Thiết kế mạch tăng cường cho hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng khả kiến dùng oled

HVTH: Nguyễn Hoàng Duy ABSTRACT ABSTRACT Reported visible light communication (VLC) system using organic light emitting diode (OLED) and passive equalizer could only expand the modulation bandwidth less than 10 times In this letter, the proposed pre-emphasis circuit expanded the system modulation bandwidth more than 71 times Real-time transmission of 358 kbps was demonstrated using a commercial OLED with kHz 3-dB modulation bandwidth and Arduino UNO board The transmission distance was 70 cm at target BER ≤ 3.8x10-3 To the best of our knowledge, our prototype is the first to demonstrate real-time transmission of VLC using OLED at this bit rate and distance Higher data rate is feasible using the same pre-emphasis circuit and faster microcontroller board [22] GVHD: TS Phạm Quang Thái iv HVTH: Nguyễn Hồng Duy TĨM TẮT LUẬN VĂN TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề án công bố hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến sử dụng OLED cân thụ động mở rộng băng thơng điều chế OLED chưa đến 10 lần Trong Luận văn này, thực mạch pre-emphasis để tăng băng thông điều chế hệ thống đến 71 lần Hệ thống truyền tốc độ thực tế lên đến 358 kbps chứng minh với việc sử dụng OLED thơng dụng có băng thơng điều chế 3dB board Arduino UNO Hệ thống truyền với khoảng cách lên đến 70 cm với điều kiện đặt BER ≤ 3.8x10-3 Theo tơi tìm hiểu, hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến dùng OLED thực hệ thống đạt tốc độ khoảng cách Luận văn tiến hành đo đạc thông số BER tất khoảng cách với tốc độ truyền tốt khó khăn kinh nghiệm tích lũy suốt q trình trình thực Hệ thống cịn đạt tốc độ truyền liệu cao khả thi ta sử dụng mạch pre-emphasis với loại board có vi điều khiển khác GVHD: TS Phạm Quang Thái v HVTH: Nguyễn Hồng Duy LỜI NĨI ĐẦU LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần đây, Truyền thông ánh sáng khả kiến (VLC) có tiến nhanh chóng Tuy nhiên cịn nhiều thách thức cần giải Thách thức lớn hiểu đâu nơi phù hợp tương lai không dây Ngoài ra, cung cấp đường uplink hiệu cho VLC vấn đề cần giải VLC chất cơng nghệ phát sóng với nguồn phân tán Hơn nữa, khoảng cách truyền bị giới hạn sụt giảm mạnh công suất quang khoảng cách tăng Vì vậy, điều cần thiết cấp bách để nhà nghiên cứu VLC xây dựng bối cảnh để phát triển công nghệ VLC tương lai Nhất khối phát, thu chip cần nghiên cứu nhiều để có sản phẩm chi phí thấp hiệu cao, cải thiện khoảng cách truyền, tối ưu hóa cân bằng, công nghệ mã đường truyền Mặc dù cịn nhiều thách thức phía trước, tơi tin VLC cơng nghệ bùng nổ, sử dụng phát triển rộng rãi tương lai Công nghệ VLC thúc đẩy thị trường chiếu sáng LED, OLED, quang phổ nhược điểm có truyền thơng vơ tuyến Cơng nghệ VLC cho thấy tương lai tươi sáng triển vọng phát triển mạng truy cập không dây 4G hay 5G ưu điểm vốn có Cơng nghệ kết hợp chiếu sáng truyền thông mà sử dụng ứng dụng VLAN hay Li-Fi, hội thảo mật, chiếu sáng thông minh, định vị nhà ngày có nhiều tổ chức tham gia nghiên cứu Điều khiến tin hệ thống VLC sớm trở thành mục tiêu thị trường Để thực việc truyền tải thu liệu nhiều nghiên cứu đưa mơ hình hệ thống đường truyền VLC Luận văn “Thiết kế mạch tăng cường cho hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến dùng OLED” bước nghiên cứu để nâng cao hiệu truyền liệu cách sử dụng mạch tiền khuếch đại (preemphasis) cho hệ thống liên lạc VLC sử dụng đèn phát OLED Tôi tin với đóng góp luận văn giúp ích cho việc nghiên cứu hệ thống VLC sử dụng công nghệ – công nghệ OLED tương lai gần Nội dung luận văn gồm có chương: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 3: MỘT SỐ GIẢI PHÁP HỆ THỐNG VLC – MẠCH PRE-EMPHASIS CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TpHCM, ngày 20 tháng 06 năm 2017 Học viên thực Nguyễn Hoàng Duy GVHD: TS Phạm Quang Thái vii HVTH: Nguyễn Hồng Duy MỤC LỤC MỤC LỤC CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii Lời cảm ơn iii ABSTRACT iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v LỜI CAM ĐOAN vi LỜI NÓI ĐẦU vii MỤC LỤC viii DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT xv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lịch sử phát triển truyền thông quang không dây (OWC): 1.2 Ưu điểm truyền thông quang không dây (OWC): 1.3 Vùng ứng dụng: 1.4 Li-Fi: 1.5 Lý do, mục đích hướng giải đề tài: 1.6 Phạm vi nghiên cứu đề tài: 1.7 Các đóng góp luận văn: 1.8 Kết luận chương: CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 11 2.1 Sơ đồ khối hệ thống VLC: 11 2.2 Một số phương pháp điều chế xung: 11 2.2.1 Mã lưỡng cực mật độ cao HDB3: 11 2.2.2 Điều chế theo vị trí xung DPPM: 13 2.3 Bộ điều chế giải điều chế: 15 2.3.1 Mã đường truyền NRZ – NRZ đơn cực: 15 2.3.2 Truyền nối tiếp: 18 2.3.3 Giao tiếp UART: 18 2.3.4 Minh họa chế truyền liệu dùng Arduino: 20 2.4 Kỹ thuật Pre-emphasis: 22 GVHD: TS Phạm Quang Thái viii HVTH: Nguyễn Hoàng Duy MỤC LỤC 2.4.1 Bộ lọc thông dải chủ động – Active band-pass filter: 23 2.4.2 Mạch lọc thông dải khuếch đại đảo: 25 2.5 Mạch lái OLED: 25 2.6 OLED: 28 2.7 Photodiode khuếch đại TIA: 31 2.7.1 Lý thuyết photodiode: 31 2.7.2 Photodiode sử dụng hệ thống: 33 2.8 Mạch so sánh: 34 2.9 Bias-Tee: 35 2.10 Board mạch Arduino: 37 2.11 Các cơng trình nghiên cứu: 38 2.11.1 Hệ thống 138 kbps sử dụng OLED băng thông điều chế 3dB kHz: 38 2.11.2 Hệ thống truyền 2.15 Mbps sử dụng OLED băng thông 150 kHz: 40 2.11.3 Hệ thống VLC OLED 2.7 Mbps sử dụng cân ANN thời gian thực: 41 2.12 Kết luận chương: 41 CHƯƠNG 3: 3.1 MỘT SỐ GIẢI PHÁP HỆ THỐNG VLC – MẠCH PRE-EMPHASIS 42 Giới thiệu: 42 3.2 Mạch Pre-emphasis hệ thống 2.15 Mbps sử dụng Phosphor-LED mã đường truyền NRZ-OOK: 42 3.3 Mạch Pre-emphasis hệ thống 550 Mbps sử dụng Phosphor-LED với mã đường truyền NRZ-OOK: 43 3.4 Mạch Pre-emphasis hệ thống tốc độ cao sử dụng Phosphor-LED: 45 3.5 Mạch Pre-emphasis hệ thống 460 Mbps sử dụng Phosphor-LED điều chế tương tự với mã đường truyền NRZ-OOK: 46 3.6 Kết luận chương: 49 CHƯƠNG 4: 4.1 QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 50 Thiết kế mạch Pre-emphasis: 50 4.1.1 Thiết kế: 50 4.1.2 Cơ sở lý thuyết chọn giá trị linh kiện: 52 4.2 Mạch thực tế Pre-emphasis kết hợp mạch lái OLED: 53 4.2.1 Mạch Pre-emphasis: 53 4.2.2 Mạch lái OLED – MOSFET IRF3205: 56 GVHD: TS Phạm Quang Thái ix HVTH: Nguyễn Hoàng Duy MỤC LỤC 4.3 Mạch so sánh: 57 4.4 Hệ thống VLC với Pre-emphasis sử dụng OLED: 59 4.5 Khảo sát hoạt động hệ thống: 62 4.5.1 Một số kết dự kiến: 62 4.5.2 Khảo sát BER hệ thống: 63 4.5.3 Tổng hợp kết khảo sát: 74 4.6 Nhận xét đánh giá kết quả: 75 4.7 Những khó khăn kinh nghiệm q trình thực hiện: 76 4.8 Kết luận chương: 78 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79 5.1 Kết luận: 79 5.2 Hướng phát triển: 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 83 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 84 GVHD: TS Phạm Quang Thái x HVTH: Nguyễn Hoàng Duy DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Dự đoán lưu lượng liệu di động Cisco Hình 1.2: Ánh sáng khả kiến phổ điện từ Hình 1.3: Ứng dụng truyền thông quang máy bay, nước Hình 1.4: Đèn tín hiệu di động Hình 1.5: Ứng dụng nhà giao thông Hình 1.6: Mạng băng rộng định vị Hình 1.7: Đáp ứng tần số OLED Hình 1.8: Trước sau có mạch khuếch đại Hình 1.9: Đáp ứng tần số OLED trước sau bù méo dạng Hình 1.10: Mơ hình đề xuất hệ thống VLC Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống VLC áp dụng 11 Hình 2.2: Ví dụ mã hóa HDB3 từ chuỗi liệu 12 Hình 2.3: Tín hiệu PPM 13 Hình 2.4: PPM dùng cho truyền liệu số 13 Hình 2.5: Tín hiệu xung DPPM 14 Hình 2.6: Độ dài tín hiệu PPM 14 Hình 2.7: Độ dài tín hiệu DPPM 15 Hình 2.8: Mã đường truyền NRZ NRZ đơn cực 16 Hình 2.9: Tín hiệu tương đương UART RS232 19 Hình 2.10: Minh họa truyền chuỗi ký tự Fab 20 Hình 2.11: Chi tiết trình gửi ký tự 21 Hình 2.12: Chân giao tiếp nối tiếp Arduino Uno 22 Hình 2.13: Mơ tả việc sử dụng kỹ thuật pre-emphasis sửa méo dạng 23 Hình 2.14: Sơ đồ khối cách tạo mạch lọc thông dải 23 Hình 2.15: Sơ đồ mạch lọc thông dải đơn giản dùng Op-amp 24 Hình 2.16: Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải 24 Hình 2.17: Mơ hình mạch lọc thơng dải khuếch đại đảo 25 Hình 2.18: Mạch lái kết hợp với mạch pre-emphasis đề xuất từ [6] dùng cho LED 26 Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý IC ULN2803 27 Hình 2.20: Mạch lái MOSFET 27 Hình 2.21: SMOLED-VLC với mạch lái a) dùng Bias-tee, b) dùng cổng NAND 28 Hình 2.22: OLED Lumiblade Philip 28 Hình 2.23: Cấu trúc OLED 29 Hình 2.24: Nguyên lý tạo ánh sáng OLED 30 Hình 2.25: a) Cấu trúc OLED b) mạch tương đương 30 Hình 2.26: Đáp ứng tần số OLED 31 Hình 2.27: Đặc tính diode thu quang PIN 32 Hình 2.28: Bộ thu PDA36A Thorlab 33 Hình 2.29: Sơ đồ khối PDA36A 34 GVHD: TS Phạm Quang Thái xi HVTH: Nguyễn Hoàng Duy DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.30: Sơ đồ chân LM393 35 Hình 2.31: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 35 Hình 2.32: Bias-Tee 36 Hình 2.33: Board mạch Arduino UNO R3 37 Hình 2.34: Mơ hình thực tế hệ hống 138 kbps 38 Hình 2.35: Biểu đồ BER tương ứng với khoảng cách 39 Hình 2.36: Tốc độ bit khoảng cách với BER < 10-7 39 Hình 2.37: Khảo sát tốc độ bit khoảng cách với BER < 10-3 40 Hình 2.38: Hệ thống truyền 2.15 Mbps sử dụng OLED băng thơng 150 kHz 40 Hình 2.39: Hệ thống 2.7 Mbps sử dụng OLED với cân ANN thời gian thực 41 Hình 3.1: Một hệ thống VLC thiết lập thử nghiệm dùng phosphor-LED 42 Hình 3.2: Mạch pre-emphasis dùng hệ thống 200Mbps NRZ-OOK 42 Hình 3.3: Mạch pre-emphasis sử dụng transistor NPN băng rộng 43 Hình 3.4: Mạch pre-emphasis hệ thống tốc độ cao dùng PLED 45 Hình 3.5: Đáp ứng tần số mạch pre-emphasis 45 Hình 3.6: Mạch điều chế tương tự với mạch pre-emphasis MOSFET lái 46 Hình 3.7: Mơ hình mạch mơ với Proteus 48 Hình 3.8: Đáp ứng tần số mạch pre-emphasis 49 Hình 3.9: Đáp ứng mạch pre-emphasis LED 49 Hình 4.1: Mạch thiết kế pre-emphasis mạch lái OLED 50 Hình 4.2: Đáp ứng tần số lý thuyết mạch Pre-emphsis 51 Hình 4.3: So sánh đáp ứng tần số OLED Pre-emphasis lý thuyết khoảng 500Hz - 1MHz 52 Hình 4.4: Mạch thực tế pre-emphasis kết hợp với mạch lái OLED 53 Hình 4.5: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis kHz 10 kHz 53 Hình 4.6: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis 20 kHz 30 kHz 54 Hình 4.7: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis 50 kHz 70 kHz 54 Hình 4.8: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis 100 kHz 200 kHz 54 Hình 4.9: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis 300 kHz 500 kHz 55 Hình 4.10: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin mạch pre-emphasis MHz 55 Hình 4.11: So sánh đáp ứng tần số mạch pre-emphasis thực tế OLED 56 Hình 4.12: Ảnh thực tế MOSFET IRF3205 56 Hình 4.13: Mạch so sánh thực tế 58 Hình 4.14: Tín hiệu ngõ vào ngõ mạch so sánh đảo 58 Hình 4.15: Hệ thống VLC với mạch Pre-emphasis sử dụng OLED 59 Hình 4.16: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống kHz kHz 60 GVHD: TS Phạm Quang Thái xii HVTH: Nguyễn Hồng Duy DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 4.17: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống 10 kHz 20 kHz 60 Hình 4.18: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống 50 kHz 100 kHz 60 Hình 4.19: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống 200 kHz 300 kHz 61 Hình 4.20: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống 500 kHz 600 kHz 61 Hình 4.21: Quan hệ tín hiệu vào-ra dạng sin hệ thống 700 kHz MHz 61 Hình 4.22: Kết đáp ứng tần số hệ thống VLC 62 Hình 4.23: So sánh tỉ lệ lỗi bit thực tế lý thuyết khoảng cách truyền 5cm 64 Hình 4.24: So sánh tỉ lệ lỗi bit thực tế lý thuyết khoảng cách truyền 10cm 65 Hình 4.25: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 15cm 65 Hình 4.26: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 20cm 66 Hình 4.27: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 25cm 66 Hình 4.28: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 30cm 67 Hình 4.29: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 35cm 67 Hình 4.30: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 40cm 68 Hình 4.31: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 45cm 69 Hình 4.32: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit với khoảng cách truyền 50cm 69 Hình 4.33: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 55cm 70 Hình 4.34: So sánh tỉ lệ lỗi bit lý thuyết thực tế khoảng cách truyền 60cm 71 Hình 4.35: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 70cm 72 Hình 4.36: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 80cm 72 Hình 4.37: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 90cm 73 Hình 4.38: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 1m 74 Hình 4.39: Biểu đồ BER đo khoảng cách cố định 74 Hình 4.40: Khảo sát BER khoảng cách truyền với BER < 10-3 74 Hình 4.41: Khảo sát BER khoảng cách truyền với BER < 10-6 75 Hình 4.42: Tín hiệu thu với tốc độ 368 kbps - 5cm 76 Hình 4.43: So sánh tín hiệu ngõ mạch pre-emphasis thay đổi tụ C2 76 Hình 4.44: Tín hiệu thu sau mạch pre-emphasis so với tín hiệu vào dùng LM318 77 Hình 5.1: Điện áp ngõ theo tần số hoạt động TL082 80 GVHD: TS Phạm Quang Thái xiii HVTH: Nguyễn Hoàng Duy DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Sự phụ thuộc băng thông vào độ lợi PDA36A 34 Bảng 4.1: Bảng đáp ứng tần số lý thuyết OLED mạch Pre-emphasis 52 Bảng 4.2: So sánh đáp ứng tần số OLED mạch thực tế Pre-emphasis 55 Bảng 4.3: So sánh đáp ứng tần số OLED, mạch Pre-emphasis hệ thống VLC 62 Bảng 4.4: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 5cm 63 Bảng 4.5: Kết BER khoảng cách 5cm theo lý thuyết 63 Bảng 4.6: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 10cm 64 Bảng 4.7: Kết BER khoảng cách 10cm theo lý thuyết 64 Bảng 4.8: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 15cm 65 Bảng 4.9: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 20cm 66 Bảng 4.10: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 25cm 66 Bảng 4.11: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 30cm 67 Bảng 4.12: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 35cm 67 Bảng 4.13: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 40cm 68 Bảng 4.14: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 45cm 68 Bảng 4.15: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 50cm 69 Bảng 4.16: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 55cm 70 Bảng 4.17: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 60cm 70 Bảng 4.18: Kết BER khoảng cách 60cm theo lý thuyết 71 Bảng 4.19: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 70cm 71 Bảng 4.20: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 80cm 72 Bảng 4.21: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 90cm 73 Bảng 4.22: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 1m 73 GVHD: TS Phạm Quang Thái xiv HVTH: Nguyễn Hồng Duy CHƯƠNG 4: Q TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ  Khảo sát BER khoảng cách 55cm: Bảng 4.16: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 55cm Tốc độ bit (kbps) 250 288 305 330 345,6 350 358 Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 0 16 Xác suất lỗi (BER) 0 1.5E-6 6.7E-7 3.8E-7 Biểu đồ BER khoảng cách 55cm 6.7E-07 BER 6.0E-07 3.8E-07 4.0E-07 2.0E-07 0.0E+00 0.0E+00 250 270 290 310 330 350 370 Tốc độ (kbits/s) Hình 4.33: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 55cm  Khảo sát BER khoảng cách 60cm: Bảng 4.17: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 60cm Tốc độ bit (kbps) 230,4 250 288 305 330 345,6 350 358 Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 10400000 GVHD: TS Phạm Quang Thái 0 0 240 24 27 120 Xác suất lỗi (BER) 0 0 2.3E-5 2.3E-6 2.6E-6 1.2E-5 70 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ So sánh kết đo với lý thuyết theo công thức (2.1) chương 2, thông số điện áp thu khoảng cách 60 cm bảng dưới, ta được: Bảng 4.18: Kết BER khoảng cách 60cm theo lý thuyết Tốc độ bit (kbps) 230,4 250 288 305 330 345,6 350 358 Điện áp nhiễu σ1+σ0 (V) 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 0.005 + 0.005 Điện mức µ1 (V) 0.12 0.1 0.08 0.08 0.08 0.06 0.06 0.055 Điện mức µ0 (V) 0 0 0 0 12 10 8 6 5.5 So sánh BER thực tế lý thuyết - 60cm 1.40E-05 1.15E-05 1.20E-05 Tỉ lệ lỗi bit BER BER lý thuyết 1.79E-33 7.69E-24 6.32E-16 6.32E-16 6.32E-16 1.01E-9 1.01E-9 1.96E-8 Q 1.00E-05 8.00E-06 6.00E-06 2.60E-06 4.00E-06 2.31E-06 2.00E-06 0.00E+00 250 270 290 310 330 350 370 Tốc độ bit (kbits/s) BER thực tế BER lý thuyết Hình 4.34: So sánh tỉ lệ lỗi bit lý thuyết thực tế khoảng cách truyền 60cm  Khảo sát BER khoảng cách 70cm: Bảng 4.19: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 70cm Tốc độ bit (kbps) 230,4 250 288 305 345,6 358 Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) 10400000 10400000 10400000 10400000 1040000 104000 GVHD: TS Phạm Quang Thái 0 0 460 49 Xác suất lỗi (BER) 0 0 4.4E-4 4.7E-4 71 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Biểu đồ BER khoảng cách 70cm 4.7E-04 5.0E-04 4.4E-04 4.0E-04 BER 3.0E-04 2.0E-04 1.0E-04 0.0E+00 0.0E+00 250 270 290 310 330 350 370 Tốc độ (kbits/s) Hình 4.35: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 70cm  Khảo sát BER khoảng cách 80cm: Bảng 4.20: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 80cm Tốc độ bit (kbps) Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) Xác suất lỗi (BER) 230,4 10400000 0 250 10400000 0 288 10400000 0 305 10400000 4.8E-7 345,6 104000 45 4.3E-4 358 104000 202 1.9E-3 Biểu đồ BER khoảng cách 80cm 2.5E-03 1.9E-03 2.0E-03 BER 1.5E-03 1.0E-03 4.3E-04 5.0E-04 0.0E+00 4.8E-07 0.0E+00 250 270 290 310 330 350 370 Tốc độ (kbits/s) Hình 4.36: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 80cm GVHD: TS Phạm Quang Thái 72 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ  Khảo sát BER khoảng cách 90cm: Bảng 4.21: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 90cm Tốc độ bit (kbps) Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) Xác suất lỗi (BER) 230,4 10400000 0 250 10400000 0 288 10400000 0 305 10400000 0 345,6 10400 2688 2.6E-1 358 10400 3712 3.6E-1 Biểu đồ BER khoảng cách 90cm 3.6E-01 4.0E-01 2.6E-01 BER 3.0E-01 2.0E-01 1.0E-01 0.0E+00 0.0E+00 250 270 290 310 330 350 370 Tốc độ (kbits/s) Hình 4.37: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 90cm  Khảo sát BER khoảng cách 100cm: Bảng 4.22: Kết khảo sát BER thực nghiệm khoảng cách 1m Tốc độ bit (kbps) 230,4 250 288 305 345,6 358 Tổng số bit Tổng số bit truyền (bit) lỗi (bit) 10400000 10400000 10400000 10400000 10400 10400 GVHD: TS Phạm Quang Thái 0 10400 10400 Xác suất lỗi (BER) 0 3.8E-7 4.8E-7 1 73 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Biểu đồ BER khoảng cách 1m BER 1.2E+00 1 8.0E-01 4.0E-01 0.0E+00 0.0E+00 250 3.8E-07 270 4.8E-07 290 310 330 350 370 Tốc độ (kbits/s) Hình 4.38: Biểu đồ tỉ lệ lỗi bit khoảng cách truyền 1m 4.5.3 Tổng hợp kết khảo sát: Biểu đồ BER theo tốc độ khoảng cách 8.0E-05 BER 6.0E-05 4.0E-05 2.0E-05 2.31E-06 2.60E-06 1.15E-05 1.0E-07 250 270 290 310 330 350 370 390 Tốc độ (kbit/s) 5CM 60CM 10CM 100CM Hình 4.39: Biểu đồ BER đo khoảng cách cố định Tốc độ tối đa tương ứng khoảng cách truyền với BER < 1e-3 Tốc độ (kbits/s) 380 358 360 358 345.6 340 320 305 305 300 280 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 Khoảng cách truyền (cm) Hình 4.40: Khảo sát BER khoảng cách truyền với BER < 10-3 GVHD: TS Phạm Quang Thái 74 HVTH: Nguyễn Hồng Duy CHƯƠNG 4: Q TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Tốc độ tối đa tương ứng khoảng cách truyền với BER < 1e-6 Tốc độ (kbits/s) 380 358 360 358 340 320 305 305 300 280 260 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 90 100 Khoảng cách truyền (cm) Hình 4.41: Khảo sát BER khoảng cách truyền với BER < 10-6 4.6 Nhận xét đánh giá kết quả: Từ kết khảo sát thực nghiệm ta thấy rằng:  Hệ thống VLC kết hợp với mạch pre-emphasis truyền liệu tốt khoảng cách – 10 cm với tốc độ bit < 358 kbps, tỉ lệ lỗi bit đo 0, đạt tỉ lệ lỗi bit 5.82e-1 tốc độ 388 kbps nguyên nhân giới hạn tốc độ linh kiện sử dụng mạch pre-emphasis board Arduino Uno sử dụng luận văn cổng giao tiếp nối tiếp không hoạt động tốc độ 360 – 385 kbps  Với điều kiện BER < 10-3 hệ thống hoạt động tốt với tốc độ tối đa đạt 358 kbps tất khoảng cách truyền – 70cm 305 kbps với khoảng cách truyền 1m  Với điều kiện BER < 10-6 hệ thống đạt tốc độ 358 kbps khoảng cách – 55cm, 305 kbps khoảng cách 60cm – 100cm  So sánh kết đạt với hệ thống 138 kbps không dùng mạch pre-emphasis 2.11.1 ta thấy kết đạt mức mong đợi đặt (4.5.1) cách so sánh kết khảo sát 4.5.3 với kết khảo sát 2.11.1, khoảng cách khảo sát tăng từ 60cm lên 100cm, tốc độ từ 138 kbps lên 358 kbps  Băng thơng tồn hệ thống đạt khoảng 250 kHz  Hệ thống bị giới hạn bù tốc độ cao từ 388 kbps giới hạn tốc độ linh kiện (TL082), board Arduino kết đáp ứng tần số đo Hình 4.11 hệ thống bù khoảng – 500 kHz, Hình 4.42 ta thấy lấy ngưỡng tốc độ 368 kbps, nhiên tốc độ cổng giao tiếp nối tiếp Arduino thu in kết hình GVHD: TS Phạm Quang Thái 75 HVTH: Nguyễn Hồng Duy CHƯƠNG 4: Q TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Hình 4.42: Tín hiệu thu với tốc độ 368 kbps - 5cm 4.7 Những khó khăn kinh nghiệm trình thực hiện: Vì việc lấy ngưỡng mạch so sánh thực tay nên để có kết BER tối ưu cần dựa vào so sánh tín hiệu dạng xung phát thu dao động ký kết hiển thị hình nhận để có kết BER nhỏ thay đổi tốc độ hay khoảng cách truyền Việc lấy ngưỡng mạch so sánh phải thực tay, để thực tự động cần phải dùng đến ADC, tính giá trị trung bình bit truyền đặt ngưỡng so sánh mềm chương trình vi xử lý Theo tính tốn mạch pre-emphasis bù méo dạng tín hiệu tốt sử dụng tụ C2=100pF tương ứng với tần số cắt khoảng 179 kHz, tụ nhỏ tín hiệu ngõ mạch pre-emphasis méo dạng lớn luận văn sử dụng tụ C2=300pF so sánh Hình 4.43 Hình 4.43: So sánh tín hiệu ngõ mạch pre-emphasis thay đổi tụ C2 GVHD: TS Phạm Quang Thái 76 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Opamp sử dụng cần chọn loại đáp ứng yêu cầu tốc độ chức mạch, ví dụ ta thấy LM318 băng thơng hoạt động đến khoảng 15 MHz không dùng tốt cho mạch pre-emphasis tạo nhiễu gai làm giảm độ rộng xung (Hình 4.44) gây ảnh hưởng đến chức mạch Ta thấy dạng xung vuông TL082, để sử dụng ta cần khắc phục nhược điểm IC trước Hình 4.44: Tín hiệu thu sau mạch pre-emphasis so với tín hiệu vào dùng LM318 Giao thức truyền luận văn sử dụng giao tiếp nối tiếp bị giới hạn tốc độ, nhà sản xuất board khuyến khích truyền tốc độ < 250 kbps để xảy lỗi nhất, theo khảo sát thực nghiệm trình thực luận văn board Arduino truyền tối đa 410 kbps, phương thức giao tiếp khó đồng liệu Để tăng hiệu truyền tín hiệu ta sử dụng phương thức truyền khác để ổn định hơn, tốc độ hỗ trợ cao SPI đạt tốc độ truyền Mbps mà không lỗi giao thức cần đồng xung clock đường liệu OLED sử dụng cần dòng lớn để hoạt động ta cần thiết bị lái chịu dòng tốt, qua khảo sát luận văn kết luận nên sử dụng loại transistor lái MOSFET thay BJT tốc độ, công suất đạt MOSFET cho hiệu suất khả đáp ứng tốt Hướng tiếp cận ban đầu luận văn sử dụng transistor để thực mạch preemphasis kết hợp với IC lái ULN2803 để lái dòng cho OLED Hướng thiết kế gặp nhiều khó khăn chỗ vừa phải đảm bảo bù méo dạng vừa đảm bảo phân cực cho transistor hoạt động vùng tuyến tính, IC lái dịng thị trường loại IC lái số làm cho tín hiệu chỉnh méo dạng mạch pre-emphasis bị chỉnh sửa làm tính chất mạch pre-emphasis, ta cần mạch lái tương tự (analog) để mạch hoạt động tốt GVHD: TS Phạm Quang Thái 77 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy 4.8 CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Kết luận chương: Chương trình bày đầy đủ trình thiết kế thực mạch pre-emphasis cho hệ thống VLC dùng OLED Kết hợp đo đạc số liệu thống kê cần thiết để đánh giá hiệu sử dụng mạch pre-emphasis hệ thống, bên cạnh khó khăn, kinh nghiệm thực mạch rút từ trình thực luận văn giúp ích cho việc phát triển mạch sau Mạch hoạt động ổn định tốc độ 358 kbps truyền khoảng cách từ 5cm đến 60cm tốc độ 305 kbps khoảng cách truyền đến 100cm với tỉ lệ lỗi bit BER < 10-6 Còn với tỉ lệ lỗi bit cho phép BER < 10-3 tốc độ truyền đạt 70cm với tốc độ 358 kbps 80cm với tốc độ 345.6 kbps GVHD: TS Phạm Quang Thái 78 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận: Với yêu cầu từ mục đích phạm vi nghiên cứu, luận văn thực thành công đầy đủ nhiệm vụ đặt ban đầu Luận văn trình bày lý thuyết thành phần sử dụng hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến đồng thời giới thiệu hệ thống nghiên cứu Quá trình thực luận văn mạch thực tế q trình học tập, tích lũy bổ ích Luận văn trình bày đầy đủ q trình thực hiện, khó khăn gặp phải với kinh nghiệm thực tiễn suốt trình thực Hệ thống sử dụng mạch pre-emphasis với thơng số linh kiện Hình 4.1 cho việc bù méo dạng tín hiệu tất khoảng cách tốc độ Hệ thống hoàn thành truyền tốc độ bit lên đến 358 kbps khoảng cách 70cm, 345,6 kbps khoảng cách 80cm với BER < 10-3 305 kbps với BER < 10-6 khoảng cách lên đến 1m sử dụng OLED băng thông điều chế kHz Đây kết tốt hệ thống dùng OLED Với kết tốc độ đạt từ luận văn tiền đề cho ứng dụng tương lai như: IoT indoor, thay cho chuẩn tốc độ thấp khác NFC, RFID, Bluetooth, Zigbee…để giảm tải mặt băng thông cho ứng dụng Bên cạnh luận văn cịn số hạn chế: - - Việc lấy ngưỡng đầu thu cụ thể so sánh chưa thể thực cách tự động mà phải lấy ngưỡng cách chỉnh biến trở thủ công thay đổi tốc độ hay thay đổi khoảng cách truyền Vì thiết bị thu hoạt động nhạy nên dễ bị nhiễu ánh sáng ngoại Kết đạt thành công so với nghiên cứu khoa học thời gian hạn chế nên kết chưa phải tốt 5.2 Hướng phát triển: Từ kinh nghiệm rút từ q trình thực luận văn tơi đề xuất hướng phát triển luận văn: - - Để tăng băng thông tốc độ truyền ta sử dụng loại mã đường truyền khác NRZ đơn cực, mục đích tăng khả đồng bộ, lấy mẫu bit, mã đường truyền áp dụng như: Manchester, HDB3, DPPM… Sử dụng loại giao thức truyền thu khác ổn định SPI GVHD: TS Phạm Quang Thái 79 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy - CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Opamp TL082 bị giới hạn tốc độ truyền cần tăng tần số truyền ta cần thay thành phần mạch trước hết Hình 5.1: Điện áp ngõ theo tần số hoạt động TL082 - - - MOSFET lái sử dụng luận văn chưa phải loại đáp ứng tốt cho việc lái dịng OLED, ta thay linh kiện để tăng khả hoạt động hệ thống Hệ thống phát triển thêm cân (equalizer) phía đầu thu trước qua so sánh để tín hiệu bớt méo dạng làm cho việc lấy ngưỡng so sánh dễ dàng nên cải thiện tốc độ truyền Phát triển luận văn với mơ hình truyền khơng theo đường thẳng – non light of sight đề cập 1.3 GVHD: TS Phạm Quang Thái 80 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Svilen Dimitrov, Harald Haas, “Principles of LED Light Communications: towards Networked Li-Fi”, Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-04942-0 [2] H Le Minh, Ghassemlooy, A Burton, P A Haigh, “Equalization for Organic Light Emitting Diodes in Visible Light Communications”, 2nd IEEE Workshop on Optical Wireless Communications, p.828-832, ISBN 978-1-4673-0040-7 [3] Yoon Hyun Kim, Jae Hyuck Choi, Jin Young Kim, “Performance Analysis of the VLC System with Modified HDB3 Line Coding”, Feb 15-18, 2009 ICACT 2009, p.382-386, ISBN 978-89-5519-139-4 [4] Nguyễn Thành Trung, “Tối ưu điều chế DPPM hệ thống VLC”, Luận văn thạc sĩ, trường ĐH Bách Khoa TpHCM, 2015 [5] Giorgos Lazaridis, “Pulse Position Modulation and Differential PPM”, Electronic workbench PCBheaven, 22 June 2011 [6] N Fujimoto, H Mochizuki, “477 Mbit/s visible light transmission based on OOKNRZ modulation using a single commercially available visible LED and a practical LED driver with a pre-emphasis circuit”, Proceedings of the Fiber Communication Conference and National Fiber Optic Engineers Conference, 2013 [7] Thorlabs, “PDA36A (-EC) Si Switchable Gain Detector User Guide”, Rev D, March 3, 2015 [8] Minglun Zhang, Yangan Zhang, Xueguang Yuan, “A Visible Light Communications System with 220MHz Bandwidth Based on Pre-emphasis and Post-equalization Technologies”, ACP 2014 - OSA 2014 [9] H Li, X Chen, J Guo, and H Chen, “A 550 Mb/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical highspeed low-complexity application”, Opt Exp., vol 22, no 22, pp 27203– 27213, Nov 2014 [10] Honglei Li, Yini Zhang, Xiongbin Chen, Chunhui Wu, Junqing Guo, Zongyu Gao, Hongda Chen, “High-speed phosphorescent white LED visible light communications without utilizing a blue filter”, Chinese Optics Letters, COL 13(8), 080605, 8-2015 [11] Li Honglei, Chen Xiongbin, Guo Junqing, “An analog modulator for 460 Mb/s visible light data transmission based on OOK-NRZ modulation”, IEEE Wireless Communications, 2015, 22(2): 68 [12] Honglei Li, Xiongbin Chen, Junqing Guo, Danying Tang, Beiju Huang, and Hongda Chen, “200 Mb/s visible optical wireless transmission based on NRZ-OOK GVHD: TS Phạm Quang Thái 81 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy TÀI LIỆU THAM KHẢO modulation of phosphorescent white LED and a pre-emphasis circuit”, Chinese Optics Letters, 2014, COL 12(10), 100604 [13] Chen Hongda, Wu Chunhui, Honglei Li, Chen Xiongbin, Gao Zongyu, Cui Shigang, Wang Qin, “Advances and prospects in visible light communications”, Journal of Semiconductors, Vol 37, No 1, January 2016 [14] Pham Quang Thai, “Real-Time 138-kb/s Transmission Using OLED With 7-kHz Modulation Bandwidth”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol 27, No 24, December 15, 2015 [15] P A Haigh et al., “2.7 Mb/s with a 93-kHz white organic light emitting diode and real time ANN equalizer,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol 25, no 17, pp 1687–1690, Sep 1, 2013 [16] A M Khalid, G Cossu, R Corsini, P Choudhury, E Ciaramella, “1-Gb/s Transmission over a phosphorescent white LED by using rate-adaptive discrete multitone modulation”, IEEE Photonics J (5) (2012) 1465–1472 [17] Tsonev D, Chun H, Rajbhandari S, et al., “A 3-Gb/s single-LED OFDM-based wireless VLC link using a gallium nitride uLED”, IEEE Photonics Technology Letters, 2014, 26(7): 637 [18] Texas Instruments, “ULN2804A Darlington Transistor Array”, SLLS311 – June 1998 [19] https://www.arduino.cc [20] http://www.electrosmash.com/boss-ce-2-analysis [21] International Rectifier, “IRF3205 – HEXFET Power MOSFET”, PD-91279E [22] Pham Quang Thai and Nguyen Hoang Duy, “Pre-emphasis circuit for VLC system using OLED”, IEEE Photonic Technology Letter, 2017 (submitted) GVHD: TS Phạm Quang Thái 82 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy PHỤ LỤC PHỤ LỤC Code Arduino cho phát: Arduino Tx char *a; void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(358000); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: a = "UUUUUUUUUU TRUONG DAI HOC BACH KHOA TPHCM - BO MON VIEN THONG - THIET KE MACH PRE-EMPHASIS CHO HE THONG VLC DUNG OLED UUUUUUUUUU"; Serial.println(a); delay(2); } Code Arduino cho thu: Arduino Rx char byteRead; void setup() { // Turn the Serial Protocol ON Serial.begin(358000); } void loop() { /*check if data has been sent from the computer:*/ if (Serial.available()>0 ) { /* read the most recent byte */ byteRead = Serial.read(); /*ECHO the value that was read, back to the serial port */ Serial.print(byteRead); //if(cnt==10000) cnt=0; } } GVHD: TS Phạm Quang Thái 83 HVTH: Nguyễn Hoàng Duy LÝ LỊCH TRÍCH NGANG LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Hoàng Duy Ngày sinh: 25/01/1991 Nơi sinh: Long An Email: hoangduybk09@gmail.com Số điện thoại: +84906461010 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Trường Đại học Bách Khoa TpHCM Khóa: 2009 Chun ngành: Điện tử - Viễn thơng Loại hình đào tạo: Chính quy Sau đại học: Trường Đại học Bách Khoa TpHCM Khóa: 2014 Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thơng Q TRÌNH CƠNG TÁC Cơng ty Cổ Phần Dịch Vụ Di Động Trực Tuyến M-Service - Thời gian: 7/2014 – 12/2014 - Chức vụ: Nhân viên Công ty TNHH Arrive Technologies Việt Nam - Thời gian: 01/2015 – 6/2017 - Chức vụ: Kỹ sư GVHD: TS Phạm Quang Thái 84 ... THIỆU Mạch pre-emphasis đầu phát hướng giải cho vấn đề hướng thực luận văn Luận văn ? ?Thiết kế mạch tăng cường cho hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến dùng OLED? ?? nghiên cứu thực mạch tăng cường. .. khiến tin hệ thống VLC sớm trở thành mục tiêu thị trường Để thực việc truyền tải thu liệu nhiều nghiên cứu đưa mơ hình hệ thống đường truyền VLC Luận văn ? ?Thiết kế mạch tăng cường cho hệ thống truyền. .. hệ thống truyền thông tin ánh sáng khả kiến sử dụng OLED cân thụ động mở rộng băng thông điều chế OLED chưa đến 10 lần Trong Luận văn này, thực mạch pre-emphasis để tăng băng thông điều chế hệ