基于LED的可見光短距音頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)，發(fā)射端采用S9014多級(jí)放大及調(diào)制，接收端采用光電PIN管檢測(cè)光亮變化，TDA2030前置放大后，RC二階低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，采用LM386設(shè)計(jì)音頻信號(hào)放大器，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)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(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，從使用場(chǎng)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(shí)將信號(hào)調(diào)制到可見光上進(jìn)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(chǎng)景很多。國內(nèi)對(duì)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(diǎn)。白光LED功率型VLC的關(guān)鍵問題是信號(hào)調(diào)制技術(shù)的選擇和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，減少信號(hào)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(shí)用價(jià)值[8-9]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩部分：發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包括信號(hào)采集電路、調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、LED光源電路；接收端包括光電檢測(cè)電路、TDA2030前置放大電路、低通濾波電路、LM386音頻放大電路。PC機(jī)或者手機(jī)等音頻設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過音頻線輸入信號(hào)采集電路，由于信號(hào)較為微弱，采用S9014組成兩級(jí)放大電路放大輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED光源電路，將音頻信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)。調(diào)制的可見光信號(hào)經(jīng)過PIN光電檢測(cè)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(dòng)音頻播放設(shè)備的輸出信號(hào)，系統(tǒng)框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

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

2.2 信號(hào)放大及調(diào)制電路

音頻輸出的信號(hào)較為微弱，設(shè)計(jì)采用S9014級(jí)聯(lián)兩級(jí)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(diǎn)，使其工作于放大狀態(tài)。信號(hào)放大及調(diào)制電路設(shè)計(jì)如圖3所示。阻容耦合方式傳輸信號(hào)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(cè)，其正極引腳接5 V電源，負(fù)極接信號(hào)端。

2.3 光電檢測(cè)電路

接收端經(jīng)過PIN光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。當(dāng)無光照或光照極其微弱時(shí)，光電二極管視為開路，此時(shí)電路處于斷開狀態(tài)，無信號(hào)；當(dāng)光源發(fā)射的強(qiáng)度超過檢測(cè)閾值，光電二極管電阻極小，可以視為短路狀態(tài)，信號(hào)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(jì)如圖5所示。放大倍數(shù)主要通過電阻R11和R13計(jì)算，光電轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)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(duì)信號(hào)的干擾。

2.5 音頻放大電路

經(jīng)過TDA2030前置放大器的信號(hào)帶負(fù)載能力不強(qiáng)，故設(shè)計(jì)采用二級(jí)音頻輸出放大電路。LM386構(gòu)成音頻放大電路設(shè)計(jì)如圖6所示。此時(shí)，LM386電壓放大倍數(shù)設(shè)計(jì)46 dB。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)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(shí)際測(cè)試過程如圖7（b）所示，音頻信號(hào)采用手機(jī)播放的音樂為信號(hào)源，輸入信號(hào)與發(fā)射端輸出的實(shí)際信號(hào)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(hào)變成了一系列方波調(diào)制信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)LED燈。音頻輸入信號(hào)與發(fā)射端輸出信號(hào)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(hào)與LED調(diào)制信號(hào)如圖7（d）所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，使用Multisim仿真軟件對(duì)理論設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了基本仿真，對(duì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行初步評(píng)測(cè)，對(duì)仿真出現(xiàn)的問題加以分析并改進(jìn)。使用Altium Designer完成了原理圖及印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計(jì)，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(hào)，對(duì)比分析，對(duì)電路進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可見光短距音頻通信，設(shè)計(jì)中還有很多需要提高的地方，音頻傳輸有很大失真，仍需進(jìn)一步設(shè)計(jì)來減小失真。系統(tǒng)需要進(jìn)一步集成，提高傳輸距離。

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