基于LED的可見光一對多音頻傳輸系統設計

李金佳　劉子琪　李濤　姜東曉

摘 要：LED具有調制特性良好的優點，可以使得LED光源在照明的同時傳輸音頻信號。本文設計并實現了基于LED的可見光一對多音頻傳輸系統，該系統由發射和接收兩大模塊組成。在發射模塊，用手機或電腦終端播放音頻，通過LM833對輸入音頻信號進行放大、濾波而后驅動白光LED；兩個接收模塊，分別利用OPT101把接收到的光信號轉換成電信號，經過LM386放大濾波等處理，使揚聲器可以播放出清晰的音樂，實現一對多的通信。

關鍵詞：VLC 音頻傳輸 一對多通信

中圖分類號： TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0160-02

信息時代已經到來，無線接入網頻譜資源的緊張、給傳統接入網技術帶來了巨大的考驗。科技社會也在需求一種拓寬頻譜資源、綠色節能的接入方式。由此，可見光通信（Visible Light Communication， VLC）應運而生。可見光是電磁波譜中人眼可以感知到的部分，波長大概為380～780nm之間。可見光通信是利用可見光來實現無線通信，即利用電信號控制發光發光二極管（Light Emitting Diode， LED）發出肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息的技術。這項技術首先由德國物理學家Herald Haas提出。其具有高帶寬、無需頻譜授權、安全便利等優點，具有非常可觀的應用前景。白光LED具有更高的調制帶寬、優良的調制性能和靈敏度高等特點。本文基于LED可見光通信技術，通過對發光二極管的發光強度進行模擬幅度調制，實現了一對多的音頻傳輸系統。

1 系統結構設計

本系統主要包含發送模塊和接收模塊兩部分。發送端電路主要由音頻信號源、音頻信號放大濾波電路、直流偏置電路、LED驅動電路組成。本設計選用雙功放LM833對輸入音頻模擬信號進行濾波去噪，而后傳到LED驅動電路。單片機通過繼電器微控制LED光信號。白光LED信號通過強度調制，經過大氣信道傳播后被兩個接收端的光電二極管接收。接收端的光電探測器OPT101將接收到的光信號轉為電信號，經LM386跨阻放大、濾波還原音頻信號，最后由經兩個揚聲器播放出幾乎無失真的音樂，從而實現一對多音頻通信。系統框圖如圖1所示。

2 發射端電路射設計

本系統的發射模塊需要實現電信號向光信號的轉換，為此，發射端要分別完成音頻信號的放大以及LED驅動，與之對應發射模塊電路可大致分為濾波放大電路、LED驅動電路。

2.1 基于LM833的濾波放大電路

LM833是雙運算放大器（Dual Operational Amplifiers），它將兩個通用型運算放大器集成在一個單片上，具有增益高，共模抑制比高、共模范圍寬、補償簡單、工作穩定，兩運放之間溫度穩定性好等特點。

由于傳輸信號往往強度較低，因此在對信號進行調制之前，通常首先要利用前置放大電路對信號進行放大，并且在信號上增加直流偏置，保證信號強度均大于零，為后期的信號調制做好信號的預處理。

本系統中，在發送端，音頻模擬信號首先經高通濾波去除噪聲，從LM833的放大器1正向輸入進，反向輸入接地，音頻信號經放大變為高頻信號。放大器1的輸出信號經低通濾波器去噪，而后從放大器2的正向輸入，放大器1輸出信號經去直接入反向輸入端，此時，音頻信號經過濾波放大穩定輸出。

2.2 調制方式及LED驅動電路

2.2.1 調制方式

在本系統中，采用強度調制直接檢測（IM/DD）的方式，由于模擬音頻信號在不同音調下電壓不同，在音樂播放過程中LED亮暗會隨著音頻信號的幅度大小進行變化，達到對光強度的直接調制目的。

2.2.2 LED驅動電路

完成對音頻模擬信號的調制后，調制信號驅動三極管，使LED發光。調制信號的強弱改變LED光照強度的強弱。由于白光LED在大氣信道中傳輸時會受到自由空間中吸收、散射、湍流等的影響，光強會有所衰減。因此，為了保證信號傳輸的高效性，使接收端獲取具有足夠能量的光信號，LED燈需要具有足夠的發射功率，即LED驅動電路要有足夠的輸出功率。在本系統中，選用3.3V 3W的LED燈珠。

3 接收端電路設計

與發射端相對應，該系統中，接收模塊要實現光信號向電信號的轉換。這要求硬件電路要盡量實現最小的失真和噪聲。尤其，在本系統中要實現一對多通信，即對多個接收端的信號恢復要求極高。接收端電路主要分為光電轉換電路、跨阻放大電路、濾波電路等部分。

3.1 基于OPT101的光電轉換電路

接收端接收到發射端發出的白光信號后，首先要將光信號通過光電轉換電路轉化為電信號。在本文中，選用OPT101光電轉換器，它是集光敏二極管和信號放大于一體的器件，輸出電壓隨光照強度成線性變化。

3.2 基于LM386的濾波電路

發射端發出的光信號在大氣信道中的衰減，以及在接收端的光電信號轉換，都有可能在使信號混入噪聲，造成傳輸信號有效性的下降，為了提高音頻通信系統的傳輸性能，要對所得放大信號進行濾波。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點的功率放大器。在接收端，音頻信號正向輸入，反向輸入接地，通過了解常用的LM386電路，設定增益為50，即芯片引腳1和8之間接一個1.2k電阻和一個10uf的電容。放大后的信號經過揚聲器輸出。

4 結語

經測試利用LED構建的音頻信號傳輸系統實現了音頻信號在可見光上的可靠傳輸，LED光源無肉眼可見的閃爍，在一定的范圍內，音頻信號清洗無失真，并且不受自然光和室內熒光燈的影響。本文在對基于LED的可見光通信技術研究和掌握的基礎上，提出了一種基于白光LED的可見光一對多通信音頻傳輸系統。利用一個發送模塊、多個接收模塊的架構，實現對模擬音頻信號的幾乎無失真的傳輸。是對VLC應用新領域的一次嘗試與探索。本文中一對多的通信還有更廣泛的利用與研究空間。相信隨著光通信科技的不斷發展進步，VLC這種具有高效能和高可靠性的新型通信方式將在越來越多的領域中得到廣泛的應用。

參考文獻

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