基于LED的可見光短距音頻通信系統設計

張庭亮++甄倩倩++王義飛

摘 要：文章研究了基于LED的可見光短距音頻通信系統設計，發射端采用S9014多級放大及調制，接收端采用光電PIN管檢測光亮變化，TDA2030前置放大后，RC二階低通濾波器對信號進行解調，采用LM386設計音頻信號放大器，測試結果表明，系統可以實現短距音頻可見光傳輸。

關鍵詞：LED；可見光；光短距音頻通信

可見光通信具有抗電磁干擾、信息容量大、保密性好、維護成本低的優點，從使用場合可分為室外通信與室內通信兩類[1-3]。白光LED響應靈敏、調制性好，是新一代環保型照明光源[4-5]。照明的同時將信號調制到可見光上進行傳輸，可以有效利用現有照明光源，緩解日益緊張的電磁頻譜資源問題，應用場景很多。國內對可見光通信系統的研究最早從2006年開始[6-7]，現已成為研究熱點。白光LED功率型VLC的關鍵問題是信號調制技術的選擇和驅動電路的設計，減少信號干擾，盡可能增加傳輸距離。家用照明LED燈、路燈、汽車照明燈、礦燈等都可以作為傳輸光源，可見光音頻通信在很多領域具有實用價值[8-9]。

1 系統總體設計方案

系統設計主要包括兩部分：發射端和接收端。發射端包括信號采集電路、調制驅動電路、LED光源電路；接收端包括光電檢測電路、TDA2030前置放大電路、低通濾波電路、LM386音頻放大電路。PC機或者手機等音頻設備產生的信號經過音頻線輸入信號采集電路，由于信號較為微弱，采用S9014組成兩級放大電路放大輸入信號，驅動LED光源電路，將音頻信號調制到光信號。調制的可見光信號經過PIN光電檢測和TDA2030放大電路解調放大后，采用LM386音頻放大電路產生驅動音頻播放設備的輸出信號，系統框如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 電源電路

電源電路設計采用三端穩壓芯片LM7805，+5 V供電，設計如圖2所示。

2.2 信號放大及調制電路

音頻輸出的信號較為微弱，設計采用S9014級聯兩級放大電路。S9014晶體三極管用途較為廣泛，使用電阻、電容設置合適靜態工作點，使其工作于放大狀態。信號放大及調制電路設計如圖3所示。阻容耦合方式傳輸信號可以有效地濾除直流偏置電源帶來的噪聲干擾。LED光源采用3 W燈珠，配合聚光燈罩，使得發出的光更加集中，便于接收端光電檢測，其正極引腳接5 V電源，負極接信號端。

2.3 光電檢測電路

接收端經過PIN光電探測器完成光電轉換，電路設計如圖4所示。當無光照或光照極其微弱時，光電二極管視為開路，此時電路處于斷開狀態，無信號；當光源發射的強度超過檢測閾值，光電二極管電阻極小，可以視為短路狀態，信號通過C6濾除直流分量后輸出。

2.4 前置放大電路

前置放大電路主要由TDA2030構成，設計如圖5所示。放大倍數主要通過電阻R11和R13計算，光電轉化來的電信號可能混合有直流分量，電解電容C7能夠有效地將直流分量濾除，從而減少對信號的干擾。

2.5 音頻放大電路

經過TDA2030前置放大器的信號帶負載能力不強，故設計采用二級音頻輸出放大電路。LM386構成音頻放大電路設計如圖6所示。此時，LM386電壓放大倍數設計46 dB。

3 系統測試與結論

系統實物包括發射電路與接收電路，如圖7（a）所示。發射電路的實際測試過程如圖7（b）所示，音頻信號采用手機播放的音樂為信號源，輸入信號與發射端輸出的實際信號如圖中示波器采集到的波形所示，經過發射端電路處理后的音頻信號變成了一系列方波調制信號，可以驅動LED燈。音頻輸入信號與發射端輸出信號如圖7（c）所示。經過接收放大電路，解調后的系統輸出信號與LED調制信號如圖7（d）所示。

系統設計首先在分析前人研究成果的基礎上，使用Multisim仿真軟件對理論設計電路進行了基本仿真，對系統電路設計的合理性進行初步評測，對仿真出現的問題加以分析并改進。使用Altium Designer完成了原理圖及印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設計，制作電路板。系統搭建后，使用示波器觀察發射與接收電路的輸入輸出信號，對比分析，對電路進一步完善設計，實現了可見光短距音頻通信，設計中還有很多需要提高的地方，音頻傳輸有很大失真，仍需進一步設計來減小失真。系統需要進一步集成，提高傳輸距離。

[參考文獻]

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