基于大功率白光LED的可見光音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭淑軍

摘 要：可見光通信是一項(xiàng)新興基于白光LED的無線光通信技術(shù)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明和通信雙重功能。實(shí)現(xiàn)一種使用大功率白光LED音頻傳輸系統(tǒng)。發(fā)射端使用24V單電源運(yùn)放將音頻信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)大功率三極管控制LED發(fā)光，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)傳輸。接收端采用光敏二極管接收設(shè)計(jì)低噪聲前置放大電路，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)無失真?zhèn)鬏敗?/p>

關(guān)鍵詞：可見光通信 大功率白光LED 低噪聲前置放大器 音頻傳輸

中圖分類號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082 （2017） 04-0007-02

一、引言

白光LED具有高亮度、低功耗、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型的照明光源[1]。與普通光源比較， 可見光LED 因其高速調(diào)制特性已被應(yīng)用在中短距離光纖通信中， 將照明與無線通信融于一體， 逐漸發(fā)展成為一種新興的光無線通信技術(shù)。光無線通信技術(shù)與射頻無線通信相比， 有無需頻帶申請(qǐng)、造價(jià)低等許多優(yōu)點(diǎn)。本文選用10w大功率白光LED作為發(fā)光器件，光敏二極管作為接收器件，采用光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)傳送系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)方案

大功率白光LED 可見光音頻傳輸系統(tǒng)如圖1 所示，包括發(fā)送端和接收端兩個(gè)子系統(tǒng)，可見光發(fā)送端子系統(tǒng)包括直流電源模塊、信號(hào)輸入模塊與可見光通信發(fā)送模塊；可見光接收端子系統(tǒng)包括直流電源模塊、可見光通信接收模塊與信號(hào)輸出模塊等。發(fā)射端電路將待傳輸?shù)囊纛l信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于在光載波上傳輸?shù)男盘?hào)，經(jīng)白光LED 驅(qū)動(dòng)電路將電信號(hào)調(diào)制成LED 的光載波強(qiáng)度變化的光信號(hào)，以光束的形式發(fā)射到大氣信道中進(jìn)行傳輸，再由光電探測(cè)器接收光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接收端電路對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)音箱，并將音頻信號(hào)還原出來。

2.電源設(shè)計(jì)

利用單片式開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-ADJ 替代線性穩(wěn)壓器構(gòu)成串聯(lián)開關(guān)式穩(wěn)壓電源，在電路中只需增加續(xù)流二極管和儲(chǔ)能電感和濾波電容分壓取樣電阻等幾只元器件，使電路更加簡潔，除具有線性電源寬范圍連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)使電源效率得到了大幅度提高，電路原理圖如圖2所示。

3.可見光發(fā)送端設(shè)計(jì)

選用市場普通10W大功率白光LED作為發(fā)光器件，音頻信號(hào)經(jīng)電容C1取樣后，通過LM358放大后驅(qū)動(dòng)功率三極管2N3055，控制LED發(fā)光。這樣就將音頻信號(hào)變成了亮度變化的光信號(hào)，音頻信號(hào)變化較快，亮度變化眼睛基本不可見。直流偏置電壓的設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)中靜態(tài)時(shí)C1相當(dāng)于斷開，電路相當(dāng)于電壓跟隨器，運(yùn)放輸出電壓相當(dāng)于同相端輸入電壓，調(diào)整電位器VR1使同相端輸入電壓約為12V左右，輸出直流電壓也為12V，此時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍最大。交流信號(hào)放大倍數(shù)設(shè)計(jì)，Av=-R14/R15=-2倍[2]。LED亮度設(shè)計(jì)，通過調(diào)整基極限流電阻R5的大小，可以調(diào)整通過三極管Q1的電流，通過電流大的時(shí)候，LED亮度高，電流小的時(shí)候LED亮度低。限流電阻R5的大小選取，電路設(shè)計(jì)過程中先使用20K可調(diào)電阻串聯(lián)運(yùn)放U1的輸出端與三極管Q1的基極之間，調(diào)整可調(diào)電阻的大小觀察亮度和音頻傳送效果，電阻值為2.1K時(shí)LED通過約1A電流，LED工作在額定功率，隨電阻值逐漸變大LED亮度逐漸變低，在10K時(shí)LED通過約100mA電流，在這個(gè)范圍內(nèi)音頻信號(hào)傳輸都能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求?？梢姽獍l(fā)送端電路原理圖如圖3所示：

4.可見光接收端設(shè)計(jì)

可見光接收端接收LED發(fā)出的亮度變化的白光，使用光電檢測(cè)電路得到與亮度相關(guān)的電壓信號(hào)，并經(jīng)過放大電路放大后接功放電路輸入端。可見光接收端電圖如圖4所示。光電探測(cè)器是光接收端的核心器件，由于PIN 光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好、響應(yīng)速度快、價(jià)格較低且無需高工作電壓，滿足系統(tǒng)對(duì)光電檢測(cè)：光電探測(cè)器的光譜范圍、光電轉(zhuǎn)換效率、響應(yīng)速度、線性度等的要求， 所以本設(shè)計(jì)中的光電探測(cè)器采用PIN 光敏二極管。

PIN光敏二極管檢測(cè)到LED發(fā)出的光，光線的亮暗影響光敏二極管中電流的大小，通過5.1KΩ采樣電阻采集到與光敏二極管中的電流成正比的電壓，用4.7μF電容將電壓中與音頻信號(hào)相關(guān)的交流電壓信號(hào)分離出來，并通過LM358放大后送入集成功放輸入端。初級(jí)放大電路中采用交流放大電路設(shè)計(jì)，同相輸入端接偏置電壓為系統(tǒng)工作提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，通過調(diào)整電位器VR1使同相輸入端電壓約為4.5V，交流電壓放大倍數(shù)為反向輸入放大，放大倍數(shù)Av=-R19/R8=-1倍。次級(jí)放大電路采用直流放大設(shè)計(jì)，將直流信號(hào)和交流信號(hào)同時(shí)放大，放大倍數(shù)A=1+R12/R10=2.33倍，次級(jí)電路采用直流放大較采用交流放大時(shí)動(dòng)態(tài)效果好，在頻率較高時(shí)信號(hào)沒有失真，只是幅度有所降低。音頻信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后經(jīng)過電位器R14輸出值功放電路輸入端，調(diào)整電位器位置可以調(diào)整系統(tǒng)輸出音量。

5.功放電路設(shè)計(jì)

功放電路采用集成功放模塊TDA2030實(shí)現(xiàn)，該模塊是許多電腦有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成塊。它接法簡單，價(jià)格實(shí)惠。額定功率為14W，功放后面接8Ω音箱輸出音頻信息。功放電路圖如圖5所示：

三、系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)的傳輸效果，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試， 觀察音頻信號(hào)在可見光上傳輸?shù)慕邮招Ч?。將發(fā)射端架置于工作臺(tái)上，接收端面向LED在0.5至10米移動(dòng)，使用MP3播放音樂將輸出接發(fā)送端，在接收端音箱能聽到MP3播放的音樂，音質(zhì)優(yōu)美，未見噪聲，使用不透光物體遮擋光路后，聲音消失，此時(shí)亦未見噪聲。

為了進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)性能，使用信號(hào)發(fā)生器將正弦波信號(hào)接入音頻輸入端，在功放輸出端使用示波器觀察輸出波形。在白光LED 覆蓋區(qū)域內(nèi)，語音信號(hào)頻率為100 Hz～12KHz之間， 示波器所見波形未見失真。隨著輸入信號(hào)頻率的增加功放輸出端信號(hào)從10Khz時(shí)幅度逐漸減小，在頻率為12KHz時(shí)信號(hào)幅度減小到最大幅度的五分之三。圖6-圖9分別是音樂信號(hào)、100Hz、5KHz和12KHz輸入時(shí)功放輸出端的信號(hào)波形。在圖6中綠色信號(hào)是從發(fā)送端LED處測(cè)得，如圖3中R21和LED中間位置，黃色信號(hào)是功放輸出信號(hào)。圖7-圖9信號(hào)是功放輸出信號(hào)。

利用白光LED構(gòu)建短距離可見光音頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)在可見光上無失真?zhèn)鬏敗Ｏ到y(tǒng)在較高頻率時(shí)信號(hào)放大倍數(shù)有所降低，與系統(tǒng)選擇器件的帶寬有關(guān)，可以選擇高性能的運(yùn)放提高系統(tǒng)高頻性能。

參考文獻(xiàn)

[1]劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng).白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光通信技術(shù)，2007（7）：53-56.

[2]胡宴如.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2008.