融合PLC的LED可见光通信音频传输系统的研究
：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，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。
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，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。
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，经过简单的放大电、高速驱动电和接收电，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。
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，由这些设备的孔输出音频信号，例如歌曲;
2)电源模块：负责将 220V 交流电为系统用的5V直流电，可以采用USB接口为电供电;
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。
LED驱动模块电如图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，8Ω。
目前，380V或220V低压电力线是用户最多的线，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，秦勇老婆王芳接入负载类型多样，同时低压电力线均匀的传输线，所以电力线通信具有变化较大，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。耦合电将调制好的信号耦合到电力线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、耦合电等组成了PLC适配器。
打开电脑中的一个MP3音频文件作为音频测试信号，先采用1W功率的LED光源，当收发距离较近时，扬声器传出洪亮饱满的歌曲，音质很好，没有明显失真。随着距离增加，歌曲声音减弱，分析其原因，是由于系统没有设计自动增益控制电，所以随着传输距离的增大，接收端光电信号幅度会有明显衰减[12]，下一步将考虑加入自动增益控制电以自动调节信号增益。当更换功率为3W的大功率LED光源后，在保持输出信号音量和音质不变的情况下，传输距离得到延长。经实验测试，在50cm传输距离内，扬声器传出的歌曲无明显失真，实验传输效果良好。如果在无线光信道中采用聚光器，则系统的音频传输距离还会延长。
实验测试过程在同一变压器下的电力线上进行，电脑输出的音频信号与PLC适配器1相连，PLC适配器1与电源插座1相连;LED可见光音频传输系统的发射板与PLC适配器2相连，PLC适配器与电源插座2相连。连接组成的系统实物图如图7所示。
实验系统搭建好后，电脑输出的MP3 音频文件作为音频测试信号，先通过电力线传输至VLC发射板，再经过可见光无线信道传输至VLC接收板，接收板输出信号至有源音箱驱动扬声器发声。实验测试表明，收发距离较近时，可以实现音频信号的传输，但扬声器发出的声音偏小，声音保真度不够高，音质较差。分析其原因有两方面，一方面，系统中有一部分传输线采用了普通网线，不是音频信号的理想传输线，对音频信号产生一定干扰和衰减;另一方面，音频信号经过电力线传输时会受到干扰和较大衰减。这些都是融合PLC的可见光通信系统在面临应用前需要进一步研究解决的问题。
本文利用可见光通信原理，组建了简单可行的LED可见光通信音频传输实验系统，该系统无需模数转换电、组建方便、性能稳定，利用生活中常用的电脑(或手机、收音机等)、有源音箱和设计简单的电，实现了音频信号的可见光通信传输。实验测试表明，在3W大功率LED光源直射下，系统可以在50cm传输距离内输出音质较好的音频信号。在该系统基础上，通过增加电力线通信模块，组建融合PLC的LED可见光通信音频传输实验系统，进行了尝试性实验，初步实现了音频信号在低压电力线和无线光信道中的传输，但音频信号受到一定的干扰和衰减，为提高输出的音频信号的音质，还需要进一步研究改善，以便实现该系统的实用化。
[2]袁卫文,蒯震华,吕振彬.基于VLC的室内无线视频语音通信系统的设计和实现[J].计算机测量与控制,2015, 23(03):946-948.
[9]杨立伟,侯聪,.可见光通信与电力线融合技术研究[J].电信网技术,2014(02):58-61.