基于可见光通信的语音传输

刘振华 张猛 汤桥卫 李佳雯 屈应弢

【摘要】 可见光通信是一种基于白光LED的无线通信技术，具有无电磁干扰与辐射、节约能源、不占用无线电频谱等优点，为了实现通信和照明的双重功能，设计了采用白光LED的可见光通信系统，系统采用模拟语音芯片产生语音信号，用LED阵列进行光电转换实现信号的传输，光电二极管接收到信息进行解调，回复原来的信号，达到语音信号传递的目的。

【关键字】 白光 LED 可见光通信3.

一、引言

近年来， 被誉为“绿色照明” 的半导体（ LED） 照明技术发展迅猛[1]。与传统照明光源相比，白光LED 不仅功耗低，使用寿命长，尺寸小，绿色环保，更具有调制性能好，响应灵敏度高等优点。利用LED 的这种特性，它能用作照明的同时，还可以把信号调制到LED 可见光束上进行数据传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信（ Visible light communication，VLC）[2] 技术。与传统射频无线技术相比，VLC 可利用带宽高，具有更高的安全性和私密性，不产生电磁干扰，也无需相应频段的许可授权，能够以较低的成本实现高带宽高速率的无线通信接入。具有很好的空间复用性，极大地拓展了网络的覆盖面，是对现有射频技术的很好的补充。这些吸引人的特性，使得VLC 在世界范围内受到极大关[2]。

二、系统的组成及工作原理

低频语音信号经过频率调制，变为高频已调波。经过发射电路的处理，驱动高速频闪的大功率LED阵列，发出因调制信号变化而变化的光信号。光信号通过光电转换器，实现光信号到电信号的转换，并对电信号进行解调，得到与原信号匹配的数据，再经过并以声音的形式显现出来。

三、系统硬件结构

3.1 LED驱动电路

如上图是是LED阵列的驱动电路，电路中采用了集成恒流源的方法，直接采用电容作为限流元件，在此电路中，由于电容上的分压几乎达到了全部电源电压，（R3特别小），具有良好的限流特性，且输出电流随电源电压在一定的上下波动范围内波动，这样就保证了电源电压波动时LED上的电流仍处于良好的状态[4 ]。

3.2语音信号的产生

为产生稳定的语音信号，本文采用N9200，N9200是一个提供串口的MP3芯片，集成了MP3，WMA的硬解码芯片，支持FAT16，FAT32文件，通过简单的UART串口指令或一线串口指令即可完成指定的音乐。P27引脚为电平测试引脚，为方便控制，我们直接将P27引脚接高电平，芯片在上电后便自动播放第一首音乐。DACL引脚为音频输出口。输出的音乐信号经调制后控制LED的明暗。

3.3语音信号的调制

所谓频率调制，就是使高频振荡信号的的频率按照调制信号的规律变化（瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系）。语音芯片输出信号的频率范围是300Hz～3.4kHz，如果直接按电压强度大小去控制LED，由于频率低，且语音信号为模拟信号，那么LED将会产生明显的闪烁，因此本文采用频率调制。将低频的模拟信号“嫁接”到高频信号上，从而将信息有效地发送出去。

3.4可见光调制

系统中我们采用的是频率调制的方法，所谓频率调制，就是使高频振荡信号的频率按照调制信号的规律变化（瞬时频率变化的大小与调制信号成线性关系）。

设调制信号为uΩ（t）=UΩcosΩt， 未调载波电压为uC=UCcosωct，则调频信号的瞬时角频率为：

它是在ωc的基础上，增加了与uΩ（t）成正比的频率偏移，式中kf为比例常数。

角频率ω（t）对时间微分就能得到调频信号的瞬时相位φ（t），最后得到调频波的表达式为：

语音芯片输出信号的频率范围是300Hz～3.4kHz，如果直接按电压强度大小去控制LED，由于频率低，且语音信号为模拟信号，那么LED将会产生明显的闪烁，因此本文采用频率调制。将低频的模拟信号“嫁接”到高频信号上，从而将信息有效地发送出去。

3.5光电转化器

可见光接收部分，发挥主要作用的是光电探测器。光电探测器是一种把光辐射信号（光能量）转变为电信号（电能量）的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产的内光电效应。在光通信系统中最常用的光电探测器有PIN光电二极管、雪崩二极管（APD）、金属-半导体-金属光电探测器（MSM-PD）。其中PIN硅光电平面二极管具有结电容小、渡越时间短和灵敏度高等优点，因此本文采用一款SIEMENS公司的PIN硅光电池BPX65。

3.6光接收电路

BPX65接收到光信号，输出的电流很小，而且含有噪声，因此必须经过放大和滤波。系统采用的运算放器为AD8055，其是一种300MHz高速响应放大器，建立时间为20ns，噪声6nV/Hz，高输出驱动电流60mA。LM386驱动扬声器，将LM386反相输入端接地[5]，其内部电路自动偏置输出信号为电源电压的二分之一，图中电路用来驱动一个4欧姆的扬声器。

3.7光解调电路

接收到的光信号经放大滤波后，是含有语音信息的高频信号，必须从调频信号的频率中提取出原来的调制信号。调制的方法很多，概括起来主要分为直接鉴频法和间接鉴频法。结合现有条件，本文采用的是直接脉冲计数式鉴频法，调频信号的信息是寄托在已调波的频率上。信号的频率与信号电压波形单位时间内通过零点（或零交点）的次数有关。本文所用的鉴频器电路如图，先将输入调频信号进行带宽放大和限幅，变成调频方波信号，然后进行微分得到一串高度相等、形状相同的微分脉冲序列。再经过半波整流得到反映调频信号瞬时频率变化的单向微分脉冲序列。对此单向脉冲计数，就可以直接得到调频信号的频率。将微分脉冲序列变换成矩形脉冲序列，然后对该调频脉冲直接计数或通过低通滤波器得到输出解调电压。

五、结束语

可见光通信技术是短距离无线通信领域中具有革命性意义的新兴技术，基于可见光通信的语音传输系统的研究与设计是一个很有意义的课题。本文提出一种基于可见光通信的语音传输系统设计方法。利用可见光无电磁干扰与辐射、节约能源、不占用无线电频谱等的优点，设计了采用白光LED的可见光通信系统，系统采用模拟语音芯片产生语音信号，用LED阵列进行光电转换实现信号的传输，光电二极管接收到信息进行解调，恢复到原来的信号，达到语音信号传递的目的，从而实现语音通信和照明的双重功能。

参 考 文 献

[1]皱自立.全光系统的技术发展[J].信息产业部电子第ZY研究所，2001（4）：21-26

[2]吴承治.可见光通信技术及应用初探[J].电信科学技术第五研究所，2012（3）：8-19

[3]曾庆珠.可见光通信的应用研究[J].互联网天地，2013（8），（8）：18

[4]武洲，孟亚俐.矩阵式LED智能光通量输出系统[J].湖南工业职业技术学院学报2014（6）：14-15

[5]丁德强，柯熙政.一种基于可见光通信的无线局域网系统设计与仿真[J].西安理工大学学报，2007，23（1）：29-32