述前置放大电路放大倍数可以通过调节滑动变阻器R3进行调节。

如图6所示，所述主放大电路U2同向输入端接收到上述放大信号，所述主放大电路的输出端与电阻R4、R5组成的负反馈放大电路对上述放大信号进行主放大，并将主放大信号传输至信号提取单元。所述前置放大电路放大倍数可以通过调节滑动变阻器R4进行调节。

如图7，所述信号提取单元比较电路将上述主放大电信号转化为矩形波信号，并将矩形波信号传输至整形电路。所述比较电路门值电压可以通过滑动变阻器R6进行调节。所述整形电路采用555定时器组成的单稳态触发器，对矩形波进行整形并传输至PWM解调单元。

图8为PWM解调系统框图。它主要包括四个部分，即边缘检测、同步电路、信号提取和数据测量及输出。同步电路主要是完成符号同步、时隙同步和帧同步的功能。边缘检测单元主要检测PWM信号的上跳沿和下降沿，对数据进行计数，再把计数值输出即可。帧同步可以采用插入固定延迟码或同步头的方法实现。

所述RS译码单元接收到解调信号，进行译码。

所述数字音频输出单元将解码后的数字信号进行数模转换为音频信号。从而接收模块完成了信号的接收、提取、解调、译码、输出。实现了信息的接收。

作为本发明的一种优化结构，所述LED接收单元还包括聚光镜，所述聚光镜用于接收LED发射单元发出的LED光信号，并将所述LED光信号传输至PIN光电探测单元，采用所述聚光镜可以增强对LED光信号的接收强度。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种车载可见光无线数字语音通信系统，其特征是包括发送模块和接收模块；

所述的发送模块包括数字音频采集单元、RS编码单元、PWM调制单元、LED驱动单元、LED发射单元，各电路单元依次连接；数字音频采集单元对话筒输入的模拟音频信号进行采集，转化为数字音频信号，并将数字音频信号传输至RS编码单元；RS编码单元对数字音频信号进行编码，并将数据传输至PWM调制单元；LED驱动单元对调制信号进行放大、耦合处理，并将耦合处理后的电信号传输至LED发射单元；LED发射单元将上述电信号转换为光信号，并通过无线传输的方式传输至PIN光电探测单元；

所述的接收模块包括PIN光电探测单元、信号提取单元、PWM解调单元、RS译码单元、数字音频输出单元，各电路单元依次连接；PIN光电探测单元接收到光信号，将光信号转换为电信号；信号提取单元将电信号进行提取、放大处理；PWM解调单元对电信号进行解调处理；RS译码单元对解调信号进行译码处理；数字音频输出单元将解码后的数字信号进行数模转换为音频信号；

所述的发送模块和接收模块基于Zed-board(FPGA+ARM)为核心的平台实现；

所述的数字音频采集、数字音频输出单元及RS编译码单元基于Zed-board平台的ARM-corter处理器核实现；

所述的PWM调制、PWM解调单元采用脉冲宽度调制方式，基于Zed-board平台的可编程逻辑FPGA实现。

2.根据权利要求1所述的车载可见光无线数字语音通信系统，其特征是所述的LED驱动单元包括六个完全相同的驱动电路，所述的驱动电路包含恒流驱动器、外挂电阻、直流电源、变阻器、反相器、接地电容；恒流驱动器5脚与PWM调制单元输出端连接，恒流驱动器3,4脚接地，直流电源经外挂电阻与恒流驱动器1,2脚相连，直流电源经接地电容与大地相连，用于消除电压尖峰；反相器输入端与恒流驱动器2脚相连，反相器输出端经变阻器与LED相连，变阻器用于调节LED电压，从而改变LED发光功率。

3.根据权利要求1所述的车载可见光无线数字语音通信系统，其特征是所述的LED发射单元采用六个功率较大的高亮白光LED合并而成，形成2*3面阵LED发射单元。

4.根据权利要求1所述的车载可见光无线数字语音通信系统，其特征是所述的光电探测单元包括PIN光电探测器、前置放大电路、主放大电路；PIN光电探测器采用高精度的PC10-6探测器，PIN光电探测器与电阻R1组成闭合回路；前置放大电路运算放大器U1同相输入端接收PIN探测器输出的信号，运算放大器U1的输出端经电阻R2、R3与所述运算放大器U1的反向输入端组成负反馈电路，主放大电路运算放大器U2同相输入端接收运算放大器U1输出端的信号，主放大电路运算放大器U2同相输出端经电阻R4、R5与所述运算放大器U2的反向输入端组成负反馈电路。

5.根据权利要求1所述的车载可见光无线数字语音通信系统，其特征是所述的信号提取单元包括比较电路和整形电路；比较电路的运算比较器U3的输入端与运算放大器U2的输出端连接，运算比较器U3的反向输入端输入可调节的门值电压，门值电压由滑动变阻器R6与正负5V电源组成；整形电路由U4组成的单稳态触发电路组成；所述单稳态触发电路的运算器U4的TRI端接运算比较器U3的输出端；所述单稳态触发电路包括运算器U4、电阻R8及地电容C6、C7。