Page 71 - 《应用声学》2023年第3期

第 42 卷 第 3 期 崔红涛等： 跨金属厚壁的视频超声无线通信系统 509

行跨厚壁金属的超声视频无线传输。与SC-FDE 相
0 引言
比，SC-TDE实现简单、占用的逻辑资源更小 [12] ，因
厚壁密闭金属腔体是一类典型的国防和工业 此更有利于在小型设备上以较低功率搭建可用的
特种装备，它使得腔内高温、高压、甚至高爆炸和 通信系统。
高辐射性环境能够安全地与外界隔绝。实际应用
1 跨金属壁通信方案
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
跨金属壁超声通信通道结构如图 1 所示，由金
对腔内状态进行实时监控变得极为困难 [1] 。一直
属壁及位于其两侧正对的超声波换能器组成。其中，
以来，无线监控是以电磁波为通信载体进行信号无
两个超声换能器采用材料为PZT5 的圆形压电片制
线传输，而密闭金属腔体却会对电磁波形成屏蔽效
作而成，中心频率为 10 MHz，直径为 13 mm，中间
应 [2−3] 。另一方面，对于超声波而言，金属是其良好
用50 mm厚的铝板金属壁分开。在每个换能器和金
传输媒介，较低功率的超声波在金属中传播距离可
属壁之间是一层耦合剂凝胶，旨在提高各组件之间
达数米之遥，因此以超声波为通信载体进行跨厚壁
的声功率传输效率 [13] 。
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
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没有给出通信速率方面的数据，但立即吸引大量 ᑟ ᧛࡛ܞ ᑟ
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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-off keying,
OOK)、相移键控(Phase-shift keying, PSK) 和频移 图 1 超声通信通道结构
键控 (Frequency-shift keying, FSK) 常规调制方法， Fig. 1 Structure of ultrasonic communication
通信速率在数百 bit/s 至数十 kbit/s 之间 [9] 。随着 channel
正交频分多路复用 (Orthogonal frequency division
1.1 发送端
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 系统发送端结构如图 2 所示，现场可编程逻辑
实现了 Mbit/s 量级 [10] 。但研究者们很快发现，由 门阵列(Field programmable gate array, FPGA)通
于OFDM对频偏敏感和峰均功率比高，基于该技术 过串行摄像头控制总线(Serial camera control bus,
的跨金属超声通信系统较难稳定工作以及较难实 SCCB) 协议配置摄像头的寄存器，配置图像分辨率
现低功耗化。在2014年，余紫莹等 [11] 开始探索基于 为VGA(640×480)，一幅图像由307200个像素点组

单载波频域均衡 (Single carrier frequency-domain 成，像素点数据格式为 RGB565。为了解决摄像头
equalization, SC-FDE) 的跨金属超声通信，随后他 的采集图像速率和发送数据速率不一致的问题，系
们实现了 1.3 Mbit/s 的通信速率，在一定程度上避 统加入了一片容量 256 Mbit 的同步动态随机存储
免了 OFDM 技术的不足。现阶段，高速跨金属超 器 (Synchronous dynamic random access memory,
声通信的研究基本上可归纳为两类：OFDM 型和 SDRAM)作为图像数据的缓存器。FPGA将图像数
SC-FDE型。 据经过 SDRAM 的缓存后，对每一个像素点的数据
需要指出的是，尽管前人在跨金属超声通信领 中加入起始位、同步位、校验位、停止位和保护间
域取得了丰硕成果，但作为高速通信重要应用场景 隔位，像素点的数据结构如图 3 所示。然后 FPGA
的视频无线传输在本领域还鲜见报道。迄今为止， 配置数字振荡器(Numerically controlled oscillator,
前人研究工作基本上基于信号发生器、信号分析仪 NCO)IP 核产生频率为 10 MHz 的载波信号，通过
和示波器等专用通信测试仪器进行实验，而这往往 OOK调制方式将图像数据调制为数字带通信号，经
离实际应用还有较大距离。基于以上原因，本论文 过 D/A 转换电路和信号放大电路驱动发送端超声
尝试采用不同于 SC-FDE 的单载波时域均衡 (Sin- 换能器。发送端超声换能器由逆压电效应将电信号
gle carrier time-domain equalization, SC-TDE) 进 转换为超声波信号，穿透金属厚壁到达接收端。