基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統設計與實現

南寧學院 呂德深

白光LED可見光通信是一種應用前景廣且綠色環保的無線通信技術。文中結合白光LED特性，利用白光LED作為信號傳輸媒介根據可見光通信原理設計了一個音頻傳輸系統。系統發射端通過對音頻數據解碼得到PCM數據，并將PCM數據經調制技術轉換為PWM信號，得到的PWM信號直接加載到LED燈上，在光接收端接收到的PWM信號通過功放直接還原出音頻，實現音頻信號的傳輸。

1 引言

白光LED具有靈敏度高、調制特性好，且能快速亮滅的發光特性（王世舉,郜超軍,戚麗麗,侯曉強.基于白光LED的可見光通信系統[J].激光雜志,2016,37(09):69-71），使得其在可見光通信得到了廣泛的應用。白光LED不僅可以用作照明，還可以用于數據的無線通信。把數據信息經過調制技術加載到白光LED上，利用白光LED發出的人眼難辨認的高速、閃爍信號即能實現信息傳送（陳泉潤,張濤,鄭偉波,李茹,崔釗.基于白光LED可見光通信的研究現狀及應用前景[J].半導體光電,2016,37(04):455-460+476）。本文利用白光LED作為傳輸媒介，將音頻信號調制到LED照明上實現數據傳送，然后利用光檢測器將接收的光信號轉換成電壓信號，進而對電信號進行處理和放大，把信號還原成原來的音頻信號。音頻信號傳輸過程不依賴光纖等有線傳輸介質，通信成本低，無輻射，綠色環保。

圖1 本文系統總體設計原理框圖

2 系統總體方案設計

本系統主要由四部分聯合構成，包括上位PC機、Zigbee信號中繼主節點、基于PWM光調制與發射的LED照明節點、可見光接收與音頻回放模塊，系統原理框圖如圖1所示。系統通過PC機編寫上位機軟件實現將MP3音頻信號解碼得到PCM數據，并通過藍牙實時將數據發送給下位機系統，下位機由基于Zigbee組建的星形網絡組成，上位機發出的數據通過藍牙接收后，信號中繼主節點利用串口進行數據讀取，接著將數據轉發給各個子節點，子節點將接收的數據通過調制技術將PCM轉換為PWM信號，并直接用于調制LED燈管。接收光信號的光電二極管將光信號轉變成微小的電信號，然后利用濾波電路、放大電路及電壓判決電路進行處理后得到PWM信號，最后通過高效的D類功放和LC濾波把音頻信號放大還原出來。

3 系統軟硬件的分析與設計

3.1 上位機設計

本文軟件部分的上位機采用C++程序進行設計，軟件平臺采用Visual Studio 2010中的MFC進行設計，在VS2010的libzplay庫創建對象，打開需要播放的文件并選擇播放就可以實現MP3的解碼，通過調用回調函數可以得到0.1秒的PCM緩存數據。通過添加串口控件，設置串口端口號及波特率，打開串口就可以實時地通過藍牙將PCM數據發送給下位機。

圖2 HC-06藍牙模塊與CC2530的連接電路

3.2 信號中繼模塊主節點設計

上位機軟件將解碼得到的PCM數據通過藍牙發送給信號中繼主節點，主節點再將藍牙收到的數據通過Zigbee組建的星形網絡實時傳送各個從節點。藍牙模塊選用HC-06，Zigbee芯片選用了Chipcon公司的CC2530片上系統作為主芯片。其內核采用增強型8051，入門易使用靈活多變，其還具有無線射頻通信功能，功耗較低，符號TI標準且有專門的協議棧從而使得開發更加簡單化。圖2為本文HC-06藍牙模塊與Zigbee的連接圖。

3.3 LED照明子節點設計

LED照明子節點的主要功能是加入到ZigBee網絡中，并能接收從主節點通過ZigBee網絡上傳來的數據和命令，將接收到的PCM數據通過算法換成PWM信號調制LED燈管。其連接框圖如圖3所示。

圖3 LED子節點連接框圖

為使LED光線在無線光通信中有較好的數據傳輸速率，本文采用安森美公司的N溝道MOS管60N02作為LED驅動管，使用60N02的優勢明顯，其開關頻率較高可達1MHz以上，導通電阻非常低，可達毫歐級別，故驅動較大電流的負載時60N02的發熱量仍然是非常低。目前市場上的LED燈管一般功率多為20W左右，燈管前端一般已經配備穩壓電源，本系統使用的燈管前端已經有36V穩壓電源，CC2530輸出具有信號意義的PWM信號控制MOS管60N02，從而將信號傳送出去，圖4為LED燈的PWM控制電路。由于MOS管G極存在一定的結電容，因此，電路中增加10k電阻R2有助于結電容的快速放電，可以使MOS管達到最好的調制效果。

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計

在光接收電路中接收管是非常重要的元器件之一，它能將光信號轉變成系統能夠識別的電信號的作用（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可見光通信的音頻傳輸系統[J].發光學報,2016,37(07):852-858）。光接收管輸出的電流微弱且含有噪聲，因此需要經過放大和濾波。得到的信號經過高阻抗跟隨再對信號進行放大，通過電壓判決還原PWM信號，最后通過D類功放和LC濾波電路將音頻還原放大。信號流程框圖如5所示。

圖5 光接收信號流程框圖

3.4.1 光接收電路設計

為了使得光電轉換速度快獲得線性度較好的信號，本文采用硅光電二極管進行光信號接收，本文選用光電二極管PIN管S8314。使用光電二極管S8314優勢明顯市場價格低廉工作電壓較低，但S8314輸出的信號非常小，因此需要對信號進行放大。本文采用低噪聲、精密、高速運算放大器OP27對S8314光電二極管輸出的電信號進行放大。該電路有低噪聲、寬頻帶、碼間抗干擾性能好等優勢。光信號接收電路如圖6所示。

3.4.2 高通濾波電路設計

基于成本考慮，本文選取較為簡單如圖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，根據公式：

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

3.4.3 電壓判決電路設計

本文選取LM393進行電壓判決電路設計。高通RC濾波器輸出的信號輸入到運算放大器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引腳組成的時同相放大器，將微弱的信號進行放大。放大后的信號進入LM393的第3引腳，與第2引腳的電壓進行比較。當第3引腳的電壓高于第2引腳的電壓時第1引腳輸出高電平；當第3引腳的電壓高于第2引腳電壓時第1引腳輸出低電平。最后，CC2530就可以對這些方波信號進行采集處理。電路如圖6所示。

3.4.4 功放電路設計

由于本模塊中經過電壓判決電路出來的信號已經是PWM信號，所以本系統采用D類功放非常合適，電路如圖6所示。

圖6 光接收電路與音頻回放電路

4 結束語

經實驗驗證，本文通過利用白光LED完成了無線音頻傳輸。當LED光源和光接收器的距離為4米內時，使用PC播放音樂，在接收端喇叭能聽到PC播放的音樂，音質清晰，未見噪聲。若用厚實不透光的物體遮擋燈光，音樂消失。距離繼續增大時，聲音有所失真且伴有噪聲，音頻傳輸效果下降，這與系統選擇的器件有關，還需要進一步考慮高性能的器件。