基于LED的可见光短距音频通信系统设计

    张庭亮++甄倩倩++王义飞

    

    

    

    摘 要：文章研究了基于LED的可见光短距音频通信系统设计，发射端采用S9014多级放大及调制，接收端采用光电PIN管检测光亮变化，TDA2030前置放大后，RC二阶低通滤波器对信号进行解调，采用LM386设计音频信号放大器，测试结果表明，系统可以实现短距音频可见光传输。

    关键词：LED；可见光；光短距音频通信

    可见光通信具有抗电磁干扰、信息容量大、保密性好、维护成本低的优点，从使用场合可分为室外通信与室内通信两类[1-3]。白光LED响应灵敏、调制性好，是新一代环保型照明光源[4-5]。照明的同时将信号调制到可见光上进行传输，可以有效利用现有照明光源，缓解日益紧张的电磁频谱资源问题，应用场景很多。国内对可见光通信系统的研究最早从2006年开始[6-7]，现已成为研究热点。白光LED功率型VLC的关键问题是信号调制技术的选择和驱动电路的设计，减少信号干扰，尽可能增加传输距离。家用照明LED灯、路灯、汽车照明灯、矿灯等都可以作为传输光源，可见光音频通信在很多领域具有实用价值[8-9]。

    1 系统总体设计方案

    系统设计主要包括两部分：发射端和接收端。发射端包括信号采集电路、调制驱动电路、LED光源电路；接收端包括光电检测电路、TDA2030前置放大电路、低通滤波电路、LM386音频放大电路。PC机或者手机等音频设备产生的信号经过音频线输入信号采集电路，由于信号较为微弱，采用S9014组成两级放大电路放大输入信号，驱动LED光源电路，将音频信号调制到光信号。调制的可见光信号经过PIN光电检测和TDA2030放大电路解调放大后，采用LM386音频放大电路产生驱动音频播放设备的输出信号，系统框如图1所示。

    2 系統硬件设计

    2.1 电源电路

    电源电路设计采用三端稳压芯片LM7805，+5 V供电，设计如图2所示。

    2.2 信号放大及调制电路

    音频输出的信号较为微弱，设计采用S9014级联两级放大电路。S9014晶体三极管用途较为广泛，使用电阻、电容设置合适静态工作点，使其工作于放大状态。信号放大及调制电路设计如图3所示。阻容耦合方式传输信号可以有效地滤除直流偏置电源带来的噪声干扰。LED光源采用3 W灯珠，配合聚光灯罩，使得发出的光更加集中，便于接收端光电检测，其正极引脚接5 V电源，负极接信号端。

    2.3 光电检测电路

    接收端经过PIN光电探测器完成光电转换，电路设计如图4所示。当无光照或光照极其微弱时，光电二极管视为开路，此时电路处于断开状态，无信号；当光源发射的强度超过检测阈值，光电二极管电阻极小，可以视为短路状态，信号通过C6滤除直流分量后输出。

    2.4 前置放大电路

    前置放大电路主要由TDA2030构成，设计如图5所示。放大倍数主要通过电阻R11和R13计算，光电转化来的电信号可能混合有直流分量，电解电容C7能够有效地将直流分量滤除，从而减少对信号的干扰。

    2.5 音频放大电路

    经过TDA2030前置放大器的信号带负载能力不强，故设计采用二级音频输出放大电路。LM386构成音频放大电路设计如图6所示。此时，LM386电压放大倍数设计46 dB。

    3 系统测试与结论

    系统实物包括发射电路与接收电路，如图7（a）所示。发射电路的实际测试过程如图7（b）所示，音频信号采用手机播放的音乐为信号源，输入信号与发射端输出的实际信号如图中示波器采集到的波形所示，经过发射端电路处理后的音频信号变成了一系列方波调制信号，可以驱动LED灯。音频输入信号与发射端输出信号如图7（c）所示。经过接收放大电路，解调后的系统输出信号与LED调制信号如图7（d）所示。

    系统设计首先在分析前人研究成果的基础上，使用Multisim仿真软件对理论设计电路进行了基本仿真，对系统电路设计的合理性进行初步评测，对仿真出现的问题加以分析并改进。使用Altium Designer完成了原理图及印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计，制作电路板。系统搭建后，使用示波器观察发射与接收电路的输入输出信号，对比分析，对电路进一步完善设计，实现了可见光短距音频通信，设计中还有很多需要提高的地方，音频传输有很大失真，仍需进一步设计来减小失真。系统需要进一步集成，提高传输距离。

    [参考文献]

    [1]陈烙，邵宇丰，申世鲁，等.传输可见光载音频信号的仿真研究[J].光通信技术，2016（8）：55-57.

    [2]宋传旺，孙凡晴，李恩玉，等.基于白光LED的短距离传输系统设计[J].光通信研究，2017（1）：69-71，75.

    [3]蒋余成，刘智，邴丽媛，等.基于LED的可见光通信系统预均衡技术研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），2017（3）：94-97.

    [4]曾碧，洪国南.新型LED阵列分布的室内可见光通信系统模型研究[J].广东工业大学学报，2017（1）：71-77.

    [5]徐小华，程德芳，王清.室内可见光通信系统关键技术探究[J].激光杂志，2016（1）：71-73.

    [6]周锦荣，洪伯达，纪培彬.功率型白光LED无线音频传输系统设计[J].黑龙江八一农垦大学学报，2017（1）：119-123，143.

    [7]王虹，蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展[J].半导体光电，2014（1）：5-9.

    [8]徐佐，徐宁，马正北.大功率白光LED室内可见光通信系统研究[J].光通信技术，2015（10）：39-40.

    [9]王虹，蔡喜平.基于LED阵列的可视信道室内可见光通信系统设计[J].量子电子学报，2015（4）：507-512.