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摘 要：LED具有调制特性良好的优点，可以使得LED光源在照明的同时传输音频信号。本文设计并实现了基于LED的可见光一对多音频传输系统，该系统由发射和接收两大模块组成。在发射模块，用手机或电脑终端播放音频，通过LM833对输入音频信号进行放大、滤波而后驱动白光LED;两个接收模块，分别利用OPT101把接收到的光信号转换成电信号，经过LM386放大滤波等处理，使扬声器可以播放出清晰的音乐，实现一对多的通信。
关键词：VLC 音频传输 一对多通信
中图分类号： TN929 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0160-02
信息时代已经到来，无线接入网频谱资源的紧张、给传统接入网技术带来了巨大的考验。科技社会也在需求一种拓宽频谱资源、绿色节能的接入方式。由此，可见光通信（Visible Light Communication， VLC）应运而生。可见光是电磁波谱中人眼可以感知到的部分，波长大概为380～780nm之间。可见光通信是利用可见光来实现无线通信，即利用电信号控制发光发光二极管（Light Emitting Diode， LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息的技术。这项技术首先由德国物理学家Herald Haas提出。其具有高带宽、无需频谱授权、安全便利等优点，具有非常可观的应用前景。白光LED具有更高的调制带宽、优良的调制性能和灵敏度高等特点。本文基于LED可见光通信技术，通过对发光二极管的发光强度进行模拟幅度调制，实现了一对多的音频传输系统。
1 系统结构设计
本系统主要包含发送模块和接收模块两部分。发送端电路主要由音频信号源、音频信号放大滤波电路、直流偏置电路、LED驱动电路组成。本设计选用双功放LM833对输入音频模拟信号进行滤波去噪，而后传到LED驱动电路。单片机通过继电器微控制LED光信号。白光LED信号通过强度调制，经过大气信道传播后被两个接收端的光电二极管接收。接收端的光电探测器OPT101将接收到的光信号转为电信号，经LM386跨阻放大、滤波还原音频信号，最后由经两个扬声器播放出几乎无失真的音乐，从而实现一对多音频通信。系统框图如图1所示。
2 发射端电路射设计
本系统的发射模块需要实现电信号向光信号的转换，为此，发射端要分别完成音频信号的放大以及LED驱动，与之对应发射模块电路可大致分为滤波放大电路、LED驱动电路。
2.1 基于LM833的滤波放大电路
LM833是双运算放大器（Dual Operational Amplifiers），它将两个通用型运算放大器集成在一个单片上，具有增益高，共模抑制比高、共模范围宽、补偿简单、工作稳定，两运放之间温度稳定性好等特点。
由于传输信号往往强度较低，因此在对信号进行调制之前，通常首先要利用前置放大电路对信号进行放大，并且在信号上增加直流偏置，保证信号强度均大于零，为后期的信号调制做好信号的预处理。
本系统中，在发送端，音频模拟信号首先经高通滤波去除噪声，从LM833的放大器1正向输入进，反向输入接地，音频信号经放大变为高频信号。放大器1的输出信号经低通滤波器去噪，而后从放大器2的正向输入，放大器1输出信号经去直接入反向输入端，此时，音频信号经过滤波放大稳定输出。
2.2 调制方式及LED驱动电路
2.2.1 调制方式
在本系统中，采用强度调制直接检测（IM/DD）的方式，由于模拟音频信号在不同音调下电压不同，在音乐播放过程中LED亮暗会随着音频信号的幅度大小进行变化，达到对光强度的直接调制目的。
2.2.2 LED驱动电路
完成对音频模拟信号的调制后，调制信号驱动三极管，使LED发光。調制信号的强弱改变LED光照强度的强弱。由于白光LED在大气信道中传输时会受到自由空间中吸收、散射、湍流等的影响，光强会有所衰减。因此，为了保证信号传输的高效性，使接收端获取具有足够能量的光信号，LED灯需要具有足够的发射功率，即LED驱动电路要有足够的输出功率。在本系统中，选用3.3V 3W的LED灯珠。
3 接收端电路设计
与发射端相对应，该系统中，接收模块要实现光信号向电信号的转换。这要求硬件电路要尽量实现最小的失真和噪声。尤其，在本系统中要实现一对多通信，即对多个接收端的信号恢复要求极高。接收端电路主要分为光电转换电路、跨阻放大电路、滤波电路等部分。
3.1 基于OPT101的光电转换电路
接收端接收到发射端发出的白光信号后，首先要将光信号通过光电转换电路转化为电信号。在本文中，选用OPT101光电转换器，它是集光敏二极管和信号放大于一体的器件，输出电压随光照强度成线性变化。
3.2 基于LM386的滤波电路
发射端发出的光信号在大气信道中的衰减，以及在接收端的光电信号转换，都有可能在使信号混入噪声，造成传输信号有效性的下降，为了提高音频通信系统的传输性能，要对所得放大信号进行滤波。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。在接收端，音频信号正向输入，反向输入接地，通过了解常用的LM386电路，设定增益为50，即芯片引脚1和8之间接一个1.2kΩ电阻和一个10μf的电容。放大后的信号经过扬声器输出。
4 结语
经测试利用LED构建的音频信号传输系统实现了音频信号在可见光上的可靠传输，LED光源无肉眼可见的闪烁，在一定的范围内，音频信号清洗无失真，并且不受自然光和室内荧光灯的影响。本文在对基于LED的可见光通信技术研究和掌握的基础上，提出了一种基于白光LED的可见光一对多通信音频传输系统。利用一个发送模块、多个接收模块的架构，实现对模拟音频信号的几乎无失真的传输。是对VLC应用新领域的一次尝试与探索。本文中一对多的通信还有更广泛的利用与研究空间。相信随着光通信科技的不断发展进步，VLC这种具有高效能和高可靠性的新型通信方式将在越来越多的领域中得到广泛的应用。
参考文献
[1] 迟楠.LED可见光通信关键器件与应用[M].北京：人民邮电出版社，2015.
[2] 肖纯贤，张淑敏，鲁金铭，等.一种基于LED可见光通信的无线音乐播放系统[J].光通信研究，2017（5）：29-31.
[3] 王尧，李伟生.蓝牙高质量音频传输的两种实现方式及其应用[J].铁路计算机应用，2007（1）：34-35.