CN215818156U

CN215818156U - 一种基于白光led的室内可见光音频通信系统

Info

Publication number: CN215818156U
Application number: CN202122449493.5U
Authority: CN
Inventors: 阮巍; 唐逸豪; 唐帅; 郝宏刚
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2031-10-11

Abstract

本实用新型涉及一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统，属于通信技术领域。该通信系统包括发射机、无线信道以及接收机；发射机包括直流电源、语音采集模块、白光LED驱动电路和LED光源阵列；无线信道为自由空间；接收机包括光电探测器、放大电路和处理电路组成；该通信系统首先通过发射机的语音采集模块实时采集音频信号作为输入信号，然后经由白光LED驱动电路将输入信号调制LED光源阵列上，LED光源阵列发射的白光经自由空间传播，由接收机的光电探测器接收光信号并转化成电信号，经由放大电路放大后再通过处理电路恢复成音频信号。本实用新型解决了普通白光LED带宽窄，不能满足高速通信的问题，提高了接收信号质量。

Description

一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，涉及一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统。

背景技术

近年来，LED被广泛应用于照明、显示、交通信号灯等诸多领域。白光LED具有高能效、长寿命、环保、快速等优异性能，响应时间快是一大亮点。未来，白光LED作为新一代照明光源，将取代传统照明的白炽灯泡和荧光灯。白光LED基于其优势被用于室内可见光通信。可见光通信(VLC)具有最主导的电信技术无线和光纤的组合特征。尤其是它相对于射频(RF) 技术的众多优势，例如极高的带宽、免许可、绿色、无辐射和电磁干扰。随着许多国家对可见光通信技术的重视，室内VLC已成为国内外光无线通信领域的研究热点。

目前，室内可见光通信技术发展迅速，但仍有许多问题需要解决。白光LED的特性已经得到深入研究，研究中普遍采用朗伯辐射。然而，由于白光LED灯中荧光灯的黄光限制，普通白光LED的带宽约为1MHz。它不能满足高速通信的要求，因此有必要研究VLC系统的频率响应特性。此外，为了提高接收信号的质量，必须考虑光源的布局。所以，针对目前可见光通信系统的一些问题，本实用新型针对VLC系统的频率响应特性进行分析，提出了一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统，解决目前的可见光通信系统带宽窄、信号质量低的问题，结合对光通信系统频率响应特性以及光源布局的分析，实现室内可见光音频通信。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统，包括发射机、无线信道以及接收机；所述发射机包括直流电源、语音采集模块、白光LED驱动电路和LED光源阵列；所述无线信道为自由空间；所述接收机包括光电探测器、放大电路和处理电路组成；

该通信系统首先通过发射机的语音采集模块实时采集音频信号作为输入信号，然后经由白光LED驱动电路将输入信号调制到VLC系统的LED光源阵列上，此时电信号转化成光信号；LED光源阵列发射的白光经自由空间传播，由接收机的光电探测器接收光信号并转化成电信号，经由放大电路放大后再通过处理电路恢复成音频信号。

优选的，所述白光LED驱动电路包括驱动电路和保护电路，具体包括晶体管、电阻、电容以及电感元件，构建成分压限流式调制电路，给LED提供直流偏置并对LED光强可调。

优选的，所述LED光源阵列采用并串联形式连接，采用梯形面板盘聚光，能保证整体光照的均匀性，提高VLC系统的通信质量。

优选的，多个光电探测器设置在半球形探测面上的不同位置，形成半球面状。

优选的，所述放大电路包括两级跨阻反馈放大器和滤波电路。

优选的，所述两级跨阻反馈放大器包括前置放大器和第二级放大器；所述滤波电路采用高通滤波器，设置在前置放大器和第二级放大器中间。

优选的，所述前置放大器和第二级放大器采用的是相同的运算放大器。

本实用新型的有益效果在于：与现有的室内可见光通信系统相比，

(1)本实用新型的LED光源阵列采用了并串连接方式，提高了其工作的可靠性。

(2)本实用新型的接收机设计了半球面状接收前端，利用分集接收技术提高系统的信噪比。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型室内可见光音频通信系统结构图；

图2为白光LED驱动模块示意图；

图3为LED光源阵列示意图；

图4为接收电路示意图；

图5为频率范围为0～30kHz时接收信号的观测强度。

图6为垂直距离为0.7m时，水平距离与接收信号观测强度的关系示意图。

图7为接收端光敏二极管半球形组合俯视图。

图8为传输音频信号与接收音频信号的对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

请参阅图1～图8，根据本实用新型基于白光LED的室内可见光音频通信系统说明具体的实施方式。

如图1所示，该通信系统包括发射机、无线信道以及接收机。其中，发射机包括直流电源、语音采集模块、白光LED驱动电路和LED光源阵列；无线信道为自由空间；接收机包括光电探测器、放大电路和处理电路组成。该通信系统实时采集的音频信号经语音采集模块转化成电信号，在LED灯(即白光LED驱动电路和LED光源阵列)上调制，调制后的光信号在自由空间传输到接收机，光信号由光电探测器检测并转化成电信号，经由放大电路放大后再通过处理电路恢复成音频信号，从而实现实时音频效果。

图2为白光LED驱动模块示意图，LED驱动模块一般包括驱动电路和保护电路。驱动电路需要直流偏置，以获得更好的响应，以避免严重的延迟。本实用新型采用发射极跟随器驱动白光LED，信号在晶体管(PN4356)的基部输入，从晶体管的发射极输出。驱动电路结合了LED照明和信号传输的特点。驱动电路简单，易于调试。VLC系统采用普通商用白光LED。然而，由于信号LED的功率较低，所以本实施例的LED光源阵列选择了4×4阵列的布局，如图3所示。

接收机的最前端为光电探测器，本实施例选取普通商用PIN型光电二极管，型号为MI5-P。为了图4的接收电路示意图，采用两级跨阻反馈放大器和滤波电路，可以将电流信号转换为电压信号，有效滤除噪声，运算放大器型号为NJM4556AD，调节R1和R3可以获得前置放大倍数，调节R5和R6可以改变后置放大倍数。

具体实验：

为了验证与优化本实用新型通信系统的性能，搭建了实验VLC系统(包括直流电源、函数波形发射器、示波器、发射机和接收机(3个接收端))。实验系统的电源由Agilent直流电源(30V,1A)提供，将RIGOL DG4062函数波形发生器产生的基带信号调制到驱动电路的白光LED上。在RIGOL DS4024数字示波器上可以观察到测试结果。

在实验VLC系统中，测量了不同频率下的方波。由于系统具有很强的方向性，光源与接收器之间的距离和偏移量对接收信号的质量有很大的影响。因此，始终保持发射机和接收机在视线路径上，VLC垂直传输长度设置在中心点0.7m长。电源电压为18V，电流为24mA。频率范围为0～30kHz时接收信号的观测强度以及根据实验数据，得出频率与强度之间拟合曲线如图5所示，接收信号的强度随着频率的增加而下降。

除信号频率外，中心点与接收机在水平面上的距离对接收信号的影响也很大。为了得到偏移距离与接收信号的关系，利用2kHz的方波在垂直距离0.7m处进行测试，对实验数据进行拟合得到的拟合曲线，结果如图6所示，信号强度在中心处最大，由于探测器灵敏度的降低，接收信号的强度随距离的增加而减小。

在白光LED可见光通信中，由于光信号的不均匀性以及多径效应的影响，接收端所接收到的信号质量比较差。本实用新型的接收端采用分集接收技术能够在一定程度上提高其灵敏度和信噪比。结合实际情况，本实用新型采用等增益合并的方式进行实验研究，将每个光电探测器接收到的光强信号大小进行求和，最终达到增强信号的作用。在具体的分集接收模型设计上，实验中采用半球形的探测面，如图7所示，三个接收端所获得的信号强度有差别，接收端1位于光源的正下方信号强度最大，接收端2和接收端3依次减弱。

此外，为了测试白光LED音频通信系统的性能，本实施例选择了一首歌从发射机通过 0.7m自由空间传输到接收机。观察到的结果如图8所示。在测量中，接收到的音乐信号与原始信号相比有延迟，但该系统经过优化后可以用于广播系统。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于白光LED的室内可见光音频通信系统，其特征在于，该通信系统包括发射机、无线信道以及接收机；所述发射机包括直流电源、语音采集模块、白光LED驱动电路和LED光源阵列；所述无线信道为自由空间；所述接收机包括光电探测器、放大电路和处理电路组成；

该通信系统首先通过发射机的语音采集模块实时采集音频信号作为输入信号，然后经由白光LED驱动电路将输入信号调制LED光源阵列上，LED光源阵列发射的白光经自由空间传播，由接收机的光电探测器接收光信号并转化成电信号，经由放大电路放大后再通过处理电路恢复成音频信号。

2.根据权利要求1所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，所述白光LED驱动电路包括晶体管、电阻、电容以及电感元件，构建成分压限流式调制电路，给LED提供直流偏置并对LED光强可调。

3.根据权利要求1所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，所述LED光源阵列采用并串联形式连接，采用梯形面板盘聚光。

4.根据权利要求1所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，多个光电探测器设置在半球形探测面上的不同位置，形成半球面状。

5.根据权利要求1所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，所述放大电路包括两级跨阻反馈放大器和滤波电路。

6.根据权利要求5所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，所述两级跨阻反馈放大器包括前置放大器和第二级放大器；所述滤波电路采用高通滤波器，设置在前置放大器和第二级放大器中间。

7.根据权利要求6所述的室内可见光音频通信系统，其特征在于，所述前置放大器和第二级放大器采用的是相同的运算放大器。