基于LED可見光的音頻通信系統設計

摘要：傳統的無線通信方式在頻譜資源和安全性等方面存在一定的局限性，可見光通信（visible light communications，VLC）作為一種新型的無線通信技術，因其具有頻譜資源豐富、抗干擾能力強以及安全性高等優勢，受到了廣泛關注。首先，分析了VLC系統的基本原理，設計了該系統的整體框架；其次，構建了系統硬件電路，其主要由音頻輸入模塊、發射電路模塊和接收電路模塊3個部分組成；最后，通過實物制作和功能測試，驗證了VLC系統的可行性，完成了基于發光二極管（light-emitting diode，LED）可見光的信號傳輸和接收。通過實物功能測試，該系統展現了良好的穩定性和可靠性，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：無線通信；LED；可見光；通信系統

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

傳統無線通信技術面臨多重挑戰，主要包括無線射頻通信中頻譜資源的短缺以及電磁干擾。在對電磁波敏感的環境中，頻帶資源的不足會影響用戶的通信質量。與傳統的無線通信技術相比，可見光通信（visible light communications，VLC）技術具有顯著優勢[1]，其能夠廣泛應用于智能交通、智能家居和無線接入等領域，并且作為射頻技術的重要補充。VLC技術具有豐富的可用頻譜資源、較高的安全性以及綠色節能等特點，其展現出傳輸穩定性與低功耗等多重優勢，被視為移動通信無線網絡未來發展的關鍵點。

我國對VLC系統的探索始于2006年，該領域現已發展成為相關研究的前沿熱點[2]。VLC技術通過光源發出光信號來傳遞信息，這一技術減少了對有線信道的需求，能夠直接在空氣中傳輸光信號。各類照明光源，如家用發光二極管（light-emitting diode，LED）燈、街道路燈、汽車前照燈及礦用照明燈，均可作為信息傳輸的媒介，使得可見光音頻通信技術在多個應用領域中展現出實用價值。近年來，LED可見光通信技術已成為學術界關注的焦點。Ren等[3]總結了有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED）、量子點LED以及金屬鹵化物鈣鈦礦LED等新型光源在調制性能與效率方面取得的突破性進展，并發現新型光源在下一代數據通信系統中的應用潛力。這些研究成果為LED可見光通信技術的持續進步與實際應用奠定了堅實的理論基礎。

1 理論分析

VLC技術主要是將光源作為信息源，通過發射端采集信息，并將其調制到光源上，從而使光源傳遞出調制后的信號。在照明領域，傳統的白熾燈在進行高速信息通信時會產生暗電流沖擊，這不僅會導致白熾燈壽命的大幅縮短，還存在引發危險的可能。而LED燈具備卓越的調光性能、環保屬性、低能耗及體積小等優勢，鑒于白光LED在節能與環保方面的顯著特點，其有望成為固態光源領域的主導力量，甚至有可能超越白熾燈等照明工具[4]。

LED可見光通信系統具備較高的安全性，即使遇到窗簾等障礙物的遮擋，也能有效防止信息的外泄[5]。此外，多臺計算機同時傳輸數據時，通信速度不會受到影響。因此，LED可見光通信適合在對電磁信號敏感的場所使用，如涉密單位、學校、軍隊和醫院等。同時，LED可見光通信系統既能滿足照明要求，又能進行數據傳輸[6-7]。

在構建一個高性能的LED可見光通信系統時，LED的選擇對通信系統的性能與質量具有決定性作用。因此，為確保整個系統設計能夠成功實現，選擇適合的LED至關重要。系統選取白光LED作為信號載體，以確保接收端可以有效捕獲信號。相較于單色LED，白光是一種混合光。白光LED展現出更寬廣的頻譜覆蓋，以及更高的發光效率和照明穩定性。

白光LED的優勢包括：此類光源對電源的要求較低，僅需較小的電壓或電流即可工作，同時其光顯色性能超越傳統照明設備[8]。相較于傳統照明，白光LED擁有更長的使用壽命，且因其工作電壓、電流較小，對人體及環境的影響微乎其微，從而展現出較高的安全性和可靠性，同時也更加環保。白光LED的響應時間極短，處于納秒級，這一特性使得其調制頻率顯著提升，可從數十kHz擴展至數百MHz，這是白光LED成為室內可見光通信理想光源的重要因素[9]。

普通白光LED在頻率范圍為0～1 MHz內表現良好。而音頻信號頻率通常在數十MHz內，因此，在該頻率范圍內傳輸音頻信號是可行的。

2 系統設計

2.1 總體設計

本文根據可見光通信的原理，設計一款短距離的可見光音頻通信裝置。該裝置主要由音頻輸入、發射電路模塊和接收電路模塊3個部分組成。在發射端，包括音頻輸入、放大電路、信號調制電路和LED驅動電路；在接收端，包括光電二極管信號解調電路、前置放大電路、低通濾波電路、功率放大電路和音頻輸出。

音頻信號作為重要的信息載體，其主要通過聲音將需要傳遞的信息以光波的形式進行傳播，不同信號波形的頻率和幅度也有所不同。為了方便實驗，本文將計算機的音頻作為信號源，利用計算機控制音量來調節音樂的音量幅度。

在光接收電路中，光電探測器（photodetector，PD）扮演重要的角色，其是一種利用半導體材料將光能轉換為電能的關鍵組件，其運行主要基于光電效應原理，這一效應源自物質與光輻射之間的相互作用[10-12]。

在設計可見光音頻通信裝置時，需關注光信號的穩定性和音頻信息傳輸的準確性，以確保通信質量，提高其可靠性。通過電路設計不斷優化各個模塊電路之間的配合，實現高效的音頻通信功能，為短距離通信提供了一種新穎、可靠的解決方案。

2.2 電源電路

系統電路采用+12 V電壓供電，通過220 V轉12 V電源模塊實現，電源電路設置了電源指示燈。

2.3 發射電路

在發射電路（圖2）中，在音頻信號輸入后，通過R3將電壓信號轉換為電流信號，再使用三極管將電流放大，從而引起R5上的電流變化。

采用電阻R2 （30 kΩ）和R4 （10 kΩ）進行分壓，為三極管工作于放大狀態提供了一定的偏置電壓，R5采用5Ω阻值控制LED的電流，三極管的集電極電流與發射極電流相等，流過LED的電流和流過電阻R5的電流幾乎相等。該發射電路為白光LED提供了合適的偏置電流和調制電流，從而確保白光LED在大于閾值的線性范圍內工作。LED驅動電路主要由晶體管、白光發光二極管和電壓偏置電路構成，負責驅動LED燈正常工作，使LED燈發出白光。

系統選用的光源為白光LED，為了確保系統的通用性，選擇4.5 W的普通白光LED。普通白光LED的工作電壓和電流變化較小，且沒有明顯的線性關系。

2.4 接收電路

接收電路采用PIN二極管作為系統的光電探測元件。在常規的VLC系統中，PIN二極管處于反向偏置模式。根據PIN二極管的工作原理，其具有較低的暗電流與較高的光電流，從而確保了高效的光電轉換效率，其性能越優異，轉換效率越高。綜合考慮實際需求與成本預算，系統選用了型號為BPX-61的硅光二極管。

BPX-61型號的PD具備良好的光電轉換效率，響應度（輸出電流與輸入光功率的比值）高達0.62 A/W，同時其展現出高靈敏度，充分滿足了系統通信性能的要求。此外，BPX-61的暗電流所帶來的噪聲影響較為理想，暗電流隨反向電壓的變化規律平穩可控。

光信號在空間中傳播后，被光電二極管接收并轉換為電流信號，通過串聯電阻實現光電二極管輸出電流的電壓轉換。前置放大電路的作用是接收來自信號源的小電壓信號，并將其放大至功率放大器所需的輸入閾值。在室內可見光通信中，由于光線的衰減且環境中存在的噪聲干擾，若第一級放大電路增益過大，則會放大噪聲，并將其釋放到下一級電路中，因此第一級放大電路的增益不應過高。如圖3所示，在接收電路中，R18與R21均為

100 kΩ，二者組成分壓電路，R15（輸入電阻）為10 kΩ，C14（濾波電容）為10 μF。

前置放大電路的放大倍數AV取決于R18和R21的電阻值（R18，R21），其計算公式如下：

AV=1+。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

鑒于音頻信號頻率上限約為40 kHz，而平均頻率約為20 kHz。前置放大電路的放大倍數無須設定得過高。在選擇運算放大器的過程中，增益帶寬積成為主要的考量因素。由于前置放大電路的倍數設定在10～20，音頻信號經過前置放大后，其增益帶寬積將不會超過800 kHz。因此，系統采用LM324作為運算放大器，前置放大電路的放大倍數為11。

由于正常照明的室內條件下，光噪聲較為強烈，所以進入二級電路前需添加濾波電容，構成簡單的濾波電路，對噪聲進行處理以獲取較好的信噪比。

為了驅動揚聲器，對二級放大電路進行功率放大，其放大倍數由R16和R19決定（約為33）。

3 實驗調試

LED可見光通信系統電路設計完成后，利用Multisim軟件對系統進行性能仿真測試。

3.1 發射電路測試

首先，對發射電路進行仿真測試，接通電源后，發射電路由12 V電壓驅動，當信號輸入端沒有信號輸入時，LED正常工作。使用示波器測量LED兩端的電壓，該電壓值穩定，約為3.647 V，可驅動LED燈正常發光。因此，在沒有信號輸入的情況下，LED電流是恒定的。

在仿真測試中，采用波形信號模擬音頻信號作為信號源輸入。方波能夠更直觀地觀察波形的信號衰減與失真情況。利用信號發生器產生一個方波信號進入發射端，音頻信號頻率范圍約為

0.3 kHz～3.4 kHz，因此，系統采用的方波頻率為500 Hz，初始電壓振幅為5 V。如圖4所示，示波器B通道所顯示的是信號輸入端的波形狀態，可見波形頻率為500 Hz，振幅為5 V的矩形波；示波器A通道顯示LED兩端電壓，電壓幅值約為3.643 V，波形變為矩形波，頻率保持穩定。由此可知，輸入信號被調制到LED上，信號以可見光的形式進行發送。

3.2 接收電路測試

接收端的光電管會將接收的光信號轉換為電信號，用信號發生器產生一個頻率為500 Hz、振幅為5 mV的方波模擬接收電路的輸入信號。通過調節滑動變阻器，一級放大電路的放大倍數為11，二級放大電路放大倍數約為33。示波器B通道顯示的波形信號為光電管接轉化后的電信號波形，電壓振幅為5 mV，示波器A通道顯示的是經放大電路傳輸至揚聲器的信號波形，電壓振幅為1.726 V。兩個示波器通道顯示的波形均為矩形波，頻率保持穩定，如圖5所示。由此可知，接收電路能夠將光電管收到的信號放大后傳輸至揚聲器，并且驅動其工作。

3.3 硬件測試

在系統仿真測試后，制作實物并進行硬件測試，如圖6所示。本裝置采用220 V轉12 V電壓作為電源供電，利用計算機音頻信號作為輸入信號傳輸至發射電路。通過發送模塊，白光LED燈可以將音頻信息以可見光的形式發射，接收端的光電探測器負責接收信號并利用揚聲器播放，整體音質良好，從而實現LED可見光的音頻通信功能。實驗結果表明，隨著發射端與接收端之間距離的不斷增加，揚聲器發出的聲音逐漸減弱，直至消失。在未使用透鏡聚光的情況下，通信距離可達30 cm。當逐漸用遮光片遮擋接收端探頭時，聲音也相應減小，直到完全遮擋時聲音消失，成功實現了LED可見光的音頻通信功能。

4 結論

本文設計了一種基于LED可見光的音頻通信系統，首先，使用Multisim仿真軟件對理論設計電路進行了仿真，并且對系統電路設計的合理性進行初步評測；其次，對原理圖及印制電路板進行設計，制作了電路板；最后，系統搭建后，對電路進行功能驗證，觀察LED可見光短距音頻通信現象。

該系統結構簡單，通過調節LED的電壓強度，音頻信號能夠以可見光形式發射，再通過光電管電路接收處理信號，恢復出原始音頻信號并由揚聲器播放，成功實現可見光音頻通信功能，具備白光照明的特點。此外，根據不同的場景，該裝置可通過增加透鏡聚光和光反射、增加發光源的功率等方式增加通信距離。

VLC技術在移動通信無線網絡中展現了一定的應用潛力，其應用范圍不僅適用于人們的日常生活場景，未來還可擴展至智能交通系統、智能家居環境以及無線接入網絡等多個重要領域。

參考文獻

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