張玉燕， 渠文涵， 劉事超， 程潔冰, 趙麗梅

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 測試計量技術(shù)及儀器河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

?

基于白光LED的音樂信號傳輸系統(tǒng)*

張玉燕1,2， 渠文涵1,2， 劉事超1,2， 程潔冰1,2, 趙麗梅1,2

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 測試計量技術(shù)及儀器河北省重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

白光LED照明與可見光通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建基于白光LED的可見光無線通信系統(tǒng)。為解決近范圍內(nèi)(如飛機、醫(yī)院、礦井等地)無線通信問題，基于可見光通信技術(shù)基本原理，利用白光LED的光源特性，提出了一種以通斷鍵控(OOK)為調(diào)制方式技術(shù)和PIN管為光電探測器的可見光通信系統(tǒng)，用單片機AT89C51產(chǎn)生音樂信號且實現(xiàn)了在室內(nèi)的傳輸，同時為了增強系統(tǒng)的通信性能，設(shè)計了LED光陣列，進行了相關(guān)的實驗。通過實驗表明：音樂信號能夠通過白光LED可見光通信系統(tǒng)在室內(nèi)的傳輸和播放，并且該系統(tǒng)能夠滿足近范圍內(nèi)的無線通信需求，系統(tǒng)中采用的ASK調(diào)制和解調(diào)技術(shù)相對簡單，大大降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計的復(fù)雜性。

白光LED； 可見光通信； 通斷鍵控； AT89C51

0　引　言

白光LED是一種新型的高效、綠色光源，具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射、低功耗、抗震、可靠耐用等特點，同時白光LED又具備響應(yīng)時間短、高速調(diào)制等物理特性，利用上述特性使其從照明領(lǐng)域擴展到了通信應(yīng)用領(lǐng)域，在照明的同時，通過白光LED發(fā)出的光源傳輸信號，實現(xiàn)通信的功能，可見光通信技術(shù)應(yīng)運而生，并且迅速成為國內(nèi)外的研究熱點[1,2]?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)具有極大的發(fā)展前景，將為光通信提供一種全新的高速數(shù)據(jù)接入方式，并且可應(yīng)用于一些特殊場所，例如:飛機、醫(yī)院等地的無線通信需求將可得到滿足[3,4]。

針對通斷鍵控(on-off keying,OOK)調(diào)制技術(shù)， 在國外，文獻[5]已能實現(xiàn)以O(shè)OK為調(diào)制方式采用雪崩二極管(APD)作為光檢測器230 Mbit/s速率和以PIN管作為光檢測器125 Mbit/s速率的可見光通信系統(tǒng)；文獻[6]以軟件LabVIEW通過采集卡DAQ采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生NRZ—OOK調(diào)制編碼信號，由LED可見光通信鏈路傳輸；文獻[7]采用后均衡技術(shù)來提高基于OOK調(diào)制編碼的可見光通信的速率。針對可見光通信的照明和通信的實用，在國內(nèi)，文獻[8]針對礦井下現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)存在有線網(wǎng)絡(luò)易損壞、無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較差等問題，設(shè)計了一種井下LED可見光通信系統(tǒng)。文獻[9]針對溶洞景區(qū)的照明、通信，提出了一種基于可見光通信的溶洞景區(qū)照明控制方法。

依據(jù)上述文獻OOK調(diào)制方式采用的基礎(chǔ)并且為了推進可見光通信技術(shù)更加趨向于實用，本文利用白光LED和PIN管光電探測器，結(jié)合OOK調(diào)制編碼技術(shù)，提出了一種適用于在火車、飛機、礦井等地近范圍內(nèi)下載音樂的基于白光LED的音樂信號傳輸系統(tǒng)，在設(shè)計過程中，系統(tǒng)開發(fā)周期短、操作容易、性能穩(wěn)定。

1　白光LED通信系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)工作原理

白光LED音樂信號傳輸系統(tǒng)原理：利用白光LED發(fā)出的光載波信號傳輸音樂信號，這種光載波信號具有肉眼察覺不到的快速亮、滅的高速率。系統(tǒng)由發(fā)射端與接收端兩部分組成。白光LED通信系統(tǒng)多采用強度調(diào)制和直接檢測技術(shù)(IM/DD)，室內(nèi)的可見光通信信道與紅外無線通信信道非常相似，所以，對可見光通信信道的研究可以參考紅外無線通信信道，圖1為脈沖響應(yīng)為h(t)的室內(nèi)無線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型[10]。

圖1　無線光通信線性基帶傳輸模型Fig 1　Linear baseband transmission model for wireless optical communication

其中，輸入為發(fā)射光X(t)，R為接收端光電探測器的響應(yīng)效率，h(t)為基帶信道的脈沖響應(yīng)，N(t)為加性白高斯噪聲信號，在信號輸出端得到的為光電流Y(t)，其表達式為

(1)

式中Pt為發(fā)射光平均功率，Am為正弦幅度，R為光電檢測的響應(yīng)度。

由于室內(nèi)會有背景光對傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生影響，探測器接收到的光功率可表示為

P(t)=Pt(1+Amsinωt)+Pa

(2)

式中Pa為室內(nèi)背景光功率。

在無線光通信中，光電轉(zhuǎn)換器多數(shù)采用光電二極管，光電二極管在反向電壓下工作，產(chǎn)生的光電流隨光強度的變化而產(chǎn)生變化，具有結(jié)電容小、渡越時間短、靈敏度高等優(yōu)點。若光電轉(zhuǎn)換器的靈敏度為r，忽略多徑和碼間干擾的情況下，光電轉(zhuǎn)換器輸出的電流值I(t)為

I(t)=rP(t)=rPt(1+Amsinωt)+rPa

(3)

光電二極管端的主要噪聲來自前置放大器等引入的電路噪聲σin和電流引起的散彈噪聲σsd，所以,可見光通信系統(tǒng)在傳輸速率為Rb時的接收信噪比為[10]

(4)

1.2光發(fā)射機模塊

白光LED光源具有良好的應(yīng)有前景，本文選用了藍光LED芯片和釔鋁石榴石(YAG)熒光粉制成的二基色白光LED。

光發(fā)射機模塊的設(shè)計主要是通過單片機AT89C51的定時器中斷和延時以及OOK編碼產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(音樂信號)，將產(chǎn)生的脈沖信號通過驅(qū)動電路加載到白光LED上，通過LED發(fā)出的光載波發(fā)送OOK調(diào)制信號，完成由單片機產(chǎn)生的音樂信號的傳輸，發(fā)射機模塊如圖2所示。

圖2　光發(fā)射機模塊Fig 2　Optical transmitter module

OOK調(diào)制是最簡單的一種數(shù)字調(diào)制方式，實現(xiàn)方法很簡單，圖3為OOK的兩種實現(xiàn)方案。OOK調(diào)制是振幅鍵控(amplitude shift keying,ASK)調(diào)制的一個特例，將一個幅度取為0，另一個幅度為非0，就稱為OOK。采用OOK調(diào)制方式可以有效地減少可見光音樂信號傳輸過程中信號的碼間串?dāng)_。

圖3　OOK調(diào)制的兩種實現(xiàn)方法Fig 3　Two realization methods of OOK modulation

在光傳播過程中，假設(shè)噪音為高斯噪聲，則光電二極管的轉(zhuǎn)換效率為0.53 A/W，忽略背景光噪聲功率，光信道傳輸模型為指數(shù)式衰減模型[10]。此情況下，OOK調(diào)制誤碼率與信噪比的關(guān)系如下式所示

(5)

調(diào)制電路設(shè)計是可見光無線發(fā)射機實現(xiàn)通信的關(guān)鍵，采用OOK調(diào)制方式對LED進行調(diào)制，通過開關(guān)三極管控制的點亮和熄滅來實現(xiàn)數(shù)字信號“1”和“0”的發(fā)送[11]，驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4　共射極驅(qū)動電路Fig 4　Common emitter driving circuit

如圖5所示，采用Protues軟件進行仿真設(shè)計，由Keil軟件編寫程序代碼，生成.hex文件，下載到AT89C51，單片機產(chǎn)生基于OOK編碼的音樂信號，音樂信號通過驅(qū)動電路調(diào)制到LED上。在音樂播放的過程中，通過按鍵K1和K2對音樂播放、結(jié)束以及曲目選擇進行控制，控制流程如圖6所示。

圖5　基于AT89C51的光發(fā)射機設(shè)計Fig 5　Optical transmitter design based on AT89C51

圖6　單片機控制流程圖Fig 6　Flow chart of MCU control

圖7　音樂信號波形Fig 7　Waveform of music signal

圖7為單片機產(chǎn)生的音樂信號，同一歌曲在不同時間段的波形圖，頻率范圍在1 kHz左右。

1.3光接收機模塊

目前廣泛使用光電探測器主要有：光電二極管(PIN管)和雪崩二極管(APD管)。PIN光電二極管相對于雪崩二極管響應(yīng)頻率高，可高達10 GHz、響應(yīng)速度快、供電電壓低、工作十分穩(wěn)定[11]。因此，本文采用PIN光電二極管用于光接收機系統(tǒng)設(shè)計?？梢姽獾牟ㄩL為0.38～0.78 μm，文中的設(shè)計選用了硅材料制作的PIN管，如圖8為光接收機模塊。

圖8　光接收機模塊Fig 8　Module of optical receiver

采用光強度調(diào)制/直接探測技術(shù)(IM/DD)，設(shè)計的光接收機框圖如圖8所示。光接收機前端是光接收機最先工作的部分，輸出的電信號供后續(xù)各部分處理，因此,光接收機前端性能優(yōu)劣十分重要，并且對光接收機的靈敏度起到?jīng)Q定性的作用[11,12]。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，本文設(shè)計的光接收機前端僅包括用于“光/電”轉(zhuǎn)換的光電探測器和放大及恢復(fù)信號的前置放大器，光電接收機型號為PDA36A，探測光波長的范圍為350～1 100 nm，放大增益可調(diào)。

如圖9所示光電探測器PDA36A的前置放大器為跨阻放大器，放大增益為0～70 dB可調(diào)。 跨阻抗前置放大器具有動態(tài)范圍大、噪聲小、靈敏度高的優(yōu)點，并適合在高速光通信系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖9　光電探測器PDA36A的內(nèi)部電路圖Fig 9　Internal circuit diagram of PDA36A

PDA36A光電二極管的響應(yīng)率可以定義為生成光電流與給定波長的光功率(P)之比

(6)

探測器帶寬的計算表達式為

(7)

式中GDP為放大器增益與帶寬的乘積，CD為光電二極管結(jié)電容和放大器電容之和。

2　實驗結(jié)果

如圖10所示的基于可見光通信的音樂信號傳輸系統(tǒng)。如圖11所示的示波器波形圖，上方的波形圖(1V/格)為經(jīng)光電探測器PDA36A接收及經(jīng)前置放大器調(diào)制放大處理后的信號波形圖，下方波形圖(5V/格)為由單片機控制產(chǎn)生的實際音樂信號波形圖。由圖中可以看出發(fā)射的信號與接收到的信號波形大致相同、誤碼率(BER)基本為0，接收到的信號稍有延遲、幅值減小，通信距離稍短，但是基本上實現(xiàn)了音樂信號通過白光LED的傳輸。為了增強接收到的光信號及增大通信距離，在單個LED燈傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上設(shè)計了LED光陣列，如圖11所示圖12為相同通信距離下，接收到的LED光陣列的光信號波形圖。

圖10　基于可見光通信的音樂信號傳輸系統(tǒng)Fig 10　Music signal transmission system based on visible light communication

圖11　單個LED發(fā)射的光信號與接收的光信號Fig 11　Transmitted by single LED and received optical signal

圖12　LED光陣列電路圖Fig 12　Circuit diagram of LED optical array

由圖11和圖13可以看出，信號經(jīng)LED光陣列發(fā)射后，在相同的通信距離下，接收到的光信號的幅值增大，因此,使用LED光陣列，可以提高接收信號的強度，增大通信距離。實驗結(jié)果表明:本文設(shè)計的基于可見光通信的音樂信號傳輸系統(tǒng)在實際生活應(yīng)用中應(yīng)采用大功率的白光LED，完善系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)室內(nèi)范圍內(nèi)的通信，為一些對無線通信有特殊要求的環(huán)境提供一些簡單音樂。

圖13　LED陣列發(fā)射的光信號與接收的光信號Fig 13　Transmitted by LED array and received optical signal

3　結(jié)　論

本文采用白光LED、單片機AT89C51和光電探測器PDA36A實現(xiàn)了OOK調(diào)制的音樂信號通過白光LED的傳輸。實驗結(jié)果表明：該音樂信號傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、容易實現(xiàn)，能夠滿足飛機內(nèi)等地近范圍內(nèi)的無線通信需求，為后續(xù)對無線通信有特殊要求的環(huán)境的可見光通信系統(tǒng)的整體實現(xiàn)，打下了堅實的基礎(chǔ)。

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張玉燕(1976-)，天津人，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，從事光電檢測與光纖傳感，智能傳感器等研究工作。

渠文涵,通訊作者，E—mail：wenhanqu@163.com。

Music signal transmission system based on white LED*

ZHANG Yu-yan1,2, QU Wen-han1,2, LIU Shi-chao1,2, CHENG Jie-bing1,2, ZHAO Li-mei1,2

(1.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Key Laboratory of Measurement Technology and Instrumentation of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

White LED illumination combines with visible light communication technology,construct visible light wireless communication system based on white LED.In order to solve the near range(such as aircraft,hospital,mines and other places)wireless communication problems,based on the principle of visible light communication technology and characteristics of the white LED source,present a visible light communication system with on-off keying(OOK)modulation technique and PIN tube for optical power detector.MCU AT89C51 is used to produce music signal and music signal transmission is realized indoor,at the same time, in order to enhance communication performance of the system,LED optical array is designed,and related experiments are carried out.Experiments show that the music signal can transmit and broadcast through the white LED visible light communication system in interior,and the system can meet wireless communication demand in the near range,the ASK modulation and demodulation techniques used in the system are relatively simple,which greatly reduces cost of the system and complexity of design.

white LED; visible light communication;on-off keying(OOK); AT89C51

2015—11—06

國家自然科學(xué)基金資助項目(61403333)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20111333120009)；河北省自然科學(xué)基金資助項目(F2012203184)

TN 929

A

1000—9787(2016)08—0101—04

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0101—04