SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ĐỂ TRUYỀN DỮ LIỆU THAY CHO SÓNG RF
Bùi Thị Minh Tú, Ngơ Đức Thiệp, Trần Thị Hồi Thương 52 SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ĐỂ TRUYỀN DỮ LIỆU THAY CHO SÓNG RF USING VISIBLE LIGHT TO REPLACE RF WAVE IN DATA TRANSMISSION Bùi Thị Minh Tú1, Ngơ Đức Thiệp2, Trần Thị Hồi Thương2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; btmtu@dut.udn.vn Sinh viên Lớp 11DT2, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Đối với hệ thống thơng tin nay, sóng điện từ (Radio Frequency - RF) sử dụng để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Mỗi hệ thống khác sử dụng sóng điện từ dải tần số khác để phù hợp với khoảng cách truyền hay mức độ suy hao…Tuy nhiên, số lượng dịch vụ viễn thông ngày tăng, hệ thống thông tin ngày mở rộng tài nguyên tần số khơng đổi, khiến cho nhà nghiên cứu phải xem xét để sử dụng sóng điện từ miền tần số cao Mục tiêu viết nghiên cứu việc sử dụng sóng điện từ vùng ánh sáng nhìn thấy với tần số cao để truyền liệu thay cho sóng điện từ nhằm mở rộng tài nguyên tần số Abstract - In current information systems, electromagnetic wave (Radio Frequency - RF) is always used to transmit information from the transmitter to the receiver Each different system uses electromagnetic waves in a different frequency range to suit different transmission distances or attenuation levels However, when the number of telecommunication services is increasing quickly, information systems are increasingly expanded but the limited frequency resource forces researchers to find a way to use electromagnetic waves in a higher frequency range The objective of this paper is to study the posibility of using electromagnetic waves in the visible light region with higher frequencies to transmit data to expand the frequency resource Từ khóa - ánh sáng; bước sóng; hiệu ứng quang điện; Led; Lifi; lượng tử; nhiễu xạ; Photo Diode; photon; pin Mặt Trời; quang học; sóng điện từ; tần số; tia tử ngoại; tín hiệu số; tốc độ baud; Wifi Key words - light; wavelength; photoelectric effect; led; lifi; quantum; diffraction; photodiode; photon; optics; radio frequency; frequency; ultraviolet; digital; baud rate, wifi Đặt vấn đề Những giới hạn tài nguyên tần số dự báo từ nhiều năm trước Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cấp phát băng tần hẹp để phục vụ cho việc truyền tín hiệu Sự giới hạn khiến cho trình phát triển nhà cung cấp bị ảnh hưởng lớn Tài nguyên tần số quý giá, trạm gốc (BTS) thơng thường khơng phát tín hiệu với tần số khác Khi trạm gốc đủ xa sử dụng lại tần số phát trước nhằm tái sử dụng tần số Tuy nhiên, việc sử dụng lại tần số có nhược điểm lớn gây nhiễu cho tế bào mạng (cell) lân cận, làm kiểm sốt cơng suất tế bào mạng với Hiện giới, vùng tần số sử dụng cho hoạt động truyền tín hiệu chủ yếu 100 GHz, có sóng siêu cao tần (tần số từ 1-100GHz), sóng Radio (tần số lớn 3kHz) Khi nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông tăng với đời thiết bị điện tử thông minh, yêu cầu tốc độ liệu cao xem phim HD, live Video… khiến cho nhà nghiên cứu phải xem xét vùng tần số cao khả sử dụng Ánh sáng khả kiến sóng điện từ, nhìn thấy Truyền thơng tin vùng ánh sáng nhìn thấy (VLC) phương tiện truyền thơng liệu, sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light) có tần số 400 THz 800 THz [3] Bài báo trình bày kết phép đo đạc thực tế để khẳng định việc dùng ánh sáng để truyền liệu hồn tồn thực hiệu đưa nhận xét, đánh giá, ý tưởng nhằm tối ưu hóa hệ thống phát triển sau nhóm nghiên cứu thiết kế sơ đồ mạch, tính tốn giá trị điện trở đo đạc dạng sóng linh kiện, từ hồn thiện mơ hình thử truyền tín hiệu số với tốc độ thấp Sau hồn thành cơng việc trên, chúng tơi thay đổi tần số, khoảng cách, độ sáng để xem xét ảnh hưởng thông số lên hệ thống mơ hình thử nghiệm Cuối cùng, chúng tơi đưa số nhận xét, giải thích nguyên nhân dẫn đến kết không mong muốn hướng phát triển công nghệ VLC sau 2.2 Phương tiện nghiên cứu Các thí nghiệm thực phịng thí nghiệm C120, khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Sử dụng thiết bị chuyên dùng mạch điện đồng hồ đo điện áp, máy sóng (oscilloscope), máy tạo xung (generator)… Giải vấn đề 2.1 Phương pháp nghiên cứu Để hiểu rõ nguyên lý sử dụng ánh sáng truyền thơng tin, Hình Các thiết bị sử dụng phịng thí nghiệm 2.3 Điều kiện thí nghiệm - Khoảng cách thu phát: 1.2m - Nguồn sáng: Led trắng, công suất 3W - Nguồn thu quang: Pin Mặt Trời kích thước 3.5x1cm - Tần số nhấp nháy Led: 10kHz, 50kHz, 75kHz, 100kHz, 1MHz ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(104).2016 - Máy sóng: kênh đo Vin, kênh đo Vout - Máy tạo sóng: tạo dạng sóng vng có tần số thay đổi - Nguồn nhiễu: ánh sáng tự nhiên ánh đèn điện quang có phịng thí nghiệm 2.4 Cơ sở lý thuyết Bằng cách thay đổi cường độ sáng bóng đèn LED, ánh sáng phát thay đổi theo tín hiệu điện, phía đầu thu có linh kiện điện tử (Photodiode) chuyển đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện nhạy với cường độ ánh sáng, nên giải mã tín hiệu ban đầu phát [3] 53 Đèn huỳnh quang (đèn tuýp) hay đèn sợi đốt phát ánh sáng đèn Led, nhiên hai loại đèn dùng hệ thống VLC linh kiện thu quang nhạy với ánh sáng chúng phát Đèn huỳnh quang cịn có thêm chấn lưu starter (chuột) hoạt động với kiểu phóng điện, nên không phù hợp với hệ thống VLC (yêu cầu phát bit với tốc độ cao), đèn sợi đốt vừa tốn điện, vừa có đáp ứng chậm nên khơng sử dụng 2.4.2 Linh kiện thu quang Diode quang hay photodiode loại diode bán dẫn thực chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện [1] Các photon vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma Khi photon xâm nhập lớp hoạt động photodiode tiếp giáp p-n cấu trúc PIN, tạo điện tích làm phát sinh dịng điện Cảm biến photodiode có ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điện tử, đặc biệt thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin, điều khiển, Chúng chế tạo từ dạng đơn lẻ để cảm biến trạng thái giấy khay máy in cịn hết, đến dạng tích hợp mảng lớn (Array) cảm biến ảnh CCD Hình Sơ đồ khối hệ thống VLC thực tế (TIA: Mạch tiền khuếch đại trở kháng cao) 2.4.1 Linh kiện phát quang Các hệ thống VLC thường dùng đèn Led để phát quang Led (viết tắt Light Emitting Diode, có nghĩa Diode phát quang) Diode có khả phát ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự mang điện tích dương, nên ghép với khối bán dẫn n (chứa electron tự do) electron bán dẫn n khuếch tán sang bán dẫn p để kết hợp với lỗ trống [1] Cùng lúc khối p lại nhận thêm electron (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống dư thừa electron) khối n tích điện dương (thiếu electron dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, electron bị lỗ trống thu hút chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với tạo thành ngun tử Q trình giải phóng lượng dạng ánh sáng (hay xạ điện từ có bước sóng gần đó) [2] Hình Kích thước số loại photodiode 2.5 Sơ đồ mạch 2.5.1 Sơ đồ mạch phát Hình Mạch chuyển đổi tín hiệu điện thành quang Hình Hình ảnh đèn led thực tế (ảnh: arduino.vn) Tín hiệu điện (Vin) đưa vào mạch thông qua tụ C1, đây, biến trở RV2 dùng để điều chỉnh cường độ tín hiệu vào RV1 giúp phân cực cho điểm B Khi cường độ tín hiệu vào thay đổi làm cho BJT dẫn mạnh yếu thay đổi theo, điều khiển dòng điện qua Led, qua tín hiệu điện đưa vào chuyển thành tín hiệu quang phát đèn Led Bùi Thị Minh Tú, Ngô Đức Thiệp, Trần Thị Hoài Thương 54 2.5.2 Sơ đồ mạch thu tần số với tín hiệu phát Tuy nhiên, dạng sóng phát thu khơng đồng dạng xung ánh sáng phát với thời gian lên xuống bé, cịn electron khơng thể tạo cách tức thời, mà phải có khoảng thời gian đủ lớn Hình Mạch thu quang Tín hiệu từ đèn Led phát linh kiện thu quang (ở sử dụng pin Mặt Trời) hấp thụ tạo dịng điện ứng với cường độ sáng Sau đó, tín hiệu khôi phục lại thông qua OPAM LM339 [4] Kết nghiên cứu 3.1 Tín hiệu phát đèn Led Để đo tín hiệu hai chân đèn Led trên, dùng máy tạo sóng, cung cấp dạng sóng vào Vin sóng sin sóng vng, sau tăng dần tần số từ 1kHz đến 1MHz Hình Tín hiệu thu pin Mặt Trời Hình Tín hiệu sin đo hai chân đèn Led Khi tần số tăng lên, dạng sóng sin phát Led bị biến dạng, nguồn phát phát khơng dạng tín hiệu bên thu khó khơi phục lại Ngun nhân khiến cho tín hiệu bị biến dạng thân đèn Led hoạt động xuất trình nạp xả tụ điện Khi tốc độ nhấp nháy cao, nạp/xả bị hạn chế nên tín hiệu Led khơng thể bắt kịp với tín hiệu vào, khiến cho dạng sóng Led bị biến dạng 3.2 Tín hiệu thu pin Mặt Trời Thí nghiệm sử dụng pin Mặt Trời kích thước 3.5x1cm làm linh kiện thu quang Khoảng cách thực 1.2m Trong hình, tín hiệu phía tín hiệu phát đèn Led, tín hiệu phía tín hiệu thu hai chân pin Mặt Trời Tần số chọn dùng 10kHz, 100kHz, 1MHz Tín hiệu thu thiết bị thu quang pin Mặt Trời khơng có hình dáng tín hiệu phát Ngun nhân cường độ sáng thay đổi electron xuất pin Mặt Trời thay đổi số lượng, nên sinh dao dộng 3.3 Tác động nguồn nhiễu phổ biến tới việc truyền tín hiệu Ngồi ánh sáng nguồn phát phép đo cịn bị ảnh hưởng ánh sáng tự nhiên ánh sáng đèn huỳnh quang có phịng thí nghiệm Tuy nhiên, ảnh hưởng lên hệ thống khơng đáng kể Trong kết bên dưới, Hình a kết thí nghiệm thực bóng tối, cịn Hình b kết có thêm nguồn nhiễu ánh sáng tự nhiên ánh sáng đèn huỳnh quang Hình Kết đo với điều kiện khác Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến kết phép đo Ánh sáng tự nhiên thay đổi cường độ thời gian dài, nên tín hiệu tạo xem tín hiệu chiều bị loại bỏ tụ C1 (tụ điện cho tín hiệu xoay chiều qua) Ngoài ra, ánh sáng huỳnh quang nhấp nháy với tần số 50Hz, nguồn phát Led nhấp nháy với tần số lên tới vài chục kHz nên dễ dàng qua tụ C1 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(104).2016 55 dung kháng tụ tỷ lệ nghịch với tần số tín hiệu 3.4 Tín hiệu thu sau xử lý IC LM339 Trong Hình 10, tín hiệu phía tín hiệu phát đèn Led, phía tín hiệu thu hai cực pin Mặt Trời Tần số chọn dùng 10kHz, 50kHz, 75kHz Hình 11 Tốc độ Baud giảm theo khoảng cách truyền Tốc độ Baud giảm theo khoảng cách với độ sáng khác chất lượng tín hiệu khác nhau, nên cơng nghệ VLC cần nhiều thời gian để nghiên cứu phát triền Hình 10 Tín hiệu thu sau qua xử lý Kết cho thấy, vùng tần số thấp (dưới 50kHz) sau qua mạch xử lý IC LM339, tín hiệu phát tín hiệu thu giống Khi tăng tần số lên cao chất lượng tín hiệu thu bị giảm Ngun nhân độ nhạy pin Mặt Trời thấp, chưa đáp ứng kịp vùng tần số cao Để khắc phục trở ngại này, đề xuất sử dụng linh kiện thu quang đại Photodiode MRD 500 [4] sử dụng mạch xử lý tín hiệu phức tạp vi điều khiển chuyên dụng để xử lý tín hiệu số 3.5 Truyền liệu thơng qua giao tiếp UART Việc truyền liệu thực vi điều khiển laptop thông qua giao tiếp UART Bên phát (vi điều khiển) phát chuỗi ký tự dạng bit 0, 1, bên thu khôi phục liệu lại hiển thị hình Q trình thí nghiệm tiến hành với thay đổi tốc độ Baud theo giá trị 2400, 9600, 19200, 38400, 57600 với thay đổi khoảng cách truyền Kết luận Với đời chuẩn công nghệ Li-fi, công nghệ kết nối internet không dây xung ánh sáng, tốc độ truyền tải liệu nâng cao gấp 100 lần so với mạng không dây Wi-Fi thông thường [3] Khi đó, bóng đèn tích hợp phần cứng chun dụng hồn tồn trở thành điểm truy cập cho LiFi Việc hãng công nghệ Intel, Apple, Sisoft dần quan tâm đến vấn đề sử dụng ánh sáng để truyền liệu giúp cho cơng nghệ trở nên thương mại hóa Cơng nghệ VLC phát triển cịn ứng dụng nhiều lĩnh vực, ví dụ bệnh viện trung tâm chăm sóc sức khỏe sóng RF khơng phép sử dụng, đặc biệt phòng chụp X-quang, giao thông Hầu hết xe lưu thông đường sử dụng đèn, sử dụng cơng nghệ VLC cung cấp liệu (tốc độ xe phía trước, tình trạng giao thơng) cho xe tham gia giao thông Một ứng dụng quan trọng khác công nghệ sử dụng laze để truyền liệu khoảng cách từ vệ tinh đến Trái Đất thay cho sóng viba tia laze có độ định hướng tính đơn sắc cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Học viện cơng nghệ bưu viễn thông, Kỹ thuật thông tin quang 1, Nhà xuất Hà Nội, 2009 P: 89-165 [2] Thư viện vật lý, Bản chất lưỡng tính ánh sáng phản ánh thành tựu Nobel, http://360 thuvienvatly.com/bai-viet/lich-suvat-ly/356-ban-chat-luong-tinh-cua-anh-sang-phan-anh-trong-cacthanh-tuu-nobel, truy cập vào ngày 28/3/2016 [3] Khoahoc.tv, Li-Fi vừa thử nghiệm thực tế với tốc độ nhanh Wi-Fi 100 lần http://khoahoc.tv /cong-nghe-khong-dayli-fi-duoc-thu-nghiem-nhanh-gap-100-lan-wi-fi-67066, truy cập vào ngày 10/3/2016 [4] Durgesh Gujjari, Visible Light Communications, Dalhousie University Halifax, Nova Scotia August 2012 P: 31-35 (BBT nhận bài: 16/05/2016, phản biện xong: 25/05/2016) ... vấn đề sử dụng ánh sáng để truyền liệu giúp cho cơng nghệ trở nên thương mại hóa Cơng nghệ VLC phát triển cịn ứng dụng nhiều lĩnh vực, ví dụ bệnh viện trung tâm chăm sóc sức khỏe sóng RF khơng... giao thông Một ứng dụng quan trọng khác công nghệ sử dụng laze để truyền liệu khoảng cách từ vệ tinh đến Trái Đất thay cho sóng viba tia laze có độ định hướng tính đơn sắc cao TÀI LIỆU THAM KHẢO... cao Để khắc phục trở ngại này, đề xuất sử dụng linh kiện thu quang đại Photodiode MRD 500 [4] sử dụng mạch xử lý tín hiệu phức tạp vi điều khiển chuyên dụng để xử lý tín hiệu số 3.5 Truyền liệu