可见光通信光源驱动电路研究

张强 安志勇 段靖远

【摘要】 提出了一种可见光通信LED光源驱动电路。分析了恒压电路和恒流电路两种方案，比较后提出一种切实可行的双重用途LED恒压电路。设计出可见光通信接收机的二级放大接收电路对其进行实验验证，实验结果表明，该双重用途恒压LED驱动电路能够达到最大调制频率为3MHz，最远通信距离为3米，符合可见光通信设备的应用要求。

【关键词】 可见光通信 LED驱动电路 恒压源

在设计可见光通信光源要求的驱动电路时，不但要根据LED功率大小、驱动性能和经济性等要求选择合适的驱动方式，还应满足可见光通信设备的应用要求。因此，合理的驱动电路设计可以有效改善输出光功率和传输距离，从而提高系统性能。

本文比较了常见的两种适用于可见光通信设备应用要求的驱动电路，最终提出了一种切实可行的双重用途恒压LED驱动电路，并对其进行验证。

一、双重用途LED驱动电路

目前直流驱动是LED最常见的驱动方式。根据LED的直流驱动特性和可见光通信系统对LED驱动电路的要求，可将直流型LED驱动电路分为恒压驱动和恒流驱动。因为可见光通信系统不但要求LED驱动电路满足一般的照明要求，还应具备通信的功能，所以我们称之为双重用途LED驱动电路。

双重用途LED驱动电路的通信功能主要通过将LED光源的迅速关断和打开同步于数据的传送，从而实现通信信号的传输。本节我们将重点讨论这两种集照明与通信一体的双重用途LED驱动电路。

1.1 恒流双重LED驱动

LED的恒流驱动是指其电流保持恒定的驱动方式，当外界干扰使得驱动电流增大或减小时，都可以在恒流电路的调节作用下使驱动电流回到预设值。通过电流负反馈调节实现驱动电流i0为恒定值，其通信功能的实现主要是通过将调制信号加载到MOS管S2上，控制其高速导通和关断，使LED光源产生亮灭或亮暗变化，完成电信号转化为光学信号，实现基于LED光源的可见光通信。

1.2 恒压双重LED驱动

恒压驱动时，LED两端的电压要求保持基本恒定，由于存在纹波，LED电流会随着电压的波动而波动。图2为恒压双重LED驱动电路示意图，通过电压负反馈调节使LED获得一个稳定的驱动电压V0，将调制信号加载到开关S2上即MOS管的基极，实现MOS管随着调制信号通断，从而实现LED光源的调制，达到通信的效果。

目前恒压驱动技术比较成熟，引入电压负反馈后可以保证电压波动在一定范围以内，使得恒压驱动的LED能够满足照明的需求。恒压驱动能够更好地与可见光通信设备的应用相结合，并以其低成本，易实现的优势成为可见光通信LED驱动技术研究的重要内容。

二、恒压双重LED驱动的可见光通信

根据可见光通信的应用要求，本文给出了一种切实可行的恒压双重LED驱动电路。如图3所示，调制信号首先通过高速光耦合器控制高速MOS驱动器，实现S2的快速关断和打开，与调制信号同步，完成可见光通信的信号发射。其中高速光耦合器能够更好地隔离噪声源，R1能够控制LED光源的调制深度。

三、实验结果

通信速率和通信距离是可见光通信设备的两个重要指标，本文主要针对这两个指标进行研究。首先打开恒压双重用途驱动的LED光源，使用信号发生器的方波输出作为调制信号，利用滤光片来改善光电探测器信号接收能力，用示波器观察不同频率和不同距离情况下光电探测器所接收到的信号波形。实验共测了2组数据：第一组是在通信距离为1米时，不同频率下，观察二级放大接收信号的波形，如图5～图7所示，其中激励信号（图中最上波形）、LED光源电流信号（图中中间波形）、二级放大接收信号的波形图（图中最下波形）。

第二组是确定双重用途恒压源LED驱动能正常工作后，选择通信频率为2MHz，分别进行通信距离为1米、2米和3米的实验，用示波器观测波形，如图8～图10所示，其中激励信号显示为图中靠上波形，二级放大接收信号显示为图中靠下波形。本次实验表明，该恒压源双重LED驱动电路最大调制频率为3MHz，最远通信距离为3米，超过这两个数值，误码率急剧升高，不满足通信要求。

四、结论

本文针对LED驱动特性和可见光通信应用的要求，比较分析恒流双重LED驱动电路和恒压双重LED驱动电路，提出一种切实可行的恒压双重LED驱动电路，并设计出以两片OPA657为核心的接收电路和对其进行试验验证，实验结果表明，该恒压双重LED驱动电路满足照明和可见光通信应用要求。更远距离和更高频率的可见光通信LED驱动电路是下一步工作的重点。

参 考 文 献

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