利用LED照明光進(jìn)行無線音頻信號傳輸?shù)男阅苎芯?/h1>
2019-02-07 05:37鐘海泉鐘靜盧洪斌
無線互聯(lián)科技 2019年22期
鐘海泉 鐘靜 盧洪斌
摘? ?要：文章對設(shè)計的LED可見光音頻信號傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。結(jié)果分析表明，設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓庹{(diào)制及電路參數(shù)，可實現(xiàn)室內(nèi)范圍內(nèi)的高質(zhì)量寬帶音頻可見光無線信號傳輸。
關(guān)鍵詞：可見光通信;音頻傳輸;發(fā)光二極管照明
1? ? 可見光通信簡介
近年來，可見光通信得到了廣泛、深入的研究，可應(yīng)用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位中[1-4]。當(dāng)前，音響系統(tǒng)的信號傳輸主要通過有線傳輸?shù)姆绞?，無線傳輸?shù)姆绞揭部赏ㄟ^無線電波進(jìn)行音頻信號傳輸，通過室內(nèi)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明光進(jìn)行室內(nèi)范圍音頻信號的傳輸比較少見?？梢姽庑盘杺鬏斂衫檬覂?nèi)LED照明系統(tǒng)實現(xiàn)信號的單向傳輸，室內(nèi)LED照明可同時兼顧照明和信號傳輸功能，具有使用成本低、無輻射、不占用無線頻譜、安全節(jié)能、無電磁干擾等優(yōu)點，特別在各種音響系統(tǒng)的信號傳輸上，能保障高保真音頻信號的傳輸，對于提升音響系統(tǒng)的性能具有明顯的優(yōu)勢。除此之外，室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)信號的全覆蓋，便于靈活布置音響裝置，為特殊的音響效果提供了便于實施的條件。
當(dāng)前可見光信息傳輸涉及的調(diào)制技術(shù)比較復(fù)雜，成本高、穩(wěn)定性不佳[4-5]，且實現(xiàn)的音頻可見光傳輸不是基于室內(nèi)照明環(huán)境的，而是特定的點對點可見光音頻傳輸[8-9]。本文提出一種基于室內(nèi)可見光照明環(huán)境下的音頻信號無線傳輸裝置，采用比較簡單的信號調(diào)制方式，發(fā)送端通過音頻信號調(diào)制LED照明燈的發(fā)光強度，通過可見光強度變化實現(xiàn)信號發(fā)送。接收端由光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號，通過低噪聲信號放大電路實現(xiàn)功放信號驅(qū)動音箱工作，實現(xiàn)了可見光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號的功能。
本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、成本低、信號室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點，能實現(xiàn)可見光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號的功能。系統(tǒng)室內(nèi)照明空間為6 m×6 m×3 m，9個LED陣列光源LED分布于6 m×6 m的室內(nèi)吊頂平面上，圖1為LED可見光照明模型。
2? ? 系統(tǒng)性能測試及分析
圖2為輸入音頻信號，幅度為5 V，頻率分別為80 Hz，1 KHz，5 KHz時，接收信號幅度變化曲線。從測試結(jié)果得出：當(dāng)可見光信號傳輸距離超過3 m后，由于信號衰減，接收信號幅度較小，噪聲干擾明顯。同時，觀察到在不同傳輸距離接收的5 KHz信號幅度都很小，這是因為電路設(shè)計中主要考慮2 KHz以內(nèi)音頻信號的傳輸，接收端電路放大模塊工作帶寬有限的結(jié)果，與可見光傳輸帶寬和信號衰減沒關(guān)系。如需傳輸5 KHz及以上頻率的信號，需在電路設(shè)計中提高放大電路模塊的工作帶寬。
為測量系統(tǒng)的工作頻帶寬度，設(shè)定發(fā)送端與接收端的距離為2 m，信號發(fā)生器連接發(fā)送端的音頻輸入端口并輸出信號幅度分別為1 V，3 V，5 V的音頻信號。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出信號頻率，測量接收端放大電路輸出信號的幅度變化曲線。如圖3所示，系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz?？梢姽庖纛l傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬，如極品音響系統(tǒng)可把工作帶寬提高到幾十KHz。圖3的測量結(jié)果也說明發(fā)送信號的幅度從5 V減小到1 V，放大后的接收信號幅度減小較少，對接收信號質(zhì)量的影響不明顯。相對于無線電波傳輸音頻信號，可見光傳輸音頻信號的信噪比提高很多，說明通過可見光傳輸音頻信號的可靠性更高[8-9]。
3? ? 結(jié)語
本文利用LED照明光的高帶寬資源設(shè)計的音頻信號光無線傳輸裝置能實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號傳輸功能。從測試結(jié)果可知，當(dāng)可見光信號傳輸距離超過3 m后，噪聲干擾明顯，測試得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。可見光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬。實驗結(jié)果表明：恰當(dāng)設(shè)置光調(diào)制參數(shù)及電路參數(shù)，可實現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的寬帶音頻可見光無線信號傳輸。
[參考文獻(xiàn)]
[1]盧洪斌，梁祚銓.可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)的信道模型及其仿真分析[J].光學(xué)儀器，2017（2）：64-69.
[2]劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強.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)，2009（7）：53-56.
[3]TANAKA Y，KOMINE T，HARUYAMA S，et al.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights[J].IEICE Trans Commun，2003（8）：2440-2454.
[4]MINH H L，OBRIEN D，F(xiàn)AULKNER G.100 Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J].IEEE Photon Technol Lett，2009（15）：1063-1065.
[5]王旭東，徐憲瑩，吳楠，等.室內(nèi)可見光OFDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù)[J].光子學(xué)報，2015（11）：1106-1112.
[6]云文岳.室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2008.
[7]王虹，蔡喜平.基于白光的可見光通信研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2014（1）：5-9.
[8]薛德寬，黃興洲，位浩杰，等.基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀[J].物理通報，2015（8）：82-85.
[9]沈年鳳，張洪明，姚敏玉.基于無線可見光通信的雙向語音對講系統(tǒng)[J].光電子·激光，2014（10）：1900-1905.
鐘海泉 鐘靜 盧洪斌
摘? ?要：文章對設(shè)計的LED可見光音頻信號傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。結(jié)果分析表明，設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓庹{(diào)制及電路參數(shù)，可實現(xiàn)室內(nèi)范圍內(nèi)的高質(zhì)量寬帶音頻可見光無線信號傳輸。
關(guān)鍵詞：可見光通信;音頻傳輸;發(fā)光二極管照明
1? ? 可見光通信簡介
近年來，可見光通信得到了廣泛、深入的研究，可應(yīng)用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位中[1-4]。當(dāng)前，音響系統(tǒng)的信號傳輸主要通過有線傳輸?shù)姆绞?，無線傳輸?shù)姆绞揭部赏ㄟ^無線電波進(jìn)行音頻信號傳輸，通過室內(nèi)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明光進(jìn)行室內(nèi)范圍音頻信號的傳輸比較少見?？梢姽庑盘杺鬏斂衫檬覂?nèi)LED照明系統(tǒng)實現(xiàn)信號的單向傳輸，室內(nèi)LED照明可同時兼顧照明和信號傳輸功能，具有使用成本低、無輻射、不占用無線頻譜、安全節(jié)能、無電磁干擾等優(yōu)點，特別在各種音響系統(tǒng)的信號傳輸上，能保障高保真音頻信號的傳輸，對于提升音響系統(tǒng)的性能具有明顯的優(yōu)勢。除此之外，室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實現(xiàn)了室內(nèi)信號的全覆蓋，便于靈活布置音響裝置，為特殊的音響效果提供了便于實施的條件。
當(dāng)前可見光信息傳輸涉及的調(diào)制技術(shù)比較復(fù)雜，成本高、穩(wěn)定性不佳[4-5]，且實現(xiàn)的音頻可見光傳輸不是基于室內(nèi)照明環(huán)境的，而是特定的點對點可見光音頻傳輸[8-9]。本文提出一種基于室內(nèi)可見光照明環(huán)境下的音頻信號無線傳輸裝置，采用比較簡單的信號調(diào)制方式，發(fā)送端通過音頻信號調(diào)制LED照明燈的發(fā)光強度，通過可見光強度變化實現(xiàn)信號發(fā)送。接收端由光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號，通過低噪聲信號放大電路實現(xiàn)功放信號驅(qū)動音箱工作，實現(xiàn)了可見光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號的功能。
本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、成本低、信號室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點，能實現(xiàn)可見光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號的功能。系統(tǒng)室內(nèi)照明空間為6 m×6 m×3 m，9個LED陣列光源LED分布于6 m×6 m的室內(nèi)吊頂平面上，圖1為LED可見光照明模型。
2? ? 系統(tǒng)性能測試及分析
圖2為輸入音頻信號，幅度為5 V，頻率分別為80 Hz，1 KHz，5 KHz時，接收信號幅度變化曲線。從測試結(jié)果得出：當(dāng)可見光信號傳輸距離超過3 m后，由于信號衰減，接收信號幅度較小，噪聲干擾明顯。同時，觀察到在不同傳輸距離接收的5 KHz信號幅度都很小，這是因為電路設(shè)計中主要考慮2 KHz以內(nèi)音頻信號的傳輸，接收端電路放大模塊工作帶寬有限的結(jié)果，與可見光傳輸帶寬和信號衰減沒關(guān)系。如需傳輸5 KHz及以上頻率的信號，需在電路設(shè)計中提高放大電路模塊的工作帶寬。
為測量系統(tǒng)的工作頻帶寬度，設(shè)定發(fā)送端與接收端的距離為2 m，信號發(fā)生器連接發(fā)送端的音頻輸入端口并輸出信號幅度分別為1 V，3 V，5 V的音頻信號。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出信號頻率，測量接收端放大電路輸出信號的幅度變化曲線。如圖3所示，系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz?？梢姽庖纛l傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬，如極品音響系統(tǒng)可把工作帶寬提高到幾十KHz。圖3的測量結(jié)果也說明發(fā)送信號的幅度從5 V減小到1 V，放大后的接收信號幅度減小較少，對接收信號質(zhì)量的影響不明顯。相對于無線電波傳輸音頻信號，可見光傳輸音頻信號的信噪比提高很多，說明通過可見光傳輸音頻信號的可靠性更高[8-9]。
3? ? 結(jié)語
本文利用LED照明光的高帶寬資源設(shè)計的音頻信號光無線傳輸裝置能實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號傳輸功能。從測試結(jié)果可知，當(dāng)可見光信號傳輸距離超過3 m后，噪聲干擾明顯，測試得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。可見光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬。實驗結(jié)果表明：恰當(dāng)設(shè)置光調(diào)制參數(shù)及電路參數(shù)，可實現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的寬帶音頻可見光無線信號傳輸。
[參考文獻(xiàn)]
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[5]王旭東，徐憲瑩，吳楠，等.室內(nèi)可見光OFDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù)[J].光子學(xué)報，2015（11）：1106-1112.
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