李金佳 劉子琪 李濤 姜東曉

摘? ?要：LED具有調(diào)制特性良好的優(yōu)點(diǎn)，可以使得LED光源在照明的同時(shí)傳輸音頻信號(hào)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于LED的可見(jiàn)光一對(duì)多音頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大模塊組成。在發(fā)射模塊，用手機(jī)或電腦終端播放音頻，通過(guò)LM833對(duì)輸入音頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波而后驅(qū)動(dòng)白光LED;兩個(gè)接收模塊，分別利用OPT101把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)LM386放大濾波等處理，使揚(yáng)聲器可以播放出清晰的音樂(lè)，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的通信。

關(guān)鍵詞：VLC? 音頻傳輸? 一對(duì)多通信

中圖分類(lèi)號(hào)： TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0160-02

信息時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，無(wú)線接入網(wǎng)頻譜資源的緊張、給傳統(tǒng)接入網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)了巨大的考驗(yàn)?？萍忌鐣?huì)也在需求一種拓寬頻譜資源、綠色節(jié)能的接入方式。由此，可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication， VLC）應(yīng)運(yùn)而生。可見(jiàn)光是電磁波譜中人眼可以感知到的部分，波長(zhǎng)大概為380～780nm之間?？梢?jiàn)光通信是利用可見(jiàn)光來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，即利用電信號(hào)控制發(fā)光發(fā)光二極管（Light Emitting Diode， LED）發(fā)出肉眼看不到的高速閃爍信號(hào)來(lái)傳輸信息的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)首先由德國(guó)物理學(xué)家Herald Haas提出。其具有高帶寬、無(wú)需頻譜授權(quán)、安全便利等優(yōu)點(diǎn)，具有非?？捎^的應(yīng)用前景。白光LED具有更高的調(diào)制帶寬、優(yōu)良的調(diào)制性能和靈敏度高等特點(diǎn)。本文基于LED可見(jiàn)光通信技術(shù)，通過(guò)對(duì)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行模擬幅度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多的音頻傳輸系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包含發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。發(fā)送端電路主要由音頻信號(hào)源、音頻信號(hào)放大濾波電路、直流偏置電路、LED驅(qū)動(dòng)電路組成。本設(shè)計(jì)選用雙功放LM833對(duì)輸入音頻模擬信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，而后傳到LED驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)通過(guò)繼電器微控制LED光信號(hào)。白光LED信號(hào)通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制，經(jīng)過(guò)大氣信道傳播后被兩個(gè)接收端的光電二極管接收。接收端的光電探測(cè)器OPT101將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)LM386跨阻放大、濾波還原音頻信號(hào)，最后由經(jīng)兩個(gè)揚(yáng)聲器播放出幾乎無(wú)失真的音樂(lè)，從而實(shí)現(xiàn)一對(duì)多音頻通信。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2? 發(fā)射端電路射設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的發(fā)射模塊需要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)向光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為此，發(fā)射端要分別完成音頻信號(hào)的放大以及LED驅(qū)動(dòng)，與之對(duì)應(yīng)發(fā)射模塊電路可大致分為濾波放大電路、LED驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 基于LM833的濾波放大電路

LM833是雙運(yùn)算放大器（Dual Operational Amplifiers），它將兩個(gè)通用型運(yùn)算放大器集成在一個(gè)單片上，具有增益高，共模抑制比高、共模范圍寬、補(bǔ)償簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，兩運(yùn)放之間溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

由于傳輸信號(hào)往往強(qiáng)度較低，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制之前，通常首先要利用前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并且在信號(hào)上增加直流偏置，保證信號(hào)強(qiáng)度均大于零，為后期的信號(hào)調(diào)制做好信號(hào)的預(yù)處理。

本系統(tǒng)中，在發(fā)送端，音頻模擬信號(hào)首先經(jīng)高通濾波去除噪聲，從LM833的放大器1正向輸入進(jìn)，反向輸入接地，音頻信號(hào)經(jīng)放大變?yōu)楦哳l信號(hào)。放大器1的輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波器去噪，而后從放大器2的正向輸入，放大器1輸出信號(hào)經(jīng)去直接入反向輸入端，此時(shí)，音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大穩(wěn)定輸出。

2.2 調(diào)制方式及LED驅(qū)動(dòng)電路

2.2.1 調(diào)制方式

在本系統(tǒng)中，采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM/DD）的方式，由于模擬音頻信號(hào)在不同音調(diào)下電壓不同，在音樂(lè)播放過(guò)程中LED亮暗會(huì)隨著音頻信號(hào)的幅度大小進(jìn)行變化，達(dá)到對(duì)光強(qiáng)度的直接調(diào)制目的。

2.2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

完成對(duì)音頻模擬信號(hào)的調(diào)制后，調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管，使LED發(fā)光。調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)弱改變LED光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱。由于白光LED在大氣信道中傳輸時(shí)會(huì)受到自由空間中吸收、散射、湍流等的影響，光強(qiáng)會(huì)有所衰減。因此，為了保證信號(hào)傳輸?shù)母咝?，使接收端獲取具有足夠能量的光信號(hào)，LED燈需要具有足夠的發(fā)射功率，即LED驅(qū)動(dòng)電路要有足夠的輸出功率。在本系統(tǒng)中，選用3.3V 3W的LED燈珠。

3? 接收端電路設(shè)計(jì)

與發(fā)射端相對(duì)應(yīng)，該系統(tǒng)中，接收模塊要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這要求硬件電路要盡量實(shí)現(xiàn)最小的失真和噪聲。尤其，在本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信，即對(duì)多個(gè)接收端的信號(hào)恢復(fù)要求極高。接收端電路主要分為光電轉(zhuǎn)換電路、跨阻放大電路、濾波電路等部分。

3.1 基于OPT101的光電轉(zhuǎn)換電路

接收端接收到發(fā)射端發(fā)出的白光信號(hào)后，首先要將光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。在本文中，選用OPT101光電轉(zhuǎn)換器，它是集光敏二極管和信號(hào)放大于一體的器件，輸出電壓隨光照強(qiáng)度成線性變化。

3.2 基于LM386的濾波電路

發(fā)射端發(fā)出的光信號(hào)在大氣信道中的衰減，以及在接收端的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，都有可能在使信號(hào)混入噪聲，造成傳輸信號(hào)有效性的下降，為了提高音頻通信系統(tǒng)的傳輸性能，要對(duì)所得放大信號(hào)進(jìn)行濾波。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)的功率放大器。在接收端，音頻信號(hào)正向輸入，反向輸入接地，通過(guò)了解常用的LM386電路，設(shè)定增益為50，即芯片引腳1和8之間接一個(gè)1.2kΩ電阻和一個(gè)10μf的電容。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器輸出。

4? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試?yán)肔ED構(gòu)建的音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)在可見(jiàn)光上的可靠傳輸，LED光源無(wú)肉眼可見(jiàn)的閃爍，在一定的范圍內(nèi)，音頻信號(hào)清洗無(wú)失真，并且不受自然光和室內(nèi)熒光燈的影響。本文在對(duì)基于LED的可見(jiàn)光通信技術(shù)研究和掌握的基礎(chǔ)上，提出了一種基于白光LED的可見(jiàn)光一對(duì)多通信音頻傳輸系統(tǒng)。利用一個(gè)發(fā)送模塊、多個(gè)接收模塊的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬音頻信號(hào)的幾乎無(wú)失真的傳輸。是對(duì)VLC應(yīng)用新領(lǐng)域的一次嘗試與探索。本文中一對(duì)多的通信還有更廣泛的利用與研究空間。相信隨著光通信科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，VLC這種具有高效能和高可靠性的新型通信方式將在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

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