基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院 呂德深 梁承權(quán)

1 引言

自2000年日本慶應(yīng)大學(xué)中川正雄和SONY計算機(jī)科學(xué)研究所的春山真一郎首次提出利用LED照明燈作為傳輸媒介進(jìn)行信息無線傳輸以來，基于白光LED的可見光通信成為國內(nèi)外無線光通信領(lǐng)域的研究熱點之一[1]。作為第四代節(jié)能環(huán)保型照明光源，白光LED具有亮度高、功耗低、靈敏度高、調(diào)制特性好等優(yōu)點[2]。利用白光LED靈敏度高、調(diào)制特性好，能快速點滅的發(fā)光特性，將電信號通過特定的調(diào)制技術(shù)加載到LED照明上進(jìn)行傳輸，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。相比于傳統(tǒng)的紅外線通信、射頻通信，白光LED可見光通信具有無電磁干擾、發(fā)射功率高、可見光資源豐富成本低、對人眼安全、無需無線電頻譜證等突出優(yōu)點。因此，白光LED可見光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，將為光通信提供一種全新的高速數(shù)據(jù)接入方式，可作為一種高效可行的信息傳輸方式[3]。本文利用白光LED設(shè)計可見光音頻傳輸系統(tǒng)，將音頻信號調(diào)制到LED照明上實現(xiàn)信息傳輸，然后利用光電轉(zhuǎn)換器件將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，最后解調(diào)出傳輸?shù)男盘柾瓿梢纛l信號的傳遞。這種通信方式不再依賴傳統(tǒng)有線傳輸模式，降低了通信成本，既環(huán)保又節(jié)能。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成。其中發(fā)射端包括音頻信號輸入電路、A/D采集模塊、單片機(jī)控制電路、LED驅(qū)動電路和白光LED光源。接收電路包括光電探測電路、前置放大電路、單片機(jī)控制電路、D/A轉(zhuǎn)換和音頻信號輸出電路。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

在發(fā)射端：由MP3或音頻信號發(fā)生器輸入音頻信號，經(jīng)A/D采集和單片機(jī)處理后，將調(diào)制信號傳輸給LED驅(qū)動電路，LED光源根據(jù)調(diào)制的電信號發(fā)出人眼無法察覺明暗變化的光信號，并傳輸?shù)娇諝庑诺?，實現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換。在接收端：光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為便于單片機(jī)處理的電信號，前置放大電路對微弱的電信號進(jìn)行放大，經(jīng)單片機(jī)解碼處理后，將原始的音頻信號通過D/A還原出來，連接音箱或喇叭即可播放，實現(xiàn)音頻信號的傳輸。

3 發(fā)射端電路

3.1 單片機(jī)控制電路

發(fā)射端電路主要有兩方面的功能，一是為白光LED提供穩(wěn)定的驅(qū)動，二是將調(diào)制信號加載到白光LED上，實現(xiàn)信號的調(diào)制。系統(tǒng)采用成本低、體積小、功耗低的STC89C52單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制：通過單片機(jī)接收并口A/D信號，并逐位將信號發(fā)送到LED驅(qū)動電路，通過驅(qū)動電路加載到白光LED上，通過LED發(fā)出的光載波發(fā)送調(diào)制信號，完成音頻信號的傳輸。

3.2 LED驅(qū)動

選用直徑為5mm二極管，組成4x1白光LED陣列作為LED光源，光強度信號隨輸入音頻信號電流變化。此過程為光強度調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，實現(xiàn)音頻信號調(diào)制，將音頻信號以可見光信號發(fā)送出去。在LED驅(qū)動電路中，通過三極管的導(dǎo)通和截止來控制LED的點亮和熄滅，實現(xiàn)信號的發(fā)送。

4 接收端電路

4.1 光電探測器

光電探測器是接收端的核心器件，完成將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能?？蛇x擇PIN光電二極管和APD二極管。PIN光電二極管與APD光電二極管相比，盡管其響應(yīng)速度較慢、管子的靈敏度較低，但由于PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好、響應(yīng)頻率高、價格便宜、工作電壓低、工作穩(wěn)定[3]，所以本系統(tǒng)采用PIN光電二極管。

4.2 前置放大電路

光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，輸出的電流微弱且含有噪聲，因此需要經(jīng)過放大和濾波。前置放大電路采用跨阻放大電路，在輸入端和輸出端之間跨接反饋電阻，形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，使得電路噪聲低、增益穩(wěn)定、動態(tài)范圍增大，并且不需要均衡電路[4]。放大器選擇高增益帶寬、低噪聲放大器OPA657。

4.3 單片機(jī)控制電路

接收端轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)前置放大電路放大后送至STC89C52單片機(jī)控制電路進(jìn)行解碼，信號經(jīng)比較器鑒別、比較后，通過單片機(jī)控制的D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號恢復(fù)成模擬信號。連接音頻輸出電路——音箱即可聽到音頻信號，實現(xiàn)音頻信號的完整傳輸。

5 結(jié)束語

經(jīng)測試本文基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了音頻信號的傳輸，具有不依賴電線連接、無電磁干擾與輻射等優(yōu)點，在照明的同時又具有通信的功能。近距離時（0.3m范圍內(nèi)）系統(tǒng)傳輸音頻信號清晰無失真，但距離較遠(yuǎn)、信號頻率較高時，傳輸效果下降，這與系統(tǒng)選擇的器件有關(guān)，還需要進(jìn)一步考慮高性能的器件，另外調(diào)制編碼、無線信道傳輸技術(shù)也需要進(jìn)一步研究及優(yōu)化。

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