更全的杂志信息网

LED 可见光通信系统驱动电路的设计

更新时间:2009-03-28

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。

从本质上分析,地源热泵技术是一种能源转化技术,即将地表浅层的地热能源转为空调制冷能源的技术。地热资源是指处于地表浅层的低品位能源,来源于地下水。因而地热热泵技术具有节能、环保、节约自然资源等特征。该技术让空调系统散热能力得到大幅度提升,通过土壤散热在实现制冷的同时降低电力能源的消耗。最后,同传统技术相比,该技术不再通过水资源实现散热功能,因此无需另设锅炉等设备,在一定程度上节约了水与土地资源。

  

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

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。

  

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

德公公瞪他一眼:“什么金箍棒,其实是吹管!那金箍棒,一定是空心的。他后面那只手,一定藏在袖子里,用力捏皮囊,向外吹。”

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

2.3 具体电路设计

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]

  

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

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。

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。

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。

温州南站位于浙江省温州市瓯海区潘桥街道。隶属中国铁路上海局集团有限公司宁波车务段管辖,现为一等站。温州南站是一座现代化的综合交通枢纽,外形大气美观。总用地面积190 368m2,其中铁路站房71 209 m2,绿地面积60280平方米,公交及辅助管理用房5 500 m2,公交站和地下车库36 115 m2,公交用地17 264 m2。

  

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

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。

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。

  

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。

证明 Case 1.m ≥ 2,设Q= 〈a〉,令Q1= 〈aq〉,则G1=P ×Q1幂零,根据文献[6]中定理2.6可知,其真幂图连通且满足若P是循环群或广义四元数2群,diam(P∗(G1))=2;若P既不是循环群也不是广义四元数2群,diam(P∗(G1))=4.任取不同两点g1,g2∈G,下面在两种情形下讨论真幂图P∗(G)的连通性.

  

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。

医疗人才与其他行业相比,培养周期长、 投入大,医疗工作者工作强度大、风险高[11]。我院针对医务人员的特点,建立了完善的职工职业生涯计划,为职工个人发展提供充分的自我增值机会和职业上升空间。通过完善的培训及进修体系,提高员工自身素质和知识技能,建立公平竞争的选人用人制度,合理配置、因岗设人。如“1351”人才计划;登峰、青苗人才遴选上报;215高层次卫生技术人才学科上报;医院组织的青年人才出国进修计划;利用“海聚工程”人才政策平台,吸引海外优秀人才等。

参考文献:

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

[2]徐佐,徐宁,马正北. 大功率白光 LED 室内可见光通信系统研究[J].光通信技术,2015(10):39-40.

[3]尚建荣. 可见光通信系统驱动电路设计[J]. 光通信技术,2015,39(7):24-25.

[4]杨宇,刘博,张建昆. 一种基于大功率 LED 照明灯的可见光通信系统[J]. 光电子激光, 2011,22(6):803-807.

[5]Lee K, Park H. Modulation for light communications with dimming control [J].IEEE Photonics technology letters, 2011, 223(16):1136-1138.

[6]Zeng L, O’Brien D, Minh H, et al. High data rate multiple input multiple output optical wireless communication using led lighting [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communication, 2009,27(9):1654-1662.

[7]沈振民,蓝天,王云,等. 基于 LED灯的室内可见光通信系统仿真分析[J].红外与激光工程,2015,44(8):2496-2500.

[8]杨欣华,刘洋,康文炜,等. OFDM 可见光通信系统发送器研究[J].吉林大学学报,2015,33(3):267-272.

[9]李昂. 可见光通信系统设计与实验研究[D]. 北京:北京邮电大学,2014:32-36.

[10]徐丹彤. 基于白光的可见光通信系统中光接收发射器的研究与设计[D]. 南京:南京邮电大学,2012:12-17.

 
蔡翠翠,王本有,孟宪猛
《井冈山大学学报(自然科学版)》2018年第02期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息