基于可見光通信的語音傳輸

劉振華 張猛 湯橋衛 李佳雯 屈應弢

【摘要】 可見光通信是一種基于白光LED的無線通信技術，具有無電磁干擾與輻射、節約能源、不占用無線電頻譜等優點，為了實現通信和照明的雙重功能，設計了采用白光LED的可見光通信系統，系統采用模擬語音芯片產生語音信號，用LED陣列進行光電轉換實現信號的傳輸，光電二極管接收到信息進行解調，回復原來的信號，達到語音信號傳遞的目的。

【關鍵字】 白光 LED 可見光通信3.

一、引言

近年來， 被譽為“綠色照明” 的半導體（ LED） 照明技術發展迅猛[1]。與傳統照明光源相比，白光LED 不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環保，更具有調制性能好，響應靈敏度高等優點。利用LED 的這種特性，它能用作照明的同時，還可以把信號調制到LED 可見光束上進行數據傳輸，實現一種新興的光無線通信技術，即可見光通信（ Visible light communication，VLC）[2] 技術。與傳統射頻無線技術相比，VLC 可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產生電磁干擾，也無需相應頻段的許可授權，能夠以較低的成本實現高帶寬高速率的無線通信接入。具有很好的空間復用性，極大地拓展了網絡的覆蓋面，是對現有射頻技術的很好的補充。這些吸引人的特性，使得VLC 在世界范圍內受到極大關[2]。

二、系統的組成及工作原理

低頻語音信號經過頻率調制，變為高頻已調波。經過發射電路的處理，驅動高速頻閃的大功率LED陣列，發出因調制信號變化而變化的光信號。光信號通過光電轉換器，實現光信號到電信號的轉換，并對電信號進行解調，得到與原信號匹配的數據，再經過并以聲音的形式顯現出來。

三、系統硬件結構

3.1 LED驅動電路

如上圖是是LED陣列的驅動電路，電路中采用了集成恒流源的方法，直接采用電容作為限流元件，在此電路中，由于電容上的分壓幾乎達到了全部電源電壓，（R3特別?。?，具有良好的限流特性，且輸出電流隨電源電壓在一定的上下波動范圍內波動，這樣就保證了電源電壓波動時LED上的電流仍處于良好的狀態[4 ]。

3.2語音信號的產生

為產生穩定的語音信號，本文采用N9200，N9200是一個提供串口的MP3芯片，集成了MP3，WMA的硬解碼芯片，支持FAT16，FAT32文件，通過簡單的UART串口指令或一線串口指令即可完成指定的音樂。P27引腳為電平測試引腳，為方便控制，我們直接將P27引腳接高電平，芯片在上電后便自動播放第一首音樂。DACL引腳為音頻輸出口。輸出的音樂信號經調制后控制LED的明暗。

3.3語音信號的調制

所謂頻率調制，就是使高頻振蕩信號的的頻率按照調制信號的規律變化（瞬時頻率變化的大小與調制信號成線性關系）。語音芯片輸出信號的頻率范圍是300Hz～3.4kHz，如果直接按電壓強度大小去控制LED，由于頻率低，且語音信號為模擬信號，那么LED將會產生明顯的閃爍，因此本文采用頻率調制。將低頻的模擬信號“嫁接”到高頻信號上，從而將信息有效地發送出去。

3.4可見光調制

系統中我們采用的是頻率調制的方法，所謂頻率調制，就是使高頻振蕩信號的頻率按照調制信號的規律變化（瞬時頻率變化的大小與調制信號成線性關系）。

設調制信號為uΩ（t）=UΩcosΩt， 未調載波電壓為uC=UCcosωct，則調頻信號的瞬時角頻率為：

它是在ωc的基礎上，增加了與uΩ（t）成正比的頻率偏移，式中kf為比例常數。

角頻率ω（t）對時間微分就能得到調頻信號的瞬時相位φ（t），最后得到調頻波的表達式為：

語音芯片輸出信號的頻率范圍是300Hz～3.4kHz，如果直接按電壓強度大小去控制LED，由于頻率低，且語音信號為模擬信號，那么LED將會產生明顯的閃爍，因此本文采用頻率調制。將低頻的模擬信號“嫁接”到高頻信號上，從而將信息有效地發送出去。

3.5光電轉化器

可見光接收部分，發揮主要作用的是光電探測器。光電探測器是一種把光輻射信號（光能量）轉變為電信號（電能量）的器件，其工作原理是基于光輻射與物質的相互作用所產的內光電效應。在光通信系統中最常用的光電探測器有PIN光電二極管、雪崩二極管（APD）、金屬-半導體-金屬光電探測器（MSM-PD）。其中PIN硅光電平面二極管具有結電容小、渡越時間短和靈敏度高等優點，因此本文采用一款SIEMENS公司的PIN硅光電池BPX65。

3.6光接收電路

BPX65接收到光信號，輸出的電流很小，而且含有噪聲，因此必須經過放大和濾波。系統采用的運算放器為AD8055，其是一種300MHz高速響應放大器，建立時間為20ns，噪聲6nV/Hz，高輸出驅動電流60mA。LM386驅動揚聲器，將LM386反相輸入端接地[5]，其內部電路自動偏置輸出信號為電源電壓的二分之一，圖中電路用來驅動一個4歐姆的揚聲器。

3.7光解調電路

接收到的光信號經放大濾波后，是含有語音信息的高頻信號，必須從調頻信號的頻率中提取出原來的調制信號。調制的方法很多，概括起來主要分為直接鑒頻法和間接鑒頻法。結合現有條件，本文采用的是直接脈沖計數式鑒頻法，調頻信號的信息是寄托在已調波的頻率上。信號的頻率與信號電壓波形單位時間內通過零點（或零交點）的次數有關。本文所用的鑒頻器電路如圖，先將輸入調頻信號進行帶寬放大和限幅，變成調頻方波信號，然后進行微分得到一串高度相等、形狀相同的微分脈沖序列。再經過半波整流得到反映調頻信號瞬時頻率變化的單向微分脈沖序列。對此單向脈沖計數，就可以直接得到調頻信號的頻率。將微分脈沖序列變換成矩形脈沖序列，然后對該調頻脈沖直接計數或通過低通濾波器得到輸出解調電壓。

五、結束語

可見光通信技術是短距離無線通信領域中具有革命性意義的新興技術，基于可見光通信的語音傳輸系統的研究與設計是一個很有意義的課題。本文提出一種基于可見光通信的語音傳輸系統設計方法。利用可見光無電磁干擾與輻射、節約能源、不占用無線電頻譜等的優點，設計了采用白光LED的可見光通信系統，系統采用模擬語音芯片產生語音信號，用LED陣列進行光電轉換實現信號的傳輸，光電二極管接收到信息進行解調，恢復到原來的信號，達到語音信號傳遞的目的，從而實現語音通信和照明的雙重功能。

參 考 文 獻

[1]皺自立.全光系統的技術發展[J].信息產業部電子第ZY研究所，2001（4）：21-26

[2]吳承治.可見光通信技術及應用初探[J].電信科學技術第五研究所，2012（3）：8-19

[3]曾慶珠.可見光通信的應用研究[J].互聯網天地，2013（8），（8）：18

[4]武洲，孟亞俐.矩陣式LED智能光通量輸出系統[J].湖南工業職業技術學院學報2014（6）：14-15

[5]丁德強，柯熙政.一種基于可見光通信的無線局域網系統設計與仿真[J].西安理工大學學報，2007，23（1）：29-32