可見光通信光源驅動電路研究

張強 安志勇 段靖遠

【摘要】 提出了一種可見光通信LED光源驅動電路。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可行的雙重用途LED恒壓電路。設計出可見光通信接收機的二級放大接收電路對其進行實驗驗證，實驗結果表明，該雙重用途恒壓LED驅動電路能夠達到最大調制頻率為3MHz，最遠通信距離為3米，符合可見光通信設備的應用要求。

【關鍵詞】 可見光通信 LED驅動電路 恒壓源

在設計可見光通信光源要求的驅動電路時，不但要根據LED功率大小、驅動性能和經濟性等要求選擇合適的驅動方式，還應滿足可見光通信設備的應用要求。因此，合理的驅動電路設計可以有效改善輸出光功率和傳輸距離，從而提高系統性能。

本文比較了常見的兩種適用于可見光通信設備應用要求的驅動電路，最終提出了一種切實可行的雙重用途恒壓LED驅動電路，并對其進行驗證。

一、雙重用途LED驅動電路

目前直流驅動是LED最常見的驅動方式。根據LED的直流驅動特性和可見光通信系統對LED驅動電路的要求，可將直流型LED驅動電路分為恒壓驅動和恒流驅動。因為可見光通信系統不但要求LED驅動電路滿足一般的照明要求，還應具備通信的功能，所以我們稱之為雙重用途LED驅動電路。

雙重用途LED驅動電路的通信功能主要通過將LED光源的迅速關斷和打開同步于數據的傳送，從而實現通信信號的傳輸。本節我們將重點討論這兩種集照明與通信一體的雙重用途LED驅動電路。

1.1 恒流雙重LED驅動

LED的恒流驅動是指其電流保持恒定的驅動方式，當外界干擾使得驅動電流增大或減小時，都可以在恒流電路的調節作用下使驅動電流回到預設值。通過電流負反饋調節實現驅動電流i0為恒定值，其通信功能的實現主要是通過將調制信號加載到MOS管S2上，控制其高速導通和關斷，使LED光源產生亮滅或亮暗變化，完成電信號轉化為光學信號，實現基于LED光源的可見光通信。

1.2 恒壓雙重LED驅動

恒壓驅動時，LED兩端的電壓要求保持基本恒定，由于存在紋波，LED電流會隨著電壓的波動而波動。圖2為恒壓雙重LED驅動電路示意圖，通過電壓負反饋調節使LED獲得一個穩定的驅動電壓V0，將調制信號加載到開關S2上即MOS管的基極，實現MOS管隨著調制信號通斷，從而實現LED光源的調制，達到通信的效果。

目前恒壓驅動技術比較成熟，引入電壓負反饋后可以保證電壓波動在一定范圍以內，使得恒壓驅動的LED能夠滿足照明的需求。恒壓驅動能夠更好地與可見光通信設備的應用相結合，并以其低成本，易實現的優勢成為可見光通信LED驅動技術研究的重要內容。

二、恒壓雙重LED驅動的可見光通信

根據可見光通信的應用要求，本文給出了一種切實可行的恒壓雙重LED驅動電路。如圖3所示，調制信號首先通過高速光耦合器控制高速MOS驅動器，實現S2的快速關斷和打開，與調制信號同步，完成可見光通信的信號發射。其中高速光耦合器能夠更好地隔離噪聲源，R1能夠控制LED光源的調制深度。

三、實驗結果

通信速率和通信距離是可見光通信設備的兩個重要指標，本文主要針對這兩個指標進行研究。首先打開恒壓雙重用途驅動的LED光源，使用信號發生器的方波輸出作為調制信號，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。實驗共測了2組數據：第一組是在通信距離為1米時，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驅動能正常工作后，選擇通信頻率為2MHz，分別進行通信距離為1米、2米和3米的實驗，用示波器觀測波形，如圖8～圖10所示，其中激勵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。本次實驗表明，該恒壓源雙重LED驅動電路最大調制頻率為3MHz，最遠通信距離為3米，超過這兩個數值，誤碼率急劇升高，不滿足通信要求。

四、結論

本文針對LED驅動特性和可見光通信應用的要求，比較分析恒流雙重LED驅動電路和恒壓雙重LED驅動電路，提出一種切實可行的恒壓雙重LED驅動電路，并設計出以兩片OPA657為核心的接收電路和對其進行試驗驗證，實驗結果表明，該恒壓雙重LED驅動電路滿足照明和可見光通信應用要求。更遠距離和更高頻率的可見光通信LED驅動電路是下一步工作的重點。

參 考 文 獻

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