基于STM32的VLC 音頻傳輸系統(tǒng)

郝相林，高小珂，劉寧艷

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

可見光通信（VLC）技術(shù)是一種采用可見光波段頻譜傳輸信息的新型通信技術(shù)[1-3]。采用白光 LED作為光源的可見光通信技術(shù)，能夠低成本地實(shí)現(xiàn)照明和通信功能，適用于多種場合，具有傳輸速率高、能耗低、無電磁干擾、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[4]，隨著無線接入網(wǎng)技術(shù)的更新發(fā)展，可見光通信技術(shù)將具有很大的研究價值和應(yīng)用前景。VLC技術(shù)一經(jīng)問世就受到了世界各國的關(guān)注并迅猛發(fā)展，取得了一個又一個突破性的成果。目前對可見光通信技術(shù)的研究主要集中在高速通信[1]，國內(nèi)研究更偏向于室內(nèi)高速通信和高精度定位[4]。

本文針對 VLC技術(shù)在無線音樂播放器方面的應(yīng)用，提出了一種基于STM32的白光LED可見光通信的局域網(wǎng)音頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠順暢播放計(jì)算機(jī)中的音樂文件，在采用1 W白光LED光源時有效傳輸距離可達(dá)3 m。其他相似的可見光通信系統(tǒng)[5-7]在采用模擬通信時往往只能達(dá)到 30 cm 的傳輸距離，借助昂貴的光電檢測模塊才能達(dá)到較遠(yuǎn)的通信距離，而本系統(tǒng)采用STM32F107VC控制實(shí)現(xiàn)的模擬通信，在結(jié)構(gòu)上更為簡單，不采用聚光和反射等手段就可實(shí)現(xiàn)近3 m的有效傳輸距離，通信距離和信噪比都較高。相比數(shù)字通信系統(tǒng)，省去了接收端的解調(diào)模塊，成本低廉，更加小型化，對環(huán)境要求低，可應(yīng)用于多種應(yīng)用場景。

1 基本原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 可見光通信原理

可見光通信技術(shù)是利用 LED發(fā)出高速明暗閃爍信號來傳輸信息，是一種綠色環(huán)保的無線通信接入技術(shù)。白光LED相比其他光源具有更高的調(diào)制帶寬，可以在大范圍內(nèi)安全傳輸信號[8]。由于白光LED具有高速調(diào)制特性，因此可以將音頻信號調(diào)制到LED可見光上實(shí)現(xiàn)信息傳輸[9-12]。基于白光LED的可見光音頻傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 可見光通信原理示意圖

通信系統(tǒng)包括發(fā)射、信道傳輸和接收3部分。攜帶音頻信息的原始數(shù)字信號解碼恢復(fù)成模擬信號后，對LED進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，進(jìn)而將電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射到空間中。承載著音頻數(shù)據(jù)的光信號在空間中傳播，接收機(jī)采用光電轉(zhuǎn)換元件獲取這些信號。光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波處理后導(dǎo)入揚(yáng)聲器恢復(fù)為音樂。

1.2 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于 UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和可見光通信技術(shù)的局域網(wǎng)音頻傳輸系統(tǒng),并使用STM32F107VC作為主控芯片。系統(tǒng)主要用于近距離傳輸音頻信號，因此采用模擬音頻信號進(jìn)行可見光調(diào)制，在簡化設(shè)計(jì)的同時降低了成本。該系統(tǒng)由服務(wù)器、發(fā)射端和接收端組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）服務(wù)器用于存儲音樂文件，在播放時讀取音樂文件并將文件通過 UDP協(xié)議以數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送給發(fā)射端。

（2）發(fā)射端由STM32主控芯片、W5500以太網(wǎng)通信模塊、VS1053音頻解碼模塊和可見光調(diào)制電路組成，主控芯片與各模塊間采用SPI通信。W5500模塊連接發(fā)射端系統(tǒng)控制模塊與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接口，將來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入系統(tǒng)控制模塊。系統(tǒng)控制模塊將數(shù)據(jù)寫入VS1053模塊解碼恢復(fù)為音頻信號，經(jīng) LED調(diào)制模塊調(diào)制為可見光信號發(fā)射到空間中。VS1053模塊是一種單片音頻解碼器，它包含硬件解碼芯片 VS1053，可將 MP3/AAC/WMA/MIDI格式的音頻數(shù)據(jù)恢復(fù)成模擬信號。LED調(diào)制模塊中包含了一個三極管放大電路，采用LWW5SM白光LED作為光源，通過光強(qiáng)度調(diào)制將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。

（3）接收端由可見光接收電路和喇叭組成，可以捕獲空間中的可見光信號并將其中的信息轉(zhuǎn)換為音頻信號播放出來。考慮到PIN 光電二極管具有光電轉(zhuǎn)換線性度較好、響應(yīng)速度較快、價格較低等優(yōu)勢，所以光電接收模塊核心器件采用 PIN 光電二極管 BPX65接收可見光，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路部分

本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可見光通信的硬件電路可分為發(fā)射端和接收端。

2.1.1 發(fā)射端電路

發(fā)射端電路實(shí)現(xiàn)了信號調(diào)制和可見光發(fā)射功能，如圖3所示，包含音頻信號調(diào)整和可見光調(diào)制2部分。調(diào)制是指使待傳輸?shù)男盘柤虞d到光波的過程，可見光調(diào)制就是通過改變載波的振幅、強(qiáng)度、頻率等方法，使可見光攜帶信息[11-12]，可通過三極管放大電路來實(shí)現(xiàn)，如圖3中可見光調(diào)制部分。這部分電路利用LED的光調(diào)制特性將調(diào)整后的音頻模擬電信號轉(zhuǎn)換為光信號，其工作原理是為白光LED提供適當(dāng)?shù)钠秒娏骱驼{(diào)制電流，同時實(shí)現(xiàn)通信和照明功能。白光LED根據(jù)結(jié)構(gòu)，可分為單芯片和多芯片2種類型。單芯片型的LED是將藍(lán)光、紫光或某一單色 LED作為光源，配合熒光粉發(fā)白光，調(diào)制速率和發(fā)光效率較高，適于作為通信調(diào)制光源。傳輸音頻信號不需要很大的帶寬，出于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的考慮，本系統(tǒng)采用市面上常見的LWW5SM作為光源。

圖3 發(fā)射端電路圖

電路中選用的運(yùn)算放大器型號為 LM833，具有16 MHz的增益帶寬，其余元件取值已在圖中標(biāo)出。音頻信號調(diào)整部分對前級 VS1053音頻解碼模塊輸出的音頻模擬信號進(jìn)行放大和濾波，便于后級可見光發(fā)射電路依據(jù)電流信號調(diào)制光信號；采用電容C1將由前級輸入音頻信號中的直流分量去除，然后通過一個帶RC低通濾波的反向比例器對其進(jìn)行放大或者縮小并去掉高頻噪聲。

在電路中取電阻電容參數(shù)為C1=1 μF、C2=1 nF、R1=10 k?、R2=8 k?。該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如式（1）所示，則下限截止頻率約為15.72 Hz、上限截止頻率約為19.65 kHz。中頻增益為-1.95 dB。

2.1.2 接收端電路

完成通信還需要可見光信號接收電路，硅基 PIN光電探測器的波長響應(yīng)范圍為0.4～1.1 μm，很適合作可見光信號檢測，目前絕大多數(shù)VLC系統(tǒng)均采用PIN光電二極管[4]。設(shè)計(jì)中采用硅基PIN光電二極管作接收探測器，組成一個互阻抗放大電路來接收光信號。接收端光電檢測部分電路主要由兩級運(yùn)放電路組成，如圖4所示。前級運(yùn)放電路將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過后級的高通濾波電路消除直流偏置，得到載有原始音頻信息的電信號，將其輸入到音響即可播放出音樂。在該系統(tǒng)采用 PAM8403功放芯片的典型應(yīng)用電路對信號進(jìn)行功率放大后送入揚(yáng)聲器播放出音樂。

圖4 接收端電路圖

前級光電檢測電路采用 BPX65光電二極管作為檢測元件，接受可見光信號轉(zhuǎn)換得到電信號。后級運(yùn)放電路構(gòu)成一個帶增益的有源高通濾波器。按圖4中的電路參數(shù)進(jìn)行電路指標(biāo)估算，記中頻帶增益為Am、上限截止頻率為fB、下限截止頻率為fA，則：

2.2 軟件部分

該系統(tǒng)的控制程序分為 2部分，分別是采用Python語言編寫的上位機(jī)程序和采用 C語言編寫的單片機(jī)程序。服務(wù)器中上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)音樂播放，在播放音樂時進(jìn)行實(shí)時音頻數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)軟件主體為一個有限狀態(tài)機(jī)，有等待播放音樂和播放音樂2個狀態(tài)，播放音樂時，將音頻文件一幀一幀地發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，直到文件傳輸完成。單片機(jī)系統(tǒng)的控制程序主要功能同樣也是由一個有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，包括待命和播放2個狀態(tài)，播放狀態(tài)下控制發(fā)射端不斷接收來自服務(wù)器的 UDP數(shù)據(jù)包并寫入VS1053芯片進(jìn)行解碼。程序的設(shè)計(jì)如圖5所示，其中圖5(a)為上位機(jī)的程序流程，圖5(b)為單片機(jī)的程序流程。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括發(fā)射端、接收端、服務(wù)器、網(wǎng)線、遮光板。其中服務(wù)器為一臺配置了上位機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)，服務(wù)器與發(fā)射端之間通過網(wǎng)線連接并組網(wǎng)。

測試時輸入正弦交流信號，用示波器檢測輸出信號。用信號發(fā)生器輸出交流電壓信號來代替音頻信號進(jìn)行測試，向可見光調(diào)制電路輸入1.3 V直流電壓和幅值在0.5 V以下交流電壓的耦合信號。在測試中，使 LED燈正對著光電 PIN管，隨發(fā)射端和接收端之間的距離逐漸增大，音樂聲逐漸減小直到消失，最大傳輸距離可達(dá)3 m。測試過程中若光線傳播途徑被遮擋，音樂聲也會消失。為了測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，保持發(fā)射端和接收端的距離為 15 cm，輸入幅值為 1 V的交流電壓信號，改變其頻率進(jìn)行測試，測得系統(tǒng)在人耳聽覺范圍20～2 000 Hz范圍內(nèi)不失真，測試中部分頻率下波形如圖7所示，其中同一波形圖中上下2個波形分別為輸入信號和接收到的信號。在發(fā)射端輸入1 kHz正弦信號，改變發(fā)射端和接收端的距離，測得信噪比（SNR）與距離的關(guān)系曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在1 m距離內(nèi)系統(tǒng)工作較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，隨距離增大，接收到的光強(qiáng)減弱，音頻信號失真越大，信噪比越低。

圖7 改變頻率時的測試系統(tǒng)波形圖

圖8 信噪比隨傳輸距離的變化

4 結(jié)語

本系統(tǒng)使用 LED發(fā)射裝置將音頻信號以可見光方式發(fā)出，利用接收裝置獲得可見光，并將其恢復(fù)為音頻信號，實(shí)現(xiàn)了開環(huán)傳輸功能。當(dāng)光線被遮擋時，音頻信號傳輸中斷，歌曲播放自動中斷，光線恢復(fù)后立即恢復(fù)歌曲播放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，能播放出清晰的音樂，僅使用一個1 W的LED燈作光源時，系統(tǒng)音頻信號有效傳輸距離可達(dá)3 m。此外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡(luò)延遲足夠低，局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺安裝了上位機(jī)程序的計(jì)算機(jī)都可以向此系統(tǒng)傳輸音頻文件并進(jìn)行播放，拓展了系統(tǒng)的實(shí)用性。