功率型白光LED无线音频传输系统设计

周锦荣，洪伯达，纪培彬（闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州 363000）

功率型白光LED无线音频传输系统设计

周锦荣，洪伯达，纪培彬（闽南师范大学物理与信息工程学院，漳州 363000）

该无线音频传输系统以功率型白光LED作为传输媒介，主要由音频信号调制电路、LED驱动电路、锁相环译码还原电路、音频功放电路组成。该系统利用多谐振荡器电路产生的载波对输入音频信号进行模拟调制后送LED驱动电路进行发射传输。LED发射的光信号被硅光电池接收，经过锁相环电路解调并滤除高频载波得到原有的输入音频信号。实验测试结果表明，该系统在2 m范围内能较好实现输入频率为200 Hz～2 kHz的音频信号传输，对室内可见光通信应用具有一定的参考价值。

LED光通信；无线音频传输；调制解调电路；多谐振荡器

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）通过利用可见光作为信息传递的载体，有利于缓解当前紧张的无线电频谱资源，且通信安全系数高[1]。LED可见光通信从使用场合可分为室外通信和室内通信两类[2]。室内可见光通信系统最早由日本的Tanaka等人提出，分别通过OOK和OFDM两种调制方式对可见光通信进行了仿真，证明了数据传输的可行性。国内对可见光通信系统的研究与关注主要从2006年开始，最早由西安理工大学丁德强、柯熙政两人引入[3]。功率型白光LED具有低功耗，长寿命等有利于照明应用的特点，而且其高响应的灵敏速度使数据通信变为可能[1]。采用合适的调制技术和驱动电路是功率型LED实现VLC光通信的关键问题之一[3-4]。文章讨论模拟调制下功率型白光LED无线音频通信系统包括音频输入放大电路、音频信号调制电路、LED驱动电路、白光LED阵列、光电检测器、信号放大电路、音频解码和功放输出等[5]。系统结构图如下图1所示。

上行发射端通过NE555进行调频，得到一个频率相对较高的脉冲信号作为载波，把频率相对较低的音频信号加载上来作为驱动信号驱动白光LED进行照明。下行接收端通过光敏二极管接收调制后的光信号并对其进行滤波得到所需的音频信号，并通过功放芯片进行放大输出。

图1 系统总体结构示意图Fig.1Schematic diagram of the overall system

1 模拟调制发射模块电路设计

模拟调制发射模块主要由音频输入调理电路、音频信号调制电路和恒流驱动电路三部分构成，具体电路如图2所示。

图2 发射模块电路原理图Fig.2Transmitter module circuit schematics

音频信号通过B1接入，经LM358构成的放大器对音频输入信号进行放大后送NE555构成的调制电路进行音频信号调制[6]。设计所采用的单颗白光LED功率为1 W，额定电流为320 mA。照明时将8颗LED串联使用，此时额定电压约为25 V左右，可选用场效应管IRF540（其VDSS=100V，ID=28A）直接对多个串联的LED进行开关调制，通过场效应管有利于较好的保留驱动信号的波形，便于解调端的接收。但驱动信号的开关频率需足够高，否则会造成LED频闪，无法满足正常照明需求[7]。由于NE555调制出来的音频信号，无法直接驱动效应管，故在两级之间增加光耦TLP250作为驱动。如图2所示，将NE555接成占空比、振荡频率都可调的多谐振荡器。当进行音频信号传输时，将振荡频率f0调至100 kHz，占空调为50%左右。实验表明，该频率容易被接收端接收，能有效的提高音频信号的发送质量，提高其抗干扰能力。

2 模拟调制接收模块电路设计

模拟调制接收模块电路主要有接收信号前级放大电路、信号解调电路、低通滤波电路和功率放大电路构成，如图3所示。

图3 接收模块电路原理图Fig.3Receiver module circuit schematics

设计中采用硅光电池作为光信号接收器，将接收到的光信号通过MCP602构成的弱信号放大器进行放大后送入74HC4046锁相环电路进行信号解调[8-9]。如果在传输过程中存在较大的干扰信号，可在放大器的负反馈环路中加适当的电容来滤除。调节R25使压控振荡器的中心频率等于发射信号的中心频率f0。发射的音频信号f0经锁相环路，与压控振荡器的中心频率f0之间形成固有频差Δf0。而f0在一定范围内依靠锁相环的相位跟踪作用，追使输出信号的相位跟踪输入信号相位的变化得到解调输出信号f1。解调输出信号经R28、C16、R29、C17进行低通滤波后送入由LM386构成的音频功率放大电路[10]。信号输入端的C18与信号输出端的C21作交流信号耦合用，电阻R32、电解电容C20为调整LM386增益的大小。

3 实验测试及结果分析

设计通过正弦波模拟音频信号的传输，利用函数信号发生器调整正弦波输出频率约接近于人耳可以听到的音频范围20 Hz～20 kHz。音频调制发射部分，先调整NE555构成的多谐振荡器有100 kHz左右的固定频率的PWM波形输出，再加入音频信号进行调制，此时NE555输出的PWM波形频率根据输入的音频实时变化。将输出波形接通过光耦TLP250耦合到效应管驱动LED发射出光信号。音频信号接收解调部分，先用频率为1 kHz，幅值为100 mV的正弦波信号代替音频信号传输进行测试。前级用示波器测得硅光电池能接收到微弱的频率不一的脉宽信号，再测量CD74HC4046解码输出端，可得到解码后的幅值较小的正弦波信号。测量LM386得到一个幅值约为1 V左右，频率为1 kHz的正弦波信号。将正弦波输入信号替换为音频信号，LM386的输出端接上一个8 Ω的喇叭，此时可以从喇叭中听到实时的输入音频，音频清晰度较好。图4是在发射端和接收端1 m距离，不同频率的100 mV输入音频信号通过该系统后对应的输出波形。双踪示波器中通道1为模拟调制发射端的输入波形，通道2为输出解调功率放大后扬声器两端的输出波形。图5是也是在发射端和接收端1 m距离对系统输入实际的音乐音频信号并通过LED传输后得到的输入波形（通道1）和输出波形（通道2）。

图4 不同频率的音频信号输入情况下的对应输出波形Fig.4The corresponding output waveforms of the audio signal input of different frequencies

从图4输入输出对应波形显示，频率在100 Hz～20 kHz之间的100 mV正弦波信号能较好地不失真地进行传输，基本满足音频信号的传输要求。但输入频率在接近100 Hz的低频段与接近20 kHz的音频段，输出信号幅值有较大的衰减；当输入信号到达25 kHz时，输出信号衰减明显，并出现微失真现象。实验过程中还对微弱的输入信号及系统传输距离进行了测试，测试结果表明，当输入信号随着输入正弦波幅值的减小，输出波形幅值也跟着减小，当幅值减小到20 mV时，波形的传输有一定的失真；系统能在2 m的之内较好地进行传输，但在接近2 m时，开始有一定的失真。图5所示的输入输出波形是对实际音乐片段进行测试的结果，从图中可以对比输出和输入波形，可看出输出信号失真不明显，能较好跟踪输入音乐信号。实验测试系统实如图6所示。

图5 不同音乐片段对应的输入输出波形Fig.5Input and output waveforms of different pieces of music

图6 实验测试系统Fig.6Experimental test system

4 结论

可见光通信在国内外都具有非常较好的应用前景，设计在保证LED在正常照明条件下，实现了音频信号通过功率型白光LED进行无线传输。文中讨论了利用模拟调制进行音频信号光通信的实现方法，该系统在2 m范围内较好实现了函数信号发生器所产生的100 Hz～20 kHz频率范围内的正弦信号传输。系统模拟调制实现方式较为简单，但不能进行加密，信号传输的安全性较低。而且，在测试中还没考虑到周围环境光源对传输性能的影响，在如何提高传输距离和传输信号频率的频带宽带等方面没有进行深入讨论，这些都有待进一步的研究，从而改善系统的传输性能。

［1］丁德强，柯熙政.可见光通信及其关键技术研究［J］.半导体光电，2006，27（2）：114-117.

［2］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［J］.光通信技术，2009（7）：53-56.

［3］王虹，蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展［J］.半导体光电，2014，35（1）：5-9.

［4］骆汉光，何志毅，何宁.大功率LED无线光通信的高速脉冲调制技术研究［J］.光通信技术，2013（4）：43-46.

［5］梁烈勇.短距离LED可见光音频传输系统设计［J］.电子技术应用，2012，38（9）：18-20.

［6］文旭东，彭华雨，任重伟，等.可传输音频信号的简易无线充电器设计［J］.电子技术设计与应用，2015（5）：82-86.

［7］张建昆，刘博，杨宇，等.一种室内可见光通信亮度控制方法［J］.光电子激光，2011，22（7）：1013-1017.

［8］郭红.基于锁相环1 MHz感应加热电源频率跟踪的研究［J］.电焊机，2008，38（3）：57-61.

［9］杨光义，闫燕莺，熊飏，等.锁相环调频发射接收系统［J］.实验技术与管理，2014，31（10）：123-127.

［10］刘英楠，衣淑娟，陶桂香，等.基于公用电话王的家用电器遥控系统设计［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（2）：73-77.

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

福建省自然科学基金项目（2016J01758）；福建省资助省属高校科研专项（JK2016026）；福建省教育科研项目（JAT160284）；2015年大学生创新创业训练计划项目资助（201510402011）。

周锦荣（1974-），男，讲师，同济大学毕业，现主要从事光电控制与信息处理方面的研究。