LED 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

蔡翠翠，王本有，孟憲猛

（1. 皖西學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，安徽，六安 237012；2. 安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽，六安 237012）

0 引言

可見(jiàn)光通信是一種新型無(wú)線通信技術(shù)，利用LED高速調(diào)制、響應(yīng)時(shí)間短等特性，以LED為載體，對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信與照明功能，具有保密性好、不占用無(wú)線電頻譜、無(wú)電磁輻射等特點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注[1]。

目前，可見(jiàn)光通信的驅(qū)動(dòng)方式主要是恒流源驅(qū)動(dòng)和恒壓源驅(qū)動(dòng)，存在光源的發(fā)光效率低、傳輸距離短等缺點(diǎn)，不能滿足遠(yuǎn)距離無(wú)線通信和照明的要求[2-3]。本文通過(guò)對(duì)LED的調(diào)制驅(qū)動(dòng)基本原理的分析，設(shè)計(jì)了直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)相結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路，其中直流驅(qū)動(dòng)是輸出恒定直流驅(qū)動(dòng) LED發(fā)光，交流驅(qū)動(dòng)是采用MOS驅(qū)動(dòng)輸出大電流驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)通信功能，該驅(qū)動(dòng)電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高等特點(diǎn)，并對(duì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)電路有效提高了光源的輸出功率和信號(hào)的傳輸距離，提升了系統(tǒng)的性能。

1 LED驅(qū)動(dòng)原理

目前室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)主要采用光強(qiáng)度調(diào)制方式，分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式[4]。外調(diào)制是利用外部器件對(duì)輸出信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行控制，光源本身保持恒定的發(fā)光強(qiáng)度；直接調(diào)制是利用驅(qū)動(dòng)電路直接控制 LED的發(fā)光強(qiáng)度。對(duì)于室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，光源 LED需要實(shí)現(xiàn)照明和通信兩種功能，一般要求光源的發(fā)光功率高，采用外調(diào)制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，而采用直接調(diào)制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所以本文采用光強(qiáng)度直接調(diào)制。

下面以 LED的伏安特性和輸入電流與輸出光功率關(guān)系來(lái)說(shuō)明LED驅(qū)動(dòng)原理。圖1(a)為L(zhǎng)ED的伏安特性，LED兩端電壓的微小變化，會(huì)引起流過(guò)LED的電流大幅度變化，所以LED需要驅(qū)動(dòng)電路提供恒定的電流。圖 1(b)為輸入電流與輸出光功率關(guān)系，從圖中可以看出，輸入電流與輸出光功率呈線性關(guān)系，輸出光功率的大小是由輸入的電流信號(hào)決定的。所以在電路設(shè)計(jì)方面，驅(qū)動(dòng)電路需要產(chǎn)生恒定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

圖1 LED的伏安特性和驅(qū)動(dòng)特性Fig.1 The volt ampere and driving characteristics of LED

2 可見(jiàn)光通信的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)框圖

可見(jiàn)光通信以空氣為傳輸介質(zhì)、LED為載體，將數(shù)據(jù)信息加載到光束上，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)信息的傳輸和照明[5-7]，主要包括發(fā)送端和接收端兩部分，如圖2所示。發(fā)送端對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制編碼，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行LED光源驅(qū)動(dòng)，對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射到自由空間中；接收端是將經(jīng)過(guò)空間傳輸?shù)墓庑盘?hào)匯聚到光電探測(cè)器表面，光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)解調(diào)、放大去噪處理，最后輸出信號(hào)。

圖2 室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)框圖Fig.2 The structure of indoor visible light communication system

2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

在室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路是由直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)兩部分構(gòu)成[8]，直流驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)直流源驅(qū)動(dòng)輸出直流信號(hào)；交流驅(qū)動(dòng)主要是對(duì)調(diào)制編碼后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過(guò)驅(qū)動(dòng) MOS管后輸出交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)Bias-Tee耦合后直流與交流信號(hào)疊加輸出驅(qū)動(dòng)LED，實(shí)現(xiàn)照明與通信一體化，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The structure of driving circuit

2.3 具體電路設(shè)計(jì)

D/A 轉(zhuǎn)換電路完成對(duì)調(diào)制編碼后的信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，主要由芯片AD780和LTC1655構(gòu)成，其中AD780為高精度基準(zhǔn)電壓芯片，為數(shù)模轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)電壓，用于增強(qiáng)DAC性能[9]；LTC1655為16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，電路設(shè)計(jì)如圖 4 所示。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.4 The D/A conversion circuit

交流驅(qū)動(dòng)主要是采用MOS驅(qū)動(dòng)，它的功能是輸出較大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，目的是在照明的直流上疊加一個(gè)交流信號(hào)來(lái)傳輸信息[10]。MOS驅(qū)動(dòng)電路采用ADP3624芯片，它是一款高速的雙通道MOS驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部擁有多種模式的PWM控制器，具有輸入電壓范圍寬和驅(qū)動(dòng)大電流的能力，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

直流驅(qū)動(dòng)部分采用 DC/DC降壓電路，電路輸出恒定直流驅(qū)動(dòng) LED發(fā)光，具有高效、穩(wěn)定、低耗等優(yōu)點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

Bias-tee信號(hào)耦合電路完成直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的疊加，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的發(fā)光和通信，主要由電感和電容構(gòu)成，如圖5所示。其中AC+DC為經(jīng)過(guò) Bias-Tee耦合后將直流與交流信號(hào)疊加輸出，H1為磁珠，用于吸收高頻尖峰干擾。

圖5 Bias-Tee驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 The bias-tee driving circuit

可見(jiàn)光通信的發(fā)射實(shí)物圖如圖6所示，主要包括信號(hào)編碼調(diào)制和驅(qū)動(dòng)放大兩個(gè)部分，其中信號(hào)編碼調(diào)制利用DSP開(kāi)發(fā)板TMS320C5402完成的，驅(qū)動(dòng)放大利用設(shè)計(jì)的電路完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)放大，并通過(guò)LED光源進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射。

圖6 可見(jiàn)光通信發(fā)射實(shí)物圖Fig.6 The physical map of visible light communication

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì) LED驅(qū)動(dòng)電路的性能，根據(jù)前期研究并結(jié)合PROTUES電路仿真軟件的仿真優(yōu)化，搭建了可見(jiàn)光通信測(cè)試系統(tǒng)。采用信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，輸入到驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行交直流耦合，驅(qū)動(dòng)白光LED進(jìn)行信號(hào)的傳輸。接收電路采用光電二極管將接收的光信號(hào)進(jìn)行光電信轉(zhuǎn)換，然后采用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最后對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[10]。

光接收電路設(shè)計(jì)如圖7所示，選用具有頻譜范圍廣、光電轉(zhuǎn)換效率高和信號(hào)失真小的BPW21光電二極管，運(yùn)算放大器選用增益、帶寬較高的OPA37；電容 C2、C3 分別用來(lái)濾除電源噪聲；電容 C4和電阻R2構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋電路，提供閉環(huán)增益。為了減小噪聲的影響，測(cè)試系統(tǒng)的放大電路時(shí)對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行限制，結(jié)合仿真設(shè)計(jì)，放大倍數(shù)選80倍為最佳。

圖7 接收電路原理圖Fig.7 The schematic diagram of the receiving circuit

實(shí)驗(yàn)選用市面上銷(xiāo)售額定功率為 1 W 的白光LED作為光源，并將多顆燈珠串聯(lián)成陣列。利用函數(shù)發(fā)生器輸出100 Hz、1 kHz、10 kHz信號(hào)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)方案示意圖如圖8所示，發(fā)射接收波形如圖9所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)方案示意圖Fig.8 The schematic diagram of experimental scheme

圖9 信號(hào)接收波形圖Fig.9 Waveform diagram of receiving signal

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于輸入頻率為100 Hz～10 KHz的信號(hào)，傳輸距離可達(dá)到6 m，接收端可以恢復(fù)出發(fā)送的原始信號(hào)，信號(hào)的損失小，實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸，并且 LED閃爍現(xiàn)象不明顯，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)線通信和照明功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)光源發(fā)光效率低、傳輸距離短等問(wèn)題，本文對(duì)LED調(diào)制原理進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了基于直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)的 LED可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)電路，搭建了可見(jiàn)光通信測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)電路的性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線信號(hào)的遠(yuǎn)距離可靠傳輸，提升了光源發(fā)光效率，滿足可見(jiàn)光通信和照明的要求。另外設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路還具有功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，在LED可見(jiàn)光通系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

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