基于室内LED照明光的无线音频信号传输装置的研究*

钟海泉，叶 韩，雷喻然，何应勇，卢洪斌

(百色学院 信息工程学院，广西 百色 533000)

0 引言

可见光通信近年来得到了广泛深入的研究，可用于短距离的高速信息传输和室内定位应用中[1-4]。当前音响系统的信号传输主要通过有线传输的方式,无线传输的方式也可通过无线电波进行音频信号传输，通过室内LED照明光进行室内范围音频信号的传输比较少见。可见光信号传输可利用室内LED照明系统实现信号的单向传输，室内LED照明可同时兼顾照明和信号传输功能,具有使用成本低、无辐射、不占用无线频谱、安全节能、无电磁干扰等优点，特别在各种音响系统的信号传输上，能保障高保真音频信号的传输，对于提升音响系统的性能具有明显的优势，除此之外，室内LED照明系统实现了室内信号的全覆盖，便于灵活布置音响装置，为特殊的音响效果提供了便于实施的条件。

当前可见光信息传输涉及的调制技术比较复杂，成本高、稳定性不佳[4-7],且实现的音频可见光传输不是基于室内照明环境的,而是特定的点对点的可见光音频传输[8，9]。本文提出一种基于室内可见光照明环境下的音频信号无线传输装置，采用比较简单的信号调制方式，发送端通过音频信号调制LED照明灯的发光强度,通过可见光强度变化实现信号发送。接收端由光电转换模块接收光信号，通过低噪声信号放大电路实现功放信号驱动音箱工作，实现了可见光视距高保真传输音频信号的功能。本文所设计的系统具有稳定可靠、成本底、信号室内覆盖范围宽等优点。

1 系统结构及电路设计

1.1 系统结构及光照模型

系统结构框图如图1所示。系统由发送端和接收端两部分组成。发送端由音频信号输入接口、音频放大电路和阵列LED及其驱动电路构成；接收端由光电转换器、放大电路及音响系统所组成，其中放大电路由前置放大电路和功率放大电路两部分构成。

图1 LED可见光无线音频传输系统结构

1.2 电路设计

1.2.1 发送端电路设计

发送端电路实现音频信号调制放大和LED驱动的功能，输入的音频信号经过耦合电容后在三极管的基极加上和音频信号同步变化的电流，经过三极管的电流放大作用下，驱动阵列LED发光。驱动电流的大小与LED的发光强度呈正比关系，电路实现了音频信号对LED的光调制。输入音频信号同步连接到四个调制驱动电路输入端,分别驱动对应的4个LED阵列光源。

1.2.2 接收端电路设计

接收端光电转换由TEMT6000光电模块完成，TEMT6000对可见光敏感，最大光电转换效率对应波长为 570 nm，在10流明到1000流明的光照度范围，其输出光电流与光照度为线性关系，保证了接收到的调制可见光信号转换为光电流时信号失真可以在一定的范围内忽略不计。另外，该器件对红外光不敏感，避免了红外光噪声对接收信号的干扰，选择作为可见光接收端光电转换器可以明显提高接收信号的信噪比。

音响前置放大电路对电压信号进行放大，输出的信号在后级进行电流放大，高品质的前置放大必须加入降噪的措施，通过内置的滤波电路，可以更好地滤除夹杂的谐波信号，前置放大电路如图2所示，为实现低噪声前置放大，使电路的噪声系数达到最小值，本设计的前置放大器使电路的噪声系数大大减小，明显地提高了系统的信噪比，减少外界干扰的影响。

图2 前置放大电路图

音频功率放大器的作用是把来自前级放大器的弱信号放大，产生足够大的电流去推动扬声器发声。音频功放的主要性能指标有输出功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻抗，阻尼系数等。一些极品音频功放的频响已经做到0～100 kHz。

功率放大电路原理图如图3所示，用TDA2030做成OTL形式的功放。电路中的R27(150 kΩ)与R28(4.7 kΩ)电阻决定放大器闭环增益。R28电阻越小增益越大，但增益太大也容易导致信号失真。

图3 功率放大电路图

2 实验测试及结果分析

音频发送端的音频信号输入端接信号发生器，测量不同频率音频输入信号下可见光信号传输不同距离时接收信号幅度变化曲线,输入音频信号幅度为5V,频率分别为80 Hz、1 kHz、5 kHz时，测量接收信号幅度变化情况。从实验结果得出当可见光信号传输距离超过3 m后，由于信号衰减,接收信号幅度较小,噪声干扰明显。同时观察到在不同传输距离接收的5 kHz信号幅度都很小,这是由于电路设计中主要考虑2 kHz以内音频信号的传输,接收端电路放大模块工作带宽有限的结果,与可见光传输带宽和信号衰减没关系，如需传输5 kHz及以上频率的信号,需在电路设计中提高放大电路模块的工作带宽。

实验测试发现，满足一定的调制幅度和光照强度条件，接收端均可正常接收发送的音频信号。发送端音频输入端分别接80Hz和3kHz 的幅度为3V正弦信号时，距离发送端2m处接收端接收的信号波形如图4、图5所示。测量发现接收频率低于2.5 kHz的音频信号时,信号波形无失真,没有明显的噪声干扰。接收频率高于3 kHz的音频信号时,信号波形开始出现失真，波形有明显的噪声信号,这是接收端放大电路带宽限制的结果。

图4 调制信号幅度为3V,频率为80 Hz时，接收信号波形

图5 调制信号幅度为3V,频率为3kHz时，接收信号波形

为测量系统的工作频带宽度,设定发送端与接收端的距离为2 m,信号发生器连接发送端的音频输入端口并输出信号幅度分别为1V、3V、5V的音频信号。通过调节信号发生器的输出信号频率，测量接收端放大电路输出信号的幅度变化情况，测量结果发现发送信号的幅度从5V减小到1V，放大后的接收信号幅度减小较小，对接收信号质量的影响不明显。相对于无线电波传输音频信号，可见光传输音频信号的信噪比提高较大，说明通过可见光传输音频信号的可靠性更高。

3 结论

本文利用LED照明光的高带宽资源,设计的音频信号光无线传输装置能实现高质量的音频信号传输功能。实验结果表明,光无线音频信号传输质量与光信号传输距离、音频调制信号幅度、室内光照强度分布、接收端放大电路工作带宽以及光电转换模块对波长和光照信号强度响应度有关系,恰当设置和选择这些参数,可实现室内范围高质量的音频可见光无线信号传输。