基于FPGA和AOM的μ律语音光通信系统*

郭　成， 肖沙里， 彭光辉， 刘　峰， 马跃东

(1.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；2.华中光电技术研究所 武汉光电国家实验室，武汉 430223)



基于FPGA和AOM的μ律语音光通信系统*

郭成1， 肖沙里1， 彭光辉2， 刘峰1， 马跃东1

(1.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；2.华中光电技术研究所 武汉光电国家实验室，武汉 430223)

摘要：为了探索中低速率编解码算法在语音光通信方面的应用，设计了一套基于FPGA(现场可编程门阵列)和AOM(声光调制器)的μ律算法语音光通信系统；系统优化了μ律语音编解码算法，并将其移植到FPGA中，采用大气信道，双光路，全双工工作方式；光源为637 nm激光器和大功率LED，对激光器采用AOM(声光调制器)进行外调制，对LED进行内调制；利用系统进行了近距离双工通信和室内80 m距离通信实验，传输速率80 kbps，MOS≥3.0，信道误码率分别低于0.000 1%和0.001 2%，持续通话时长分别为2.3 h和1.5 h；结果表明：通信系统可以实现中低速率语音光通信。

关键词：FPGA； μ律算法；光通信；语音编解码；声光调制器

光通信(Optical Communication)是以光波为载波的通信方式。根据传输空间有限性，可以分为有限空间光通信和自由空间光通信(Free Space Optical Communication-FSO)。FSO系统无需光纤，相比于光纤通信而言具有宽带宽、保密性好、无需频率申请、体积小、功耗低、成本低廉等优点[1]。

利用FSO结合FPGA技术来进行语音数据的传输。采用μ律编码方式，简单实用音质较好[2]。选用了AOM配以Altera公司的DE2平台，实现了基于μ律编码解码方式的双工语音光通信系统。相比于其它通信方式，系统简单、易于搭建，并且成本低廉。

1系统概述

整个系统如图1所示，包含终端A和终端B两部分，每个终端均由光接收装置、光发射装置、驱动与信号处理电路、以及DE2语音编码解码平台组成。终端A和终端B完全分离，依赖于自由光传输信息。对于任意终端，光电探测器探测光信号，将其转换为电流信号。信号处理电路对电流信号进行I/V转换，之后进行去噪、整形、放大等处理，最后输出符合DE2平台GPIO接口电平标准的数字信号。DE2平台获取数字信号进行解码，再将解码后的信号做D/A转换，最后输出话音。

对输入话音DE2平台先进行A/D转换，再进行编码，编码后的信号作为AOM或LED的驱动信号输出。对于激光光源采取外调制方式，对于LED采取内调制方式[3]。终端A和终端B协同工作即可完成一定距离的全双工语音通信。

图1　系统流程Fig.1　System flow chart

2算法设计及FPGA实现

2.1声光调制原理

声光调制器(AOM)主要由声光介质、电声换能器、吸声材料和驱动电源组成。AOM利用声光效应，通过调制声强来调制衍射光强，从而对入射光束进行调制[4]。采用了中国电子科技集团26所研制的TSCMN-1型AOM对激光进行外调制，调制信号来自FPGA编码后的数字信号。AOM相关参数如表1所示。

表1　AOM相关参数

2.2μ律编解码算法

系统采用的是波形编码方式中应用最为广泛的的μ律编解码算法。μ律编码器的输入为14位样本，输出是8位的码字，信号的取样率是8 kHz，所以μ律编码器接收的数据率是8 000×14=112 000 bit/s。设压缩因子为1.75，编码器的输出数据率是64 000 bit/s。

μ律编码器接收14位有符号输入样本x，因此输入的范围是[-8 192，+8 191]。样本被归一化至[-1,1]区间，然后编码器使用如下对数表达式计算出一个在同样区间[-1，+1]中的8位输出值：

最后把输出值定标在[-256,+255]的范围。图2显示了当μ值分别取25、255、2 555三个值时的该函数的输入输出曲线图。量化误差随输入信号幅度增大而增大。当x为负值的时候，与x正值的情况恰好相反，输入输出均为负值。解码时采用逆运算求解原码，较大的样本会有较大的解码误差，而较小的样本有较小的解码误差。但是由于采用的是对数表达式，所以信噪比(SNR)不变[5]。

图2　μ取25、255、2 555时输入输出曲线Fig.2　Input/Output curve when μ=25,255 and 2 555

2.3算法优化设计

对于FPGA逻辑设计而言，采用上述μ律编解码算法，会存在浮点对数和乘法运算，将会有一定长度的时间延时和较大的资源开销。所以将上述μ律编解码算法进行优化使之成为更易于在FPGA上实现，资源消耗更少，延时更短的编解码方案。

如图3所示，将图2中纵轴y从0～128平均分为8段，分别为0～y0、y0～y1、y1～y2、y2～y3、y3～y4、y4～y5、y5～y6、y6～y7、y7～y8，在每一段所对应的横轴内又等分为16阶。这样，横轴0到8 159，纵轴0到128被划分为8×16个小段，横轴8段相邻两段呈现2倍的关系。这样每一个输入原码x，都会找到一个输出y与之对应。编码译码的特征正好符合小样本值精细量化，大样本值粗量化。

图3　分段示意图Fig.3　Segonentel diagrcm

根据这种新的编码思路，进一步分析，首先要确定输入原码的数量级，确定其会落入横轴的哪一段，因为有8种结果，将这一结果作为段码，用3位二进制表示。确定段码之后还需要确定输入样本具体会落入该段中哪一阶，用4位二进制数来表示，称其为阶码。3位段码加上4位阶码，再加上一位符号位便构成了8位编码输出。编码过程存在的量化误差随着段码的增加呈现2的幂指数倍增加。解码的过程与编码的过程相反。基于这种编码策略，提出了一种非常适合数字电路的编解码步骤，如图4所示假定输入13位样本数据。

图4　输入样本Fig.4　Input sample

编码步骤：在输入样本的绝对值上加上偏移量33；确定输入的第5位到12位中最高的有效位的位置；最高有效位的位置减去5，所得结果即为段码S2S1S0。最高有效位的位置后面4位就是量化码Q3Q2Q1Q0。编码器将样本中其他位作为量化噪声忽略掉。

解码步骤：量化码乘以2再加上33(偏移量)；段码作为指数求2的幂，再乘以第一步结果；所得结果减去偏移量；用P确定符号位。

以输入样本-656为例，负数决定P为1，656加上33为689，即二进制数00010101100012；5到12位最高位为第9位；段码为4即1002，量化码为第5到第8位01012，剩下的5位100012被作为量化噪声忽略掉。解码时，1012乘以2再加33为43；24乘以43为688；减去偏移量为655；加入符号位P，即为-655，量化误差为1。

2.4FPGA逻辑设计

利用FPGA来实现上述编解码策略，采用自顶向下的设计方法，FPGA实现编码时核心部分可以设计为3个主要功能模块，分别是编码模块、并串转换、串并转换；利用FPGA实现解码时也可划分为3个主要功能模块，分别是解码模块、并串转换、串并转换。完整的编解码实现过程如图5所示。μ律算法主要由编码和解码模块实现，另外DE2平台上的WM8731所提供的A/D后的音频数字信号为16位，需要将其转换为14位，使之符合μ律算法的规格[6]。将流图中的发射端和接收端，集成到一块FPGA中即可形成全双工系统中的终端A或终端B。

图5　编解码流程Fig.5　Encoding/decoding flow chart

3系统搭建与实验

3.1软件仿真验证

在QuartuesII中利用自带仿真器对FPGA设计进行了功能仿真和时序仿真验证。为了便于测试和处理，将编码和解码设计集成在同一个系统中进行仿真，即将编码后的数字信号作为解码算法的输入。仿真所需要的输入信号有50 MHz晶振信号、16位音频数字信号，1位ADCLRCK信号，需要测试的信号主要有编码输入信号quotient[13∶ 0]，编码后的输出信号与解码输入信号uout[7∶ 0]，解码后的输出信号result[13∶ 0]。另外两路数字信号ADdata[15∶ 0]、decode[15∶ 0]，分别为输入的16位音频数字信号及解码后左移2位的输出结果。

仿真结果如图6所示，需要验证编码后的结果uout[7∶ 0]与解码后的结果result[13∶ 0]的正确性。同时还要验证输入数字信号quotient[13∶ 0]与解码后result[13∶ 0]的误差和理论值的差异。逐一对编码输入、输出和解码输入输出进行了验算，与理论上按照编码解码算法的计算结果基本相符。出于稳定性的考虑，编码的输出相比输入延迟了一个数据的时间，因此需要比较的是quotient[13∶ 0]序列的第n个数据和result[13∶ 0]序列的第n+1个数据，又因为头2个仿真数据因为仿真开始时触发器不稳定，结果不具参考价值，所以n≥2。比较的结果显示误差随着编码输入的增大而增大，随着输入变小而变小，这一特点符合了μ律的特点。另外，对算法还做了时序仿真，与功能仿真相比除了出现微小的延时之外，其余均一致。功能仿真和时序仿真从侧面证明了算法的正确性。

图6　仿真结果Fig.6　Simulation result

3.2实验系统搭建与测试

搭建了一套完整的实验系统，系统使用了两块配置有EP2C35F672C6芯片的DE2平台。光源采用了功率为50 mW的红光激光器。因为红光激光器实验室只有一套，为了形成双光路，又使用了大功率的LED作为另一光源，激光器的信号接收装置为滨松公司生产的R212型号的光电倍增管，大功率LED对应的接收装置选用了高速光电二极管BPW21R。针对大功率LED和光电倍增管以及光电二极管分别研制了相应的调制电路、信号滤波整形电路。

利用实验系统在实验室内进行了全双工的试验测试，通过麦克风将话音输入，通过耳机听取声音，将室内灯光关闭，排除干扰杂光，在长达数个小时的测试中，获得了相对不错的音质，连续通话时长达到了2.3 h。按照MOS标准评分，平均值达到了4.0，传输速率80 kbps，重复实验测试信道误码率，平均值小于0.000 1%。加入了杂光干扰之后，音质略微变差。之后进行了80 m距离的走廊间测试，由于距离较长，拆除了发光LED和光电二极管，只保留单路信道和光源。连续通话时长达到了1.5 h，测试信道误码率小于0.001 2%，MOS值接近3.0。由于声光调制器AOM的通光孔径限制和光束发散随着距离增大而增大，因此实验过程中声光调制器紧挨激光器，激光通过AOM后光束会随距离增加而发散，待到120 m后已经十分微弱，因此实验系统并未进行更长距离的室外测试[7]。

4结束语

利用两块Altera公司DE2平台、激光器、LED发光二极管以及相关的光电探测器设备，实现了基于μ律算法的双工无线光通信系统。其通信速率为80 Kbps，室内近距离实测，信道误码率低于0.000 1%，持续通话时长2.3 h以上，MOS评分4.0。走廊间实测通信距离为80 m，信道误码率低于0.001 2%，持续通话时间为1.5 h以上，MOS评分3.0。首次尝试将传统的μ律压扩编码方式应用到无线光通信领域并取得了初步成功。考虑到激光器的功率以及可见激光需要对准的特殊条件，未来可以做出的改进：提高光电倍增管电路的信噪比，采用先进的纠错码机制，降低非信道因素的误码率；换用日盲紫外激光器，搭建一定范围内的非直视语音光通信系统[8]。通过以上改进，有望将μ律压扩编码算法光通信系统推向实用化。

参考文献(References)：

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WANG SH,XIAO SH L,PENG G H,et al.Research on PSK Modulation-based Laser Communication Systems[J].Study on Optical Communication,2015(2):64-66

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[3] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2006

FAN CH X,CAO L N.Communication Theory[M].Beijing:National Defense Industry press,2006

[4] 卢向东,张丽娟,欧伟英.声光调制器偏振特性的实验研究[J].光学技术，2006(s1):395-397

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[5] DAVID SALOMOM.Data Compression[M].New York：Springer-Verlag New York,1998

[6] 刘景华.王辛杰.基于WinCE5.0下WM8731音频驱动器设计[J].青岛理工大学学报，2011(1):77-80

LIU J H,WANG X J.Design of Audio Driver of WM8731 Based on WinCE5.0[J].Qingdao Technological University,2011(1):77-80

[7] 潘英俊,邹建,林晓钢.光电子技术[M].重庆:重庆大学出版社,2010

PAN Y J,ZOU J,LIN X G.Optoelectronic Technology[M].Chongqing:Chongqing University Press,2010

[8] 邹宇,肖沙里,李冠华,等.紫外无线光通信系统研究[J].重庆工商大学(自然科学版),2012,29(7):73-77

ZOU Y,XIAO S L,LI G H,et al.Research on Ultraviolet Wireless Optical Communication System[J].Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2012,29(7):73-77

责任编辑：田静

A Voice Optical Communication System Based on FPGA andAcoustic Optical Modulator

GUO Cheng1, XIAO Sha-li1, PENG Guang-hui2,LIU Feng1, MA Yue-dong1

(1.Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Education Ministry of China,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Wuhan National Laboratory for Opteolectronics,Huazhong Institute of Optoelectronic Technology, Wuhan 430223,China)

Abstract：A voice optical communication system based on FPGA and acoustic optical modulator(AOM) was proposed to explore the low rate codec algorithm for voice communication. The μ-law algorithm for voice codecs was optimized and then transplanted in FPGA. The communication system, which adopts atmospheric channels, is conducted in double optical path and full-duplex mode. Light sources of the system consist of a high power internal modulated LED and a 637 nm all-solid-state laser which is external modulated by AOM. For performance evaluation, a short-range communication experiment and a indoor 80 m communication experiment were conducted. In view of the above two cases, the achieved serial communication rate is both 80 kbps, and MOS rate is both higher than 3. However, the bit error rate for the 2 experiments is lower than 0.0001% and 0.0012%, and the call duration is 3 h and 1.5 h, respectively. Experimental results showed the capacity of using the system for low bit rate speech optical communication.

Key words：FPGA; μ -law algorithm; optical communication; Acousto-optical Modulators; Speech Codec

中图分类号：TN943

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)03-0016-06

作者简介：郭成(1989-)，男，陕西洋县人，硕士研究生，主要从事光通信研究.

*基金项目：国家自然科学基金项目(11075226)；中央高校基金(CDJZR10120009).

收稿日期：2015-10-13；修回日期：2015-12-02.

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0003.004