v TÓM TẮT Trong những năm phát triển gần đây, đèn LED hữu cơ ngày càng trở nên phổ biến mang lại hiệu quả cao và có thể được sử dụng để truyền dữ liệu như các hệ thống VLC thông thường.
Giới thiệu
Đặt vấn đề
Nhiều hệ thống hiện nay truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Lighting Communication – VLC) đã được nghiên cứu, tuy nhiên ít có nghiên cứu dùng OLED Đây là loại thiết bị có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn LED nên học viên nghiên cứu hệ thống VLC dùng OLED, dùng chung với kỹ thuật điều chế biến đổi vị trí xung (VPPM) hay dùng cho LED để thử nghiệm và đánh giá hệ thống VLC dùng công nghệ mới.
Giới thiệu về hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy
Hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy là phương tiện truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được giữa tần số 400 và 800 THz (780-375 nm) [1]
Hình 1.1 Vùng quang phổ ánh sáng nhìn thấy
Sử dụng ánh sáng nhìn thấy ít nguy hiểm hơn cho các ứng dụng công suất cao bởi vì chúng ta có thể nhận biết và tự bảo vệ mắt của mình tránh ánh sáng đó, cũng như tránh được sự tiếp xúc với sóng điện từ VLC là một phần của các công nghệ truyền thông không dây quang học
Với công nghệ VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sáng với tần số đủ cao khiến cho mắt người bình thường không cảm nhận 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 Ánh sáng đèn truyền tải dữ liệu theo cơ chế điều biên: cường độ của đèn thay đổi liên tục để mã hóa dữ liệu
VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây quang (Optical Wireless Communications – OWC) OWC sử dụng cả tia hồng ngoại và tia cực tím để truyền thông tin tương tự như ánh sáng 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 việt hơn cả [3]
Hình 1.2 Mô hình truyền dữ liệu bằng công nghệ VLC
Khái niệm hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy hay còn gọi là Li-Fi đã thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, chủ yếu nhờ vào tính phổ biến của công nghệ đèn LED Li-Fi chuyển dữ liệu bằng cách dùng phổ của ánh sáng thấy được, là một thành tựu đột phá
Cả Wi-Fi và Li-Fi truyền dữ liệu qua phổ điện từ, nhưng Wi-Fi dùng sóng radio trong khi đó Li-Fi dùng ánh sáng thấy được Ánh sáng thấy được mạnh hơn nhiều so với phổ radio (hơn 10.000 lần trong thực tế) Những bóng đèn LED hiện hữu có thể chuyển đổi để tải tín hiệu Li-Fi với một con chíp và công nghệ cũng có thể ứng dụng trong các trường hợp mà các tần số radio không thể sử dụng vì sợ gây nhiễu với
HVCH: Nguyễn Xu Lin 3 bộ mạch điện tử Thường các bóng phát Li-Fi phát sáng để truyền dữ liệu tuy nhiên những bóng ấy có thể điều khiển độ mờ đến mức mắt thường không nhìn thấy nhưng vẫn hoạt động Bất tiện là bên nhận dữ liệu phải nhận thấy bóng đèn truyền nhưng ánh sáng thấy được không xuyên qua vật liệu cứng Bù lại, Li-Fi sẽ an ninh hơn Wi- Fi, vì Wi-Fi ở ngoài tầm nhận thấy của máy truyền
Hình 1.3 Mô hình truyền internet bằng Li-Fi.
Một số công nghệ và ứng dụng VLC
Hệ thống VLC ngày càng được cải thiện và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống, sau đây là các ứng dụng tiềm năng của VLC [3]
Ánh sáng thông minh: Hệ thống VLC có thể vừa là thiết bị chiếu sáng, vừa có thể là môi trường truyền dữ liệu giữa các thiết bị số như máy tính, điện thoại, TV, máy in
Hình 1.4 Ánh sáng thông minh dùng VLC
Hệ thống điều khiển phương tiện giao thông: Mặc dù có những nhược điểm khi sử dụng ngoài trời, hệ thống VLC vẫn có thể thực hiện truyền các thông tin đơn giản giúp điều khiển xe tránh các tai nạn Khi xe trước nhấn phanh, đèn báo của xe có thể phát tín hiệu “phanh lại” cho xe sau Bên cạnh đó, khi xe nhận được tín hiệu “phanh lại” của xe trước sẽ tự động điều khiển phanh xe đồng thời phát tín hiệu “phanh lại” cho các xe sau nữa để tránh va chạm
Hình 1.5 Hệ thống VLC điều khiển phương tiện giao thông
Bệnh viện: Trong bệnh viện có một số thiết bị có thể bị can nhiễu với sóng radio, vì vậy sử dụng VLC có nhiều lợi thế trong lĩnh vực này
Hình 1.6 Thiết bị y tế nhạy cảm sóng vô tuyến có thể giao tiếp với VLC
Hàng không: Sóng vô tuyến không thể được sử dụng trong khoang hành khách trên máy bay Vì thế, đèn LED đã được sử dụng trong khoang máy bay và mỗi đèn có thể là tiềm năng để phát VLC cung cấp cả chiếu sáng và dịch vụ truyền dữ liệu cho hành khách Hơn nữa, điều này sẽ làm giảm chi phí xây dựng và trọng lượng máy bay như trong hình 1.7
Hình 1.7 VLC dùng trong khoang máy bay
Truyền thông tin dưới nước: VLC có thể truyền tốc độ dữ liệu cao dưới nước, nơi mà các công nghệ không dây khác như RF (Radio Frequency) không làm việc Như vậy, thông tin liên lạc giữa các thợ lặn hay xe vận hành từ xa là có thể
Hình 1.8 Hệ thống VLC truyền thông tin dưới nước
Ưu nhược điểm của công nghệ VLC
Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến đang ngày càng cạn kiệt và khả năng mở rộng rất hạn chế[4] Thêm vào đó, có rất nhiều yếu tố về an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô tuyến Do đó, công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF
Dung lượng: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000 lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng Tốc độ của VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra
An toàn: Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng nhìn thấy sẽ tránh được các nguy cơ gây nguy hiểm đến một số môi trường khác (bệnh viện, máy bay …) hay tia lửa điện bắt nguồn từ hệ thống antenna thu phát sóng điện từ
Bảo mật: Đối với môi trường trong nhà sẽ rất khó để có thể thu thập hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết
Ngoài những ưu điểm như đã đề cập ở trên, công nghệ VLC cũng có vài nhược điểm:
Phạm vi phát khoảng cách ngắn nếu bị vật cản che chắn thì không thể truyền tín hiệu
Khi có thêm các nguồn sáng ngoài như mặt trời, đèn huỳnh quang, sẽ làm can nhiễu tín hiệu
Hệ thống yêu cầu truyền thẳng và chỉ truyền dữ liệu nơi có ánh sáng.
Lý do và mục đích chọn đề tài
Việc thiết kế một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy là một hướng đi mới, bổ sung thêm cho các hệ thống truyền dữ liệu hiện tại như wifi Tuy nhiên các hệ thống VLC ít có nghiên cứu về OLED, dải thông điều chế của OLED hẹp, nên học viên muốn thực hiện và đánh giá hệ thống VLC dùng OLED
Do đó, mục đích chọn đề tài là để thiết kế và thực hiện hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng dùng đèn OLED, từ đó tối ưu hệ thống hoạt động tốt hơn
Phạm vi và phương thức nghiên cứu đề tài
- Phạm vi nghiên cứu: thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy dùng OLED truyền tốc độ 83 kb/s trong khoảng cách 25 cm với BER 10 -5 và việc truyền dữ liệu có thể thực hiện khi giảm độ mờ của đèn trong phạm vi từ 5-8 lm
Tìm hiểu kỹ thuật điều chế VPPM và cách điều khiển độ sáng của đèn phát, tìm cách đồng bộ giữa bên phát và bên thu
Thi công mạch và đo đạc các thông số cần thiết: khảo sát BER theo tốc độ, BER theo khoảng cách, suy hao tín hiệu theo khoảng cách, quang thông theo độ rộng xung trong 1 chu kỳ và tối ưu hệ thống VLC
Sử dụng các phần mềm kiểm tra lỗi bit trên Matlab, phần mềm Keil để lập trình vi điều khiển, phần mềm Terminal để phát và thu dữ liệu Sử dụng máy đo quang thông để đo độ sáng của đèn OLED khi phát dữ liệu.
Những đóng góp của luận văn
Một số nhiệm vụ mà luận văn đã thực hiện như:
- Thiết kế và phân tích chức năng của mỗi thành phần trong hệ thống VLC
- Thử nghiệm thành công hệ thống VLC dùng đèn OLED
- Phân tích và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hệ thống: khảo sát BER theo tốc độ, BER theo khoảng cách, suy hao tín hiệu theo khoảng cách, quang thông theo độ rộng xung trong 1 chu kỳ
- Tối ưu được hệ thống VLC
Từ những nhiệm vụ đã thực hiện trên luận văn có hai đóng góp chính:
- Thi công được hệ thống VLC
- Tối ưu được hệ thống VLC bằng cách tìm ra tỉ lệ thời gian sáng và tối trong cùng một chu kỳ để truyền được tốc độ cao mà tỉ lệ lỗi bit (BER) vẫn đảm bảo cho phép
Kết luận chương 1
Chương 1 là chương mở đầu giới thiệu một cách tổng quan về hệ thống VLC, ưu nhược điểm của hệ thống Chương này cũng giới thiệu lý do và mục đích chọn đề tài này, giới thiệu phạm vi và phương thức nghiên cứu của đề tài, đưa ra một số đóng góp của đề này Chi tiết thực hiện sẽ được làm rõ trong các chương sau
Lý thuyết tổng quan và tình hình nghiên cứu
Giới thiệu nền tảng tổng quan
Hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng có thể nhìn thấy trong đó sử dụng các nguồn ánh sáng nhìn thấy như một máy phát tín hiệu, không khí như là một phương tiện truyền dẫn, và các photodiode như là một thành phần thu tín hiệu.
Các thành phần chính trong hệ thống VLC
Thành phần của bộ phát VLC là đèn OLED (Organic Light-Emitting Diode:
Diode phát sáng hữu cơ), đây là thiết bị thể rắn cấu tạo từ các tấm phim mỏng làm từ các hợp chất hữu cơ[5] Đèn OLED đã được nghiên cứu để truyền dữ liệu vừa chiếu sáng đồng thời Đèn OLED trắng phát ra ánh sáng trắng sáng hơn, đồng nhất hơn và hiệu quả năng lượng hơn ánh sáng phát ra bởi đèn huỳnh quang
Hình 2.1 OLED trắng có thể dùng thay cho các đèn chiếu sáng thông thường
Do các OLED có thể chế tạo thành các tấm lớn nên chúng có thể dùng để thay thế các đèn huỳnh quang hiện đang được dùng nhiều trong các toàn nhà và căn hộ
Việc sử dụng các OLED trắng có thể giảm đáng kể năng lượng cho việc chiếu sáng
Các thành phần của OLED: diode phát quang hữu cơ OLED là một thiết bị bán dẫn thể rắn có độ dày từ 100 đến 500 nm hay khoảng 200 lần nhỏ hơn đường kính sợi tóc Các OLED có thể có hai hoặc ba lớp vật liệu hữu cơ; trong trường hợp thiết kế ba
HVCH: Nguyễn Xu Lin 10 lớp thì lớp thứ ba sẽ giúp truyền tải các electron từ cathode tới lớp phát sáng (emissive layer)
Hình 2.2 Các thành phần của OLED
OLED gồm các phần sau:
Tấm nền (substrate) - làm từ nhựa trong, thủy tinh, Tấm nền có tác dụng chống đỡ cho OLED
Anode (trong suốt) - anode sẽ lấy đi các electron (hay tạo ra các lỗ trống mang điện dương) khi có một dòng điện chạy qua thiết bị
Các lớp hữu cơ - các lớp này được tạo thành từ các phân tử hữu cơ hay polymer
Lớp dẫn (conductive layer) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo có nhiệm vụ truyền tải các lỗ trống từ anode Một polymer dẫn được sử dụng trong các OLED là polyaniline
Lớp phát sáng (emissive layer) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo (nhưng khác loại với lớp dẫn) có nhiệm vụ truyền tải các electron từ cathode Một loại polymer dùng trong lớp phát sáng là polyfluorence
Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy thuộc vào loại OLED) - cathode sẽ tạo ra các electron khi có dòng điện chạy qua thiết bị
Các OLED phát ra ánh sáng theo cách giống với các đèn LED Quá trình này gọi là sự phát lân quang điện tử (electrophosphoresence)
Quá trình phát sáng của OLED diễn ra như sau:
Nguồn điện cung cấp dòng điện cho OLED Một dòng các electron chạy từ cathode qua các lớp hữu cơ tới anode Cathode sẽ truyền các electron cho lớp các phân tử hữu cơ phát quang Anode sẽ lấy các electron từ lớp các phân tử hữu cơ dẫn (điều này giống với việc truyền các lỗ trống mang điện dương cho lớp dẫn)
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của OLED
Tại biên giữa lớp phát quang và lớp dẫn, các electron gặp các lỗ trống: Khi một electron gặp một lỗ trống, nó sẽ tái hợp với lỗ trống này (hay nó rơi vào mức năng lượng của nguyên tử lỗ trống bị mất một electron) Khi sự tái hợp xảy ra, electron tái hợp sẽ tạo ra một năng lượng dưới dạng một photon ánh sáng và OLED phát ra ánh sáng
HVCH: Nguyễn Xu Lin 12 Đặc tính nổi bật và ứng dụng của OLED:
OLED là công nghệ rất tiềm năng trong tương lai OLED sẽ khắc phục những nhược điểm của đèn LED là hiển thị màu sắc không tươi, và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với công nghệ thiết bị chiếu sáng OLED OLED đã được ứng dụng vào việc sản xuất màn hình Tivi của LG, Samsung, Sony
Và hiện tại đèn OLED trắng đang được ứng dụng vào để chế tạo đèn chiếu sáng Công nghệ thiết bị chiếu sáng OLED là công nghệ sản xuất các tấm phát sáng bằng hợp chất hữu cơ Khi có nguồn năng lượng điện đi vào, những tấm hữu cơ này sẽ cho ánh sáng trắng rõ nét hơn và ít tiêu thụ năng lượng hơn so với đèn LED Loại màn hình này là siêu mỏng và ánh sáng rất thực Loại đèn này được ưa thích trong nhà, bảo tàng, khách sạn, nhà hàng,… những nơi cần ánh sáng sang trọng mà không làm chói mắt Đèn OLED này có tuổi thọ là 5000 giờ với cường độ sáng là 1000 cd/m 2
Hình 2.4 Cấu trúc photodiode PIN
Cấu tạo của photodiode PIN gồm ba lớp bán dẫn, trong đó lớp I (Intrinsic) là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc pha tạp chất rất ít nên không có điện tử tự do nên có điện trở rất lớn[6] Và lớp này nằm giữa hai lớp P và N Lớp I đóng vai trò
HVCH: Nguyễn Xu Lin 13 giống vùng hiếm trong mối nối P-N nhưng có chiều dài lớn hơn nhằm tăng hiệu suất hấp thụ photon tới
Bởi vì lớp I rất rộng nên xác suất tiếp nhận photon ở lớp này cao hơn và do đó sự hấp thụ photon ở lớp này nhiều hơn so với hai lớp P và N Như vậy khi lớp I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao Tuy nhiên khi đó thời gian trôi của điện tử lớn nên làm giảm khả năng hoạt động tốc độ cao của PIN
Hình 2.5 Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn của PIN
Cấu tạo bên trong của PIN:
Hình 2.6 Cấu tạo bên trong của PIN
Khả năng thâm nhập ánh sáng phụ thuộc vào bề dày lớp P Ánh sáng có bước sóng càng dài càng dễ thâm nhập vào bán dẫn
Silicon là vật liệu cho photodetector thường sử dụng ở cửa sổ thứ nhất, không thể sử dụng trong cửa sổ thứ hai (vì silicon có Eg= 1,1eV; λc= 1,1μm) Ge và InGaAs có nhiễu nhiều hơn silicon nhưng chúng đáp ứng trong cửa sổ thứ hai
Bảng 2.1: Tổng kết các khoảng hữu dụng nhất các vật liệu PIN photodiode
Vật liệu Khoảng bước sóng
Bước sóng của đáp ứng (μm) Đáp ứng (A/W)
Các phổ đáp ứng của Si và InGaAs như hình dưới:
Hình 2.7 Phổ đáp ứng của Si và InGaAs
Si và InGaAs có ηmax= 0,8 Từ đó suy ra, ở λ= 0,8 μm, R = 0,5 A/W Đối với InGaAs ở bước sóng 1,7μm, η= 80% Suy ra R = 1,1 A/W Đối với InGaAs ở bước sóng 1,3μm, η= 70% Suy ra R = 0,77 A/W
HVCH: Nguyễn Xu Lin 15 Đặc tuyến V-I của photodiode Si có R = 0,5 A/W như hình dưới:
Hình 2.8 Đặc tuyến V-I của photodiode Si với R = 0,5 A/W
Dòng tối sinh ra do nhiệt tạo ra các hạt mang điện, do đó còn có tên gọi là dòng rỉ phân cực ngược Nếu tín hiệu quang nhỏ thì dòng photon nhỏ nên có thể không phát hiện được tín hiệu này vì dòng photon nhỏ đã bị dòng tối che lấp mất
Giới thiệu về bộ thu quang PIN PDA36A – THORLABS:
Bộ thu quang bộ khuếch đại trở kháng truyền đạt bằng cảm biến Si bao gồm: một photodiode và tích hợp bộ khuếch đại tín hiệu điện, photodiode nhạy cảm với ánh sáng từ vùng phổ UV đến NIR (từ 350 nm đến 1100 nm) Tất cả các kết nối và điều khiển được đặt vuông góc với đường đi ánh sáng, để tăng khả năng thu nhận
Khuếch đại tín hiệu được điều khiển bởi trở kháng truyền nhiễu thấp hoặc khuếch đại điện áp có khả năng điều khiển tải 50 Ω Cổng tín hiệu đầu ra là dạng đầu nối BNC
Hình 2.9 Bộ thu quang kết hợp khuếch đại tín hiệu
Thông số kỹ thuật của bộ thu quang PIN PDA36A như sau:
Loại cảm biến quang Si PIN
Diện tích thu quang 3.6 x 3.6 mm (13 mm2)
Phạm vi bước sóng 350 to 1100 nm
Bước sóng đỉnh 970 nm Đáp ứng đỉnh 0.65 A/W
Bộ khuếch đại GBP 600 MHz
Dòng ra cao nhất 100 mA
Trở kháng tải 50 Ωto Hi-Z
Phạm vi điều chỉnh độ lợi 0 dB to 70 dB
Khoảng độ lợi 8 x 10dB Điện áp ra 0 to 5 V (50 Ω)
2.2.3 Cấu tạo – nguyên lý làm việc của mạch OP-AMPS
Cấu tạo Op-Amps lý tưởng có cấu tạo như hình vẽ:
Hình 2.10 Cấu tạo của Op-Amps
Các phương pháp điều chế và điều khiển độ mờ trong VLC
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)[7] 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 ( ) với biểu thức dưới đây:
T là chu kỳ kí hiệu và rect(t) được tính như:
Sử dụng hàm cơ sở này, ta có biểu thức cường độ sáng theo miền thời gian được gửi qua kênh truyền theo biểu thức:
Với [ ] { , } và được chọn thống nhất, biên độ trung bình của ( ) được đặt tại P do phân bố của các ký tự Không gian tín hiệu của OOK bao gồm hai điểm
Xác suất lỗi bit được xác định bằng biểu thức:
Trong đó: tốc độ bit Hình 2.23 Hàm cơ sở (a) và Không gian tín hiệu OOK (b)
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 Ví dụ nếu độ sáng của dữ liệu là A% với chu kỳ T1 và các ký hiệu dư thừa có độ sáng B% với chu kỳ T2, độ sáng trung bình N(%) sẽ được tính theo công thức:
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 2.24 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%
Hình 2.24 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa CS
2.3.2 Điều chế vị trí xung (PPM)
Trong số các điều chế thời gian xung (PTM), điều chế vị trí xung (PPM) đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông quang học và đã được thông qua bởi IEEE 802.11 Trong PPM, mỗi khoảng ký tự của chu kỳ T = log2L/Rb phân
HVCH: Nguyễn Xu Lin 31 chia thành các khoảng nhỏ L, mỗi khoảng thời gian T/L, và máy phát sẽ gửi xung quang trong một khoảng thời gian Khi L lớn hơn 2, công suất quang PPM ít hơn OOK Về nguyên lý, công suất quang học có thể được làm nhỏ tùy ý bằng điều chỉnh L đủ lớn Băng thông theo yêu cầu của PPM để đạt được tốc độ bit Rb là khoảng nghịch đảo của một khoảng thời gian, B = L/T [8]
2.3.3 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM)
Ngược lại với PPM, PWM có công suất đỉnh thấp hơn, có hiệu quả quang phổ tốt hơn, và có khả năng chống nhiễu xuyên ký tự, đặc biệt là cho L lớn hơn [9] Bù lại công suất của PWM tăng lên theo L Băng thông trung bình cho PWM là B = 2LRb
Hình 2.25 Các kiểu điều chế xung
2.3.4 Điều chế vị trí xung thay đổi (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[7]
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
HVCH: Nguyễn Xu Lin 32 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:
Trong đó: và T là chu kỳ con
Không gian tín hiệu của M-PPM là không gian Euclid M chiều với một điểm tín hiệu trên mỗi trục M
Hình 2.26 Hàm cơ sở của 2-PPM
Cường độ sáng gửi qua kênh truyền được tính theo biểu thức :
Trong đó [ ] 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
Trong đó: = / là tốc độ ký hiệu Do các điểm trong không gian tín hiệu trực giao với nhau, xác suất lỗi ký hiệu có thể chuyển thành xác suất lỗi bit bằng cách lũy thừa với /( − ) Như vậy, xác suất lỗi bit được tính:
Hình 2.27 Mô hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) PWM để điều chỉnh độ sáng (b)
Nguyên lý định dạng điều khiển độ mờ và truyền dữ liệu
Trong PWM, thời gian xung được sử dụng để điều khiển dòng mạch LED, do đó điều chỉnh độ sáng Các tần số của tín hiệu làm mờ PWM thường trên 100 Hz, và do đó mắt con người không thể nhìn thấy dòng chuyển đổi Đối với đèn LED được sử dụng cho đồng thời cả chiếu sáng và truyền dữ liệu trong VLC, việc làm mờ và truyền tín hiệu dữ liệu phải được độc lập với nhau và không có sự nhiễu chéo
Trong hình 2.29 cho thấy sự ưu điểm của công suất trung bình thấp của PPM so với công suất trung bình cao của PWM tạo ra sự truyền dữ liệu độc lập của độ mờ trong khi vẫn duy trì đồng bộ hóa Trong trường hợp không có ánh sáng, độ mờ giữ được ở mức tối thiểu của nó (tức là thấp hơn nhiều so với ánh sáng môi trường xung quanh), chỉ những dữ liệu mang xung PPM được truyền đi
Hình 2.29 Dạng sóng của định dạng điều chế
Vì PPM được đặt lên trên PWM, biên độ đỉnh xung là Ap = A0 + Ad, trong đó A0 là biên độ của PWM và xung PPM, tương ứng Cần thiết lập Ad
