基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀*

薛德寬黃興洲位浩杰任學智陳文娟于成龍

[中國石油大學(華東)理學院山東 青島266580]

*中國石油大學(華東)大學生創(chuàng)新訓練國家級項目,項目編號：201410425067

指導教師：陳文娟(1969-)，女，高級實驗師，主要從事實驗儀器開發(fā)與研究.

摘 要：可見光通信( visible light communication, VLC) 是一種在白光LED技術上發(fā)展起來的新興無線通信技術，具有廣闊的應用前景.該技術目前尚沒有廣泛的市場應用，因此需要一種演示儀器來展示其應用價值.本文設計了一種基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀，該演示儀由發(fā)射端模塊、接收端模塊、電源模塊構(gòu)成，發(fā)射端和接收端距離為5 m時可穩(wěn)定傳輸音頻信號.演示儀性能穩(wěn)定、操作方便，并實現(xiàn)了可見光調(diào)制與通信演示實驗的結(jié)合，在實際應用中取得了良好的教學效果.

關鍵詞：VLC演示儀可見光調(diào)制光電轉(zhuǎn)換

收稿日期：(2015-02-03)

作者簡介：薛德寬(1994-)，男，在讀本科，主要研究方向為可見光通信工程.

白光LED具有高亮度，低功耗，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保等優(yōu)點， 被視為第四代節(jié)能環(huán)保型的照明光源.LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重正逐年遞增，利用LED燈進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖ED可見光通信技術愈發(fā)受到人類的重視[1].與傳統(tǒng)的射頻通信以及其他無線光通信系統(tǒng)相比較，VLC具有發(fā)射功率高，不占用無線電頻譜，無電磁干擾和電磁輻射，節(jié)約能源等優(yōu)點.本文設計了一種基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀，并在實驗室進行了測試，可以在5 m的距離下傳輸音頻信號，信噪比可達55 dB以上.

1實驗原理

1.1可見光調(diào)制原理

將要傳輸?shù)男盘柤拥焦獠ǖ倪^程叫“調(diào)制”，就是通過改變載波(光波)的振幅、強度、頻率等方法，使載波攜帶信息的過程[2].本裝置對LED光的強度進行調(diào)制，強度調(diào)制包括內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制兩種.

1.1.1內(nèi)調(diào)制

LED驅(qū)動電路的工作原理是給白光 LED提供適當?shù)钠秒娏骱驼{(diào)制電流，恒定偏置電流的作用是使白光 LED工作于閾值以上的線性工作區(qū)[3].將晶體管、白光 LED及分壓偏置電路連接起來就構(gòu)成了白光LED燈驅(qū)動電路，LED如圖1所示.

圖1　白光LED驅(qū)動電路

圖1所示電路采用分壓式偏置電路，使三極管基極固定于一定電壓，讓三極管處于放大狀態(tài)，這樣我們就可以使輸入的小信號通過晶體管放大.發(fā)射極電阻R3用于控制流過 LED的電流

對輸入的音頻信號進行放大輸出.放大后的信號可以通過LED以人眼無法感測的速度進行閃爍的方法發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣LED既可用于照明，又可用于傳輸數(shù)據(jù).

1.1.2外調(diào)制

如圖2所示，通過擋光片來實現(xiàn)對LED光的調(diào)制，LED燈發(fā)出的光束被一片垂直固定在揚聲器振膜上的輕質(zhì)擋光片遮住一半，當揚聲器輸入音頻信號后，擋光片會隨揚聲器振膜做上下振動，擋光片遮擋光的多少反映信號的強弱，擋光的快慢反映信號的頻率，擋光片的遮擋深度與輸出功率成線性關系.

圖2　外調(diào)制原理圖

1.2光電轉(zhuǎn)換原理

光電轉(zhuǎn)換部分采用了硅光電池，采用單電源供電時，其輸出電壓隨照射到光敏器件上的光強度呈線性變化.由于LED燈發(fā)出光的強度和輸入信號的電壓信號成正比，輸出電壓與接收的光強度成正比，因此輸出的電壓變化規(guī)律和輸入信號變化相同，將此電壓進行信號放大和功率放大后輸出到揚聲器，可發(fā)出相應的聲音.

2實驗裝置與控制方法

如圖3所示，實驗裝置包括“24 V,1 A”電源、(10 W)LED燈、發(fā)射端電路、接收端電路、擋光片、揚聲器等.利用有機玻璃板將裝置的發(fā)射端和接收端分開，確保兩部分沒有任何導線相連接，能夠使得演示效果更加直觀.

圖3　實驗裝置實物圖

2.1發(fā)射電路

發(fā)射電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，當模式轉(zhuǎn)換開關S1斷開時，電路處于內(nèi)調(diào)制工作模式.為了增加驅(qū)動能力，外接了三極管TIP122G.將與待傳輸?shù)穆曇粜盘栂鄬拿}沖電壓信號加到(10W)LED燈上,則LED燈所發(fā)出的可見光強度將隨待傳輸聲音信號的變化而變化，實現(xiàn)對光信號的內(nèi)部調(diào)制.當閉合開關S1時，穩(wěn)壓電源VCC直接驅(qū)動(10 W)LED燈發(fā)光，用帶有振源的擋光片遮擋可見光光束，運動的擋光片使LED燈發(fā)出的光被遮擋面積不斷變化，從而達到對光信號的外部調(diào)制.

圖4　系統(tǒng)發(fā)射端電路圖

2.2接收電路

接收端采用高靈敏度S1227-1010BR硅光電池接收發(fā)射端的光信號，利用光電效應將光信號轉(zhuǎn)換為模擬信號.硅光電池接收發(fā)射端光信號的同時會受到陽光的干擾，由于雜光干擾經(jīng)轉(zhuǎn)換后的信號會產(chǎn)生高頻雜波，因此對該信號進行放大后，設計低通濾波器對放大后的信號進行低通濾波，消除雜光對通信的干擾.接收端采用音頻專用TDA2030功率放大器對該模擬信號進行放大，利用LM324設計20 000 Hz低通濾波電路對放大后的模擬信號進行低通濾波,濾除其他雜光對信號傳輸?shù)母蓴_，經(jīng)過處理后的模擬信號直接驅(qū)動“0.4 W,8 Ω”揚聲器發(fā)出聲音.經(jīng)測試在不加入濾波器的時候信噪比只能達到45 dB，加入低通濾波之后信噪比可達55 dB.接收端電路圖如圖5所示.

圖5　系統(tǒng)接收端電路圖

3實驗操作與分析

3.1內(nèi)調(diào)制演示

將圖4中的開關S1斷開，裝置對10WLED燈進行內(nèi)調(diào)制,將待傳輸?shù)穆曇粜盘栟D(zhuǎn)化為強度變化的光信號，LED燈發(fā)出調(diào)制光，調(diào)制光垂直射入接收端的高靈敏度S1227-1010BR硅光電池，利用硅光電池的光電效應，將光信號還原成電信號，接收端電路對該信號進行濾波放大處理，驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音，該聲音和發(fā)射端傳輸?shù)穆曇魺o明顯失真.

3.2外調(diào)制演示

將圖4中的模式轉(zhuǎn)換開關S1閉合，10WLED燈可發(fā)出穩(wěn)定、高亮度的白光，未進行聲音傳輸?shù)臅r候，固定在揚聲器振膜上的擋光片將可見光光束擋住一半，給揚聲器輸入音頻信號，揚聲器振膜按照音頻信號的規(guī)律上下震動，擋光片會隨振膜做上下運動.由于高靈敏度S1227-1010BR硅光電池的輸出電壓在入射光強一定的條件下，與受光面積成正比，光電二極管輸出電壓的變化也就反映了揚聲器振膜的振動規(guī)律，將此電壓進行放大濾波后可驅(qū)動接收揚聲器，使接收揚聲器發(fā)出和調(diào)制揚聲器音頻信號相同的聲音.由于外調(diào)制的信號強度很難控制，因此在同一音量強度情況下，低頻信號輸出信號強，高頻信號輸出信號弱，對通信影響比較大.經(jīng)測試該情況下信噪比僅能達到25dB左右，通信質(zhì)量差.

3.3實驗問題研究

在內(nèi)調(diào)制模式下，改變發(fā)射端的10 W LED燈和接收端高靈敏度S1227-1010BR硅光電池之間的角度，檢測可見光通信的調(diào)制效果.其相對靈敏度與光束入射角的關系如圖6所示.

圖6　相對靈敏度與入射角的關系曲線圖

由圖可以看出，當發(fā)射端的10 W LED燈和接收端高靈敏度S1227-1010BR硅光電池之間的角度為零的時候即發(fā)射端和接收端正對的情況下，可見光通信的調(diào)制效果最好.

4結(jié)束語

該實驗裝置是根據(jù)多年的實驗與課堂教學以及科研工作經(jīng)驗研制開發(fā)的，可以直觀地演示可見光通信技術的效果和原理，并且考慮了裝置的制造成本、配套聲源的噪音、能耗等方面的問題.教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生在實驗的過程中對該綜合實驗裝置表現(xiàn)出更多的興趣和主動性，部分學生能夠在充分了解實驗裝置設計思路、功能的基礎上，提出自己獨特的新觀點.

參 考 文 獻

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12梁烈勇.短距離LED可見光音頻傳輸系統(tǒng)設計.電子技術應用,2012(09):18～20

13何勝陽.室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)關鍵技術研究:[學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013

AudioTransmittingDemonstratorBasedon

LEDVisibleLightCommunication

XueDekuanHuangXingzhouWeiHaojieRenXuezhiChenWenjuanYuChenglong

(CollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580)

Abstract：VLC(visible light communication,VLC)is a new wireless communications technology which developed on LED technology.VLC has broad application in the future.The technology is not yet widely used,therefore requires a demonstration instrument to demonstrate its value.This paper designed a demonstrator that transmit audio through visible light.The demo equipment,including the transmitter module,the receiver module,power supply module.Transmitter and receiver can transmit audio signals when their distance is 5m.This instrument has stable performance,convenient operation,and realizes the visible light modulation and communication demonstration experiment of the union，which obtains a good teaching result in practical applications.

Key words:VLC;demonstration instrument;visible light modulation; photoelectric conversion