基于大功率白光LED的可见光音频传输系统设计与实现

郑淑军

摘 要：可见光通信是一项新兴基于白光LED的无线光通信技术能够同时实现照明和通信双重功能。实现一种使用大功率白光LED音频传输系统。发射端使用24V单电源运放将音频信号放大后驱动大功率三极管控制LED发光，实现音频信号传输。接收端采用光敏二极管接收设计低噪声前置放大电路，系统实现了音频信号无失真传输。

关键词：可见光通信 大功率白光LED 低噪声前置放大器 音频传输

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0007-02

一、引言

白光LED具有高亮度、低功耗、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型的照明光源[1]。与普通光源比较， 可见光LED 因其高速调制特性已被应用在中短距离光纤通信中， 将照明与无线通信融于一体， 逐渐发展成为一种新兴的光无线通信技术。光无线通信技术与射频无线通信相比， 有无需频带申请、造价低等许多优点。本文选用10w大功率白光LED作为发光器件，光敏二极管作为接收器件，采用光强度调制/直接探测系统，设计实现了音频信号传送系统。

二、系统设计

1.系统方案

大功率白光LED 可见光音频传输系统如图1 所示，包括发送端和接收端两个子系统，可见光发送端子系统包括直流电源模块、信号输入模块与可见光通信发送模块；可见光接收端子系统包括直流电源模块、可见光通信接收模块与信号输出模块等。发射端电路将待传输的音频信号转换成便于在光载波上传输的信号，经白光LED 驱动电路将电信号调制成LED 的光载波强度变化的光信号，以光束的形式发射到大气信道中进行传输，再由光电探测器接收光信号，将光信号转换成电信号，接收端电路对转换后的信号进行放大后驱动音箱，并将音频信号还原出来。

2.电源设计

利用单片式开关稳压器LM2576-ADJ 替代线性稳压器构成串联开关式稳压电源，在电路中只需增加续流二极管和储能电感和滤波电容分压取样电阻等几只元器件，使电路更加简洁，除具有线性电源宽范围连续可调的优点外，同时使电源效率得到了大幅度提高，电路原理图如图2所示。

3.可见光发送端设计

选用市场普通10W大功率白光LED作为发光器件，音频信号经电容C1取样后，通过LM358放大后驱动功率三极管2N3055，控制LED发光。这样就将音频信号变成了亮度变化的光信号，音频信号变化较快，亮度变化眼睛基本不可见。直流偏置电压的设计，电路设计中静态时C1相当于断开，电路相当于电压跟随器，运放输出电压相当于同相端输入电压，调整电位器VR1使同相端输入电压约为12V左右，输出直流电压也为12V，此时动态响应范围最大。交流信号放大倍数设计，Av=-R14/R15=-2倍[2]。LED亮度设计，通过调整基极限流电阻R5的大小，可以调整通过三极管Q1的电流，通过电流大的时候，LED亮度高，电流小的时候LED亮度低。限流电阻R5的大小选取，电路设计过程中先使用20K可调电阻串联运放U1的输出端与三极管Q1的基极之间，调整可调电阻的大小观察亮度和音频传送效果，电阻值为2.1K时LED通过约1A电流，LED工作在额定功率，随电阻值逐渐变大LED亮度逐渐变低，在10K时LED通过约100mA电流，在这个范围内音频信号传输都能满足系统设计需求。可见光发送端电路原理图如图3所示：

4.可見光接收端设计

可见光接收端接收LED发出的亮度变化的白光，使用光电检测电路得到与亮度相关的电压信号，并经过放大电路放大后接功放电路输入端。可见光接收端电图如图4所示。光电探测器是光接收端的核心器件，由于PIN 光电二极管的光电转换线性度好、响应速度快、价格较低且无需高工作电压，满足系统对光电检测：光电探测器的光谱范围、光电转换效率、响应速度、线性度等的要求， 所以本设计中的光电探测器采用PIN 光敏二极管。

PIN光敏二极管检测到LED发出的光，光线的亮暗影响光敏二极管中电流的大小，通过5.1KΩ采样电阻采集到与光敏二极管中的电流成正比的电压，用4.7μF电容将电压中与音频信号相关的交流电压信号分离出来，并通过LM358放大后送入集成功放输入端。初级放大电路中采用交流放大电路设计，同相输入端接偏置电压为系统工作提供合适的静态工作点，通过调整电位器VR1使同相输入端电压约为4.5V，交流电压放大倍数为反向输入放大，放大倍数Av=-R19/R8=-1倍。次级放大电路采用直流放大设计，将直流信号和交流信号同时放大，放大倍数A=1+R12/R10=2.33倍，次级电路采用直流放大较采用交流放大时动态效果好，在频率较高时信号没有失真，只是幅度有所降低。音频信号经两级放大后经过电位器R14输出值功放电路输入端，调整电位器位置可以调整系统输出音量。

5.功放电路设计

功放电路采用集成功放模块TDA2030实现，该模块是许多电脑有源音箱所采用的Hi-Fi功放集成块。它接法简单，价格实惠。额定功率为14W，功放后面接8Ω音箱输出音频信息。功放电路图如图5所示：

三、系统测试

为了验证可见光通信音频传输系统的传输效果，在实验室内对系统进行测试， 观察音频信号在可见光上传输的接收效果。将发射端架置于工作台上，接收端面向LED在0.5至10米移动，使用MP3播放音乐将输出接发送端，在接收端音箱能听到MP3播放的音乐，音质优美，未见噪声，使用不透光物体遮挡光路后，声音消失，此时亦未见噪声。

为了进一步测试系统性能，使用信号发生器将正弦波信号接入音频输入端，在功放输出端使用示波器观察输出波形。在白光LED 覆盖区域内，语音信号频率为100 Hz～12KHz之间， 示波器所见波形未见失真。随着输入信号频率的增加功放输出端信号从10Khz时幅度逐渐减小，在频率为12KHz时信号幅度减小到最大幅度的五分之三。图6-图9分别是音乐信号、100Hz、5KHz和12KHz输入时功放输出端的信号波形。在图6中绿色信号是从发送端LED处测得，如图3中R21和LED中间位置，黄色信号是功放输出信号。图7-图9信号是功放输出信号。

利用白光LED构建短距离可见光音频传输系统，实现了音频信号在可见光上无失真传输。系统在较高频率时信号放大倍数有所降低，与系统选择器件的带宽有关，可以选择高性能的运放提高系统高频性能。

参考文献

[1]刘宏展，吕晓旭，王发强.白光LED照明的可见光通信的现状及发展[J].光通信技术，2007（7）：53-56.

[2]胡宴如.模拟电子技术基础（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2008.