融合PLC的LED可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)的研究

作者 王 濤1 陳 超1 胡文芳2 1.青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院(青海 西寧 810007) 2.西寧市第二十八中學(xué)(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(wěn)定的LED 可見光通信音頻傳輸實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)了50cm傳輸距離內(nèi)良好的音頻信號傳輸。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，嘗試性地組建了融合PLC的LED可見光音頻傳輸實驗系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了音頻信號在融合PLC的系統(tǒng)中的短距離傳輸，對于輸出音頻信號的音質(zhì)存在進(jìn)一步研究改善的空間。

引言

　　可見光通信(Visible Light Communication，VLC)技術(shù)使得白光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)燈既能照明，又可以將音頻信號高速調(diào)制到LED燈光上，進(jìn)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(yīng)用^[1-2]，因而引起諸多科研人員的研究。參考文獻(xiàn)[3]采用10W功率LED燈和高精度音頻專用功率放大器，實現(xiàn)可傳輸模擬信號5m以上的可見光通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種采用脈沖寬度調(diào)制的LED強光手電可見光應(yīng)急通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[5-6]采用可編程芯片及外圍電路實現(xiàn)LED室內(nèi)可見光語音單向通信系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[7] 利用單片機控制音頻編解碼芯片，實現(xiàn)了通信距離可達(dá)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(xiàn)的LED可見光通信音頻傳輸實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)利用電腦或手機的音頻輸出作為音頻信號源，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過簡單的放大電路、高速驅(qū)動電路和接收電路，由有源音箱對接收轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行放大濾波輸出。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)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(tǒng)，并進(jìn)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(tǒng)組成

　　LED可見光通信音頻傳輸實驗系統(tǒng)由音頻信號源、電源模塊、發(fā)射板、無線光信道、接收板、有源音箱幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)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(shè)備的耳機孔輸出音頻信號，例如歌曲;

　　2)電源模塊：負(fù)責(zé)將 220V 交流電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)用的5V直流電，可以采用USB接口為電路供電;

　　3)發(fā)射板：負(fù)責(zé)對音頻信號源送來的信號進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電壓變化轉(zhuǎn)化為電流變化，以驅(qū)動LED燈，使其亮度發(fā)生變化，使音頻模擬信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕膹姸茸兓瑥亩钥梢姽庑问皆谛诺乐羞M(jìn)行無線傳輸。發(fā)射板主要包括音頻放大模塊、LED驅(qū)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(diào)、諧波失真小的音頻集成功放LM386。

　　LED驅(qū)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(fā)光半功率角為10°～120°。另一種是體積較大，但直射距離更遠(yuǎn)，光通量可達(dá)到100LM 的3W功率LED光源。

　　接收板負(fù)責(zé)將接收到的光信號還原成與發(fā)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(zhuǎn)換線性度較好，響應(yīng)速度較快，價格較低等優(yōu)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(fù)責(zé)將接收板輸出的信號進(jìn)行放大、濾波，驅(qū)動揚聲器傳出聲音。本系統(tǒng)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(tǒng)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(jìn)行電力線通信。電力線通信主要用于同一變壓器范圍內(nèi)，以低壓電力線為信道，需要傳輸?shù)男盘柦?jīng)過調(diào)制，由發(fā)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(jìn)行解調(diào)，獲得原始信號^[8-9]。由于低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，接入負(fù)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(tǒng)在前面所述系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了PLC模塊，系統(tǒng)框圖如圖5所示。音頻信號源輸出的音頻信號接入RJ45網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)處理信號。耦合保護(hù)電路將調(diào)制好的信號耦合到電力線上傳輸。RJ45網(wǎng)絡(luò)接口2將電力線傳輸過來并經(jīng)過處理的信號送入可見光通信發(fā)射板中。RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、QCA6410、耦合保護(hù)電路等組成了PLC適配器。

3 實驗系統(tǒng)音頻信號傳輸測試

　　3.1 LED可見光通信音頻傳輸系統(tǒng)實驗測試

　　實驗系統(tǒng)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(dāng)收發(fā)距離較近時，揚聲器傳出洪亮飽滿的歌曲，音質(zhì)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(tǒng)沒有設(shè)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(diào)節(jié)信號增益。當(dāng)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(zhì)不變的情況下，傳輸距離得到延長。經(jīng)實驗測試，在50cm傳輸距離內(nèi)，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(tǒng)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(jìn)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(tǒng)的發(fā)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(tǒng)實物圖如圖7所示。

　　實驗系統(tǒng)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(fā)射板，再經(jīng)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(qū)動揚聲器發(fā)聲。實驗測試表明，收發(fā)距離較近時，可以實現(xiàn)音頻信號的傳輸，但揚聲器發(fā)出的聲音偏小，聲音保真度不夠高，音質(zhì)較差。分析其原因有兩方面，一方面，系統(tǒng)中有一部分傳輸線路采用了普通網(wǎng)線，不是音頻信號的理想傳輸線路，對音頻信號產(chǎn)生一定干擾和衰減;另一方面，音頻信號經(jīng)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(tǒng)在面臨應(yīng)用前需要進(jìn)一步研究解決的問題。

4 結(jié)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(tǒng)，該系統(tǒng)無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、組建方便、性能穩(wěn)定，利用生活中常用的電腦(或手機、收音機等)、有源音箱和設(shè)計簡單的電路，實現(xiàn)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(tǒng)可以在50cm傳輸距離內(nèi)輸出音質(zhì)較好的音頻信號。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)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(tǒng)，進(jìn)行了嘗試性實驗，初步實現(xiàn)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(zhì)，還需要進(jìn)一步研究改善，以便實現(xiàn)該系統(tǒng)的實用化。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)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。