基于可见光通信技术的光通信耳机设计

张云艳 丁秀锋 胡 峰

（南京信息职业技术学院，江苏 南京 210023）

0 引言

随着科学技术的发展，在通信领域，光通信技术已经成为现代通信研究者的研究重点，其中，可见光通信（VLC，VisibleLightCom—munication）由于具有传输距离比较短、速率高等特点而备受关注[1-2]。在可见光通信中，随着发光二极管LED 的发射功率的提高，可见光通信技术提供了可替代射频技术的方法，因此更加节能和清洁。对无线通信技术来说，现有的照明设备与通信技术使可见光通信技术水平飞速发展[3]。该文将市场中相关的耳机产品进行对比，并采用可见光通信技术，设计了一款全新的基于光通信技术的可见光无线耳机。由于可见光传播具有不易受干扰和限制等特点，因此在有光的情况下，可以远距离传输音频信号。这款耳机的创新点是利用可见光来传输音频信号。根据可见光通信的抗干扰能力强、传播速率快的特点，这款耳机可以用于一些特定的场所，例如飞机上、博物馆以及英语四六级听力考试等。

1 光通信耳机硬件部分设计

光通信耳机设计结构图如图1 所示。

图1 可见光耳机结构图

该系统主要将音频信号进行A/D 转换，然后再对信号进行调制与编码，再进行电光转换，接着信号就会到达室内LED 灯发射模块。通过白光LED 灯传送信号，到达耳机的接收端，然后进行光电转换，再进行信号的解调和解码，最后进行D/A 转换，恢复模拟信号，通过音频放大电路进行传输[4]。

该设计的核心模块是发射端和接收端。发射端主要的功能是将语音信号转换成光信号，利用MOS 管来实现电光转换。接收端主要的功能是恢复传输的语音信号，使用光敏二极管可以将接收到的光信号转换成电信号，进而将电信号通过音频放大器放大，最后驱动扬声器就可以实现音频传输[5-6]。

1.1 音频检测模块和编码调制模块的设计

在音频信号传输和转换模块中，该设计将1 只10μF 的电容串联在信号的输入接口处，通过单片机和语音转换芯片将需要传送的音频信号发送至信号的编码和调制模块。具体电路设计如图2 所示。编码调制模块可以产生50 kHz的正弦信号，其幅度值Vpp 为500 mV。该正弦信号作为语音信号的载波，用于对音频信号进行调制，然后将输出的信号传送至发射模块[7]。

图2 音频信号检测及编码调制电路

1.2 可见光发射模块

发射端利用MOS 管接收音频信号，然后将其转换为可见光信号，其原理是驱动LED 灯，将LED 灯光信号进行放大然后发射出去[8]。该电路是通过能够使电流放大的共发射极基本放大器来进行信号放大的，该放大器带负载能力强，并且具有隔离缓冲的作用，还能使阻抗发生变换，因此信号在传输时不易失真。

1.3 可见光接收模块

可见光接收模块主要利用光敏二极管的特性接收可见光信号，发射端发过来的信号通过具有放大特性的LM386来进行接收。然后将光信号传送至解码解调模块，电路如图3 所示。电路中的LM386 放大器可以集成音频功放，并且该元件功耗低、外接元件少、总谐波失真比较小，具有电压增益可调和电源电压范围大等优点，在收音机和录音机中有广泛应用[9]。

图3 可见光接收电路

1.4 信号的解调解码模块

信号的解调解码模块主要是对接收到的语音信号进行转换，这是通过单片机和D/A 转换器语音解码芯片来实现的。然后通过软件程序进行滤波。滤波之后可以得到解调解码信号，其带宽为250 kHz，电路如图4 所示。

图4 采用单片机与DAC0832 组成的解调解码电路

1.5 音频放大及耳机模块

音频放大及耳机模块主要是为了提高对耳机的驱动能力，采用TDA2030 集成功放电路构成音频放大器，其特点为具有较高集成度、元件少、电路简单、音质好，电路如图5所示。

图5 TDA2030 构成的音频放大及耳机电路

与普通电路相比，TDA2030 构成的音频放大及耳机电路具有更好的散热效果，当温度过高时，该电路也不会对器件产生影响。同时，TDA2030 不仅可以对功率进行放大，它所产生的信号还具有失真小、体积小以及输出功率大等特点。TDA2030 功率放大器中具有多种保护电路，主要有热保护、短路保护、地线偶然开路、电源极性反接以及负载泄放电压反冲等保护作用，因此其工作安全性与可靠性较高。

2 可见光耳机软件系统设计

可见光耳机软件系统的设计主要分为两个部分，第一个部分的软件编程是对音频信号的编码调制，第二个部分的软件编程是对音频信号的解调解码。这部分是通过电路图进行分析并写程序，然后由单片机的接口进行控制。其具体流程如图6（a）和图6（b）所示。

图6 信号的编码调制和解调解码模块的主流程图

3 试验结果

在基于可见光通信技术的光通信耳机设计系统试验中，先设置发射端和接收端的间距为2m，规定白光LED 灯的电流在65mA，保证音频输出效果达到最优。从表1 的测试结果可以看出，调节载波的频率，使载波频率不断提高，波形峰—峰值Vpp、最高幅值Vmax与最小幅值Vmin都在减少。因为信号在传输过程中有噪声干扰存在，所以该试验的测试结果与理论的推断结果之间可能存在一定的差异，符合音频信号的传输规律。经过多次测试发现第四组测试的数据呈现的结果。该组测试数据与正弦波的波形最相似，可以推断出音频信号在传输的过程中基本上没有失真。所以在实际应用中以第四组数据作为参考数据。

表1 可见光通信耳机的测试数据

在后续测试中，为了使音频信号传输的距离更远、更稳定，经过多次测试发现如果在音频信号输入端串联一个5.5kΩ的电阻，输入的音频信号的传输距离可以达到6m 左右。

经过上述试验测试后，根据可见光通信系统的特点，该设计将市场上存在的现有耳机的性能指标进行了对比，选取的耳机为蓝牙耳机、红外线耳机。分别在理想状态下从传输距离、传输速率、抗干扰能力、保密性等方面进行了比较，见表2。

表2 不同耳机类型性能参数对比

4 结语

该文设计的这款耳机是一款通信性能和抗干扰能力都非常好的可见光通信耳机。通过试验和调试，在一定的传输距离内，该耳机都可以清晰准确地进行音频信号传输。与市面上的其他耳机相比，可见光通信耳机的抗干扰能力更强，因此它的可靠性更高一些。在传播速率方面也比普通耳机更快一些。可以适用于一些特定的场所，例如飞机上、博物馆等，是值得推广的一种新型产品。