Phân tích ảnh hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả kiến dùng LED luận văn thạc sĩ

Trong luận văn này, tác giả đề xuất một hệ thống truyền dữ liệu không dây sử dụng ánh sáng trắng của đèn LED.. Trên cơ sở đó kết hợp với một hệ thống truyền dữ liệu chuỗi văn bản, hình ả

DÙNG LED

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2020

DÙNG LED

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THANH SƠN

ĐỒNG NAI – NĂM 2020

Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm học tập nghiên

cứu Để có được kết quả hôm nay, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của giáo

viên hướng dẫn, sự quan tâm của một số đồng nghiệp cũng như bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Sơn, người Thầy đã hết lòng

chỉ dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm

nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Sau đại học, Khoa cơ Điện

Trường Đại học Lạc Hồng, và tất cả Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi

những kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn dành những

tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tôi vượt qua mọi khó khăn trong

suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng Nai đã

tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, công tác cũng như trong quá

trình thực hiện luận văn

Đ Đồng Nai, tháng 12 năm 2020

Học viên thực hiện

N Nguyễn Thành Danh

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu là của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được xin phép và cảm ơn Tất cả các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ

Trong luận văn này, tác giả đề xuất một hệ thống truyền dữ liệu không dây sử dụng ánh sáng trắng của đèn LED Tiếp cận nghiên cứu của tác giả là tập trung khai thác bóng đèn LED dùng chung cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông ứng dụng cho một văn phòng làm việc cụ thể Mỗi thiết bị có thể truy xuất dữ liệu

từ nguồn ánh sáng của đèn LED

Trong nội dung luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả biến dùng LED Trên cơ sở đó kết hợp với một hệ thống truyền

dữ liệu (chuỗi văn bản, hình ảnh) thời gian thực tốc độ cao sử dụng ánh sáng đèn LED trắng để tạo ra một ứng dụng hoàn chỉnh

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng tốc độ truyền dữ liệu của

hệ thống đề xuất có thể đạt được 115 Kbps ứng với khoảng cách truyền là 100cm

2.1.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse

2.2 Ứng dụng của VLC 30

2.2.2 Hệ thống truyền dẫn VLC Multiple-input Multiple-Output

(MIMO)

33 2.2.3 Truyền dẫn giữa các người dùng di động bằng camera với chip cảm biến hình ảnh

34

Chương 3: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG

3.3.1 Ảnh hưởng của single-source và multisource tới công suất thu của

2 Codes matlab để tính toán phân bố công suất tới máy thu

3 Codes Matlab mô phỏng với 9 LED

Từ viết

Technology Industries Association

Hiệp hội công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin Nhật Bản

sáng nhìn thấy

VLC Visible Light Communication Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

vô tuyến

Bảng 2.1 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y) 20

Bảng 2.3 Tọa độ của các điểm ký hiệu với 3 dải màu được chọn 26

Bảng 2.4 Tốc độ của ba phương pháp điều chế với các loại mã hóa 27

Bảng 2.6 Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học Oxford (2008) 33

Hình 2.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy 6

Hình 2.4 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b) 13

Hình 2.5 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa 15

Hình 2.20 Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong nhà 30

Hình 2.21 Mô hình truyền dẫn với môi trường ngoài trời 31

Hình 2.23 Mô hình hệ thống truyền dẫn VLC của viện truyền thông Fraunhofer 33

Hình 2.24 Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học Oxford (2008) 34

Hình 2.26 Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát (16x16) 35

Hình 2.27 Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh thừa (b) 36

Hình 2.28 Bóng đèn được gắn dưới kệ hàng (a) và xe đẩy hàng gắn máy thu (b) 37

Hình 2.29 Sơ đồ bố trí đèn (a) và tốc độ di chuyển trong siêu thị (b) 38

Hình 3.3 Cấu trúc VLC Transmitter tương đương 40

Hình 3.7(a) Phân bố công suất ứng với 1 LED (single-source) 45

Hình 3.7(b) Phân bố công suất ứng với 4 LED (Multisource) 46 Hình 3.7(c) Phân bố công suất ứng với 6 LED, 9 LED (Multisource) 46

Hình 3.8(a) Phân bố công suất ứng với bán góc 1/2700 47

Hình 3.8 (b) Phân bố công suất ứng với bán góc 1/212.50 47

Hình 3.14 Module LabVIEW NI myDAQ dùng phân tích tính hiệu thu và phát 51 Hình 3.15 Kết quả truyền nhận dữ liệu 9,6Kbps, 80cm 52 Hình 3.16 Kết quả truyền nhận dữ liệu 115,2Kbps, 80cm 52

Hình 3.18 Kết quả truyền nhận dữ liệu 9,6 Kbps và 115,2 Kbps, 100cm sử dụng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, đèn huỳnh quang và sợi đốt được thay thế bằng các đèn LED với tốc độ tăng nhanh chóng, bởi chúng có rất nhiều điểm ưu việt như: độ bền cao không sợ đứt tóc hay vỡ bóng, sinh nhiệt thấp hơn, tiêu thụ điện năng ít do hiệu suất phát sáng của LED rất cao, thẩm mỹ, linh hoạt trong sử dụng bởi vì LED

có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ Thêm một lợi ích của đèn LED là chúng có khả năng chuyển cường độ ánh sáng khác nhau với tốc độ rất nhanh Từ chức năng này phát triển công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communications – VLC) ngày càng được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu Ý tưởng là sử dụng Diode phát quang (Light Emitting Diode – LED) cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông tin tốc độ cao, giảm sử dụng các vật liệu có hại trong thiết kế và sinh nhiệt thấp hơn khi sử dụng liên tục Do những lợi ích này, việc áp dụng đèn LED đang tăng lên một cách nhất quán Dự kiến sẽ có gần 75% trong chiếu sáng sẽ sử dụng công nghệ đèn LED

Cũng chính từ sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng đèn LED đã cung cấp cho chúng ta một cơ hội để nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED Khác với các công nghệ chiếu sáng cũ, đèn LED có khả năng chuyển sang ánh sáng khác nhau với mức cường độ và tốc độ rất nhanh Tốc độ chuyển đổi nhanh đủ để không thể nhận ra bằng mắt người Chức năng này có thể được sử dụng

để liên lạc trong đó dữ liệu được mã hóa trong phát ra ánh sáng theo nhiều cách khác nhau Ngoài ra, LED là thiết bị bán dẫn có khả năng bật tắt ở tốc độ siêu cao

Chính vì những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Phân tích ảnh

hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả kiến dùng LED” Bằng cách sử dụng ánh sáng trắng để

truyền tin, chúng ta có thể giải quyết được rất nhiều vấn đề còn tồn đọng của công nghệ RF và mở rộng băng thông được xuống cho các thiết bị đầu cuối Như vậy,

LED không chỉ được sử dụng như một thiết bị chiếu sáng thông thường mà còn được sử dụng như một thiết bị truyền thông băng siêu rộng

Ưu điểm chủ yếu hiện nay của VLC là truyền thông không dây ở cự li ngắn, tốc

độ cao trong nhà với giá thành rẻ và đảm bảo độ tin cậy, bảo mật thông tin, cũng như

an toàn cho mắt người sử dụng

Nội dung luận văn bao gồm ba chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chất lượng truyền thông của VLC

Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ dẫn của Quý Thầy, Cô và sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, đèn huỳnh quang và sợi đốt được thay thế bằng các đèn LED với tốc độ tăng nhanh chóng, bởi chúng có rất nhiều điểm ưu việt như: độ bền cao không sợ đứt tóc hay vỡ bóng, sinh nhiệt thấp hơn, tiêu thụ điện năng ít do hiệu suất phát sáng của LED rất cao, thẩm mỹ, linh hoạt trong sử dụng bởi vì LED

có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ Thêm một lợi ích của đèn LED là chúng có khả năng chuyển cường độ ánh sáng khác nhau với tốc độ rất nhanh Từ chức năng này phát triển công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communications – VLC) ngày càng được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu Ý tưởng là sử dụng Diode phát quang (Light Emitting Diode – LED) cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông tin tốc độ cao, giảm sử dụng các vật liệu có hại trong thiết kế và sinh nhiệt thấp hơn khi sử dụng liên tục

Cũng chính từ sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng đèn LED đã cung cấp cho chúng ta một cơ hội để nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED Khác với các công nghệ chiếu sáng cũ, đèn LED có khả năng chuyển sang ánh sáng khác nhau với mức cường độ và tốc độ rất nhanh Tốc độ chuyển đổi nhanh đủ để không thể nhận ra bằng mắt người Chức năng này có thể được sử dụng

để liên lạc trong đó dữ liệu được mã hóa trong phát ra ánh sáng theo nhiều cách khác nhau Ngoài ra, LED là thiết bị bán dẫn có khả năng bật tắt ở tốc độ siêu cao

Chính vì những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Phân tích ảnh

hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả kiến dùng LED” Bằng cách sử dụng ánh sáng trắng để truyền

tin, chúng ta có thể giải quyết được rất nhiều vấn đề còn tồn đọng của công nghệ RF

và mở rộng băng thông được xuống cho các thiết bị đầu cuối Như vậy, LED không chỉ được sử dụng như một thiết bị chiếu sáng thông thường mà còn được sử dụng

như một thiết bị truyền thông băng siêu rộng Với ưu điểm chủ yếu hiện nay của VLC là truyền thông không dây ở cự li ngắn, tốc độ cao trong nhà với giá thành rẻ và đảm bảo độ tin cậy, bảo mật thông tin, cũng như an toàn cho mắt người sử dụng

1.2 Tổng quan về tình hình trong và ngoài nước

Nghiên cứu trong nước:

Năm 2016 Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 được tổ chức tại trường Đại học Cần Thơ, tác giả Nguyễn Thanh Sơn, Lâm Thanh Hiển, Trần Phú Cường, Đinh Công Sang, trường Đại học Lạc Hồng, Biên Hòa, Đồng Nai

đã có bài báo Mô Hình Truyền Dữ Liệu Dùng Ánh Sáng LED Kết Hợp Giữa PLC (Power Line Communication) và VLC (Visible Light Communications) [1]

Nghiên cứu ngoài nước:

Hiện tại có rất nhiều dự án nghiên cứu khoa học trên thế giới về VLC đã và đang được triển khai Phòng thí nghiệm Nakagawa của đại học Keio đã xuất bản rất nhiều bài báo nghiên cứu về VLC, cụ thể như những phân tích cơ bản về VLC [2],

sự kết hợp của VLC với truyền thông trên đường dây điện [3] Ở Hàn Quốc cũng đã công bố rất nhiều nghiên cứu như kết quả đo cho điều chế băng thông của LED [4] Nghiên cứu của đại học Oxford về vấn đề điều chế băng thông của LED ứng dụng cho VLC cũng đã được công bố [5], công nghệ VLC được các nhóm nghiên cứu trên thế giới tiếp tục phát triển mạnh mẽ như hiệp hội truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy tại Nhật Bản (Japan's Visible Light Communications Consortium and Its Standardization Activities – VLCC) [6], diễn đàn nghiên cứu thế giới vô tuyến (the Wireless World Research Forum - WWRF) [7] và rất nhiều nhóm nghiên cứu khác trên toàn thế giới IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 dành cho một thế hệ mạng không dây mới trong đó có VLC [8] Có thể khái quát một số định hướng nghiên cứu chính của các nhóm VLC trên toàn thế giới như cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu [9], nghiên cứu về các đặc tính kênh truyền [10], nghiên cứu các phương pháp điều chế và một số định hướng nghiên cứu khác

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả đề xuất giải quyết các vấn đề về sự ảnh hưởng của góc

thông ánh sáng khả kiến dùng LED Tính toán nguồn phản xạ ảnh hưởng lên năng lượng thu của photodiode Mô phỏng năng lượng thu của máy thu để phân tích sự tác động bởi góc truyền và sự phản xạ ánh sáng, khoảng cách truyền, ngoài ra nếu phân

bố nguồn sáng hợp lí sẽ cải thiện đáng kể năng lượng thu Hơn nữa, kết quả nghiên cứu này sẽ làm cơ sở nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao độ tin cậy cũng như khả năng ứng dụng của truyền thông dùng đèn LED trong tương lai

- Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền VLC

- Thi công mô hình thực nghiệm truyền thông VLC

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết của Visible Light Communication (VLC)

VLC là kỹ thuật truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy, sử dụng phần ánh sáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì VLC gần giống công nghệ truyền thông không dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóng điện từ (Radio Frequency – RF) để truyền dữ liệu

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằm trong khoảng mắt người có thể nhận biết được Các bước sóng này nằm trong khoảng từ 380nm đến 750nm Hình 2.1 dưới đây cho ta thấy các bước sóng ánh sáng được gắn với tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy

Với VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sáng nhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi này Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện

VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây quang (Optical Wireless Communications – OWC) OWC sử dụng cả tia hồng ngoại (infra-red) và tia cực tím (Ultra-violet) để truyền thông tin tương tự như ánh sáng

Hình 2.1 Quang phổ ánh sáng khả biến nhìn thấy

[11]

nhìn thấy Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để truyền thông tin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu tú hơn cả

2.1.1 Quá trình phát triển của Visible Light Communication (VLC)

Truyền thông bằng quang phổ khả kiến đầu tiên bắt đầu ở phòng thí nghiệm Nakagawa ở Đại học Keio, Nhật Bản vào năm 2003 [9] Điều này có được là bởi sự nhảy vọt trong việc nghiên cứu và phát triển ở phạm vi toàn cầu Bởi chuyển đổi tắt

và mở chất lân quang ở đèn LED trắng rất mau chóng, tốc độ truyền dữ liệu lên đến

40 Mb trên giây (Megabyte per second) có thể được thực hiện một cách dễ dàng

- Năm 2004: Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị

- Năm 2007: Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền Led tới thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật Bản

- Năm 2007: Hiệp hội truyền thông bằng quang phổ khả kiến ở Nhật Bản đưa ra hai tiêu chuẩn:

- Tiêu chuẩn truyền thông bằng quang phổ khả kiến

- Tiêu chuẩn nhận dạng quang phổ khả kiến

- JEITA (Hiệp hội công nghiệp Điện tử và công nghệ thông tin của Nhật Bản) thừa nhận những tiêu chuẩn này và đặt tên JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222

- Năm 2008: Phát triển những tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng Internet cho nhà riêng bao gồm sử dụng công nghệ OWC, tia hồng ngoại và truyền thông bằng quang phổ khả kiến; diễn ra tại tòa nhà OMEGA, Liên minh Châu Âu Giới thiệu công nghệ VLC bằng việc sử dụng 5 đèn LED với một tốc độ truyền dữ liệu lớn

hơn 100 Mbps, truyền đi khoảng cách xa hơn một vài mét sử dụng điều khiển LOS Cấp độ truyền tải đã được ra mắt công chúng sử dụng ánh sáng tán xạ ở mặt ngoài của những bức tường từ những đường truyền; được tổ chức tại tòa nhà OMEGA, Châu Âu

- Năm 2008: Hiệp hội truyền thông bằng quang phổ khả kiến ở Nhật Bản và Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại quốc tế cùng nhau bàn về những tiêu chuẩn kỹ thuật tại Hoa Kỳ

- Năm 2009: VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên, nó hợp nhất và

mở rộng dựa vào tiêu chuẩn cốt lõi của Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại quốc tế và đã định nghĩa quang phổ để cho phép sử dụng của bước sóng ánh sáng

- Năm 2010: Phát triển công nghệ VLC cho truyền thông giữa các sản phẩm điện tử trong một vùng rộng, chẳng hạn truyền hình độ phân giải cao, những trạm thông tin, những máy tính cá nhân, những chiếc điện thoại thông minh v.v tại Đại học California, Hoa Kỳ

- Năm 2010: Giới thiệu VLC với hệ thống định vị toàn cầu (viết tắt GPS) ở Nhật Bản

- Năm 2010: Truyền dẫn một hệ thống FM-VLED với tốc độ 500 Mbps hơn khoảng cách 5m, diễn ra ở Viện Siemens và Heinrich Hertz, Cộng hòa Liên Bang Đức

- Năm 2010: Phát triển một tiêu chuẩn cho các công nghệ VLC mạng khu vực không dây làm việc bởi nhóm IEEE vẫn đang tiếp diễn tại số 802157 Task

- Năm 2011: Giới thiệu nền tảng VLC là OFDM, truyền dữ liệu với tốc độ 124 Mbps bằng thời gian thực, sử dụng chất lân quang đèn LED trắng phủ photphor, diễn ra tại Đại học Edinburgh, Vương quốc Anh

- Năm 2013: Giáo sư Harald Hass đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ cao lên đến 1.6 Gbps thông qua đèn Led đơn sắc

- Năm 2014: Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội

bộ không dây có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 1.25 Gbps

Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode) để chiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng LED làm nguồn phát Khi chúng ta đưa dòng điện không đổi vào bóng đèn LED, nó sẽ phát ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng nhìn thấy) Nếu chúng ta thay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũng thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường không nhận biết được Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn

và truyền đi đến máy thu

Hình 2.2 Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED [12]

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ biến trên internet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web Các ứng dụng này phần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống (downlink) nhưng lại chỉ yêu cầu băng thông đường lên nhỏ Theo cách này, chúng ta có thể giải quyết vấn đề quá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến và mở rộng dung lượng của Wi-Fi

2.1.2.2 Nhiễu nổ

Là loại nhiễu chính trong hệ thống VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm có nguồn nhiễu tự nhiên (mặt trời) và nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt,…), các nguồn nhiễu này sẽ tạo ra một bức xạ nền Bức xạ nền này sẽ gây ra một dòng liên tục trong diode tách quang và do tính chất ngẫu nhiên của quá trình tách quang sẽ hình thành nhiễu nổ Một thành phần nữa gây ra nhiễu nổ đó chính là do dòng tối ngược chiều nhỏ đi qua tải khi không có ánh sáng tới bộ tách quang Nguyên nhân gây ra

là do nhiệt ở lớp tiếp giáp hoặc khiếm khuyết ở bề mặt Loại nhiễu này có thể mô hình theo phân bố Poisson với mật độ phổ công suất trắng Để dễ dàng, ta mô hình hóa nhiễu theo phân bố Gaussian Đối với các mô hình liên kết có FOV hẹp (Narrow-LOS), nhiễu sẽ phụ thuộc vào tín hiệu (do ảnh hưởng bên ngoài không nhiều) Đối với trường hợp FOV rộng (Wide-LOS), ảnh hưởng từ các nguồn sáng bên ngoài lên tín hiệu lớn, nhiễu sẽ độc lập với tín hiệu Ta có biểu thức tính mật độ phổ công suất (PSD) của nhiễu nổ theo biểu thức (2.1)

Từ đó ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tính theo biểu thức (2.2)

P R P

R SNR

2

2 2 2

2 2

2.1.3 Các phương pháp điều chế trong VLC

Để có thể đưa thông tin vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ thuật điều chế Có rất nhiều kỹ thuật như điều chế khóa bật tắt (On-Off Keying – OOK), điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM), điều chế vị trí xung (Pulse Position Modulation – PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation – PAM), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying – CSK) và một số các phương pháp điều chế khác

Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương pháp điều chỉnh cường độ của ánh sáng Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều chế ánh sáng để thông tin đều có thể gây ảnh hưởng không tốt (đôi khi là nguy hiểm) với mắt người

Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sáng phải nằm trong khoảng thời gian thay đổi tối đa cho phép (Maximum Flickering Time Period – MFTP)

MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thể thay đổi mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn 200Hz (ứng với MFTP < 5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vì vậy các phương pháp điều chế sử dụng trong VLC sẽ phải chú ý đến giá trị MFTP này

Một vấn đề khác nữa, để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, chúng ta phải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợ trong quá trình điều chế (Dimming Method - DM) Tức là cho phép người dùng có thể tăng giảm độ sáng đến một giới hạn nào đó trong khi quá trình truyền dẫn dữ liệu vẫn diễn ra Mắt người thích ứng với sự giảm mức độ sáng bằng cách mở rộng con người, cho phép nhiều ánh sáng đi vào mắt hơn Sự thích ứng của mắt người sẽ gây ra sự khác biệt giữa mức độ ánh sáng đo được (Measuared Levels of Light – MLL) và mức độ ánh sáng nhận biết được (Perceived Levels of Light – PLL) [13] Mối quan

hệ giữa hai đại lượng này được cho bởi biểu thức (2.3) dưới đây

100

% 100

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa PLL và MLL [13]

2.1.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chế rất phổ

biến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại Phương pháp này đôi khi còn được gọi là mã hóa Non-return-to-zero (NRZ)

Điều chế khóa tắt bật là một phương pháp điều chế hai mức bao gồm hai ký hiệu tương ứng với mức công suất 2P hoặc 0 Tín hiệu có thể được biểu diễn bằng hàm cơ sở OOK t

với biểu thức (2.4) dưới đây

Phương pháp điều chế này có nhược điểm đó là gây ra hiện tượng nhấp nháy

do nguyên tắc điều chế tắt bật nguồn sáng theo các bit 0, 1 Để khắc phục hiện tượng này, tín hiệu sẽ được mã hóa với mã Manchester trước khi đưa vào điều chế, bit 0 sẽ được ký hiệu bằng “01” và bit 1 sẽ được ký hiệu bằng “10” Do đó sẽ tạo ra được một bộ mã cân bằng số lượng bit 0 và 1, tránh được hiện tượng nhấp nháy

Việc điều chỉnh độ sáng trong OOK có thể thực hiện theo hai cách, hoặc

chúng ta thay đổi lại mức độ “bật”, “tắt” đối với các ký tự (có nghĩa không cần thiết phải tắt hẳn hoàn toàn nguồn sáng, mà chỉ cần đủ nhỏ để có thể phân định rõ ràng giữa hai mức này) hoặc các mức này vẫn giữ nguyên và thay đổi thời gian mức cao (duty-cycle) (tức thời gian tín hiệu ở mức cao/chu kỳ) bằng cách chèn thêm các ký hiệu dư thừa (Compensation Symbols – CS) vào để điều chỉnh tăng giảm độ sáng

(2.8) Hai phương pháp trên đều có những ưu khuyết điểm riêng, đối với phương pháp thứ nhất, đặt lại hai mức tắt bật sẽ giữ nguyên tốc độ bit không đổi nhưng sẽ làm thay đổi hai mức độ, có thể gây ra hiện tượng thay đổi màu sắc do phải tác động đến quá trình điều khiển LED Đối với cách còn lại, hai mức độ không đổi nhưng sẽ làm chậm tốc độ bit do đã chèn thêm bit dư thừa vào

Hình 2.4 cho thấy ví dụ sử dụng các ký hiệu dư thừa để làm tăng độ sáng, do

sử dụng mã Manchester để mã hóa nên thời gian mức cao luôn đạt 1/2 (tỉ lệ bit 0 và

1 như nhau), nói cách khác mức độ sáng là 50%, ta sẽ chèn thêm các ký hiệu dư thừa vào để tăng thời gian mức cao (tăng bit 1) khiến cho mức sáng trung bình (Average Brightness – AB) cao hơn 50%

2 1

2 1

T T

BT AT N







Hình 2.5 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS [14] 2.1.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM)

Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi là phương pháp điều chế mới hơn,

là sự kết hợp của hai phương thức điều chế: điều chế vị trí xung (2 Pulse Position Modulation – 2PPM) và điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Trong phương pháp điều chế PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chia thành M chu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độ quang khác không trong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫn giữ nguyên Mỗi chu kỳ con sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi ký hiệu là trực giao với nhau

Ví dụ ta có không gian tín hiệu M = N, M-PPM ký hiệu có thể được xem như một khối mã OOK với chu kỳ là MT trong đó cường độ ra bằng không ngoại trừ trong chu kỳ T Hàm cơ sở của M-PPM có dạng theo biểu thức (2.9)

m M

T t rect T

M t

m

1

Không gian tín hiệu của M-PPM là không gian Euclid M chiều với một điểm tín hiệu trên mỗi trục M

T MP t

Trong đó: A[k] sẽ chọn ký hiệu xuất hiện trong M Các xung sẽ không âm

trong toàn bộ thời gian do cấu tạo của chúng

Công suất quang trung bình của mỗi ký hiệu không đổi bằng P với công suất đỉnh của mỗi ký hiệu là MP Bởi các điểm trong không gian tín hiệu trực giao và cách đều với nhau nên xác suất lỗi ký hiệu được tính theo biểu thức (2.11)

R

M P Q M

Trong đó:

T

trực giao với nhau, xác suất lỗi ký hiệu có thể chuyển thành xác suất lỗi bit bằng

P Q

M

Với tốc độ bit R R slog2M

Hình 2.7 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để điều

chỉnh độ sáng (b) [14]

Hình 2.8 Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75% [14]

Trong VPPM sử dụng PPM với M = 2 với mục đích tránh hiện tượng nhấp nháy và PWM để điều chỉnh độ sáng và có thể cung cấp độ sáng tối đa Từ biến đổi (Variable) trong VPPM có nghĩa là sự thay đổi thời gian mức cao (độ rộng xung) tùy theo mức độ sáng cần thiết Bit 1 và 0 trong VPPM được thể hiện bằng vị trí xung và có độ rộng xung giống nhau Do trong VPPM, độ sáng trung bình giữa bit 1

và 0 là không đổi nên tránh được hiện tượng nhấp nháy

Trong hình 2.7(b), độ rộng xung có thể được điều chỉnh để cung cấp độ sáng theo yêu cầu Hình 2.8 mô tả ví dụ dạng sóng của VPPM có thể đạt được 75% độ sáng với bit 0 và 1 có độ rộng xung là 75%

2.1.3.3 Phương pháp điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying)

Như ta đã biết, ánh sáng trắng từ LED có thể tạo ra theo hai cách, cách thứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ phosphor Tuy nhiên, lớp phosphor này sẽ

làm chậm quá trình đáp ứng của LED Phương pháp khắc phục nhược điểm này đó

là sử dụng LED RGB và đối với loại LED này, chúng ta sẽ dùng phương pháp điều chế khóa dịch màu CSK Phương pháp điều chế CSK có thể xem gần như tương đồng với phương pháp điều chế khóa dịch tần (Frequency-Shift Keying – FSK) ở chỗ các đoạn bit được mã hóa với màu sắc (bước sóng) Ví dụ như đối với điều chế 4-CSK (hai bit cho một ký hiệu), một trong bốn bước sóng thích hợp (màu sắc) sẽ được sử dụng cho một cặp bit Trong phương pháp điều chế CSK sử dụng không gian màu CIE 1931 do Ủy ban quốc tế về chiếu sáng công bố để ánh xạ dữ liệu đầu vào thành cặp giá trị tọa độ màu (xp, yp)

Giá trị tọa độ xy được xác định trong CIE 1931 thông qua ba đại lượng X, Y

và Z Trong đó các giá trị X, Y, Z được bắt nguồn từ các thông số của ba loại tế bào hình nón trong mắt người (có chức năng cảm nhận màu sắc trong ba khoảng bước sóng, ngắn, trung bình và dài) mô tả ba tính chất của màu sắc

- Sắc độ (sáng hay tối)

- Tông màu

- Độ bão hòa màu

Một quang phổ đơn sắc C với bước sóng được biểu diễn với ba giá trị này như biểu thức (2.13)

C x_  X  y_  Yz_  Z (2.13)

Hình 2.9 mô tả đường cong phổ của ba hàm gán màu (bắt nguồn từ ba loại tế bào cảm nhận màu sắc hình nón) với bước sóng từ 380nm đến 700nm Trục tung là góc quan sát tiêu chuẩn (do các tế bào hình nón nhạy cảm nằm trong một vòng cung

20 của hố mắt)

Hình 2.9 Hàm gán màu XYZ [14]

Với: P(𝜆) là phân bố phổ màu, ta tính được các giá trị X, Y, Z theo biểu thức(2.14)

(2.14)

Giá trị của k được chọn sao cho Y = 1 hoặc Y = 100

Từ đó, các giá trị x, y được tính như biểu thức (2.15)

Z Y X

X x

Y y

Bảng 2.1 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y)

dữ liệu đã được chia nhỏ

Hình 2.11 Quá trình điều chế CSK [14]

Không gian tín hiệu CSK được tạo thành từ ba dải màu khác nhau và có dạng hình tam giác với các đỉnh là bước sóng trung tâm của ba dải màu được chọn Bảng 2.2 chỉ ra các dạng kết hợp của ba dải màu, những trường hợp không hợp lệ như (110-101-100) hoặc (100-011-010) sẽ bị loại bỏ

Hình 2.10 Không gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110) [14]

Dữ Liệu Xáo

trộn

Mã hóa kênh

Mã hóa màu

(x, y) Thành

Pi, Pj, Pk

D/A D/A D/A

Dải j Dải i

Dải k

Chuỗi ước lượng kênh

Bảng 2.2 Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ [14]

STT

Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ

Không gian ký hiệu 4-CSK (2 bit/ký hiệu)

Hình 2.12 Không gian ký hiệu 4-CSK [14]

Không gian ký hiệu 4-CSK gồm 4 điểm ký hiệu lần lượt là P0, P1, P2, P3, với P0 là trọng tâm của hình tam giác IJK và ba điểm còn lại là ba đỉnh tam giác và có tọa độ tương ứng với tọa độ của ba dải màu (i, j, k) được lựa chọn Dữ liệu được ánh xạ theo quy tắc như hình 2.13

Tương tự 4-CSK, không gian ký hiệu của 8-CSK gồm 8 điểm ký hiệu từ P0 đến P7 với 3 đỉnh tam giác IJK là lần lượt là P7, P0, P4, b, c lần lượt là trung điểm của JK và IJ P1 và P2 chia JK và IJ theo tỉ lệ 1/3 P6 là trung điểm IK, P5 và P3 tương tự chia cd và ab theo tỉ lệ 1/3 Quy tắc ánh xạ dữ liệu như hình 2.15

Không gian ký hiệu đối với 8-CSK (3bit/ký hiệu)

Hình 2.13 Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK [14]

Hình 2.14 Không gian tín hiệu 8-CSK [14]

Không gian ký hiệu đối với 16-CSK (4bit/ký hiệu)

Hình 2.15 Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK [14]

Hình 2.16 Không gian ký hiệu 16-CSK [14]

Quy tắc ánh xạ dữ liệu như hình 2.17

các giá trị tọa độ sẽ tiếp tục được chuyển thành một bộ ba giá trị cường độ chiếu sáng Pi, Pj, Pk với ba dải màu được chọn trong không gian màu thông qua biểu thức(2.16)

k k j j i i p

k k j j i i p

y P y P y P y

x P x P x P x

Sau khi đã tính toán được Pi, Pj, Pk các giá trị này sẽ được chuyển đổi D/A thành tín hiệu tương tự và đưa đến LED Phía thu hoàn toàn là quá trình ngược lại,

Một số ưu điểm của phương pháp điều chế CSK đó là

Hình 2.17 Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK [14]