基于LED可見(jiàn)光的音頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉正一,張 娜,李 娜

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

0 引言

利用發(fā)光二極管發(fā)出明暗閃爍、肉眼不可見(jiàn)的光信號(hào)來(lái)傳遞信息的可見(jiàn)光通信(VLC),傳輸時(shí)不需要有線信道作為介質(zhì),是直接在空氣中傳送光信號(hào)的一種通信方法[1-3]。該系統(tǒng)的安全性非常高,用窗簾或其他遮擋物遮擋住可見(jiàn)光時(shí),信息不會(huì)被泄露。多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行也不會(huì)影響其通信的速度。因?yàn)樗皇褂脽o(wú)線電通信,所以對(duì)電磁信號(hào)很敏感。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于對(duì)電磁信號(hào)敏感的地方,如秘密單位、學(xué)校、軍隊(duì)和醫(yī)院等。安全性很高,無(wú)需使用Wi-Fi信號(hào),網(wǎng)絡(luò)就可以通過(guò)LED可見(jiàn)光通信連接[4-5]。

在照明方面,發(fā)光二極管的調(diào)制特性好、綠色環(huán)保、功耗低及體積小[6]?？紤]到白光LED的節(jié)能環(huán)保特性,很有可能會(huì)成為下一代的固體光源被人們廣泛使用,并且完全有可能取代之前的白熾燈、熒光燈等照明設(shè)備。同時(shí),發(fā)光二極管LED還有調(diào)制速度快、響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn),因此可以設(shè)計(jì)一種基于LED可見(jiàn)光的音頻通信系統(tǒng)[7]。VLC與傳統(tǒng)無(wú)線通信相比較,具有頻譜資源豐富、安全、綠色節(jié)能等特性,還具有傳輸效果穩(wěn)定、輸出音質(zhì)好、功耗低、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一大發(fā)展趨勢(shì),可推廣應(yīng)用于智能交通、智能家居、無(wú)線接入等場(chǎng)景?；诖?本文以無(wú)線光通信為背景,以STM32為核心處理器,由發(fā)送端和接收端兩部分構(gòu)成完成可見(jiàn)光音頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

利用可見(jiàn)光傳輸音頻信號(hào)的通信系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊組成,通過(guò)A/D模塊和單片機(jī)調(diào)制處理將輸入的音頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào),在發(fā)送端通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào),由LED燈發(fā)送;在接收端,光電感應(yīng)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),再經(jīng)過(guò)前置放大電路、單片機(jī)解調(diào)處理和D/A轉(zhuǎn)換,通過(guò)有源音箱連接音頻輸出電路,實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的完整傳輸,播放音頻信號(hào)。整體的系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為信號(hào)調(diào)制的芯片,既應(yīng)用于發(fā)射電路,又應(yīng)用于接收電路,可完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的調(diào)制,同時(shí)具有高性能、低電壓、操作簡(jiǎn)單、易開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.2 音頻信號(hào)輸入電路

音頻信號(hào)輸入電路是利用電腦或手機(jī)的音頻輸出作為系統(tǒng)的音頻輸入源,用耳機(jī)口輸出音頻信號(hào)[9]。因?yàn)檩斎氲囊纛l信號(hào)較微弱,所以此處采用運(yùn)算放大器LM386來(lái)放大信號(hào),放大電路原理如圖2所示。

圖2 音頻輸出放大電路

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路

光強(qiáng)度調(diào)制是指LED的光強(qiáng)信號(hào)隨著聲音信號(hào)的輸入而變化,把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),并將聲音信號(hào)當(dāng)作可見(jiàn)光信號(hào)來(lái)完成傳輸。LED驅(qū)動(dòng)電路是將調(diào)制后的音頻信號(hào)加載到LED上,此處通過(guò)連接三極管控制LED的通斷,并通過(guò)連接信號(hào)實(shí)現(xiàn)傳輸。驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理

2.4 前置放大電路

光電轉(zhuǎn)換模塊能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),但輸出的電流很小,并且還夾雜噪聲,因此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理。傳感器的輸出電流通過(guò)運(yùn)算放大器兩端的反饋電阻按歐姆定律轉(zhuǎn)換成電壓。一個(gè)反饋電阻連接在輸入和輸出之間,形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋,使電路在不平衡電路的情況下,具有低噪聲、穩(wěn)定增益、增加動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。

輸入和輸出之間橋接一個(gè)反饋電阻,形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋,使電路具有低噪聲和穩(wěn)定增益的特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)范圍增大,不需要平衡電路。前置放大電路原理如圖4所示。

圖4 前置放大電路原理

2.5 音頻信號(hào)輸出電路

音頻輸出電路利用有源音箱將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理,然后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放音樂(lè),本文采用QT-T08型號(hào)的有源音箱驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放音樂(lè),簡(jiǎn)單的原理如圖5所示。

圖5 音頻輸出電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。將發(fā)射板和接收板的兩根USB線插到電腦上,給兩個(gè)板子都通電。打開(kāi)開(kāi)關(guān)發(fā)現(xiàn)發(fā)射板上靠下方的LED點(diǎn)亮,此時(shí)就可以在電腦上放歌,并且能聽(tīng)到音箱里播放出來(lái)的聲音。通過(guò)不斷調(diào)整兩個(gè)板子之間的距離和室內(nèi)燈光的強(qiáng)度,最后發(fā)現(xiàn)在30～50 cm播放音頻基本沒(méi)有雜音,可以播放出較好的音質(zhì)。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物

當(dāng)光源被遮擋住,音樂(lè)停止播放,說(shuō)明該系統(tǒng)的光源遭到影響時(shí),信號(hào)無(wú)法正常傳輸。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)增大發(fā)射板與接收板之間的通信距離,音樂(lè)聲會(huì)隨著距離增大而減小,當(dāng)距離超過(guò)1 m以外,音樂(lè)聲會(huì)逐漸消失。當(dāng)發(fā)射板與接收板的距離非常近時(shí),雜音會(huì)很大,原因是距離太近,光照太強(qiáng),會(huì)導(dǎo)致光電傳感器處于飽和狀態(tài),不能處于很好的導(dǎo)通狀態(tài),也就不能很好地通信。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為基于LED可見(jiàn)光的音頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,將電腦或手機(jī)的音頻作為該系統(tǒng)的音頻輸入源,通過(guò)發(fā)送模塊由LED燈將音頻信息發(fā)送到大氣中,通過(guò)調(diào)整發(fā)送端LED燈與接收端光電探測(cè)器之間的距離為30～50 cm時(shí),接收模塊能夠?qū)⒔邮盏男盘?hào)由音響進(jìn)行播放且音質(zhì)較好,實(shí)現(xiàn)了LED可見(jiàn)光的音頻通信功能?？梢?jiàn)光通信是未來(lái)移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一大發(fā)展趨勢(shì),能夠服務(wù)于人們的生活,影響人們的生活方式,可推廣應(yīng)用于智能交通、智能家居、無(wú)線接入等場(chǎng)景。