跨金属厚壁的视频超声无线通信系统

崔红涛 曹自平 孙超林

(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

0 引言

厚壁密闭金属腔体是一类典型的国防和工业特种装备，它使得腔内高温、高压、甚至高爆炸和高辐射性环境能够安全地与外界隔绝。实际应用中为不降低这类装备的力学强度，通常希望尽可能不在腔体上开孔甚至开窗，但这导致利用常规技术对腔内状态进行实时监控变得极为困难[1]。一直以来，无线监控是以电磁波为通信载体进行信号无线传输，而密闭金属腔体却会对电磁波形成屏蔽效应[2−3]。另一方面，对于超声波而言，金属是其良好传输媒介，较低功率的超声波在金属中传播距离可达数米之遥，因此以超声波为通信载体进行跨厚壁金属的无线实时监控完全具有可行性[4−7]。

跨金属超声无线通信技术的研究在可查文献上可追溯至2000 年Hobart 等[8]的工作，尽管他们没有给出通信速率方面的数据，但立即吸引大量研究者在这一领域持续跟进。在早期阶段，相关报道集中于采用二进制启闭键控(On-offkeying,OOK)、相移键控(Phase-shift keying,PSK)和频移键控(Frequency-shift keying,FSK)常规调制方法，通信速率在数百bit/s 至数十kbit/s 之间[9]。随着正交频分多路复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术的兴起，该技术逐渐被引入超声跨金属通信领域，在2010年前后通信速率实现了Mbit/s 量级[10]。但研究者们很快发现，由于OFDM对频偏敏感和峰均功率比高，基于该技术的跨金属超声通信系统较难稳定工作以及较难实现低功耗化。在2014年，余紫莹等[11]开始探索基于单载波频域均衡(Single carrier frequency-domain equalization,SC-FDE)的跨金属超声通信，随后他们实现了1.3 Mbit/s 的通信速率，在一定程度上避免了OFDM 技术的不足。现阶段，高速跨金属超声通信的研究基本上可归纳为两类：OFDM 型和SC-FDE型。

需要指出的是，尽管前人在跨金属超声通信领域取得了丰硕成果，但作为高速通信重要应用场景的视频无线传输在本领域还鲜见报道。迄今为止，前人研究工作基本上基于信号发生器、信号分析仪和示波器等专用通信测试仪器进行实验，而这往往离实际应用还有较大距离。基于以上原因，本论文尝试采用不同于SC-FDE 的单载波时域均衡(Single carrier time-domain equalization,SC-TDE)进行跨厚壁金属的超声视频无线传输。与SC-FDE 相比，SC-TDE实现简单、占用的逻辑资源更小[12]，因此更有利于在小型设备上以较低功率搭建可用的通信系统。

1 跨金属壁通信方案

跨金属壁超声通信通道结构如图1 所示，由金属壁及位于其两侧正对的超声波换能器组成。其中，两个超声换能器采用材料为PZT5 的圆形压电片制作而成，中心频率为10 MHz，直径为13 mm，中间用50 mm厚的铝板金属壁分开。在每个换能器和金属壁之间是一层耦合剂凝胶，旨在提高各组件之间的声功率传输效率[13]。

图1 超声通信通道结构Fig.1 Structure of ultrasonic communication channel

1.1 发送端

系统发送端结构如图2 所示，现场可编程逻辑门阵列(Field programmable gate array,FPGA)通过串行摄像头控制总线(Serial camera control bus,SCCB)协议配置摄像头的寄存器，配置图像分辨率为VGA(640×480)，一幅图像由307200个像素点组成，像素点数据格式为RGB565。为了解决摄像头的采集图像速率和发送数据速率不一致的问题，系统加入了一片容量256 Mbit 的同步动态随机存储器(Synchronous dynamic random access memory,SDRAM)作为图像数据的缓存器。FPGA将图像数据经过SDRAM 的缓存后，对每一个像素点的数据中加入起始位、同步位、校验位、停止位和保护间隔位，像素点的数据结构如图3 所示。然后FPGA配置数字振荡器(Numerically controlled oscillator,NCO)IP 核产生频率为10 MHz 的载波信号，通过OOK调制方式将图像数据调制为数字带通信号，经过D/A 转换电路和信号放大电路驱动发送端超声换能器。发送端超声换能器由逆压电效应将电信号转换为超声波信号，穿透金属厚壁到达接收端。

图2 系统发送端结构Fig.2 Structure of the system sender

图3 像素点的数据结构Fig.3 Data structure of pixels

1.2 接收端

系统接收端结构如图4 所示，接收端超声换能器由正压电效应将接收到的超声波信号转换为电信号，经过信号放大电路、模拟带通滤波电路和A/D转换电路传输给接收端FPGA。FPGA将接收到的信号经过自适应时域均衡器消除超声回波信号，然后将数字调制信号解调为数字基带信号，经过SDRAM的缓存后驱动VGA显示器显示图像。

图4 系统接收端结构Fig.4 Structure of system receiver

设计完成的系统实物如图5 所示，其中，系统主控制器FPGA 采用Altera 公司的Cyclone IV E 系列的EP4CE16F17C8 芯片。摄像头采用Omni Vision 公司生产的OV7725。D/A 转换电路采用转换速率125 MHz 的高速转换芯片AD9708，A/D转换电路采用转换速率32 MHz 的高速转换芯片AD9280。信号放大电路采用高速运放ADA4870芯片，最大输出电压±20 V，用于放大由FPGA 产生的数字调制信号。

图5 系统实物图Fig.5 Physical drawing of system

2 回波消除技术

测试的信道脉冲响应波形如图6 所示。将FPGA 产生的单脉冲激励信号加载在发送端超声换能器上，激励压电晶片发出超声波信号，经金属信道的传输衰减，采用数字示波器Agilent 2012A采集信号波形。可以看出除主脉冲响应信号外还有几个超声波回波产生，回波效应对超声波的影响非常明显，它是导致超声波通信误码率较高的主要因素之一[14]。为实现超声波高速通信，系统采用基于SC-TDE技术的自适应时域均衡器消除回波。

图6 信道的脉冲响应Fig.6 Impulse response of channel

2.1 基于符号LMS的自适应时域均衡器

在利用FPGA 构建自适应时域均衡器的过程中，考虑到运算量和硬件资源等因素，系统采用符号最小均方(Least mean square,LMS)算法来实现自适应时域均衡器。符号LMS 算法是LMS 算法的简化，它只给出梯度迭代的方向，而不给出具体的梯度值，因此运算量更少，运算速度更快[15]。算法的运算步骤为

其中，输出信号y(n)等于滤波器系数向量w(n)与输入信号x(n)的卷积。而滤波器系数向量不断根据误差信号e(n)更新，误差信号为期望信号d(n)与实际输出信号y(n)的差，sign[e(n)]是对e(n)取符号运算，µ为加权向量更新时的步长因子。

2.2 自适应时域均衡器的硬件实现

自适应时域均衡器的实现分为两个阶段。在自适应训练阶段，将未穿透金属壁的系统发送端信号作为自适应时域均衡器的期望信号，穿透金属壁的信号作为输入信号，训练获得自适应时域均衡器的滤波器系数。在工作阶段，均衡器的系数保持不变，既能满足对环境的适应性，又可以减少计算量[14]。

基于自适应时域均衡器实现过程中所需完成的各种操作，在FPGA 中相应为其划分不同模块：卷积模块、误差计算模块、系数更新模块和控制模块。其模块框图如图7所示。

图7 自适应时域均衡器的FPGA 实现模块框图Fig.7 FPGA implementation block diagram of adaptive time domain equalizer

完成自适应时域均衡器设计和实现后进行了实验测试，图8(a)为超声波信号穿透金属壁均衡前的信号波形，信号有效值(Effective value,EV)为0.707 V，噪声EV 为0.212 V，接收信噪比为10.46 dB。经过自适应时域均衡器后的波形如图8(b)所示，信号EV 为0.636 V，噪声EV 为0.0707 V，接收信噪比提高到19.08 dB，验证了自适应均衡器能有效消除回波信号，提高接收信噪比。

图8 均衡前后的信号波形Fig.8 Signal waveform before and after equalization

3 实验结果

完成系统设计和实现后对该系统进行了实验测试，使用Signal Tap 逻辑分析仪对接收端FPGA进行在线仿真，得到的波形如图9 所示。其中，首行的信号是A/D 转换后的数据，依次经过自适应时域均衡器处理、数字整流、有限冲激响应(Finite impulse response,FIR)数字低通滤波和判决之后最终输出解调后的数据。从在线仿真图中可以看出，FPGA 解调的数据和接收的波形一一对应，验证了系统能够对接收的数据实现正确解调。

图9 Signal Tap 逻辑分析仪在线仿真图Fig.9 Online simulation diagram of signal tap logic analyzer

测试场景如图5 所示，系统以DJ440-NB 型数控伺服雕刻机的控制设备和雕刻设备作为发送端摄像头的拍摄对象。金属厚度越厚信号衰减越大，误比特率(Bit error rate,BER)越高[16]，穿透50 mm 和60 mm 铝板接收端解调显示的图像分别如图10 和图11 所示。可以看出穿透50 mm 铝板时图像清晰，而穿透60 mm铝板时图像有失真。

图10 穿透厚度50 mm 铝板解调显示的图像Fig.10 Demodulate the displayed image through 50 mm thick aluminum plate

图11 穿透厚度60 mm 铝板解调显示的图像Fig.11 Demodulated the displayed image through 60 mm thick aluminum plate

表1 给出了穿透不同厚度铝板得到的平均BER，在穿透60 mm 铝板、传输速率为4 Mbit/s时，每帧图像平均BER接近10−1，从图11可以看出解调显示的图像有失真。在穿透50 mm 铝板、传输速率为4 Mbit/s 时，每帧图像平均BER 达到10−3，从图11可以看出解调显示的图像清晰，是系统最佳工作状态。

表1 穿透不同厚度铝板得到的平均BERTable 1 Average BER obtained by penetrating aluminum plates with different thickness

4 结论

本论文基于普及型FPGA 芯片采用SC-TDE技术成功搭建了一套高速的跨金属超声无线通信系统。该系统以工作频率10 MHz 的PZT 超声换能器作为超声波发射端和接收端，以计算资源占用小的符号LMS 算法在FPGA 中构建自适应时域均衡器，搭载摄像头进行视频现场采集，开展了厚度50 mm铝板双侧之间的实时视频无线传输实验。结果表明该系统在穿透50 mm 厚铝板时，自适应时域均衡器能较好地消除超声回波所引起的码间干扰，接收信噪比由原来的10.46 dB 提高到19.08 dB，可以进行实时性良好的视频无线传输。由于整套通信系统未采用专用仪器设备和对计算资源占用较小，预期经进一步完善后可实现系统的便携化和低功耗化，从而使之实用化成为可能。