恩平市中等职业技术学校
白光LED具有较强的灵敏性和调制性，并且能够实现快速点灭，利用一定的调制技术将电信号加载到LED照明系统中进行信号传输，就能达到数据传输目的。白光LED可见光通信比以往的射频通信以及红外线通信更具优势，不仅具有较高的发射功率，还不会对人眼产生危害，并且成本相对较低，所以其在音频传输系统设计中应用，能够在很大程度上提高音频传输系统的运行水平。
1.基于白光LED可见光通信的音频传输系统设计原理
1.1可见光调制原理
调制是指在光波中加入需传输信号的过程，而光调制是指采用相关手段促使载波强度、振幅以及频率发生改变，从而通过载波来实现信息传输的过程。基于白光LED可见光通信的音频传输系统通过调制LED发光强度，利用LED驱动电路对白光LED发光进行控制，该驱动电路的基本运行原理是：将一定的调制电流与偏置电流给予白光LED，通过相对恒定的偏置电流驱动白光LED在超过阈值的线性工作区运行，从而使其具备照明性能[1]。
1.2光电转换原理
在本系统光电转换部分的设计过程中，选用了C12702-11APD模块，该模块主要包括高电压电源电路、APD、温度补偿电路以及信号放大电路等组成部分，可对微弱光线进行有效检测，并且只需外接+5伏电源就能顺利运行。
APD属于一种半导体光电检测装置，其拥有内部信号放大机制。对于一般的硅光电二极管，如果将一个光子输入其中，最多仅能产生一个信号，但若将一个光子输入到APD中，则至少能产生一个信号。在内部耗尽层处在高电场的状态中，会利用雪崩放大来达成这种效果。耗尽层电场的大小以及环境温度对APD增益有着决定性影响。所以，为了确保APD增益的稳定性，应当对偏压进行适当的温度补偿，而APD模块内部拥有一个微控制器，可以对其增益发挥稳固功能。
APD模块拥有一个由电压控制器、温度传感器以及高压发生器组成的偏压控制电路，能够有效设置APD增益，并确保其稳固性。温度传感器内的信息控制着APD的偏置电压，因APD模块必须在高电压状态下运行，而APD的偏执电压受控于电压控制器，因此需要通过高电压发生器将电压值从+5伏提升到+200到+300伏之间。在环境温度发生变化的过程中，APD的增益会在温度控制下得以合理调整且始终处于稳固状态。另外，电压电流转换电路的作用是对APD所输出的信号进行优化，以有效增强光电探测器的灵敏性。
2.基于白光LED可见光通信的音频传输系统总体方案设计
本文所设计的基于白光LED可见光通信的音频传输系统分为四个组成部分（如图1），具体如下：第一部分是上位计算机，第二部分是Zigbee信号中继主节点，第三部分是以PWM光调制与发射为基础的LED照明节点，第四部分是可见光接受和音频回放模块。
首先，本系统利用计算机进行上位机软件的编写工作，以通过解码MP3音频信号来获得PCM数据，然后利用蓝牙功能把数据信息传送到下位机。其次，下位机是以Zigbee为基础而构建的星形网络，其通过蓝牙功能接收到上位机所传送的信号之后，信号中继主节点通过串口读取相应的数据，之后再将这些数据传输到每一个子节点。基于接收到的数据，子节点利用调制技术把PCM转化成PWM信号，并将其用在对LED灯管的调制中。再次，光电二极管将接收到的光信号转化成较为微弱的电信号，并通过滤波电路、放大电路与电压判决电路处理电信号，以获得PWM信号。最终，系统利用D类功放与LC滤波对音频信号进行放大并还原。
3.基于白光LED可见光通信的音频传输系统软硬件设计
3.1上位机
设计人员通过C++程序来设计该系统中的上位机软件，具体设计可使用Visual Studio 2010软件平台中的MFC来进行，在该软件平台中的libzplay库创建相关对象，将待播放文件打开，然后选择播放功能即可解码MP3,利用调回函数能够获得时长为0.1秒的PCM缓存数据[2]。相应增加串口空间，并对串口波特率及其端口号进行合理设置，最后将串口打开即可利用蓝牙功能把PCM 数据传输到下位机部分。
3.2信号中继模块主节点
上位机软件利用蓝牙功能，把通过解码获得的PCM数据信息传输到信号中继主节点，而主节点利用以Zigbee为基础构建的星形网络将所接收数据及时传输到每一个节点。本文设计系统选用HC-06蓝牙模块，并选用CC2530片上系统作为Zigbee的主芯片。以增强型8051内核作为信号中继模块的内核，该内核使用较为便捷，并且还拥有功耗较少的无线射频通信功能，满足TI标准要求，并且具有相应的协议栈，能够有效提升软件开发的简易程度。
3.3 LED照明子节点
LED照明子节点的作用是添加于ZigBee网络内，同时可接收主节点利用ZigBee网络传输的数据与命令，并利用相关算法把所接收PCM数据转化成PWM信号，以对LED灯管进行有效调制。
为保证LED光线具有较高的无线光通信数据传输速率，本系统的LED驱动管采用N沟道MOS管60N02，该类驱动管具有较为显著的优点，其开关频率能够超过1兆赫兹，同时其导通电阻低至毫欧级，因此在对大电流负载进行驱动的过程中，该驱动管的发热量可以忽略不计。
现阶段，市面上常见的LED灯管功率约为20瓦，同时灯管前部通常都配置有相应的稳压电源，本文所设计系统采用的LED灯管前部稳压电源功率为36伏，CC2530输出PWM信号对LED驱动管进行控制，并把信号传输出去。因MOS管的G极具有结电容，所以，可添加10千欧电阻R2在电路中，以便于加快结电容放电速度，从而促使MOS管调制效果的最大化。
3.4光接收电路与音频回放电路
接收管是光接收电路内的主要构件之一，其功能是把光信号转化成可被系统识别的电信号。通常情况下由光接收管发出的电路相对较弱，同时还包含一定的噪音，所以要采取放大措施，并进行滤波。具体来讲，就是利用高阻抗跟随所接收信号，然后放大信号，同时利用电压判决对PWM信号进行还原，并利用D类功放与LC滤波电路还原并放大音频。
第一点，光接收电路。为提高光电转换速率，并获得具有较高线性度的信号，本文所设计系统通过硅光电二极管来接收相应的光信号，这里采用PIN管S8314作为光电二极管，该类光电二极管成本较低，工作电压也不高，不过其输出的信号较为微弱，所以要放大此类信号。本系统利用OP27运算放大器来放大光电二极管输出的电信号，此类放大器能够进行高速且精密的运算，并且所产生噪音较低。在此基础上设计的光接收电路不仅具有较强的码间抗干扰能力，还具有较宽的电路频带，以及较低的噪音。
第二点，高通滤波电路。为有效较低设计成本，本系统采用高通RC滤波器，高通滤波电路中的电容C值是0.1微法拉，电阻是1千欧，通过公式 计算，可以获得截至频率约为1千赫兹，能够将背景光以及日光灯产生的低频信号干扰有效滤除掉。
第三点，电压判决电路。本文所设计系统采用LM393来设计电压判决电路，高通RC滤波器所输出信号输入到运算放大器NE5532芯片的第3引脚，该芯片的第1引脚到第3引脚构成电压跟随器，其功能是将阻抗隔离起来。第5引脚到第7引脚构成同相放大器，其功能是有效放大相对弱小的信号[3]。信号被放大之后，进入到LM393的第3引脚，同第2引脚的电压做对比。如果第三引脚比第二引脚的电压低，第一引脚就输出高电平。如果第三引脚电压比第二引脚高，第一引脚就输出低电平。最后，通过CC2530采集这些信号，并对其进行处理。
第四点，功放电路。因电压判决电路所输出的信号是PWM信号，因此该系统以D类功放为最佳。
4.结语
总之，白光LED可见光通信的应用领域非常广泛，以该通信技术为基础而设计出的音频传输系统，在实现音频信号传输的过程中，不会产生电磁辐射与电磁干扰，可以说是一种绿色环保型技术。在音频传输系统设计中应用白光LED可见光通信技术时，设计人员必须充分掌握可见光调制原理与光电转换原理，从上位机、信号中继模块主节点、LED照明子节点以及光接收电路与音频回放电路等主要构成部分着手，以设计出优质、高效的音频传输系统。
参考文献
[1]陈泉润, 张涛, 郑伟波,等. 基于白光LED可见光通信的研究现状及应用前景[J]. 半导体光电, 2016, 37(4):455-460.
[2]王世举, 郜超军, 戚丽丽,等. 基于白光LED的可见光通信系统[J]. 激光杂志, 2016, 37(9):69-71.
[3]陈泉润, 张涛, 郑伟波,等. 基于白光LED可见光通信的研究现状及应用前景[J]. 半导体光电, 2016, 37(4):455-460.
论文作者:岑永赞
论文发表刊物:《科技尚品》2018年第10期
论文发表时间:2019/7/18
标签：信号论文; 电路论文; 可见光论文; 电压论文; 节点论文; 音频论文; 系统论文; 《科技尚品》2018年第10期论文;