融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)的研究

王濤　陳超　胡文芳

摘要：針對(duì)音頻信號(hào)的可見光通信傳輸，給出一種簡(jiǎn)單可行、性能穩(wěn)定的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用生活中常用的電腦（或手機(jī)等）、有源音箱和簡(jiǎn)單的電路，在3W大功率LED光源直射下，實(shí)現(xiàn)了50cm傳輸距離內(nèi)良好的音頻信號(hào)傳輸。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，嘗試性地組建了融合PLC的LED可見光音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)在融合PLC的系統(tǒng)中的短距離傳輸，對(duì)于輸出音頻信號(hào)的音質(zhì)存在進(jìn)一步研究改善的空間。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；可見光通信；音頻傳輸；電力線通信

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.013

引言

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)使得白光發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈既能照明，又可以將音頻信號(hào)高速調(diào)制到LED燈光上，進(jìn)行較短距離的傳輸。這種可見光音頻通信方便可靠、電磁輻射小、能耗低，適宜在一定場(chǎng)合應(yīng)用，因而引起諸多科研人員的研究。參考文獻(xiàn)采用10w功率LED燈和高精度音頻專用功率放大器，實(shí)現(xiàn)可傳輸模擬信號(hào)5m以上的可見光通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種采用脈沖寬度調(diào)制的LED強(qiáng)光手電可見光應(yīng)急通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)采用可編程芯片及外圍電路實(shí)現(xiàn)LED室內(nèi)可見光語音單向通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)利用單片機(jī)控制音頻編解碼芯片，實(shí)現(xiàn)了通信距離可達(dá)40m，最高傳輸速率為2.5Mbit/s的全雙工實(shí)時(shí)語音對(duì)講。

本文組建了一種易于實(shí)現(xiàn)的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用電腦或手機(jī)的音頻輸出作為音頻信號(hào)源，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過簡(jiǎn)單的放大電路、高速驅(qū)動(dòng)電路和接收電路，由有源音箱對(duì)接收轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行放大濾波輸出。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電力線通信（Power Line Communication，PLC）原理，增加PLC模塊，組建了融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了音頻信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由音頻信號(hào)源、電源模塊、發(fā)射板、無線光信道、接收板、有源音箱幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

（1）音頻信號(hào)源：利用電腦、手機(jī)、MP3音頻文件、收音機(jī)等作為音頻信號(hào)源，由這些設(shè)備的耳機(jī)孔輸出音頻信號(hào)，例如歌曲；

2）電源模塊：負(fù)責(zé)將220V交流電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)用的5V直流電，可以采用USB接口為電路供電；

3）發(fā)射板：負(fù)責(zé)對(duì)音頻信號(hào)源送來的信號(hào)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電壓變化轉(zhuǎn)化為電流變化，以驅(qū)動(dòng)LED燈，使其亮度發(fā)生變化，使音頻模擬信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的強(qiáng)度變化，從而以可見光形式在信道中進(jìn)行無線傳輸。發(fā)射板主要包括音頻放大模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊和LED光源模塊。

音頻放大模塊電路如圖2所示，核心元件采用功耗低、電壓增益可調(diào)、諧波失真小的音頻集成功放LM386。

LED驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖3所示，核心元件采用具有電流放大作用的S9013 NPN型小功率三極管，最小特征頻率為150MHz。

LED光源模塊可以接入兩種LED光源。一種是高度集成、體積很小的1W功率LED陣列光源，發(fā)光半功率角為10°～120°。另一種是體積較大，但直射距離更遠(yuǎn)，光通量可達(dá)到100LM的3W功率LED光源。

接收板負(fù)責(zé)將接收到的光信號(hào)還原成與發(fā)射端變化相同的電信號(hào)。接收板主要包括光接收模塊，考慮到PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度較好，響應(yīng)速度較快，價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)，所以核心元件采用普通PIN光電二極管接收可見光信號(hào)，光接收模塊電路如圖4所示。

有源音箱負(fù)責(zé)將接收板輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器傳出聲音。本系統(tǒng)采用型號(hào)為M-1117的有源音箱，平均輸出功率2W，阻抗8Ω。

2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

目前，380V或220V低壓電力線是用戶最多的線路，除了提供電能之外，低壓電力線還可以進(jìn)行電力線通信。電力線通信主要用于同一變壓器范圍內(nèi)，以低壓電力線為信道，需要傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過調(diào)制，由發(fā)送端耦合器將載有信息的信號(hào)送到電力線上傳輸，接收端耦合器將信號(hào)取出后進(jìn)行解調(diào)，獲得原始信號(hào)。由于低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，接入負(fù)載類型多樣，同時(shí)低壓電力線是非均勻的傳輸線，所以電力線通信具有阻抗變化較大，信號(hào)衰減較大的特點(diǎn)。

融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在前面所述系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了PLC模塊，系統(tǒng)框圖如圖5所示。音頻信號(hào)源輸出的音頻信號(hào)接入RJ45網(wǎng)絡(luò)接口1，單芯片QCA6410是高通公司推出的一款用于電力線通信的芯片，負(fù)責(zé)處理信號(hào)。耦合保護(hù)電路將調(diào)制好的信號(hào)耦合到電力線上傳輸。RJ45網(wǎng)絡(luò)接E12將電力線傳輸過來并經(jīng)過處理的信號(hào)送入可見光通信發(fā)射板中。RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、QCA641 0、耦合保護(hù)電路等組成

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)音頻信號(hào)傳輸測(cè)試

3.1 LED可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建好后的實(shí)物圖如圖6所示。

打開電腦中的一個(gè)MP3音頻文件作為音頻測(cè)試信號(hào)，先采用1W功率的LED光源，當(dāng)收發(fā)距離較近時(shí)，揚(yáng)聲器傳出洪亮飽滿的歌曲，音質(zhì)很好，沒有明顯失真。隨著距離增加，歌曲聲音減弱，分析其原因，是由于系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)自動(dòng)增益控制電路，所以隨著傳輸距離的增大，接收端光電信號(hào)幅度會(huì)有明顯衰減，下一步將考慮加入自動(dòng)增益控制電路以自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)增益。當(dāng)更換功率為3W的大功率LED光源后，在保持輸出信號(hào)音量和音質(zhì)不變的情況下，傳輸距離得到延長(zhǎng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在50cm傳輸距離內(nèi)，揚(yáng)聲器傳出的歌曲無明顯失真，實(shí)驗(yàn)傳輸效果良好。如果在無線光信道中采用聚光器，則系統(tǒng)的音頻傳輸距離還會(huì)延長(zhǎng)。

3.2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程在同一變壓器下的電力線上進(jìn)行，電腦輸出的音頻信號(hào)與PLC適配器1相連，PLC適配器1與電源插座1相連；LED可見光音頻傳輸系統(tǒng)的發(fā)射板與PLC適配器2相連，PLc適配器與電源插座2相連。連接組成的系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建好后，電腦輸出的MP3音頻文件作為音頻測(cè)試信號(hào)，先通過電力線傳輸至VLC發(fā)射板，再經(jīng)過可見光無線信道傳輸至VLC接收板，接收板輸出信號(hào)至有源音箱驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，收發(fā)距離較近時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的傳輸，但揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音偏小，聲音保真度不夠高，音質(zhì)較差。分析其原因有兩方面，一方面，系統(tǒng)中有一部分傳輸線路采用了普通網(wǎng)線，不是音頻信號(hào)的理想傳輸線路，對(duì)音頻信號(hào)產(chǎn)生一定干擾和衰減；另一方面，音頻信號(hào)經(jīng)過電力線傳輸時(shí)會(huì)受到干擾和較大衰減。這些都是融合PLC的可見光通信系統(tǒng)在面臨應(yīng)用前需要進(jìn)一步研究解決的問題。

4 結(jié)論

本文利用可見光通信原理，組建了簡(jiǎn)單可行的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、組建方便、性能穩(wěn)定，利用生活中常用的電腦（或手機(jī)、收音機(jī)等）、有源音箱和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的可見光通信傳輸。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在3W大功率LED光源直射下，系統(tǒng)可以在50cm傳輸距離內(nèi)輸出音質(zhì)較好的音頻信號(hào)。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加電力線通信模塊，組建融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)在低壓電力線和無線光信道中的傳輸，但音頻信號(hào)受到一定的干擾和衰減，為提高輸出的音頻信號(hào)的音質(zhì)，還需要進(jìn)一步研究改善，以便實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的實(shí)用化。