融合PLC的LED可见光通信音频传输系统的研究

作者 王 涛1 陈 超1 胡文芳2 1.青海民族大学 物理与电子信息工程学院(青海 西宁 810007) 2.西宁市第二十八中学(青海 西宁 810007)

摘要：针对音频信号的可见光通信传输，给出一种简单可行、性能稳定的LED 可见光通信音频传输实验系统。该系统利用生活中常用的电脑(或手机等)、有源音箱和简单的电路，在3W大功率LED光源直射下，实现了50cm传输距离内良好的音频信号传输。在该系统基础上，尝试性地组建了融合PLC的LED可见光音频传输实验系统，初步实现了音频信号在融合PLC的系统中的短距离传输，对于输出音频信号的音质存在进一步研究改善的空间。

引言

　　可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术使得白光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)灯既能照明，又可以将音频信号高速调制到LED灯光上，进行较短距离的传输。这种可见光音频通信方便可靠、电磁辐射小、能耗低，适宜在一定场合应用^[1-2]，因而引起诸多科研人员的研究。参考文献[3]采用10W功率LED灯和高精度音频专用功率放大器，实现可传输模拟信号5m以上的可见光通信系统。参考文献[4]设计了一种采用脉冲宽度调制的LED强光手电可见光应急通信系统。参考文献[5-6]采用可编程芯片及外围电路实现LED室内可见光语音单向通信系统。参考文献[7] 利用单片机控制音频编解码芯片，实现了通信距离可达40m，最高传输速率为2.5Mbit/s的全双工实时语音对讲。

　　本文组建了一种易于实现的LED可见光通信音频传输实验系统，系统利用电脑或手机的音频输出作为音频信号源，无需模数转换电路，经过简单的放大电路、高速驱动电路和接收电路，由有源音箱对接收转换后的信号进行放大滤波输出。在此基础上，根据电力线通信 (Power Line Communication，PLC) 原理，增加PLC模块，组建了融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统，并进行了音频信号传输实验测试。

1 可见光通信音频传输实验系统组成

　　LED可见光通信音频传输实验系统由音频信号源、电源模块、发射板、无线光信道、接收板、有源音箱几部分构成，系统框图如图1所示。

　　(1)音频信号源：利用电脑、手机、MP3音频文件、收音机等作为音频信号源，由这些设备的耳机孔输出音频信号，例如歌曲;

　　2)电源模块：负责将 220V 交流电转化为系统用的5V直流电，可以采用USB接口为电路供电;

　　3)发射板：负责对音频信号源送来的信号进行电光转换，将电压变化转化为电流变化，以驱动LED灯，使其亮度发生变化，使音频模拟信号变化转变为光信号的强度变化，从而以可见光形式在信道中进行无线传输。发射板主要包括音频放大模块、LED驱动模块和LED光源模块。

　　音频放大模块电路如图2所示，核心元件采用功耗低、电压增益可调、谐波失真小的音频集成功放LM386。

　　LED驱动模块电路如图3所示，核心元件采用具有电流放大作用的S9013 NPN型小功率三极管，最小特征频率为150MHz。

　　LED光源模块可以接入两种LED光源。一种是高度集成、体积很小的1W功率LED阵列光源，发光半功率角为10°～120°。另一种是体积较大，但直射距离更远，光通量可达到100LM 的3W功率LED光源。

　　接收板负责将接收到的光信号还原成与发射端变化相同的电信号。接收板主要包括光接收模块，考虑到PIN光电二极管的光电转换线性度较好，响应速度较快，价格较低等优势，所以核心元件采用普通PIN光电二极管接收可见光信号，光接收模块电路如图4所示。

　　有源音箱负责将接收板输出的信号进行放大、滤波，驱动扬声器传出声音。本系统采用型号为M-1117的有源音箱，平均输出功率2W，阻抗8Ω。

2 融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统组成

　　目前，380V或220V低压电力线是用户最多的线路，除了提供电能之外，低压电力线还可以进行电力线通信。电力线通信主要用于同一变压器范围内，以低压电力线为信道，需要传输的信号经过调制，由发送端耦合器将载有信息的信号送到电力线上传输，接收端耦合器将信号取出后进行解调，获得原始信号^[8-9]。由于低压配电网拓扑结构复杂，接入负载类型多样，同时低压电力线是非均匀的传输线，所以电力线通信具有阻抗变化较大，信号衰减较大的特点^[10-11]。

　　融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统在前面所述系统基础上增加了PLC模块，系统框图如图5所示。音频信号源输出的音频信号接入RJ45网络接口1，单芯片QCA6410是高通公司推出的一款用于电力线通信的芯片，负责处理信号。耦合保护电路将调制好的信号耦合到电力线上传输。RJ45网络接口2将电力线传输过来并经过处理的信号送入可见光通信发射板中。RJ45网络接口、QCA6410、耦合保护电路等组成了PLC适配器。

3 实验系统音频信号传输测试

　　3.1 LED可见光通信音频传输系统实验测试

　　实验系统搭建好后的实物图如图6所示。

　　打开电脑中的一个MP3音频文件作为音频测试信号，先采用1W功率的LED光源，当收发距离较近时，扬声器传出洪亮饱满的歌曲，音质很好，没有明显失真。随着距离增加，歌曲声音减弱，分析其原因，是由于系统没有设计自动增益控制电路，所以随着传输距离的增大，接收端光电信号幅度会有明显衰减^[12]，下一步将考虑加入自动增益控制电路以自动调节信号增益。当更换功率为3W的大功率LED光源后，在保持输出信号音量和音质不变的情况下，传输距离得到延长。经实验测试，在50cm传输距离内，扬声器传出的歌曲无明显失真，实验传输效果良好。如果在无线光信道中采用聚光器，则系统的音频传输距离还会延长。

　　3.2 融合PLC的LED可见光通信音频传输实验测试

　　实验测试过程在同一变压器下的电力线上进行，电脑输出的音频信号与PLC适配器1相连，PLC适配器1与电源插座1相连;LED可见光音频传输系统的发射板与PLC适配器2相连，PLC适配器与电源插座2相连。连接组成的系统实物图如图7所示。

　　实验系统搭建好后，电脑输出的MP3 音频文件作为音频测试信号，先通过电力线传输至VLC发射板，再经过可见光无线信道传输至VLC接收板，接收板输出信号至有源音箱驱动扬声器发声。实验测试表明，收发距离较近时，可以实现音频信号的传输，但扬声器发出的声音偏小，声音保真度不够高，音质较差。分析其原因有两方面，一方面，系统中有一部分传输线路采用了普通网线，不是音频信号的理想传输线路，对音频信号产生一定干扰和衰减;另一方面，音频信号经过电力线传输时会受到干扰和较大衰减。这些都是融合PLC的可见光通信系统在面临应用前需要进一步研究解决的问题。

4 结论

　　本文利用可见光通信原理，组建了简单可行的LED可见光通信音频传输实验系统，该系统无需模数转换电路、组建方便、性能稳定，利用生活中常用的电脑(或手机、收音机等)、有源音箱和设计简单的电路，实现了音频信号的可见光通信传输。实验测试表明，在3W大功率LED光源直射下，系统可以在50cm传输距离内输出音质较好的音频信号。在该系统基础上，通过增加电力线通信模块，组建融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统，进行了尝试性实验，初步实现了音频信号在低压电力线和无线光信道中的传输，但音频信号受到一定的干扰和衰减，为提高输出的音频信号的音质，还需要进一步研究改善，以便实现该系统的实用化。

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　　本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第45页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。