可见光音频传输系统毕业设计说明书.docx

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可见光音频传输系统毕业设计说明书

编号：

毕业设计说明书

题目：

可见光音频传输系统

院（系）：

信息与通信学院

专业：

通信工程

题目类型：

理论研究实验研究√工程设计工程技术研究软件开发

摘要

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。

利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

本次设计使音频信号通过NE555调制电路调制，用白色LED灯进行发射，转换为调频信号，接收端使用光敏二极管进行接收，首先进行滤波，然后用LM318运算放大器进行放大，并用NE564进行解调，被还原的信号通过TDA2822进行音频信号的放大并输出到喇叭，还原出音频信号，从而完成信息的传输。

关键词：

可见光通信；调频；锁相环解调；

Abstract

Visibleopticalcommunicationtechnology,usingfluorescentorlightemittingdiodeistheissueoftheinvisibletothenakedeyetwinklelightandshadetotransmissionofinformationsignal.HighspeedInternetwiredeviceisconnectedwiththelightingdevice,Insertthepowerplugtouse.Useofthistechniquemadethesystemcancovertheinteriorlightingreach,computerdoesnotneedtobeelectricallyconnected,soithasawideprospectofdevelopment.

ThisdesignmakeaudiosignalthroughtheNE555modulationcircuitmodulation.WithwhiteLEDlightsforlaunch.Convertsthefrequencymodulatedsignal,Thereceivingendphotosensitivediodetoreceiveuse,Thefirstfilter,andthenLM318operationalamplifierforamplifying，andNE564fordemodulation,ThesignalthroughtheTDA2822reductionforaudiosignalamplifierandtheoutputtohorn,Theaudiosignalreductionsoastocompletetheinformationtransmission.

Keywords:

Visibleopticalcommunication;

引言

20世纪90年代后期，随着全光接入技术的发展和人们对高速无线宽带通信的要求，一种信息容量大和部署灵活、维护方便、安全保密的无线光通信技术，得到了人们的极大关注，它为无线宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，其应用范围已从军用和航天领域迈入民用领域。

近几年来，被誉为“绿色照明”的半导体（LED）照明技术发展迅猛，利用半导体（LED）器件高速点灭的发光响应特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建出LED照明和通信两用基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。

利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED。

白光LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。

目前，商品化的大功率白光LED功率已经达到5W，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。

白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。

因而LED照明光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究与目前使用的无线局域网（无线LAN）相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。

利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据。

该系统还具有安全性高的特点。

用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。

由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。

1绪论

1.1可见光音频传输研究现状

可见光无线通信分室外通信和室内通信两大类。

室外可见光无线通信技术目前主要应用在智能交通系统中，香港大学G.Pang等人提出了利用交通指示灯为车辆传输语音广播信号，将语音信号通过OOK调制加至LED光源，实现了低速的无线LED可见光传输。

日本KEIO大学Kitano等人分析了在不同的接收方向角和视场角下信噪比的好坏，以及在一定误码率下信噪比和接收数据率的关系，认为LED可见光公路照明通信系统优于红外公路交通通信系统。

室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。

他们以室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，以强度调制直接检测为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的，码间干扰和多径效应是影响系统性能的两大因素。

LED可见光无线通信系统的信号传输信道是随机信道，LED可见光的波长与大气中的尘灰、气体分子、大雾、雨滴的尺寸相近甚至更小，容易产生光的散射及吸收造成信号的严重衰减，阳光等背景光也会对系统的性能产生影响。

要保证在随机信道下的正常工作，还必须对LED可见光传输信道作更深入的研究。

目前在对室内信道进行分析时，都是将信道分成直射信道和墙壁反射信道两部分进行研究，但对背景光、散射等未作分析。

因此建立恰当的室外传输模型和室内传输模型将有助于对系统展开深入的研究。

1.2课题研究方向a_______________________________________________________________________________________________________________________________y课

LED可见光无线通信，现阶段主要应用在室内局域网和智能交通系统中，未来LED可见光无线通信技术将向以下几方面发展。

　　室内LED可见光通信采用OFDM调制技术、CDMA接入技术及分组编码技术具有良好的发展前景，但采用OFDM调制技术时，幅度不断变化的CFDM信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。

其次，目前LED灯分多芯片和单芯片两种，采用OFDM调制技术、CDMA接入方式下采用何种芯片能达到更高的传信率和更少的误码率还有待研究。

还有目前LED可见光无线通信系统研究主要是针对下行链路，系统上行链路研究还有待深入。

由于LED照明基站灯安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，利用电力线来传输通信信号可大幅降低投资成本。

在日本等发达国家已得到了广泛应用，南京联通也在一些小区里开通了10M带宽的电力线上网业务。

LED可见光无线通信与电力线载波通信相结合将是未来的发展趋势。

LED可见光无线通信技术可为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。

汽车照明基本上都采用LED灯，将光接收机安装在道路边或汽车上，组成汽车至交通控制中心（连接着道路边的光接收机）、路灯至汽车或汽车至汽车的通信链路，可为夜间行驶车辆进行导航、定位，并且能够让驾驶员即时知道各条道路的车辆流量，这也是LED可见光无线通信在智能交通系统中的发展方向。

　　面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带的多媒体通信的需求，电磁波的可用频带范围已变得越来越有限，而LED可见光无线通信使用光频段传输信息具有宽广的通信带宽，避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照，能满足下一代多媒体通信的要求。

随着具有节能、环保、使用寿命长等优点的LED照明灯的普及，以及各种关键技术的不断进步和完善，LED可见光无线通信有望成为新的通信传输方式及下一代室内无线通信

技术。

是一个有待大力进行研究并具有极大应用价值的领域。

2方案论证

2.1运放的选择

2.1.1方案一采用LM318

LM318运算放大器是美国生产的通用型运放系列中速度最快的器件与其他种类的通用型运放相比电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。

LM318在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。

高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

2.1.2方案二采用三极管

由pnp三极管8050构成共集电极信号放大电路，完成对微弱信号的放大。

共射极放大电路是放大电路中应用最广泛的三极管接法，信号由三极管基极和发射极输入，从集电极和发射极输出。

因为发射极为共同接地端，故命名共射极放大电路。

此中方案优点在于结构简单。

通过比较，根据这次设计的要求，LM318的性能上更符合，能够较好地完成实验目的，因此选择了LM318运算放大器。

3系统设计制作

3.1系统框图

3.2电路设计

3.2.1稳压部分

7812三端稳压器是电子设备中常用的线性稳压集成电路，最大输出电流1.5A（需加散热器）。

下面是用这两种稳压IC制作的正负稳压电源典型电路。

应注意7812正电源稳压IC与7912负电源稳压IC的引脚功能是不一样的。

图3.2-27812管脚图

通常情况下，MC7812的接法如下：

图3.2-37812接法

设计中使用MC7812的电路如下：

图3.2-4稳压电路

3.2.2NE555FM调制部分

该部分由NE555搭建的脉宽可调震荡电路，调节滑动变阻器R3方便调整占空比为50%。

5脚为调制信号的输入端。

PWM信号的整体频率在这电路上取决于R和C3的数值。

公式：

f（Hz）=1.44/（R*C3）,R=R1+2R2。

经计算，可得到f（Hz）=150KHz。

图3.2-5NE555调制发射电路

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。

NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

其内部功能图：

图3.2-6NE555FM内部功能图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

　　Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

　　Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

　　Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

　　Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

　　Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

　　Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

　　Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

我们知道，555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。

每类工作方式又有

很多个不同的电路。

在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不

同电路，如：

多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。

1。

单稳类-----作用：

定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。

2。

双稳类-----作用：

比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。

3。

无稳类-----作用：

方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时

等。

本次使用的是无稳型压控振荡器。

无稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。

为

简单起见，我们使用不带任何辅助器件的电路，如图：

图3.2-7无稳型压控振荡器

无稳型压控振荡器电路主要用于脉宽调制、VF变换、A/D变换，别名PWM。

参数功能特性：

•供应电压4.5-18V

•供应电流3-6mA

•输出电流225mA（max）

•上升/下降时间100ns

•NE555的相关应用:

NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器。

3.2.3LED灯恒流驱动FM信号发射电路

DD311是一种单通道输出的LED恒流驱动器，内建电流镜与电流开关组件，是专为驱动大功率LED而设计的芯片。

DD311可驱动高达1安培的沈入电流（sinkcurrent），并可透过调整参考输入电流（IREF）来任意设定输出电流的大小。

输出电流值约为100倍的IREF，IREF可由调整外挂电阻或偏压（bias）电压来设定。

微调或使能偏压电压可校正LED间的亮度不一或实现多颗LED间整体亮度同时调整。

芯片的输出端可承受高达36V的电压，支持多颗大功率LED的串接应用。

内建输出使能端（Enable），可轻易地实现大功率LED的高灰阶应用。

DD311的主要特色有：

最大输出电流：

1A（由参考输入电流IREF设定）；最小输出电压要求：

1V（当Iout=1A时）；最大输出承受电压：

36V（输出通道漏电流小于0.1uA）；最大输出使能频率：

1MHz；绝佳的恒流输出特性。

DD311常应用于LED建筑/娱乐/景观照明；LED一般或特用照明；LED背光源应用。

图3.2-1驱动电路

3.2.4光敏接收装置及滤波器

光敏二极管也叫光电二极管。

光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。

这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。

因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。

根据傅里叶变换和傅里叶级数，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。

只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。

而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。

在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

（1）根据滤波器的选频作用分类

①低通滤波器

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。

②高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。

它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

以这两种滤波器为原型，如果将一个低通滤波器和另一个低通滤波器串联（fl

将一个低通滤波器和一个并联（fl>fh），将得到一个带阻滤波器。

（2）理想滤波器

理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。

也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。

3.2.5运算放大器

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。

现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

LM318在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。

高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

下图是LM318的管脚图：

图3.2-8LM318引脚图

下图是本次设计的两级运算放大器：

图3.2-9两级运放电路

3.2.6NE564解调

调频波（FM）解调称为频率检波，简称鉴频。

实现调频波解调的方法有很多，常见的方法有：

a．斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频，这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件，电路形式比较复杂不易于集成；b．移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频，这些鉴频器易于集成，但移相乘积鉴频器内部噪声较大，脉冲均值鉴频器线性好、频带宽，但中心频率范围较低；c．锁相环鉴频，它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法，具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点，所以被广泛应用在通信电路系统中。

锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。

它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，实现了无频差的频率跟踪和相位跟踪。

锁相鉴频器原理框图如图所示。

当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO（压控振荡器）就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。

这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。

模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM解调电路。

图3.2-10锁相鉴频器原理方框图

NE564是超高频通用单片集成锁相环路，在通信及电子技术领域中有着广泛的用途，可用作高速调制解调器、数字频移键控（FSK）信号的产生与接收、所想频率合成与锁相倍频等。

它突破了以往集成锁相环存在的某些局限性，如电源电压偏高、工作频率不够高、接口困难、需增加大量外部电路等。

针对这些缺点，在NE564中作了若干改进：

在鉴频器前增加限幅器，可改善调幅抑制；在输入输出处采用肖特基PNP型嵌位晶体管，使这种器件能与π电路兼容；对压控振荡器作了重大改进，使工作频率提高到50MHz；整个电路采用单一的5V电源电压工作，简化了电源供给。

模拟锁相环NE564芯片的最高工作频率可达50MHz，采用+5V单电源供电，电路设计所使用的元件不多，关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。

特别适用于高速数字通信中FM信号和FSK（移频键控）信号的调制和解调，且不需外接复杂的滤波器。

芯片采用双极性工艺，电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成，内部结构如图所示。

图3.2-11NE564内部结构

NE564内部由7部分电路组成，有16个外接端脚。

限幅放大器用于消除FM信号输入时，干扰产生的寄生调幅，其限幅电平在0．3V～O．4V之间。

鉴相器采用双差分模拟乘法器，由压控振荡器反馈过来的信号从外部由3脚输入。

另外，由2脚去改变双差分电路的偏置电流，控制鉴相器的增益，从而实现环路增益控制。

压控振荡器（VCO）：

是改进型射极定时多谐振荡器，固有振荡频率与接在12、l3脚的定时电容Ci有关。

f。

=1/16RCt，R=100Ω是电路内部设定的。

输出放大器与直流恢复电路是专门为解调FM与FSK信号而设计的。

输出放大器是恒流源差分放大电路，它将来自PD的差模信号放大后，单端输出送至施密特触发器和直流恢复电路。

施密特触发器和直流恢复电路共同构成FSK信号解调时的检波后处理电路。

若环路的输入为FSK信号，即频率在f1与f2之间周期性跳变的信号，则鉴相器输出电压经输出放大器放大后的误差电压Vdm分为两路，一路直接送施密特触发器的输入端，另一路送直流恢复电路，直流恢复电路的14脚外接电容作低通滤波，产生一个稳定直流电压VREF再送施密特触发器的另一输入端作为基准电压。

Vdm与VREF进行比较，当Vdm>VREF时，16脚输出低电平；当Vdm

调节15脚的电压可以改变触发器上下翻转电平，上限电平与下限电平之差称为滞后电压VH。

调节VH一可消除因载波泄漏而造成的误触发而出现的FSK解凋输出，特别是在数据传输速率比较高的场合，并且此时14脚滤波电容也不能太大。

若环路输入为FM信号，那么在锁定状态，14脚的电压就是FM解调信号。

电平变换电路：

为了便于使用VCO的输出，通过电平变换电路产生了、孔和ECL兼容的电平。

其引脚图如下：

图3.2-12NE564管脚

用NE564组成的FM电路，如下图：

图3.2-13NE564电路

图中C3是输入耦合电容，R6、C4组成限幅放大器的输入偏置滤波，滤除FM信号中的杂波。

R1对2脚提供输入电流

，用来控制环路增益和VCO的锁定范围，总电阻R与电流

的关系为：

式中的1．3V是由于NE564的