基于LED可見光的音頻通信系統設計

劉正一,張 娜,李 娜

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院,陜西 商洛 726000)

0 引言

利用發光二極管發出明暗閃爍、肉眼不可見的光信號來傳遞信息的可見光通信(VLC),傳輸時不需要有線信道作為介質,是直接在空氣中傳送光信號的一種通信方法[1-3]。該系統的安全性非常高,用窗簾或其他遮擋物遮擋住可見光時,信息不會被泄露。多臺計算機并行也不會影響其通信的速度。因為它不使用無線電通信,所以對電磁信號很敏感。該系統可以應用于對電磁信號敏感的地方,如秘密單位、學校、軍隊和醫院等。安全性很高,無需使用Wi-Fi信號,網絡就可以通過LED可見光通信連接[4-5]。

在照明方面,發光二極管的調制特性好、綠色環保、功耗低及體積小[6]。考慮到白光LED的節能環保特性,很有可能會成為下一代的固體光源被人們廣泛使用,并且完全有可能取代之前的白熾燈、熒光燈等照明設備。同時,發光二極管LED還有調制速度快、響應時間短的特點,因此可以設計一種基于LED可見光的音頻通信系統[7]。VLC與傳統無線通信相比較,具有頻譜資源豐富、安全、綠色節能等特性,還具有傳輸效果穩定、輸出音質好、功耗低、制作簡單等優點,是未來移動通信無線網絡的一大發展趨勢,可推廣應用于智能交通、智能家居、無線接入等場景。基于此,本文以無線光通信為背景,以STM32為核心處理器,由發送端和接收端兩部分構成完成可見光音頻通信系統的設計。

1 系統的組成與工作原理

利用可見光傳輸音頻信號的通信系統由發射模塊和接收模塊組成,通過A/D模塊和單片機調制處理將輸入的音頻模擬信號轉化為相應的電信號,在發送端通過LED驅動電路把電信號轉化成光信號,由LED燈發送;在接收端,光電感應器將光信號轉換成微弱的電信號,再經過前置放大電路、單片機解調處理和D/A轉換,通過有源音箱連接音頻輸出電路,實現音頻信號的完整傳輸,播放音頻信號。整體的系統組成如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 單片機控制電路

單片機控制電路選用STM32F103C8T6單片機作為信號調制的芯片,既應用于發射電路,又應用于接收電路,可完成模擬信號和數字信號的調制,同時具有高性能、低電壓、操作簡單、易開發等優點[8]。

2.2 音頻信號輸入電路

音頻信號輸入電路是利用電腦或手機的音頻輸出作為系統的音頻輸入源,用耳機口輸出音頻信號[9]。因為輸入的音頻信號較微弱,所以此處采用運算放大器LM386來放大信號,放大電路原理如圖2所示。

圖2 音頻輸出放大電路

2.3 LED驅動電路

光強度調制是指LED的光強信號隨著聲音信號的輸入而變化,把電信號轉換成光信號,并將聲音信號當作可見光信號來完成傳輸。LED驅動電路是將調制后的音頻信號加載到LED上,此處通過連接三極管控制LED的通斷,并通過連接信號實現傳輸。驅動電路原理如圖3所示。

圖3 驅動電路原理

2.4 前置放大電路

光電轉換模塊能將光信號轉換成電信號,但輸出的電流很小,并且還夾雜噪聲,因此需對信號進行放大、濾波處理。傳感器的輸出電流通過運算放大器兩端的反饋電阻按歐姆定律轉換成電壓。一個反饋電阻連接在輸入和輸出之間,形成電壓并聯負反饋,使電路在不平衡電路的情況下,具有低噪聲、穩定增益、增加動態范圍等特點。

輸入和輸出之間橋接一個反饋電阻,形成電壓并聯負反饋,使電路具有低噪聲和穩定增益的特點。動態范圍增大,不需要平衡電路。前置放大電路原理如圖4所示。

圖4 前置放大電路原理

2.5 音頻信號輸出電路

音頻輸出電路利用有源音箱將接收到的信號進行放大濾波處理,然后驅動揚聲器播放音樂,本文采用QT-T08型號的有源音箱驅動揚聲器播放音樂,簡單的原理如圖5所示。

圖5 音頻輸出電路

3 實驗結果分析

系統實物如圖6所示。將發射板和接收板的兩根USB線插到電腦上,給兩個板子都通電。打開開關發現發射板上靠下方的LED點亮,此時就可以在電腦上放歌,并且能聽到音箱里播放出來的聲音。通過不斷調整兩個板子之間的距離和室內燈光的強度,最后發現在30～50 cm播放音頻基本沒有雜音,可以播放出較好的音質。

圖6 系統實物

當光源被遮擋住,音樂停止播放,說明該系統的光源遭到影響時,信號無法正常傳輸。在測試過程中發現增大發射板與接收板之間的通信距離,音樂聲會隨著距離增大而減小,當距離超過1 m以外,音樂聲會逐漸消失。當發射板與接收板的距離非常近時,雜音會很大,原因是距離太近,光照太強,會導致光電傳感器處于飽和狀態,不能處于很好的導通狀態,也就不能很好地通信。

4 結語

本文為基于LED可見光的音頻通信系統的設計方案,將電腦或手機的音頻作為該系統的音頻輸入源,通過發送模塊由LED燈將音頻信息發送到大氣中,通過調整發送端LED燈與接收端光電探測器之間的距離為30～50 cm時,接收模塊能夠將接收的信號由音響進行播放且音質較好,實現了LED可見光的音頻通信功能。可見光通信是未來移動通信無線網絡的一大發展趨勢,能夠服務于人們的生活,影響人們的生活方式,可推廣應用于智能交通、智能家居、無線接入等場景。