南寧學(xué)院 呂德深

白光LED可見(jiàn)光通信是一種應(yīng)用前景廣且綠色環(huán)保的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。文中結(jié)合白光LED特性，利用白光LED作為信號(hào)傳輸媒介根據(jù)可見(jiàn)光通信原理設(shè)計(jì)了一個(gè)音頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端通過(guò)對(duì)音頻數(shù)據(jù)解碼得到PCM數(shù)據(jù)，并將PCM數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，得到的PWM信號(hào)直接加載到LED燈上，在光接收端接收到的PWM信號(hào)通過(guò)功放直接還原出音頻，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的傳輸。

1 引言

白光LED具有靈敏度高、調(diào)制特性好，且能快速亮滅的發(fā)光特性（王世舉,郜超軍,戚麗麗,侯曉強(qiáng).基于白光LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)[J].激光雜志,2016,37(09):69-71），使得其在可見(jiàn)光通信得到了廣泛的應(yīng)用。白光LED不僅可以用作照明，還可以用于數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)通信。把數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)調(diào)制技術(shù)加載到白光LED上，利用白光LED發(fā)出的人眼難辨認(rèn)的高速、閃爍信號(hào)即能實(shí)現(xiàn)信息傳送（陳泉潤(rùn),張濤,鄭偉波,李茹,崔釗.基于白光LED可見(jiàn)光通信的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].半導(dǎo)體光電,2016,37(04):455-460+476）。本文利用白光LED作為傳輸媒介，將音頻信號(hào)調(diào)制到LED照明上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，然后利用光檢測(cè)器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，進(jìn)而對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和放大，把信號(hào)還原成原來(lái)的音頻信號(hào)。音頻信號(hào)傳輸過(guò)程不依賴(lài)光纖等有線(xiàn)傳輸介質(zhì)，通信成本低，無(wú)輻射，綠色環(huán)保。

圖1 本文系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由四部分聯(lián)合構(gòu)成，包括上位PC機(jī)、Zigbee信號(hào)中繼主節(jié)點(diǎn)、基于PWM光調(diào)制與發(fā)射的LED照明節(jié)點(diǎn)、可見(jiàn)光接收與音頻回放模塊，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)PC機(jī)編寫(xiě)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)將MP3音頻信號(hào)解碼得到PCM數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)由基于Zigbee組建的星形網(wǎng)絡(luò)組成，上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙接收后，信號(hào)中繼主節(jié)點(diǎn)利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，接著將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)制技術(shù)將PCM轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，并直接用于調(diào)制LED燈管。接收光信號(hào)的光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成微小的電信號(hào)，然后利用濾波電路、放大電路及電壓判決電路進(jìn)行處理后得到PWM信號(hào)，最后通過(guò)高效的D類(lèi)功放和LC濾波把音頻信號(hào)放大還原出來(lái)。

3 系統(tǒng)軟硬件的分析與設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本文軟件部分的上位機(jī)采用C++程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件平臺(tái)采用Visual Studio 2010中的MFC進(jìn)行設(shè)計(jì)，在VS2010的libzplay庫(kù)創(chuàng)建對(duì)象，打開(kāi)需要播放的文件并選擇播放就可以實(shí)現(xiàn)MP3的解碼，通過(guò)調(diào)用回調(diào)函數(shù)可以得到0.1秒的PCM緩存數(shù)據(jù)。通過(guò)添加串口控件，設(shè)置串口端口號(hào)及波特率，打開(kāi)串口就可以實(shí)時(shí)地通過(guò)藍(lán)牙將PCM數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。

圖2 HC-06藍(lán)牙模塊與CC2530的連接電路

3.2 信號(hào)中繼模塊主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件將解碼得到的PCM數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給信號(hào)中繼主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)再將藍(lán)牙收到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee組建的星形網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送各個(gè)從節(jié)點(diǎn)。藍(lán)牙模塊選用HC-06，Zigbee芯片選用了Chipcon公司的CC2530片上系統(tǒng)作為主芯片。其內(nèi)核采用增強(qiáng)型8051，入門(mén)易使用靈活多變，其還具有無(wú)線(xiàn)射頻通信功能，功耗較低，符號(hào)TI標(biāo)準(zhǔn)且有專(zhuān)門(mén)的協(xié)議棧從而使得開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單化。圖2為本文HC-06藍(lán)牙模塊與Zigbee的連接圖。

3.3 LED照明子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

LED照明子節(jié)點(diǎn)的主要功能是加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，并能接收從主節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)和命令，將接收到的PCM數(shù)據(jù)通過(guò)算法換成PWM信號(hào)調(diào)制LED燈管。其連接框圖如圖3所示。

圖3 LED子節(jié)點(diǎn)連接框圖

為使LED光線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)光通信中有較好的數(shù)據(jù)傳輸速率，本文采用安森美公司的N溝道MOS管60N02作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)管，使用60N02的優(yōu)勢(shì)明顯，其開(kāi)關(guān)頻率較高可達(dá)1MHz以上，導(dǎo)通電阻非常低，可達(dá)毫歐級(jí)別，故驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載時(shí)60N02的發(fā)熱量仍然是非常低。目前市場(chǎng)上的LED燈管一般功率多為20W左右，燈管前端一般已經(jīng)配備穩(wěn)壓電源，本系統(tǒng)使用的燈管前端已經(jīng)有36V穩(wěn)壓電源，CC2530輸出具有信號(hào)意義的PWM信號(hào)控制MOS管60N02，從而將信號(hào)傳送出去，圖4為L(zhǎng)ED燈的PWM控制電路。由于MOS管G極存在一定的結(jié)電容，因此，電路中增加10k電阻R2有助于結(jié)電容的快速放電，可以使MOS管達(dá)到最好的調(diào)制效果。

圖4 PWM控制LED燈電路

3.4 光接收電路與音頻回放電路的設(shè)計(jì)

在光接收電路中接收管是非常重要的元器件之一，它能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)能夠識(shí)別的電信號(hào)的作用（李志全,謝銳杰,王聰,劉同磊,李文超,顧而丹,牛力勇.基于白光LED可見(jiàn)光通信的音頻傳輸系統(tǒng)[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2016,37(07):852-858）。光接收管輸出的電流微弱且含有噪聲，因此需要經(jīng)過(guò)放大和濾波。得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)高阻抗跟隨再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)電壓判決還原PWM信號(hào)，最后通過(guò)D類(lèi)功放和LC濾波電路將音頻還原放大。信號(hào)流程框圖如5所示。

圖5 光接收信號(hào)流程框圖

3.4.1 光接收電路設(shè)計(jì)

為了使得光電轉(zhuǎn)換速度快獲得線(xiàn)性度較好的信號(hào)，本文采用硅光電二極管進(jìn)行光信號(hào)接收，本文選用光電二極管PIN管S8314。使用光電二極管S8314優(yōu)勢(shì)明顯市場(chǎng)價(jià)格低廉工作電壓較低，但S8314輸出的信號(hào)非常小，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。本文采用低噪聲、精密、高速運(yùn)算放大器OP27對(duì)S8314光電二極管輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大。該電路有低噪聲、寬頻帶、碼間抗干擾性能好等優(yōu)勢(shì)。光信號(hào)接收電路如圖6所示。

3.4.2 高通濾波電路設(shè)計(jì)

基于成本考慮，本文選取較為簡(jiǎn)單如圖6所示的高通RC濾波器。電路中濾波電容C為0.1uF，電阻為1K，根據(jù)公式：

計(jì)算得出，截至頻率大約在1KHz左右，可以濾除日光燈、背景光等低頻信號(hào)的干擾。

3.4.3 電壓判決電路設(shè)計(jì)

本文選取LM393進(jìn)行電壓判決電路設(shè)計(jì)。高通RC濾波器輸出的信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器NE5532的第3引腳，NE5532芯片的第1～3引腳組成的是電壓跟隨器，起到阻抗隔離的作用，第5～7引腳組成的時(shí)同相放大器，將微弱的信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)進(jìn)入LM393的第3引腳，與第2引腳的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)?引腳的電壓高于第2引腳的電壓時(shí)第1引腳輸出高電平；當(dāng)?shù)?引腳的電壓高于第2引腳電壓時(shí)第1引腳輸出低電平。最后，CC2530就可以對(duì)這些方波信號(hào)進(jìn)行采集處理。電路如圖6所示。

3.4.4 功放電路設(shè)計(jì)

由于本模塊中經(jīng)過(guò)電壓判決電路出來(lái)的信號(hào)已經(jīng)是PWM信號(hào)，所以本系統(tǒng)采用D類(lèi)功放非常合適，電路如圖6所示。

圖6 光接收電路與音頻回放電路

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文通過(guò)利用白光LED完成了無(wú)線(xiàn)音頻傳輸。當(dāng)LED光源和光接收器的距離為4米內(nèi)時(shí)，使用PC播放音樂(lè)，在接收端喇叭能聽(tīng)到PC播放的音樂(lè)，音質(zhì)清晰，未見(jiàn)噪聲。若用厚實(shí)不透光的物體遮擋燈光，音樂(lè)消失。距離繼續(xù)增大時(shí)，聲音有所失真且伴有噪聲，音頻傳輸效果下降，這與系統(tǒng)選擇的器件有關(guān)，還需要進(jìn)一步考慮高性能的器件。