張強(qiáng) 安志勇 段靖遠(yuǎn)

【摘要】 提出了一種可見光通信LED光源驅(qū)動(dòng)電路。分析了恒壓電路和恒流電路兩種方案，比較后提出一種切實(shí)可行的雙重用途LED恒壓電路。設(shè)計(jì)出可見光通信接收機(jī)的二級放大接收電路對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該雙重用途恒壓LED驅(qū)動(dòng)電路能夠達(dá)到最大調(diào)制頻率為3MHz，最遠(yuǎn)通信距離為3米，符合可見光通信設(shè)備的應(yīng)用要求。

【關(guān)鍵詞】 可見光通信 LED驅(qū)動(dòng)電路 恒壓源

在設(shè)計(jì)可見光通信光源要求的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，不但要根據(jù)LED功率大小、驅(qū)動(dòng)性能和經(jīng)濟(jì)性等要求選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，還應(yīng)滿足可見光通信設(shè)備的應(yīng)用要求。因此，合理的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以有效改善輸出光功率和傳輸距離，從而提高系統(tǒng)性能。

本文比較了常見的兩種適用于可見光通信設(shè)備應(yīng)用要求的驅(qū)動(dòng)電路，最終提出了一種切實(shí)可行的雙重用途恒壓LED驅(qū)動(dòng)電路，并對其進(jìn)行驗(yàn)證。

一、雙重用途LED驅(qū)動(dòng)電路

目前直流驅(qū)動(dòng)是LED最常見的驅(qū)動(dòng)方式。根據(jù)LED的直流驅(qū)動(dòng)特性和可見光通信系統(tǒng)對LED驅(qū)動(dòng)電路的要求，可將直流型LED驅(qū)動(dòng)電路分為恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)。因?yàn)榭梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)不但要求LED驅(qū)動(dòng)電路滿足一般的照明要求，還應(yīng)具備通信的功能，所以我們稱之為雙重用途LED驅(qū)動(dòng)電路。

雙重用途LED驅(qū)動(dòng)電路的通信功能主要通過將LED光源的迅速關(guān)斷和打開同步于數(shù)據(jù)的傳送，從而實(shí)現(xiàn)通信信號的傳輸。本節(jié)我們將重點(diǎn)討論這兩種集照明與通信一體的雙重用途LED驅(qū)動(dòng)電路。

1.1 恒流雙重LED驅(qū)動(dòng)

LED的恒流驅(qū)動(dòng)是指其電流保持恒定的驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)外界干擾使得驅(qū)動(dòng)電流增大或減小時(shí)，都可以在恒流電路的調(diào)節(jié)作用下使驅(qū)動(dòng)電流回到預(yù)設(shè)值。通過電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流i0為恒定值，其通信功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過將調(diào)制信號加載到MOS管S2上，控制其高速導(dǎo)通和關(guān)斷，使LED光源產(chǎn)生亮滅或亮暗變化，完成電信號轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號，實(shí)現(xiàn)基于LED光源的可見光通信。

1.2 恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)

恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED兩端的電壓要求保持基本恒定，由于存在紋波，LED電流會(huì)隨著電壓的波動(dòng)而波動(dòng)。圖2為恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)電路示意圖，通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)使LED獲得一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓V0，將調(diào)制信號加載到開關(guān)S2上即MOS管的基極，實(shí)現(xiàn)MOS管隨著調(diào)制信號通斷，從而實(shí)現(xiàn)LED光源的調(diào)制，達(dá)到通信的效果。

目前恒壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)比較成熟，引入電壓負(fù)反饋后可以保證電壓波動(dòng)在一定范圍以內(nèi)，使得恒壓驅(qū)動(dòng)的LED能夠滿足照明的需求。恒壓驅(qū)動(dòng)能夠更好地與可見光通信設(shè)備的應(yīng)用相結(jié)合，并以其低成本，易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢成為可見光通信LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

二、恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)的可見光通信

根據(jù)可見光通信的應(yīng)用要求，本文給出了一種切實(shí)可行的恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)電路。如圖3所示，調(diào)制信號首先通過高速光耦合器控制高速M(fèi)OS驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)S2的快速關(guān)斷和打開，與調(diào)制信號同步，完成可見光通信的信號發(fā)射。其中高速光耦合器能夠更好地隔離噪聲源，R1能夠控制LED光源的調(diào)制深度。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通信速率和通信距離是可見光通信設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，本文主要針對這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究。首先打開恒壓雙重用途驅(qū)動(dòng)的LED光源，使用信號發(fā)生器的方波輸出作為調(diào)制信號，利用濾光片來改善光電探測器信號接收能力，用示波器觀察不同頻率和不同距離情況下光電探測器所接收到的信號波形。實(shí)驗(yàn)共測了2組數(shù)據(jù)：第一組是在通信距離為1米時(shí)，不同頻率下，觀察二級放大接收信號的波形，如圖5～圖7所示，其中激勵(lì)信號（圖中最上波形）、LED光源電流信號（圖中中間波形）、二級放大接收信號的波形圖（圖中最下波形）。

第二組是確定雙重用途恒壓源LED驅(qū)動(dòng)能正常工作后，選擇通信頻率為2MHz，分別進(jìn)行通信距離為1米、2米和3米的實(shí)驗(yàn)，用示波器觀測波形，如圖8～圖10所示，其中激勵(lì)信號顯示為圖中靠上波形，二級放大接收信號顯示為圖中靠下波形。本次實(shí)驗(yàn)表明，該恒壓源雙重LED驅(qū)動(dòng)電路最大調(diào)制頻率為3MHz，最遠(yuǎn)通信距離為3米，超過這兩個(gè)數(shù)值，誤碼率急劇升高，不滿足通信要求。

四、結(jié)論

本文針對LED驅(qū)動(dòng)特性和可見光通信應(yīng)用的要求，比較分析恒流雙重LED驅(qū)動(dòng)電路和恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)電路，提出一種切實(shí)可行的恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)出以兩片OPA657為核心的接收電路和對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該恒壓雙重LED驅(qū)動(dòng)電路滿足照明和可見光通信應(yīng)用要求。更遠(yuǎn)距離和更高頻率的可見光通信LED驅(qū)動(dòng)電路是下一步工作的重點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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