周錦榮，洪伯達(dá)，紀(jì)培彬（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000）

功率型白光LED無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周錦榮，洪伯達(dá)，紀(jì)培彬（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000）

該無(wú)線音頻傳輸系統(tǒng)以功率型白光LED作為傳輸媒介，主要由音頻信號(hào)調(diào)制電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、鎖相環(huán)譯碼還原電路、音頻功放電路組成。該系統(tǒng)利用多諧振蕩器電路產(chǎn)生的載波對(duì)輸入音頻信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)制后送LED驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行發(fā)射傳輸。LED發(fā)射的光信號(hào)被硅光電池接收，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)電路解調(diào)并濾除高頻載波得到原有的輸入音頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在2 m范圍內(nèi)能較好實(shí)現(xiàn)輸入頻率為200 Hz～2 kHz的音頻信號(hào)傳輸，對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光通信應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

LED光通信；無(wú)線音頻傳輸；調(diào)制解調(diào)電路；多諧振蕩器

可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）通過(guò)利用可見(jiàn)光作為信息傳遞的載體，有利于緩解當(dāng)前緊張的無(wú)線電頻譜資源，且通信安全系數(shù)高[1]。LED可見(jiàn)光通信從使用場(chǎng)合可分為室外通信和室內(nèi)通信兩類[2]。室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)最早由日本的Tanaka等人提出，分別通過(guò)OOK和OFDM兩種調(diào)制方式對(duì)可見(jiàn)光通信進(jìn)行了仿真，證明了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。?guó)內(nèi)對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的研究與關(guān)注主要從2006年開(kāi)始，最早由西安理工大學(xué)丁德強(qiáng)、柯熙政兩人引入[3]。功率型白光LED具有低功耗，長(zhǎng)壽命等有利于照明應(yīng)用的特點(diǎn)，而且其高響應(yīng)的靈敏速度使數(shù)據(jù)通信變?yōu)榭赡躘1]。采用合適的調(diào)制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電路是功率型LED實(shí)現(xiàn)VLC光通信的關(guān)鍵問(wèn)題之一[3-4]。文章討論模擬調(diào)制下功率型白光LED無(wú)線音頻通信系統(tǒng)包括音頻輸入放大電路、音頻信號(hào)調(diào)制電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、白光LED陣列、光電檢測(cè)器、信號(hào)放大電路、音頻解碼和功放輸出等[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

上行發(fā)射端通過(guò)NE555進(jìn)行調(diào)頻，得到一個(gè)頻率相對(duì)較高的脈沖信號(hào)作為載波，把頻率相對(duì)較低的音頻信號(hào)加載上來(lái)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)白光LED進(jìn)行照明。下行接收端通過(guò)光敏二極管接收調(diào)制后的光信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行濾波得到所需的音頻信號(hào)，并通過(guò)功放芯片進(jìn)行放大輸出。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the overall system

1 模擬調(diào)制發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)

模擬調(diào)制發(fā)射模塊主要由音頻輸入調(diào)理電路、音頻信號(hào)調(diào)制電路和恒流驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成，具體電路如圖2所示。

圖2 發(fā)射模塊電路原理圖Fig.2Transmitter module circuit schematics

音頻信號(hào)通過(guò)B1接入，經(jīng)LM358構(gòu)成的放大器對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行放大后送NE555構(gòu)成的調(diào)制電路進(jìn)行音頻信號(hào)調(diào)制[6]。設(shè)計(jì)所采用的單顆白光LED功率為1 W，額定電流為320 mA。照明時(shí)將8顆LED串聯(lián)使用，此時(shí)額定電壓約為25 V左右，可選用場(chǎng)效應(yīng)管IRF540（其VDSS=100V，ID=28A）直接對(duì)多個(gè)串聯(lián)的LED進(jìn)行開(kāi)關(guān)調(diào)制，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管有利于較好的保留驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形，便于解調(diào)端的接收。但驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率需足夠高，否則會(huì)造成LED頻閃，無(wú)法滿足正常照明需求[7]。由于NE555調(diào)制出來(lái)的音頻信號(hào)，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)效應(yīng)管，故在兩級(jí)之間增加光耦TLP250作為驅(qū)動(dòng)。如圖2所示，將NE555接成占空比、振蕩頻率都可調(diào)的多諧振蕩器。當(dāng)進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸時(shí)，將振蕩頻率f0調(diào)至100 kHz，占空調(diào)為50%左右。實(shí)驗(yàn)表明，該頻率容易被接收端接收，能有效的提高音頻信號(hào)的發(fā)送質(zhì)量，提高其抗干擾能力。

2 模擬調(diào)制接收模塊電路設(shè)計(jì)

模擬調(diào)制接收模塊電路主要有接收信號(hào)前級(jí)放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、低通濾波電路和功率放大電路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 接收模塊電路原理圖Fig.3Receiver module circuit schematics

設(shè)計(jì)中采用硅光電池作為光信號(hào)接收器，將接收到的光信號(hào)通過(guò)MCP602構(gòu)成的弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大后送入74HC4046鎖相環(huán)電路進(jìn)行信號(hào)解調(diào)[8-9]。如果在傳輸過(guò)程中存在較大的干擾信號(hào)，可在放大器的負(fù)反饋環(huán)路中加適當(dāng)?shù)碾娙輥?lái)濾除。調(diào)節(jié)R25使壓控振蕩器的中心頻率等于發(fā)射信號(hào)的中心頻率f0。發(fā)射的音頻信號(hào)f0經(jīng)鎖相環(huán)路，與壓控振蕩器的中心頻率f0之間形成固有頻差Δf0。而f0在一定范圍內(nèi)依靠鎖相環(huán)的相位跟蹤作用，追使輸出信號(hào)的相位跟蹤輸入信號(hào)相位的變化得到解調(diào)輸出信號(hào)f1。解調(diào)輸出信號(hào)經(jīng)R28、C16、R29、C17進(jìn)行低通濾波后送入由LM386構(gòu)成的音頻功率放大電路[10]。信號(hào)輸入端的C18與信號(hào)輸出端的C21作交流信號(hào)耦合用，電阻R32、電解電容C20為調(diào)整LM386增益的大小。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

設(shè)計(jì)通過(guò)正弦波模擬音頻信號(hào)的傳輸，利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)整正弦波輸出頻率約接近于人耳可以聽(tīng)到的音頻范圍20 Hz～20 kHz。音頻調(diào)制發(fā)射部分，先調(diào)整NE555構(gòu)成的多諧振蕩器有100 kHz左右的固定頻率的PWM波形輸出，再加入音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，此時(shí)NE555輸出的PWM波形頻率根據(jù)輸入的音頻實(shí)時(shí)變化。將輸出波形接通過(guò)光耦TLP250耦合到效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射出光信號(hào)。音頻信號(hào)接收解調(diào)部分，先用頻率為1 kHz，幅值為100 mV的正弦波信號(hào)代替音頻信號(hào)傳輸進(jìn)行測(cè)試。前級(jí)用示波器測(cè)得硅光電池能接收到微弱的頻率不一的脈寬信號(hào)，再測(cè)量CD74HC4046解碼輸出端，可得到解碼后的幅值較小的正弦波信號(hào)。測(cè)量LM386得到一個(gè)幅值約為1 V左右，頻率為1 kHz的正弦波信號(hào)。將正弦波輸入信號(hào)替換為音頻信號(hào)，LM386的輸出端接上一個(gè)8 Ω的喇叭，此時(shí)可以從喇叭中聽(tīng)到實(shí)時(shí)的輸入音頻，音頻清晰度較好。圖4是在發(fā)射端和接收端1 m距離，不同頻率的100 mV輸入音頻信號(hào)通過(guò)該系統(tǒng)后對(duì)應(yīng)的輸出波形。雙蹤示波器中通道1為模擬調(diào)制發(fā)射端的輸入波形，通道2為輸出解調(diào)功率放大后揚(yáng)聲器兩端的輸出波形。圖5是也是在發(fā)射端和接收端1 m距離對(duì)系統(tǒng)輸入實(shí)際的音樂(lè)音頻信號(hào)并通過(guò)LED傳輸后得到的輸入波形（通道1）和輸出波形（通道2）。

圖4 不同頻率的音頻信號(hào)輸入情況下的對(duì)應(yīng)輸出波形Fig.4The corresponding output waveforms of the audio signal input of different frequencies

從圖4輸入輸出對(duì)應(yīng)波形顯示，頻率在100 Hz～20 kHz之間的100 mV正弦波信號(hào)能較好地不失真地進(jìn)行傳輸，基本滿足音頻信號(hào)的傳輸要求。但輸入頻率在接近100 Hz的低頻段與接近20 kHz的音頻段，輸出信號(hào)幅值有較大的衰減；當(dāng)輸入信號(hào)到達(dá)25 kHz時(shí)，輸出信號(hào)衰減明顯，并出現(xiàn)微失真現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)微弱的輸入信號(hào)及系統(tǒng)傳輸距離進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)輸入信號(hào)隨著輸入正弦波幅值的減小，輸出波形幅值也跟著減小，當(dāng)幅值減小到20 mV時(shí)，波形的傳輸有一定的失真；系統(tǒng)能在2 m的之內(nèi)較好地進(jìn)行傳輸，但在接近2 m時(shí)，開(kāi)始有一定的失真。圖5所示的輸入輸出波形是對(duì)實(shí)際音樂(lè)片段進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，從圖中可以對(duì)比輸出和輸入波形，可看出輸出信號(hào)失真不明顯，能較好跟蹤輸入音樂(lè)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)如圖6所示。

圖5 不同音樂(lè)片段對(duì)應(yīng)的輸入輸出波形Fig.5Input and output waveforms of different pieces of music

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.6Experimental test system

4 結(jié)論

可見(jiàn)光通信在國(guó)內(nèi)外都具有非常較好的應(yīng)用前景，設(shè)計(jì)在保證LED在正常照明條件下，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)通過(guò)功率型白光LED進(jìn)行無(wú)線傳輸。文中討論了利用模擬調(diào)制進(jìn)行音頻信號(hào)光通信的實(shí)現(xiàn)方法，該系統(tǒng)在2 m范圍內(nèi)較好實(shí)現(xiàn)了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的100 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的正弦信號(hào)傳輸。系統(tǒng)模擬調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，但不能進(jìn)行加密，信號(hào)傳輸?shù)陌踩暂^低。而且，在測(cè)試中還沒(méi)考慮到周圍環(huán)境光源對(duì)傳輸性能的影響，在如何提高傳輸距離和傳輸信號(hào)頻率的頻帶寬帶等方面沒(méi)有進(jìn)行深入討論，這些都有待進(jìn)一步的研究，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能。

［1］丁德強(qiáng)，柯熙政.可見(jiàn)光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2006，27（2）：114-117.

［2］劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng)，等.白光LED照明的可見(jiàn)光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.光通信技術(shù)，2009（7）：53-56.

［3］王虹，蔡喜平.基于白光LED的可見(jiàn)光通信研究進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體光電，2014，35（1）：5-9.

［4］駱漢光，何志毅，何寧.大功率LED無(wú)線光通信的高速脈沖調(diào)制技術(shù)研究［J］.光通信技術(shù)，2013（4）：43-46.

［5］梁烈勇.短距離LED可見(jiàn)光音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：18-20.

［6］文旭東，彭華雨，任重偉，等.可傳輸音頻信號(hào)的簡(jiǎn)易無(wú)線充電器設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2015（5）：82-86.

［7］張建昆，劉博，楊宇，等.一種室內(nèi)可見(jiàn)光通信亮度控制方法［J］.光電子激光，2011，22（7）：1013-1017.

［8］郭紅.基于鎖相環(huán)1 MHz感應(yīng)加熱電源頻率跟蹤的研究［J］.電焊機(jī)，2008，38（3）：57-61.

［9］楊光義，閆燕鶯，熊飏，等.鎖相環(huán)調(diào)頻發(fā)射接收系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（10）：123-127.

［10］劉英楠，衣淑娟，陶桂香，等.基于公用電話王的家用電器遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，26（2）：73-77.

Design of wireless audio transmission system based on power white LED

Zhou Jinrong，Hong Boda，Ji Peibin
（College of Physics and Information Engineering，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000）

The wireless audio transmission system relyed on power white LED as a transmission medium，mainly consisted of the audio signal modulation circuit，a LED driver circuit，reducing the decoding phase locked loop circuit and an audio amplifier circuit. The system used multivibrator circuit to generate a carrier input audio signal analog modulation evacuation LED driver circuit to transmit transmission.Optical signal emitted by the LED was received silicon photovoltaic cells，filtered through a phase locked loop circuit and a high frequency carrier demodulation to get the original input audio signal.The test results showed that the system could achieve better audio signal transmission input frequency of 200 Hz-2 kHz in the range of 2 m.It had a certain reference value for indoor visible light communication applications.

LED light communication；wireless audio transmission；modem circuit；multivibrator

TN929.12

A

1002-2090（2017）01-0119-05

2016-03-04

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J01758）；福建省資助省屬高校科研專項(xiàng)（JK2016026）；福建省教育科研項(xiàng)目（JAT160284）；2015年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201510402011）。

周錦榮（1974-），男，講師，同濟(jì)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事光電控制與信息處理方面的研究。