基于LED的可見光短距音頻通信系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計，發(fā)射端采用S9014多級放大及調(diào)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(diào)，采用LM386設(shè)計音頻信號放大器，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實現(xiàn)短距音頻可見光傳輸。

關(guān)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(yōu)點，從使用場合可分為室外通信與室內(nèi)通信兩類[1-3]。白光LED響應(yīng)靈敏、調(diào)制性好，是新一代環(huán)保型照明光源[4-5]。照明的同時將信號調(diào)制到可見光上進行傳輸，可以有效利用現(xiàn)有照明光源，緩解日益緊張的電磁頻譜資源問題，應(yīng)用場景很多。國內(nèi)對可見光通信系統(tǒng)的研究最早從2006年開始[6-7]，現(xiàn)已成為研究熱點。白光LED功率型VLC的關(guān)鍵問題是信號調(diào)制技術(shù)的選擇和驅(qū)動電路的設(shè)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(lǐng)域具有實用價值[8-9]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計主要包括兩部分：發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包括信號采集電路、調(diào)制驅(qū)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(shè)備產(chǎn)生的信號經(jīng)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(qū)動LED光源電路，將音頻信號調(diào)制到光信號。調(diào)制的可見光信號經(jīng)過PIN光電檢測和TDA2030放大電路解調(diào)放大后，采用LM386音頻放大電路產(chǎn)生驅(qū)動音頻播放設(shè)備的輸出信號，系統(tǒng)框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源電路

電源電路設(shè)計采用三端穩(wěn)壓芯片LM7805，+5 V供電，設(shè)計如圖2所示。

2.2 信號放大及調(diào)制電路

音頻輸出的信號較為微弱，設(shè)計采用S9014級聯(lián)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(shè)置合適靜態(tài)工作點，使其工作于放大狀態(tài)。信號放大及調(diào)制電路設(shè)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(fā)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(jīng)過PIN光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換，電路設(shè)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(tài)，無信號；當光源發(fā)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(tài)，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(gòu)成，設(shè)計如圖5所示。放大倍數(shù)主要通過電阻R11和R13計算，光電轉(zhuǎn)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(jīng)過TDA2030前置放大器的信號帶負載能力不強，故設(shè)計采用二級音頻輸出放大電路。LM386構(gòu)成音頻放大電路設(shè)計如圖6所示。此時，LM386電壓放大倍數(shù)設(shè)計46 dB。

3 系統(tǒng)測試與結(jié)論

系統(tǒng)實物包括發(fā)射電路與接收電路，如圖7（a）所示。發(fā)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(fā)射端輸出的實際信號如圖中示波器采集到的波形所示，經(jīng)過發(fā)射端電路處理后的音頻信號變成了一系列方波調(diào)制信號，可以驅(qū)動LED燈。音頻輸入信號與發(fā)射端輸出信號如圖7（c）所示。經(jīng)過接收放大電路，解調(diào)后的系統(tǒng)輸出信號與LED調(diào)制信號如圖7（d）所示。

系統(tǒng)設(shè)計首先在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，使用Multisim仿真軟件對理論設(shè)計電路進行了基本仿真，對系統(tǒng)電路設(shè)計的合理性進行初步評測，對仿真出現(xiàn)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(shè)計，制作電路板。系統(tǒng)搭建后，使用示波器觀察發(fā)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(shè)計，實現(xiàn)了可見光短距音頻通信，設(shè)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(shè)計來減小失真。系統(tǒng)需要進一步集成，提高傳輸距離。

[參考文獻]

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