基于白光LED可见光通信的音频传输系统设计与实现

南宁学院 吕德深

白光LED可见光通信是一种应用前景广且绿色环保的无线通信技术。文中结合白光LED特性，利用白光LED作为信号传输媒介根据可见光通信原理设计了一个音频传输系统。系统发射端通过对音频数据解码得到PCM数据，并将PCM数据经调制技术转换为PWM信号，得到的PWM信号直接加载到LED灯上，在光接收端接收到的PWM信号通过功放直接还原出音频，实现音频信号的传输。

1 引言

白光LED具有灵敏度高、调制特性好，且能快速亮灭的发光特性（王世举,郜超军,戚丽丽,侯晓强.基于白光LED的可见光通信系统[J].激光杂志,2016,37(09):69-71），使得其在可见光通信得到了广泛的应用。白光LED不仅可以用作照明，还可以用于数据的无线通信。把数据信息经过调制技术加载到白光LED上，利用白光LED发出的人眼难辨认的高速、闪烁信号即能实现信息传送（陈泉润,张涛,郑伟波,李茹,崔钊.基于白光LED可见光通信的研究现状及应用前景[J].半导体光电,2016,37(04):455-460+476）。本文利用白光LED作为传输媒介，将音频信号调制到LED照明上实现数据传送，然后利用光检测器将接收的光信号转换成电压信号，进而对电信号进行处理和放大，把信号还原成原来的音频信号。音频信号传输过程不依赖光纤等有线传输介质，通信成本低，无辐射，绿色环保。

图1 本文系统总体设计原理框图

2 系统总体方案设计

本系统主要由四部分联合构成，包括上位PC机、Zigbee信号中继主节点、基于PWM光调制与发射的LED照明节点、可见光接收与音频回放模块，系统原理框图如图1所示。系统通过PC机编写上位机软件实现将MP3音频信号解码得到PCM数据，并通过蓝牙实时将数据发送给下位机系统，下位机由基于Zigbee组建的星形网络组成，上位机发出的数据通过蓝牙接收后，信号中继主节点利用串口进行数据读取，接着将数据转发给各个子节点，子节点将接收的数据通过调制技术将PCM转换为PWM信号，并直接用于调制LED灯管。接收光信号的光电二极管将光信号转变成微小的电信号，然后利用滤波电路、放大电路及电压判决电路进行处理后得到PWM信号，最后通过高效的D类功放和LC滤波把音频信号放大还原出来。

3 系统软硬件的分析与设计

3.1 上位机设计

本文软件部分的上位机采用C++程序进行设计，软件平台采用Visual Studio 2010中的MFC进行设计，在VS2010的libzplay库创建对象，打开需要播放的文件并选择播放就可以实现MP3的解码，通过调用回调函数可以得到0.1秒的PCM缓存数据。通过添加串口控件，设置串口端口号及波特率，打开串口就可以实时地通过蓝牙将PCM数据发送给下位机。

图2 HC-06蓝牙模块与CC2530的连接电路

3.2 信号中继模块主节点设计

上位机软件将解码得到的PCM数据通过蓝牙发送给信号中继主节点，主节点再将蓝牙收到的数据通过Zigbee组建的星形网络实时传送各个从节点。蓝牙模块选用HC-06，Zigbee芯片选用了Chipcon公司的CC2530片上系统作为主芯片。其内核采用增强型8051，入门易使用灵活多变，其还具有无线射频通信功能，功耗较低，符号TI标准且有专门的协议栈从而使得开发更加简单化。图2为本文HC-06蓝牙模块与Zigbee的连接图。

3.3 LED照明子节点设计

LED照明子节点的主要功能是加入到ZigBee网络中，并能接收从主节点通过ZigBee网络上传来的数据和命令，将接收到的PCM数据通过算法换成PWM信号调制LED灯管。其连接框图如图3所示。

图3 LED子节点连接框图

为使LED光线在无线光通信中有较好的数据传输速率，本文采用安森美公司的N沟道MOS管60N02作为LED驱动管，使用60N02的优势明显，其开关频率较高可达1MHz以上，导通电阻非常低，可达毫欧级别，故驱动较大电流的负载时60N02的发热量仍然是非常低。目前市场上的LED灯管一般功率多为20W左右，灯管前端一般已经配备稳压电源，本系统使用的灯管前端已经有36V稳压电源，CC2530输出具有信号意义的PWM信号控制MOS管60N02，从而将信号传送出去，图4为LED灯的PWM控制电路。由于MOS管G极存在一定的结电容，因此，电路中增加10k电阻R2有助于结电容的快速放电，可以使MOS管达到最好的调制效果。

图4 PWM控制LED灯电路

3.4 光接收电路与音频回放电路的设计

在光接收电路中接收管是非常重要的元器件之一，它能将光信号转变成系统能够识别的电信号的作用（李志全,谢锐杰,王聪,刘同磊,李文超,顾而丹,牛力勇.基于白光LED可见光通信的音频传输系统[J].发光学报,2016,37(07):852-858）。光接收管输出的电流微弱且含有噪声，因此需要经过放大和滤波。得到的信号经过高阻抗跟随再对信号进行放大，通过电压判决还原PWM信号，最后通过D类功放和LC滤波电路将音频还原放大。信号流程框图如5所示。

图5 光接收信号流程框图

3.4.1 光接收电路设计

为了使得光电转换速度快获得线性度较好的信号，本文采用硅光电二极管进行光信号接收，本文选用光电二极管PIN管S8314。使用光电二极管S8314优势明显市场价格低廉工作电压较低，但S8314输出的信号非常小，因此需要对信号进行放大。本文采用低噪声、精密、高速运算放大器OP27对S8314光电二极管输出的电信号进行放大。该电路有低噪声、宽频带、码间抗干扰性能好等优势。光信号接收电路如图6所示。

3.4.2 高通滤波电路设计

基于成本考虑，本文选取较为简单如图6所示的高通RC滤波器。电路中滤波电容C为0.1uF，电阻为1K，根据公式：

计算得出，截至频率大约在1KHz左右，可以滤除日光灯、背景光等低频信号的干扰。

3.4.3 电压判决电路设计

本文选取LM393进行电压判决电路设计。高通RC滤波器输出的信号输入到运算放大器NE5532的第3引脚，NE5532芯片的第1～3引脚组成的是电压跟随器，起到阻抗隔离的作用，第5～7引脚组成的时同相放大器，将微弱的信号进行放大。放大后的信号进入LM393的第3引脚，与第2引脚的电压进行比较。当第3引脚的电压高于第2引脚的电压时第1引脚输出高电平；当第3引脚的电压高于第2引脚电压时第1引脚输出低电平。最后，CC2530就可以对这些方波信号进行采集处理。电路如图6所示。

3.4.4 功放电路设计

由于本模块中经过电压判决电路出来的信号已经是PWM信号，所以本系统采用D类功放非常合适，电路如图6所示。

图6 光接收电路与音频回放电路

4 结束语

经实验验证，本文通过利用白光LED完成了无线音频传输。当LED光源和光接收器的距离为4米内时，使用PC播放音乐，在接收端喇叭能听到PC播放的音乐，音质清晰，未见噪声。若用厚实不透光的物体遮挡灯光，音乐消失。距离继续增大时，声音有所失真且伴有噪声，音频传输效果下降，这与系统选择的器件有关，还需要进一步考虑高性能的器件。