基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀

基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀*

薛德寬黃興洲位浩杰任學智陳文娟于成龍

[中國石油大學(華東)理學院山東 青島266580]

*中國石油大學(華東)大學生創新訓練國家級項目,項目編號：201410425067

指導教師：陳文娟(1969-)，女，高級實驗師，主要從事實驗儀器開發與研究.

摘 要：可見光通信( visible light communication, VLC) 是一種在白光LED技術上發展起來的新興無線通信技術，具有廣闊的應用前景.該技術目前尚沒有廣泛的市場應用，因此需要一種演示儀器來展示其應用價值.本文設計了一種基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀，該演示儀由發射端模塊、接收端模塊、電源模塊構成，發射端和接收端距離為5 m時可穩定傳輸音頻信號.演示儀性能穩定、操作方便，并實現了可見光調制與通信演示實驗的結合，在實際應用中取得了良好的教學效果.

關鍵詞：VLC演示儀可見光調制光電轉換

收稿日期：(2015-02-03)

作者簡介：薛德寬(1994-)，男，在讀本科，主要研究方向為可見光通信工程.

白光LED具有高亮度，低功耗，使用壽命長，尺寸小，綠色環保等優點， 被視為第四代節能環保型的照明光源.LED在全球照明市場中所占據的比重正逐年遞增，利用LED燈進行數據傳輸的LED可見光通信技術愈發受到人類的重視[1].與傳統的射頻通信以及其他無線光通信系統相比較，VLC具有發射功率高，不占用無線電頻譜，無電磁干擾和電磁輻射，節約能源等優點.本文設計了一種基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀，并在實驗室進行了測試，可以在5 m的距離下傳輸音頻信號，信噪比可達55 dB以上.

1實驗原理

1.1可見光調制原理

將要傳輸的信號加到光波的過程叫“調制”，就是通過改變載波(光波)的振幅、強度、頻率等方法，使載波攜帶信息的過程[2].本裝置對LED光的強度進行調制，強度調制包括內調制與外調制兩種.

1.1.1內調制

LED驅動電路的工作原理是給白光 LED提供適當的偏置電流和調制電流，恒定偏置電流的作用是使白光 LED工作于閾值以上的線性工作區[3].將晶體管、白光 LED及分壓偏置電路連接起來就構成了白光LED燈驅動電路，LED如圖1所示.

圖1　白光LED驅動電路

圖1所示電路采用分壓式偏置電路，使三極管基極固定于一定電壓，讓三極管處于放大狀態，這樣我們就可以使輸入的小信號通過晶體管放大.發射極電阻R3用于控制流過 LED的電流

對輸入的音頻信號進行放大輸出.放大后的信號可以通過LED以人眼無法感測的速度進行閃爍的方法發送數據，這樣LED既可用于照明，又可用于傳輸數據.

1.1.2外調制

如圖2所示，通過擋光片來實現對LED光的調制，LED燈發出的光束被一片垂直固定在揚聲器振膜上的輕質擋光片遮住一半，當揚聲器輸入音頻信號后，擋光片會隨揚聲器振膜做上下振動，擋光片遮擋光的多少反映信號的強弱，擋光的快慢反映信號的頻率，擋光片的遮擋深度與輸出功率成線性關系.

圖2　外調制原理圖

1.2光電轉換原理

光電轉換部分采用了硅光電池，采用單電源供電時，其輸出電壓隨照射到光敏器件上的光強度呈線性變化.由于LED燈發出光的強度和輸入信號的電壓信號成正比，輸出電壓與接收的光強度成正比，因此輸出的電壓變化規律和輸入信號變化相同，將此電壓進行信號放大和功率放大后輸出到揚聲器，可發出相應的聲音.

2實驗裝置與控制方法

如圖3所示，實驗裝置包括“24 V,1 A”電源、(10 W)LED燈、發射端電路、接收端電路、擋光片、揚聲器等.利用有機玻璃板將裝置的發射端和接收端分開，確保兩部分沒有任何導線相連接，能夠使得演示效果更加直觀.

圖3　實驗裝置實物圖

2.1發射電路

發射電路結構如圖4所示，當模式轉換開關S1斷開時，電路處于內調制工作模式.為了增加驅動能力，外接了三極管TIP122G.將與待傳輸的聲音信號相對應的脈沖電壓信號加到(10W)LED燈上,則LED燈所發出的可見光強度將隨待傳輸聲音信號的變化而變化，實現對光信號的內部調制.當閉合開關S1時，穩壓電源VCC直接驅動(10 W)LED燈發光，用帶有振源的擋光片遮擋可見光光束，運動的擋光片使LED燈發出的光被遮擋面積不斷變化，從而達到對光信號的外部調制.

圖4　系統發射端電路圖

2.2接收電路

接收端采用高靈敏度S1227-1010BR硅光電池接收發射端的光信號，利用光電效應將光信號轉換為模擬信號.硅光電池接收發射端光信號的同時會受到陽光的干擾，由于雜光干擾經轉換后的信號會產生高頻雜波，因此對該信號進行放大后，設計低通濾波器對放大后的信號進行低通濾波，消除雜光對通信的干擾.接收端采用音頻專用TDA2030功率放大器對該模擬信號進行放大，利用LM324設計20 000 Hz低通濾波電路對放大后的模擬信號進行低通濾波,濾除其他雜光對信號傳輸的干擾，經過處理后的模擬信號直接驅動“0.4 W,8 Ω”揚聲器發出聲音.經測試在不加入濾波器的時候信噪比只能達到45 dB，加入低通濾波之后信噪比可達55 dB.接收端電路圖如圖5所示.

圖5　系統接收端電路圖

3實驗操作與分析

3.1內調制演示

將圖4中的開關S1斷開，裝置對10WLED燈進行內調制,將待傳輸的聲音信號轉化為強度變化的光信號，LED燈發出調制光，調制光垂直射入接收端的高靈敏度S1227-1010BR硅光電池，利用硅光電池的光電效應，將光信號還原成電信號，接收端電路對該信號進行濾波放大處理，驅動揚聲器發出聲音，該聲音和發射端傳輸的聲音無明顯失真.

3.2外調制演示

將圖4中的模式轉換開關S1閉合，10WLED燈可發出穩定、高亮度的白光，未進行聲音傳輸的時候，固定在揚聲器振膜上的擋光片將可見光光束擋住一半，給揚聲器輸入音頻信號，揚聲器振膜按照音頻信號的規律上下震動，擋光片會隨振膜做上下運動.由于高靈敏度S1227-1010BR硅光電池的輸出電壓在入射光強一定的條件下，與受光面積成正比，光電二極管輸出電壓的變化也就反映了揚聲器振膜的振動規律，將此電壓進行放大濾波后可驅動接收揚聲器，使接收揚聲器發出和調制揚聲器音頻信號相同的聲音.由于外調制的信號強度很難控制，因此在同一音量強度情況下，低頻信號輸出信號強，高頻信號輸出信號弱，對通信影響比較大.經測試該情況下信噪比僅能達到25dB左右，通信質量差.

3.3實驗問題研究

在內調制模式下，改變發射端的10 W LED燈和接收端高靈敏度S1227-1010BR硅光電池之間的角度，檢測可見光通信的調制效果.其相對靈敏度與光束入射角的關系如圖6所示.

圖6　相對靈敏度與入射角的關系曲線圖

由圖可以看出，當發射端的10 W LED燈和接收端高靈敏度S1227-1010BR硅光電池之間的角度為零的時候即發射端和接收端正對的情況下，可見光通信的調制效果最好.

4結束語

該實驗裝置是根據多年的實驗與課堂教學以及科研工作經驗研制開發的，可以直觀地演示可見光通信技術的效果和原理，并且考慮了裝置的制造成本、配套聲源的噪音、能耗等方面的問題.教學過程中發現，學生在實驗的過程中對該綜合實驗裝置表現出更多的興趣和主動性，部分學生能夠在充分了解實驗裝置設計思路、功能的基礎上，提出自己獨特的新觀點.

參 考 文 獻

1駱宏圖,陳長纓,傅倩,等.白光LED室內可見光通信的關鍵技術.光通信技術,2011(02):56～59

2蔣煒.激光通信調制方式的研究.空間電子技術,2009(03):1～5

3云文岳.室內可見光通信系統調制與解調技術研究:[學位論文].長春:長春理工大學,2008

4劉宏展,呂曉旭,王發強,等.白光LED照明的可見光通信的現狀及發展.光通信技術,2009(07):53～56

5王虹,蔡喜平.基于白光LED的可見光通信研究進展.半導體光電,2014(01):5～9

6沈年鳳,張洪明,姚敏玉.基于無線可見光通信的雙向語音對講系統.光電子·激光,2014(10):1 900～1 905

7陳特,劉璐,胡薇薇.可見光通信的研究.中興通訊技術,2013(01):49～52

8王旭穎,梁忠誠.基于MIMO技術的可見光通信系統的研究.光通信技術,2013(01):56～59

9俞洋.基于白光LED的可見光通信系統設計.光通信技術,2014(11):50～52

10于志剛,陳長纓,趙俊,等.白光LED照明通信系統中的分集接收技術.光通信技術,2008(09):52～54

11薛德寬,黃興洲,陳文娟,等.短距離LED可見光音頻傳輸演示儀.山東：CN203773827U,2014-08-13

12梁烈勇.短距離LED可見光音頻傳輸系統設計.電子技術應用,2012(09):18～20

13何勝陽.室內可見光通信系統關鍵技術研究:[學位論文].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2013

AudioTransmittingDemonstratorBasedon

LEDVisibleLightCommunication

XueDekuanHuangXingzhouWeiHaojieRenXuezhiChenWenjuanYuChenglong

(CollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580)

Abstract：VLC(visible light communication,VLC)is a new wireless communications technology which developed on LED technology.VLC has broad application in the future.The technology is not yet widely used,therefore requires a demonstration instrument to demonstrate its value.This paper designed a demonstrator that transmit audio through visible light.The demo equipment,including the transmitter module,the receiver module,power supply module.Transmitter and receiver can transmit audio signals when their distance is 5m.This instrument has stable performance,convenient operation,and realizes the visible light modulation and communication demonstration experiment of the union，which obtains a good teaching result in practical applications.

Key words:VLC;demonstration instrument;visible light modulation; photoelectric conversion