基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

南寧學院 呂德深

白光LED可見光通信是一種應用前景廣且綠色環(huán)保的無線通信技術(shù)。文中結(jié)合白光LED特性，利用白光LED作為信號傳輸媒介根據(jù)可見光通信原理設計了一個音頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端通過對音頻數(shù)據(jù)解碼得到PCM數(shù)據(jù)，并將PCM數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為PWM信號，得到的PWM信號直接加載到LED燈上，在光接收端接收到的PWM信號通過功放直接還原出音頻，實現(xiàn)音頻信號的傳輸。

1 引言

白光LED具有靈敏度高、調(diào)制特性好，且能快速亮滅的發(fā)光特性（王世舉,郜超軍,戚麗麗,侯曉強.基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)[J].激光雜志,2016,37(09):69-71），使得其在可見光通信得到了廣泛的應用。白光LED不僅可以用作照明，還可以用于數(shù)據(jù)的無線通信。把數(shù)據(jù)信息經(jīng)過調(diào)制技術(shù)加載到白光LED上，利用白光LED發(fā)出的人眼難辨認的高速、閃爍信號即能實現(xiàn)信息傳送（陳泉潤,張濤,鄭偉波,李茹,崔釗.基于白光LED可見光通信的研究現(xiàn)狀及應用前景[J].半導體光電,2016,37(04):455-460+476）。本文利用白光LED作為傳輸媒介，將音頻信號調(diào)制到LED照明上實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，然后利用光檢測器將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，進而對電信號進行處理和放大，把信號還原成原來的音頻信號。音頻信號傳輸過程不依賴光纖等有線傳輸介質(zhì)，通信成本低，無輻射，綠色環(huán)保。

圖1 本文系統(tǒng)總體設計原理框圖

2 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)主要由四部分聯(lián)合構(gòu)成，包括上位PC機、Zigbee信號中繼主節(jié)點、基于PWM光調(diào)制與發(fā)射的LED照明節(jié)點、可見光接收與音頻回放模塊，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過PC機編寫上位機軟件實現(xiàn)將MP3音頻信號解碼得到PCM數(shù)據(jù)，并通過藍牙實時將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機系統(tǒng)，下位機由基于Zigbee組建的星形網(wǎng)絡組成，上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)通過藍牙接收后，信號中繼主節(jié)點利用串口進行數(shù)據(jù)讀取，接著將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個子節(jié)點，子節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)通過調(diào)制技術(shù)將PCM轉(zhuǎn)換為PWM信號，并直接用于調(diào)制LED燈管。接收光信號的光電二極管將光信號轉(zhuǎn)變成微小的電信號，然后利用濾波電路、放大電路及電壓判決電路進行處理后得到PWM信號，最后通過高效的D類功放和LC濾波把音頻信號放大還原出來。

3 系統(tǒng)軟硬件的分析與設計

3.1 上位機設計

本文軟件部分的上位機采用C++程序進行設計，軟件平臺采用Visual Studio 2010中的MFC進行設計，在VS2010的libzplay庫創(chuàng)建對象，打開需要播放的文件并選擇播放就可以實現(xiàn)MP3的解碼，通過調(diào)用回調(diào)函數(shù)可以得到0.1秒的PCM緩存數(shù)據(jù)。通過添加串口控件，設置串口端口號及波特率，打開串口就可以實時地通過藍牙將PCM數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。

圖2 HC-06藍牙模塊與CC2530的連接電路

3.2 信號中繼模塊主節(jié)點設計

上位機軟件將解碼得到的PCM數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給信號中繼主節(jié)點，主節(jié)點再將藍牙收到的數(shù)據(jù)通過Zigbee組建的星形網(wǎng)絡實時傳送各個從節(jié)點。藍牙模塊選用HC-06，Zigbee芯片選用了Chipcon公司的CC2530片上系統(tǒng)作為主芯片。其內(nèi)核采用增強型8051，入門易使用靈活多變，其還具有無線射頻通信功能，功耗較低，符號TI標準且有專門的協(xié)議棧從而使得開發(fā)更加簡單化。圖2為本文HC-06藍牙模塊與Zigbee的連接圖。

3.3 LED照明子節(jié)點設計

LED照明子節(jié)點的主要功能是加入到ZigBee網(wǎng)絡中，并能接收從主節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡上傳來的數(shù)據(jù)和命令，將接收到的PCM數(shù)據(jù)通過算法換成PWM信號調(diào)制LED燈管。其連接框圖如圖3所示。

圖3 LED子節(jié)點連接框圖

為使LED光線在無線光通信中有較好的數(shù)據(jù)傳輸速率，本文采用安森美公司的N溝道MOS管60N02作為LED驅(qū)動管，使用60N02的優(yōu)勢明顯，其開關(guān)頻率較高可達1MHz以上，導通電阻非常低，可達毫歐級別，故驅(qū)動較大電流的負載時60N02的發(fā)熱量仍然是非常低。目前市場上的LED燈管一般功率多為20W左右，燈管前端一般已經(jīng)配備穩(wěn)壓電源，本系統(tǒng)使用的燈管前端已經(jīng)有36V穩(wěn)壓電源，CC2530輸出具有信號意義的PWM信號控制MOS管60N02，從而將信號傳送出去，圖4為LED燈的PWM控制電路。由于MOS管G極存在一定的結(jié)電容，因此，電路中增加10k電阻R2有助于結(jié)電容的快速放電，可以使MOS管達到最好的調(diào)制效果。

圖4 PWM控制LED燈電路

3.4 光接收電路與音頻回放電路的設計

在光接收電路中接收管是非常重要的元器件之一，它能將光信號轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)能夠識別的電信號的作用（李志全,謝銳杰,王聰,劉同磊,李文超,顧而丹,牛力勇.基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)[J].發(fā)光學報,2016,37(07):852-858）。光接收管輸出的電流微弱且含有噪聲，因此需要經(jīng)過放大和濾波。得到的信號經(jīng)過高阻抗跟隨再對信號進行放大，通過電壓判決還原PWM信號，最后通過D類功放和LC濾波電路將音頻還原放大。信號流程框圖如5所示。

圖5 光接收信號流程框圖

3.4.1 光接收電路設計

為了使得光電轉(zhuǎn)換速度快獲得線性度較好的信號，本文采用硅光電二極管進行光信號接收，本文選用光電二極管PIN管S8314。使用光電二極管S8314優(yōu)勢明顯市場價格低廉工作電壓較低，但S8314輸出的信號非常小，因此需要對信號進行放大。本文采用低噪聲、精密、高速運算放大器OP27對S8314光電二極管輸出的電信號進行放大。該電路有低噪聲、寬頻帶、碼間抗干擾性能好等優(yōu)勢。光信號接收電路如圖6所示。

3.4.2 高通濾波電路設計

基于成本考慮，本文選取較為簡單如圖6所示的高通RC濾波器。電路中濾波電容C為0.1uF，電阻為1K，根據(jù)公式：

計算得出，截至頻率大約在1KHz左右，可以濾除日光燈、背景光等低頻信號的干擾。

3.4.3 電壓判決電路設計

本文選取LM393進行電壓判決電路設計。高通RC濾波器輸出的信號輸入到運算放大器NE5532的第3引腳，NE5532芯片的第1～3引腳組成的是電壓跟隨器，起到阻抗隔離的作用，第5～7引腳組成的時同相放大器，將微弱的信號進行放大。放大后的信號進入LM393的第3引腳，與第2引腳的電壓進行比較。當?shù)?引腳的電壓高于第2引腳的電壓時第1引腳輸出高電平；當?shù)?引腳的電壓高于第2引腳電壓時第1引腳輸出低電平。最后，CC2530就可以對這些方波信號進行采集處理。電路如圖6所示。

3.4.4 功放電路設計

由于本模塊中經(jīng)過電壓判決電路出來的信號已經(jīng)是PWM信號，所以本系統(tǒng)采用D類功放非常合適，電路如圖6所示。

圖6 光接收電路與音頻回放電路

4 結(jié)束語

經(jīng)實驗驗證，本文通過利用白光LED完成了無線音頻傳輸。當LED光源和光接收器的距離為4米內(nèi)時，使用PC播放音樂，在接收端喇叭能聽到PC播放的音樂，音質(zhì)清晰，未見噪聲。若用厚實不透光的物體遮擋燈光，音樂消失。距離繼續(xù)增大時，聲音有所失真且伴有噪聲，音頻傳輸效果下降，這與系統(tǒng)選擇的器件有關(guān)，還需要進一步考慮高性能的器件。