基于LED可见光的音频通信系统设计

刘正一,张 娜,李 娜

(商洛学院 电子信息与电气工程学院,陕西 商洛 726000)

0 引言

利用发光二极管发出明暗闪烁、肉眼不可见的光信号来传递信息的可见光通信(VLC),传输时不需要有线信道作为介质,是直接在空气中传送光信号的一种通信方法[1-3]。该系统的安全性非常高,用窗帘或其他遮挡物遮挡住可见光时,信息不会被泄露。多台计算机并行也不会影响其通信的速度。因为它不使用无线电通信,所以对电磁信号很敏感。该系统可以应用于对电磁信号敏感的地方,如秘密单位、学校、军队和医院等。安全性很高,无需使用Wi-Fi信号,网络就可以通过LED可见光通信连接[4-5]。

在照明方面,发光二极管的调制特性好、绿色环保、功耗低及体积小[6]。考虑到白光LED的节能环保特性,很有可能会成为下一代的固体光源被人们广泛使用,并且完全有可能取代之前的白炽灯、荧光灯等照明设备。同时,发光二极管LED还有调制速度快、响应时间短的特点,因此可以设计一种基于LED可见光的音频通信系统[7]。VLC与传统无线通信相比较,具有频谱资源丰富、安全、绿色节能等特性,还具有传输效果稳定、输出音质好、功耗低、制作简单等优点,是未来移动通信无线网络的一大发展趋势,可推广应用于智能交通、智能家居、无线接入等场景。基于此,本文以无线光通信为背景,以STM32为核心处理器,由发送端和接收端两部分构成完成可见光音频通信系统的设计。

1 系统的组成与工作原理

利用可见光传输音频信号的通信系统由发射模块和接收模块组成,通过A/D模块和单片机调制处理将输入的音频模拟信号转化为相应的电信号,在发送端通过LED驱动电路把电信号转化成光信号,由LED灯发送;在接收端,光电感应器将光信号转换成微弱的电信号,再经过前置放大电路、单片机解调处理和D/A转换,通过有源音箱连接音频输出电路,实现音频信号的完整传输,播放音频信号。整体的系统组成如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 单片机控制电路

单片机控制电路选用STM32F103C8T6单片机作为信号调制的芯片,既应用于发射电路,又应用于接收电路,可完成模拟信号和数字信号的调制,同时具有高性能、低电压、操作简单、易开发等优点[8]。

2.2 音频信号输入电路

音频信号输入电路是利用电脑或手机的音频输出作为系统的音频输入源,用耳机口输出音频信号[9]。因为输入的音频信号较微弱,所以此处采用运算放大器LM386来放大信号,放大电路原理如图2所示。

图2 音频输出放大电路

2.3 LED驱动电路

光强度调制是指LED的光强信号随着声音信号的输入而变化,把电信号转换成光信号,并将声音信号当作可见光信号来完成传输。LED驱动电路是将调制后的音频信号加载到LED上,此处通过连接三极管控制LED的通断,并通过连接信号实现传输。驱动电路原理如图3所示。

图3 驱动电路原理

2.4 前置放大电路

光电转换模块能将光信号转换成电信号,但输出的电流很小,并且还夹杂噪声,因此需对信号进行放大、滤波处理。传感器的输出电流通过运算放大器两端的反馈电阻按欧姆定律转换成电压。一个反馈电阻连接在输入和输出之间,形成电压并联负反馈,使电路在不平衡电路的情况下,具有低噪声、稳定增益、增加动态范围等特点。

输入和输出之间桥接一个反馈电阻,形成电压并联负反馈,使电路具有低噪声和稳定增益的特点。动态范围增大,不需要平衡电路。前置放大电路原理如图4所示。

图4 前置放大电路原理

2.5 音频信号输出电路

音频输出电路利用有源音箱将接收到的信号进行放大滤波处理,然后驱动扬声器播放音乐,本文采用QT-T08型号的有源音箱驱动扬声器播放音乐,简单的原理如图5所示。

图5 音频输出电路

3 实验结果分析

系统实物如图6所示。将发射板和接收板的两根USB线插到电脑上,给两个板子都通电。打开开关发现发射板上靠下方的LED点亮,此时就可以在电脑上放歌,并且能听到音箱里播放出来的声音。通过不断调整两个板子之间的距离和室内灯光的强度,最后发现在30～50 cm播放音频基本没有杂音,可以播放出较好的音质。

图6 系统实物

当光源被遮挡住,音乐停止播放,说明该系统的光源遭到影响时,信号无法正常传输。在测试过程中发现增大发射板与接收板之间的通信距离,音乐声会随着距离增大而减小,当距离超过1 m以外,音乐声会逐渐消失。当发射板与接收板的距离非常近时,杂音会很大,原因是距离太近,光照太强,会导致光电传感器处于饱和状态,不能处于很好的导通状态,也就不能很好地通信。

4 结语

本文为基于LED可见光的音频通信系统的设计方案,将电脑或手机的音频作为该系统的音频输入源,通过发送模块由LED灯将音频信息发送到大气中,通过调整发送端LED灯与接收端光电探测器之间的距离为30～50 cm时,接收模块能够将接收的信号由音响进行播放且音质较好,实现了LED可见光的音频通信功能。可见光通信是未来移动通信无线网络的一大发展趋势,能够服务于人们的生活,影响人们的生活方式,可推广应用于智能交通、智能家居、无线接入等场景。