基于白光LED的音乐信号传输系统*

张玉燕， 渠文涵， 刘事超， 程洁冰, 赵丽梅

(1.燕山大学 电气工程学院,河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004)



基于白光LED的音乐信号传输系统*

张玉燕1,2， 渠文涵1,2， 刘事超1,2， 程洁冰1,2, 赵丽梅1,2

(1.燕山大学 电气工程学院,河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

白光LED照明与可见光通信技术相结合，构建基于白光LED的可见光无线通信系统。为解决近范围内(如飞机、医院、矿井等地)无线通信问题，基于可见光通信技术基本原理，利用白光LED的光源特性，提出了一种以通断键控(OOK)为调制方式技术和PIN管为光电探测器的可见光通信系统，用单片机AT89C51产生音乐信号且实现了在室内的传输，同时为了增强系统的通信性能，设计了LED光阵列，进行了相关的实验。通过实验表明：音乐信号能够通过白光LED可见光通信系统在室内的传输和播放，并且该系统能够满足近范围内的无线通信需求，系统中采用的ASK调制和解调技术相对简单，大大降低了系统成本和设计的复杂性。

白光LED； 可见光通信； 通断键控； AT89C51

0　引　言

白光LED是一种新型的高效、绿色光源，具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、可靠耐用等特点，同时白光LED又具备响应时间短、高速调制等物理特性，利用上述特性使其从照明领域扩展到了通信应用领域，在照明的同时，通过白光LED发出的光源传输信号，实现通信的功能，可见光通信技术应运而生，并且迅速成为国内外的研究热点[1,2]。可见光通信技术具有极大的发展前景，将为光通信提供一种全新的高速数据接入方式，并且可应用于一些特殊场所，例如:飞机、医院等地的无线通信需求将可得到满足[3,4]。

针对通断键控(on-off keying,OOK)调制技术， 在国外，文献[5]已能实现以OOK为调制方式采用雪崩二极管(APD)作为光检测器230 Mbit/s速率和以PIN管作为光检测器125 Mbit/s速率的可见光通信系统；文献[6]以软件LabVIEW通过采集卡DAQ采集数据产生NRZ—OOK调制编码信号，由LED可见光通信链路传输；文献[7]采用后均衡技术来提高基于OOK调制编码的可见光通信的速率。针对可见光通信的照明和通信的实用，在国内，文献[8]针对矿井下现有通信网络存在有线网络易损坏、无线网络通信质量较差等问题，设计了一种井下LED可见光通信系统。文献[9]针对溶洞景区的照明、通信，提出了一种基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法。

依据上述文献OOK调制方式采用的基础并且为了推进可见光通信技术更加趋向于实用，本文利用白光LED和PIN管光电探测器，结合OOK调制编码技术，提出了一种适用于在火车、飞机、矿井等地近范围内下载音乐的基于白光LED的音乐信号传输系统，在设计过程中，系统开发周期短、操作容易、性能稳定。

1　白光LED通信系统

1.1系统工作原理

白光LED音乐信号传输系统原理：利用白光LED发出的光载波信号传输音乐信号，这种光载波信号具有肉眼察觉不到的快速亮、灭的高速率。系统由发射端与接收端两部分组成。白光LED通信系统多采用强度调制和直接检测技术(IM/DD)，室内的可见光通信信道与红外无线通信信道非常相似，所以，对可见光通信信道的研究可以参考红外无线通信信道，图1为脉冲响应为h(t)的室内无线光通信系统的线性基带传输模型[10]。

图1　无线光通信线性基带传输模型Fig 1　Linear baseband transmission model for wireless optical communication

其中，输入为发射光X(t)，R为接收端光电探测器的响应效率，h(t)为基带信道的脉冲响应，N(t)为加性白高斯噪声信号，在信号输出端得到的为光电流Y(t)，其表达式为

(1)

式中Pt为发射光平均功率，Am为正弦幅度，R为光电检测的响应度。

由于室内会有背景光对传输系统产生影响，探测器接收到的光功率可表示为

P(t)=Pt(1+Amsinωt)+Pa

(2)

式中Pa为室内背景光功率。

在无线光通信中，光电转换器多数采用光电二极管，光电二极管在反向电压下工作，产生的光电流随光强度的变化而产生变化，具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。若光电转换器的灵敏度为r，忽略多径和码间干扰的情况下，光电转换器输出的电流值I(t)为

I(t)=rP(t)=rPt(1+Amsinωt)+rPa

(3)

光电二极管端的主要噪声来自前置放大器等引入的电路噪声σin和电流引起的散弹噪声σsd，所以,可见光通信系统在传输速率为Rb时的接收信噪比为[10]

(4)

1.2光发射机模块

白光LED光源具有良好的应有前景，本文选用了蓝光LED芯片和钇铝石榴石(YAG)荧光粉制成的二基色白光LED。

光发射机模块的设计主要是通过单片机AT89C51的定时器中断和延时以及OOK编码产生不同频率的脉冲信号(音乐信号)，将产生的脉冲信号通过驱动电路加载到白光LED上，通过LED发出的光载波发送OOK调制信号，完成由单片机产生的音乐信号的传输，发射机模块如图2所示。

图2　光发射机模块Fig 2　Optical transmitter module

OOK调制是最简单的一种数字调制方式，实现方法很简单，图3为OOK的两种实现方案。OOK调制是振幅键控(amplitude shift keying,ASK)调制的一个特例，将一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就称为OOK。采用OOK调制方式可以有效地减少可见光音乐信号传输过程中信号的码间串扰。

图3　OOK调制的两种实现方法Fig 3　Two realization methods of OOK modulation

在光传播过程中，假设噪音为高斯噪声，则光电二极管的转换效率为0.53 A/W，忽略背景光噪声功率，光信道传输模型为指数式衰减模型[10]。此情况下，OOK调制误码率与信噪比的关系如下式所示

(5)

调制电路设计是可见光无线发射机实现通信的关键，采用OOK调制方式对LED进行调制，通过开关三极管控制的点亮和熄灭来实现数字信号“1”和“0”的发送[11]，驱动电路如图4所示。

图4　共射极驱动电路Fig 4　Common emitter driving circuit

如图5所示，采用Protues软件进行仿真设计，由Keil软件编写程序代码，生成.hex文件，下载到AT89C51，单片机产生基于OOK编码的音乐信号，音乐信号通过驱动电路调制到LED上。在音乐播放的过程中，通过按键K1和K2对音乐播放、结束以及曲目选择进行控制，控制流程如图6所示。

图5　基于AT89C51的光发射机设计Fig 5　Optical transmitter design based on AT89C51

图6　单片机控制流程图Fig 6　Flow chart of MCU control

图7　音乐信号波形Fig 7　Waveform of music signal

图7为单片机产生的音乐信号，同一歌曲在不同时间段的波形图，频率范围在1 kHz左右。

1.3光接收机模块

目前广泛使用光电探测器主要有：光电二极管(PIN管)和雪崩二极管(APD管)。PIN光电二极管相对于雪崩二极管响应频率高，可高达10 GHz、响应速度快、供电电压低、工作十分稳定[11]。因此，本文采用PIN光电二极管用于光接收机系统设计。可见光的波长为0.38～0.78 μm，文中的设计选用了硅材料制作的PIN管，如图8为光接收机模块。

图8　光接收机模块Fig 8　Module of optical receiver

采用光强度调制/直接探测技术(IM/DD)，设计的光接收机框图如图8所示。光接收机前端是光接收机最先工作的部分，输出的电信号供后续各部分处理，因此,光接收机前端性能优劣十分重要，并且对光接收机的灵敏度起到决定性的作用[11,12]。为了降低系统复杂程度，本文设计的光接收机前端仅包括用于“光/电”转换的光电探测器和放大及恢复信号的前置放大器，光电接收机型号为PDA36A，探测光波长的范围为350～1 100 nm，放大增益可调。

如图9所示光电探测器PDA36A的前置放大器为跨阻放大器，放大增益为0～70 dB可调。 跨阻抗前置放大器具有动态范围大、噪声小、灵敏度高的优点，并适合在高速光通信系统中应用。

图9　光电探测器PDA36A的内部电路图Fig 9　Internal circuit diagram of PDA36A

PDA36A光电二极管的响应率可以定义为生成光电流与给定波长的光功率(P)之比

(6)

探测器带宽的计算表达式为

(7)

式中GDP为放大器增益与带宽的乘积，CD为光电二极管结电容和放大器电容之和。

2　实验结果

如图10所示的基于可见光通信的音乐信号传输系统。如图11所示的示波器波形图，上方的波形图(1V/格)为经光电探测器PDA36A接收及经前置放大器调制放大处理后的信号波形图，下方波形图(5V/格)为由单片机控制产生的实际音乐信号波形图。由图中可以看出发射的信号与接收到的信号波形大致相同、误码率(BER)基本为0，接收到的信号稍有延迟、幅值减小，通信距离稍短，但是基本上实现了音乐信号通过白光LED的传输。为了增强接收到的光信号及增大通信距离，在单个LED灯传输系统的基础之上设计了LED光阵列，如图11所示图12为相同通信距离下，接收到的LED光阵列的光信号波形图。

图10　基于可见光通信的音乐信号传输系统Fig 10　Music signal transmission system based on visible light communication

图11　单个LED发射的光信号与接收的光信号Fig 11　Transmitted by single LED and received optical signal

图12　LED光阵列电路图Fig 12　Circuit diagram of LED optical array

由图11和图13可以看出，信号经LED光阵列发射后，在相同的通信距离下，接收到的光信号的幅值增大，因此,使用LED光阵列，可以提高接收信号的强度，增大通信距离。实验结果表明:本文设计的基于可见光通信的音乐信号传输系统在实际生活应用中应采用大功率的白光LED，完善系统的性能，实现室内范围内的通信，为一些对无线通信有特殊要求的环境提供一些简单音乐。

图13　LED阵列发射的光信号与接收的光信号Fig 13　Transmitted by LED array and received optical signal

3　结　论

本文采用白光LED、单片机AT89C51和光电探测器PDA36A实现了OOK调制的音乐信号通过白光LED的传输。实验结果表明：该音乐信号传输系统结构简单、稳定性好、容易实现，能够满足飞机内等地近范围内的无线通信需求，为后续对无线通信有特殊要求的环境的可见光通信系统的整体实现，打下了坚实的基础。

[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[J].光通信技术,2011(2):56-59.

[2]陈长缨,傅倩,洪岳,等.改善室内可见光通信系统性能的关键技术[J].自动化与信息工程,2010(2):4-7.

[3]张军琴,付鹏飞,何强,等.基于单片机STC89C52的无线可见光发射机[J].半导体光电,2014(1):021.

[4]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(1):002.

[5]Vucˇic＇ J,Kottke C,Nerreter S,et al.230 Mbit/s via a wireless visible-light link based on OOK modulation of phosphorescent white LEDs[C]∥Proc of IEEE Collocated National Fiber-Optic Engineers Conf on Optical Fiber Communication(OFC),Optical Society of America,2010:1-3.

[6]Cho E,Choi J H,Park C,et al.NRZ-OOK signaling with LED dimming for visible light communication link[C]∥2011 the 16th European Conference on Networks and Optical Communications(NOC),IEEE,2011:32-35.

[7]Le Minh H,O′Brien D,Faulkner G,et al.100 Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2009,21(15):1063-1065.

[8]马秀萍,刘伟,张申,等.煤矿井下可见光通信系统设计[J].工矿自动化,2014,40(1):16-19.

[9]邓健志, 程小辉. 基于可见光通信的溶洞景区照明控制方法研究[J]. 电视技术, 2014, 38(9): 193-196.

[10] 郑国平.基于白光LED的语音通信系统设计[D].天津:天津工业大学,2012.

[11] 骆宏图.基于以太网的LED可见光通信技术研究[D].广州：暨南大学,2012.

[12] 李荣玲,商慧亮,雷雨,等.高速可见光通信中关键使能技术研究[J].激光与光电子学进展,2013,50(5):40-50.

张玉燕(1976-)，天津人，女，博士，教授，硕士生导师，从事光电检测与光纤传感，智能传感器等研究工作。

渠文涵,通讯作者，E—mail：wenhanqu@163.com。

Music signal transmission system based on white LED*

ZHANG Yu-yan1,2, QU Wen-han1,2, LIU Shi-chao1,2, CHENG Jie-bing1,2, ZHAO Li-mei1,2

(1.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Key Laboratory of Measurement Technology and Instrumentation of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)

White LED illumination combines with visible light communication technology,construct visible light wireless communication system based on white LED.In order to solve the near range(such as aircraft,hospital,mines and other places)wireless communication problems,based on the principle of visible light communication technology and characteristics of the white LED source,present a visible light communication system with on-off keying(OOK)modulation technique and PIN tube for optical power detector.MCU AT89C51 is used to produce music signal and music signal transmission is realized indoor,at the same time, in order to enhance communication performance of the system,LED optical array is designed,and related experiments are carried out.Experiments show that the music signal can transmit and broadcast through the white LED visible light communication system in interior,and the system can meet wireless communication demand in the near range,the ASK modulation and demodulation techniques used in the system are relatively simple,which greatly reduces cost of the system and complexity of design.

white LED; visible light communication;on-off keying(OOK); AT89C51

2015—11—06

国家自然科学基金资助项目(61403333)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20111333120009)；河北省自然科学基金资助项目(F2012203184)

TN 929

A

1000—9787(2016)08—0101—04

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0101—04