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使用 Li-Fi 技术的 的无线音频传输设备

发布时间:2021-10-15
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使用 Li-Fi 技术的 的无线音频传输设备

发布时间:2021-10-15
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本文将介绍方案使用 Li-Fi 的无线音频传输设备的制作过程
Li-Fi 简介
Li-Fi(也写作 LiFi)是 Light Fidelity 的首字母缩写,是一种无线通信技术,它利用光在设备之间传输数据和位置。它能够在可见光、紫外和红外光谱上高速传输数据。在目前的状态下,只有 LED 灯可以用于可见光下的数据传输。就其最终用途而言,该技术与 Wi-Fi 类似——关键技术区别在于 Wi-Fi 使用射频在天线中感应电压来传输数据,而 Li-Fi 使用光强度调制来传输数据。Li-Fi 理论上可以以高达 100 Gbit/s 的速度传输。Li-Fi 在其他易受电磁干扰的区域(例如飞机机舱、医院、军队)安全运行的能力是一个优势。

Li-Fi 调制器
Red Pitaya 有 2 个快速模拟射频输出,如下图所示:

  • 激光二极管只能以数字形式传输光脉冲,即1s和0s,如果激光二极管打开则为1,如果激光二极管关闭则为0。
  • RF 输出的规格为 ± 1V Max。幅度和 DC-40MHz。
  • 因此,为了给激光模块供电,晶体管被用作开关。

Li-Fi调制器电路图

Li-Fi 调制器所需的东西

  • Red Pitaya STEMlab 125-10 入门套件
  • 性能板和焊接套件
  • BNC 连接器
  • SMA 到 BNC 转换器
  • 激光二极管模块
  • NPN 晶体管 (BC547)
  • 电阻 (1k)
  • 电线和跳线

构建 Li-Fi 调制器

  • 取一个 BNC 连接器并将电线连接到其端子

  • 取一块穿孔板,根据电路图将包括 BNC 在内的组件与电线焊接在一起

  • 将 SMA 转 BNC 转换器连接到 Red Pitaya

  • 最后将调制器的 BNC 连接到 Red Pitaya

分析 Li-Fi 太阳能电池的性能
选择合适的太阳能电池

不同的太阳能电池提供不同的输出功率,解调器输出中的噪声量也不同。将要分析的太阳能电池连接到输入探头,打开示波器和函数发生器应用程序,分析不同频率的输出波形

以相同方式分析不同太阳能电池的输出

太阳能电池 #1 响应

太阳能电池#2 响应

Li-Fi 解调器
Li-Fi 解调器是一个带有音频放大器和太阳能电池的独立设备,用于解调接收到的光信号。需要一个电位器来根据太阳能电池和环境调整输入信号的电平。这也是为了降低噪音水平。太阳能电池接收器将接收到的光信号转换成相应的电压电平,然后输入放大器提供所需的增益,然后放大的信号输入扬声器,当频率在人耳可听范围内 - 约 20 Hz到 20 kHz 我们将能够听到声音。

Li-Fi解调器电路图

Li-Fi 调制器所需的东西

  • 性能板和焊接套件/面包板
  • LM386 音频放大器 IC
  • 太阳能电池
  • 10k 电位器(预设)
  • 电容器 - 1 × 0.047uF、3 × 10uF、1 × 220uF
  • 电阻器 - 10 欧姆
  • 扬声器 8 欧姆,0.5W
  • 9V 电池和盖子
  • 电线和跳线
  • 如果使用 4 欧姆扬声器,则为 4 欧姆线圈

构建原型
使用面包板收集组件和原型

组装原型

使用 Red Pitaya 函数发生器测试原型
测试设置

构建 Li-Fi 解调器
将电路组装在穿孔板上并完成焊接。

使用 Python 生成钢琴音乐
SCPI服务器
Red Pitaya 板可以使用 MATLAB、LabVIEW、Scilab 或 Python 通过 LAN 或无线接口通过 Red Pitaya SCPI(可编程仪器的标准命令)命令列表进行远程控制。SCPI 接口/环境通常用于控制用于开发、研究或测试自动化目的的 T&M 仪器。SCPI 使用一组由仪器识别的 SCPI 命令来执行特定操作(例如:从快速模拟输入获取数据、生成信号以及控制 Red Pitaya 平台的其他外围设备)。当需要进行复杂的信号分析时,SCPI 命令非常有用,其中软件环境(例如 MATLAB)提供了强大的数据分析工具,SCPI 命令可以轻松访问 Red Pitaya 板上采集的原始数据。

特征

  • 使用 MATLAB、LabVIEW、Scilab 或 Python 快速编写控制例程和程序
  • 编写测试脚本和例程
  • 直接使用 PC 进行快速测量

解释 Red Pitaya 上 SCPI 的框图

Python 上的 SCPI 命令
Python 中的 Red Pitaya 模块提供了易于实现的方法。有关 SCPI 的更多信息,请参阅文档。

以下SCPI命令用于在Python中设置快速模拟输出通道的频率:

其中 f 是要输出的期望频率。

演奏音色
要弹奏键盘音符,我们需要知道每个音符的频率。为简单起见,我取了第 5 个八度。

这是来自 Digilent 参考的图片:

具有所需延迟的歌曲的键盘音符的相应频率将被发送到 SCPI 服务器。参考本仓库Python目录下的代码。

带多个接收器的 Li-Fi 音频系统
反射太阳能电池

为了让多个接收器接收相同的光信号,需要一个反射太阳能电池,如下图所示。

这种特定类型的太阳能电池会吸收一些落在其上的光并反射其余的光。

多接收器设置框图

将为此模型建造两套接收器

最终设置

如何使用代码
Play_Music.py 文件包含生成钢琴音乐的代码。我已经设置了对应于第 5 个八度的频率,但是,您可以修改代码并添加其他功能。

弦乐音符包含特定歌曲的键盘音符和延迟。您可以通过编辑音符字符串来播放您选择的任何音乐。例如,“伦敦桥正在倒塌”的钢琴音符被给出为

并且,“玛丽有只小羊羔”的注释是这样的

您可以以相同的方式为任何其他钢琴歌曲编写音符。

该方案所用到的一些代码

如果您对此项目有任何想法、意见或问题,请在下方留言。

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