融合PLC的LED可见光通信音频传输系统的研究

作者 王 涛1 陈 超1 胡文芳2 1.青海民族大学 物理与电子信息工程学院(青海 西宁 810007) 2.西宁市第二十八中学(青海 西宁 810007)

摘要：针对音频信号的可见光通信传输，给出一种简单可行、性能稳定的LED 可见光通信音频传输实验系统。该系统利用生活中常用的电脑(或手机等)、有源音箱和简单的电路，在3W大功率LED光源直射下，实现了50cm传输距离内良好的音频信号传输。在该系统基础上，尝试性地组建了融合PLC的LED可见光音频传输实验系统，初步实现了音频信号在融合PLC的系统中的短距离传输，对于输出音频信号的音质存在进一步研究改善的空间。

引言

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术使得白光发光二极管(Light Emitting Diode，LED)灯既能照明，又可以将音频信号高速调制到LED灯光上，进行较短距离的传输。这种可见光音频通信方便可靠、电磁辐射小、能耗低，适宜在一定场合应用^[1-2]，因而引起诸多科研人员的研究。参考文献[3]采用10W功率LED灯和高精度音频专用功率放大器，实现可传输模拟信号5m以上的可见光通信系统。参考文献[4]设计了一种采用脉冲宽度调制的LED强光手电可见光应急通信系统。参考文献[5-6]采用可编程芯片及外围电路实现LED室内可见光语音单向通信系统。参考文献[7] 利用单片机控制音频编解码芯片，实现了通信距离可达40m，最高传输速率为2.5Mbit/s的全双工实时语音对讲。

本文组建了一种易于实现的LED可见光通信音频传输实验系统，系统利用电脑或手机的音频输出作为音频信号源，无需模数转换电路，经过简单的放大电路、高速驱动电路和接收电路，由有源音箱对接收转换后的信号进行放大滤波输出。在此基础上，根据电力线通信 (Power Line Communication，PLC) 原理，增加PLC模块，组建了融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统，并进行了音频信号传输实验测试。

1 可见光通信音频传输实验系统组成

LED可见光通信音频传输实验系统由音频信号源、电源模块、发射板、无线光信道、接收板、有源音箱几部分构成，系统框图如图1所示。

(1)音频信号源：利用电脑、手机、MP3音频文件、收音机等作为音频信号源，由这些设备的耳机孔输出音频信号，例如歌曲;

2)电源模块：负责将 220V 交流电转化为系统用的5V直流电，可以采用USB接口为电路供电;

3)发射板：负责对音频信号源送来的信号进行电光转换，将电压变化转化为电流变化，以驱动LED灯，使其亮度发生变化，使音频模拟信号变化转变为光信号的强度变化，从而以可见光形式在信道中进行无线传输。发射板主要包括音频放大模块、LED驱动模块和LED光源模块。

音频放大模块电路如图2所示，核心元件采用功耗低、电压增益可调、谐波失真小的音频集成功放LM386。

LED驱动模块电路如图3所示，核心元件采用具有电流放大作用的S9013 NPN型小功率三极管，最小特征频率为150MHz。

LED光源模块可以接入两种LED光源。一种是高度集成、体积很小的1W功率LED阵列光源，发光半功率角为10°～120°。另一种是体积较大，但直射距离更远，光通量可达到100LM 的3W功率LED光源。

接收板负责将接收到的光信号还原成与发射端变化相同的电信号。接收板主要包括光接收模块，考虑到PIN光电二极管的光电转换线性度较好，响应速度较快，价格较低等优势，所以核心元件采用普通PIN光电二极管接收可见光信号，光接收模块电路如图4所示。

有源音箱负责将接收板输出的信号进行放大、滤波，驱动扬声器传出声音。本系统采用型号为M-1117的有源音箱，平均输出功率2W，阻抗8Ω。

2 融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统组成

目前，380V或220V低压电力线是用户最多的线路，除了提供电能之外，低压电力线还可以进行电力线通信。电力线通信主要用于同一变压器范围内，以低压电力线为信道，需要传输的信号经过调制，由发送端耦合器将载有信息的信号送到电力线上传输，接收端耦合器将信号取出后进行解调，获得原始信号^[8-9]。由于低压配电网拓扑结构复杂，接入负载类型多样，同时低压电力线是非均匀的传输线，所以电力线通信具有阻抗变化较大，信号衰减较大的特点^[10-11]。

融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统在前面所述系统基础上增加了PLC模块，系统框图如图5所示。音频信号源输出的音频信号接入RJ45网络接口1，单芯片QCA6410是高通公司推出的一款用于电力线通信的芯片，负责处理信号。耦合保护电路将调制好的信号耦合到电力线上传输。RJ45网络接口2将电力线传输过来并经过处理的信号送入可见光通信发射板中。RJ45网络接口、QCA6410、耦合保护电