作者 王 濤1 陳 超1 胡文芳2 1.青海民族大學 物理與電子信息工程學院(青海 西寧 810007) 2.西寧市第二十八中學(青海 西寧 810007)

摘要：針對音頻信號的可見光通信傳輸，給出一種簡單可行、性能穩定的LED 可見光通信音頻傳輸實驗系統。該系統利用生活中常用的電腦(或手機等)、有源音箱和簡單的電路，在3W大功率LED光源直射下，實現了50cm傳輸距離內良好的音頻信號傳輸。在該系統基礎上，嘗試性地組建了融合PLC的LED可見光音頻傳輸實驗系統，初步實現了音頻信號在融合PLC的系統中的短距離傳輸，對于輸出音頻信號的音質存在進一步研究改善的空間。

引言

　　可見光通信(Visible Light Communication，VLC)技術使得白光發光二極管(Light Emitting Diode，LED)燈既能照明，又可以將音頻信號高速調制到LED燈光上，進行較短距離的傳輸。這種可見光音頻通信方便可靠、電磁輻射小、能耗低，適宜在一定場合應用^[1-2]，因而引起諸多科研人員的研究。參考文獻[3]采用10W功率LED燈和高精度音頻專用功率放大器，實現可傳輸模擬信號5m以上的可見光通信系統。參考文獻[4]設計了一種采用脈沖寬度調制的LED強光手電可見光應急通信系統。參考文獻[5-6]采用可編程芯片及外圍電路實現LED室內可見光語音單向通信系統。參考文獻[7] 利用單片機控制音頻編解碼芯片，實現了通信距離可達40m，最高傳輸速率為2.5Mbit/s的全雙工實時語音對講。

　　本文組建了一種易于實現的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，系統利用電腦或手機的音頻輸出作為音頻信號源，無需模數轉換電路，經過簡單的放大電路、高速驅動電路和接收電路，由有源音箱對接收轉換后的信號進行放大濾波輸出。在此基礎上，根據電力線通信 (Power Line Communication，PLC) 原理，增加PLC模塊，組建了融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，并進行了音頻信號傳輸實驗測試。

1 可見光通信音頻傳輸實驗系統組成

　　LED可見光通信音頻傳輸實驗系統由音頻信號源、電源模塊、發射板、無線光信道、接收板、有源音箱幾部分構成，系統框圖如圖1所示。

　　(1)音頻信號源：利用電腦、手機、MP3音頻文件、收音機等作為音頻信號源，由這些設備的耳機孔輸出音頻信號，例如歌曲;

　　2)電源模塊：負責將 220V 交流電轉化為系統用的5V直流電，可以采用USB接口為電路供電;

　　3)發射板：負責對音頻信號源送來的信號進行電光轉換，將電壓變化轉化為電流變化，以驅動LED燈，使其亮度發生變化，使音頻模擬信號變化轉變為光信號的強度變化，從而以可見光形式在信道中進行無線傳輸。發射板主要包括音頻放大模塊、LED驅動模塊和LED光源模塊。

　　音頻放大模塊電路如圖2所示，核心元件采用功耗低、電壓增益可調、諧波失真小的音頻集成功放LM386。

　　LED驅動模塊電路如圖3所示，核心元件采用具有電流放大作用的S9013 NPN型小功率三極管，最小特征頻率為150MHz。

　　LED光源模塊可以接入兩種LED光源。一種是高度集成、體積很小的1W功率LED陣列光源，發光半功率角為10°～120°。另一種是體積較大，但直射距離更遠，光通量可達到100LM 的3W功率LED光源。

　　接收板負責將接收到的光信號還原成與發射端變化相同的電信號。接收板主要包括光接收模塊，考慮到PIN光電二極管的光電轉換線性度較好，響應速度較快，價格較低等優勢，所以核心元件采用普通PIN光電二極管接收可見光信號，光接收模塊電路如圖4所示。

　　有源音箱負責將接收板輸出的信號進行放大、濾波，驅動揚聲器傳出聲音。本系統采用型號為M-1117的有源音箱，平均輸出功率2W，阻抗8Ω。

2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統組成

　　目前，380V或220V低壓電力線是用戶最多的線路，除了提供電能之外，低壓電力線還可以進行電力線通信。電力線通信主要用于同一變壓器范圍內，以低壓電力線為信道，需要傳輸的信號經過調制，由發送端耦合器將載有信息的信號送到電力線上傳輸，接收端耦合器將信號取出后進行解調，獲得原始信號^[8-9]。由于低壓配電網拓撲結構復雜，接入負載類型多樣，同時低壓電力線是非均勻的傳輸線，所以電力線通信具有阻抗變化較大，信號衰減較大的特點^[10-11]。

　　融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統在前面所述系統基礎上增加了PLC模塊，系統框圖如圖5所示。音頻信號源輸出的音頻信號接入RJ45網絡接口1，單芯片QCA6410是高通公司推出的一款用于電力線通信的芯片，負責處理信號。耦合保護電路將調制好的信號耦合到電力線上傳輸。RJ45網絡接口2將電力線傳輸過來并經過處理的信號送入可見光通信發射板中。RJ45網絡接口、QCA6410、耦合保護電路等組成了PLC適配器。

3 實驗系統音頻信號傳輸測試

　　3.1 LED可見光通信音頻傳輸系統實驗測試

　　實驗系統搭建好后的實物圖如圖6所示。

　　打開電腦中的一個MP3音頻文件作為音頻測試信號，先采用1W功率的LED光源，當收發距離較近時，揚聲器傳出洪亮飽滿的歌曲，音質很好，沒有明顯失真。隨著距離增加，歌曲聲音減弱，分析其原因，是由于系統沒有設計自動增益控制電路，所以隨著傳輸距離的增大，接收端光電信號幅度會有明顯衰減^[12]，下一步將考慮加入自動增益控制電路以自動調節信號增益。當更換功率為3W的大功率LED光源后，在保持輸出信號音量和音質不變的情況下，傳輸距離得到延長。經實驗測試，在50cm傳輸距離內，揚聲器傳出的歌曲無明顯失真，實驗傳輸效果良好。如果在無線光信道中采用聚光器，則系統的音頻傳輸距離還會延長。

　　3.2 融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗測試

　　實驗測試過程在同一變壓器下的電力線上進行，電腦輸出的音頻信號與PLC適配器1相連，PLC適配器1與電源插座1相連;LED可見光音頻傳輸系統的發射板與PLC適配器2相連，PLC適配器與電源插座2相連。連接組成的系統實物圖如圖7所示。

　　實驗系統搭建好后，電腦輸出的MP3 音頻文件作為音頻測試信號，先通過電力線傳輸至VLC發射板，再經過可見光無線信道傳輸至VLC接收板，接收板輸出信號至有源音箱驅動揚聲器發聲。實驗測試表明，收發距離較近時，可以實現音頻信號的傳輸，但揚聲器發出的聲音偏小，聲音保真度不夠高，音質較差。分析其原因有兩方面，一方面，系統中有一部分傳輸線路采用了普通網線，不是音頻信號的理想傳輸線路，對音頻信號產生一定干擾和衰減;另一方面，音頻信號經過電力線傳輸時會受到干擾和較大衰減。這些都是融合PLC的可見光通信系統在面臨應用前需要進一步研究解決的問題。

4 結論

　　本文利用可見光通信原理，組建了簡單可行的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，該系統無需模數轉換電路、組建方便、性能穩定，利用生活中常用的電腦(或手機、收音機等)、有源音箱和設計簡單的電路，實現了音頻信號的可見光通信傳輸。實驗測試表明，在3W大功率LED光源直射下，系統可以在50cm傳輸距離內輸出音質較好的音頻信號。在該系統基礎上，通過增加電力線通信模塊，組建融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統，進行了嘗試性實驗，初步實現了音頻信號在低壓電力線和無線光信道中的傳輸，但音頻信號受到一定的干擾和衰減，為提高輸出的音頻信號的音質，還需要進一步研究改善，以便實現該系統的實用化。

參考文獻：

　　[1]梁烈勇.短距離LED可見光音頻傳輸系統設計[J].電子技術應用,2012,38(09):18-20.

　　[2]袁衛文,蒯震華,呂振彬.基于VLC的室內無線視頻語音通信系統的設計和實現[J].計算機測量與控制,2015, 23(03):946-948.

　　[3]劉冰,薛德寬,黃興洲,等. LED可見光模擬通信實驗系統的設計[J].電聲技術,2015, 39(09):37-41.

　　[4]楊文寧,宋路,于林韜.LED強光手電可見光應急通信系統研究[J].光通信技術,2014,38(09):28-30.

　　[5]江曉明,朱孝勇,劉濤,等. LED室內可見光語音通信系統設計及實現[J].激光技術,2014,38(06):807-812.

　　[6]張晨亮,蘇學軍,王文,等.基于白光LED的可見光通信系統研究[J].光通信技術,2015,39(05):44-46.

　　[7]沈年鳳,張洪明,姚敏玉.基于無線可見光通信的雙向語音對講系統[J].光電子激光,2014,25(10):1900-1905.

　　[8]S.Galli,A.Scaglione,Z.Wang, et al. For the grid and through the grid: The role of power linecommunications in the smart grid[J].Proceedings of the IEEE, 2011,99(06):998-1027.

　　[9]楊立偉,侯聰,程強.可見光通信與電力線融合技術研究[J].電信網技術,2014(02):58-61.

　　[10]RUBINSTEIN M, VUKICEVIC A, RACHIDI F, et al. Impact of the Symmetry of Coupling-Decoupling Networks on the Conducted Immunity Testing of PLC Modems[C]. Electromagnetic Compatibility, 2007. EMC Zurich 2007. 18th International Zurich Symposium on. IEEE, 2007: 485-488.

　　[11]ACHAICHIA P, Le BOT M, SIOHAN P. OFDM/OQAM: a solution to efficiently increase the capacity of future PLC networks[J].Power Delivery, IEEE Transactions on, 2011, 26(04): 2443-2455.

　　[12]汪永輝,陳名松,湯玲利.基于IPPM的白光LED照明通信系統設計[J].光通信技術,2014,38(01):53-56.

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第2期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。