基于可見光的音頻數字傳輸系統

劉珊　劉雨享

摘 要：文章針對可見光音頻模擬傳輸通信系統中抗干擾能力差以及LED頻閃問題，設計了基于可見光的音頻數字傳輸系統。介紹了可見光數字調制原理，設計了可見光通信系統的發送端和接收端電路，并通過實驗測試驗證了系統的性能。

關鍵詞：可見光通信；音頻傳輸；開關鍵控調制；傳輸速率

可見光通信具有無電磁干擾、發射功率高、成本低等優點，且光信號比電信號傳輸速率更快，LED燈在照明的同時還可將信號調制到其上進行傳輸，緩解了日益緊張的電磁頻譜資源問題。同時這種通信方式不再依賴傳統有線傳輸的模式，減少了搭建通信鏈路的時間，降低了通信成本[1-3]。因此，采用LED燈與無線通信相結合的可見光通信技術受到了全世界的重視并迅速發展起來。

本文利用白光LED高速調制特性，將音頻信號調制到LED可見光上實現信息傳輸，即基于可見光通信技術研究音頻傳輸問題。該系統使用模數轉換將模擬信號轉化為數字信號后使用OOK調制方法將信號加載到光信號上。接收端將光調制信號接收后再進行模數轉換，并在FPGA內進行解調恢復出數字信號。最后通過數模轉換將語音信號恢復出來。經測試，系統在傳輸距離為0.8 m條件下，可保證LED無頻閃且可以較為準確地還原語音信號。

1 工作原理

1.1 光電轉換原理

光電轉換部分采用了光電二極管，是接收端的核心器件，是一種能將光信號轉換成電流或者電壓信號的光探測器。

1.2 LED偏置電路

由于調制后的信號功率達不到LED燈的驅動要求，系統采用直流偏置技術在調制信號上添加一個偏置器，即疊加直流電源。它可以提供一定的偏置電壓，確保LED燈工作于閾值以上的工作區[4]。

1.3 A/D轉換原理

采集的語音信號為模擬信號，采取PCM脈沖編碼調制方式進行模數轉換。按照16 kHz的采樣率對信號進行采樣，即得到抽樣信號。以每次采樣8位量化數對抽樣信號進行均勻量化，將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，最后將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值，即可得相應語音信號的數字信號。此時輸出為8位并行的數據，接著通過串口將并行數據轉換為串行數據輸出到調制器的輸入端。

1.4 D/A轉換原理

運用D/A轉換芯片將8位數字量轉化為模擬量。

1.5 調制與解調原理

FPGA是在PAL，GAL，CPLD等可編程邏輯器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA最大的特點是靈活，它可以定制各種數字電路，減少專用芯片的束縛，真正為自己的產品量身定做。Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開關級的多種抽象設計層次的數字系統建模。被建模的數字系統對象的復雜性介于簡單的門和完整的電子數字系統之間[5]。

本系統的調制與解調是運用Verilog HDL在FPGA的EP4CE10F17C8芯片上實現的。

1.5.1 OOK調制原理

OOK調制是利用幅度取值為0與1的基帶矩形脈沖去鍵控連續載波，從而使載波幅度呈現兩個幅值，時斷時續的輸出。即有載波輸出時，傳送信號為1；無載波輸出時，傳送信號為0。

1.5.2 OOK解調原理

從頻譜上看，檢波是將調幅信號由高頻調回至低頻，是調制的逆過程。2ASK信號的解調主要有相干解調與非相干解調（包絡檢波）兩種方式。考慮到相干檢波需要接收端提供一個與ASK信號同頻同相的相干載波，實現起來較為復雜且抗噪聲性能與包絡檢波相比較差，故我們采取包絡檢波的方式進行解調。之后通過LPF濾除高頻成分，得到基帶信號的包絡。最后經由抽樣判決器還原出相應的數字信號，即可實現2ASK信號的解調。

2 系統設計

2.1 可見光發送模塊

2.1.1 系統組成

可見光發送模塊主要包括A/D轉換電路、OOK調制電路、D/A轉換電路和LED發送光信號電路。具體過程是：手機播放音樂，通過A/D轉換電路，以采樣率為16 kb/s的速度將采樣點的模擬量轉變為8位并行輸出的數字量。然后接串口電路將8位數據一位一位地傳送到調制電路的輸入端，進行OOK調制。緊接著，將調制后的信號通過D/A轉換電路，最后通過功率放大器驅動LED燈發光。其中，LED部分接了一個偏置電路，偏置電壓為6 V。

2.1.2 框圖設計

可見光發送模塊設計如圖1所示。

2.2 可見光接收模塊

2.2.1 系統組成

可見光接收模塊主要包括光電二極管接收光信號電路的A/D轉換電路、OOK調制電路、D/A轉換并還原語音數據的語音并播放電路。具體過程是：光電二極管接收LED光信號，通過A/D轉換電路并對信號進行解調，接著將解調后的信號通過D/A轉換電路，經過跨阻放大器將電流信號轉變為電壓信號，進一步濾波，最后通過音響還原發送的語音信號。

2.2.2 框圖設計

可見光接收模塊設計如圖2所示。

2.2.3 接收模塊的器件介紹

經光電二極管轉換的電信號小且差，因此需要將信號進行放大和濾波處理，此部分設計的器件如下所示。

（1）跨阻放大器。

跨阻放大器是光電二極管的前端放大器，通過運算放大器兩端的反饋電阻，使用歐姆定律將傳感器的輸出電流轉換為電壓。本系統采用OPA380系列跨阻放大器，通過TINA軟件設計跨阻放大器，如圖3所示。

（2）反相比例放大器。

運算放大器是具有很高放大倍數的電路單元，本系統設計的放大器放大倍數為10。

（3）低通濾波器。

低通濾波器（Low-pass filter）只允許低頻信號通過，減弱（或減少）頻率高于截止頻率的信號的通過。對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同。根據本系統，設計的低通截止頻率為300 kHz。

3 系統測試

為了檢驗系統搭建的正確性，發射端利用函數信號發生器產生的正弦波模擬語音信號，接收端的信號用示波器來采集。通過對比示波器波形與信號發生器的波形來檢驗系統。為了檢驗該數字語音系統的傳輸效果，將發送端連接手機播放音樂，通過聆聽接收端的音響播放的音樂，粗略感受音質。在最大無誤碼情況下，當傳輸速率達到200 kbps時，最大傳輸距離仍能達到0.9 m。系統如圖4所示。

4 結語

與可見光語音模擬系統相比，本文設計的可見光語音數字傳輸通信系統實時性強且可靠性高。若能進一步提高傳輸速率、再加上均衡等技術，系統的性能會更好。另外，本文的研究成果對實時視頻的傳輸以及通過可見光上網等方面具有一定的參考價值。

[參考文獻]

[1]VU J，KOTTKE C，NERRETER S，et al.513 Mbit/s visible light communications link based on DMT-modulation of a white LED[J].Journal of Lightwave Technology，2010（24）：3512-3518.

[2]RAJAGOPAL S，ROBERTS R D，LIM S K.IEEE.802.15.7 visible light communication： Modulation schemes and dimming support[J].IEEE Communications Magazine，2012（3）：72-82.

[3]KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004（50）：100-107.

[4]遲楠.LED 可見光通信技術[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]杜勇.數字調制解調技術的MATLAB與FPGA實現[M].北京：電子工業出版社，2014.