基于白光LED可见光通信的音频传输系统

李志全, 谢锐杰, 王 聪, 刘同磊 , 李文超, 顾而丹, 牛力勇

(1. 燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004; 2. 东北大学 控制工程学院， 河北 秦皇岛 066004)



基于白光LED可见光通信的音频传输系统

李志全1*, 谢锐杰1, 王 聪1, 刘同磊1, 李文超2, 顾而丹1, 牛力勇1

(1. 燕山大学 电气工程学院， 河北 秦皇岛 066004; 2. 东北大学 控制工程学院， 河北 秦皇岛 066004)

介绍了一套可见光音频传输系统，该系统包含发射和接收两个模块。在发射模块端，用手机播放音乐，通过双音频线插头来输入音频信号;在接收模块端，利用C12702-11 APD模块把接收到的光信号转换成电信号，经过相关放大滤波等处理，使音响就可以播放出清晰的音乐。采用透镜聚光和平面镜反光可实现5 m以上的通信距离。

VLC； 音频传输； 白光LED； C12702-11 APD模块

1 引 言

可见光通信(Visible light communication，VLC)技术是在LED (Light emitting diode)照明基础上发展起来的一种新型通信技术。用于照明，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[1]。LED在世界照明市场中所占据的比重正在逐年递增，利用LED灯进行数据传输的LED可见光通信技术[2-6]愈发受到重视。与传统的射频通信以及微波通信系统相比较，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[7]。本文设计和制作了一套基于白光LED可见光通信的音频传输系统[8-9]，并进行了相关的实验测试，获得了一系列基本数据，在实验测试中，发射模块和接收模块通过使用透镜聚光可以实现5 m以上的通信距离。和其他可见光通信系统相比，本系统设计简单，成本低廉，且不受背景光影响，输出信号保真，能播放出清晰无损的音乐，可通过光反射实现信号传输，同时又兼具白光照明等优点。

2 设计与实验原理

2.1 可见光调制原理

将要传输的信号加到光波的过程叫“调制”，光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[10]。本系统对LED的发光强度进行调制，设计了LED驱动电路来控制白光LED发光。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[11]，实现照明功能，LED的驱动电路如图1所示。

图1 白光LED驱动电路

图中，R5和R15为三极管基级提供一固定的偏置电压，使三极管Q1始终处于放大状态。R6为限流电阻，用于控制流过LED的电流。Q1导通时，Qce的导通压降比较小，可以忽略不计，LED的压降约为1.8 V，加载在R6上的电压为3.2 V，因此LED最大可获得电流为

(1)

本设计中采用欧司朗LWW5SM白光LED，工作电压范围为3.2～3.7 V，工作电流范围为0.1～1 A。实验中用手机输入音频信号时，LED的亮度以人眼不能分辨的速度进行闪烁，接收部分通过音响播放出音乐，用隔板逐渐遮挡光至完全遮挡时，音响播放出的声音逐渐变小直至消失。

2.2 光电转换原理

本设计中的光电转换部分采用C12702-11 APD(Avalanche Photodiod)模块，它由APD、信号放大电路、高电压电源电路、温度补偿电路组成，能够检测到微弱的光线。接入外部电源+5 V时模块即可运行。内部结构框图如图2所示。

图2 光电转换模块框图

APD是一个具有内部信号放大机制的半导体光电检测器。在输入一个光子时，普通的硅光电二极管只产生一个信号或者更少，而APD输出一个信号或者更多。当内部耗尽层处于高电场时，这些通过雪崩放大来实现。APD的增益依赖于环境的温度和耗尽层电场(偏压)的大小。因此，为了稳固增益，需要为偏压提供温度补偿。APD模块通过使用内部的微控制器来稳固增益。

为了设置并稳固增益，该模块有一个偏压控制电路，它包含高压发生器、电压控制器、温度传感器。APD的偏置电压被温度传感器中包含的温度信息控制。由于APD需要高电压，高电压发生器把+5 V增加到+200～+300 V之间。电压控制器控制APD的偏置电压。当环境温度变化时，增益在这种方法下被精确调整并保持稳定。电压-电流转换电路用来优化APD输出信号，使光电探测器具有更高的灵敏度。

3 实验装置与系统设计

如图3所示，本实验装置包含实验台，+5 V和+12 V直流电源，白光LED，发射电路，接收电路，透镜，平面镜，挡光片，音响，手机。其中，接收电路工作电压+5 V由直流稳压源输出，+12 V用来给稳压源供电。用手机发射音频信号，透镜1把白光LED发出的大部分光聚在一起，由于实验平台大小有限，用平面镜1和平面镜2通过反光来增加通信距离，透镜2把平面镜反射的光线聚集起来照在光电探测器上。

图3 VLC音频传输系统

3.1 发射电路原理

完整的发射部分电路如图4所示，用手机产生的音频信号通过双音频线插头输入，电容C5起到隔直的作用，电阻R13和R14为放大器的同相端提供偏置电压

(2)

R9和R1构成电压负反馈，放大倍数

(3)

电容C1是为了抑制高频噪声，放大后的交流信号经过RC音频滤波电路后输入到LED驱动电路中，使LED的发光强度随着输入信号的变化而变化，实现电信号到光信号的转换。

图4 发射部分电路

3.2 接收电路原理

接收部分先由C12702-11 APD模块将光信号转变成电信号，然后再经过放大滤波等相关处理后输入到音响，本设计中的后续处理电路采用LM1875的典型电路，用Altium Designer绘制的电路图如图5所示。

图5 后续处理电路

R12为输出阻抗匹配电阻，C7起到隔直作用，R3、R7和R8为放大器正相端提供浮地电压，C3为滤波电容，R2和C2为高通滤波，R4和R2构成电压负反馈，放大倍数为

(4)

R11和C9为低通滤波，C6为输出耦合电容。

4 实验操作与数据

首先用Altium Designer仿真绘制电路图，选择相应的元器件，焊接电路板。电路焊接后进行测试，在发射部分接入+5 V电源，用手机播放音乐，通过双音频线插头接入发射模块，音频信号经过发射模块的放大滤波等相关处理后输入LED驱动电路，使LED的发光强度随着输入信号的变化而变化，完成信号的光调制。接收部分采用C12702-11 APD模块将光信号转换成电信号，然后输入到后续处理电路中进行放大滤波等相关处理，将处理后的音频信号输入到音响并播放出音乐，完成光信号的解调。

图6 (a)距离3 m时的示波器波形；(b)遮挡时的示波器波形。

Fig.6 (a) Oscilloscope’s waveforms when the distance is 3 m. (b) Oscilloscope’s waveform when the light is blocked.

在电容C6和音响之前加一测试点并连接示波器，用以观察输出信号的变化。

在图3所示的通信距离为3 m时，示波器上显示的一段音频信号如图6(a)所示，用挡光片遮挡住光线之后示波器上显示的波形如图6(b)所示。

由于手机中输出的音频信号在50 mV以下，我们可以用信号发生器输出交流电压信号来代替音频信号进行测试。实验室中的信号发生器能输出的最小电压为10 mV，且输出小信号时存在较大干扰，因此，我们用信号发生器输出高的信号电压，再用两电阻分压的方法来获得小信号，本实验我们将信号发生器的输出电压分成它的1/500。

在初始测试中，使LED正对着光电探测器，改变发射端和接收端的距离进行测试。实验中发现，随着发射端和接收端距离的逐渐增大，音响中音乐的声音在逐渐变小，直至消失，在不加透镜的情况下最多能达到30 cm。用信号发生器输出电压为5 V、频率为5 kHz的信号，经过分压之后变成10 mV并输入到发射电路，图7为测试系统和不同距离时示波器的波形，图中蓝色的波形是输入信号，黄色的波形是检测到的输出信号。在实验中可采用平面镜和透镜来增加LED的距离。

图7 改变距离时的测试系统和波形Fig.7 Test system and waveforms when the distance is changed

保持发射端和接收端距离为10 cm不变，使LED正对着光电探测器，然后用挡光片逐渐遮挡光电探测器的探头。实验中观察到，在挡光片逐渐遮挡探头时，音响中的音乐在逐渐变小，当完全遮挡时，音乐消失。用信号发生器输入电压为5 V、频率为5 kHz的信号时，测试系统和遮挡时示波器的波形如图8所示。

图8 遮挡时测试系统和波形

保持发射端和接收端距离为10 cm不变，然后改变LED和光电探测器之间的角度进行测试。实验中观察到，当LED和光电探测器之间的角度从0°到180°变化时， 音响中的音乐从无到最大再到无，0°和180°时没有声音。用信号发生器输入电压为5 V、频率为5 kHz的信号时，测试系统和改变角度时的示波器波形如图9所示。

保持发射端和接收端距离为5 cm不变，使LED正对着光电探测器，信号发生器输入电压为5 V时，改变信号频率继续测试。在此条件下，信号的频率在不失真的前提下最高可达50 kHz左右，图10为测试系统和示波器的波形。

图9 改变角度时测试系统和波形

图10 改变频率时的测试系统和波形

图11 改变电压时示波器的波形

采用图9中的测试系统，保持发射端和接收端距离为5 cm不变，使LED正对着光电探测器，信号发生器输入信号的频率为10 kHz，改变输入信号的电压继续测试。图11为测试系统和改变电压时示波器的波形。

5 实验结果分析

从上面的实验结果和数据中可以看到，音响中播放出音乐的品质主要与通信距离、光电探测器和LED的角度以及光电探测器接收的光量有关。增大发射端和接收端的距离时，音响中的声音变小；光电探测器的探头与LED正对着时，声音最大，角度为零即平行的时候声音最小，几乎为零；用挡光片逐渐遮挡光时，声音逐渐变小，完全遮挡时声音消失。从波形图中可以看到，本实验中存在较大的噪声干扰，这些干扰的来源主要有以下几个方面：

(1)采用手工焊接的电路板本身就存在较大噪声干扰；

(2)测试系统中的众多线路之间也存在一定的干扰；

(3)本实验中的调制信号很小，很容易受到环境等各方面干扰。

针对以上问题，我们可以制作印刷电路板，合理布局测试系统中的相关线路，在系统中采用相关滤波电路，尽可能地降低调制信号中的噪声干扰。

6 结 论

本系统设计简单，成本低廉，且不受背景光影响，输出信号保真，能播放出清晰无损的音乐，可通过聚光和光反射实现5 m以上的通信距离，同时又兼具白光照明等优点。它直观地演示了音频信号在可见光通信中的传输效果和原理，展示了可见光通信技术的实际应用，展示出了VLC的广阔应用前景。随着人们对VLC技术的日益关注，相信在不久的将来，会有越来越多的人参与到这项技术的研究当中，这将会极大地推动可见光通信技术的发展，使其在未来的通信中占据着举足轻重的作用，具有非常深远的意义。

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李志全(1954-),男,黑龙江肇东人,教授,博士生导师,2001年于哈尔滨工业大学获得博士学位,主要从事非线性光电检测技术和光学微纳米结构特性方面的研究。

E-mail: lzq54@ysu.edu.cn

An Audio Transmission System Based on The White LED Visible Light Communication

LI Zhi-quan1*， XIE Rui-jie1， WANG Cong1, LIU Tong-lei1, LI Wen-chao2, GU Er-dan1, NIU Li-yong1

(1.InstituteofElectricEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China;2.SchoolofControlEngineering,NortheasternUniversityatQinhuangdao,Qinhuangdao066004,China)

This paper introduces a new visible light/audio transmission system, which contains a transmitter module, a receiver module and optics. In transmitter module, a mobile phone is used to generate audio signals which modulate the LED light emission; In the receiver, a C12702-11 APD module converts the received optical signals into electrical signals which can make the sound broadcast clearly through the related amplifying and filtering processing. By using plane mirrors for light reflection and a lens to focus light, this system can achieve more than 5 m distance of communication.

VLC; audio transmission; white LED; C12702-11 APD module

2016-01-25；

2016-04-15

河北省百人计划(4570018)； 河北省自然科学基金(F2014501150)资助项目

1000-7032(2016)07-0852-07

TN929.12

A

10.3788/fgxb20163707.0852

*CorrespondingAuthor,E-mail:lzq54@ysu.edu.cn