基于室內(nèi)LED照明光的無線音頻信號傳輸裝置的研究*

鐘海泉，葉 韓，雷喻然，何應(yīng)勇，盧洪斌

(百色學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

0 引言

可見光通信近年來得到了廣泛深入的研究，可用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位應(yīng)用中[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)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(shí)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(diǎn)，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(shí)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(shí)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[4-7],且實(shí)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(diǎn)對點(diǎn)的可見光音頻傳輸[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(qiáng)度,通過可見光強(qiáng)度變化實(shí)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(shí)現(xiàn)功放信號驅(qū)動音箱工作，實(shí)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、成本底、信號室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光照模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成。發(fā)送端由音頻信號輸入接口、音頻放大電路和陣列LED及其驅(qū)動電路構(gòu)成；接收端由光電轉(zhuǎn)換器、放大電路及音響系統(tǒng)所組成，其中放大電路由前置放大電路和功率放大電路兩部分構(gòu)成。

圖1 LED可見光無線音頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電路設(shè)計

1.2.1 發(fā)送端電路設(shè)計

發(fā)送端電路實(shí)現(xiàn)音頻信號調(diào)制放大和LED驅(qū)動的功能，輸入的音頻信號經(jīng)過耦合電容后在三極管的基極加上和音頻信號同步變化的電流，經(jīng)過三極管的電流放大作用下，驅(qū)動陣列LED發(fā)光。驅(qū)動電流的大小與LED的發(fā)光強(qiáng)度呈正比關(guān)系，電路實(shí)現(xiàn)了音頻信號對LED的光調(diào)制。輸入音頻信號同步連接到四個調(diào)制驅(qū)動電路輸入端,分別驅(qū)動對應(yīng)的4個LED陣列光源。

1.2.2 接收端電路設(shè)計

接收端光電轉(zhuǎn)換由TEMT6000光電模塊完成，TEMT6000對可見光敏感，最大光電轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)波長為 570 nm，在10流明到1000流明的光照度范圍，其輸出光電流與光照度為線性關(guān)系，保證了接收到的調(diào)制可見光信號轉(zhuǎn)換為光電流時信號失真可以在一定的范圍內(nèi)忽略不計。另外，該器件對紅外光不敏感，避免了紅外光噪聲對接收信號的干擾，選擇作為可見光接收端光電轉(zhuǎn)換器可以明顯提高接收信號的信噪比。

音響前置放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，輸出的信號在后級進(jìn)行電流放大，高品質(zhì)的前置放大必須加入降噪的措施，通過內(nèi)置的濾波電路，可以更好地濾除夾雜的諧波信號，前置放大電路如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)低噪聲前置放大，使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值，本設(shè)計的前置放大器使電路的噪聲系數(shù)大大減小，明顯地提高了系統(tǒng)的信噪比，減少外界干擾的影響。

圖2 前置放大電路圖

音頻功率放大器的作用是把來自前級放大器的弱信號放大，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚(yáng)聲器發(fā)聲。音頻功放的主要性能指標(biāo)有輸出功率，頻率響應(yīng)，失真度，信噪比，輸出阻抗，阻尼系數(shù)等。一些極品音頻功放的頻響已經(jīng)做到0～100 kHz。

功率放大電路原理圖如圖3所示，用TDA2030做成OTL形式的功放。電路中的R27(150 kΩ)與R28(4.7 kΩ)電阻決定放大器閉環(huán)增益。R28電阻越小增益越大，但增益太大也容易導(dǎo)致信號失真。

圖3 功率放大電路圖

2 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

音頻發(fā)送端的音頻信號輸入端接信號發(fā)生器，測量不同頻率音頻輸入信號下可見光信號傳輸不同距離時接收信號幅度變化曲線,輸入音頻信號幅度為5V,頻率分別為80 Hz、1 kHz、5 kHz時，測量接收信號幅度變化情況。從實(shí)驗(yàn)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,這是由于電路設(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。

實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，滿足一定的調(diào)制幅度和光照強(qiáng)度條件，接收端均可正常接收發(fā)送的音頻信號。發(fā)送端音頻輸入端分別接80Hz和3kHz 的幅度為3V正弦信號時，距離發(fā)送端2m處接收端接收的信號波形如圖4、圖5所示。測量發(fā)現(xiàn)接收頻率低于2.5 kHz的音頻信號時,信號波形無失真,沒有明顯的噪聲干擾。接收頻率高于3 kHz的音頻信號時,信號波形開始出現(xiàn)失真，波形有明顯的噪聲信號,這是接收端放大電路帶寬限制的結(jié)果。

圖4 調(diào)制信號幅度為3V,頻率為80 Hz時，接收信號波形

圖5 調(diào)制信號幅度為3V,頻率為3kHz時，接收信號波形

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1V、3V、5V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情況，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)送信號的幅度從5V減小到1V，放大后的接收信號幅度減小較小，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較大，說明通過可見光傳輸音頻信號的可靠性更高。

3 結(jié)論

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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號傳輸功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光無線音頻信號傳輸質(zhì)量與光信號傳輸距離、音頻調(diào)制信號幅度、室內(nèi)光照強(qiáng)度分布、接收端放大電路工作帶寬以及光電轉(zhuǎn)換模塊對波長和光照信號強(qiáng)度響應(yīng)度有關(guān)系,恰當(dāng)設(shè)置和選擇這些參數(shù),可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的音頻可見光無線信號傳輸。