基于可見光通信的語音傳輸

劉振華 張猛 湯橋衛(wèi) 李佳雯 屈應(yīng)弢

【摘要】 可見光通信是一種基于白光LED的無線通信技術(shù)，具有無電磁干擾與輻射、節(jié)約能源、不占用無線電頻譜等優(yōu)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)通信和照明的雙重功能，設(shè)計(jì)了采用白光LED的可見光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模擬語音芯片產(chǎn)生語音信號(hào)，用LED陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，光電二極管接收到信息進(jìn)行解調(diào)，回復(fù)原來的信號(hào)，達(dá)到語音信號(hào)傳遞的目的。

【關(guān)鍵字】 白光 LED 可見光通信3.

一、引言

近年來， 被譽(yù)為“綠色照明” 的半導(dǎo)體（ LED） 照明技術(shù)發(fā)展迅猛[1]。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED 不僅功耗低，使用壽命長，尺寸小，綠色環(huán)保，更具有調(diào)制性能好，響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。利用LED 的這種特性，它能用作照明的同時(shí)，還可以把信號(hào)調(diào)制到LED 可見光束上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)一種新興的光無線通信技術(shù)，即可見光通信（ Visible light communication，VLC）[2] 技術(shù)。與傳統(tǒng)射頻無線技術(shù)相比，VLC 可利用帶寬高，具有更高的安全性和私密性，不產(chǎn)生電磁干擾，也無需相應(yīng)頻段的許可授權(quán)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高帶寬高速率的無線通信接入。具有很好的空間復(fù)用性，極大地拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，是對(duì)現(xiàn)有射頻技術(shù)的很好的補(bǔ)充。這些吸引人的特性，使得VLC 在世界范圍內(nèi)受到極大關(guān)[2]。

二、系統(tǒng)的組成及工作原理

低頻語音信號(hào)經(jīng)過頻率調(diào)制，變?yōu)楦哳l已調(diào)波。經(jīng)過發(fā)射電路的處理，驅(qū)動(dòng)高速頻閃的大功率LED陣列，發(fā)出因調(diào)制信號(hào)變化而變化的光信號(hào)。光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到與原信號(hào)匹配的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過并以聲音的形式顯現(xiàn)出來。

三、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路

如上圖是是LED陣列的驅(qū)動(dòng)電路，電路中采用了集成恒流源的方法，直接采用電容作為限流元件，在此電路中，由于電容上的分壓幾乎達(dá)到了全部電源電壓，（R3特別?。哂辛己玫南蘖魈匦?，且輸出電流隨電源電壓在一定的上下波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng)，這樣就保證了電源電壓波動(dòng)時(shí)LED上的電流仍處于良好的狀態(tài)[4 ]。

3.2語音信號(hào)的產(chǎn)生

為產(chǎn)生穩(wěn)定的語音信號(hào)，本文采用N9200，N9200是一個(gè)提供串口的MP3芯片，集成了MP3，WMA的硬解碼芯片，支持FAT16，F(xiàn)AT32文件，通過簡單的UART串口指令或一線串口指令即可完成指定的音樂。P27引腳為電平測(cè)試引腳，為方便控制，我們直接將P27引腳接高電平，芯片在上電后便自動(dòng)播放第一首音樂。DACL引腳為音頻輸出口。輸出的音樂信號(hào)經(jīng)調(diào)制后控制LED的明暗。

3.3語音信號(hào)的調(diào)制

所謂頻率調(diào)制，就是使高頻振蕩信號(hào)的的頻率按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化（瞬時(shí)頻率變化的大小與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系）。語音芯片輸出信號(hào)的頻率范圍是300Hz～3.4kHz，如果直接按電壓強(qiáng)度大小去控制LED，由于頻率低，且語音信號(hào)為模擬信號(hào)，那么LED將會(huì)產(chǎn)生明顯的閃爍，因此本文采用頻率調(diào)制。將低頻的模擬信號(hào)“嫁接”到高頻信號(hào)上，從而將信息有效地發(fā)送出去。

3.4可見光調(diào)制

系統(tǒng)中我們采用的是頻率調(diào)制的方法，所謂頻率調(diào)制，就是使高頻振蕩信號(hào)的頻率按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化（瞬時(shí)頻率變化的大小與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系）。

設(shè)調(diào)制信號(hào)為uΩ（t）=UΩcosΩt， 未調(diào)載波電壓為uC=UCcosωct，則調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)角頻率為：

它是在ωc的基礎(chǔ)上，增加了與uΩ（t）成正比的頻率偏移，式中kf為比例常數(shù)。

角頻率ω（t）對(duì)時(shí)間微分就能得到調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位φ（t），最后得到調(diào)頻波的表達(dá)式為：

語音芯片輸出信號(hào)的頻率范圍是300Hz～3.4kHz，如果直接按電壓強(qiáng)度大小去控制LED，由于頻率低，且語音信號(hào)為模擬信號(hào)，那么LED將會(huì)產(chǎn)生明顯的閃爍，因此本文采用頻率調(diào)制。將低頻的模擬信號(hào)“嫁接”到高頻信號(hào)上，從而將信息有效地發(fā)送出去。

3.5光電轉(zhuǎn)化器

可見光接收部分，發(fā)揮主要作用的是光電探測(cè)器。光電探測(cè)器是一種把光輻射信號(hào)（光能量）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（電能量）的器件，其工作原理是基于光輻射與物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)的內(nèi)光電效應(yīng)。在光通信系統(tǒng)中最常用的光電探測(cè)器有PIN光電二極管、雪崩二極管（APD）、金屬-半導(dǎo)體-金屬光電探測(cè)器（MSM-PD）。其中PIN硅光電平面二極管具有結(jié)電容小、渡越時(shí)間短和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用一款SIEMENS公司的PIN硅光電池BPX65。

3.6光接收電路

BPX65接收到光信號(hào)，輸出的電流很小，而且含有噪聲，因此必須經(jīng)過放大和濾波。系統(tǒng)采用的運(yùn)算放器為AD8055，其是一種300MHz高速響應(yīng)放大器，建立時(shí)間為20ns，噪聲6nV/Hz，高輸出驅(qū)動(dòng)電流60mA。LM386驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，將LM386反相輸入端接地[5]，其內(nèi)部電路自動(dòng)偏置輸出信號(hào)為電源電壓的二分之一，圖中電路用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)4歐姆的揚(yáng)聲器。

3.7光解調(diào)電路

接收到的光信號(hào)經(jīng)放大濾波后，是含有語音信息的高頻信號(hào)，必須從調(diào)頻信號(hào)的頻率中提取出原來的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制的方法很多，概括起來主要分為直接鑒頻法和間接鑒頻法。結(jié)合現(xiàn)有條件，本文采用的是直接脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻法，調(diào)頻信號(hào)的信息是寄托在已調(diào)波的頻率上。信號(hào)的頻率與信號(hào)電壓波形單位時(shí)間內(nèi)通過零點(diǎn)（或零交點(diǎn)）的次數(shù)有關(guān)。本文所用的鑒頻器電路如圖，先將輸入調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行帶寬放大和限幅，變成調(diào)頻方波信號(hào)，然后進(jìn)行微分得到一串高度相等、形狀相同的微分脈沖序列。再經(jīng)過半波整流得到反映調(diào)頻信號(hào)瞬時(shí)頻率變化的單向微分脈沖序列。對(duì)此單向脈沖計(jì)數(shù)，就可以直接得到調(diào)頻信號(hào)的頻率。將微分脈沖序列變換成矩形脈沖序列，然后對(duì)該調(diào)頻脈沖直接計(jì)數(shù)或通過低通濾波器得到輸出解調(diào)電壓。

五、結(jié)束語

可見光通信技術(shù)是短距離無線通信領(lǐng)域中具有革命性意義的新興技術(shù)，基于可見光通信的語音傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)是一個(gè)很有意義的課題。本文提出一種基于可見光通信的語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。利用可見光無電磁干擾與輻射、節(jié)約能源、不占用無線電頻譜等的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用白光LED的可見光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模擬語音芯片產(chǎn)生語音信號(hào)，用LED陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，光電二極管接收到信息進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)到原來的信號(hào)，達(dá)到語音信號(hào)傳遞的目的，從而實(shí)現(xiàn)語音通信和照明的雙重功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]皺自立.全光系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展[J].信息產(chǎn)業(yè)部電子第ZY研究所，2001（4）：21-26

[2]吳承治.可見光通信技術(shù)及應(yīng)用初探[J].電信科學(xué)技術(shù)第五研究所，2012（3）：8-19

[3]曾慶珠.可見光通信的應(yīng)用研究[J].互聯(lián)網(wǎng)天地，2013（8），（8）：18

[4]武洲，孟亞俐.矩陣式LED智能光通量輸出系統(tǒng)[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2014（6）：14-15

[5]丁德強(qiáng)，柯熙政.一種基于可見光通信的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，23（1）：29-32