基于可見光的音頻數(shù)字傳輸系統(tǒng)

劉珊　劉雨享

摘 要：文章針對(duì)可見光音頻模擬傳輸通信系統(tǒng)中抗干擾能力差以及LED頻閃問題，設(shè)計(jì)了基于可見光的音頻數(shù)字傳輸系統(tǒng)。介紹了可見光數(shù)字調(diào)制原理，設(shè)計(jì)了可見光通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端電路，并通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：可見光通信；音頻傳輸；開關(guān)鍵控調(diào)制；傳輸速率

可見光通信具有無電磁干擾、發(fā)射功率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，且光信號(hào)比電信號(hào)傳輸速率更快，LED燈在照明的同時(shí)還可將信號(hào)調(diào)制到其上進(jìn)行傳輸，緩解了日益緊張的電磁頻譜資源問題。同時(shí)這種通信方式不再依賴傳統(tǒng)有線傳輸?shù)哪Ｊ?，減少了搭建通信鏈路的時(shí)間，降低了通信成本[1-3]。因此，采用LED燈與無線通信相結(jié)合的可見光通信技術(shù)受到了全世界的重視并迅速發(fā)展起來。

本文利用白光LED高速調(diào)制特性，將音頻信號(hào)調(diào)制到LED可見光上實(shí)現(xiàn)信息傳輸，即基于可見光通信技術(shù)研究音頻傳輸問題。該系統(tǒng)使用模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后使用OOK調(diào)制方法將信號(hào)加載到光信號(hào)上。接收端將光調(diào)制信號(hào)接收后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在FPGA內(nèi)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)。最后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將語音信號(hào)恢復(fù)出來。經(jīng)測試，系統(tǒng)在傳輸距離為0.8 m條件下，可保證LED無頻閃且可以較為準(zhǔn)確地還原語音信號(hào)。

1 工作原理

1.1 光電轉(zhuǎn)換原理

光電轉(zhuǎn)換部分采用了光電二極管，是接收端的核心器件，是一種能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)的光探測器。

1.2 LED偏置電路

由于調(diào)制后的信號(hào)功率達(dá)不到LED燈的驅(qū)動(dòng)要求，系統(tǒng)采用直流偏置技術(shù)在調(diào)制信號(hào)上添加一個(gè)偏置器，即疊加直流電源。它可以提供一定的偏置電壓，確保LED燈工作于閾值以上的工作區(qū)[4]。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換原理

采集的語音信號(hào)為模擬信號(hào)，采取PCM脈沖編碼調(diào)制方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。按照16 kHz的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，即得到抽樣信號(hào)。以每次采樣8位量化數(shù)對(duì)抽樣信號(hào)進(jìn)行均勻量化，將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，最后將抽樣值按一組二進(jìn)制碼來表示抽樣脈沖的幅值，即可得相應(yīng)語音信號(hào)的數(shù)字信號(hào)。此時(shí)輸出為8位并行的數(shù)據(jù)，接著通過串口將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)輸出到調(diào)制器的輸入端。

1.4 D/A轉(zhuǎn)換原理

運(yùn)用D/A轉(zhuǎn)換芯片將8位數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。

1.5 調(diào)制與解調(diào)原理

FPGA是在PAL，GAL，CPLD等可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA最大的特點(diǎn)是靈活，它可以定制各種數(shù)字電路，減少專用芯片的束縛，真正為自己的產(chǎn)品量身定做。Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級(jí)、門級(jí)到開關(guān)級(jí)的多種抽象設(shè)計(jì)層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對(duì)象的復(fù)雜性介于簡單的門和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間[5]。

本系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)是運(yùn)用Verilog HDL在FPGA的EP4CE10F17C8芯片上實(shí)現(xiàn)的。

1.5.1 OOK調(diào)制原理

OOK調(diào)制是利用幅度取值為0與1的基帶矩形脈沖去鍵控連續(xù)載波，從而使載波幅度呈現(xiàn)兩個(gè)幅值，時(shí)斷時(shí)續(xù)的輸出。即有載波輸出時(shí)，傳送信號(hào)為1；無載波輸出時(shí)，傳送信號(hào)為0。

1.5.2 OOK解調(diào)原理

從頻譜上看，檢波是將調(diào)幅信號(hào)由高頻調(diào)回至低頻，是調(diào)制的逆過程。2ASK信號(hào)的解調(diào)主要有相干解調(diào)與非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）兩種方式?？紤]到相干檢波需要接收端提供一個(gè)與ASK信號(hào)同頻同相的相干載波，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜且抗噪聲性能與包絡(luò)檢波相比較差，故我們采取包絡(luò)檢波的方式進(jìn)行解調(diào)。之后通過LPF濾除高頻成分，得到基帶信號(hào)的包絡(luò)。最后經(jīng)由抽樣判決器還原出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)2ASK信號(hào)的解調(diào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 可見光發(fā)送模塊

2.1.1 系統(tǒng)組成

可見光發(fā)送模塊主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、OOK調(diào)制電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和LED發(fā)送光信號(hào)電路。具體過程是：手機(jī)播放音樂，通過A/D轉(zhuǎn)換電路，以采樣率為16 kb/s的速度將采樣點(diǎn)的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)?位并行輸出的數(shù)字量。然后接串口電路將8位數(shù)據(jù)一位一位地傳送到調(diào)制電路的輸入端，進(jìn)行OOK調(diào)制。緊接著，將調(diào)制后的信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換電路，最后通過功率放大器驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)光。其中，LED部分接了一個(gè)偏置電路，偏置電壓為6 V。

2.1.2 框圖設(shè)計(jì)

可見光發(fā)送模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 可見光接收模塊

2.2.1 系統(tǒng)組成

可見光接收模塊主要包括光電二極管接收光信號(hào)電路的A/D轉(zhuǎn)換電路、OOK調(diào)制電路、D/A轉(zhuǎn)換并還原語音數(shù)據(jù)的語音并播放電路。具體過程是：光電二極管接收LED光信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，接著將解調(diào)后的信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過跨阻放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，進(jìn)一步濾波，最后通過音響還原發(fā)送的語音信號(hào)。

2.2.2 框圖設(shè)計(jì)

可見光接收模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2.3 接收模塊的器件介紹

經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換的電信號(hào)小且差，因此需要將信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，此部分設(shè)計(jì)的器件如下所示。

（1）跨阻放大器。

跨阻放大器是光電二極管的前端放大器，通過運(yùn)算放大器兩端的反饋電阻，使用歐姆定律將傳感器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。本系統(tǒng)采用OPA380系列跨阻放大器，通過TINA軟件設(shè)計(jì)跨阻放大器，如圖3所示。

（2）反相比例放大器。

運(yùn)算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大器放大倍數(shù)為10。

（3）低通濾波器。

低通濾波器（Low-pass filter）只允許低頻信號(hào)通過，減弱（或減少）頻率高于截止頻率的信號(hào)的通過。對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。根據(jù)本系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的低通截止頻率為300 kHz。

3 系統(tǒng)測試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)搭建的正確性，發(fā)射端利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬語音信號(hào)，接收端的信號(hào)用示波器來采集。通過對(duì)比示波器波形與信號(hào)發(fā)生器的波形來檢驗(yàn)系統(tǒng)。為了檢驗(yàn)該數(shù)字語音系統(tǒng)的傳輸效果，將發(fā)送端連接手機(jī)播放音樂，通過聆聽接收端的音響播放的音樂，粗略感受音質(zhì)。在最大無誤碼情況下，當(dāng)傳輸速率達(dá)到200 kbps時(shí)，最大傳輸距離仍能達(dá)到0.9 m。系統(tǒng)如圖4所示。

4 結(jié)語

與可見光語音模擬系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的可見光語音數(shù)字傳輸通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)且可靠性高。若能進(jìn)一步提高傳輸速率、再加上均衡等技術(shù)，系統(tǒng)的性能會(huì)更好。另外，本文的研究成果對(duì)實(shí)時(shí)視頻的傳輸以及通過可見光上網(wǎng)等方面具有一定的參考價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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[5]杜勇.數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.