利用LED照明光進(jìn)行無(wú)線(xiàn)音頻信號(hào)傳輸?shù)男阅苎芯?/h1>
2019-02-07 05:37鐘海泉鐘靜盧洪斌
無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技 2019年22期
鐘海泉 鐘靜 盧洪斌
摘? ?要：文章對(duì)設(shè)計(jì)的LED可見(jiàn)光音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。結(jié)果分析表明，設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓庹{(diào)制及電路參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍內(nèi)的高質(zhì)量寬帶音頻可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸。
關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;音頻傳輸;發(fā)光二極管照明
1? ? 可見(jiàn)光通信簡(jiǎn)介
近年來(lái)，可見(jiàn)光通信得到了廣泛、深入的研究，可應(yīng)用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位中[1-4]。當(dāng)前，音響系統(tǒng)的信號(hào)傳輸主要通過(guò)有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞揭部赏ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸，通過(guò)室內(nèi)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明光進(jìn)行室內(nèi)范圍音頻信號(hào)的傳輸比較少見(jiàn)?？梢?jiàn)光信號(hào)傳輸可利用室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，室內(nèi)LED照明可同時(shí)兼顧照明和信號(hào)傳輸功能，具有使用成本低、無(wú)輻射、不占用無(wú)線(xiàn)頻譜、安全節(jié)能、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，特別在各種音響系統(tǒng)的信號(hào)傳輸上，能保障高保真音頻信號(hào)的傳輸，對(duì)于提升音響系統(tǒng)的性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)。除此之外，室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)信號(hào)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(jiàn)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[4-5]，且實(shí)現(xiàn)的音頻可見(jiàn)光傳輸不是基于室內(nèi)照明環(huán)境的，而是特定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可見(jiàn)光音頻傳輸[8-9]。本文提出一種基于室內(nèi)可見(jiàn)光照明環(huán)境下的音頻信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸裝置，采用比較簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)制方式，發(fā)送端通過(guò)音頻信號(hào)調(diào)制LED照明燈的發(fā)光強(qiáng)度，通過(guò)可見(jiàn)光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送。接收端由光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號(hào)，通過(guò)低噪聲信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)功放信號(hào)驅(qū)動(dòng)音箱工作，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號(hào)的功能。
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、成本低、信號(hào)室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號(hào)的功能。系統(tǒng)室內(nèi)照明空間為6 m×6 m×3 m，9個(gè)LED陣列光源LED分布于6 m×6 m的室內(nèi)吊頂平面上，圖1為L(zhǎng)ED可見(jiàn)光照明模型。
2? ? 系統(tǒng)性能測(cè)試及分析
圖2為輸入音頻信號(hào)，幅度為5 V，頻率分別為80 Hz，1 KHz，5 KHz時(shí)，接收信號(hào)幅度變化曲線(xiàn)。從測(cè)試結(jié)果得出：當(dāng)可見(jiàn)光信號(hào)傳輸距離超過(guò)3 m后，由于信號(hào)衰減，接收信號(hào)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(hào)幅度都很小，這是因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)中主要考慮2 KHz以?xún)?nèi)音頻信號(hào)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(jiàn)光傳輸帶寬和信號(hào)衰減沒(méi)關(guān)系。如需傳輸5 KHz及以上頻率的信號(hào)，需在電路設(shè)計(jì)中提高放大電路模塊的工作帶寬。
為測(cè)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(hào)發(fā)生器連接發(fā)送端的音頻輸入端口并輸出信號(hào)幅度分別為1 V，3 V，5 V的音頻信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，測(cè)量接收端放大電路輸出信號(hào)的幅度變化曲線(xiàn)。如圖3所示，系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。可見(jiàn)光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬，如極品音響系統(tǒng)可把工作帶寬提高到幾十KHz。圖3的測(cè)量結(jié)果也說(shuō)明發(fā)送信號(hào)的幅度從5 V減小到1 V，放大后的接收信號(hào)幅度減小較少，對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的影響不明顯。相對(duì)于無(wú)線(xiàn)電波傳輸音頻信號(hào)，可見(jiàn)光傳輸音頻信號(hào)的信噪比提高很多，說(shuō)明通過(guò)可見(jiàn)光傳輸音頻信號(hào)的可靠性更高[8-9]。
3? ? 結(jié)語(yǔ)
本文利用LED照明光的高帶寬資源設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)光無(wú)線(xiàn)傳輸裝置能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號(hào)傳輸功能。從測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)可見(jiàn)光信號(hào)傳輸距離超過(guò)3 m后，噪聲干擾明顯，測(cè)試得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz?？梢?jiàn)光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：恰當(dāng)設(shè)置光調(diào)制參數(shù)及電路參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的寬帶音頻可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸。
[參考文獻(xiàn)]
[1]盧洪斌，梁祚銓.可見(jiàn)光室內(nèi)定位系統(tǒng)的信道模型及其仿真分析[J].光學(xué)儀器，2017（2）：64-69.
[2]劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng).白光LED照明的可見(jiàn)光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光通信技術(shù)，2009（7）：53-56.
[3]TANAKA Y，KOMINE T，HARUYAMA S，et al.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights[J].IEICE Trans Commun，2003（8）：2440-2454.
[4]MINH H L，OBRIEN D，F(xiàn)AULKNER G.100 Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J].IEEE Photon Technol Lett，2009（15）：1063-1065.
[5]王旭東，徐憲瑩，吳楠，等.室內(nèi)可見(jiàn)光OFDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào)，2015（11）：1106-1112.
[6]云文岳.室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.
[7]王虹，蔡喜平.基于白光的可見(jiàn)光通信研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2014（1）：5-9.
[8]薛德寬，黃興洲，位浩杰，等.基于LED可見(jiàn)光通信的音頻傳輸演示儀[J].物理通報(bào)，2015（8）：82-85.
[9]沈年鳳，張洪明，姚敏玉.基于無(wú)線(xiàn)可見(jiàn)光通信的雙向語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)[J].光電子·激光，2014（10）：1900-1905.
鐘海泉 鐘靜 盧洪斌
摘? ?要：文章對(duì)設(shè)計(jì)的LED可見(jiàn)光音頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。結(jié)果分析表明，設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓庹{(diào)制及電路參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍內(nèi)的高質(zhì)量寬帶音頻可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸。
關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信;音頻傳輸;發(fā)光二極管照明
1? ? 可見(jiàn)光通信簡(jiǎn)介
近年來(lái)，可見(jiàn)光通信得到了廣泛、深入的研究，可應(yīng)用于短距離的高速信息傳輸和室內(nèi)定位中[1-4]。當(dāng)前，音響系統(tǒng)的信號(hào)傳輸主要通過(guò)有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞揭部赏ㄟ^(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸，通過(guò)室內(nèi)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明光進(jìn)行室內(nèi)范圍音頻信號(hào)的傳輸比較少見(jiàn)?？梢?jiàn)光信號(hào)傳輸可利用室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單向傳輸，室內(nèi)LED照明可同時(shí)兼顧照明和信號(hào)傳輸功能，具有使用成本低、無(wú)輻射、不占用無(wú)線(xiàn)頻譜、安全節(jié)能、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，特別在各種音響系統(tǒng)的信號(hào)傳輸上，能保障高保真音頻信號(hào)的傳輸，對(duì)于提升音響系統(tǒng)的性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)。除此之外，室內(nèi)LED照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)信號(hào)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(jiàn)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[4-5]，且實(shí)現(xiàn)的音頻可見(jiàn)光傳輸不是基于室內(nèi)照明環(huán)境的，而是特定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可見(jiàn)光音頻傳輸[8-9]。本文提出一種基于室內(nèi)可見(jiàn)光照明環(huán)境下的音頻信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸裝置，采用比較簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)制方式，發(fā)送端通過(guò)音頻信號(hào)調(diào)制LED照明燈的發(fā)光強(qiáng)度，通過(guò)可見(jiàn)光強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送。接收端由光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號(hào)，通過(guò)低噪聲信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)功放信號(hào)驅(qū)動(dòng)音箱工作，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號(hào)的功能。
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、成本低、信號(hào)室內(nèi)覆蓋范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光視距高保真?zhèn)鬏斠纛l信號(hào)的功能。系統(tǒng)室內(nèi)照明空間為6 m×6 m×3 m，9個(gè)LED陣列光源LED分布于6 m×6 m的室內(nèi)吊頂平面上，圖1為L(zhǎng)ED可見(jiàn)光照明模型。
2? ? 系統(tǒng)性能測(cè)試及分析
圖2為輸入音頻信號(hào)，幅度為5 V，頻率分別為80 Hz，1 KHz，5 KHz時(shí)，接收信號(hào)幅度變化曲線(xiàn)。從測(cè)試結(jié)果得出：當(dāng)可見(jiàn)光信號(hào)傳輸距離超過(guò)3 m后，由于信號(hào)衰減，接收信號(hào)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(hào)幅度都很小，這是因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)中主要考慮2 KHz以?xún)?nèi)音頻信號(hào)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(jiàn)光傳輸帶寬和信號(hào)衰減沒(méi)關(guān)系。如需傳輸5 KHz及以上頻率的信號(hào)，需在電路設(shè)計(jì)中提高放大電路模塊的工作帶寬。
為測(cè)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(hào)發(fā)生器連接發(fā)送端的音頻輸入端口并輸出信號(hào)幅度分別為1 V，3 V，5 V的音頻信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率，測(cè)量接收端放大電路輸出信號(hào)的幅度變化曲線(xiàn)。如圖3所示，系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz。可見(jiàn)光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬，如極品音響系統(tǒng)可把工作帶寬提高到幾十KHz。圖3的測(cè)量結(jié)果也說(shuō)明發(fā)送信號(hào)的幅度從5 V減小到1 V，放大后的接收信號(hào)幅度減小較少，對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的影響不明顯。相對(duì)于無(wú)線(xiàn)電波傳輸音頻信號(hào)，可見(jiàn)光傳輸音頻信號(hào)的信噪比提高很多，說(shuō)明通過(guò)可見(jiàn)光傳輸音頻信號(hào)的可靠性更高[8-9]。
3? ? 結(jié)語(yǔ)
本文利用LED照明光的高帶寬資源設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)光無(wú)線(xiàn)傳輸裝置能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻信號(hào)傳輸功能。從測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)可見(jiàn)光信號(hào)傳輸距離超過(guò)3 m后，噪聲干擾明顯，測(cè)試得出系統(tǒng)工作頻帶寬度為2 KHz?？梢?jiàn)光音頻傳輸如用于高質(zhì)量的音響系統(tǒng)里，需進(jìn)一步提高工作帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：恰當(dāng)設(shè)置光調(diào)制參數(shù)及電路參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)范圍高質(zhì)量的寬帶音頻可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸。
[參考文獻(xiàn)]
[1]盧洪斌，梁祚銓.可見(jiàn)光室內(nèi)定位系統(tǒng)的信道模型及其仿真分析[J].光學(xué)儀器，2017（2）：64-69.
[2]劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng).白光LED照明的可見(jiàn)光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].光通信技術(shù)，2009（7）：53-56.
[3]TANAKA Y，KOMINE T，HARUYAMA S，et al.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights[J].IEICE Trans Commun，2003（8）：2440-2454.
[4]MINH H L，OBRIEN D，F(xiàn)AULKNER G.100 Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J].IEEE Photon Technol Lett，2009（15）：1063-1065.
[5]王旭東，徐憲瑩，吳楠，等.室內(nèi)可見(jiàn)光OFDM通信系統(tǒng)調(diào)光控制技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào)，2015（11）：1106-1112.
[6]云文岳.室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.
[7]王虹，蔡喜平.基于白光的可見(jiàn)光通信研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體光電，2014（1）：5-9.
[8]薛德寬，黃興洲，位浩杰，等.基于LED可見(jiàn)光通信的音頻傳輸演示儀[J].物理通報(bào)，2015（8）：82-85.
[9]沈年鳳，張洪明，姚敏玉.基于無(wú)線(xiàn)可見(jiàn)光通信的雙向語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)[J].光電子·激光，2014（10）：1900-1905.
