Infrared optical communication

Audio transmission system based on infrared optical communication Yu Xiaoqiang (School of Optoelectronic Information and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093) 1 Introduction As a widely used wireless connection technology in the world, infrared communication technology has been widely used in point-to-point high-speed data communication such as device interconnection and information gateway due to its excellent performance in terms of security and environmental protection. However, the PPM signal modulation method used in the commonly used infrared light-emitting diode modulation circuit cannot complete high-speed continuous and stable transmission. For example, wireless communication devices such as TV remote controls and air conditioner remote controls cannot complete high-speed point-to-point transmission of large amounts of data [1]. As mentioned in reference 1, this method can only complete low-speed intermittent transmission. The FIR device TFDU6103 used in this paper has a built-in IrDA1.1 high-speed infrared communication protocol, which can complete high-speed point-to-point data communication at a certain distance and divergence angle. In addition, in the process of audio data decoding and output, a power amplifier circuit is designed to increase the output load capacity, and the system achieves the following technical indicators: (1) Infrared communication rate 115200bit/s. (2) Transmission decoding audio frequency 10Hz~20KHz. (3) Audio decoding output, 8 ohm load, when no signal is input, the voltage is less than 0.1V, and the effective value of 800Hz single-tone audio output voltage is not less than 0.7V. 2 Audio data transmission system design 2.1 Infrared communication hardware design Infrared optical communication is to encode the data to be transmitted, control the flashing of infrared light-emitting tubes to complete the electrical/optical conversion, and then use infrared light receivers to receive infrared light, output electrical signals, and complete the optical/electrical conversion. Drivers and infrared diodes are usually used to complete infrared transmission and reception. In order to ensure the security of data transmission, the transmission data is usually encoded. The use of IrDA protocol greatly reduces the bit error rate. IrDA1.1 standard, namely high-speed infrared, is referred to as FIR. Compared with the ordinary PPM modulation method, it has a lower bit error rate and a higher transmission speed. Its data bit is represented as follows: The physical layer block diagram of the IrDA1.1 protocol device is shown in Figure 2. Figure 1 PPM encoded data bit waveform Figure 2 IrDA1.1 physical layer block diagram Funding project: National Natural Science Foundation of China (61007002); Shanghai Municipal Education Commission Key Subject Project (J50505). Technology Scheme Technology Scheme 12 2014.4 Data communication As shown in Figures 1 and 2, FIR devices are more complex and flexible than traditional waveform modulation methods, taking into account low-speed devices while ensuring high-speed scalability. Based on factors such as low power consumption and support for infrared communication protocols, the STM32F103 ZET6 produced by ST was selected as the main controller. The chip uses a high-performance ARM Cortex-M3 32-bit RISC core, a working frequency of up to 72MHz, and rich on-chip digital and analog resources to enrich the system functions. Figures 3 and 4 show the infrared sending and receiving circuits, which use the SDIO hardware interface provided by the PortC port of the main controller to complete the connection with the SD memory card and complete the audio access, with a maximum transmission speed of 48Mbps. The PA9 and PA10 ports are serial ports 1, and the hardware supports infrared communication protocols with a maximum transmission rate of 115200bps. In Figure 4, after receiving the audio data, it is also stored in the SD card. The circuit is shown in Figure 3. Then the audio data stream is transmitted to the audio decoding circuit through the SPI interface. The maximum transmission rate is 18Mbps. The key completes the control functions such as access, start, and stop. 2.2 Audio Data Stream Decoding Output The audio data in this design uses WAV data stream storage and decoding. The decoding chip uses the high-performance decoding chip VS1053 produced by VLSI Solution, which supports MP3 and WAV data stream decoding. And it has a low-power DSP processor core VS_DSP4 inside, providing users with 5KB instruction RAM and 0.5KB data RAM. The data stream is received through the SPI bus, and the two channels are output with 18-bit high-precision analog after decoding. 2.3 Power Amplifier Circuit The signal output end of the decoder is sufficient to drive an 8-ohm load, but considering that the output signal of the audio decoder is used in different occasions, the load of the output stage is also different, so the power amplifier circuit is designed to meet the needs of different occasions. This design uses the TDA2030 power amplifier chip produced by ST Company, and uses positive and negative power supplies. The chip has the advantages of high rise rate, low distortion, and high output power. The maximum output power can reach 18W, which fully meets the requirements of common occasions. The programmable gain output signal is connected to the No. 1 pin of TDA2310 through a 1uf polarized capacitor. As shown in Figure 6: 3 System software design 3.1 Infrared optical communication process During the infrared transmission process, the main controller opens up memory through the SDIO interface and takes out the audio waveform stored in the SD card, and sends the data through the serial port through TFDU. The receiving end is in a dormant low-power mode. After receiving the data, it enters the receiving terminal, and also opens up memory space to store the data in the SD card. After the transmission is completed, it enters dormancy. The operation of memory is completed through the following functions: (1).f_mount(0, &fs);// Register the workspace and initialize the drive letter to 0 (2).f_opendir (&dirs, path);// Open the root directory of the card and associate this root directory with the dirs structure pointer (3).f_readdir(&dirs, &finfo);// Read directory information (4).result = strstr ( finfo.lfname, \\\".wav\\\" );// Determine the file name Figure 3 Infrared transmitter circuit Figure 4 Infrared receiver circuit Figure 5 VS1053 audio decoding circuit Figure 6 Power amplifier circuit Technology Scheme 13 Data Communication 2014.4 The infrared data sending and receiving process is shown in Figure 7 a and b: 3.2 Audio data stream decoding This paper configures the VS1053 decoder and transmits the data stream through the SPI2 interface. The write timing of the decoder is shown in Figure 8. The read and write processes are similar. The instructions are sent first, then the address, and finally the data is transmitted. The data is written through the SI terminal, and SO maintains a low level. The DREQ level is used to determine whether to proceed to the next operation. The following takes a data transmission as an example to describe the operation steps: (1) Reset VS1053 and call VS_Soft_Reset(); (2) Configure the working register and call WriteRegister(3, 0x98, 0x00) to set the clock frequency of VS1053 to 3 times; (3) Call WriteRegister(5, 0xBB, 0x81) and set the sampling rate to 48K; (4) After the audio data stream is transmitted, it is decoded and output. Call VS1053_WriteByte( buffer[count] ), with a maximum of 32 bytes at a time, decode the data stream and output it in analog quantity. 4 Experimental results and analysis A 193K-byte standard 800Hz single-tone sine waveform is stored in the SD card at the infrared transmitter. The transmitter and the receiver are fixed point-to-point installed at 1.5m, with a divergence angle of less than 20 degrees to ensure a low bit error rate. The load resistance at the output of TDA2030 is set to 8 ohms. (1) Transmission detection After point-to-point data transmission, data processing is performed through the serial port of the main controller. The maximum transmission speed is 115200bit/s, and the audio data transmission time is no more than 15 seconds. Detect the waveform of the FOUT end after the audio decoding output power is amplified, that is, pin 4 shown in Figure 6. The output audio received by the oscilloscope is shown in Figure 9: (2) Output load detection As can be seen from the figure, at the maximum communication rate of 115200bit/s, the audio data received by the receiver has a little noise, the maximum voltage is 2.16V, and the effective value is 1.52V. The oscilloscope measures the frequency to be 800.1Hz. The audio data stream transmission is stopped by pressing the button. The effective value of the voltage at the multimeter measurement point is about 0.02V, which is much less than 0.1V. This shows that the system is less affected by noise on the basis of increasing the load capacity, meeting the system technical requirements. 5 Conclusion The audio transmission system based on infrared optical communication designed in this paper is based on infrared band data transmission, which completes point-to-point high-speed output transmission and solves the problem of small load capacity after audio decoding. Experimental data show that the system has fast transmission speed, high load capacity and good application prospects. References [1] Wang Qiong. Application of infrared remote control technology in intelligent meter reading system. Journal of Instrumentation,2006(03):1901-1902 [2] Hao Yingji. Signal generator based on VS1003 decoder. Instrument Technology and Sensor, 2013(2):19-20 [3] Jiang Hu. Energy consumption optimization of WMA software decoder based on ARM platform, computer (a) infrared transmission circuit (b) infrared receiving circuit Figure 7 Infrared communication flow chart 8 Decoder write timing chart 9 Decoded audio output waveform Technology Scheme Technology Scheme 14 2014.4 Data communication The uplink frequency offset caused by the radiator effect; at the same time, the same frequency offset is set for the downlink transmission frequency to ensure normal communication with the receiver. 5 Conclusion Aiming at the specific needs of civil aviation ground-to-air mobile communication system, combined with the characteristics of LTE technology, a ground-to-air communication networking model based on LTE FDD is proposed. The ground base station is deployed at a certain uptilt angle according to the aircraft route. The CPE on the aircraft converts the LTE signal into a Wi-Fi signal to cover the cabin, allowing users to use high-speed wireless broadband access services during flight. This paper proposes corresponding solutions to the ground base station antenna feed system, ground-to-air communication coverage planning, switching band setting, Doppler compensation measures, etc. This solution has certain reference significance for the network construction of civil aviation ground-to-air communication. References [1] Jia Ruihua. Application of LDPC codes in ground-to-air communications. [Xi’an: Master’s thesis of Xi’an University of Electronic Science and Technology]. March 2012 [2] 3GPP TSG TR 25.913 v9.0.0, Requirements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN). 2007 [3] 3GPP TS 36.211 V11.1.0, Physical Channels and Modulation (Release 11). December, 2012 [4] Chien-Hung Yeh, Chi-Wai Chow, Yen-Liang Liu. Theory and Technology for Standard WiMAX Over Fiber in High Speed ​​Train Systems. Journal of lightwave Technology, Volume 28, NO. 16, Page(s):2327-2336, August, 2010 [5] Chen Jianmin. Antenna height and multipath interference in ground-to-air communications. Radio Communications Technology, Vol. 26 No. 1, 2000 [6] Fujimoto. Design discussion of ground-air-ground communication system. Mobile Communications. October 2008 [7] Luo Yifeng, Li Hanhui, Huang Jijin. Analysis of ultra-short wave communication link [J]. Modern Electronic Technology.2006.19(09):41-44 [8] ITU-R. Propagation Curves for Aeronautical Mobile and Radio Navigation Services Using the VHF, UHF and SHF Bands. P.528-2,1986 [9] 3GPP TS 36.331 v9.3.0.\\\"Radio Resource Control (RRC) Release 9\\\". December,2012 [10] BCKim,ITLu. Doppler Diversity for OFDM Wireless Mobile Communication.Prof. VTC03, 2003:2677~2681 Author profile: Ma Zherui, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., his main research direction is mobile communication network, engaged in 2G/3G/4G network planning and design; Sun Yijun, male, project manager of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., Mainly engaged in mobile communication network planning and design; He Ting, female, lecturer at the University of Information Engineering, her main research directions are mobile communications and satellite navigation; Xing Songfeng, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., mainly engaged in mobile communication network planning and design. ■ Engineering and Design, 2013(07):2384-2387 [4] Yan Jun. Infrared intelligent control system based on embedded ARM_Linux platform. Data Communication, 2013(4):10-12 [5] Yu Xiaoqiang. Application of wireless sensor nodes based on infrared communication in leaky cable detection. Journal of Sensor Technology, 2014,27(01):149-153 [6] Yang Heng. Research on infrared wireless transmission system for field detection and its performance. Measurement and Control Technology, 2013(07):87-90 [7] Guo Hui. Single chip microcomputer control circuit based on IrDA infrared communication protocol. Instrument Technology, 2013(06):29-30 [8] Chen Jian. Development of near infrared spectrometer data acquisition system. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2012(01):72-77 [9] Nie Shiliang. A coding and decoding method for infrared remote control signals. Instrument Technology and Sensor, 2004(08):28-29 [10] Su Weijia. Automobile safety performance tester based on ARM and SD card. Instrument Technology and Sensor, 2013(01):41-43 Author profile: Yu Xiaoqiang, male, master student of Shanghai University of Technology, main research direction is optoelectronic precision testing technology. ■ Technology Scheme Technology Scheme (continued from page 8) 15Theory and Technology for Standard WiMAX Over Fiber in High Speed ​​Train Systems. Journal of lightwave Technology, Volume 28, NO. 16, Page(s):2327-2336, August, 2010 [5] Chen Jianmin. Antenna height and multipath interference in ground-to-air communication. Radio Communications Technology, Vol. 26 No. 1, 2000 [6] Teng Huigen. Design discussion of ground-to-air-to-ground communication system. Mobile Communications. October 2008 [7] Luo Yifeng, Li Hanhui, Huang Jijin. Analysis of ultra-short wave communication link [J]. Modern Electronic Technology.2006.19(09):41-44 [8] ITU-R. Propagation Curves for Aeronautical Mobile and Radio Navigation Services Using the VHF, UHF and SHF Bands. P.528-2,1986 [9] 3GPP TS 36.331 v9.3.0.\\\"Radio Resource Control (RRC) Release 9\\\". December,2012 [10] BCKim,ITLu. Doppler Diversity for OFDM Wireless Mobile Communication.Prof. VTC03, 2003:2677~2681 Author profile: Ma Zherui, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., his main research direction is mobile communication network, engaged in 2G/3G/4G network planning and design; Sun Yijun, male, project manager of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., Mainly engaged in mobile communication network planning and design; He Ting, female, lecturer at the University of Information Engineering, her main research directions are mobile communications and satellite navigation; Xing Songfeng, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., mainly engaged in mobile communication network planning and design. ■ Engineering and Design, 2013(07):2384-2387 [4] Yan Jun. Infrared intelligent control system based on embedded ARM_Linux platform. Data Communication, 2013(4):10-12 [5] Yu Xiaoqiang. Application of wireless sensor nodes based on infrared communication in leaky cable detection. Journal of Sensor Technology, 2014,27(01):149-153 [6] Yang Heng. Research on infrared wireless transmission system for field detection and its performance. Measurement and Control Technology, 2013(07):87-90 [7] Guo Hui. Single chip microcomputer control circuit based on IrDA infrared communication protocol. Instrument Technology, 2013(06):29-30 [8] Chen Jian. Development of near infrared spectrometer data acquisition system. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2012(01):72-77 [9] Nie Shiliang. A coding and decoding method for infrared remote control signals. Instrument Technology and Sensor, 2004(08):28-29 [10] Su Weijia. Automobile safety performance tester based on ARM and SD card. Instrument Technology and Sensor, 2013(01):41-43 Author profile: Yu Xiaoqiang, male, master student of Shanghai University of Technology, main research direction is optoelectronic precision testing technology. ■ Technology Scheme Technology Scheme (continued from page 8) 15Theory and Technology for Standard WiMAX Over Fiber in High Speed ​​Train Systems. Journal of lightwave Technology, Volume 28, NO. 16, Page(s):2327-2336, August, 2010 [5] Chen Jianmin. Antenna height and multipath interference in ground-to-air communication. Radio Communications Technology, Vol. 26 No. 1, 2000 [6] Teng Huigen. Design discussion of ground-to-air-to-ground communication system. Mobile Communications. October 2008 [7] Luo Yifeng, Li Hanhui, Huang Jijin. Analysis of ultra-short wave communication link [J]. Modern Electronic Technology.2006.19(09):41-44 [8] ITU-R. Propagation Curves for Aeronautical Mobile and Radio Navigation Services Using the VHF, UHF and SHF Bands. P.528-2,1986 [9] 3GPP TS 36.331 v9.3.0.\\\"Radio Resource Control (RRC) Release 9\\\". December,2012 [10] BCKim,ITLu. Doppler Diversity for OFDM Wireless Mobile Communication.Prof. VTC03, 2003:2677~2681 Author profile: Ma Zherui, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., his main research direction is mobile communication network, engaged in 2G/3G/4G network planning and design; Sun Yijun, male, project manager of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., Mainly engaged in mobile communication network planning and design; He Ting, female, lecturer at the University of Information Engineering, her main research directions are mobile communications and satellite navigation; Xing Songfeng, male, engineer of the Fourth Branch of China Communications Construction Group Design Institute Co., Ltd., mainly engaged in mobile communication network planning and design. ■ Engineering and Design, 2013(07):2384-2387 [4] Yan Jun. Infrared intelligent control system based on embedded ARM_Linux platform. Data Communication, 2013(4):10-12 [5] Yu Xiaoqiang. Application of wireless sensor nodes based on infrared communication in leaky cable detection. Journal of Sensor Technology, 2014,27(01):149-153 [6] Yang Heng. Research on infrared wireless transmission system for field detection and its performance. Measurement and Control Technology, 2013(07):87-90 [7] Guo Hui. Single chip microcomputer control circuit based on IrDA infrared communication protocol. Instrument Technology, 2013(06):29-30 [8] Chen Jian. Development of near infrared spectrometer data acquisition system. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2012(01):72-77 [9] Nie Shiliang. A coding and decoding method for infrared remote control signals. Instrument Technology and Sensor, 2004(08):28-29 [10] Su Weijia. Automobile safety performance tester based on ARM and SD card. Instrument Technology and Sensor, 2013(01):41-43 Author profile: Yu Xiaoqiang, male, master student of Shanghai University of Technology, main research direction is optoelectronic precision testing technology. ■ Technology Scheme Technology Scheme (continued from page 8) 15