基于白光通信實現(xiàn)音頻無線傳輸?shù)脑O計與研究

曾政，李亮，房曉鋌（華南師范大學 信息光電子科技學院，廣東 廣州　510006）

基于白光通信實現(xiàn)音頻無線傳輸?shù)脑O計與研究

曾政，李亮，房曉鋌
（華南師范大學 信息光電子科技學院，廣東 廣州510006）

文中設計了一款以白光LED，PIN管和MOS驅動芯片TC4427為基礎的白光LED通信系統(tǒng)。系統(tǒng)包括發(fā)射機和接收機，發(fā)射機利用音頻線對語音信號進行采集，用555定時器實現(xiàn)對語音信號的脈沖位置調(diào)制，已調(diào)信號經(jīng)TC4427驅動芯片讓LED進行高速閃爍，實現(xiàn)了語音信號的調(diào)制與光發(fā)射。接收機由PIN管、選頻放大電路、整形電路、脈位解調(diào)電路、低通濾波電路、音頻放大電路組成，在十幾米的距離上能很好地實現(xiàn)白光LED語音通信，可以滿足家庭各種音頻通信，取代信號線，使家電更美觀、安全。

白光LED；脈位調(diào)制；音頻通信；PIN管；選頻放大

電磁輻射一般指頻率由3 kHz至300 GHz的電磁波輻射，隨著眾多電器的廣泛應用給人帶來莫大利益的同時，亦難以避免地會使生產(chǎn)環(huán)境或生活環(huán)境受到電磁輻射的污染［1］。在目前這種需要大量射頻通信的情況下，射頻頻段已基本上被分配完，應用無線電通信需要申請頻段，隨意用射頻通信極有可能干擾到周邊的通信系統(tǒng)，例如干擾軍用雷達、干擾廣播電臺、干擾飛機的控制導航系統(tǒng)等，而利用白光LED無線通信則不存在以上問題。

除此之外，天線長度也是限制射頻通信的重要因素。半波天線是輻射能力比較強的天線，其輻射電阻約為70 Ω［2］，但一般電磁波的波長都比較長，例如100 MHz的電磁波半波長為1.5 m，低于100 MHz頻率的半波長將更長。另外，輻射方向性較好的天線陣要求所有天線總長度遠大于輻射波長［2］。天線長度使發(fā)射機和接收機的體積變得很笨重，使其難以應用于家庭的各種通信當中。

正是因為射頻通信存在危害問題、尺寸問題、頻段分配問題，本設計嘗試用白光LED通信在一定程度上取代射頻通信和有線通信。白光LED通信還是一種基本無電磁輻射危害、節(jié)能、便攜的綠色通信，其研究意義是非常大的。

1　系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)總體結構如圖1所示，分為發(fā)射機和接收機兩部分。其中發(fā)射機由麥克風及音頻處理電路、脈位調(diào)制電路和驅動LED的TC4427光發(fā)送電路組成；接收機則由PC10-6B光電二極管、整形電路、信號解調(diào)及還原電路與音頻功率放大器組成。

圖1　系統(tǒng)結構

2　脈沖位置調(diào)制的優(yōu)點及原理

對脈沖信號的調(diào)制一般有脈幅調(diào)制、脈寬調(diào)制、脈位調(diào)制。脈幅調(diào)制的調(diào)制信號幅度隨基帶信號而變，其缺點是調(diào)制信號在傳輸?shù)倪^程中，容易受到干擾信號的干擾而使脈沖包絡失真，造成基帶信號的不可恢復。脈寬調(diào)制的調(diào)制信號雖然在一定的外界干擾的情況下，即使脈沖的包絡有明顯的失真，也能較好地保持脈沖寬度不變，但是，為了濾除其它的白光干擾信號，接收機往往設計了針對載波信號的選頻濾波器，方波通過選頻濾波器后會變成正弦波，正弦波再整形成方波后，其占空比相對發(fā)射信號的占空比會發(fā)生變化，使信號失真。脈位調(diào)制則能較好地解決以上兩個因素帶來的失真，一方面，信道中的其它干擾信號與有用信號的疊加，盡管使信號包絡及脈沖寬度產(chǎn)生很大的失真，但是其脈沖的相對位置不容易受到干擾信號的影響，另一方面，脈位調(diào)制具有更高的光功率利用率和頻帶利用率［3］。因此，脈位調(diào)制具有較好的抗干擾能力。

脈沖位置調(diào)制器（PPM）采用以555定時器為核心的調(diào)制電路。當定時器的5腳電壓比6腳高時，輸出電壓為正，當定時器5腳電壓低于6腳電壓時，輸出電壓為0［4］。根據(jù)555定時器的這些特點，設計脈沖位置調(diào)制電路如圖2所示。

圖2　脈位調(diào)制電路

3　LED驅動與光發(fā)送電路

發(fā)射光的強度將直接決定通信的距離和效果，考慮到LED的電容特性和大電流性，如果用高速運算放大器則驅動能力不足，如LM7171高速運放的最大輸出電流僅為100 mA，選用音頻功率放大器則速率不夠，如常見的TDA2030通頻帶僅為2～20 kHz。最終選用高速MOS驅動芯片TC4427對555定時器輸出的脈位調(diào)制信號進行放大，TC4427具有驅動能力強（輸出電流高達1.5 A），開關速度快（響應時間40 ns）的特點，可以很好地驅動多個白光LED進行高速開關。

4　光電探測器的選用

常見的光電探測器有光敏電阻、光電二極管、雪崩光電二極管、光電倍增管等，其性能比較如表1［5］所示。光敏電阻的光譜相應范圍在可見光區(qū)，其阻值會隨著光強的變化而變化，但是響應速度很慢；PIN光電二極管的P區(qū)和N區(qū)之間加入了本征層I，當光子通過二極管時，由本征吸收在結的兩邊產(chǎn)生空穴-電子對，在耗散區(qū)的內(nèi)建電場驅使下，結兩邊的光生載流子各自向相反方向運動，進而產(chǎn)生光電流［6］，具有皮秒級別的響應速度；雪崩光電二極管與光電二極管類似，不過其增益大了許多 （＞1 000），工作時需要加高壓反向電壓（30～300 V）；光電倍增管是一種真空管，入射光產(chǎn)生電子，經(jīng)過倍增器電極板加速和增加，電流在經(jīng)過多個倍增階段后可以增加一百萬倍，適用于探測單個光子，但它的高靈敏度也導致它易受環(huán)境光的影響，并且需要工作在高電壓狀態(tài)。

表1　各種光電探測器性能比較

綜上所述，選用光電二極管作為接收機的探測器最合適。本系統(tǒng)使用First Sensor公司的PC10-6B型光電二極管。

5　白光探測與選頻放大電路的設計

白光探測及選頻放大電路如圖3所示，PIN管、三極管Q1、Q2及其周圍元件對光信號進行光電轉換，轉換成電信號后經(jīng)三極管Q3～Q5進一步放大，最終使微弱光信號轉換成較強的電信號，再送至后級電路作進一步的處理。

圖3　白光探測及選頻放大電路

在Q1、Q2兩個三極管組成的放大電路中，PIN管未接到白光照射時截止，其阻抗非常大，不能給三極管Q1提供基極偏置電流，電路不工作。探測器接收到白光照射時導通，其阻抗減小，為三極管Q1提供偏置電流，白光信號經(jīng)光電轉換后被Q1放大，Q1射極信號經(jīng)R1限流后進入Q2基極，使Q2處于放大狀態(tài)，使探測到的信號進一步增大。相對于常見的用PIN管與電阻串聯(lián)后取探測器兩端電壓信號的探測電路，這種配合放大器具有更高的增益，能探測到更微弱的信號。

RC選頻網(wǎng)絡和LC選頻網(wǎng)絡是常見的兩大選頻網(wǎng)絡，LC網(wǎng)絡由于選頻特性好、通頻帶窄而被廣泛應用于高頻電路，在低頻中由于通頻帶過窄難以使有用信號通過而很少應用。RC網(wǎng)絡通常應用于低頻電路，對于高階有源帶通濾波器而言，能較好地解決增益與選頻特性的問題，具有較好的選頻放大效果，但是較簡潔的有源帶通濾波器需要有正負電源來給運算放大器供電，給電源帶來較大的要求，并且電路復雜。

考慮到以上提及的各種選頻網(wǎng)絡的優(yōu)缺點，本設計采用了通常用于高頻信號的LC網(wǎng)絡，利用LC串聯(lián)在中心頻率附近阻抗小的特點，讓LC串聯(lián)后與射極電阻相并聯(lián)，取消中心頻率附近的電流串聯(lián)負反饋，使中心頻率附近的電流得到有效的放大，放大后的電流通過集電極的電阻而得到有效的電壓放大。

共射電路的輸入電阻約為1 kΩ，開路輸出電阻為集電極負載電阻，本電路中為1 kΩ。由此可見，其輸入輸出電阻適中，阻抗匹配良好。

LC串聯(lián)的Q值為：

在電感損耗電阻相近的情況下，Q與L成正比，因此增大電感可以增大Q值，從而減小通頻帶，減小電感則可以增大通頻帶。根據(jù)這一特點，合理地選擇串聯(lián)電感與電容的值，以得到合適的通頻帶。根據(jù)圖3所示參數(shù)：L=100 μH，C= 100 nF，得中心頻率為：

之所以選擇小于發(fā)射載波頻率55 kHz的中心頻率f0= 50 kHz，是因為當載波受到調(diào)制時會出現(xiàn)小于50 kHz的方波，方波含有豐富的三次諧波，其峰值是基頻峰值的1/3。三次諧波可能落在中心頻率附近上而得到大幅通過，基頻反而受到很大的衰減，如果經(jīng)過濾波器使得三次諧波的輸出分量比基頻分量大，那將會使得輸出頻率為輸入頻率的三倍而導致嚴重失真。所以選擇濾波器中心頻率稍微低于載波中心頻率，以防止這種失真。

Q3～Q5這三級放大器采用參數(shù)完全一致的三級共射級放大器級聯(lián)以提高對微弱光信號的檢測能力，三級放大器均采用LC串聯(lián)網(wǎng)絡的阻抗特性來取消中心頻帶附近的電流串聯(lián)負反饋，使中心頻率附近信號得到有效的放大，而其它干擾信號得到有效的截止。

6　解調(diào)電路設計

定時器的閾值輸入和觸發(fā)輸入的包絡信號就是語言信號。因此，只要在接收機里檢出跟閾值輸入和觸發(fā)輸入信號一致的信號，就可以進一步恢復出語音信號。脈位調(diào)制信號向“類調(diào)幅”信號的轉換電路是一個電阻電容組成的一階低通濾波器，如圖4所示，只要充放電常數(shù)與調(diào)制電路的充放電常數(shù)一致即可轉換成“類調(diào)幅”信號。

類調(diào)幅信號包絡的保真度很大程度上取決于一階低通濾波器的充放電時間常數(shù)RC，后級接入電路中的接入阻抗會影響檢波電路的時間常數(shù)，接入阻抗小時會導致嚴重的失真。因此，在檢波電路與后級電路相接之前，接入電壓跟隨器進行阻抗匹配。由運算放大器組成的電壓跟隨器具有非常大的輸入電阻和很小的輸出電阻［7］，在檢波電路與后級電路中起到很好的匹配作用。

圖4　脈位調(diào)制向“類調(diào)幅”信號轉換電路

圖4所示轉換電路的實測效果如圖5所示，其中檢波后的“類調(diào)幅”信號的包絡為正弦波。該波形與雙邊帶調(diào)幅信號相似，其主要差別是：

1）載波為三角波，而雙邊帶調(diào)幅信號的載波為正弦波；

2）上邊包絡與下邊包絡具有相同的上升或下降的趨勢，即上包絡上升時，下包絡也上升；上包絡下降時，下包絡也下降。不同于雙邊帶振幅調(diào)制信號，上包絡上升時下包絡下降，上包絡下降時下包絡上升。

鑒于檢出來的信號與調(diào)幅信號存在以上兩點不同，故稱之為“類調(diào)幅”信號。

7　語音信號還原電路設計

本設計中的載波頻率約為55 kHz，與音頻信號2～20 kHz很接近，使得包絡檢波不適用。但是根據(jù)本設計中的“類調(diào)幅”信號的特點——上包絡與下包絡具有相同的變化動態(tài)，即同時上升或下降，可見只要將其較高頻率濾除，剩下的就是包絡信號，也即“類調(diào)幅”信號經(jīng)過一個截止頻率合適、下降沿陡峭的低通濾波器即可恢復出其包絡信號，濾波器的理想傳遞函數(shù)為：

其中wvoice取2π×20 kHz。

由于脈位調(diào)制信號向“類調(diào)幅信號”轉換時是利用一階的RC低通濾波器實現(xiàn)的，其傳遞函數(shù)為：

圖5　脈位調(diào)制向“類調(diào)幅”信號轉換效果

于是，音頻信號的恢復可以認為是脈位調(diào)制信號經(jīng)過一個傳遞函數(shù)為F的濾波器來實現(xiàn)，其中F為：

本設計采用如圖6所示的六階有源低通濾波器來實現(xiàn)Flow（jw），該濾波器采用3個完全一樣的二階有源低通濾波器級聯(lián)來實現(xiàn)，其中運算放大器采用LF353型號的支持單電源供電的運算放大器，電容全部采用1nF的瓷片電容，電阻全部采用10 kΩ的色環(huán)電阻。

圖6　六階有源低通濾波器

需要特別指出的是，由于本設計的有源濾波器采用單電源供電，對于一般的不含直流分量的信號濾波，則應該在濾波前加上合適的直流偏置。

對于第一級運放，由虛斷、虛地的概念和各點的電流守恒，可以列方程解得其傳遞函數(shù)為［8］:

三級級聯(lián)后的傳遞函數(shù)為：

其中w0=1/RC=100 krad/s，即f0=w0/2π=16 kHz，即截止頻率為16 kHz，用此濾波器可以很好地濾除載波信號，對語音信號得到很好的恢復。實際所測得波形還原效果如圖7所示，語音信號在實際電路中也得到了很好的恢復［9］。

圖7　語音信號還原效果

8　結　論

該系統(tǒng)可以在使用單個LED燈珠的情況下實現(xiàn)5 m距離內(nèi)的高保真音頻傳輸，且抗干擾性強，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)家庭音頻通信系統(tǒng)的有線線路或無線電線路；如果給LED加裝聚光裝置，還可以將距離提高至十幾米甚至更遠的距離，可以應用在戶外手電筒上成為通訊手電。只要光照得到的地方便可以實現(xiàn)音頻通信，光照不到的地方無法接收到信號，因而保密性也大大提高。用白光通信系統(tǒng)代替原有的射頻通信系統(tǒng)具有很好的研究意義。

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Design and study on wireless audio transmission based on white LED

ZENG Zheng，LI Liang，F(xiàn)ANG 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稿件編號：201506213

曾 政（1993—），男，廣東饒平人。研究方向：可見光通信。