基于LED可见光通信的音频传输演示仪

基于LED可见光通信的音频传输演示仪*

薛德宽黄兴洲位浩杰任学智陈文娟于成龙

[中国石油大学(华东)理学院山东 青岛266580]

*中国石油大学(华东)大学生创新训练国家级项目,项目编号：201410425067

指导教师：陈文娟(1969-)，女，高级实验师，主要从事实验仪器开发与研究.

摘 要：可见光通信( visible light communication, VLC) 是一种在白光LED技术上发展起来的新兴无线通信技术，具有广阔的应用前景.该技术目前尚没有广泛的市场应用，因此需要一种演示仪器来展示其应用价值.本文设计了一种基于LED可见光通信的音频传输演示仪，该演示仪由发射端模块、接收端模块、电源模块构成，发射端和接收端距离为5 m时可稳定传输音频信号.演示仪性能稳定、操作方便，并实现了可见光调制与通信演示实验的结合，在实际应用中取得了良好的教学效果.

关键词：VLC演示仪可见光调制光电转换

收稿日期：(2015-02-03)

作者简介：薛德宽(1994-)，男，在读本科，主要研究方向为可见光通信工程.

白光LED具有高亮度，低功耗，使用寿命长，尺寸小，绿色环保等优点， 被视为第四代节能环保型的照明光源.LED在全球照明市场中所占据的比重正逐年递增，利用LED灯进行数据传输的LED可见光通信技术愈发受到人类的重视[1].与传统的射频通信以及其他无线光通信系统相比较，VLC具有发射功率高，不占用无线电频谱，无电磁干扰和电磁辐射，节约能源等优点.本文设计了一种基于LED可见光通信的音频传输演示仪，并在实验室进行了测试，可以在5 m的距离下传输音频信号，信噪比可达55 dB以上.

1实验原理

1.1可见光调制原理

将要传输的信号加到光波的过程叫“调制”，就是通过改变载波(光波)的振幅、强度、频率等方法，使载波携带信息的过程[2].本装置对LED光的强度进行调制，强度调制包括内调制与外调制两种.

1.1.1内调制

LED驱动电路的工作原理是给白光 LED提供适当的偏置电流和调制电流，恒定偏置电流的作用是使白光 LED工作于阈值以上的线性工作区[3].将晶体管、白光 LED及分压偏置电路连接起来就构成了白光LED灯驱动电路，LED如图1所示.

图1　白光LED驱动电路

图1所示电路采用分压式偏置电路，使三极管基极固定于一定电压，让三极管处于放大状态，这样我们就可以使输入的小信号通过晶体管放大.发射极电阻R3用于控制流过 LED的电流

对输入的音频信号进行放大输出.放大后的信号可以通过LED以人眼无法感测的速度进行闪烁的方法发送数据，这样LED既可用于照明，又可用于传输数据.

1.1.2外调制

如图2所示，通过挡光片来实现对LED光的调制，LED灯发出的光束被一片垂直固定在扬声器振膜上的轻质挡光片遮住一半，当扬声器输入音频信号后，挡光片会随扬声器振膜做上下振动，挡光片遮挡光的多少反映信号的强弱，挡光的快慢反映信号的频率，挡光片的遮挡深度与输出功率成线性关系.

图2　外调制原理图

1.2光电转换原理

光电转换部分采用了硅光电池，采用单电源供电时，其输出电压随照射到光敏器件上的光强度呈线性变化.由于LED灯发出光的强度和输入信号的电压信号成正比，输出电压与接收的光强度成正比，因此输出的电压变化规律和输入信号变化相同，将此电压进行信号放大和功率放大后输出到扬声器，可发出相应的声音.

2实验装置与控制方法

如图3所示，实验装置包括“24 V,1 A”电源、(10 W)LED灯、发射端电路、接收端电路、挡光片、扬声器等.利用有机玻璃板将装置的发射端和接收端分开，确保两部分没有任何导线相连接，能够使得演示效果更加直观.

图3　实验装置实物图

2.1发射电路

发射电路结构如图4所示，当模式转换开关S1断开时，电路处于内调制工作模式.为了增加驱动能力，外接了三极管TIP122G.将与待传输的声音信号相对应的脉冲电压信号加到(10W)LED灯上,则LED灯所发出的可见光强度将随待传输声音信号的变化而变化，实现对光信号的内部调制.当闭合开关S1时，稳压电源VCC直接驱动(10 W)LED灯发光，用带有振源的挡光片遮挡可见光光束，运动的挡光片使LED灯发出的光被遮挡面积不断变化，从而达到对光信号的外部调制.

图4　系统发射端电路图

2.2接收电路

接收端采用高灵敏度S1227-1010BR硅光电池接收发射端的光信号，利用光电效应将光信号转换为模拟信号.硅光电池接收发射端光信号的同时会受到阳光的干扰，由于杂光干扰经转换后的信号会产生高频杂波，因此对该信号进行放大后，设计低通滤波器对放大后的信号进行低通滤波，消除杂光对通信的干扰.接收端采用音频专用TDA2030功率放大器对该模拟信号进行放大，利用LM324设计20 000 Hz低通滤波电路对放大后的模拟信号进行低通滤波,滤除其他杂光对信号传输的干扰，经过处理后的模拟信号直接驱动“0.4 W,8 Ω”扬声器发出声音.经测试在不加入滤波器的时候信噪比只能达到45 dB，加入低通滤波之后信噪比可达55 dB.接收端电路图如图5所示.

图5　系统接收端电路图

3实验操作与分析

3.1内调制演示

将图4中的开关S1断开，装置对10WLED灯进行内调制,将待传输的声音信号转化为强度变化的光信号，LED灯发出调制光，调制光垂直射入接收端的高灵敏度S1227-1010BR硅光电池，利用硅光电池的光电效应，将光信号还原成电信号，接收端电路对该信号进行滤波放大处理，驱动扬声器发出声音，该声音和发射端传输的声音无明显失真.

3.2外调制演示

将图4中的模式转换开关S1闭合，10WLED灯可发出稳定、高亮度的白光，未进行声音传输的时候，固定在扬声器振膜上的挡光片将可见光光束挡住一半，给扬声器输入音频信号，扬声器振膜按照音频信号的规律上下震动，挡光片会随振膜做上下运动.由于高灵敏度S1227-1010BR硅光电池的输出电压在入射光强一定的条件下，与受光面积成正比，光电二极管输出电压的变化也就反映了扬声器振膜的振动规律，将此电压进行放大滤波后可驱动接收扬声器，使接收扬声器发出和调制扬声器音频信号相同的声音.由于外调制的信号强度很难控制，因此在同一音量强度情况下，低频信号输出信号强，高频信号输出信号弱，对通信影响比较大.经测试该情况下信噪比仅能达到25dB左右，通信质量差.

3.3实验问题研究

在内调制模式下，改变发射端的10 W LED灯和接收端高灵敏度S1227-1010BR硅光电池之间的角度，检测可见光通信的调制效果.其相对灵敏度与光束入射角的关系如图6所示.

图6　相对灵敏度与入射角的关系曲线图

由图可以看出，当发射端的10 W LED灯和接收端高灵敏度S1227-1010BR硅光电池之间的角度为零的时候即发射端和接收端正对的情况下，可见光通信的调制效果最好.

4结束语

该实验装置是根据多年的实验与课堂教学以及科研工作经验研制开发的，可以直观地演示可见光通信技术的效果和原理，并且考虑了装置的制造成本、配套声源的噪音、能耗等方面的问题.教学过程中发现，学生在实验的过程中对该综合实验装置表现出更多的兴趣和主动性，部分学生能够在充分了解实验装置设计思路、功能的基础上，提出自己独特的新观点.

参 考 文 献

1骆宏图,陈长缨,傅倩,等.白光LED室内可见光通信的关键技术.光通信技术,2011(02):56～59

2蒋炜.激光通信调制方式的研究.空间电子技术,2009(03):1～5

3云文岳.室内可见光通信系统调制与解调技术研究:[学位论文].长春:长春理工大学,2008

4刘宏展,吕晓旭,王发强,等.白光LED照明的可见光通信的现状及发展.光通信技术,2009(07):53～56

5王虹,蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展.半导体光电,2014(01):5～9

6沈年凤,张洪明,姚敏玉.基于无线可见光通信的双向语音对讲系统.光电子·激光,2014(10):1 900～1 905

7陈特,刘璐,胡薇薇.可见光通信的研究.中兴通讯技术,2013(01):49～52

8王旭颖,梁忠诚.基于MIMO技术的可见光通信系统的研究.光通信技术,2013(01):56～59

9俞洋.基于白光LED的可见光通信系统设计.光通信技术,2014(11):50～52

10于志刚,陈长缨,赵俊,等.白光LED照明通信系统中的分集接收技术.光通信技术,2008(09):52～54

11薛德宽,黄兴洲,陈文娟,等.短距离LED可见光音频传输演示仪.山东：CN203773827U,2014-08-13

12梁烈勇.短距离LED可见光音频传输系统设计.电子技术应用,2012(09):18～20

13何胜阳.室内可见光通信系统关键技术研究:[学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013

AudioTransmittingDemonstratorBasedon

LEDVisibleLightCommunication

XueDekuanHuangXingzhouWeiHaojieRenXuezhiChenWenjuanYuChenglong

(CollegeofScience,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580)

Abstract：VLC(visible light communication,VLC)is a new wireless communications technology which developed on LED technology.VLC has broad application in the future.The technology is not yet widely used,therefore requires a demonstration instrument to demonstrate its value.This paper designed a demonstrator that transmit audio through visible light.The demo equipment,including the transmitter module,the receiver module,power supply module.Transmitter and receiver can transmit audio signals when their distance is 5m.This instrument has stable performance,convenient operation,and realizes the visible light modulation and communication demonstration experiment of the union，which obtains a good teaching result in practical applications.

Key words:VLC;demonstration instrument;visible light modulation; photoelectric conversion