基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)

李志全, 謝銳杰, 王 聰, 劉同磊 , 李文超, 顧而丹, 牛力勇

(1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004; 2. 東北大學(xué) 控制工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

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基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)

李志全1*, 謝銳杰1, 王 聰1, 劉同磊1, 李文超2, 顧而丹1, 牛力勇1

(1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004; 2. 東北大學(xué) 控制工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

介紹了一套可見光音頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含發(fā)射和接收兩個模塊。在發(fā)射模塊端，用手機播放音樂，通過雙音頻線插頭來輸入音頻信號;在接收模塊端，利用C12702-11 APD模塊把接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過相關(guān)放大濾波等處理，使音響就可以播放出清晰的音樂。采用透鏡聚光和平面鏡反光可實現(xiàn)5 m以上的通信距離。

VLC； 音頻傳輸； 白光LED； C12702-11 APD模塊

1 引 言

可見光通信(Visible light communication，VLC)技術(shù)是在LED (Light emitting diode)照明基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型通信技術(shù)。用于照明，白光LED具有高亮度、低功耗、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型的照明光源[1]。LED在世界照明市場中所占據(jù)的比重正在逐年遞增，利用LED燈進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腖ED可見光通信技術(shù)[2-6]愈發(fā)受到重視。與傳統(tǒng)的射頻通信以及微波通信系統(tǒng)相比較，VLC具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾和電磁輻射、節(jié)約能源等優(yōu)點[7]。本文設(shè)計和制作了一套基于白光LED可見光通信的音頻傳輸系統(tǒng)[8-9]，并進行了相關(guān)的實驗測試，獲得了一系列基本數(shù)據(jù)，在實驗測試中，發(fā)射模塊和接收模塊通過使用透鏡聚光可以實現(xiàn)5 m以上的通信距離。和其他可見光通信系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低廉，且不受背景光影響，輸出信號保真，能播放出清晰無損的音樂，可通過光反射實現(xiàn)信號傳輸，同時又兼具白光照明等優(yōu)點。

2 設(shè)計與實驗原理

2.1 可見光調(diào)制原理

將要傳輸?shù)男盘柤拥焦獠ǖ倪^程叫“調(diào)制”，光調(diào)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[10]。本系統(tǒng)對LED的發(fā)光強度進行調(diào)制，設(shè)計了LED驅(qū)動電路來控制白光LED發(fā)光。LED驅(qū)動電路的工作原理是給白光LED提供適當(dāng)?shù)钠秒娏骱驼{(diào)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(qū)[11]，實現(xiàn)照明功能，LED的驅(qū)動電路如圖1所示。

圖1 白光LED驅(qū)動電路

圖中，R5和R15為三極管基級提供一固定的偏置電壓，使三極管Q1始終處于放大狀態(tài)。R6為限流電阻，用于控制流過LED的電流。Q1導(dǎo)通時，Qce的導(dǎo)通壓降比較小，可以忽略不計，LED的壓降約為1.8 V，加載在R6上的電壓為3.2 V，因此LED最大可獲得電流為

(1)

本設(shè)計中采用歐司朗LWW5SM白光LED，工作電壓范圍為3.2～3.7 V，工作電流范圍為0.1～1 A。實驗中用手機輸入音頻信號時，LED的亮度以人眼不能分辨的速度進行閃爍，接收部分通過音響播放出音樂，用隔板逐漸遮擋光至完全遮擋時，音響播放出的聲音逐漸變小直至消失。

2.2 光電轉(zhuǎn)換原理

本設(shè)計中的光電轉(zhuǎn)換部分采用C12702-11 APD(Avalanche Photodiod)模塊，它由APD、信號放大電路、高電壓電源電路、溫度補償電路組成，能夠檢測到微弱的光線。接入外部電源+5 V時模塊即可運行。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換模塊框圖

APD是一個具有內(nèi)部信號放大機制的半導(dǎo)體光電檢測器。在輸入一個光子時，普通的硅光電二極管只產(chǎn)生一個信號或者更少，而APD輸出一個信號或者更多。當(dāng)內(nèi)部耗盡層處于高電場時，這些通過雪崩放大來實現(xiàn)。APD的增益依賴于環(huán)境的溫度和耗盡層電場(偏壓)的大小。因此，為了穩(wěn)固增益，需要為偏壓提供溫度補償。APD模塊通過使用內(nèi)部的微控制器來穩(wěn)固增益。

為了設(shè)置并穩(wěn)固增益，該模塊有一個偏壓控制電路，它包含高壓發(fā)生器、電壓控制器、溫度傳感器。APD的偏置電壓被溫度傳感器中包含的溫度信息控制。由于APD需要高電壓，高電壓發(fā)生器把+5 V增加到+200～+300 V之間。電壓控制器控制APD的偏置電壓。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，增益在這種方法下被精確調(diào)整并保持穩(wěn)定。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路用來優(yōu)化APD輸出信號，使光電探測器具有更高的靈敏度。

3 實驗裝置與系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，本實驗裝置包含實驗臺，+5 V和+12 V直流電源，白光LED，發(fā)射電路，接收電路，透鏡，平面鏡，擋光片，音響，手機。其中，接收電路工作電壓+5 V由直流穩(wěn)壓源輸出，+12 V用來給穩(wěn)壓源供電。用手機發(fā)射音頻信號，透鏡1把白光LED發(fā)出的大部分光聚在一起，由于實驗平臺大小有限，用平面鏡1和平面鏡2通過反光來增加通信距離，透鏡2把平面鏡反射的光線聚集起來照在光電探測器上。

圖3 VLC音頻傳輸系統(tǒng)

3.1 發(fā)射電路原理

完整的發(fā)射部分電路如圖4所示，用手機產(chǎn)生的音頻信號通過雙音頻線插頭輸入，電容C5起到隔直的作用，電阻R13和R14為放大器的同相端提供偏置電壓

(2)

R9和R1構(gòu)成電壓負反饋，放大倍數(shù)

(3)

電容C1是為了抑制高頻噪聲，放大后的交流信號經(jīng)過RC音頻濾波電路后輸入到LED驅(qū)動電路中，使LED的發(fā)光強度隨著輸入信號的變化而變化，實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。

圖4 發(fā)射部分電路

3.2 接收電路原理

接收部分先由C12702-11 APD模塊將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后再經(jīng)過放大濾波等相關(guān)處理后輸入到音響，本設(shè)計中的后續(xù)處理電路采用LM1875的典型電路，用Altium Designer繪制的電路圖如圖5所示。

圖5 后續(xù)處理電路

R12為輸出阻抗匹配電阻，C7起到隔直作用，R3、R7和R8為放大器正相端提供浮地電壓，C3為濾波電容，R2和C2為高通濾波，R4和R2構(gòu)成電壓負反饋，放大倍數(shù)為

(4)

R11和C9為低通濾波，C6為輸出耦合電容。

4 實驗操作與數(shù)據(jù)

首先用Altium Designer仿真繪制電路圖，選擇相應(yīng)的元器件，焊接電路板。電路焊接后進行測試，在發(fā)射部分接入+5 V電源，用手機播放音樂，通過雙音頻線插頭接入發(fā)射模塊，音頻信號經(jīng)過發(fā)射模塊的放大濾波等相關(guān)處理后輸入LED驅(qū)動電路，使LED的發(fā)光強度隨著輸入信號的變化而變化，完成信號的光調(diào)制。接收部分采用C12702-11 APD模塊將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后輸入到后續(xù)處理電路中進行放大濾波等相關(guān)處理，將處理后的音頻信號輸入到音響并播放出音樂，完成光信號的解調(diào)。

圖6 (a)距離3 m時的示波器波形；(b)遮擋時的示波器波形。

Fig.6 (a) Oscilloscope’s waveforms when the distance is 3 m. (b) Oscilloscope’s waveform when the light is blocked.

在電容C6和音響之前加一測試點并連接示波器，用以觀察輸出信號的變化。

在圖3所示的通信距離為3 m時，示波器上顯示的一段音頻信號如圖6(a)所示，用擋光片遮擋住光線之后示波器上顯示的波形如圖6(b)所示。

由于手機中輸出的音頻信號在50 mV以下，我們可以用信號發(fā)生器輸出交流電壓信號來代替音頻信號進行測試。實驗室中的信號發(fā)生器能輸出的最小電壓為10 mV，且輸出小信號時存在較大干擾，因此，我們用信號發(fā)生器輸出高的信號電壓，再用兩電阻分壓的方法來獲得小信號，本實驗我們將信號發(fā)生器的輸出電壓分成它的1/500。

在初始測試中，使LED正對著光電探測器，改變發(fā)射端和接收端的距離進行測試。實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)射端和接收端距離的逐漸增大，音響中音樂的聲音在逐漸變小，直至消失，在不加透鏡的情況下最多能達到30 cm。用信號發(fā)生器輸出電壓為5 V、頻率為5 kHz的信號，經(jīng)過分壓之后變成10 mV并輸入到發(fā)射電路，圖7為測試系統(tǒng)和不同距離時示波器的波形，圖中藍色的波形是輸入信號，黃色的波形是檢測到的輸出信號。在實驗中可采用平面鏡和透鏡來增加LED的距離。

圖7 改變距離時的測試系統(tǒng)和波形Fig.7 Test system and waveforms when the distance is changed

保持發(fā)射端和接收端距離為10 cm不變，使LED正對著光電探測器，然后用擋光片逐漸遮擋光電探測器的探頭。實驗中觀察到，在擋光片逐漸遮擋探頭時，音響中的音樂在逐漸變小，當(dāng)完全遮擋時，音樂消失。用信號發(fā)生器輸入電壓為5 V、頻率為5 kHz的信號時，測試系統(tǒng)和遮擋時示波器的波形如圖8所示。

圖8 遮擋時測試系統(tǒng)和波形

保持發(fā)射端和接收端距離為10 cm不變，然后改變LED和光電探測器之間的角度進行測試。實驗中觀察到，當(dāng)LED和光電探測器之間的角度從0°到180°變化時， 音響中的音樂從無到最大再到無，0°和180°時沒有聲音。用信號發(fā)生器輸入電壓為5 V、頻率為5 kHz的信號時，測試系統(tǒng)和改變角度時的示波器波形如圖9所示。

保持發(fā)射端和接收端距離為5 cm不變，使LED正對著光電探測器，信號發(fā)生器輸入電壓為5 V時，改變信號頻率繼續(xù)測試。在此條件下，信號的頻率在不失真的前提下最高可達50 kHz左右，圖10為測試系統(tǒng)和示波器的波形。

圖9 改變角度時測試系統(tǒng)和波形

圖10 改變頻率時的測試系統(tǒng)和波形

圖11 改變電壓時示波器的波形

采用圖9中的測試系統(tǒng)，保持發(fā)射端和接收端距離為5 cm不變，使LED正對著光電探測器，信號發(fā)生器輸入信號的頻率為10 kHz，改變輸入信號的電壓繼續(xù)測試。圖11為測試系統(tǒng)和改變電壓時示波器的波形。

5 實驗結(jié)果分析

從上面的實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)中可以看到，音響中播放出音樂的品質(zhì)主要與通信距離、光電探測器和LED的角度以及光電探測器接收的光量有關(guān)。增大發(fā)射端和接收端的距離時，音響中的聲音變??；光電探測器的探頭與LED正對著時，聲音最大，角度為零即平行的時候聲音最小，幾乎為零；用擋光片逐漸遮擋光時，聲音逐漸變小，完全遮擋時聲音消失。從波形圖中可以看到，本實驗中存在較大的噪聲干擾，這些干擾的來源主要有以下幾個方面：

(1)采用手工焊接的電路板本身就存在較大噪聲干擾；

(2)測試系統(tǒng)中的眾多線路之間也存在一定的干擾；

(3)本實驗中的調(diào)制信號很小，很容易受到環(huán)境等各方面干擾。

針對以上問題，我們可以制作印刷電路板，合理布局測試系統(tǒng)中的相關(guān)線路，在系統(tǒng)中采用相關(guān)濾波電路，盡可能地降低調(diào)制信號中的噪聲干擾。

6 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低廉，且不受背景光影響，輸出信號保真，能播放出清晰無損的音樂，可通過聚光和光反射實現(xiàn)5 m以上的通信距離，同時又兼具白光照明等優(yōu)點。它直觀地演示了音頻信號在可見光通信中的傳輸效果和原理，展示了可見光通信技術(shù)的實際應(yīng)用，展示出了VLC的廣闊應(yīng)用前景。隨著人們對VLC技術(shù)的日益關(guān)注，相信在不久的將來，會有越來越多的人參與到這項技術(shù)的研究當(dāng)中，這將會極大地推動可見光通信技術(shù)的發(fā)展，使其在未來的通信中占據(jù)著舉足輕重的作用，具有非常深遠的意義。

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李志全(1954-),男,黑龍江肇東人,教授,博士生導(dǎo)師,2001年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事非線性光電檢測技術(shù)和光學(xué)微納米結(jié)構(gòu)特性方面的研究。

E-mail: lzq54@ysu.edu.cn

An Audio Transmission System Based on The White LED Visible Light Communication

LI Zhi-quan1*， XIE Rui-jie1， WANG Cong1, LIU Tong-lei1, LI Wen-chao2, GU Er-dan1, NIU Li-yong1

(1.InstituteofElectricEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China;2.SchoolofControlEngineering,NortheasternUniversityatQinhuangdao,Qinhuangdao066004,China)

This paper introduces a new visible light/audio transmission system, which contains a transmitter module, a receiver module and optics. In transmitter module, a mobile phone is used to generate audio signals which modulate the LED light emission; In the receiver, a C12702-11 APD module converts the received optical signals into electrical signals which can make the sound broadcast clearly through the related amplifying and filtering processing. By using plane mirrors for light reflection and a lens to focus light, this system can achieve more than 5 m distance of communication.

VLC; audio transmission; white LED; C12702-11 APD module

2016-01-25；

2016-04-15

河北省百人計劃(4570018)； 河北省自然科學(xué)基金(F2014501150)資助項目

1000-7032(2016)07-0852-07

TN929.12

A

10.3788/fgxb20163707.0852

*CorrespondingAuthor,E-mail:lzq54@ysu.edu.cn