鐘海泉，葉 韓，雷喻然，何應(yīng)勇，盧洪斌

(百色學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

0 引言

可見光通信近年來得到了廣泛深入的研究，可用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位應(yīng)用中[1-4]。當(dāng)前音響系統(tǒng)的信號傳輸主要通過有線傳輸?shù)姆绞?無線傳輸?shù)姆绞揭部赏ㄟ^無線電波進(jìn)行音頻信號傳輸，通過室內(nèi)LED照明光進(jìn)行室內(nèi)范圍音頻信號的傳輸比較少見?？梢姽庑盘杺鬏斂衫檬覂?nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號的單向傳輸，室內(nèi)LED照明可同時(shí)兼顧照明和信號傳輸功能,具有使用成本低、無輻射、不占用無線頻譜、安全節(jié)能、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，特別在各種音響系統(tǒng)的信號傳輸上，能保障高保真音頻信號的傳輸，對于提升音響系統(tǒng)的性能具有明顯的優(yōu)勢，除此之外，室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)信號的全覆蓋，便于靈活布置音響裝置，為特殊的音響效果提供了便于實(shí)施的條件。

當(dāng)前可見光信息傳輸涉及的調(diào)制技術(shù)比較復(fù)雜，成本高、穩(wěn)定性不佳[4-7],且實(shí)現(xiàn)的音頻可見光傳輸不是基于室內(nèi)照明環(huán)境的,而是特定的點(diǎn)對點(diǎn)的可見光音頻傳輸[8，9]。本文提出一種基于室內(nèi)可見光照明環(huán)境下的音頻信號無線傳輸裝置，采用比較簡單的信號調(diào)制方式，發(fā)送端通過音頻信號調(diào)制LED照明燈的發(fā)光強(qiáng)度,通過可見光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)信號發(fā)送。接收端由光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號，通過低噪聲信號放大電路實(shí)現(xiàn)功放信號驅(qū)動(dòng)音箱工作，實(shí)現(xiàn)了可見光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號的功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、成本底、信號室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光照模型

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成。發(fā)送端由音頻信號輸入接口、音頻放大電路和陣列LED及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；接收端由光電轉(zhuǎn)換器、放大電路及音響系統(tǒng)所組成，其中放大電路由前置放大電路和功率放大電路兩部分構(gòu)成。

圖1 LED可見光無線音頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1 發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

發(fā)送端電路實(shí)現(xiàn)音頻信號調(diào)制放大和LED驅(qū)動(dòng)的功能，輸入的音頻信號經(jīng)過耦合電容后在三極管的基極加上和音頻信號同步變化的電流，經(jīng)過三極管的電流放大作用下，驅(qū)動(dòng)陣列LED發(fā)光。驅(qū)動(dòng)電流的大小與LED的發(fā)光強(qiáng)度呈正比關(guān)系，電路實(shí)現(xiàn)了音頻信號對LED的光調(diào)制。輸入音頻信號同步連接到四個(gè)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路輸入端,分別驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的4個(gè)LED陣列光源。

1.2.2 接收端電路設(shè)計(jì)

接收端光電轉(zhuǎn)換由TEMT6000光電模塊完成，TEMT6000對可見光敏感，最大光電轉(zhuǎn)換效率對應(yīng)波長為 570 nm，在10流明到1000流明的光照度范圍，其輸出光電流與光照度為線性關(guān)系，保證了接收到的調(diào)制可見光信號轉(zhuǎn)換為光電流時(shí)信號失真可以在一定的范圍內(nèi)忽略不計(jì)。另外，該器件對紅外光不敏感，避免了紅外光噪聲對接收信號的干擾，選擇作為可見光接收端光電轉(zhuǎn)換器可以明顯提高接收信號的信噪比。

音響前置放大電路對電壓信號進(jìn)行放大，輸出的信號在后級進(jìn)行電流放大，高品質(zhì)的前置放大必須加入降噪的措施，通過內(nèi)置的濾波電路，可以更好地濾除夾雜的諧波信號，前置放大電路如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)低噪聲前置放大，使電路的噪聲系數(shù)達(dá)到最小值，本設(shè)計(jì)的前置放大器使電路的噪聲系數(shù)大大減小，明顯地提高了系統(tǒng)的信噪比，減少外界干擾的影響。

圖2 前置放大電路圖

音頻功率放大器的作用是把來自前級放大器的弱信號放大，產(chǎn)生足夠大的電流去推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。音頻功放的主要性能指標(biāo)有輸出功率，頻率響應(yīng)，失真度，信噪比，輸出阻抗，阻尼系數(shù)等。一些極品音頻功放的頻響已經(jīng)做到0～100 kHz。

功率放大電路原理圖如圖3所示，用TDA2030做成OTL形式的功放。電路中的R27(150 kΩ)與R28(4.7 kΩ)電阻決定放大器閉環(huán)增益。R28電阻越小增益越大，但增益太大也容易導(dǎo)致信號失真。

圖3 功率放大電路圖

2 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

音頻發(fā)送端的音頻信號輸入端接信號發(fā)生器，測量不同頻率音頻輸入信號下可見光信號傳輸不同距離時(shí)接收信號幅度變化曲線,輸入音頻信號幅度為5V,頻率分別為80 Hz、1 kHz、5 kHz時(shí)，測量接收信號幅度變化情況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出當(dāng)可見光信號傳輸距離超過3 m后，由于信號衰減,接收信號幅度較小,噪聲干擾明顯。同時(shí)觀察到在不同傳輸距離接收的5 kHz信號幅度都很小,這是由于電路設(shè)計(jì)中主要考慮2 kHz以內(nèi)音頻信號的傳輸,接收端電路放大模塊工作帶寬有限的結(jié)果,與可見光傳輸帶寬和信號衰減沒關(guān)系，如需傳輸5 kHz及以上頻率的信號,需在電路設(shè)計(jì)中提高放大電路模塊的工作帶寬。

實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，滿足一定的調(diào)制幅度和光照強(qiáng)度條件，接收端均可正常接收發(fā)送的音頻信號。發(fā)送端音頻輸入端分別接80Hz和3kHz 的幅度為3V正弦信號時(shí)，距離發(fā)送端2m處接收端接收的信號波形如圖4、圖5所示。測量發(fā)現(xiàn)接收頻率低于2.5 kHz的音頻信號時(shí),信號波形無失真,沒有明顯的噪聲干擾。接收頻率高于3 kHz的音頻信號時(shí),信號波形開始出現(xiàn)失真，波形有明顯的噪聲信號,這是接收端放大電路帶寬限制的結(jié)果。

圖4 調(diào)制信號幅度為3V,頻率為80 Hz時(shí)，接收信號波形

圖5 調(diào)制信號幅度為3V,頻率為3kHz時(shí)，接收信號波形

為測量系統(tǒng)的工作頻帶寬度,設(shè)定發(fā)送端與接收端的距離為2 m,信號發(fā)生器連接發(fā)送端的音頻輸入端口并輸出信號幅度分別為1V、3V、5V的音頻信號。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出信號頻率，測量接收端放大電路輸出信號的幅度變化情況，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)送信號的幅度從5V減小到1V，放大后的接收信號幅度減小較小，對接收信號質(zhì)量的影響不明顯。相對于無線電波傳輸音頻信號，可見光傳輸音頻信號的信噪比提高較大，說明通過可見光傳輸音頻信號的可靠性更高。

3 結(jié)論

本文利用LED照明光的高帶寬資源,設(shè)計(jì)的音頻信號光無線傳輸裝置能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號傳輸功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光無線音頻信號傳輸質(zhì)量與光信號傳輸距離、音頻調(diào)制信號幅度、室內(nèi)光照強(qiáng)度分布、接收端放大電路工作帶寬以及光電轉(zhuǎn)換模塊對波長和光照信號強(qiáng)度響應(yīng)度有關(guān)系,恰當(dāng)設(shè)置和選擇這些參數(shù),可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的音頻可見光無線信號傳輸。