基于APD的紫外光语音通信系统设计

基于APD的紫外光语音通信系统设计
王荣阳;袁永刚;李向阳
【摘要】设计了一套基于雪崩光电二极管(APD)的紫外光语音通信系统,系统分为硬件电路、软件和光学系统三个部分.采用先进多带激励(AMBE)编码和开关键控(OOK)调制技术,使语音通信速率降低到2.5kb/s.实验表明,该系统在光功率仅为纳瓦量级时仍能完成实时语音通信,系统的研制对日盲APD的制造和应用具有现实的指导意义.%Based on the avalanche photodiode (APD), an UV speech communication system was established. The system consisted of three parts, which were hardware circuits, software and optical system. Advanced Multi-Band Excitation (AMBE) codec and On-off Keying (OOK) modulation scheme were adopted to com press the data rate as low as 2.5kb/s. The indoor experiment results indicated that real time NLOS speech communication could be implemented even the received optical power was only several nanowatt. The devel opment of UV speech communication system is of importance to the application and fabrication of solar-blind APD.
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2011(035)010
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】紫外光通信;APD;AMBE2020;紫外LED
【作者】王荣阳;袁永刚;李向阳
【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.12
0 引言
紫外光通信是一种以大气对紫外光的散射和吸收为基础，以日盲波段（200～280nm）紫外光为载波，利用一定的编码和调制方式将信息加载在紫外光源上驱动其发出不同频率或者脉冲的光信号，在接收端配以高灵敏度探测器和解调、解码等电路实现信息传输的一种短距离（＜10km）、低速率的通信方式。

它的特点是不易被探测和截获，不受电磁干扰的影响，只要探测器在发射端紫外光信号散射区域内，就可以跨越障碍实现收发端非直视（NLOS）的链接，光源的辐射功率也可根据需求调至最小，使第三方设备无法探测或干扰，这使得紫外光通信成为无线通信领域的重要补充。

常规的紫外光通信系统使用气体放电灯作为光源，光电倍增管（PMT）加滤波片作为探测器，虽然可以实现通信的功能，但是具有工作电压高、体积大、效率低、易破碎、工作时需要滤波片等很多无法逾越的缺点[1]。

随着半导体技术的发展，紫外LED和紫外APD有逐渐取代气体放电灯和PMT的趋势[2]。

设计了一套便携的、以LED作为光源、APD作为探测器的紫外光语音通信系统，用AMBE2020
和FPGA实现了信号的编解码、调制解调工作，并在室内成功进行了实时的语音通信。

由于目前日盲波段的LED和APD探测器价格昂贵且难以获得，所以采用365nm波段代替，其散射系数比日盲紫外光下降很小，并不影响系统的原理和总体构建[2]。

实验表明，即使通信速率低至2.5kb/s，日盲紫外光通信系统也可以实现清晰的语音通话效果。

1 系统总体原理
基于APD和LED的紫外光语音通信电子学子系统主要由音频采集模块、模数转换（ADC）及音频编码模块、FPGA调制模块、LED驱动模块、APD光电转换及滤波整形模块、FPGA解调模块、音频解码及数模转换模块（DAC）、功放驱动模块组成。

在发送端，由麦克或音频播放器输入的音频信号经过放大输入到ADC，采样并完成模数转换后输入编码器进行AMBE算法的音频压缩，编码器在FPGA的控制下按一定编码结构输出完整帧，FPGA提取出每个完整帧里的有效音频信息并进行开关键控（OOK）或脉冲位置调制（PPM），调制后的信号送给LED驱动电路驱动UV LED发光，UV LED发射的光束透过由石英透镜组构成的光束调整系统，可以满足不同的光束发散角要求。

在接收端，由石英透镜组或者复合抛物面聚光镜（CPC）构成的光学集光器收集微弱的紫外光信号并集中照射到APD的光敏面，APD模块将光信号转换为电信号并进行放大、滤波和整形，FPGA从整形后的信号中完成帧同步、解调和完整帧组合，然后送入AMBE解码器进行解码，解码后的音频数字信号送给DAC进行数模转换，最后经过音频功率放大器来驱动扬声器或耳机发声。

2 系统的电子学硬件设计
电子学硬件设计与调试是紫外光通信系统设计的核心，根据系统原理图可知硬件电路由多个子电路模块组成，本节介绍其中主要的几个模块。

2.1 AD与编码调制电路
在发射端，模拟音频信号首先要经过模数转换后才能送给编码器，FPGA从编码器输出的完整帧中提取有用的音频信息，然后对其进行通信协议的调制，进而驱动LED发光。

在接收端类似，只不过多了帧同步的步骤。

本设计中AD/DA芯片采用TI公司的PCM3500，它支持 7.2～26kHz采样率，16bit量化，带有环路自测、高通滤波、时隙控制等功能，这款芯片外围电路配置简单，不需要复杂的时序就能完成AD和DA工作[3]。

音频编码采用DVSI公司生产的AMBE2020芯片，这是一款极其灵活、高性能的单片实时语音压缩芯片，采用AMBE语音压缩算法，支持2.0～9.6kb/s的语音传输速率、0～7.2kb/s的前向纠错（FEC）速率，并具有语音激活检测、双音多频信号检测、回声自消除等功能。

图2给出了发射端PCM3500、AMBE2020、FPGA主要管脚的互连方法，注意AMBE2020必须设置为支持8kHz、16bit线性编码以适应PCM3500的输出[4]。

图1 基于LED和APD的紫外光语音通信系统原理图
图2 AMBE2020与PCM3500、FPGA的主要管脚互连
2.2 APD前置放大电路
APD是一种工作于一定反偏电压下的、具有内增益的半导体光电探测器。

它利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应获得很高的光电流增益。

相比PMT，APD在弱光探测和应用方面有很多优点：APD有相当高的量子效率，较高的光谱响应抑制比；对入射光强的线性响应动态范围要比PMT高两个量级，而且光响应具有相当好的位置一致性；APD容易做成阵列，能够胜任有体积限制或抗磁抗震性能要求较高的应用场合；APD的恒温保持、增益控制和应用配电也都比PMT简单。

APD的这些特点决定了其在弱光探测相关应用领域具有广阔的应用前景[5]。

根据反偏电压值的不同，APD可以工作在线性模式和盖革模式[6]。

线性模式下，APD 两端的偏压接近雪崩击穿电压，内增益为一常量，暗电流较小，容易满足通信的实时性、可靠性、准确性要求，所以在通信系统中一般选择APD工作模式为线性模
式。

设计中，APD前置放大电路由跨阻放大器、二级运算放大器、比较器以及降压/升压模块组成，经过Pspice仿真，带宽控制在100kHz，能满足声音信号（主要集中在20～4kHz）的带宽需求。

APD工作在152.4V反向偏压下，串联1M的限流电阻，可防止电流过大引起器件损坏。

跨阻运算放大器（TIA）把APD输出的光电流转换为电压，经过二级运放（增益可调）后送入比较器进行整形，最终输出波形良好的脉冲信号给FPGA 处理。

3 系统的软件设计
软件部分主要完成与AMBE2020的通信、信号的调制、帧同步等功能。

选用Altera公司的Cyclone系列芯片EP3C10E144C8，采用Verilog HDL完成芯片的功能配置，并在Quartus II 8.0下进行了功能和时序仿真。

下面简要介绍AMBE的工作原理以及设计与FPGA信道接口时需注意的问题。

3.1 AMBE2020工作原理
AMBE2020的信道接口为SPI接口，在输入/输出时钟的控制下完成数据的输入/输出。

共有四种工作模式，分别是主动帧、主动非帧、被动帧、被动无帧模式。

在主动帧模式下，AMBE2020每20ms输出一帧编码的数据，共384位，其中前192位为帧头，包括了同步以及控制字信息，后192位为真正要送入信道传输的语音压缩数据。

当通信速率设置为2kb/s时，后192位只携带40位语音压缩数据，其余152位补0；当通信速率设置为9.6kb/s时，后192位全部填满语音压缩数据。

为了使每个光脉冲发射的光功率尽量大，应选择较低的通信速率，日盲紫外光通信系统选择2kb/s来进行通信。

AMBE2020功能管脚的设置可通过上拉或下拉电阻接入3.3V或地，也可通过FPGA的IO管脚编程设置。

芯片的编码工作过程如下：系统复位后，EPR管脚由高电平变为低电平，标志编码已经开始，
20ms后输出第一帧数据。

接下来输出的步骤如下[4]：
①等待略小于20ms；
②激活CHAN_TX_STRB，并读取CHAN_TX_DATA上的数据；
③如果帧头不是0x13EC，丢弃数据并重复步骤2；
④如果帧头是0x13EC，在每个CHAN_TX_CLK的上升沿继续输出数据。

图3给出了编码端信道接口的时序图，CHAN_TX_CLK周期应大于488.3ns，在时钟的上升沿发送数据，注意在主动帧模式下EPR每帧都会由高到低变化，这在芯片手册中并未给出。

3.2 需注意的问题
①AMBE2020芯片是半双工芯片，可以通过配置ENCODER_EN管脚来选择。

ENCODER_EN=1时为使能编码，ENCODER_EN=0时为使能解码。

AMBE2000芯片不具有此功能。

②PCM3500芯片的位时钟输出BCK必须经过反向器反向后才能送入AMBE2020芯片。

③在发射端提取出有用语音信息后，必须加上帧同步头，以便于在接收端实现帧同步。

④通过硬件方式配置AMBE2020的功能管脚时仅在RESETN信号出现之后的200ms内有效，之后再改变管脚电平会被忽略，除非下一个RESET信号出现。

4 测试结果
图3 AMBE2020编码数据输出时序图
由于日盲紫外光通信系统采用365nm紫外光作为载波，日光下存在较强的背景辐射，即使是在晚上，路灯、建筑灯光等也存在较强的365nm背景噪声，所以只能进行黑暗环境下的室内测试。

系统发射端（Tx）的LED经过透镜调整发散角后朝天花板发射紫外光束，接收端（Rx）在距离 Tx 10m 处，视场角（FOV）可调，
通信速率设定在2.5kb/s。

图4是使用LabMax_top光功率计测量的365nm LED 辐射光功率随距离的变化。

可以看出，由于大气的吸收和散射，紫外光在空气中传播时受到强烈的衰减，在距离光源5m以外，接收到的光功率低于0.1μW，在
10m处仅为几纳瓦。

在152.4V的偏压下，APD的内增益为50，响应率为8A/W，TIA放大倍数为
106V/A，二级运放闭环最大增益为70倍，所以总的响应度约为6×108V/W。

APD接收到的光功率大约为3nW，APD输出光电流为24nA，暗电流为10nA，信噪比为2.4：1，在示波器上观察到的经过放大、滤波、整形后APD模块输出的信号如图5所示。

由此可以看出，系统的工作性能满足要求。

图4 紫外LED辐射光功率随距离的变化
图5 APD模块输出的信号
5 结束语
由于现阶段日盲波段LED功率极小，且价格较高，本文提出使用可见盲LED进行原理验证的方案，并成功进行了室内实时的语音通信。

通信速率在2.5kb/s时仍能保持清晰的通话，低速率的意义在于使脉冲展宽和码间串扰对系统的影响降到最小。

日盲紫外光通信系统的后续工作包括误码率（BER）测试、通信距离测试、各种调制方式对系统性能的影响、系统几何结构优化等。

整个系统的创新点在于利用APD作为系统的探测器，并设计了性能良好低噪声前置放大电路，国内外APD应用于紫外光通信还处于理论研究阶段，而日盲紫外光通信系统的研制成功则为日盲紫外探测器的应用奠定了基础，并对APD的制作提供了参数指标。

参考文献：
[1]XU Z Y,BRIAN M S.Ultraviolet Communications:Potential and State-of-
the-Art[J].IEEE Communications Magazine,2008,46（5）:67-73.
[2]GARY A S,ANDREW M S,JOSHUA M.Extending the Range and
Performance of Non-Line-of-Sight Ultraviolet Communication
Links[C].Proc.of SPIE,2006,6231C:1-12.
[3]PCM3500Datasheet[S].Texas Instruments,Inc.2000:12-19.
[4]AMBE-2020TM Vocoder Chip User's Manual[Z].Digital Voice Systems,Inc.2008:22-40.
[5]GARY A S,ANDREW M S,JOSHUA M,et al.Deep UV Photon-Counting Detectors and Applications[C].Proc.of SPIE,2009,73220J:1-15.
[6]SIMON V,MCINTOSH K A,RICHARD J M,et al.GaN Avalanche Photodiodes Operating in Linear-Gain Mode and Geiger Mode[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2001,48（3）:502-511.。