基于LED或红外激光的可见光音频系统-Toy模板网

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1 前言

可见光通信技术,简称为VLC，这种技术手段在无线通信领域中最新成型，便能得以快速发展壮大。在接下来的一段时间之内，无论是在哪个领域，该项技术肯定会有很大的发展，跟现有的无线通信技术形成强有力的竞争，对人类文明的进步产生巨大的影响。如果我们想要建设室内可见光通信网络，我们需要进行以下两个步骤：第一，在公共照明设施上加以数据传输功能第；二，将通信和室内光源有机结合。这样便能达到构建VLC的目的，从而让信息数据等可以从服务器无线传输到客户端。

通信行业必是各种电子信息技术里的一大主题。人们仅从通信行业中某一方面来看，比如说移动通信方面，全球的各种移动的通信用户的数量将越来越多，越来越壮大。尽管人们对无线通信的需求是井喷式的增加方式，但是对于整个无线电行业而言，这并没有发生多么显著的改变。与之恰恰不同，无线频谱匮乏这个致命缺陷却在人们对其汲取不断攀升的情况下暴露无遗。所以，尚未被科学家开发利用的电磁波频段，即可见光，便可作为新的载波频段，而被我们加以利用并进行适当的开发。

2 可见光通信系统分析

2.1 可见光通信

2.1.1 LED或激光可见光通信概述

众所周知LED或激光这种发光器件，调制的方法简单方便，而可见光通信技术，就是根据LED或激光器件的方便调制的特点，将信号加载到LED或激光上，在空气大气中发射出人的眼睛不能够识别分辨的高速光波信号，然后在接收端用敏感原件接收含有带传输信号的光，经过一定的方法处理后得到原始的信号。

光通信的系统模型是一定的，由通信的定义可知，发射模块和接收模块是组成系统模型的两个重要组成。发射端主要的作用是发射待传输的信号，它可以把待传输的信号进行处理，处理后的信号是适用于LED或激光的，将处理好的信号给到LED或激光上，于是发射端的LED或激光就有了我们要传输的信号的内容。而且由于发射端信号的变化导致了加载LED或激光上的信号也会相应的发生同等类型的变化，比如说幅值变大变小，频率变高变低等都可以。接收端的主要任务就是将光中的信号提取出来，这种转换方式就是光信号转化为电信号。因为接收到的信号都非常小，并且因为外界环境的因素，会产生一定的噪声，所以滤波器部分和放大在接收模块的前端都是被需要的，另外如果需要数字信号，可以将得到的信号给到信号处理设备或芯片，得到人们想要的信号。

2.1.2 本系统分析

本系统基于可见光通信技术，将音频信号调制到LED或激光上，并且由发射端的光电探测器来检测该音频信号，并且最后经过放大滤波功率放大后，由扬声器播放该音频信号。

2.2 调制解调原理

什么是调制，调制就是在取一个信号后，并将其作为基本的信号，让这个基本信号作为信号的载体，将我们要传输数据或者是其他的我们想要传播的数据，加载到这个载体上，使这两个信号结合，并能使载体信号随着输入信号的改变实现改变，让其成为一个动态变化的过程。用于调制的方法很多，按照各种方法可以将其分为好多种。

光调制本质上就是一种进行信息信号的叠加的方式，以载波的方式来完成这个过程装置的调制器。调制器可以使待传输的信号在光源的光波信号基础上进行一些参量的改变，通常在改变这些参量时候，一般都改变信号的幅值、振动的频率、信号的相位变换还有波长等。光调制的应用范围非常广，在距离的测量和通信方面都有广泛的使用，

什么是解调，从字面意思就可以看出，这个步骤的主要作用就是信号的提取，因为在接收端接收的信号是载体信号和带传输信号的结合信号，两个信号的结合有的是需要的有的是不需要的，解调的主要任务就是将这两个信号实现分离，并且分离的要好，确保信号的失真率低，信息能完美的分离开来。

2.3 光电检测器工作原理和特性

TEMT 6000是光敏传感器，由一个高灵敏可见光光敏（NPN型）三极管构成，可以将捕获的微小光线变化并放大100倍左右。
可应用于对可见光线变化较灵敏的场合，如照明控制、屏幕背光控制等
工作电压：3.3~5 V

2.4 扬声器

扬声器，也就是人们俗称的喇叭，同时也可以称作为音箱。可以将电信号转化为声音信号。扬声器对于声音信号的质量来说特别重要，但是其更容易受到损坏。扬声器有各种各样的形状和种类，并且由于构成或者材料的使用导致了扬声器的价格也是不尽相同的，并且有时候价格会有极大的差异。当交流的电信号给到线圈时，线圈就会由于力的作用带动纸盆震动，而且随着输入信号频率和幅值的改变，纸盆的振动幅度和频率也会改变。纸盆振动带动空气震动，所以可以发出声音。

3 方案设计

将要传输的信号加到光波的过程叫“调制”，光调制就是通过改变载波(光波)的振幅、强度、频率等方法，使载波携带信息的过程。

本系统由发射模块、电源模块、接收模块三个构成。系统原理框图如图3.1所示。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土 5 V、士 9 V 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土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，将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。

基于LED或红外激光的可见光音频系统

图3.1 方案系统框图

另外此外实验所用的电路板对电路设计的大小要求很高，而且在布局和焊接上要越精炼越好，而由于该方案已能满足基本设计和提高设计的要求，而且它的原理更简单易懂，直观明了，元件更少，连线更方便，焊接更可靠，且比较容易实现，所以最终选用了此方案。

4 单元模块设计

4.1 各单元模块功能介绍及电路设计

4.1.1 发射电路

基于LED或红外激光的可见光音频系统

图4.1 LED发射电路原理图

基于LED或红外激光的可见光音频系统

图4.2 红外激光发射电路原理图

工作原理：将微弱的音频信号加载到LED灯光或红外激光上，起到发送信号的功能。如图4.1和4.2所示，整个发射模块的主要器件是两个运算放大器，一个NPN三极管，和一个白光 LED 灯或红外激光。运放构成的电压跟随器保证输入稳定的2.5V 直流电压，运放构成的同向加法器，将音频信号加载到输入的2.5V 直流电压上，一起通过三极管放大，驱动 LED 发光。耳机插孔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和 R5组成射极偏置电路，是为了给三极管提供稳定工作点，是模拟电路设计中常用的电路。R6和R7用于分压提供2.5V叠加直流电压。信号与直流电源叠加后使LED或红外激光保持发光状态，灯光的频率随输入信号的改变而改变，传感器的电压大小也随灯光的变化而变化，从而实现电信号到光信号的转换。

4.1.2 接收与滤波电路

工作原理：接收部分首先被 TEMT6000 光传感器将光信号还原为电信号，再将信号通过高通滤波电路和低通滤波电路，使通过的信号为20Hz到20KHz之间，再通过放大电路处理，然后输入到扬声器。滤波器的作用是过滤掉不需要的信号，它可以将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比，滤掉不需要的频率成分。放大器的作用就是把信号放大，但不区分是有用信号还是无用信号，所有通过放大器的信号都能被放大。本模块先滤波再放大。

基于LED或红外激光的可见光音频系统

图4.3 滤波电路原理图

如图4.3所示，滤波电路使用了Fliege 高通滤波器和Fliege 低通滤波器组成了一个20Hz到20kHz的有源带通滤波器，主要器件有OP07，电阻，电容，Fliege滤波器采用了双运放结构，相对于单运放结构的滤波器他是一种成本较高的滤波器，但是他对拐点频率或者Q值有非常强的控制能力，可以非常方便的进行调整，滤波效果比较好。

4.1.3 放大电路

基于LED或红外激光的可见光音频系统

图4.4 放大电路原理图

工作原理：如图4.4所示，该部分电路主要由OP07芯片组成，构成负反馈电路，以达到放大的作用，电路的输出电压与输入电压的大小成正比例，相位差为0度，放大倍数为v0=1+R3R2vi，实际电路中把R3改为可调电阻，使放大倍数可调，主要实现对信号的放大，以便于后面的功放电路正常工作。

4.1.4 功放电路

工作原理：如图4.5所示，本模块主体是TDA2030，这个模块主要包含负反馈电路、输入、输出隔直电路和消振电路。200k电阻,10k电阻和10uF到地电容构成负反馈回路。

信号进入扬声器驱动电路后，通过1uF隔直电容以交流耦合的方式接到后面的放大电路，然后经过TDA2030，再经过输出隔直电路，用电容C3将直流滤掉，只输出交流信号。消振电路由1欧电阻和220nF电容串联跨接在输出跟地之间，形成消振电路，防止电路自激振荡+VCC端和-VEE端的100uf和0.1uf电容称为去耦电容，目的是去除电源端带来的干扰和稳定电源。

图4.5 功放电路原理图