基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統

吳燕，卑璐璐，張申，李軼，孫文達

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州　221008；2.徐州工程學院 信電工程學院，江蘇 徐州　221111；3.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州　221008)

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經驗交流

基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統

吳燕1,3，卑璐璐2，張申1,3，李軼1,3，孫文達1,3

(1.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州221008；2.徐州工程學院 信電工程學院，江蘇 徐州221111；3.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州221008)

針對現有點對點數字通信系統傳輸距離近、成本高等問題，采用白光LED設計并實現了基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統。該系統結合音頻編解碼芯片TP3067實現多路音頻信號的復用傳輸，采用FPGA作為主控制器控制編碼信號的時隙。實驗結果表明，該系統可實現最高2.048 Mbit/s的傳輸速率，最多可傳輸32路音頻信號，且傳輸穩定。

音頻通信; 數字通信；可見光通信；時分復用

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.0957.004.html

0　引言

可見光通信(Visible Light Communication，VLC)技術具有對人眼安全、發射功率高、無需申請無線電頻譜證、無電磁干擾等優點，因而其具有極大的發展前景，為光通信提供了一種全新的數據接入方式[1-2]。但VLC技術仍具有一定的局限性，如只能在有光的情況下使用。因此，VLC技術的應用環境是當前射頻無線通信無法實施或電磁干擾較強的場合，如煤礦工作面等。

近年來，關于VLC技術的研究成果越來越多，國內外很多學者在通信鏈路和調制方式等方面做了大量的工作。國內對VLC技術的研究還不成熟，有關院校設計的點對點數字通信系統傳輸距離近，成本高，難以得到廣泛應用。本文采用白光LED設計了基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統，結合音頻編解碼芯片TP3067實現多路音頻信號的復用傳輸，采用FPGA作為主控制器控制編碼信號的時隙。系統可實現最高2.048 Mbit/s的通信速率，具有復雜度低、功耗低、成本低、無電磁輻射等優點。

1　系統設計

基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統結構如圖1所示。其中，PCM編解碼所使用的時隙由FPGA控制，發送端和接收端使用同一個時鐘脈沖。

圖1　基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統結構

1.1PCM編解碼模塊

PCM編解碼模塊選用的芯片是TP3067，該芯片內部集成了編碼和解碼電路，是一個單路編解碼器。TP3067的幀同步信號為8 kHz，編碼速率為2.048 MHz，每幀含8 bit數據。音頻信號經過抽樣、量化、編碼后轉換為PCM編碼信號，該信號在一個特定時隙中被發送出去，在其他時隙中編解碼器沒有信號輸出。同樣，解碼電路也只在一個特定的時隙從外部接收PCM編碼信號，然后經解碼、帶通濾波和放大后輸出相應的模擬信號。

1.2光電檢測及放大電路

光電檢測及放大電路選用硅基PIN光電二極管，該二極管具有結電容小、渡越時間短、靈敏度高、溫度不敏感的特點[3]，響應度為0.4～0.6 A/W，暗電流為1～10 nA，上升時間為0.5～1.0 ns，帶寬為0.3～0.7 GHz，偏壓為5 V[4]。光電二極管接收到的信號一般非常微弱，需要設計低噪聲前置放大電路將微弱的信號放大，同時，也將器件本身產生的噪聲降到最低。選用AD8001作為前置放大電路的主芯片。光電檢測及放大電路如圖2所示。

圖2　光電檢測及放大電路

前置放大電路的放大倍數為

(1)

式中R2，R3，R4均取1 kΩ。

實驗測試了接收端光電檢測及放大電路的幅頻特性，使用正弦波直接驅動LED光源，光電二極管接收信號后送前置放大電路放大，再用示波器測量接收到的正弦波幅值，得到的幅頻特性曲線如圖3所示。由圖3可見，截止頻率為10.8 MHz，滿足系統傳輸要求。

圖3　幅頻特性曲線

1.3時鐘脈沖的產生

2.048 MHz主時鐘由FPGA內部的鎖相環模塊產生，8 kHz幀同步脈沖由主時鐘計數分頻得到。為防止傳輸干擾，2路幀同步脈沖之間相差1個時隙。

1.4LED驅動電路

由于編碼后的PCM信號功率達不到LED光源的驅動要求，系統采用直流偏置技術將編碼后的PCM信號疊加直流電源，然后將疊加后的信號加載到LED器件上，從而能將編碼后的語音信號以光的形式發送出去。

2　系統測試

根據所設計的電路進行實驗測試，實驗平臺如圖4所示。系統采用3 W白光LED作為發送光源，2路不同的音頻信號作為信源，信源經過TP3067編碼及LED驅動電路后驅動2個LED光源發光，為防止干擾，2個LED之間的距離設置為10 cm。在接收端，采用1個光電二極管接收2個LED光源的光信號并復用為1路PCM電信號，經前置放大電路放大后進行傳輸。每路PCM信號只占用32個時隙中的1個時隙，時隙號由FPGA產生的幀同步脈沖控制，每個時隙的數據為8 bit，占用時間為3.9 μs，數據傳輸速率為2.048 Mbit/s。在信宿端分別用2個TP3067芯片解碼，恢復出原始的音頻信號。調整發射光源和光電二極管的位置，使光信號以直射的方式傳播。為判斷接收到的信號是否以可見光方式傳輸，可通過遮擋通信鏈路來確認。通信鏈路被遮擋時，信宿端接收不到系統傳輸的音頻信號。實驗結果表明，系統能同時傳輸2路音頻信號，且傳輸穩定、失真度小。

圖4　實驗平臺

當信源使用幅值均為百毫伏數量級、頻率為1 kHz和2 kHz的正弦信號代替時，信源和信宿端的波形如圖5所示，圖5(a)為2路輸入正弦信號，圖5(b)為經過系統傳輸后恢復出來的正弦信號。結果表明，信號在傳輸的過程中失真度比較小，波形無明顯失真，信宿端信號頻率和信源頻率相同。

3　結語

介紹了可見光音頻通信系統的設計方法，重點介紹了PCM編解碼電路、光電檢測及放大電路和LED驅動電路的設計。該系統使用FPGA產生編碼脈沖和幀同步脈沖，控制2路音頻信號的時隙。實驗結果表明，該系統實現了2.048 Mbit/s的傳輸速率及2路音頻信號的復用傳輸，可擴展為最多32路音頻信號的復用傳輸。

(a) 信源端波形

(b) 信宿端波形

[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[J].光通信技術,2011,35(2):56-59.

[2]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[J].光通信技術,2009,33(7):53-56.

[3]劉洋,章國安.可見光通信調制方式及其性能研究[J].激光與光電子學進展,2014(9):65-71.

[4]康華光,陳大欽,張林.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京:高等教育出版社,2008.

[5]馬秀萍,劉偉,張申,等.煤礦井下可見光通信系統設計[J].工礦自動化,2014,40(1):16-19.

[6]KOMINE T,NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2004,50(1):100-107.

[7]梁烈勇.短距離LED可見光音頻傳輸系統設計[J].電子技術應用,2012,38(9):18-20.

Multi-channel digital audio communication system based on visible light transmission

WU Yan1,3,BEI Lulu2,ZHANG Shen1,3,LI Yi1,3,SUN Wenda1,3

(1.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008,China; 2.School of Information and Electrical Engineering,Xuzhou Institute of Technology,Xuzhou 221111,China; 3.Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

In view of problem of short transmission distance and high cost of existing point to point digital communications system,multi-channel digital audio communication system based on visible light transmission was designed and implemented by use of white LED.The system combines audio codec chip of TP3067 to implement multiplexing transmission of multi-channel audio signals,and uses FPGA as the main controller to control time slot of encoder signals.Experimental results show that the system can achieve transfer rate of up to 2.048 Mbit/s,and audio signal of up to 32-channels can be transmitted stably.

audio communication; digital communication; visible light communication; time-division multiplexing

1671-251X(2016)10-0079-03DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.018

吳燕，卑璐璐，張申，等.基于可見光傳輸的多路數字音頻通信系統[J].工礦自動化，2016,42(10)：79-81.

2016-03-24；

2016-08-24；責任編輯：胡嫻。

國家科技支撐計劃項目 (2013BAk06B05)。

吳燕(1991-)，女，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向為煤礦井下可見光通信，E-mail:suixin@cumt.edu.cn。

TD655

A網絡出版時間：2016-09-30 09:57