基于白光通信实现音频无线传输的设计与研究

曾政，李亮，房晓鋌（华南师范大学 信息光电子科技学院，广东 广州　510006）

基于白光通信实现音频无线传输的设计与研究

曾政，李亮，房晓鋌
（华南师范大学 信息光电子科技学院，广东 广州510006）

文中设计了一款以白光LED，PIN管和MOS驱动芯片TC4427为基础的白光LED通信系统。系统包括发射机和接收机，发射机利用音频线对语音信号进行采集，用555定时器实现对语音信号的脉冲位置调制，已调信号经TC4427驱动芯片让LED进行高速闪烁，实现了语音信号的调制与光发射。接收机由PIN管、选频放大电路、整形电路、脉位解调电路、低通滤波电路、音频放大电路组成，在十几米的距离上能很好地实现白光LED语音通信，可以满足家庭各种音频通信，取代信号线，使家电更美观、安全。

白光LED；脉位调制；音频通信；PIN管；选频放大

电磁辐射一般指频率由3 kHz至300 GHz的电磁波辐射，随着众多电器的广泛应用给人带来莫大利益的同时，亦难以避免地会使生产环境或生活环境受到电磁辐射的污染［1］。在目前这种需要大量射频通信的情况下，射频频段已基本上被分配完，应用无线电通信需要申请频段，随意用射频通信极有可能干扰到周边的通信系统，例如干扰军用雷达、干扰广播电台、干扰飞机的控制导航系统等，而利用白光LED无线通信则不存在以上问题。

除此之外，天线长度也是限制射频通信的重要因素。半波天线是辐射能力比较强的天线，其辐射电阻约为70 Ω［2］，但一般电磁波的波长都比较长，例如100 MHz的电磁波半波长为1.5 m，低于100 MHz频率的半波长将更长。另外，辐射方向性较好的天线阵要求所有天线总长度远大于辐射波长［2］。天线长度使发射机和接收机的体积变得很笨重，使其难以应用于家庭的各种通信当中。

正是因为射频通信存在危害问题、尺寸问题、频段分配问题，本设计尝试用白光LED通信在一定程度上取代射频通信和有线通信。白光LED通信还是一种基本无电磁辐射危害、节能、便携的绿色通信，其研究意义是非常大的。

1　系统组成

该系统总体结构如图1所示，分为发射机和接收机两部分。其中发射机由麦克风及音频处理电路、脉位调制电路和驱动LED的TC4427光发送电路组成；接收机则由PC10-6B光电二极管、整形电路、信号解调及还原电路与音频功率放大器组成。

图1　系统结构

2　脉冲位置调制的优点及原理

对脉冲信号的调制一般有脉幅调制、脉宽调制、脉位调制。脉幅调制的调制信号幅度随基带信号而变，其缺点是调制信号在传输的过程中，容易受到干扰信号的干扰而使脉冲包络失真，造成基带信号的不可恢复。脉宽调制的调制信号虽然在一定的外界干扰的情况下，即使脉冲的包络有明显的失真，也能较好地保持脉冲宽度不变，但是，为了滤除其它的白光干扰信号，接收机往往设计了针对载波信号的选频滤波器，方波通过选频滤波器后会变成正弦波，正弦波再整形成方波后，其占空比相对发射信号的占空比会发生变化，使信号失真。脉位调制则能较好地解决以上两个因素带来的失真，一方面，信道中的其它干扰信号与有用信号的叠加，尽管使信号包络及脉冲宽度产生很大的失真，但是其脉冲的相对位置不容易受到干扰信号的影响，另一方面，脉位调制具有更高的光功率利用率和频带利用率［3］。因此，脉位调制具有较好的抗干扰能力。

脉冲位置调制器（PPM）采用以555定时器为核心的调制电路。当定时器的5脚电压比6脚高时，输出电压为正，当定时器5脚电压低于6脚电压时，输出电压为0［4］。根据555定时器的这些特点，设计脉冲位置调制电路如图2所示。

图2　脉位调制电路

3　LED驱动与光发送电路

发射光的强度将直接决定通信的距离和效果，考虑到LED的电容特性和大电流性，如果用高速运算放大器则驱动能力不足，如LM7171高速运放的最大输出电流仅为100 mA，选用音频功率放大器则速率不够，如常见的TDA2030通频带仅为2～20 kHz。最终选用高速MOS驱动芯片TC4427对555定时器输出的脉位调制信号进行放大，TC4427具有驱动能力强（输出电流高达1.5 A），开关速度快（响应时间40 ns）的特点，可以很好地驱动多个白光LED进行高速开关。

4　光电探测器的选用

常见的光电探测器有光敏电阻、光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管等，其性能比较如表1［5］所示。光敏电阻的光谱相应范围在可见光区，其阻值会随着光强的变化而变化，但是响应速度很慢；PIN光电二极管的P区和N区之间加入了本征层I，当光子通过二极管时，由本征吸收在结的两边产生空穴-电子对，在耗散区的内建电场驱使下，结两边的光生载流子各自向相反方向运动，进而产生光电流［6］，具有皮秒级别的响应速度；雪崩光电二极管与光电二极管类似，不过其增益大了许多 （＞1 000），工作时需要加高压反向电压（30～300 V）；光电倍增管是一种真空管，入射光产生电子，经过倍增器电极板加速和增加，电流在经过多个倍增阶段后可以增加一百万倍，适用于探测单个光子，但它的高灵敏度也导致它易受环境光的影响，并且需要工作在高电压状态。

表1　各种光电探测器性能比较

综上所述，选用光电二极管作为接收机的探测器最合适。本系统使用First Sensor公司的PC10-6B型光电二极管。

5　白光探测与选频放大电路的设计

白光探测及选频放大电路如图3所示，PIN管、三极管Q1、Q2及其周围元件对光信号进行光电转换，转换成电信号后经三极管Q3～Q5进一步放大，最终使微弱光信号转换成较强的电信号，再送至后级电路作进一步的处理。

图3　白光探测及选频放大电路

在Q1、Q2两个三极管组成的放大电路中，PIN管未接到白光照射时截止，其阻抗非常大，不能给三极管Q1提供基极偏置电流，电路不工作。探测器接收到白光照射时导通，其阻抗减小，为三极管Q1提供偏置电流，白光信号经光电转换后被Q1放大，Q1射极信号经R1限流后进入Q2基极，使Q2处于放大状态，使探测到的信号进一步增大。相对于常见的用PIN管与电阻串联后取探测器两端电压信号的探测电路，这种配合放大器具有更高的增益，能探测到更微弱的信号。

RC选频网络和LC选频网络是常见的两大选频网络，LC网络由于选频特性好、通频带窄而被广泛应用于高频电路，在低频中由于通频带过窄难以使有用信号通过而很少应用。RC网络通常应用于低频电路，对于高阶有源带通滤波器而言，能较好地解决增益与选频特性的问题，具有较好的选频放大效果，但是较简洁的有源带通滤波器需要有正负电源来给运算放大器供电，给电源带来较大的要求，并且电路复杂。

考虑到以上提及的各种选频网络的优缺点，本设计采用了通常用于高频信号的LC网络，利用LC串联在中心频率附近阻抗小的特点，让LC串联后与射极电阻相并联，取消中心频率附近的电流串联负反馈，使中心频率附近的电流得到有效的放大，放大后的电流通过集电极的电阻而得到有效的电压放大。

共射电路的输入电阻约为1 kΩ，开路输出电阻为集电极负载电阻，本电路中为1 kΩ。由此可见，其输入输出电阻适中，阻抗匹配良好。

LC串联的Q值为：

在电感损耗电阻相近的情况下，Q与L成正比，因此增大电感可以增大Q值，从而减小通频带，减小电感则可以增大通频带。根据这一特点，合理地选择串联电感与电容的值，以得到合适的通频带。根据图3所示参数：L=100 μH，C= 100 nF，得中心频率为：

之所以选择小于发射载波频率55 kHz的中心频率f0= 50 kHz，是因为当载波受到调制时会出现小于50 kHz的方波，方波含有丰富的三次谐波，其峰值是基频峰值的1/3。三次谐波可能落在中心频率附近上而得到大幅通过，基频反而受到很大的衰减，如果经过滤波器使得三次谐波的输出分量比基频分量大，那将会使得输出频率为输入频率的三倍而导致严重失真。所以选择滤波器中心频率稍微低于载波中心频率，以防止这种失真。

Q3～Q5这三级放大器采用参数完全一致的三级共射级放大器级联以提高对微弱光信号的检测能力，三级放大器均采用LC串联网络的阻抗特性来取消中心频带附近的电流串联负反馈，使中心频率附近信号得到有效的放大，而其它干扰信号得到有效的截止。

6　解调电路设计

定时器的阈值输入和触发输入的包络信号就是语言信号。因此，只要在接收机里检出跟阈值输入和触发输入信号一致的信号，就可以进一步恢复出语音信号。脉位调制信号向“类调幅”信号的转换电路是一个电阻电容组成的一阶低通滤波器，如图4所示，只要充放电常数与调制电路的充放电常数一致即可转换成“类调幅”信号。

类调幅信号包络的保真度很大程度上取决于一阶低通滤波器的充放电时间常数RC，后级接入电路中的接入阻抗会影响检波电路的时间常数，接入阻抗小时会导致严重的失真。因此，在检波电路与后级电路相接之前，接入电压跟随器进行阻抗匹配。由运算放大器组成的电压跟随器具有非常大的输入电阻和很小的输出电阻［7］，在检波电路与后级电路中起到很好的匹配作用。

图4　脉位调制向“类调幅”信号转换电路

图4所示转换电路的实测效果如图5所示，其中检波后的“类调幅”信号的包络为正弦波。该波形与双边带调幅信号相似，其主要差别是：

1）载波为三角波，而双边带调幅信号的载波为正弦波；

2）上边包络与下边包络具有相同的上升或下降的趋势，即上包络上升时，下包络也上升；上包络下降时，下包络也下降。不同于双边带振幅调制信号，上包络上升时下包络下降，上包络下降时下包络上升。

鉴于检出来的信号与调幅信号存在以上两点不同，故称之为“类调幅”信号。

7　语音信号还原电路设计

本设计中的载波频率约为55 kHz，与音频信号2～20 kHz很接近，使得包络检波不适用。但是根据本设计中的“类调幅”信号的特点——上包络与下包络具有相同的变化动态，即同时上升或下降，可见只要将其较高频率滤除，剩下的就是包络信号，也即“类调幅”信号经过一个截止频率合适、下降沿陡峭的低通滤波器即可恢复出其包络信号，滤波器的理想传递函数为：

其中wvoice取2π×20 kHz。

由于脉位调制信号向“类调幅信号”转换时是利用一阶的RC低通滤波器实现的，其传递函数为：

图5　脉位调制向“类调幅”信号转换效果

于是，音频信号的恢复可以认为是脉位调制信号经过一个传递函数为F的滤波器来实现，其中F为：

本设计采用如图6所示的六阶有源低通滤波器来实现Flow（jw），该滤波器采用3个完全一样的二阶有源低通滤波器级联来实现，其中运算放大器采用LF353型号的支持单电源供电的运算放大器，电容全部采用1nF的瓷片电容，电阻全部采用10 kΩ的色环电阻。

图6　六阶有源低通滤波器

需要特别指出的是，由于本设计的有源滤波器采用单电源供电，对于一般的不含直流分量的信号滤波，则应该在滤波前加上合适的直流偏置。

对于第一级运放，由虚断、虚地的概念和各点的电流守恒，可以列方程解得其传递函数为［8］:

三级级联后的传递函数为：

其中w0=1/RC=100 krad/s，即f0=w0/2π=16 kHz，即截止频率为16 kHz，用此滤波器可以很好地滤除载波信号，对语音信号得到很好的恢复。实际所测得波形还原效果如图7所示，语音信号在实际电路中也得到了很好的恢复［9］。

图7　语音信号还原效果

8　结　论

该系统可以在使用单个LED灯珠的情况下实现5 m距离内的高保真音频传输，且抗干扰性强，可以代替传统家庭音频通信系统的有线线路或无线电线路；如果给LED加装聚光装置，还可以将距离提高至十几米甚至更远的距离，可以应用在户外手电筒上成为通讯手电。只要光照得到的地方便可以实现音频通信，光照不到的地方无法接收到信号，因而保密性也大大提高。用白光通信系统代替原有的射频通信系统具有很好的研究意义。

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［2］郭硕鸿.电动力学［M］.3版.北京：高等教育出版社，2008.

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Design and study on wireless audio transmission based on white LED

ZENG Zheng，LI Liang，FANG Xiao-ting
（School of information and Optoelectronic Science and Engineering，South China Normal University，Guangzhou 510006，China）

This paper has designed a white LED communication system based on white LED，PIN and MOSFET driver TC4427.The system includes a transmitter and a receiver.The transmitter uses an Audio cable to collect Audio signal，555 time base circuit has been used to delivering Audio signal by PPM.The modulated signal getting through the MOSFET driver TC4427 so as to driver the LED to high speed flashing.The transmitter above has accomplished the modulation of Audio signal and the emission of the LED light.The receiver consists of PIN，frequency selecting circuit，shaping circuit，PPM demodulation circuit，low pass filter and audio amplifier.The whole system can correspond with audio signal over 10 meters away，which is able to satisfy the need of audio signal corresponding with all kinds of household appliance and replace the signal wire so as to make the appliance more safety and tidier.

white LED；PPM；audio corresponding；PIN；frequency selecting amplifier

TN929.12

A

1674－6236（2016）11-0084-04

2015-06-23稿件编号：201506213

曾 政（1993—），男，广东饶平人。研究方向：可见光通信。