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基于LED的可见光一对多音频传输系统设计

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李金佳刘子琪李涛姜东晓

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（VisibleLightCommunication，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（LightEmittingDiode，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HeraldHaas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（DualOperationalAmplifiers），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。

2.2.2LED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3.3V3W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