基于可見光通信技術(shù)的光通信耳機(jī)設(shè)計(jì)

張?jiān)破G 丁秀鋒 胡 峰

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在通信領(lǐng)域，光通信技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代通信研究者的研究重點(diǎn)，其中，可見光通信（VLC，VisibleLightCom—munication）由于具有傳輸距離比較短、速率高等特點(diǎn)而備受關(guān)注[1-2]。在可見光通信中，隨著發(fā)光二極管LED 的發(fā)射功率的提高，可見光通信技術(shù)提供了可替代射頻技術(shù)的方法，因此更加節(jié)能和清潔。對(duì)無線通信技術(shù)來說，現(xiàn)有的照明設(shè)備與通信技術(shù)使可見光通信技術(shù)水平飛速發(fā)展[3]。該文將市場(chǎng)中相關(guān)的耳機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，并采用可見光通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款全新的基于光通信技術(shù)的可見光無線耳機(jī)。由于可見光傳播具有不易受干擾和限制等特點(diǎn)，因此在有光的情況下，可以遠(yuǎn)距離傳輸音頻信號(hào)。這款耳機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)是利用可見光來傳輸音頻信號(hào)。根據(jù)可見光通信的抗干擾能力強(qiáng)、傳播速率快的特點(diǎn)，這款耳機(jī)可以用于一些特定的場(chǎng)所，例如飛機(jī)上、博物館以及英語四六級(jí)聽力考試等。

1 光通信耳機(jī)硬件部分設(shè)計(jì)

光通信耳機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 可見光耳機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要將音頻信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與編碼，再進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，接著信號(hào)就會(huì)到達(dá)室內(nèi)LED 燈發(fā)射模塊。通過白光LED 燈傳送信號(hào)，到達(dá)耳機(jī)的接收端，然后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)和解碼，最后進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，恢復(fù)模擬信號(hào)，通過音頻放大電路進(jìn)行傳輸[4]。

該設(shè)計(jì)的核心模塊是發(fā)射端和接收端。發(fā)射端主要的功能是將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，利用MOS 管來實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。接收端主要的功能是恢復(fù)傳輸?shù)恼Z音信號(hào)，使用光敏二極管可以將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而將電信號(hào)通過音頻放大器放大，最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器就可以實(shí)現(xiàn)音頻傳輸[5-6]。

1.1 音頻檢測(cè)模塊和編碼調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)

在音頻信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換模塊中，該設(shè)計(jì)將1 只10μF 的電容串聯(lián)在信號(hào)的輸入接口處，通過單片機(jī)和語音轉(zhuǎn)換芯片將需要傳送的音頻信號(hào)發(fā)送至信號(hào)的編碼和調(diào)制模塊。具體電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。編碼調(diào)制模塊可以產(chǎn)生50 kHz的正弦信號(hào)，其幅度值Vpp 為500 mV。該正弦信號(hào)作為語音信號(hào)的載波，用于對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后將輸出的信號(hào)傳送至發(fā)射模塊[7]。

圖2 音頻信號(hào)檢測(cè)及編碼調(diào)制電路

1.2 可見光發(fā)射模塊

發(fā)射端利用MOS 管接收音頻信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)，其原理是驅(qū)動(dòng)LED 燈，將LED 燈光信號(hào)進(jìn)行放大然后發(fā)射出去[8]。該電路是通過能夠使電流放大的共發(fā)射極基本放大器來進(jìn)行信號(hào)放大的，該放大器帶負(fù)載能力強(qiáng)，并且具有隔離緩沖的作用，還能使阻抗發(fā)生變換，因此信號(hào)在傳輸時(shí)不易失真。

1.3 可見光接收模塊

可見光接收模塊主要利用光敏二極管的特性接收可見光信號(hào)，發(fā)射端發(fā)過來的信號(hào)通過具有放大特性的LM386來進(jìn)行接收。然后將光信號(hào)傳送至解碼解調(diào)模塊，電路如圖3 所示。電路中的LM386 放大器可以集成音頻功放，并且該元件功耗低、外接元件少、總諧波失真比較小，具有電壓增益可調(diào)和電源電壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在收音機(jī)和錄音機(jī)中有廣泛應(yīng)用[9]。

圖3 可見光接收電路

1.4 信號(hào)的解調(diào)解碼模塊

信號(hào)的解調(diào)解碼模塊主要是對(duì)接收到的語音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是通過單片機(jī)和D/A 轉(zhuǎn)換器語音解碼芯片來實(shí)現(xiàn)的。然后通過軟件程序進(jìn)行濾波。濾波之后可以得到解調(diào)解碼信號(hào)，其帶寬為250 kHz，電路如圖4 所示。

圖4 采用單片機(jī)與DAC0832 組成的解調(diào)解碼電路

1.5 音頻放大及耳機(jī)模塊

音頻放大及耳機(jī)模塊主要是為了提高對(duì)耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，采用TDA2030 集成功放電路構(gòu)成音頻放大器，其特點(diǎn)為具有較高集成度、元件少、電路簡(jiǎn)單、音質(zhì)好，電路如圖5所示。

圖5 TDA2030 構(gòu)成的音頻放大及耳機(jī)電路

與普通電路相比，TDA2030 構(gòu)成的音頻放大及耳機(jī)電路具有更好的散熱效果，當(dāng)溫度過高時(shí)，該電路也不會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生影響。同時(shí)，TDA2030 不僅可以對(duì)功率進(jìn)行放大，它所產(chǎn)生的信號(hào)還具有失真小、體積小以及輸出功率大等特點(diǎn)。TDA2030 功率放大器中具有多種保護(hù)電路，主要有熱保護(hù)、短路保護(hù)、地線偶然開路、電源極性反接以及負(fù)載泄放電壓反沖等保護(hù)作用，因此其工作安全性與可靠性較高。

2 可見光耳機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可見光耳機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分的軟件編程是對(duì)音頻信號(hào)的編碼調(diào)制，第二個(gè)部分的軟件編程是對(duì)音頻信號(hào)的解調(diào)解碼。這部分是通過電路圖進(jìn)行分析并寫程序，然后由單片機(jī)的接口進(jìn)行控制。其具體流程如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 信號(hào)的編碼調(diào)制和解調(diào)解碼模塊的主流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

在基于可見光通信技術(shù)的光通信耳機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)試驗(yàn)中，先設(shè)置發(fā)射端和接收端的間距為2m，規(guī)定白光LED 燈的電流在65mA，保證音頻輸出效果達(dá)到最優(yōu)。從表1 的測(cè)試結(jié)果可以看出，調(diào)節(jié)載波的頻率，使載波頻率不斷提高，波形峰—峰值Vpp、最高幅值Vmax與最小幅值Vmin都在減少。因?yàn)樾盘?hào)在傳輸過程中有噪聲干擾存在，所以該試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與理論的推斷結(jié)果之間可能存在一定的差異，符合音頻信號(hào)的傳輸規(guī)律。經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)第四組測(cè)試的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果。該組測(cè)試數(shù)據(jù)與正弦波的波形最相似，可以推斷出音頻信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中基本上沒有失真。所以在實(shí)際應(yīng)用中以第四組數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)。

表1 可見光通信耳機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)

在后續(xù)測(cè)試中，為了使音頻信號(hào)傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)、更穩(wěn)定，經(jīng)過多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)如果在音頻信號(hào)輸入端串聯(lián)一個(gè)5.5kΩ的電阻，輸入的音頻信號(hào)的傳輸距離可以達(dá)到6m 左右。

經(jīng)過上述試驗(yàn)測(cè)試后，根據(jù)可見光通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)將市場(chǎng)上存在的現(xiàn)有耳機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，選取的耳機(jī)為藍(lán)牙耳機(jī)、紅外線耳機(jī)。分別在理想狀態(tài)下從傳輸距離、傳輸速率、抗干擾能力、保密性等方面進(jìn)行了比較，見表2。

表2 不同耳機(jī)類型性能參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)的這款耳機(jī)是一款通信性能和抗干擾能力都非常好的可見光通信耳機(jī)。通過試驗(yàn)和調(diào)試，在一定的傳輸距離內(nèi)，該耳機(jī)都可以清晰準(zhǔn)確地進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸。與市面上的其他耳機(jī)相比，可見光通信耳機(jī)的抗干擾能力更強(qiáng)，因此它的可靠性更高一些。在傳播速率方面也比普通耳機(jī)更快一些?？梢赃m用于一些特定的場(chǎng)所，例如飛機(jī)上、博物館等，是值得推廣的一種新型產(chǎn)品。