摘要：介绍了一套可见光通信的音频传输系统，系统由发射模块，电源模块，接收模块三个模块构成。在发射模块端，用手机，MP3，电脑等输出设备通过音频线将信号传入发射模块，再由白光LED传输信号；在接收端TEMT6000模块将LED灯的光信号转换成电信号，经过一系列放大电路和滤波电路处理，能使喇叭播放出清晰的音乐。通信距离大约在1米左右。
关键词：白光led;音频传输；VLC；TEMT6000模块
1 引言
可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）是指利用可见光作为各类信息传输的载体，不需要有线信道的传输作为介质，在空气中直接传递光信号的一种通信方式。本文设计并制作了一套基于白光LED可见光通信的距离较近的音频传输系统。并且进行了相关的测试，获得了一些数据，经过多次实验，进行数据分析后发现接收模块和发射模块可以实现1m左右的通信距离。对比传统的 可见光通信传输系统，本系统具有传输效果稳定，成本低廉，输出音质效果好，功耗低，制作简便等优点。
2 LED可见光音频传输系统的设计
本系统由发射模块、电源模块、接收模块三个构成。为了给系统提供电能，电源模块将220V市电转化为该系统需要的±5V、±9V直流电（发射电路可用5V电压也可以用9V电压，但接收模块因光电探测器的功率限制只能用±5V电源供电，且本系统需要两套电源，发射和接收端不能用同一套电源。若用同一套电源会产生较大干扰）；发射端通过LED白灯将手机、电脑、MP3等输出的音频信号转换成光信号，再通过可见光的形式进行无线的传播；接收模块由TEMT6000模块把光信号还原成电信号，然后完成信号的无线传输。
系统采用PC端输出信号的作为系统的输入信号，频率约为20HZ-150KHZ。设计较为普通的放大器和三极管驱动电路，以驱动LED亮度发生变化，讲模拟音频信号转化为光信号。接收端的TEMT6000模块将光信号还原为电信号，再通过多级放大，高通滤波电路和低通滤波电路组成的带通电路对信号进行信号处理后，经过基于TDA2030芯片的驱动电路，可以驱动扬声器发声。
2.1直流稳压电源
利用变压器将220V市电转换为±9v，±5V的市电后经过桥式整流电路滤波电路后输出纹波较小的直流电，利用LM7805稳压器进行稳压。LM7805具有噪音低，线性稳压，纹波抑制比高的优点。经过测试，该套电源能够为本系统提供稳定的电压。
2.2发射模块
Input端为音频信号输入端，另一输入端为直流2.5V输入端，用于当没有音频输入时LED灯也发光。Q1为NPN型三极管用于驱动LED灯亮。C1是为了抑制高频噪声，信号与直流电源叠加后使LED的保持发光状态，而后发光强度随着输入信号的变化而变化，以实现电信号到光信号的转换。
2.3接收模块原理
接收部分首先被TEMT6000光传感器将光信号还原为电信号，再将信号通过多级放大电路处理，高通滤波电路和低通滤波电路，然后输入到扬声器。本设计的接收模块电路运用的是巴特沃斯滤波器，消除杂光对通信的干扰。TDA2030功率放大器典型电路对扬声器的前一级模拟信号进行放大，经过处理后的模拟信号直接驱动10W，8Ω扬声器播放音乐。本设计运用的都是简单的模拟电路知识，所以不做计算解释。
3实验操作与数据
首先用Proteus仿真电路图进行仿真，检测电路的可行性。仿真后进行焊接。电路焊接后进行测试，在发射模块接入+5V电源，用手机，MP3，或电脑进行播放音乐，通过音频线将模拟信号输入发射模块，音频信号通过发射模块后，随着信号的强弱变化白光LED的发光强度变化。接收模块采用TEMT6000模块将光信号转换成电信号，然后输入到后面的放大电路，低通、高通滤波电路等相关的滤波电路进行处理，最后将处理后的模拟信号输入到TDA2030典型驱动电路中，并播放出发射端传过来的声音，完成发射端光信号转换成接收端电信号的处理。
在发射模块的输入端和TDA2030模块的输出端加测试点并连接示波器，并观察记录输出信号的变化。将通信距离设置为1m时，示波器显示的信号如图(a)，当遮挡光线之后的信号如图(b)。
因为手机，MP3、电脑等输出的音频信号在50mv以下，所以可以用信号发生器输出交流信号代替音频信号。在测试中，让光敏传感器正对LED灯，改变LED灯和光敏传感器的距离进行测试。实验得知，随着LED灯和光敏传感器的距离越来越大，接收端输出的信号会越来越小，也就是输出的音乐声音会越来越小，直到消失，最多能达到1m。让信号发生器输出5V，频率为5KHz的信号。LED灯和光敏传感器的距离保持为10cm不变，然后让光敏传感器正对LED灯，信号发生器输入频率20Khz时，改变信号电压继续测试。
4实验结果分析
综合上述实验结果和数据可以得到以下一些结论，播放出来的音乐的效果与接收端和发射端的距离，以及输出端的信号大小有关，还有可能与输出频率有关。增加发射端和接收端的距离时，音响的声音变小。当其距离固定不变的，改变输出端的信号大小，输出端的信号大小随输入信号的改变而改变。完全遮挡光敏传感器时，声音完全消失。从波形图来看，本系统有一定的干扰，干扰的主要来源如下：（1）手工焊接电路的缺陷。（2）系统的线路干扰。（3）实验环境的其他光电干扰。以上问题，可以通过制作印刷电路板，在系统中采用多级滤波电路，以减小信号的噪声干扰。
5 结语
本系统设计简单，成本低廉，不易受干扰，通信质量高，为VLC的实用性提供了一套设计方案。通过驱动电路直接将模拟信号转换为光信号进行传输，比起传统的模数转换，数模转换简化了电路，减少了器件的使用。大功率的白光LED灯，增加了传输距离；接收端用高通、低通滤波器，放大电路等处理信号后，经过TDA2030经典电路驱动扬声器发声，声音质量好，无明显失真。随着人们对VLC研究的多方面深入，相信会有越来越多的便利人们的设计，本设计则为以后的新设计奠定了一定基础，具有很大的意义。
参考文献
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论文作者:胡雅婷,陈洋 胡惠 王海波 陈伟
论文发表刊物:《科技中国》2018年1期
论文发表时间:2018/7/18
标签：信号论文; 电路论文; 模块论文; 可见光论文; 电信号论文; 系统论文; 音频论文; 《科技中国》2018年1期论文;