利用LED照明光進行無線音頻信號傳輸的性能研究

鐘海泉 鐘靜 盧洪斌

摘? ?要：文章對設計的LED可見光音頻信號傳輸系統進行了性能測試，得出系統工作頻帶寬度為2 KHz。結果分析表明，設置恰當的光調制及電路參數，可實現室內范圍內的高質量寬帶音頻可見光無線信號傳輸。

關鍵詞：可見光通信;音頻傳輸;發光二極管照明

1? ? 可見光通信簡介

近年來，可見光通信得到了廣泛、深入的研究，可應用于短距離的高速信息傳輸和室內定位中[1-4]。當前，音響系統的信號傳輸主要通過有線傳輸的方式，無線傳輸的方式也可通過無線電波進行音頻信號傳輸，通過室內發光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明光進行室內范圍音頻信號的傳輸比較少見。可見光信號傳輸可利用室內LED照明系統實現信號的單向傳輸，室內LED照明可同時兼顧照明和信號傳輸功能，具有使用成本低、無輻射、不占用無線頻譜、安全節能、無電磁干擾等優點，特別在各種音響系統的信號傳輸上，能保障高保真音頻信號的傳輸，對于提升音響系統的性能具有明顯的優勢。除此之外，室內LED照明系統實現了室內信號的全覆蓋，便于靈活布置音響裝置，為特殊的音響效果提供了便于實施的條件。

當前可見光信息傳輸涉及的調制技術比較復雜，成本高、穩定性不佳[4-5]，且實現的音頻可見光傳輸不是基于室內照明環境的，而是特定的點對點可見光音頻傳輸[8-9]。本文提出一種基于室內可見光照明環境下的音頻信號無線傳輸裝置，采用比較簡單的信號調制方式，發送端通過音頻信號調制LED照明燈的發光強度，通過可見光強度變化實現信號發送。接收端由光電轉換模塊接收光信號，通過低噪聲信號放大電路實現功放信號驅動音箱工作，實現了可見光視距高保真傳輸音頻信號的功能。

本文所設計的系統具有穩定可靠、成本低、信號室內覆蓋范圍寬等優點，能實現可見光視距高保真傳輸音頻信號的功能。系統室內照明空間為6 m×6 m×3 m，9個LED陣列光源LED分布于6 m×6 m的室內吊頂平面上，圖1為LED可見光照明模型。

2? ? 系統性能測試及分析

圖2為輸入音頻信號，幅度為5 V，頻率分別為80 Hz，1 KHz，5 KHz時，接收信號幅度變化曲線。從測試結果得出：當可見光信號傳輸距離超過3 m后，由于信號衰減，接收信號幅度較小，噪聲干擾明顯。同時，觀察到在不同傳輸距離接收的5 KHz信號幅度都很小，這是因為電路設計中主要考慮2 KHz以內音頻信號的傳輸，接收端電路放大模塊工作帶寬有限的結果，與可見光傳輸帶寬和信號衰減沒關系。如需傳輸5 KHz及以上頻率的信號，需在電路設計中提高放大電路模塊的工作帶寬。

為測量系統的工作頻帶寬度，設定發送端與接收端的距離為2 m，信號發生器連接發送端的音頻輸入端口并輸出信號幅度分別為1 V，3 V，5 V的音頻信號。通過調節信號發生器的輸出信號頻率，測量接收端放大電路輸出信號的幅度變化曲線。如圖3所示，系統工作頻帶寬度為2 KHz。可見光音頻傳輸如用于高質量的音響系統里，需進一步提高工作帶寬，如極品音響系統可把工作帶寬提高到幾十KHz。圖3的測量結果也說明發送信號的幅度從5 V減小到1 V，放大后的接收信號幅度減小較少，對接收信號質量的影響不明顯。相對于無線電波傳輸音頻信號，可見光傳輸音頻信號的信噪比提高很多，說明通過可見光傳輸音頻信號的可靠性更高[8-9]。

3? ? 結語

本文利用LED照明光的高帶寬資源設計的音頻信號光無線傳輸裝置能實現高質量的音頻信號傳輸功能。從測試結果可知，當可見光信號傳輸距離超過3 m后，噪聲干擾明顯，測試得出系統工作頻帶寬度為2 KHz。可見光音頻傳輸如用于高質量的音響系統里，需進一步提高工作帶寬。實驗結果表明：恰當設置光調制參數及電路參數，可實現室內范圍高質量的寬帶音頻可見光無線信號傳輸。

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