基于STM32的VLC 音频传输系统

郝相林，高小珂，刘宁艳

（西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）

可见光通信（VLC）技术是一种采用可见光波段频谱传输信息的新型通信技术[1-3]。采用白光 LED作为光源的可见光通信技术，能够低成本地实现照明和通信功能，适用于多种场合，具有传输速率高、能耗低、无电磁干扰、使用寿命长、绿色环保等优点[4]，随着无线接入网技术的更新发展，可见光通信技术将具有很大的研究价值和应用前景。VLC技术一经问世就受到了世界各国的关注并迅猛发展，取得了一个又一个突破性的成果。目前对可见光通信技术的研究主要集中在高速通信[1]，国内研究更偏向于室内高速通信和高精度定位[4]。

本文针对 VLC技术在无线音乐播放器方面的应用，提出了一种基于STM32的白光LED可见光通信的局域网音频传输系统，实验结果表明，该系统能够顺畅播放计算机中的音乐文件，在采用1 W白光LED光源时有效传输距离可达3 m。其他相似的可见光通信系统[5-7]在采用模拟通信时往往只能达到 30 cm 的传输距离，借助昂贵的光电检测模块才能达到较远的通信距离，而本系统采用STM32F107VC控制实现的模拟通信，在结构上更为简单，不采用聚光和反射等手段就可实现近3 m的有效传输距离，通信距离和信噪比都较高。相比数字通信系统，省去了接收端的解调模块，成本低廉，更加小型化，对环境要求低，可应用于多种应用场景。

1 基本原理及方案设计

1.1 可见光通信原理

可见光通信技术是利用 LED发出高速明暗闪烁信号来传输信息，是一种绿色环保的无线通信接入技术。白光LED相比其他光源具有更高的调制带宽，可以在大范围内安全传输信号[8]。由于白光LED具有高速调制特性，因此可以将音频信号调制到LED可见光上实现信息传输[9-12]。基于白光LED的可见光音频传输系统架构如图1所示。

图1 可见光通信原理示意图

通信系统包括发射、信道传输和接收3部分。携带音频信息的原始数字信号解码恢复成模拟信号后，对LED进行强度调制，进而将电信号转换为光信号发射到空间中。承载着音频数据的光信号在空间中传播，接收机采用光电转换元件获取这些信号。光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号，经滤波处理后导入扬声器恢复为音乐。

1.2 方案设计

本文设计并实现了一个基于 UDP网络协议和可见光通信技术的局域网音频传输系统,并使用STM32F107VC作为主控芯片。系统主要用于近距离传输音频信号，因此采用模拟音频信号进行可见光调制，在简化设计的同时降低了成本。该系统由服务器、发射端和接收端组成，如图2所示。

图2 系统架构

（1）服务器用于存储音乐文件，在播放时读取音乐文件并将文件通过 UDP协议以数据流的方式发送给发射端。

（2）发射端由STM32主控芯片、W5500以太网通信模块、VS1053音频解码模块和可见光调制电路组成，主控芯片与各模块间采用SPI通信。W5500模块连接发射端系统控制模块与服务器的网络接口，将来自服务器的数据经转换后送入系统控制模块。系统控制模块将数据写入VS1053模块解码恢复为音频信号，经 LED调制模块调制为可见光信号发射到空间中。VS1053模块是一种单片音频解码器，它包含硬件解码芯片 VS1053，可将 MP3/AAC/WMA/MIDI格式的音频数据恢复成模拟信号。LED调制模块中包含了一个三极管放大电路，采用LWW5SM白光LED作为光源，通过光强度调制将电信号转换为光信号。

（3）接收端由可见光接收电路和喇叭组成，可以捕获空间中的可见光信号并将其中的信息转换为音频信号播放出来。考虑到PIN 光电二极管具有光电转换线性度较好、响应速度较快、价格较低等优势，所以光电接收模块核心器件采用 PIN 光电二极管 BPX65接收可见光，将光信号转换为电信号。

2 系统实现

2.1 硬件电路部分

本文系统实现可见光通信的硬件电路可分为发射端和接收端。

2.1.1 发射端电路

发射端电路实现了信号调制和可见光发射功能，如图3所示，包含音频信号调整和可见光调制2部分。调制是指使待传输的信号加载到光波的过程，可见光调制就是通过改变载波的振幅、强度、频率等方法，使可见光携带信息[11-12]，可通过三极管放大电路来实现，如图3中可见光调制部分。这部分电路利用LED的光调制特性将调整后的音频模拟电信号转换为光信号，其工作原理是为白光LED提供适当的偏置电流和调制电流，同时实现通信和照明功能。白光LED根据结构，可分为单芯片和多芯片2种类型。单芯片型的LED是将蓝光、紫光或某一单色 LED作为光源，配合荧光粉发白光，调制速率和发光效率较高，适于作为通信调制光源。传输音频信号不需要很大的带宽，出于经济性和实用性的考虑，本系统采用市面上常见的LWW5SM作为光源。

图3 发射端电路图

电路中选用的运算放大器型号为 LM833，具有16 MHz的增益带宽，其余元件取值已在图中标出。音频信号调整部分对前级 VS1053音频解码模块输出的音频模拟信号进行放大和滤波，便于后级可见光发射电路依据电流信号调制光信号；采用电容C1将由前级输入音频信号中的直流分量去除，然后通过一个带RC低通滤波的反向比例器对其进行放大或者缩小并去掉高频噪声。

在电路中取电阻电容参数为C1=1 μF、C2=1 nF、R1=10 kΩ、R2=8 kΩ。该环节的传递函数如式（1）所示，则下限截止频率约为15.72 Hz、上限截止频率约为19.65 kHz。中频增益为-1.95 dB。

2.1.2 接收端电路

完成通信还需要可见光信号接收电路，硅基 PIN光电探测器的波长响应范围为0.4～1.1 μm，很适合作可见光信号检测，目前绝大多数VLC系统均采用PIN光电二极管[4]。设计中采用硅基PIN光电二极管作接收探测器，组成一个互阻抗放大电路来接收光信号。接收端光电检测部分电路主要由两级运放电路组成，如图4所示。前级运放电路将接收到的光信号转换为电信号，再经过后级的高通滤波电路消除直流偏置，得到载有原始音频信息的电信号，将其输入到音响即可播放出音乐。在该系统采用 PAM8403功放芯片的典型应用电路对信号进行功率放大后送入扬声器播放出音乐。

图4 接收端电路图

前级光电检测电路采用 BPX65光电二极管作为检测元件，接受可见光信号转换得到电信号。后级运放电路构成一个带增益的有源高通滤波器。按图4中的电路参数进行电路指标估算，记中频带增益为Am、上限截止频率为fB、下限截止频率为fA，则：

2.2 软件部分

该系统的控制程序分为 2部分，分别是采用Python语言编写的上位机程序和采用 C语言编写的单片机程序。服务器中上位机软件控制系统音乐播放，在播放音乐时进行实时音频数据传输。上位机软件主体为一个有限状态机，有等待播放音乐和播放音乐2个状态，播放音乐时，将音频文件一帧一帧地发送给单片机系统，直到文件传输完成。单片机系统的控制程序主要功能同样也是由一个有限状态机实现的，包括待命和播放2个状态，播放状态下控制发射端不断接收来自服务器的 UDP数据包并写入VS1053芯片进行解码。程序的设计如图5所示，其中图5(a)为上位机的程序流程，图5(b)为单片机的程序流程。

图5 程序设计流程图

3 实验与分析

如图6所示，实验装置包括发射端、接收端、服务器、网线、遮光板。其中服务器为一台配置了上位机软件的计算机，服务器与发射端之间通过网线连接并组网。

测试时输入正弦交流信号，用示波器检测输出信号。用信号发生器输出交流电压信号来代替音频信号进行测试，向可见光调制电路输入1.3 V直流电压和幅值在0.5 V以下交流电压的耦合信号。在测试中，使 LED灯正对着光电 PIN管，随发射端和接收端之间的距离逐渐增大，音乐声逐渐减小直到消失，最大传输距离可达3 m。测试过程中若光线传播途径被遮挡，音乐声也会消失。为了测量系统的频率响应，保持发射端和接收端的距离为 15 cm，输入幅值为 1 V的交流电压信号，改变其频率进行测试，测得系统在人耳听觉范围20～2 000 Hz范围内不失真，测试中部分频率下波形如图7所示，其中同一波形图中上下2个波形分别为输入信号和接收到的信号。在发射端输入1 kHz正弦信号，改变发射端和接收端的距离，测得信噪比（SNR）与距离的关系曲线如图8所示。实验测试结果表明，在1 m距离内系统工作较稳定，抗干扰能力强，随距离增大，接收到的光强减弱，音频信号失真越大，信噪比越低。

图7 改变频率时的测试系统波形图

图8 信噪比随传输距离的变化

4 结语

本系统使用 LED发射装置将音频信号以可见光方式发出，利用接收装置获得可见光，并将其恢复为音频信号，实现了开环传输功能。当光线被遮挡时，音频信号传输中断，歌曲播放自动中断，光线恢复后立即恢复歌曲播放。系统结构简单，造价低廉，能播放出清晰的音乐，仅使用一个1 W的LED灯作光源时，系统音频信号有效传输距离可达3 m。此外，本系统还实现了UDP网络传输功能，将系统接入互联网中，只要网络延迟足够低，局域网内任意一台安装了上位机程序的计算机都可以向此系统传输音频文件并进行播放，拓展了系统的实用性。