基于可見光通信技術的光通信耳機設計

張云艷 丁秀鋒 胡 峰

（南京信息職業技術學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

隨著科學技術的發展，在通信領域，光通信技術已經成為現代通信研究者的研究重點，其中，可見光通信（VLC，VisibleLightCom—munication）由于具有傳輸距離比較短、速率高等特點而備受關注[1-2]。在可見光通信中，隨著發光二極管LED 的發射功率的提高，可見光通信技術提供了可替代射頻技術的方法，因此更加節能和清潔。對無線通信技術來說，現有的照明設備與通信技術使可見光通信技術水平飛速發展[3]。該文將市場中相關的耳機產品進行對比，并采用可見光通信技術，設計了一款全新的基于光通信技術的可見光無線耳機。由于可見光傳播具有不易受干擾和限制等特點，因此在有光的情況下，可以遠距離傳輸音頻信號。這款耳機的創新點是利用可見光來傳輸音頻信號。根據可見光通信的抗干擾能力強、傳播速率快的特點，這款耳機可以用于一些特定的場所，例如飛機上、博物館以及英語四六級聽力考試等。

1 光通信耳機硬件部分設計

光通信耳機設計結構圖如圖1 所示。

圖1 可見光耳機結構圖

該系統主要將音頻信號進行A/D 轉換，然后再對信號進行調制與編碼，再進行電光轉換，接著信號就會到達室內LED 燈發射模塊。通過白光LED 燈傳送信號，到達耳機的接收端，然后進行光電轉換，再進行信號的解調和解碼，最后進行D/A 轉換，恢復模擬信號，通過音頻放大電路進行傳輸[4]。

該設計的核心模塊是發射端和接收端。發射端主要的功能是將語音信號轉換成光信號，利用MOS 管來實現電光轉換。接收端主要的功能是恢復傳輸的語音信號，使用光敏二極管可以將接收到的光信號轉換成電信號，進而將電信號通過音頻放大器放大，最后驅動揚聲器就可以實現音頻傳輸[5-6]。

1.1 音頻檢測模塊和編碼調制模塊的設計

在音頻信號傳輸和轉換模塊中，該設計將1 只10μF 的電容串聯在信號的輸入接口處，通過單片機和語音轉換芯片將需要傳送的音頻信號發送至信號的編碼和調制模塊。具體電路設計如圖2 所示。編碼調制模塊可以產生50 kHz的正弦信號，其幅度值Vpp 為500 mV。該正弦信號作為語音信號的載波，用于對音頻信號進行調制，然后將輸出的信號傳送至發射模塊[7]。

圖2 音頻信號檢測及編碼調制電路

1.2 可見光發射模塊

發射端利用MOS 管接收音頻信號，然后將其轉換為可見光信號，其原理是驅動LED 燈，將LED 燈光信號進行放大然后發射出去[8]。該電路是通過能夠使電流放大的共發射極基本放大器來進行信號放大的，該放大器帶負載能力強，并且具有隔離緩沖的作用，還能使阻抗發生變換，因此信號在傳輸時不易失真。

1.3 可見光接收模塊

可見光接收模塊主要利用光敏二極管的特性接收可見光信號，發射端發過來的信號通過具有放大特性的LM386來進行接收。然后將光信號傳送至解碼解調模塊，電路如圖3 所示。電路中的LM386 放大器可以集成音頻功放，并且該元件功耗低、外接元件少、總諧波失真比較小，具有電壓增益可調和電源電壓范圍大等優點，在收音機和錄音機中有廣泛應用[9]。

圖3 可見光接收電路

1.4 信號的解調解碼模塊

信號的解調解碼模塊主要是對接收到的語音信號進行轉換，這是通過單片機和D/A 轉換器語音解碼芯片來實現的。然后通過軟件程序進行濾波。濾波之后可以得到解調解碼信號，其帶寬為250 kHz，電路如圖4 所示。

圖4 采用單片機與DAC0832 組成的解調解碼電路

1.5 音頻放大及耳機模塊

音頻放大及耳機模塊主要是為了提高對耳機的驅動能力，采用TDA2030 集成功放電路構成音頻放大器，其特點為具有較高集成度、元件少、電路簡單、音質好，電路如圖5所示。

圖5 TDA2030 構成的音頻放大及耳機電路

與普通電路相比，TDA2030 構成的音頻放大及耳機電路具有更好的散熱效果，當溫度過高時，該電路也不會對器件產生影響。同時，TDA2030 不僅可以對功率進行放大，它所產生的信號還具有失真小、體積小以及輸出功率大等特點。TDA2030 功率放大器中具有多種保護電路，主要有熱保護、短路保護、地線偶然開路、電源極性反接以及負載泄放電壓反沖等保護作用，因此其工作安全性與可靠性較高。

2 可見光耳機軟件系統設計

可見光耳機軟件系統的設計主要分為兩個部分，第一個部分的軟件編程是對音頻信號的編碼調制，第二個部分的軟件編程是對音頻信號的解調解碼。這部分是通過電路圖進行分析并寫程序，然后由單片機的接口進行控制。其具體流程如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 信號的編碼調制和解調解碼模塊的主流程圖

3 試驗結果

在基于可見光通信技術的光通信耳機設計系統試驗中，先設置發射端和接收端的間距為2m，規定白光LED 燈的電流在65mA，保證音頻輸出效果達到最優。從表1 的測試結果可以看出，調節載波的頻率，使載波頻率不斷提高，波形峰—峰值Vpp、最高幅值Vmax與最小幅值Vmin都在減少。因為信號在傳輸過程中有噪聲干擾存在，所以該試驗的測試結果與理論的推斷結果之間可能存在一定的差異，符合音頻信號的傳輸規律。經過多次測試發現第四組測試的數據呈現的結果。該組測試數據與正弦波的波形最相似，可以推斷出音頻信號在傳輸的過程中基本上沒有失真。所以在實際應用中以第四組數據作為參考數據。

表1 可見光通信耳機的測試數據

在后續測試中，為了使音頻信號傳輸的距離更遠、更穩定，經過多次測試發現如果在音頻信號輸入端串聯一個5.5kΩ的電阻，輸入的音頻信號的傳輸距離可以達到6m 左右。

經過上述試驗測試后，根據可見光通信系統的特點，該設計將市場上存在的現有耳機的性能指標進行了對比，選取的耳機為藍牙耳機、紅外線耳機。分別在理想狀態下從傳輸距離、傳輸速率、抗干擾能力、保密性等方面進行了比較，見表2。

表2 不同耳機類型性能參數對比

4 結語

該文設計的這款耳機是一款通信性能和抗干擾能力都非常好的可見光通信耳機。通過試驗和調試，在一定的傳輸距離內，該耳機都可以清晰準確地進行音頻信號傳輸。與市面上的其他耳機相比，可見光通信耳機的抗干擾能力更強，因此它的可靠性更高一些。在傳播速率方面也比普通耳機更快一些。可以適用于一些特定的場所，例如飛機上、博物館等，是值得推廣的一種新型產品。