融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸系統的研究

王濤　陳超　胡文芳

摘要：針對音頻信號的可見光通信傳輸，給出一種簡單可行、性能穩定的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統。該系統利用生活中常用的電腦（或手機等）、有源音箱和簡單的電路，在3W大功率LED光源直射下，實現了50cm傳輸距離內良好的音頻信號傳輸。在該系統基礎上，嘗試性地組建了融合PLC的LED可見光音頻傳輸實驗系統，初步實現了音頻信號在融合PLC的系統中的短距離傳輸，對于輸出音頻信號的音質存在進一步研究改善的空間。

關鍵詞：發光二極管；可見光通信；音頻傳輸；電力線通信

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.013

引言

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術使得白光發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈既能照明，又可以將音頻信號高速調制到LED燈光上，進行較短距離的傳輸。這種可見光音頻通信方便可靠、電磁輻射小、能耗低，適宜在一定場合應用，因而引起諸多科研人員的研究。參考文獻采用10w功率LED燈和高精度音頻專用功率放大器，實現可傳輸模擬信號5m以上的可見光通信系統。參考文獻設計了一種采用脈沖寬度調制的LED強光手電可見光應急通信系統。參考文獻采用可編程芯片及外圍電路實現LED室內可見光語音單向通信系統。參考文獻利用單片機控制音頻編解碼芯片，實現了通信距離可達40m，最高傳輸速率為2.5Mbit/s的全雙工實時語音對講。

本文組建了一種易于實現的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，系統利用電腦或手機的音頻輸出作為音頻信號源，無需模數轉換電路，經過簡單的放大電路、高速驅動電路和接收電路，由有源音箱對接收轉換后的信號進行放大濾波輸出。在此基礎上，根據電力線通信（Power Line Communication，PLC）原理，增加PLC模塊，組建了融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，并進行了音頻信號傳輸實驗測試。

1 可見光通信音頻傳輸實驗系統組成

LED可見光通信音頻傳輸實驗系統由音頻信號源、電源模塊、發射板、無線光信道、接收板、有源音箱幾部分構成，系統框圖如圖1所示。

（1）音頻信號源：利用電腦、手機、MP3音頻文件、收音機等作為音頻信號源，由這些設備的耳機孔輸出音頻信號，例如歌曲；

2）電源模塊：負責將220V交流電轉化為系統用的5V直流電，可以采用USB接口為電路供電；

3）發射板：負責對音頻信號源送來的信號進行電光轉換，將電壓變化轉化為電流變化，以驅動LED燈，使其亮度發生變化，使音頻模擬信號變化轉變為光信號的強度變化，從而以可見光形式在信道中進行無線傳輸。發射板主要包括音頻放大模塊、LED驅動模塊和LED光源模塊。

音頻放大模塊電路如圖2所示，核心元件采用功耗低、電壓增益可調、諧波失真小的音頻集成功放LM386。

LED驅動模塊電路如圖3所示，核心元件采用具有電流放大作用的S9013 NPN型小功率三極管，最小特征頻率為150MHz。

LED光源模塊可以接入兩種LED光源。一種是高度集成、體積很小的1W功率LED陣列光源，發光半功率角為10°～120°。另一種是體積較大，但直射距離更遠，光通量可達到100LM的3W功率LED光源。

接收板負責將接收到的光信號還原成與發射端變化相同的電信號。接收板主要包括光接收模塊，考慮到PIN光電二極管的光電轉換線性度較好，響應速度較快，價格較低等優勢，所以核心元件采用普通PIN光電二極管接收可見光信號，光接收模塊電路如圖4所示。

有源音箱負責將接收板輸出的信號進行放大、濾波，驅動揚聲器傳出聲音。本系統采用型號為M-1117的有源音箱，平均輸出功率2W，阻抗8Ω。

2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統組成

目前，380V或220V低壓電力線是用戶最多的線路，除了提供電能之外，低壓電力線還可以進行電力線通信。電力線通信主要用于同一變壓器范圍內，以低壓電力線為信道，需要傳輸的信號經過調制，由發送端耦合器將載有信息的信號送到電力線上傳輸，接收端耦合器將信號取出后進行解調，獲得原始信號。由于低壓配電網拓撲結構復雜，接入負載類型多樣，同時低壓電力線是非均勻的傳輸線，所以電力線通信具有阻抗變化較大，信號衰減較大的特點。

融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統在前面所述系統基礎上增加了PLC模塊，系統框圖如圖5所示。音頻信號源輸出的音頻信號接入RJ45網絡接口1，單芯片QCA6410是高通公司推出的一款用于電力線通信的芯片，負責處理信號。耦合保護電路將調制好的信號耦合到電力線上傳輸。RJ45網絡接E12將電力線傳輸過來并經過處理的信號送入可見光通信發射板中。RJ45網絡接口、QCA641 0、耦合保護電路等組成

3 實驗系統音頻信號傳輸測試

3.1 LED可見光通信音頻傳輸系統實驗測試

實驗系統搭建好后的實物圖如圖6所示。

打開電腦中的一個MP3音頻文件作為音頻測試信號，先采用1W功率的LED光源，當收發距離較近時，揚聲器傳出洪亮飽滿的歌曲，音質很好，沒有明顯失真。隨著距離增加，歌曲聲音減弱，分析其原因，是由于系統沒有設計自動增益控制電路，所以隨著傳輸距離的增大，接收端光電信號幅度會有明顯衰減，下一步將考慮加入自動增益控制電路以自動調節信號增益。當更換功率為3W的大功率LED光源后，在保持輸出信號音量和音質不變的情況下，傳輸距離得到延長。經實驗測試，在50cm傳輸距離內，揚聲器傳出的歌曲無明顯失真，實驗傳輸效果良好。如果在無線光信道中采用聚光器，則系統的音頻傳輸距離還會延長。

3.2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗測試

實驗測試過程在同一變壓器下的電力線上進行，電腦輸出的音頻信號與PLC適配器1相連，PLC適配器1與電源插座1相連；LED可見光音頻傳輸系統的發射板與PLC適配器2相連，PLc適配器與電源插座2相連。連接組成的系統實物圖如圖7所示。

實驗系統搭建好后，電腦輸出的MP3音頻文件作為音頻測試信號，先通過電力線傳輸至VLC發射板，再經過可見光無線信道傳輸至VLC接收板，接收板輸出信號至有源音箱驅動揚聲器發聲。實驗測試表明，收發距離較近時，可以實現音頻信號的傳輸，但揚聲器發出的聲音偏小，聲音保真度不夠高，音質較差。分析其原因有兩方面，一方面，系統中有一部分傳輸線路采用了普通網線，不是音頻信號的理想傳輸線路，對音頻信號產生一定干擾和衰減；另一方面，音頻信號經過電力線傳輸時會受到干擾和較大衰減。這些都是融合PLC的可見光通信系統在面臨應用前需要進一步研究解決的問題。

4 結論

本文利用可見光通信原理，組建了簡單可行的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，該系統無需模數轉換電路、組建方便、性能穩定，利用生活中常用的電腦（或手機、收音機等）、有源音箱和設計簡單的電路，實現了音頻信號的可見光通信傳輸。實驗測試表明，在3W大功率LED光源直射下，系統可以在50cm傳輸距離內輸出音質較好的音頻信號。在該系統基礎上，通過增加電力線通信模塊，組建融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，進行了嘗試性實驗，初步實現了音頻信號在低壓電力線和無線光信道中的傳輸，但音頻信號受到一定的干擾和衰減，為提高輸出的音頻信號的音質，還需要進一步研究改善，以便實現該系統的實用化。