基于可见光的音频数字传输系统

刘珊　刘雨享

摘 要：文章针对可见光音频模拟传输通信系统中抗干扰能力差以及LED频闪问题，设计了基于可见光的音频数字传输系统。介绍了可见光数字调制原理，设计了可见光通信系统的发送端和接收端电路，并通过实验测试验证了系统的性能。

关键词：可见光通信；音频传输；开关键控调制；传输速率

可见光通信具有无电磁干扰、发射功率高、成本低等优点，且光信号比电信号传输速率更快，LED灯在照明的同时还可将信号调制到其上进行传输，缓解了日益紧张的电磁频谱资源问题。同时这种通信方式不再依赖传统有线传输的模式，减少了搭建通信链路的时间，降低了通信成本[1-3]。因此，采用LED灯与无线通信相结合的可见光通信技术受到了全世界的重视并迅速发展起来。

本文利用白光LED高速调制特性，将音频信号调制到LED可见光上实现信息传输，即基于可见光通信技术研究音频传输问题。该系统使用模数转换将模拟信号转化为数字信号后使用OOK调制方法将信号加载到光信号上。接收端将光调制信号接收后再进行模数转换，并在FPGA内进行解调恢复出数字信号。最后通过数模转换将语音信号恢复出来。经测试，系统在传输距离为0.8 m条件下，可保证LED无频闪且可以较为准确地还原语音信号。

1 工作原理

1.1 光电转换原理

光电转换部分采用了光电二极管，是接收端的核心器件，是一种能将光信号转换成电流或者电压信号的光探测器。

1.2 LED偏置电路

由于调制后的信号功率达不到LED灯的驱动要求，系统采用直流偏置技术在调制信号上添加一个偏置器，即叠加直流电源。它可以提供一定的偏置电压，确保LED灯工作于阈值以上的工作区[4]。

1.3 A/D转换原理

采集的语音信号为模拟信号，采取PCM脉冲编码调制方式进行模数转换。按照16 kHz的采样率对信号进行采样，即得到抽样信号。以每次采样8位量化数对抽样信号进行均勻量化，将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，最后将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值，即可得相应语音信号的数字信号。此时输出为8位并行的数据，接着通过串口将并行数据转换为串行数据输出到调制器的输入端。

1.4 D/A转换原理

运用D/A转换芯片将8位数字量转化为模拟量。

1.5 调制与解调原理

FPGA是在PAL，GAL，CPLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。FPGA最大的特点是灵活，它可以定制各种数字电路，减少专用芯片的束缚，真正为自己的产品量身定做。Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性介于简单的门和完整的电子数字系统之间[5]。

本系统的调制与解调是运用Verilog HDL在FPGA的EP4CE10F17C8芯片上实现的。

1.5.1 OOK调制原理

OOK调制是利用幅度取值为0与1的基带矩形脉冲去键控连续载波，从而使载波幅度呈现两个幅值，时断时续的输出。即有载波输出时，传送信号为1；无载波输出时，传送信号为0。

1.5.2 OOK解调原理

从频谱上看，检波是将调幅信号由高频调回至低频，是调制的逆过程。2ASK信号的解调主要有相干解调与非相干解调（包络检波）两种方式。考虑到相干检波需要接收端提供一个与ASK信号同频同相的相干载波，实现起来较为复杂且抗噪声性能与包络检波相比较差，故我们采取包络检波的方式进行解调。之后通过LPF滤除高频成分，得到基带信号的包络。最后经由抽样判决器还原出相应的数字信号，即可实现2ASK信号的解调。

2 系统设计

2.1 可见光发送模块

2.1.1 系统组成

可见光发送模块主要包括A/D转换电路、OOK调制电路、D/A转换电路和LED发送光信号电路。具体过程是：手机播放音乐，通过A/D转换电路，以采样率为16 kb/s的速度将采样点的模拟量转变为8位并行输出的数字量。然后接串口电路将8位数据一位一位地传送到调制电路的输入端，进行OOK调制。紧接着，将调制后的信号通过D/A转换电路，最后通过功率放大器驱动LED灯发光。其中，LED部分接了一个偏置电路，偏置电压为6 V。

2.1.2 框图设计

可见光发送模块设计如图1所示。

2.2 可见光接收模块

2.2.1 系统组成

可见光接收模块主要包括光电二极管接收光信号电路的A/D转换电路、OOK调制电路、D/A转换并还原语音数据的语音并播放电路。具体过程是：光电二极管接收LED光信号，通过A/D转换电路并对信号进行解调，接着将解调后的信号通过D/A转换电路，经过跨阻放大器将电流信号转变为电压信号，进一步滤波，最后通过音响还原发送的语音信号。

2.2.2 框图设计

可见光接收模块设计如图2所示。

2.2.3 接收模块的器件介绍

经光电二极管转换的电信号小且差，因此需要将信号进行放大和滤波处理，此部分设计的器件如下所示。

（1）跨阻放大器。

跨阻放大器是光电二极管的前端放大器，通过运算放大器两端的反馈电阻，使用欧姆定律将传感器的输出电流转换为电压。本系统采用OPA380系列跨阻放大器，通过TINA软件设计跨阻放大器，如图3所示。

（2）反相比例放大器。

运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元，本系统设计的放大器放大倍数为10。

（3）低通滤波器。

低通滤波器（Low-pass filter）只允许低频信号通过，减弱（或减少）频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。根据本系统，设计的低通截止频率为300 kHz。

3 系统测试

为了检验系统搭建的正确性，发射端利用函数信号发生器产生的正弦波模拟语音信号，接收端的信号用示波器来采集。通过对比示波器波形与信号发生器的波形来检验系统。为了检验该数字语音系统的传输效果，将发送端连接手机播放音乐，通过聆听接收端的音响播放的音乐，粗略感受音质。在最大无误码情况下，当传输速率达到200 kbps时，最大传输距离仍能达到0.9 m。系统如图4所示。

4 结语

与可见光语音模拟系统相比，本文设计的可见光语音数字传输通信系统实时性强且可靠性高。若能进一步提高传输速率、再加上均衡等技术，系统的性能会更好。另外，本文的研究成果对实时视频的传输以及通过可见光上网等方面具有一定的参考价值。

[参考文献]

[1]VU J，KOTTKE C，NERRETER S，et al.513 Mbit/s visible light communications link based on DMT-modulation of a white LED[J].Journal of Lightwave Technology，2010（24）：3512-3518.

[2]RAJAGOPAL S，ROBERTS R D，LIM S K.IEEE.802.15.7 visible light communication： Modulation schemes and dimming support[J].IEEE Communications Magazine，2012（3）：72-82.

[3]KOMINE T，NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004（50）：100-107.

[4]迟楠.LED 可见光通信技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5]杜勇.数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现[M].北京：电子工业出版社，2014.