融合PLC的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸系統的研究

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(jiàn)光通信傳輸，給出一種簡(jiǎn)單可行、性能穩定的LED 可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)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(jiǎn)單的電路，在3W大功率LED光源直射下，實(shí)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(jiàn)光音頻傳輸實(shí)驗系統，初步實(shí)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(zhì)存在進(jìn)一步研究改善的空間。

引言

　　可見(jiàn)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制到LED燈光上，進(jìn)行較短距離的傳輸。這種可見(jiàn)光音頻通信方便可靠、電磁輻射小、能耗低，適宜在一定場(chǎng)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(zhuān)用功率放大器，實(shí)現可傳輸模擬信號5m以上的可見(jiàn)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(jiàn)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(shí)現LED室內可見(jiàn)光語(yǔ)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(shí)現了通信距離可達40m，最高傳輸速率為2.5Mbit/s的全雙工實(shí)時(shí)語(yǔ)音對講。

　　本文組建了一種易于實(shí)現的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)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(wú)需模數轉換電路，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的放大電路、高速驅動(dòng)電路和接收電路，由有源音箱對接收轉換后的信號進(jìn)行放大濾波輸出。在此基礎上，根據電力線(xiàn)通信 (Power Line Communication，PLC) 原理，增加PLC模塊，組建了融合PLC的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統，并進(jìn)行了音頻信號傳輸實(shí)驗測試。

1 可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統組成

　　LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統由音頻信號源、電源模塊、發(fā)射板、無(wú)線(xiàn)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(fā)射板：負責對音頻信號源送來(lái)的信號進(jìn)行電光轉換，將電壓變化轉化為電流變化，以驅動(dòng)LED燈，使其亮度發(fā)生變化，使音頻模擬信號變化轉變?yōu)楣庑盘柕膹姸茸兓?，從而以可?jiàn)光形式在信道中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。發(fā)射板主要包括音頻放大模塊、LED驅動(dòng)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(dòng)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，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(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換線(xiàn)性度較好，響應速度較快，價(jià)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(jiàn)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(jìn)行放大、濾波，驅動(dòng)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(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統組成

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

　　融合PLC的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)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(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(xiàn)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(xiàn)上傳輸。RJ45網(wǎng)絡(luò )接口2將電力線(xiàn)傳輸過(guò)來(lái)并經(jīng)過(guò)處理的信號送入可見(jiàn)光通信發(fā)射板中。RJ45網(wǎng)絡(luò )接口、QCA6410、耦合保護電路等組成了PLC適配器。

3 實(shí)驗系統音頻信號傳輸測試

　　3.1 LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸系統實(shí)驗測試

　　實(shí)驗系統搭建好后的實(shí)物圖如圖6所示。

　　打開(kāi)電腦中的一個(gè)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(fā)距離較近時(shí)，揚聲器傳出洪亮飽滿(mǎn)的歌曲，音質(zhì)很好，沒(méi)有明顯失真。隨著(zhù)距離增加，歌曲聲音減弱，分析其原因，是由于系統沒(méi)有設計自動(dòng)增益控制電路，所以隨著(zhù)傳輸距離的增大，接收端光電信號幅度會(huì )有明顯衰減^[12]，下一步將考慮加入自動(dòng)增益控制電路以自動(dòng)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(zhì)不變的情況下，傳輸距離得到延長(cháng)。經(jīng)實(shí)驗測試，在50cm傳輸距離內，揚聲器傳出的歌曲無(wú)明顯失真，實(shí)驗傳輸效果良好。如果在無(wú)線(xiàn)光信道中采用聚光器，則系統的音頻傳輸距離還會(huì )延長(cháng)。

　　3.2 融合PLC的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗測試

　　實(shí)驗測試過(guò)程在同一變壓器下的電力線(xiàn)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(jiàn)光音頻傳輸系統的發(fā)射板與PLC適配器2相連，PLC適配器與電源插座2相連。連接組成的系統實(shí)物圖如圖7所示。

　　實(shí)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(guò)電力線(xiàn)傳輸至VLC發(fā)射板，再經(jīng)過(guò)可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)信道傳輸至VLC接收板，接收板輸出信號至有源音箱驅動(dòng)揚聲器發(fā)聲。實(shí)驗測試表明，收發(fā)距離較近時(shí)，可以實(shí)現音頻信號的傳輸，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，系統中有一部分傳輸線(xiàn)路采用了普通網(wǎng)線(xiàn)，不是音頻信號的理想傳輸線(xiàn)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(guò)電力線(xiàn)傳輸時(shí)會(huì )受到干擾和較大衰減。這些都是融合PLC的可見(jiàn)光通信系統在面臨應用前需要進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題。

4 結論

　　本文利用可見(jiàn)光通信原理，組建了簡(jiǎn)單可行的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統，該系統無(wú)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(jiǎn)單的電路，實(shí)現了音頻信號的可見(jiàn)光通信傳輸。實(shí)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(zhì)較好的音頻信號。在該系統基礎上，通過(guò)增加電力線(xiàn)通信模塊，組建融合PLC的LED可見(jiàn)光通信音頻傳輸實(shí)驗系統，進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗，初步實(shí)現了音頻信號在低壓電力線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)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(shí)現該系統的實(shí)用化。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。