LED 可见光通信系统驱动电路的设计

蔡翠翠，王本有，孟宪猛

（1. 皖西学院电子与信息工程学院，安徽，六安 237012；2. 安徽博微长安电子有限公司，安徽，六安 237012）

0 引言

可见光通信是一种新型无线通信技术，利用LED高速调制、响应时间短等特性，以LED为载体，对信号进行传输，实现了无线通信与照明功能，具有保密性好、不占用无线电频谱、无电磁辐射等特点，受到人们的广泛关注[1]。

目前，可见光通信的驱动方式主要是恒流源驱动和恒压源驱动，存在光源的发光效率低、传输距离短等缺点，不能满足远距离无线通信和照明的要求[2-3]。本文通过对LED的调制驱动基本原理的分析，设计了直流驱动和交流驱动相结合驱动电路，其中直流驱动是输出恒定直流驱动 LED发光，交流驱动是采用MOS驱动输出大电流驱动LED实现通信功能，该驱动电路具有设计简单，可靠性高等特点，并对设计的驱动电路进行试验验证，结果表明驱动电路有效提高了光源的输出功率和信号的传输距离，提升了系统的性能。

1 LED驱动原理

目前室内可见光通信系统主要采用光强度调制方式，分为直接调制和外调制两种方式[4]。外调制是利用外部器件对输出信号的强度进行控制，光源本身保持恒定的发光强度；直接调制是利用驱动电路直接控制 LED的发光强度。对于室内可见光通信系统，光源 LED需要实现照明和通信两种功能，一般要求光源的发光功率高，采用外调制，系统设计复杂，实现难度大，而采用直接调制，系统实现简单，所以本文采用光强度直接调制。

下面以 LED的伏安特性和输入电流与输出光功率关系来说明LED驱动原理。图1(a)为LED的伏安特性，LED两端电压的微小变化，会引起流过LED的电流大幅度变化，所以LED需要驱动电路提供恒定的电流。图 1(b)为输入电流与输出光功率关系，从图中可以看出，输入电流与输出光功率呈线性关系，输出光功率的大小是由输入的电流信号决定的。所以在电路设计方面，驱动电路需要产生恒定的电流来驱动LED。

图1 LED的伏安特性和驱动特性Fig.1 The volt ampere and driving characteristics of LED

2 可见光通信的驱动电路设计

2.1 可见光通信系统框图

可见光通信以空气为传输介质、LED为载体，将数据信息加载到光束上，实现空间数据信息的传输和照明[5-7]，主要包括发送端和接收端两部分，如图2所示。发送端对输入的信号进行调制编码，再经过驱动电路进行LED光源驱动，对LED进行调制的同时将电信号转换成光信号发射到自由空间中；接收端是将经过空间传输的光信号汇聚到光电探测器表面，光电探测器对光信号进行光电转换，再经过解调、放大去噪处理，最后输出信号。

图2 室内可见光通信系统框图Fig.2 The structure of indoor visible light communication system

2.2 LED驱动电路

在室内可见光通信系统中，驱动电路是由直流驱动和交流驱动两部分构成[8]，直流驱动主要是通过直流源驱动输出直流信号；交流驱动主要是对调制编码后的信号进行数模转换，再通过驱动 MOS管后输出交流信号，再经过Bias-Tee耦合后直流与交流信号叠加输出驱动LED，实现照明与通信一体化，如图3所示。

图3 驱动电路结构框图Fig.3 The structure of driving circuit

2.3 具体电路设计

D/A 转换电路完成对调制编码后的信号数模转换，主要由芯片AD780和LTC1655构成，其中AD780为高精度基准电压芯片，为数模转换提供基准电压，用于增强DAC性能[9]；LTC1655为16位的数模转换芯片，电路设计如图 4 所示。

图4 D/A转换电路Fig.4 The D/A conversion circuit

交流驱动主要是采用MOS驱动，它的功能是输出较大电流来驱动LED，目的是在照明的直流上叠加一个交流信号来传输信息[10]。MOS驱动电路采用ADP3624芯片，它是一款高速的双通道MOS驱动器，内部拥有多种模式的PWM控制器，具有输入电压范围宽和驱动大电流的能力，电路设计如图5所示。

直流驱动部分采用 DC/DC降压电路，电路输出恒定直流驱动 LED发光，具有高效、稳定、低耗等优点，电路设计如图5所示。

Bias-tee信号耦合电路完成直流驱动和交流驱动输出信号的叠加，用来驱动LED的发光和通信，主要由电感和电容构成，如图5所示。其中AC+DC为经过 Bias-Tee耦合后将直流与交流信号叠加输出，H1为磁珠，用于吸收高频尖峰干扰。

图5 Bias-Tee驱动电路Fig.5 The bias-tee driving circuit

可见光通信的发射实物图如图6所示，主要包括信号编码调制和驱动放大两个部分，其中信号编码调制利用DSP开发板TMS320C5402完成的，驱动放大利用设计的电路完成信号的模数转换和驱动放大，并通过LED光源进行信号的发射。

图6 可见光通信发射实物图Fig.6 The physical map of visible light communication

3 实验与结果

为验证设计 LED驱动电路的性能，根据前期研究并结合PROTUES电路仿真软件的仿真优化，搭建了可见光通信测试系统。采用信号发生器输出信号，输入到驱动电路进行交直流耦合，驱动白光LED进行信号的传输。接收电路采用光电二极管将接收的光信号进行光电信转换，然后采用运算放大器对信号进行放大，最后对输出数据进行数据采集[10]。

光接收电路设计如图7所示，选用具有频谱范围广、光电转换效率高和信号失真小的BPW21光电二极管，运算放大器选用增益、带宽较高的OPA37；电容 C2、C3 分别用来滤除电源噪声；电容 C4和电阻R2构成一个负反馈电路，提供闭环增益。为了减小噪声的影响，测试系统的放大电路时对放大倍数进行限制，结合仿真设计，放大倍数选80倍为最佳。

图7 接收电路原理图Fig.7 The schematic diagram of the receiving circuit

实验选用市面上销售额定功率为 1 W 的白光LED作为光源，并将多颗灯珠串联成阵列。利用函数发生器输出100 Hz、1 kHz、10 kHz信号对设计的电路进行测试，实验方案示意图如图8所示，发射接收波形如图9所示。

图8 实验方案示意图Fig.8 The schematic diagram of experimental scheme

图9 信号接收波形图Fig.9 Waveform diagram of receiving signal

通过实验测试，对于输入频率为100 Hz～10 KHz的信号，传输距离可达到6 m，接收端可以恢复出发送的原始信号，信号的损失小，实现信号远距离的可靠传输，并且 LED闪烁现象不明显，基本实现了系统的无线通信和照明功能。

4 结束语

针对可见光通信系统光源发光效率低、传输距离短等问题，本文对LED调制原理进行详细分析，设计了基于直流驱动和交流驱动的 LED可见光驱动电路，搭建了可见光通信测试系统，并对设计电路的性能进行试验验证。结果表明，该驱动电路能够实现无线信号的远距离可靠传输，提升了光源发光效率，满足可见光通信和照明的要求。另外设计的驱动电路还具有功耗低、设计简单、可靠性高等特点，在LED可见光通系统中具有良好的应用前景。

[1]迟楠 . LED可见光通信技术[M].北京:清华大学出版社,2013.

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