CN103532625A

CN103532625A - 白光led语音信号通信收发系统

Info

Publication number: CN103532625A
Application number: CN201310475894.5A
Authority: CN
Inventors: 袁丽; 江晓明; 朱娜; 朱轶; 刘涛
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明公开了一种白光LED语音信号通信收发系统，属于光电通信技术领域。本发明包括发射端和接收端，发射端包括语音信号采集设备、前置放大电路、A/D转换器、编码器、LED调制电路、白光LED灯，接收端包括光电检测器、放大均衡判决电路、解码器、D/A转换器、功率放大器和语音信号输出设备。本发明可利用现有LED灯进行语音信号的无线光传输，通过可见光来完成语音信号的无线发送和接收，使得在生活中更大范围的利用无处不在的光信号来传递信息，达到照明、通信并用，实现资源的重复利用。

Description

白光LED语音信号通信收发系统

技术领域

本发明属于光电通信技术领域，更准确地说，本发明涉及一种基于可见光无线通信系统的语音信号发送和接收设备。

背景技术

目前，近距离无线通信技术已经有多种实现方式。如有采用蓝牙技术进行的近距离无线语音通信的设计（参见“李志军、杜丽等：《矿井下基于蓝牙技术的语音通讯控制器设计》，载《计算机测量与控制》2009年第2期”）。但蓝牙设备具有功耗高、通信距离短、易受干扰等缺点。其它近距离无线通信技术还有UWB(超宽带)技术、ZigBee(无线传感器)技术等。这些技术都属于射频无线通信，具有成本较高、不易安装和需要使用无线电波等缺点。

近几年，随着我国经济的快速发展，人们对能源的需求量日益增加。高亮度发光二极管LED的应用已从显示领域逐步扩展到照明领域和灯光美化领域。被称为21世纪照明技术的第四代光源——白光LED具有低功耗、安全高效、绿色环保、低发热、长寿命等突出优点。同时，基于LED的高灵敏度和自由空间光通信的调制特性，LED照明系统还具有传输通信信号的能力，已经成为一种新兴的短距离高速无线通信系统。基于LED灯的可见光通信技术也逐渐发展起来。

由于复杂的环境情况对LED可见光无线通信不会造成太大的影响，因此可以设计白光LED的驱动电路从而顺利完成光电转化（参见“王进：《光转换白光LED研》，中国海洋大学2005年研究生学位论文”以及“王光峰：《白光LED驱动电路的研究及其电路的设计》，浙江大学2005年研究生学位论文”），实现照明和通信两用兼得。达到了既节能，又减少重复投资，从而降低成本投入的作用。室内可见光通信还可以方便地将无绳电话、PDA、笔记本电脑等便携设备接入到数据通信系统中，具有广阔的前景和显著的优势。

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有技术中近距离无线通信技术的不足，提供一种基于LED响应灵敏度高、自由空间光通信的调制特性的、利用白光LED灯进行可见光无线通信的语音信号收发系统。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的：白光LED语音信号通信收发系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括语音信号采集设备、前置放大电路、A/D转换器、编码器、LED调制电路、白光LED灯，语音信号由语音信号采集设备采集后经前置放大电路进行前置放大，然后经A/D转换器转换为数字信号送入编码器进行编码，编码器将编码后的信号加载到LED调制电路上驱动白光LED灯输出光脉冲信号；所述接收端包括光电检测器、放大均衡判决电路、解码器、D/A转换器、功率放大器和语音信号输出设备，光电检测器将接收到的光脉冲信号转换为电信号送入放大均衡判决电路进行放大均衡判决，然后经解码器解码后送入D/A转换器转换为模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后经语音信号输出设备进行语音输出。

本发明的进一步特征在于：所述编码器为曼彻斯特编码器，所述解码器为曼彻斯特解码器。

本发明的进一步特征在于：所述光脉冲信号的传输速率大于200bps。

本发明的进一步特征在于：所述光电检测器为硅PIN光敏二极管。

本发明的进一步特征在于：所述硅PIN光敏二极管的接收波长范围为400nm~700nm。

本发明的进一步特征在于：所述硅PIN光敏二极管的峰值响应波长为430nm～550nm

本发明的有益效果如下：本发明可利用现有LED灯进行语音信号的无线光传输，通过可见光来完成语音信号的无线发送和接收，使得在生活中更大范围的利用无处不在的光信号来传递信息，达到照明、通信并用，实现资源的重复利用。射频信号对人体有害不能无限制地增加发射功率，而LED照明光源发出的是可见光，更加绿色、安全，通信干扰少，且无需无线电频谱，因此本发明的语音收发系统具有安全环保、实用经济、节能易用等特点。

附图说明

图1 为本发明的系统框图。

图2 为白光LED灯的调制信号载波结构图。

图3 为LED调制电路和白光LED灯的电路图。

图4为本发明的解码原理图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的白光LED语音收发系统，包括发射端和接收端两个部分。发射端主要由语音信号采集设备（可如图1选用麦克风，也可选用其他语音信号采集设备）、前置放大电路（AGC）、A/D转换器、编码器、LED调制电路、白光LED灯等组成。发射端将采集的音频信号经过AGC放大后进行A/D转换；然后对数字信号进行编码；再将编码后的信号加载到LED调制电路上。接收端主要包括光电检测器、放大均衡判决电路、解码器、D/A转换器、功率放大器和语音信号输出设备（可如图1选用扬声器，也可选用其他语音信号输出设备）。接收端将光电检测器输出的电信号再生还原为数字信号；然后对信号进行解码；再进行D/A转换，最后还原为语音信号播放。

本发明中发射和接收这两部分，属于两个不同的线程，各自独立运行互不影响，只有这样才能形成全双工通信。

发射端的工作方式为：首先，在发射端连接5V左右的直流电压，经过偏置稳压器件，保证在发射装置上的电压为3.3V。待系统接通后，接入语音信号采集设备。播放音频时，语音信号经语音信号采集设备采集为音频模拟信号，再经过AGC放大后通过A/D转换器转换为数字信号。数字信号再经过编码器进行编码，然后将该编码信号加载到LED调制电路上，使之驱动白光LED灯发光并载波相关传输信息，从而通过可见光信号传输经过调制的音频信号。

为了防止传输中出现过多0而使灯不发光，可采用适合光传输的曼彻斯特编码。即当信号为‘1’时，编码为‘10’，信号为‘0’时，编码为‘01’。这样有利于系统时钟提取，提高系统的通信质量。白光LED灯调制信号载波结构如图2所示。

图3是LED调制电路和白光LED灯的电路结构。LED调制电路具有照明和调制两方面的功能。图3中VCC为接入电路的电压，电压为直流3.3V。R₁/C₁构成的并联电路主要是控制电路中电流恒定和防止电压突变，R₂/C₂和晶体三极管Q₁构成的反馈电路主要起控制LED两端电压的作用。根据LED两端的实际电压值V与亮灭门限电压值V _g比较，驱动白光LED发光。即在传送一串经编码后的语音信号时，当信号为‘1’时，LED两端的电压V>V _g，达到正常工作电压范围，LED发亮；当信号为‘0’时，LED两端的电压V<V _g，LED灯灭。在传输音频信号的过程中，经过曼彻斯特编码后的光脉冲信号传输速率很高，即LED灯的亮灭交替频率很高，所以在传输音频信号的同时，LED灯同时可以当做照明灯使用。

经实验测得，如果在白光LED调制电路上加载低于200Hz的数字信号时，人眼会感觉到LED的闪烁，所以光脉冲信号的传输速率应大于200bps。

接收端的工作方式为：首先，利用光电检测器进行光电检测。光电检测器具有光接收功能和光电转换功能，其作用是把接收到的光信号转换为电流。光接收功能负责收集LED灯发出的光信号，光电转换功能负责将光信号转换成电流信号，并将电信号放大。对光电检测器的要求是高光电转换效率、低附加噪声和快速响应。可选用硅PIN光电二极管作为本发明的光电检测器，硅PIN光电二极管的接收波长范围可为400nm~700nm，可滤除红外光干扰，峰值响应波长为430nm～550nm（蓝绿波段，白光LED正常工作时主要的发射波长）。然后，对光电检测器产生的光电流信号进行放大均衡判决。由于光电检测器产生的光电流信号比较微弱（一般为pA量级），要使信号能正确判决，需要放大、均衡。经过滤波后的电信号首先经过前置放大，前置放大后的信号的输出电压一般较低，无法满足后续均衡和判决电路所需的输入电压要求，需要进一步的信号放大。采用具有AGC（自动增益控制）功能的主放大器来实现信号的中间放大。经过主放大器后信号进行幅度均衡，其目的是对经空气传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。最后，对于放大均衡判决后的信号，经解码器解码后送入D/A转换器转换为模拟信号，由于经过这些步骤之后的信号衰减很大，需要功率放大器将模拟信号放大来满足语音信号输出设备（扬声器、耳机或者其他语音信号输出设备）的电压要求，才能通过语音信号输出设备播放传输的语音信号。

解码原理如图4所示，再生的编码信号经解码器进行解码。如发射端的编码器采用了曼彻斯特编码，此处解码需进行相应的曼彻斯特解码。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims

1.白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于，包括发射端和接收端，其中：

所述发射端包括语音信号采集设备、前置放大电路、A/D转换器、编码器、LED调制电路、白光LED灯，语音信号由语音信号采集设备采集后经前置放大电路进行前置放大，然后经A/D转换器转换为数字信号送入编码器进行编码，编码器将编码后的信号加载到LED调制电路上驱动白光LED灯输出光脉冲信号；

所述接收端包括光电检测器、放大均衡判决电路、解码器、D/A转换器、功率放大器和语音信号输出设备，光电检测器将接收到的光脉冲信号转换为电信号送入放大均衡判决电路进行放大均衡判决，然后经解码器解码后送入D/A转换器转换为模拟信号，模拟信号经功率放大器放大后经语音信号输出设备进行语音输出。

2.根据权利要求1所述的白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于：所述编码器为曼彻斯特编码器，所述解码器为曼彻斯特解码器。

3.根据权利要求1所述的白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于：所述光脉冲信号的传输速率大于200bps。

4.根据权利要求1所述的白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于：所述光电检测器为硅PIN光敏二极管。

5.根据权利要求4所述的白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于：所述硅PIN光敏二极管的接收波长范围为400nm~700nm。

6.根据权利要求5所述的白光LED语音信号通信收发系统，其特征在于：所述硅PIN光敏二极管的峰值响应波长为430nm～550nm 。