基于大功率白光LED的可見光音頻傳輸系統設計與實現

鄭淑軍

摘 要：可見光通信是一項新興基于白光LED的無線光通信技術能夠同時實現照明和通信雙重功能。實現一種使用大功率白光LED音頻傳輸系統。發射端使用24V單電源運放將音頻信號放大后驅動大功率三極管控制LED發光，實現音頻信號傳輸。接收端采用光敏二極管接收設計低噪聲前置放大電路，系統實現了音頻信號無失真傳輸。

關鍵詞：可見光通信 大功率白光LED 低噪聲前置放大器 音頻傳輸

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0007-02

一、引言

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[1]。與普通光源比較， 可見光LED 因其高速調制特性已被應用在中短距離光纖通信中， 將照明與無線通信融于一體， 逐漸發展成為一種新興的光無線通信技術。光無線通信技術與射頻無線通信相比， 有無需頻帶申請、造價低等許多優點。本文選用10w大功率白光LED作為發光器件，光敏二極管作為接收器件，采用光強度調制/直接探測系統，設計實現了音頻信號傳送系統。

二、系統設計

1.系統方案

大功率白光LED 可見光音頻傳輸系統如圖1 所示，包括發送端和接收端兩個子系統，可見光發送端子系統包括直流電源模塊、信號輸入模塊與可見光通信發送模塊；可見光接收端子系統包括直流電源模塊、可見光通信接收模塊與信號輸出模塊等。發射端電路將待傳輸的音頻信號轉換成便于在光載波上傳輸的信號，經白光LED 驅動電路將電信號調制成LED 的光載波強度變化的光信號，以光束的形式發射到大氣信道中進行傳輸，再由光電探測器接收光信號，將光信號轉換成電信號，接收端電路對轉換后的信號進行放大后驅動音箱，并將音頻信號還原出來。

2.電源設計

利用單片式開關穩壓器LM2576-ADJ 替代線性穩壓器構成串聯開關式穩壓電源，在電路中只需增加續流二極管和儲能電感和濾波電容分壓取樣電阻等幾只元器件，使電路更加簡潔，除具有線性電源寬范圍連續可調的優點外，同時使電源效率得到了大幅度提高，電路原理圖如圖2所示。

3.可見光發送端設計

選用市場普通10W大功率白光LED作為發光器件，音頻信號經電容C1取樣后，通過LM358放大后驅動功率三極管2N3055，控制LED發光。這樣就將音頻信號變成了亮度變化的光信號，音頻信號變化較快，亮度變化眼睛基本不可見。直流偏置電壓的設計，電路設計中靜態時C1相當于斷開，電路相當于電壓跟隨器，運放輸出電壓相當于同相端輸入電壓，調整電位器VR1使同相端輸入電壓約為12V左右，輸出直流電壓也為12V，此時動態響應范圍最大。交流信號放大倍數設計，Av=-R14/R15=-2倍[2]。LED亮度設計，通過調整基極限流電阻R5的大小，可以調整通過三極管Q1的電流，通過電流大的時候，LED亮度高，電流小的時候LED亮度低。限流電阻R5的大小選取，電路設計過程中先使用20K可調電阻串聯運放U1的輸出端與三極管Q1的基極之間，調整可調電阻的大小觀察亮度和音頻傳送效果，電阻值為2.1K時LED通過約1A電流，LED工作在額定功率，隨電阻值逐漸變大LED亮度逐漸變低，在10K時LED通過約100mA電流，在這個范圍內音頻信號傳輸都能滿足系統設計需求。可見光發送端電路原理圖如圖3所示：

4.可見光接收端設計

可見光接收端接收LED發出的亮度變化的白光，使用光電檢測電路得到與亮度相關的電壓信號，并經過放大電路放大后接功放電路輸入端。可見光接收端電圖如圖4所示。光電探測器是光接收端的核心器件，由于PIN 光電二極管的光電轉換線性度好、響應速度快、價格較低且無需高工作電壓，滿足系統對光電檢測：光電探測器的光譜范圍、光電轉換效率、響應速度、線性度等的要求， 所以本設計中的光電探測器采用PIN 光敏二極管。

PIN光敏二極管檢測到LED發出的光，光線的亮暗影響光敏二極管中電流的大小，通過5.1KΩ采樣電阻采集到與光敏二極管中的電流成正比的電壓，用4.7μF電容將電壓中與音頻信號相關的交流電壓信號分離出來，并通過LM358放大后送入集成功放輸入端。初級放大電路中采用交流放大電路設計，同相輸入端接偏置電壓為系統工作提供合適的靜態工作點，通過調整電位器VR1使同相輸入端電壓約為4.5V，交流電壓放大倍數為反向輸入放大，放大倍數Av=-R19/R8=-1倍。次級放大電路采用直流放大設計，將直流信號和交流信號同時放大，放大倍數A=1+R12/R10=2.33倍，次級電路采用直流放大較采用交流放大時動態效果好，在頻率較高時信號沒有失真，只是幅度有所降低。音頻信號經兩級放大后經過電位器R14輸出值功放電路輸入端，調整電位器位置可以調整系統輸出音量。

5.功放電路設計

功放電路采用集成功放模塊TDA2030實現，該模塊是許多電腦有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成塊。它接法簡單，價格實惠。額定功率為14W，功放后面接8Ω音箱輸出音頻信息。功放電路圖如圖5所示：

三、系統測試

為了驗證可見光通信音頻傳輸系統的傳輸效果，在實驗室內對系統進行測試， 觀察音頻信號在可見光上傳輸的接收效果。將發射端架置于工作臺上，接收端面向LED在0.5至10米移動，使用MP3播放音樂將輸出接發送端，在接收端音箱能聽到MP3播放的音樂，音質優美，未見噪聲，使用不透光物體遮擋光路后，聲音消失，此時亦未見噪聲。

為了進一步測試系統性能，使用信號發生器將正弦波信號接入音頻輸入端，在功放輸出端使用示波器觀察輸出波形。在白光LED 覆蓋區域內，語音信號頻率為100 Hz～12KHz之間， 示波器所見波形未見失真。隨著輸入信號頻率的增加功放輸出端信號從10Khz時幅度逐漸減小，在頻率為12KHz時信號幅度減小到最大幅度的五分之三。圖6-圖9分別是音樂信號、100Hz、5KHz和12KHz輸入時功放輸出端的信號波形。在圖6中綠色信號是從發送端LED處測得，如圖3中R21和LED中間位置，黃色信號是功放輸出信號。圖7-圖9信號是功放輸出信號。

利用白光LED構建短距離可見光音頻傳輸系統，實現了音頻信號在可見光上無失真傳輸。系統在較高頻率時信號放大倍數有所降低，與系統選擇器件的帶寬有關，可以選擇高性能的運放提高系統高頻性能。

參考文獻

[1]劉宏展，呂曉旭，王發強.白光LED照明的可見光通信的現狀及發展[J].光通信技術，2007（7）：53-56.

[2]胡宴如.模擬電子技術基礎（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2008.