آموزش انتقال صدا بی سیم با لیزر (ارتباط نوری Li-Fi)

در این مقاله قصد داریم به نحوه انتقال صدا از طریق نور لیزر بپردازیم. این یک پروژه کوچک سرگرم کننده است و مفهوم آن مشابه چیزی است که در کابل فیبر نوری می بینیم، ما از نور لیزر برای ارسال داده ها از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده خواهیم کرد. به طور خاص، در این پروژه ما می خواهیم صدای خود را از نقطه ای به نقطه دیگر با تابش نور لیزر بر روی یک پنل خورشیدی منتقل کنیم. این امر توسط Light Fidelity یا (Li-Fi) امکان پذیر شده است. Li-Fi فناوری است که در آن داده ها را می توان با استفاده از نور منتقل کرد، در این پروژه ما صدای خود را به عنوان داده ارسال می کنیم و از لیزر به عنوان نور استفاده می کنیم.

نکته برجسته این پروژه سادگی آن است، شما به راحتی می توانید آن را در یک آخر هفته با قطعات معمولی در دسترس بسازید. اگر به Li-Fi علاقه مند هستید، می توانید پروژه های ارتباطی Li-Fi Text و انتقال صوتی Li-Fi ما را نیز بررسی کنید.

چگونه با استفاده از نور لیزر صدا را انتقال دهیم؟

انتقال صدا از طریق نور لیزر بسیار ساده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد. در سمت فرستنده یک میکروفون داریم که صدای ما را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند، سپس این سیگنال با استفاده از تقویت کننده صدا تقویت می شود و خروجی این تقویت کننده مستقیماً به دیود لیزر متصل می شود. سپس این نور به سمت پنل خورشیدی در مدار دریافتی ما می رود. اما، در سمت گیرنده، پنل خورشیدی به عنوان ورودی صدا به تقویت کننده صوتی دیگری متصل است که این سیگنال ها را تقویت کرده و آن را روی یک بلندگو پخش می کند.

سمت فرستنده

سیگنال صوتی به الکتریکی:

هدف ما انتقال سیگنال صوتی زنده است، بنابراین در این صورت، ما به نوعی میکروفون برای تبدیل سیگنال صوتی به سیگنال الکتریکی نیاز داریم. در واقع، برای دستیابی به یک خروجی کامل، کمی مدار پیچیده میشود. بنابراین، برای ساده کردن آن، ما از ماژول تقویت‌کننده میکروفون MAX4466 استفاده می‌کنیم.

در تصویر بالا نحوه تبدیل صدا به سیگنال الکتریکی را مشاهده میکنید.

سیگنال الکتریکی به پرتو لیزر:

در فرآیند فوق سیگنال الکتریکی را دریافت کرده ایم. اکنون از این سیگنال الکتریکی برای هدایت پرتو نور لیزر استفاده می شود. این کار را می توان با استفاده از چندین روش انجام داد، مانند استفاده از برخی مدارهای آنالوگ (به عنوان مثال، سوئیچ کردن MOSFET). اما برای ساده تر و موثرتر کردن آن، همانطور که در تصویر زیر می بینید، از یک ماژول تقویت کننده صوتی مینی 5 ولتی مبتنی بر PAM8403 استفاده می کنیم.

دلیل انتخاب این ساده است. این دستگاه در محدوده 5 ولت کار می کند، بنابراین می توان آن را به راحتی با ماژول تقویت کننده میکروفون MAX4466 ادغام کرد. همچنین دارای پتانسیومتر داخلی برای تنظیم دامنه خروجی است و مهمتر از آن مقرون به صرفه تر است. شما می توانید از هر برد تقویت کننده ای که دارید استفاده کنید یا حتی مدارهای خود را ایجاد کنید تا کار را به درستی انجام دهید. با این حال، پیشنهاد می کنم برای خروجی بهتر و کار بدون دردسر از برد تقویت کننده صدا استفاده کنید.

اکنون می توان یک دیود لیزر را به خروجی ماژول PAM8403 متصل کرد.

در بالا، می توانید دیود لیزری که ما استفاده می کنیم را ببینید. اگر می خواهید جریان تغذیه شده به لیزر را کاهش دهید، می توانید از یک مقاومت با حداقل مقدار استفاده کنید. در اینجا، لیزری که ما استفاده می کنیم دارای یک مقاومت داخلی 30 اهم به صورت سری با ورودی برق است. اگر تمایل به کاهش توان دارید، می توانید این کار را با اضافه کردن یک مقاومت اضافی به صورت سری یا حتی تنظیم پتانسیومتر در ماژول PAM8403 انجام دهید.

سمت گیرنده

نور لیزر به سیگنال الکتریکی:

همانطور که در آخرین مرحله، سمت فرستنده را تکمیل کردیم، در اینجا با سمت گیرنده پیش می رویم. بنابراین فرآیند اولیه تبدیل سیگنال صوتی از پرتو نور لیزر به حالت اولیه سیگنال الکتریکی است. در اینجا، به طور کلی، می‌توانیم از هر سنسور مبتنی بر نور (یعنی LDR، فتودیود و غیره) برای انجام درست کار استفاده کنیم، اما استفاده از آن‌ هایی که صفحه دریافت کوچک‌ تری دارند، بسیار سخت است. با این حال، آنها غیر قابل استفاده نیستند. حتی می توانید از آنها استفاده کنید. اما در اینجا در این پروژه، من قصد دارم از آرایه بزرگتری از فتودیودها استفاده کنم که به پنل خورشیدی نیز معروف است.

من قصد دارم از یک پنل خورشیدی اسباب بازی کوچک استفاده کنم. با وجود کم بودن توان خروجی آن، برای پروژه ما کافی است. بنابراین، با استفاده از این پنل خورشیدی، قصد داریم پرتو لیزر را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنیم.

سیگنال الکتریکی به بلندگو:

سیگنال الکتریکی پنل خورشیدی به دلیل توان خروجی کم آن نمی تواند مستقیماً به بلندگو ارسال شود. حتی با یک پنل خورشیدی بزرگتر، نقطه کوچک برخورد نور به پنل تغییر قابل توجهی در خروجی ایجاد نمی کند.

برای حل این مشکل، من قصد دارم از همان ماژول تقویت کننده ای که در سمت فرستنده استفاده کردیم استفاده کنم تا سیگنال الکتریکی خروجی به طور موثر تقویت شود و به بلندگو ارسال شود.

در مورد اسپیکر، می توانید از هر بلندگوی سازگار با ماژول تقویت کننده خود استفاده کنید. همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، از یک بلندگوی 4 اهم و 10 وات استفاده می کنم.

بنابراین بخش تئوری را با موفقیت به پایان رساندیم. امیدوارم همه شما مفهوم اصلی انتخاب اجزا و عملکرد پروژه را درک کرده باشید. بنابراین، اجازه دهید به بخش سخت افزاری پروژه برویم.

قطعات انتقال بی سیم صدا با نور لیزر

در زیر لیستی از اجزای مورد نیاز برای ساخت پروژه انتقال صوتی بی‌ سیم با استفاده از نور لیزر آمده است. برخی از اجزا ممکن است جایگزین داشته باشند.

• پنل خورشیدی
• دیود لیزر
• مقاومت (30 اهم)
• پتانسیومتر (100k)
• بلندگو (4 اهم، 10 وات)
• ماژول تقویت کننده میکروفون MAX4466
• تنظیم کننده ولتاژ 5 ولت 7805 – x2
• ماژول تقویت کننده صدا PAM8403 با پتانسیومتر – x2
• باتری 9 ولت – x2
• برد بورد – x2
• سیم جامپر

مدار پروژه انتقال بی سیم صدا با استفاده از نور لیزر

در این قسمت مدار فرستنده و گیرنده را بررسی میکنیم.

بخش فرستنده

در اینجا می توانید شماتیک قسمت فرستنده را مشاهده کنید. این ارتباطات به خودی خود قابل توضیح است.

می توانیم شماتیک را به دو بخش تقسیم کنیم: بخش برق و فرستنده.

بخش برق:

در اینجا منبع تغذیه انتخاب شده یک باتری 9 ولتی است. از آنجایی که بقیه مدار در 5 ولت کار می کند، من از یک تنظیم کننده ولتاژ خطی 7805 5 ولت برای تبدیل 9 ولت به 5 ولت استفاده می کنم.

بخش فرستنده:

در این بخش فقط از چهار قطعه استفاده می شود.

هر دو ماژول MAX4466 و PAM8403 با استفاده از خروجی 5 ولت از تنظیم کننده ولتاژ تغذیه می شوند. خروجی ماژول تقویت کننده میکروفون MAX4466 مستقیماً به ماژول تقویت کننده صوتی PAM8403 متصل می شود.

PAM8403 از 2 کانال پشتیبانی می کند. شما می توانید از یک کانال به تنهایی استفاده کنید یا از هر دو کانال مانند من استفاده کنید. با این حال، ما فقط یک لیزر را اجرا می کنیم. پایانه های مثبت و منفی لیزر به صورت موازی با یکی از کانال ها متصل می شوند. هنگام اتصال، استفاده از یک مقاومت 30 اهم را به صورت سری ذکر کرده ام. این برای محدود کردن جریان عبوری از دیود لیزر است. اگر از همان دیود لیزری من استفاده می کنید، این مقاومت مورد نیاز نیست زیرا از قبل یک مقاومت 30 اهم به داخل متصل است.

بخش گیرنده

در زیر شماتیک قسمت گیرنده را مشاهده می کنید. ممکن است در اینجا متوجه یک بخش برق مشابه مانند قسمت فرستنده شوید، زیرا نیاز ما هنوز یکسان است. ما سیستم را با استفاده از 5 ولت تغذیه می کنیم.

در اینجا، سمت منفی پنل خورشیدی به زمین متصل می شود و سمت مثبت به ورودی ماژول تقویت کننده صوتی PAM8403 متصل می شود. مانند فرستنده، من هر دو کانال ورودی را متصل نگه داشتم. یک مرحله اضافی اعمال ولتاژ بایاس به ورودی با استفاده از یک پتانسیومتر است که افست DC را روی ورودی تقویت کننده تنظیم می کند. در نهایت یک بلندگو به خروجی ماژول تقویت کننده PAM8403 متصل می شود.

ساخت مدار انتقال موسیقی وایرلس با نور

بیایید مدار را مطابق شماتیک خود بسازیم. من از برد برد برای مونتاژ تمام اجزا استفاده می کنم.

در بالا، می توانید تصویر مونتاژ شده فرستنده را با قطعات آن که مشخص شده است، مشاهده کنید. دیود لیزر مستقیماً به یک کانکتور نواری Berg 2×2 لحیم می شود و به آن اجازه می دهد به راحتی روی برد بورد ثابت شود. به طور مشابه، کانکتور باتری نیز با نوار Berg برای ادغام آسان با برد بورد نصب شده است.

در این فرستنده دو ناحیه قابل تنظیم وجود دارد. یکی از آنها تنظیم بهره در ماژول تقویت کننده میکروفون MAX4466 است که حساسیت میکروفون را کنترل می کند. دیگری تنظیم دامنه در ماژول PAM8403 است که توان خروجی دیود لیزر را کنترل می کند. این گزینه های قابل تنظیم امکان کنترل دقیق سیگنال را فراهم می کند.

در بالا می توانید تصویر مونتاژ شده گیرنده را مشاهده کنید. قطعاتی مانند اسپیکر، پنل خورشیدی و باتری با استفاده از نوارهای نری Berg به برد وصل می شوند که من آنها را به سیم ها لحیم کرده و به برد بورد ثابت کرده ام.

مانند فرستنده، گیرنده نیز دارای دو گزینه قابل تنظیم است. یک پتانسیومتر به ورودی ماژول PAM8403 متصل است که برای تنظیم افست DC به سیگنال ورودی استفاده می شود. خود ماژول PAM8403 دارای یک پتانسیومتر برای تنظیم دامنه سیگنالی است که به بلندگو می رسد و به طور موثر امکان تنظیم صدا را فراهم می کند.

نتیجه کار انتقال صدا بیسیم با نور

پس از مونتاژ موفقیت آمیز قطعات، آزمایش پروژه را آغاز کردیم. بدون توجه به شرایط، هم در داخل و هم در فضای باز به خوبی کار می کند. محدوده انتقال بی سیم چشمگیر است، زیرا شدت لیزر در شرایط آب و هوایی روشن به طور قابل توجهی کاهش نمی یابد. تا زمانی که پرتو لیزر به پنل خورشیدی برخورد کند، صدا به طور یکپارچه منتقل می شود. ما همچنین تنظیمات را از زوایای مختلف آزمایش کردیم و با مشکلی مواجه نشدیم.

اینها برخی از ایده های من برای گسترش این پروژه است که می توانید امتحان کنید.

ایده های بهبود:

• از یک آشکارساز نوری حساس‌ تر به جای پنل خورشیدی اسباب‌ بازی، مانند دیود نوری بهمنی (APD)، برای بهبود کیفیت و برد دریافت استفاده کنید.
• یک سیستم عدسی فوکوس را برای متمرکز کردن نور لیزر در ناحیه کوچکتر و حساس‌ تر ردیاب نوری اجرا کنید.
• تکنیک ها و فیلترهای کاهش نویز را برای بهبود کیفیت سیگنال صوتی معرفی کنید.
• نوعی سیستم تراز خودکار برای اطمینان از انتقال بهینه سیگنال حتی در صورت حرکت یا ناهماهنگی.

امکانات اضافی:

• پروژه را برای پشتیبانی از ارتباطات دو طرفه با ترکیب یک تنظیم مشابه در هر دو طرف گسترش دهید و امکان انتقال دو طرفه صدا را فراهم کنید.
• با استفاده از تکنیک‌های مدولاسیون مناسب، سیستم را برای انتقال نه تنها صدا، بلکه انواع دیگر داده‌ها، مانند سیگنال‌های دیجیتال برای ارتباطات اینترنتی، تطبیق دهید.
• با طول‌موج‌های لیزر و سطوح توان مختلف آزمایش کنید تا دامنه موثر ارتباطات را افزایش دهید و از قابلیت‌های انتقال از راه دور اطمینان حاصل کنید.
• یک نسخه جمع و جور و با باتری از سیستم برای قابل حمل بودن طراحی کنید و آن را برای کاربردهای موبایل و میدانی مناسب کنید.

سوالات متداول

آیا می توانیم از لیزر در Li-Fi استفاده کنیم؟

البته می توانید از لیزر در سیستم Li-Fi استفاده کنید. در عمل، هر منبع نوری به همراه حسگر آن می تواند برای ایجاد یک سیستم Li-Fi استفاده شود.

آیا LiFi بهتر از Wi-Fi است؟

تعیین اینکه آیا Li-Fi بهتر از Wi-Fi است به عوامل مختلفی بستگی دارد. هر دو مزایا و معایب خاص خود را دارند. برای توضیح دقیق، به مقاله LiFi vs WiFi ما مراجعه کنید.

آیا لای فای برای انسان بی خطر است؟

بله، LiFi (Light Fidelity) به دلیل تشعشعات غیر یونیزه، سطوح کم توان، برد محدود و غیره به طور کلی برای انسان ایمن در نظر گرفته می شود.