功率型白光LED無線音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

周錦榮，洪伯達(dá)，紀(jì)培彬（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000）

功率型白光LED無線音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

周錦榮，洪伯達(dá)，紀(jì)培彬（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，漳州 363000）

該無線音頻傳輸系統(tǒng)以功率型白光LED作為傳輸媒介，主要由音頻信號調(diào)制電路、LED驅(qū)動電路、鎖相環(huán)譯碼還原電路、音頻功放電路組成。該系統(tǒng)利用多諧振蕩器電路產(chǎn)生的載波對輸入音頻信號進(jìn)行模擬調(diào)制后送LED驅(qū)動電路進(jìn)行發(fā)射傳輸。LED發(fā)射的光信號被硅光電池接收，經(jīng)過鎖相環(huán)電路解調(diào)并濾除高頻載波得到原有的輸入音頻信號。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在2 m范圍內(nèi)能較好實現(xiàn)輸入頻率為200 Hz～2 kHz的音頻信號傳輸，對室內(nèi)可見光通信應(yīng)用具有一定的參考價值。

LED光通信；無線音頻傳輸；調(diào)制解調(diào)電路；多諧振蕩器

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）通過利用可見光作為信息傳遞的載體，有利于緩解當(dāng)前緊張的無線電頻譜資源，且通信安全系數(shù)高[1]。LED可見光通信從使用場合可分為室外通信和室內(nèi)通信兩類[2]。室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)最早由日本的Tanaka等人提出，分別通過OOK和OFDM兩種調(diào)制方式對可見光通信進(jìn)行了仿真，證明了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。國?nèi)對可見光通信系統(tǒng)的研究與關(guān)注主要從2006年開始，最早由西安理工大學(xué)丁德強、柯熙政兩人引入[3]。功率型白光LED具有低功耗，長壽命等有利于照明應(yīng)用的特點，而且其高響應(yīng)的靈敏速度使數(shù)據(jù)通信變?yōu)榭赡躘1]。采用合適的調(diào)制技術(shù)和驅(qū)動電路是功率型LED實現(xiàn)VLC光通信的關(guān)鍵問題之一[3-4]。文章討論模擬調(diào)制下功率型白光LED無線音頻通信系統(tǒng)包括音頻輸入放大電路、音頻信號調(diào)制電路、LED驅(qū)動電路、白光LED陣列、光電檢測器、信號放大電路、音頻解碼和功放輸出等[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

上行發(fā)射端通過NE555進(jìn)行調(diào)頻，得到一個頻率相對較高的脈沖信號作為載波，把頻率相對較低的音頻信號加載上來作為驅(qū)動信號驅(qū)動白光LED進(jìn)行照明。下行接收端通過光敏二極管接收調(diào)制后的光信號并對其進(jìn)行濾波得到所需的音頻信號，并通過功放芯片進(jìn)行放大輸出。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the overall system

1 模擬調(diào)制發(fā)射模塊電路設(shè)計

模擬調(diào)制發(fā)射模塊主要由音頻輸入調(diào)理電路、音頻信號調(diào)制電路和恒流驅(qū)動電路三部分構(gòu)成，具體電路如圖2所示。

圖2 發(fā)射模塊電路原理圖Fig.2Transmitter module circuit schematics

音頻信號通過B1接入，經(jīng)LM358構(gòu)成的放大器對音頻輸入信號進(jìn)行放大后送NE555構(gòu)成的調(diào)制電路進(jìn)行音頻信號調(diào)制[6]。設(shè)計所采用的單顆白光LED功率為1 W，額定電流為320 mA。照明時將8顆LED串聯(lián)使用，此時額定電壓約為25 V左右，可選用場效應(yīng)管IRF540（其VDSS=100V，ID=28A）直接對多個串聯(lián)的LED進(jìn)行開關(guān)調(diào)制，通過場效應(yīng)管有利于較好的保留驅(qū)動信號的波形，便于解調(diào)端的接收。但驅(qū)動信號的開關(guān)頻率需足夠高，否則會造成LED頻閃，無法滿足正常照明需求[7]。由于NE555調(diào)制出來的音頻信號，無法直接驅(qū)動效應(yīng)管，故在兩級之間增加光耦TLP250作為驅(qū)動。如圖2所示，將NE555接成占空比、振蕩頻率都可調(diào)的多諧振蕩器。當(dāng)進(jìn)行音頻信號傳輸時，將振蕩頻率f0調(diào)至100 kHz，占空調(diào)為50%左右。實驗表明，該頻率容易被接收端接收，能有效的提高音頻信號的發(fā)送質(zhì)量，提高其抗干擾能力。

2 模擬調(diào)制接收模塊電路設(shè)計

模擬調(diào)制接收模塊電路主要有接收信號前級放大電路、信號解調(diào)電路、低通濾波電路和功率放大電路構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 接收模塊電路原理圖Fig.3Receiver module circuit schematics

設(shè)計中采用硅光電池作為光信號接收器，將接收到的光信號通過MCP602構(gòu)成的弱信號放大器進(jìn)行放大后送入74HC4046鎖相環(huán)電路進(jìn)行信號解調(diào)[8-9]。如果在傳輸過程中存在較大的干擾信號，可在放大器的負(fù)反饋環(huán)路中加適當(dāng)?shù)碾娙輥頌V除。調(diào)節(jié)R25使壓控振蕩器的中心頻率等于發(fā)射信號的中心頻率f0。發(fā)射的音頻信號f0經(jīng)鎖相環(huán)路，與壓控振蕩器的中心頻率f0之間形成固有頻差Δf0。而f0在一定范圍內(nèi)依靠鎖相環(huán)的相位跟蹤作用，追使輸出信號的相位跟蹤輸入信號相位的變化得到解調(diào)輸出信號f1。解調(diào)輸出信號經(jīng)R28、C16、R29、C17進(jìn)行低通濾波后送入由LM386構(gòu)成的音頻功率放大電路[10]。信號輸入端的C18與信號輸出端的C21作交流信號耦合用，電阻R32、電解電容C20為調(diào)整LM386增益的大小。

3 實驗測試及結(jié)果分析

設(shè)計通過正弦波模擬音頻信號的傳輸，利用函數(shù)信號發(fā)生器調(diào)整正弦波輸出頻率約接近于人耳可以聽到的音頻范圍20 Hz～20 kHz。音頻調(diào)制發(fā)射部分，先調(diào)整NE555構(gòu)成的多諧振蕩器有100 kHz左右的固定頻率的PWM波形輸出，再加入音頻信號進(jìn)行調(diào)制，此時NE555輸出的PWM波形頻率根據(jù)輸入的音頻實時變化。將輸出波形接通過光耦TLP250耦合到效應(yīng)管驅(qū)動LED發(fā)射出光信號。音頻信號接收解調(diào)部分，先用頻率為1 kHz，幅值為100 mV的正弦波信號代替音頻信號傳輸進(jìn)行測試。前級用示波器測得硅光電池能接收到微弱的頻率不一的脈寬信號，再測量CD74HC4046解碼輸出端，可得到解碼后的幅值較小的正弦波信號。測量LM386得到一個幅值約為1 V左右，頻率為1 kHz的正弦波信號。將正弦波輸入信號替換為音頻信號，LM386的輸出端接上一個8 Ω的喇叭，此時可以從喇叭中聽到實時的輸入音頻，音頻清晰度較好。圖4是在發(fā)射端和接收端1 m距離，不同頻率的100 mV輸入音頻信號通過該系統(tǒng)后對應(yīng)的輸出波形。雙蹤示波器中通道1為模擬調(diào)制發(fā)射端的輸入波形，通道2為輸出解調(diào)功率放大后揚聲器兩端的輸出波形。圖5是也是在發(fā)射端和接收端1 m距離對系統(tǒng)輸入實際的音樂音頻信號并通過LED傳輸后得到的輸入波形（通道1）和輸出波形（通道2）。

圖4 不同頻率的音頻信號輸入情況下的對應(yīng)輸出波形Fig.4The corresponding output waveforms of the audio signal input of different frequencies

從圖4輸入輸出對應(yīng)波形顯示，頻率在100 Hz～20 kHz之間的100 mV正弦波信號能較好地不失真地進(jìn)行傳輸，基本滿足音頻信號的傳輸要求。但輸入頻率在接近100 Hz的低頻段與接近20 kHz的音頻段，輸出信號幅值有較大的衰減；當(dāng)輸入信號到達(dá)25 kHz時，輸出信號衰減明顯，并出現(xiàn)微失真現(xiàn)象。實驗過程中還對微弱的輸入信號及系統(tǒng)傳輸距離進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，當(dāng)輸入信號隨著輸入正弦波幅值的減小，輸出波形幅值也跟著減小，當(dāng)幅值減小到20 mV時，波形的傳輸有一定的失真；系統(tǒng)能在2 m的之內(nèi)較好地進(jìn)行傳輸，但在接近2 m時，開始有一定的失真。圖5所示的輸入輸出波形是對實際音樂片段進(jìn)行測試的結(jié)果，從圖中可以對比輸出和輸入波形，可看出輸出信號失真不明顯，能較好跟蹤輸入音樂信號。實驗測試系統(tǒng)實如圖6所示。

圖5 不同音樂片段對應(yīng)的輸入輸出波形Fig.5Input and output waveforms of different pieces of music

圖6 實驗測試系統(tǒng)Fig.6Experimental test system

4 結(jié)論

可見光通信在國內(nèi)外都具有非常較好的應(yīng)用前景，設(shè)計在保證LED在正常照明條件下，實現(xiàn)了音頻信號通過功率型白光LED進(jìn)行無線傳輸。文中討論了利用模擬調(diào)制進(jìn)行音頻信號光通信的實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)在2 m范圍內(nèi)較好實現(xiàn)了函數(shù)信號發(fā)生器所產(chǎn)生的100 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的正弦信號傳輸。系統(tǒng)模擬調(diào)制實現(xiàn)方式較為簡單，但不能進(jìn)行加密，信號傳輸?shù)陌踩暂^低。而且，在測試中還沒考慮到周圍環(huán)境光源對傳輸性能的影響，在如何提高傳輸距離和傳輸信號頻率的頻帶寬帶等方面沒有進(jìn)行深入討論，這些都有待進(jìn)一步的研究，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能。

［1］丁德強，柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.半導(dǎo)體光電，2006，27（2）：114-117.

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Design of wireless audio transmission system based on power white LED

Zhou Jinrong，Hong Boda，Ji Peibin
（College of Physics and Information Engineering，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000）

The wireless audio transmission system relyed on power white LED as a transmission medium，mainly consisted of the audio signal modulation circuit，a LED driver circuit，reducing the decoding phase locked loop circuit and an audio amplifier circuit. The system used multivibrator circuit to generate a carrier input audio signal analog modulation evacuation LED driver circuit to transmit transmission.Optical signal emitted by the LED was received silicon photovoltaic cells，filtered through a phase locked loop circuit and a high frequency carrier demodulation to get the original input audio signal.The test results showed that the system could achieve better audio signal transmission input frequency of 200 Hz-2 kHz in the range of 2 m.It had a certain reference value for indoor visible light communication applications.

LED light communication；wireless audio transmission；modem circuit；multivibrator

TN929.12

A

1002-2090（2017）01-0119-05

2016-03-04

福建省自然科學(xué)基金項目（2016J01758）；福建省資助省屬高?？蒲袑ｍ棧↗K2016026）；福建省教育科研項目（JAT160284）；2015年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（201510402011）。

周錦榮（1974-），男，講師，同濟(jì)大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事光電控制與信息處理方面的研究。