Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Tối ưu điều chế DPPM trong hệ thống VLC

Một trong các đề cử đầu tiên và nhận được sự quan tâm mạnh mẽ là truyền thông không dây sử dụng ánh sáng khả kiến VLC.. Phạm Quang Thái Khái niệm truyền thông tin bằng ánh sáng khả kiến

Giới thiệu

Số lượng các thiết bị di động và nhu cầu kết nối không dây băng rộng ngày càng tăng mạnh Một nghiên cứu toàn cầu của Cisco [1] năm 2014 để xác định xu hướng hiện tại và dự đoán về lưu lượng dữ liệu di động đến năm 2019 chỉ ra rằng, lưu lượng từ năm 2014 đến năm 2019 sẽ tăng theo hàm mũ Năm 2014, lưu lượng dữ liệu di động chỉ có 2.5 Exabytes/tháng nhưng dự đoán đến năm 2019 đã tăng lên đến 24.3 Exabytes/tháng

Hình 1.1 Dự đoán của Cisco về xu hướng dữ liệu di động thế giới

Nhu cầu dữ liệu không dây tăng nhanh như vậy nhưng tần số vô tuyến lại giới hạn, công nghệ truyền không dây bằng RF đã phát triển rất mạnh và gần đạt được giới hạn của nó Ngoài sự khan hiếm tần số này, nghiên cứu trong [2] cho thấy rằng, tính không đối xứng về lưu lượng giữa đường uplink và downlink, khi tỷ lệ tương ứng là 1: 6, điều này do hành vi của người sử dụng, với sở thích sử dụng các dịch

Tối ưu điều chế DPPM trong hệ thống VLC GVHD: TS Phạm Quang Thái

HVTH: Nguyễn Trung Thành 2 MSHV: 12140042 vụ cần nhiều lưu lượng đường xuống như video streaming, duyệt web, và chia sẻ nội dung Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cho các ứng dụng cần nhiều băng thông, xu hướng mạng đa công nghệ và đa tầng với kích thước tế bào nhỏ đang được nghiên cứu để tăng lưu lượng của mạng Hơn nữa, hơn 70% dữ liệu di động thường xuất hiện trong môi trường indoor [3], vì vậy cần thiết phải phát triển một kiểu mạng không dây mới trong môi trường indoor để giảm tải lưu lượng cho mạng RF Điều này đã thu hút được nhiều nhà nghiên cứu để phát triển ra một công nghệ mới để giao tiếp không giây trong khoảng cách trung bình và ngắn Một trong các đề cử đầu tiên và nhận được sự quan tâm mạnh mẽ là truyền thông không dây quang OWC (Optical Wireless Communication)

Khái niệm truyền thông tin bằng ánh sáng khả kiến đã được sử dụng cách đây hàng triệu năm, khi người Hy Lạp, người La Mã sử dụng tín hiệu khói như một phương thức để thông tin với nhau ở một khoảng cách xa Ngọn hải đăng là một ứng dụng khác cũng ra đời từ rất sớm để truyền thông tin bằng ánh sáng, các tia sáng từ tòa tháp được sử dụng để hỗ trợ tàu biển định hướng Nhưng ứng dụng đầu tiên của hệ thống thông tin sử dụng ánh sáng được thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880 với sự phát minh ra máy phát âm bằng ánh sáng Mười năm sau đó, OWC được thiết lập như một lĩnh vực nghiên cứu mới của viễn thông bằng cách sử dụng đầy đủ phạm vi của phổ ánh sáng, từ tử ngoại đến hồng ngoại Ngày nay, OWC được xem là một lựa chọn khả thi để thay thế cho hệ thống RF trong một số ứng dụng như các kết nối cuối chặn, các tế bào di động hay cho các đường kết nối dự phòng

Gần đây, sự ra đời của công nghệ chiếu sáng trạng thái rắn SSL (Solid-State Lighting) mà đi đầu trong giải pháp chiếu sáng bằng cách thực hiện phát xạ ánh sáng có độ sáng cao là LED hay sau này là OLED, với hiệu suất năng lượng tốt và hiệu quả về mặt chi phí Cùng với đó, việc thay thế các giải pháp chiếu sáng truyền thống sử dụng đèn sợi đốt và bóng đèn huỳnh quang sang sử dụng LED, OLED là

HVTH: Nguyễn Trung Thành 3 MSHV: 12140042 điều không thể tránh khỏi khi giá thành của các thiết bị chiếu sáng này ngày càng giảm

Với sự phát triển trong lĩnh vực chiếu sáng và OWC, đặt biệt là truyền thông tin bằng ánh sáng khả kiến VLC, đó là sự tận dụng lợi thế quang phổ nhìn thấy được ở tần số TeraHertz nhưng chưa được khai thác với băng thông tiềm năng, miễn phí và không bị kiểm soát giống như tần số vô tuyến.

Truyền thông bằng ánh sáng khả kiến

Truyền thông bằng ánh sáng khả kiến là một bổ sung mới nhất trong lĩnh vực OWC, các nguồn phát sáng bằng bán dẫn như LED và OLED với khả năng chuyển mạch nhanh đã sinh ra một ngành mới trong OWC, cũng như hai lĩnh vực khác trong OWC là IR và FSO, VLC đã và đang phát triển nhanh chóng Ánh sáng khả kiến cung cấp khoảng 400Thz phổ tần không cần giấy phép và an toàn cho truyền thông không giây Băng thông của ánh sáng khả kiến lớn hơn gấp nhiều lần so với các tần số vô tuyến và cho phép truyền dung lượng lớn cho nhiều mục đích truyền thông Phổ tần có thể sử dụng cho VLC từ 380 đến 780nm Hình 1.2 cho thấy vị trí phổ của ánh sáng nhìn thấy như một phần của toàn bộ phổ điện từ

Hình 1.2 Vị trí của ánh sáng khả kiến trong phổ điện từ Truyền thông bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến được thực hiện bằng cách gây ra các xung nhấp nháy trên LED để điều chế tín hiệu thông tin ở một tốc độ mà

HVTH: Nguyễn Trung Thành 4 MSHV: 12140042 mắt người không nhận biết được Cường độ ánh sáng thay đổi đó có thể nhận biết được bằng cách sử dụng bộ thu quang ở khoảng cách xa, tạo ra một kênh giao tiếp cơ bản Một ưu điểm trong triển khai VLC là sử dụng nguồn sáng có sẵn từ hệ thống chiếu sáng để truyền thông tin ngoài mục đích chiếu sáng chung

Với việc thay thế cơ sở hạ tầng chiếu sáng hiện đang diễn ra hiện nay từ đèn huỳnh quang chuyển qua LED và OLED, VLC được coi là ứng cử viên hoàn hảo cho việc tăng cường những truy cập băng rộng đến người dùng trong môi trường trong nhà Trong thực tế, VLC đã được chứng minh là một công nghệ cạnh tranh có khả năng bổ sung cho các mạng di động RF hiện có và tăng công suất đường xuống của các mạng không dây bằng cách tận dụng các đặc tính tốt nhất từ cả hai phương tiện truyền dẫn Có thể hình dung rằng trong tương lai gần các mạng không đồng nhất sẽ tích hợp các công nghệ khác nhau (RF, Power-Line Communication (PLC), IR, VLC) để phát triển các mạng thông minh cung cấp các kết nối tốc độ cao Đồng thời, xu hướng này ngày càng tăng đối với các hệ thống mạng đa tầng là một cơ hội lý tưởng cho VLC chủ yếu nhắm đến mục đích nâng cao năng lực hệ thống cho phạm vi ngắn và trung bình, như các kết nối cuối trong các điểm truy cập trong mạng không đồng nhất Điều này cũng sẽ loại bỏ can nhiễu liên tế bào trong hệ thống mạng di động RF, trong khi cung cấp vùng phủ sóng trong nhà được nâng cao

Lợi thế chính của kênh VLC đó là khả năng miễn dịch nhiễu điện từ VLC còn là lý tưởng để sử dụng trong các khu vực hạn chế sóng vô tuyến như bệnh viện, máy bay, hoặc nơi tín hiệu RF không thể truy cập.

Một số ứng dụng của VLC

VLC ứng dụng để truyền thông tin trong hệ thống nhà thông minh, cung cấp chiếu sáng, điều khiển các thiết bị, kết nối internet, giảm thiểu việc triển khai dây bằng cách truyền tín hiệu trên đường dây điện sẵn có đến các điểm phát VLC

Hệ thống giao thông thông minh sử dụng VLC Với hệ thống đèn giao thông sẵn có và hệ thống đèn chiếu sáng trên các xe, VLC là một đề xuất triển khai chi phí thấp cho việc trao đổi thông tin giao thông giữa các xe và giữa xe với các trạm cơ sở bên đường

HVTH: Nguy xây d Đ tin do tín hi trong khu v bị đang đư liên k

HVTH: Nguy VLC còn xây d

H Đối v tin do tín hi trong khu v ị khác và ngư đang đư liên k

HVTH: Nguy VLC còn xây dự

Hệ th i vớ tin do tín hi trong khu v khác và ngư đang đư liên kết nào khác như khi truy

HVTH: Nguy VLC còn ựng m thố ới môi trư tin do tín hi trong khu v khác và ngư đang đượ t nào khác như khi truy

HVTH: Nguy VLC còn ng mộ ống VLC còn có i môi trư tin do tín hi trong khu vự khác và ngư ợc chuy t nào khác như khi truy

HVTH: Nguyễn Trung Thành VLC còn đư ột h

Hình 1.4 ng VLC còn có i môi trư tin do tín hiệu VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v ực c khác và ngư c chuy t nào khác như khi truy n Trung Thành đượ t hệ

Hình 1.4 ng VLC còn có i môi trườ u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c cầ khác và người s c chuyể t nào khác như khi truy n Trung Thành ợc dùng đ thố

Hình 1.4 ng VLC còn có ờng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v ần th i sử ển đi đâu, do v t nào khác như khi truy n Trung Thành c dùng đ ống đ

Hình 1.4 ng VLC còn có ng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v n thiế ử dụ n đi đâu, do v t nào khác như khi truy n Trung Thành c dùng đ ng đ

Hình 1.4 H ng VLC còn có ng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v ết D ụng hoàn toàn có th n đi đâu, do v t nào khác như khi truy n Trung Thành c dùng để ng định v

Hệ th ng VLC còn có ưu đi ng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v t Dữ ng hoàn toàn có th n đi đâu, do v t nào khác như khi truy n Trung Thành ể truy nh v Ứng d thố ưu đi ng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v ữ li ng hoàn toàn có th n đi đâu, do v t nào khác như khi truyề truyề nh vị trong nhà cho ngư Ứng d ống m ưu điể ng trong nhà, s u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v liệu s ng hoàn toàn có th n đi đâu, do vậ ền thông v ền thông tin trong m trong nhà cho ngư ng dụ ng mạ ểm cung c ng trong nhà, sẽ r u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v u sẽ ng hoàn toàn có th ậy không c n thông v n thông tin trong m trong nhà cho ngư ụng VLC trong nhà thông minh ạng c m cung c rất khó đ u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v ẽ đư ng hoàn toàn có th y không c n thông v n thông tin trong m trong nhà cho ngư ng VLC trong nhà thông minh ng c m cung c t khó đ u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v được chuy ng hoàn toàn có th y không c n thông v n thông tin trong m trong nhà cho ngư ng VLC trong nhà thông minh ng cảm bi m cung cấ t khó đ u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c chuy ng hoàn toàn có thể y không c n thông với sóng đi

5 n thông tin trong m trong nhà cho ngư ng VLC trong nhà thông minh m bi ấp các đư t khó để u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c chuy ể nhìn th y không cần thi i sóng đi

5 n thông tin trong m trong nhà cho ngư ng VLC trong nhà thông minh m biến không dây quang h p các đư có th u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c chuyển tr nhìn th n thi i sóng đi n thông tin trong m trong nhà cho ngườ ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h p các đư có th u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v n tr nhìn th n thiết ph i sóng điệ n thông tin trong m ời mù, d ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h p các đườ có thể thu th u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v n trực ti nhìn thấy và bi t ph ện t n thông tin trong mạng c i mù, d ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h ờng truy thu th u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c ti y và bi t phải có các phương án b n từ. ng c i mù, dự ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h ng truy thu th u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua v c tiếp t y và bi i có các phương án b ng cảm biên không dây, ho ựa vào v ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h ng truyề thu thập hay b u VLC là sóng ánh sáng không xuyên qua vậ p từ y và biết đư i có các phương án b m biên không dây, ho a vào v ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h ền không dây b p hay b ật c ừ m t đư i có các phương án b m biên không dây, ho a vào v ng VLC trong nhà thông minh n không dây quang h n không dây b p hay b t cản và ch một thi t được d i có các phương án b

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho a vào vị trí các đèn n không dây quang họ n không dây b p hay bị n và ch t thi c dữ i có các phương án b

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho trí các đèn ọc n không dây b nghe lén thông n và ch t thiết b ữ li i có các phương án b

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho trí các đèn n không dây b nghe lén thông n và chỉ t bị liệu c i có các phương án b

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho trí các đèn n không dây b nghe lén thông ỉ tậ sang thi u củ i có các phương án b

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho trí các đèn n không dây bảo m nghe lén thông ập trung sang thi ủa mình i có các phương án bảo m

MSHV: 12140042 m biên không dây, ho trí các đèn o m nghe lén thông p trung sang thi a mình o m

MSHV: 12140042 m biên không dây, hoặc o mật nghe lén thông p trung sang thiết a mình o mật

MSHV: 12140042 c t nghe lén thông p trung t a mình t

Lý do và mục đích lựa chọn Đề tài

Với nh ến và xu hư VLC là m nhà Đ Phương i ưu điề

Lý do và m i nh n và xu hư VLC là m Đề tài Phương pháp đi ều ch

Lý do và m i những ưu đi n và xu hư VLC là một gi tài pháp đi u chế

Lý do và m ng ưu đi n và xu hư t gi này xây d pháp đi ế DPPM trong h n Trung Thành Hình 1.6

Lý do và mụ ng ưu đi n và xu hướng t giải pháp t này xây d pháp điều ch

DPPM trong h n Trung Thành Hình 1.6 ục đích l ng ưu điể ng i pháp t này xây d u ch DPPM trong h n Trung Thành Hình 1.5 Ứng d c đích l ểm đư ng chuy i pháp t này xây d u chế DPPM trong h n Trung Thành Hình 1.5 ng d c đích l m đư chuy i pháp tố này xây dựng m ế áp d DPPM trong h n Trung Thành Hình 1.5 ng dụng VLC trong h c đích lựa ch m được nêu chuyển sang ốt trong tương lai cho vi ng m áp dụ DPPM trong hệ n Trung Thành Hình 1.5 H ng VLC trong h a ch c nêu n sang t trong tương lai cho vi ng mộ ụng cho h thố

Hệ ng VLC trong h a chọn c nêu n sang t trong tương lai cho vi ột h ng cho h ống VLC thố ng VLC trong h n Đ c nêu ở n sang sử t trong tương lai cho vi t hệ th ng cho h ng VLC ống d ng VLC trong h Đề tài trên ử d t trong tương lai cho vi thố ng cho hệ ng VLC ng d ng VLC trong h tài trên cùng v dụng các ngu t trong tương lai cho vi ống VLC v ệ th ng VLC ng dẫn đư ng VLC trong h cùng v ng các ngu t trong tương lai cho vi ng VLC v thống là DPPM

6 n đư ng VLC trong hệ th cùng v ng các ngu t trong tương lai cho vi ng VLC v ng là DPPM

6 n đường cho ngư thố cùng với s ng các ngu t trong tương lai cho vi ng VLC v ng là DPPM ng cho ngư ống giao thông thông minh i sự ng các nguồ t trong tương lai cho việc truy ng VLC với ngu ng là DPPM ng cho ngư ng giao thông thông minh ự c ồn sáng m c truy i ngu ng là DPPM ng cho ngư ng giao thông thông minh cạn ki n sáng m c truy i nguồ ng là DPPM

GVHD: TS Ph ng cho ngư ng giao thông thông minh n ki n sáng m c truyền d ồn sáng là đèn OLED tr GVHD: TS Ph ng cho người mù ng giao thông thông minh n kiệt v n sáng mớ n dữ n sáng là đèn OLED tr GVHD: TS Ph i mù ng giao thông thông minh t về ới như LED và OLED ữ li n sáng là đèn OLED tr GVHD: TS Ph i mù ng giao thông thông minh tài nguyên t i như LED và OLED liệu không dây trong n sáng là đèn OLED tr GVHD: TS Ph

MSHV: 12140042 ng giao thông thông minh tài nguyên t i như LED và OLED u không dây trong n sáng là đèn OLED tr GVHD: TS Phạm Quang Thái

MSHV: 12140042 ng giao thông thông minh tài nguyên t i như LED và OLED u không dây trong n sáng là đèn OLED tr m Quang Thái

MSHV: 12140042 ng giao thông thông minh tài nguyên tầ i như LED và OLED u không dây trong n sáng là đèn OLED tr m Quang Thái

MSHV: 12140042 ần s i như LED và OLED u không dây trong n sáng là đèn OLED tr m Quang Thái

MSHV: 12140042 n số i như LED và OLED u không dây trong n sáng là đèn OLED trắng m Quang Thái

MSHV: 12140042 vô i như LED và OLED, u không dây trong ng m Quang Thái

MSHV: 12140042 vô , u không dây trong ng

HVTH: Nguyễn Trung Thành 7 MSHV: 12140042 Mục đích lựa chọn Đề tài để khảo sát suy hao kênh truyền, tốc độ Bit của hệ thống OLED VLC và tỷ lệ lỗi Bit theo khoảng cách và tốc độ Từ đó chọn được vị trí xung cho điều chế DPPM để đạt được tốc độ cao nhất với tỷ lệ lỗi Bit chấp nhận được ≤ 10

Phạm vi nghiên cứu của Đề tài

Đề tài sử dụng nguồn phát là OLED trắng của hãng Phillip, băng thông điều chế 7KHz Bộ thu sử dụng Photodiode của hãng Thorlab, băng thông tối đa 10Mhz với độ lợi 0dB Bộ điều chế và giải điều chế sử dụng board vi xử lý STM32F4 của hãng ST Đề tài xây dựng hệ thống VLC với kiểu điều chế DPPM Các thông số khảo sát hệ thống được thực hiện trong phòng dưới ánh sáng đèn huỳnh quang, độ lợi bộ TIA được đặt ở giá trị 40dB và khoảng cách khảo sát tối đa 60cm.

Những đóng góp của Luận văn

- Đề tài đã xây dựng được một đường truyền VLC thực tế với điều chế DPPM

- Khảo sát hệ số suy hao theo khoảng cách

- Khảo sát tỷ lệ lỗi Bit tương ứng với tốc độ và khoảng cách truyền

- Dựa trên các thông số khảo sát được, Đề tài đã cải thiện tốc độ truyền của hệ thống VLC bằng cách điều chế DPPM nhiều mức.

Kết luận chương

Hệ thống VLC là một hệ thống tương lai đáp ứng được nhu cầu truyền dẫn tốc độ cao trong phạm vi indoor vừa kết hợp được với hệ thống chiếu sáng, có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống vô tuyến hiện hữu đó là: không làm ảnh hưởng đến hệ thống RF hiện tại, việc xây dựng hệ thống không quá phức tạp, không cần xin giấy phép tần số, tính bảo mật cao Tuy nhiên, hệ thống VLC có một số nhược điểm là tốc độ Bit phụ thuộc nhiều vào tần số đáp ứng của LED hoặc OLED, nhưng điều này đã được cải thiện bởi các nghiên cứu trong [8,9,11,12,19,20]

Chương 1 đã giới thiệu các khái niệm về hệ thống VLC, các ưu điểm cũng như các ứng dụng VLC trong thực tế Các vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo

HVTH: Nguyễn Trung Thành 8 MSHV: 12140042

Cơ sở lý thuyết

OLED

OLED là một diode phát quang mà trong đó lớp phát quang là một tấm hợp chất hữu cơ phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua nó, lớp bán dẫn hữu cơ này được đặt giữa hai điện cực trong đó có ít nhất một trong các điện cực đó là trong suốt

OLED được sử dụng để tạo ra các màn hình hiển thị số cho các thiết bị như tivi, màn hình máy tính và các thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh Trong những năm gần đây, các thiết bị này được mong đợi sẽ là nguồn sáng thế hệ tiếp theo Đề tài này xây dựng nguồn phát dựa trên ứng dụng chiếu sáng này Hình 2.1 là một panel OLED được sử dụng cho nguồn phát trong Đề tài

Các thiết bị chiếu sáng bằng OLED được xem như là một đề cử hứa hẹn cho các hệ thống chiếu sáng trong tương lai bởi vì tính độc nhất và các đặc điểm hiếm có của nó như có hình dạng mỏng, gọn nhẹ, hiệu quả sử dụng năng lượng cao, nhiệt độ hoạt động thấp và diện tích khuếch tán ánh sáng lớn với chất lượng vượt trội Khi so

HVTH: Nguyễn Trung Thành 9 MSHV: 12140042 sánh OLED với các đèn huỳnh quang, OLED có thể phát sáng hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn [4] Mặc dù, các hợp chất hữu cơ có rất nhiều hạn chế như đáp ứng tần số của nó chỉ vài trăm Kilohertz, quá thấp cho các ứng dụng tốc độ cao Tuy nhiên, công nghệ chế tạo OLED cho chiếu sáng vẫn đang trưởng thành và hiệu quả của nó ngày được cải thiện

Về cấu tạo, OLED là một thiết bị bán dẫn thể rắn có độ dày từ 100 đến 500nm, các OLED có hai hoặc ba lớp vật liệu hữu cơ Một OLED gồm các thành phần sau:

- Tấm nền: thường làm bằng nhựa trong, thủy tinh, có tác dụng chống đỡ cho OLED

- Anode: có nhiệm vụ tạo ra các lỗ trống khi có một dòng điện chạy qua thiết bị

- Các lớp hữu cơ: được tạo thành từ các phân tử hữu cơ hay polymer, gồm có lớp dẫn và lớp phát sáng Lớp dẫn được làm từ các lớp hữu cơ dẻo có nhiệm vụ truyền tải các lỗ trống từ anode đến cathode Lớp phát sáng cũng được làm từ các phân tử hữu cơ dẻo nhưng khác loại với lớp dẫn có nhiệm vụ truyền tải electron từ cathode đến anode

- Cathode có thể trong suốt hay không tùy thuộc vào loại OLED, cathode sẽ tạo ra electron khi có dòng điện chạy qua thiết bị

Hình 2.2 Cấu trúc của OLED

HVTH: Nguy electron k OLED, m lấ và l ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c phân t hữ củ m ối ưu đi

HVTH: Nguy V electron k OLED, m ấy các electron t và lớ ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c phân t ữu cơ trên cùng m ủa OLED ph mạnh. i ưu đi

HVTH: Nguy Về n electron k OLED, m y các electron t ớp d ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c phân tử u cơ trên cùng m a OLED ph nh i ưu điề

HVTH: Nguy nguyên lý ho electron k

OLED, m y các electron t p dẫ ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c ử h u cơ trên cùng m a OLED ph ều ch

HVTH: Nguy guyên lý ho electron kết h

OLED, một dòng electron ch y các electron t ẫn, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c hữu cơ c u cơ trên cùng m a OLED ph u chế

HVTH: Nguyễn Trung Thành guyên lý ho t hợ t dòng electron ch y các electron t n, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c u cơ c u cơ trên cùng m a OLED phụ ế DPPM trong h n Trung Thành guyên lý ho ợp v t dòng electron ch y các electron từ n, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c u cơ c u cơ trên cùng m ụ thu DPPM trong h n Trung Thành guyên lý ho p với l t dòng electron ch y các electron từ các phân t n, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c u cơ của l u cơ trên cùng m thuộ

Hình 2.3 DPPM trong h n Trung Thành guyên lý hoạt đ i lỗ t dòng electron ch các phân t n, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c a lớ u cơ trên cùng một OLED đ ộc vào dòng

Hình 2.3 DPPM trong h n Trung Thành t đ ỗ trố t dòng electron ch các phân t n, electron tái h ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c ớp phát quang, các nhà s t OLED đ c vào dòng

Hình 2.3 DPPM trong h n Trung Thành t động ống t t dòng electron ch các phân t n, electron tái hợp v ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s t OLED đ c vào dòng

Hình 2.3 DPPM trong hệ n Trung Thành ng, ng tạ t dòng electron chạ các phân tử p v ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s t OLED đ c vào dòng

Nguyên lý thố cũng gi ạo ra m ạy t ử hữ p với l ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s t OLED để c vào dòng đi

Nguyên lý ống VLC ũng gi o ra m y từ ữu cơ i lỗ ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s tạo ra các màu ánh sáng khác nhau Cư điện cung c

Nguyên lý ng VLC ũng gi o ra mộ cathode qua u cơ ỗ tr ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư n cung c

Nguyên lý ng VLC ũng giống như LED, OLED phát ra ánh sáng khi ột photon ánh sáng Khi có dòng cathode qua u cơ củ trống ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư n cung c

Nguyên lý phát ra ánh sáng c ng VLC ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng cathode qua ủa l ng t ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu c p phát quang, các nhà s o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư n cung c phát ra ánh sáng c 10 ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng cathode qua a lớp tạo ra m ánh sáng Do đó, OLED phát sáng và màu củ p phát quang, các nhà s o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư n cung cấp, dòng phát ra ánh sáng c 10 ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng cathode qua l p d o ra m ủa ánh sáng phát ra ph p phát quang, các nhà sả o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư p, dòng phát ra ánh sáng c ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng lớp h dẫn T o ra m a ánh sáng phát ra ph ản xu o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư p, dòng phát ra ánh sáng c ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng p hữ n T o ra một năng lư a ánh sáng phát ra ph n xuấ o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư p, dòng đi phát ra ánh sáng c ng như LED, OLED phát ra ánh sáng khi t photon ánh sáng Khi có dòng ữu cơ phát quang c n Tại biên gi t năng lư a ánh sáng phát ra ph ất thư o ra các màu ánh sáng khác nhau Cư điện càng l phát ra ánh sáng c

Photodiode

Photodiode là một diode bán dẫn thực hiện việc biến đổi photon thành dòng điện theo hiệu ứng quang điện, các photon có thể là vùng phổ ở ánh sáng nhìn thấy hay hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia Gama Khi photon thâm nhập vào lớp hoạt động của photodiode là lớp tiếp giáp P-N hoặc lớp P-I-N thì sẽ tạo ra dòng điện Tùy theo phương thức chế tạo mà photodiode có những ứng dụng riêng, dòng điện nhỏ thì có thể làm cảm biến photon hoặc lớn thì có thể làm pin mặt trời Diode thu quang PIN thông thường có cấu trúc gồm lớp bán dẫn P và lớp N, giữa hai lớp bán dẫn này là lớp I Lớp I thường là lớp bán dẫn thuần hoặc có pha ít tạp chất và có độ dày hơn nhiều so với lớp P và N Để photodiode hoạt động ở chế độ quang dẫn cần phân cực ngược cho nó Hình 2.4 mô tả cấu trúc và phân bố điện trường phân cực ngược đặt vào

Do lớp I có trở kháng cao nên phần lớn điện trường sẽ đặt vào lớp I Khi một photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode đi tới, photon này sẽ được hấp thụ và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn Quá trình này sẽ hình thành các cặp điện tử lỗ trống tự do Trong photodiode PIN, do lớp I có độ dày lớn hơn nhiều so với lớp P và lớp N nên các cặp điện tử, lỗ trống này chủ yếu được tạo ra trong lớp I

Dưới tác động của điện trường lớn trong lớp I, các điện tử lỗ trống sẽ nhanh chóng trôi ra mạch ngoài và tạo thành dòng điện Vì thế lớp I được gọi là vùng trôi Trong photodiode PIN, độ rộng vùng nghèo W được mở rộng qua toàn bộ lớp I nên có thể thay đổi được thông qua việc thay đổi bề dày lớp I Giá trị W tối ưu phụ thuộc vào việc cân đối giữa độ đáp ứng và độ nhạy của photodiode Độ nhạy của photodiode sẽ tăng khi W tăng, tuy nhiên khi W tăng thì tốc độ của photodiode sẽ giảm do các hạt mang điện cần nhiều thời gian hơn để dịch chuyển ra mạch ngoài Với các vật liệu bán dẫn có dải cấm không trực tiếp như Si và Ge, giá trị của W phải khoảng 20 − 50 thì mới đạt được hiệu suất lượng tử hợp lý Vì vậy, băng thông của các

HVTH: Nguyễn Trung Thành 12 MSHV: 12140042 loại photodiode này thường bị hạn chế do thời gian chuyển tiếp tương đối lớn ( > 200 ) Ngược lại, đối với các photodiode được chế tạo từ các vật liệu có dải cấm trực tiếp, ví dụ như InGaAs, W có thể nhỏ tới 3 − 5 mà vẫn đảm bảo được hiệu suất lượng tử Thời gian chuyển tiếp của photodiode loại này, khoảng 10 và vì thế độ rộng băng thông được cải thiện (BW khoảng 10GHz)

Hình 2.4 Đặc tính của Diode thu quang PIN Đặc tính của các photodiode PIN có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng loại cấu trúc dị thể kép Tương tự như cấu trúc của laser bán dẫn, lớp I được kẹp giữa các lớp chất bán dẫn khác nhau, P và N ,với dải cấm được chọn để sao cho ánh sáng được hấp thụ chỉ trong lớp I Cấu trúc photodiode kiểu này thường sử dụng InGaAs làm lớp giữa và InP làm lớp P và N bao quanh Vì độ rộng vùng cấm của InP là 1,35 eV nên InP sẽ không hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn 0,92 μm Trong khi đó, độ rộng vùng cấm của vật liệu In Ga As với x = 0,47

HVTH: Nguyễn Trung Thành 13 MSHV: 12140042 sẽ là khoảng 0,75eV, tương ứng với bước sóng cắt là 1,65 μm Vì vậy, lớp InGaAs ở giữa sẽ hấp thụ mạnh các bước sóng trong dải từ 1,3 − 1,6 μm Với cấu trúc dị thể kép như vậy, có thể hoàn toàn loại bỏ được thành phần khuếch tán, nhờ đó mà tăng được tốc độ đáp ứng của photodiode.

Mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán Op-Amp (Operational Amplifier) có ký hiệu như hình sau

Hình 2.5 Ký hiệu mạch khuếch đại thuật toán Đây là một vi mạch tương tự rất thông dụng do trong Op-Amp được tích hợp một số ưu điểm như: hai ngõ vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng, phản ứng hoá điện, dòng điện sinh học thường là nguồn có tính đối xứng) Ngõ ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu ngõ vào nên Op-Amp có độ miễn nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai ngõ vào cùng lúc sẽ không thể xuất hiện ở ngõ ra Cũng vì lý do này Op-Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều Hệ số khuếch đại của Op-Amp rất lớn do đó cho phép Op-Amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ chỉ vài chục mV Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amp được chế tạo trên cùng một phiến nên độ ổn định nhiệt rất cao Điện áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng 0 khi không có tín hiệu, vì vậy dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối Tổng trở ngõ vào của Op-Amp rất lớn, cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé Tổng trở ngõ ra thấp, cho phép Op-Amp

HVTH: Nguyễn Trung Thành 14 MSHV: 12140042 cung cấp dòng tốt cho phụ tải Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau

Hệ số nén tín hiệu kiểu chung CMRR (Common Mode Rejection Ratio), do Op-Amp có ngõ vào là mạch khuếch đại vi sai nên có một chỉ số rất quan trọng khi đánh giá chất lượng của mạch khuếch đại vi sai cũng dùng được cho Op-Amp, đó là hệ số CMRR Giá trị CMRR càng cao mạch có tính triệt nhiễu đồng pha càng tốt

Kết quả này được định nghĩa như sau:

Với là hệ số khuếch đại vi sai và là hệ số khuếch đại mode chung Kết hợp với công thức khi tính trong mạch khuếch đại vi sai ta có

Từ công thức trên ta thấy, càng lớn thì càng tốt cho việc triệt nhiễu đồng pha, nhưng làm như vậy làm giảm hệ số khuếch đại áp của mạch, vì vậy để được để đạt được cả hai, người ta sử dụng nguồn dòng thay thế cho

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại thuật toán

Op-Amp lý tưởng có cấu tạo như hình 2.6 Khối thứ nhất là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ của nó là khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ vào và Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như độ miễn nhiễu cao, khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm, tổng trở ngõ vào lớn

Khối thứ 2 là tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhạy cho Op-Amp Trong tầng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra Khối 3 là tầng khuếch đại đệm, tầng này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ ra giúp Op-Amp phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau

Hình 2.6 Cấu tạo Op-Amp

Dựa vào ký hiệu của Op-Amp ta có đáp ứng tín hiệu ngõ ra theo các cách đưa tín hiệu ngõ vào như sau:

- Đưa tín hiệu vào ngõ đảo, ngõ vào không đảo nối mass: - Đưa tín hiệu vào ngõ vào không đảo, ngõ vào đảo nối mass: - Đưa tín hiệu đồng thời trên hai ngõ vào (tín hiệu vào vi sai so với mass):

= ( − ) = (∆ ) Đặt tính truyền đạt của Op-Amp thể hiện qua hình 2.7

Hình 2.7 Đặt tính truyền đạt của Op-Amp Trên đặc tính thể hiện rõ ba vùng Vùng khuếch đại tuyến tính, trong vùng này điện áp ngõ ra tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính Nếu sử dụng

HVTH: Nguyễn Trung Thành 16 MSHV: 12140042 mạch khuếch đại điện áp vòng hở thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé

Vùng bão hoà dương, bất chấp tín hiệu ngõ vào, ngõ ra luôn ở + Vùng bão hoà âm, bất chấp tín hiệu ngõ vào, ngõ ra luôn ở − Trong thực tế, người ta rất ít khi sử dụng Op-Amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại áp rất lớn nhưng điện áp ngõ vào mà Op-Amp khuếch đại tuyến tính là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm àV) Chỉ cần một tớn hiệu nhiễu nhỏ hay bị trụi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp ngõ ra ở ± Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung, dao động Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống một mức thích hợp Lúc này vùng làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ rộng ra, Op-Amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín

2.3.3 Một số chế độ hoạt động của Op-Amp

Op-Amp làm việc trong mạch khuếch đại AC, cũng như mạch khuếch đại nối tầng RC, các Op-Amp dùng trong khuếch đại AC cần có một tụ điện ở đầu vào để tránh ảnh hưởng của các thành phần DC giữa các tầng khuếch đại

Op-Amp làm việc trong mạch so sánh, mạch so sánh tận dụng tối đa hệ số khuếch đại vòng hở trong Op-Amp và được chế tạo thành những vi mạch chuyên dụng như LM339, LM306, LM311, LM393… Trong Đề tài này sử dụng LM393 để làm bộ so sánh bên phía thu Các vi mạch này được thiết kế để đáp ứng rất nhanh theo sự thay đổi của tín hiệu vào Tuy nhiên, với đáp ứng nhanh như vậy đôi lúc gây ra sự phiền toái khi tín hiệu tại ngưỡng so sánh bị nhiễu, tại đó sẽ tạo ra vô số xung ở ngõ ra không mong muốn dẫn đến sai kết quả thu như trong hình 2.8, để khắc phục nhược điểm trên người ta dùng mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh có phản hồi như hình 2.9, Lúc này do so sánh với tín hiệu ngõ vào + là điện thế trên mạch phân áp 2 − 4, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của , mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là và Như trong hình 2.11 ta nhận thấy, mạch Schmitt Trigger là mạch so sánh theo hai ngưỡng và Khi điện áp vượt qua thì giá trị của là 0V còn khi thấp hơn thì giá trị sẽ là +

Hình 2.10 Đặc tính mạch Schmitt Trigger

Hình 2.11 Mạch Schmitt Trigger thuận và ngược

Một số kiểu điều chế trong VLC

Điều chế theo vị trí xung PPM là mô hình điều chế được sử dụng cho cả hai tín hiệu tương tự và tín hiệu số, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang như cáp quang và điều khiển từ xa qua hồng ngoại Một số kỹ thuật bắt nguồn từ PPM như Multiple PPM (MPPM), Combinatorial PPM (CPPM) và Overlapping PPM (OPPM), Diffirential PPM (DPPM), Variable PPM (VPPM)

HVTH: Nguyễn Trung Thành 19 MSHV: 12140042 Trong PPM, dữ liệu được truyền với các xung ngắn Tất cả các xung có cùng độ rộng và biên độ, khác nhau là khoảng thời gian trễ giữa các xung so với xung đồng hồ như hình 2.13

Hình 2.13 PPM dùng cho truyền dữ liệu số

Trong PPM dùng truyền dữ liệu số, thời gian giữa các xung sẽ biểu diễn bit “0” hoặc bit “1” Hình 2.13, khoảng thời gian nhỏ tính từ biên của xung clock đến cạnh lên của xung tín hiệu biểu diễn cho bit “0”, khoảng thời gian lớn hơn biểu diễn cho bit “1” Byte “11011100” được mã hóa PPM vì thế có thể được truyền qua ánh sáng

Với bit “1” đầu tiên, bộ phát sẽ gửi một xung sau khoảng thời gian 1,8ms tính từ biên của xung đồng hồ, còn bit “0” sẽ được gửi sau 1,2ms sau khoảng thời gian biên của xung đồng hồ Phương pháp này có một nhược điểm rất lớn đó là việc giải mã tín hiệu yêu cầu phải đồng bộ chính xác với xung đồng hồ ở đầu phát và đó là điều khó có thể thực hiện Vì nguyên nhân đó nên Differential Pulse Position Modulation (DPPM) được sử dụng

Hình 2.14 Differential Pulse Position Modulation (DPPM)

DPPM là một kiểu biến thể của điều chế PPM, nó thực hiện việc truyền dữ liệu mà không cần đồng bộ đồng hồ, khoảng trễ giữa các xung không cần phải tham khảo cạnh biên của đồng hồ Thay vào đó, việc xác định các xung sẽ tham khảo khoảng thời gian trễ với xung trước nó Có thể hiểu đơn giản DPPM chính là PPM nhưng đã bị lượt bỏ thời gian ‘OFF’ sau khi xuất hiện xung Do đó, thời gian bắt đầu symbol sau là cạnh xuống của symbol trước Ví dụ trong hình 2.14, việc xác định bit “0” hay bit “1” dựa vào khoảng thời gian trễ với xung trước đó, bit “1” có thời gian trễ dài hơn bit “0”

(b) Hình 2.15 (a) Độ dài tín hiệu PPM; (b) Độ dài tín hiệu DPPM

Một điểm khác biệt nữa của DPPM đó là chiều dài mã hóa không cố định Như hình 2.15, điều chế PPM truyền thống luôn tạo ra một tín hiệu có độ dài cố định (hình 2.5 (a)) vì nó chỉ truyền các bit tương ứng với chu kì của đồng hồ Đối với DPPM, dữ liệu càng nhiều bit “0” thì độ dài tín hiệu càng ngắn Do đó, đây là một lợi thế của phương pháp điều chế này, hiệu quả băng thông tăng lên, việc truyền tải chung tăng lên đáng kể

Trong Đề tài khảo sát điều chế DPPM mà trong đó symbol có chu kỳ nhỏ nhất sẽ có độ rộng xung bằng với thời gian ‘OFF’ trước đó, các symbol khác sẽ có cùng độ rộng xung nhưng khác nhau về thời gian ‘OFF’, như mô tả trong hình 2.16

Hình 2.16 Vị trí xung trong điều chế DPPM với 2 symbol

Và công thức tính tốc độ Bit

Trong đó và tương ứng là chu kỳ symbol ‘0’ và ‘1’

Phân tích xác suất lỗi

Xem xét một hệ thống DPPM được truyền trên kênh không phân tán Lấy là xác suất chip “off” được nhận thành chip “on” và ngược lại là xác suất chip “on” được thu thành chip “off”, xác suất lỗi gói cho một F bit, N chip là

Nếu ngưỡng được set là mức trung bình của mức “on” và “off”, = , khi đó xác suất lỗi bit của kiểu điều chế DPPM theo [5]

Trong đó, là công suất nhiễu, N là số chip trong một gói F- , R là độ nhạy của Photodiode, là công suất quang thu được và là tốc độ bit trung bình là công suất tín hiệu thu được trên miền quang, ta có

Do đó, công thức (2.2) sẽ bằng:

Trong đó G là độ lợi bộ so sánh, là điện áp nhiễu, là điện áp tín hiệu, là điện áp thu được sau photodiode

Trong thí nghiệm, = 1.5 là điện áp vào bộ so sánh (điện áp ra của photodiode) là điện áp ngưỡng của bộ so sánh

Vậy công thức tính xác suất lỗi của DPPM

2.4.2 Một số phương pháp điều chế khác trong hệ thống VLC 2.4.2.1 Điều chế OOK

Hình 2.17 Nguyên tắc hoạt động kiểu điều chế 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 ϕOOK (t) với biểu thức (2.4)

HVTH: Nguy gử tạ Xác su ối ưu đi

Sử ửi qua kênh truy

V ại P do phân b Xác su

HVTH: Nguy Trong đó: ử d qua kênh truy

Với i P do phân b Xác su

HVTH: Nguy Trong đó: dụng hàm cơ s qua kênh truy i i P do phân b Xác suất l

HVTH: Nguy Trong đó: ng hàm cơ s qua kênh truy i P do phân b t lỗi

HVTH: Nguyễn Trung Thành Trong đó: T là chu k ng hàm cơ s qua kênh truy i P do phân b i Bit

Hình 2.18 ế DPPM trong h n Trung Thành T là chu k ng hàm cơ s qua kênh truy i P do phân bố it đư ốc đ

Hình 2.18 DPPM trong h n Trung Thành T là chu k ng hàm cơ s qua kênh truyền theo bi và đư ố củ đượ c độ

Hình 2.18 DPPM trong h n Trung Thành T là chu k ng hàm cơ sở n theo bi và đư ủa các ký t ợc xác đ

Hình 2.18 DPPM trong h n Trung Thành T là chu kỳ ở này, ta có bi n theo bi và đư a các ký t c xác đ it

Hình 2.18 Hàm cơ s DPPM trong h n Trung Thành kí hi này, ta có bi n theo bi và được a các ký t c xác đị

Hàm cơ s DPPM trong hệ n Trung Thành kí hiệ này, ta có bi n theo biểu th c ch a các ký t ịnh b

Hàm cơ s thố ệu này, ta có bi u thứ chọn th a các ký tự Không gian tín hi nh bằ

Hàm cơ s ống VLC u là này, ta có bi ức (2. n th Không gian tín hi ằng bi

Hàm cơ sở ng VLC này, ta có biểu th c (2. n thống nh Không gian tín hi ng bi

(a) và Không gian tín hi ng VLC u th c (2.6): ng nh Không gian tín hi ng biểu th

(a) và Không gian tín hi ng VLC u thức cư ): ng nh Không gian tín hi u th

(a) và Không gian tín hi

24 và c cư ng nhất, biên đ Không gian tín hi u thức (2.

24 và đư c cường đ t, biên đ Không gian tín hi c (2.

(a) và Không gian tín hi được tính như ng đ t, biên đ Không gian tín hi c (2.7):

(a) và Không gian tín hi c tính như ng độ t, biên độ Không gian tín hiệu c

(a) và Không gian tín hi c tính như sáng theo mi ộ trung bình c u củ

GVHD: TS Ph c tính như sáng theo mi trung bình c ủa OOK bao g

GVHD: TS Ph c tính như sáng theo mi trung bình c a OOK bao g

(a) và Không gian tín hiệu OOK (b)

GVHD: TS Ph công th sáng theo mi trung bình c a OOK bao g u OOK (b) GVHD: TS Ph công th sáng theo mi trung bình c a OOK bao g u OOK (b) GVHD: TS Ph

MSHV: 12140042 công thứ sáng theo miền th trung bình của a OOK bao g u OOK (b) GVHD: TS Phạm Quang Thái

MSHV: 12140042 ức n th a a OOK bao gồ u OOK (b) m Quang Thái

MSHV: 12140042 (2. n thời gian đư ồm hai đi m Quang Thái

MSHV: 12140042 (2.5) i gian đư đư m hai đi m Quang Thái

: i gian đư đượ m hai đi m Quang Thái

HVTH: Nguy nguyên t tư bit tạ nh thay đ hẳ này) ho chèn thêm các ký hi sáng c chu k th thay đ quá trình ch

HVTH: Nguy Phương pháp đi nguyên t tượng này, tín hi bit “ ạo ra đư nhấp nháy.

Vi thay đ ẳn hoàn ngu này) ho chèn thêm các ký hi sáng c chu k

Hai phương pháp trên đ thứ nh thay đ uá trình chậm t

HVTH: Nguy Phương pháp đi nguyên t ng này, tín hi

Việc đi thay đổ n hoàn ngu này) ho chèn thêm các ký hi sáng củ chu kỳ

Hai phương pháp trên đ nhấ thay đổ uá trình m tố

HVTH: Nguy Phương pháp đi nguyên tắ ng này, tín hi

” sẽ o ra đư p nháy. c đi ổi l n hoàn ngu này) hoặc các m chèn thêm các ký hi ủa d T 2

Hai phương pháp trên đ ất, đ ổi hai m uá trình ốc đ

HVTH: Nguy Phương pháp đi ắc đi ng này, tín hi ẽ đư o ra được m p nháy c điều ch i lại m n hoàn ngu c các m chèn thêm các ký hi a dữ

Hai phương pháp trên đ t, đặ i hai m uá trình điề c độ

HVTH: Nguyễn Trung Thành Phương pháp đi c điề ng này, tín hi được ký c m u ch i mứ n hoàn nguồ c các m chèn thêm các ký hi ữ li , độ sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đ ặt lạ i hai mứ ều khi ộ Bit n Trung Thành Phương pháp đi ều ch ng này, tín hiệ c ký c một b u chỉnh đ ức đ ồn sáng, mà ch c các m chèn thêm các ký hi liệu là A% v sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đ ại hai m ức đ u khi it do đ n Trung Thành Phương pháp điề u ch ệu s c ký hi t bộ nh đ c độ n sáng, mà ch c các mức này v chèn thêm các ký hi u là A% v sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đ i hai m c độ u khiển LED Đ do đ n Trung Thành ều ch u chế t u sẽ hiệ ộ mã cân b nh độ ộ “b n sáng, mà ch c này v chèn thêm các ký hiệu dư th u là A% v sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đ i hai m ộ, có th n LED Đ do đã chèn thêm n Trung Thành u chế tắt b đư ệu b mã cân b sáng trong OOK có th

“bật” n sáng, mà ch c này v u dư th u là A% v sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đ i hai mức t , có th n LED Đ ã chèn thêm n Trung Thành ế này có như t bậ được mã hóa v u bằng “01” và mã cân b sáng trong OOK có th t”, “t n sáng, mà ch c này vẫn gi u dư th u là A% vớ sáng trung bình N(%) s

Hai phương pháp trên đề c tắ , có thể n LED Đ ã chèn thêm n Trung Thành này có như ật ngu c mã hóa v ng “01” và mã cân b sáng trong OOK có th , “tắ n sáng, mà chỉ n gi u dư thừ ới chu k sáng trung bình N(%) s

Một số công trình nghiên cứu về VLC

Phát triển nhanh chóng trong công nghệ chế tạo LED đã thúc đẩy các nghiên cứu của VLC với các hoạt động phong phú, đặc biệt là trong những năm gần đây Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật để khắc phục băng thông điều chế của LED để đạt được tốc độ cao hơn như sử dụng bộ cân bằng trước khi phát và sau

HVTH: Nguyễn Trung Thành 34 MSHV: 12140042 khi thu [8,9], mô hình điều chế đa mức, các kỹ thuật điều chế phức tạp như điều chế rời rạc DMT [10,11], hay hệ thống MIMO [12,13] Việc kết hợp các kỹ thuật có thể tăng tốc độ của hệ thống lên 500Mbps trong các môi trường trong nhà, văn phòng [11] Hệ thống VLC tốc độ Gigabit [12,14] đã được chứng minh, vì vậy, mô hình truyền thông không dây băng rộng sử dụng trong nhà hoàn toàn có thể với việc áp dụng hệ thống VLC

Ngoài những thách thức kỹ thuật để đạt được tốc độ cao khi sử dụng các kênh truyền có băng thông thấp còn có một số thách thức riêng biệt cho VLC sử dụng trong môi trường indoor như đường uplink cho hệ thống, các kênh Re-tro phản chiếu được đề nghị trong [15] sử dụng ánh sáng phản chiếu bởi các góc khối phản xạ với công suất phản xạ cao, như phương tiện truyền thông cho đường lên, tuy nhiên việc truyền tốc độ cao là khó có thể thực hiện được Một cách khác là cho VLC kết hợp với một trong các tiêu chuẩn không dây [16] Trong [17] đã kiểm tra việc sử dụng một đường xuống tốc độ cao đã cho thấy rằng hệ thống kết hợp cho lợi ích đáng kể về độ trễ và băng thông, vì vậy phương pháp này rất được thu hút Một phương pháp nữa cũng được đề cập trong [18], đó là sử dụng giao tiếp hồng ngoại như là đường uplink cho kênh truyền Ethernet 10Base-T

2.6.1 Hệ thống 10Based-T Ethernet VLC sử dụng phosphordiode

Hệ thống VLC để truyền chuẩn 10BaseT Ethernet [18] ở khoảng cách 2.3m sử dụng phosphor LED, điều chế OOK NRZ và mã hóa Manchester vi sai tại tốc độ 10Mbps

Sơ đồ khối hệ thống được cho như trong hình 2.26, nó cấu hình đường truyền LAN 2 chiều với VLC downlink và IR uplink Tín hiệu Ethernet được đưa trực tiếp thông qua cáp Ethernet đến một mạch buffer để chia tín hiệu thành 5 luồng giống nhau Một bộ cân bằng được thực hiện để cải thiện tần số đáp ứng của hệ thống trước khi đưa tín hiệu đến mỗi mạch lái 5 LED Bộ thu quang bao gồm một bộ tập trung ánh sáng, một photodetector PIN, mạch khuếch đại biến đổi trở kháng (TIA), bộ khuếch đại giới hạn (LA) và khuếch đại vi sai (DA) Gói tín hiệu ACK được yêu cầu bởi PC1 khi bắt tay được đưa trở lại PC2 thông qua đường IR uplink Khi có dữ

HVTH: Nguyễn Trung Thành 35 MSHV: 12140042 liệu truyền, tại bộ thu, tín hiệu IR được chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại và đưa vào PC1 Khoảng cách truyền khoảng 2m, tương đương với khoảng cách từ trần nhà đến mặt bàn làm việc như trong nhiều môi trường văn phòng Công trình này đã chứng mình được rằng với một thiết kế đơn giản, có thể vừa chiếu sáng theo tiêu chuẩn trong phòng, vừa truyền được dữ liệu với tiêu chuẩn Ethernet 10Based-T với BER < 10 và không có trễ gói

Hình 2.27 Sơ đồ khối hệ thống 10Based-T Ethernet VLC

2.6.2 Đường truyền VLC 1Mbit/s với OLED băng thông thấp

Kết quả thực nghiệm hệ thống VLC Organic [19] với băng thông OLED 135khz, không sử dụng bộ cân bằng Mạng Nơtron Nhân tạo ANN hệ thống chỉ đạt được 350Kbps, còn nếu sử dụng bộ cân bằng ANN để loại bỏ nhiễu liên ký tự, kết quả hệ thống đã đạt được tốc độ 1,15Mbps với = 10 và khoảng cách 0.05m

Một bộ tạo hàm tùy ý AFG được lập trình với một chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân (PRBS-10) Tín hiệu sau đó được trộn với một dòng DC bằng cách sử dụng bias T để chắc chắn bộ phát hoạt động trong miền tuyến tính trước khi được điều chế, ODP là một tấm nền gồm 4 photodetector độc lập, mỗi photodetector có diện tích 1 Điều chế sử dụng trong hệ thống là OOK

Hình 2.28 Sơ đồ khối hệ thống OLED VLC sử dụng bộ cân bằng ANN

2.6.3 Hệ thống VLC sử dụng OLED trắng đạt được tốc độ 2.7Mbit/s

Hình 2.29 Hệ thống VLC OLED 2.7Mbit/s sử dụng bộ cân bằng ANN real time

Hình 2.30 Kết quả của hệ thống OLED ANN Sơ đồ hệ thống được cho như trong [20], một chuỗi Bit giả ngẫu nhiên được tạo bởi AFG2022 Luồng Bit ngẫu nhiên được đưa đến mạch lái OLED thông qua cổng

HVTH: Nguyễn Trung Thành 37 MSHV: 12140042 NAND với trở kháng đầu ra cao Khoảng cách của kênh truyền là 0.1m, ở đầu thu ánh sáng tới được nhận diện bằng Thorlab PDA36A với băng thông 5Mhz, độ lợi 20dB Đầu ra của PDA36A được nhận biết bởi real time Oscilloscope DSO9254A, và yêu cầu labwiew để xử lý dữ liệu

Kết quả hệ thống đạt được tại = 10 tốc độ 2.65Mbit/s khi sử dụng bộ cân bằng ANN với kiểu điều chế 4PPM, 1.5Mb/s với điều chế 2PPM và 2.1Mb/s với kiểu điều chế OOK.

Trong chương 2, Đề tài đã trình bày các cơ sở lý thuyết các phần cứng cho việc xây dựng hệ thống VLC như: nguyên tắc hoạt động của OLED, photodiode và của bộ khuếch đại thuật toán, các kiểu điều chế xung cơ bản thường được sử dụng trong hệ thống VLC như PPM, OOK, VPPM cũng đã được trình bày Ngoài ra, trong chương 2 cũng đã giới thiệu về khả năng áp dụng mô hình MISO bằng việc kết hợp điều chế theo vị trí xung với mã hóa Alamouti cho hệ thống VLC và một số công trình nghiên cứu về VLC Tiếp theo, trong chương 3 sẽ trình bày về quá trình xây dựng hệ thống VLC

Quá trình thực hiện hệ thống VLC

Sơ đồ khối hệ thống VLC

Đề tài xây dựng hệ thống VLC như trong hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống VLC

Máy tính 1 sử dụng Matlab để tạo ra chuỗi ngẫu nhiên 30000 ký tự ASCII tương đương với 240000 Bit, lưu vào file mat, sau đó được copy sang máy tính 2 Mỗi khi truyền, máy tính 1 load mat file và truyền đến bộ điều chế thông qua USB-UART

Mạch điều chế sau khi nhận đủ 30000 byte, nó sẽ dựa vào dữ liệu đó để điều khiển chân IO, do đó đèn OLED sẽ chớp tắt theo dữ liệu Tại phía thu, photodiode nhận được sự thay đổi ánh sáng, được khuếch đại lên, sau đó đưa qua mạch so sánh Đầu ra của mạch so sánh được đưa vào bộ giải điều chế Từ đó dữ liệu được khôi phục và được lưu vào buffer Khi đầy buffer, bộ giải điều chế sẽ truyền lên máy tính 2 qua UART-USB Chuỗi dữ liệu Matlab ở máy 2 nhận được từ cổng COM được biến đổi thành kiểu nhị phân và so sánh với file mat tạo từ máy 1 cũng được đổi thành nhị phân, từ đó tính được tỷ lệ lỗi Bit của hệ thống

Hình 3.2 Mô hình thực tế hệ thống

Hình 3.3 Kết quả kiểm tra hoạt động của hệ thống

Bộ điều chế và giải điều chế

Đề tài sử dụng board vi xử lý STM32F4 Discovery của hãng ST để làm bộ điều chế và giải điều chế

Hình 3.5 Sơ đồ khối của STM32F407

HVTH: Nguyễn Trung Thành 41 MSHV: 12140042 STM32F407 dựa trên lõi ARM Cortex-M4 32 Bit hiệu suất cao hoạt động ở tần số 168MHz Nó kết hợp bộ nhớ hệ thống nhúng tốc độ cao (1Mbytes bộ nhớ Flash và 192Kbytes bộ nhớ SRAM) và 4Kbyte backup SRAM

Kit STM32F407 có ba bộ ADC 12bit, hai bộ DCA, một đồng hồ thời gian thực công suất thấp, 12 Timer 16 bit bao gồm hai Timer PWM để điều khiển Motor và 140 cổng In/Out Ngoài ra nó còn có một số giao diện giao tiếp

- Ba I2C - Ba SPI, trong đó có 2SPI song công

- Bốn USART và hai UART - Một USB OTG Full Speed và một USB OTG High speed - Hai CAN

- Một giao diện SDIO/MMC - Giao diện Ethernet và Camera

Kit STM32F4 có tốc độ chân I/O là 100Mhz nên thích hợp để thực hiện bộ phát và thu VLC, ngoài ra nó còn có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác như điều khiển Motor và điều khiển ứng dụng, các thiết bị y tế, các ứng dụng trong công nghiệp như PLC, các bộ chuyển đổi, các bộ ngắt mạch, các hệ thống cảnh báo

Khi có dữ liệu truyền từ máy tính 1 thông qua USB-UART, bộ điều chế tiến hành lưu vào trong Buffer và đọc ra từng Bit để phát ra chân PD2

Quá trình truyền dữ liệu được mô tả trong hình 3.9, trong chế độ Idle, OLED thường sáng, bên thu ở chế độ chờ cạnh xuống Tại thời điểm bắt đầu truyền, bên phát kéo chân PD2 xuống mức thấp, tương ứng với đèn OLED tắt, đồng thời lúc đó, đầu ra bộ so sánh cũng bị kéo xuống mức thấp, bộ giải điều chế đọc giá trị bộ đếm của timer 1 lưu vào biến precounter, đến lần xung xuống thứ 2, bộ đếm timer 1 tiếp tục được cập nhật và được lưu vào trong biến counter, do đó ta có được chu kỳ bit_0 = counter - precounter , tương tự như vậy với pilot bit_1 và sau đó là data

Hình 3.6 là sơ đồ thuật toán bộ điều chế

Hình 3.6 Sơ đồ giải thuật bộ điều chế

Hình 3.7 Sơ đồ khối phát 2DPPM

Hình 3.8 Sơ đồ khối phát 4DPPM

Hình 3.9 Khung truyền của hệ thống

Hình 3.10 Tín hiệu điện thu được trên chân PD2 của bộ phát

Bên phía thu sử dụng chế độ Input Capture của Timer 1 trong vi xử lý để nhận biết được cạnh xung lên và xuống Timer 1 là timer 16 bit, chu kỳ đếm từ 0 đến 65535, khoảng thời gian mỗi lần tăng giá trị đếm được cài đặt trong Đề tài là 0.125 Input Capture là module tích hợp theo the timer counter 1 trong STM32F4

Mục đích của nó là để đo tín hiệu như tần số hoặc độ rộng xung Trong chế độ Input Capture thanh ghi TIMx_CCRx được sử dụng để lấy giá trị counter sau một sự quá độ được phát hiện bởi tín hiệu trên kênh vào tương ứng Trong Đề tài sử dụng TIM1_CCR1 và kênh tín hiệu vào ở chân PE11 Khi một Capture xảy ra, cờ CCXIF

HVTH: Nguyễn Trung Thành 46 MSHV: 12140042 tương ứng (thanh ghi TIMx_SR) được bật lên ‘1’ và giá trị của thanh ghi TIM1_CCR1 được cập nhật

Hình 3.11 Lưu đồ khối thu tín hiệu

Hình 3.12 Lưu đồ xử lý dữ liệu bên thu

Trong đó, Time là thời gian đo được giữa 2 lần xung xuống kế tiếp của chuỗi data, pilot_0 là thời gian đo được của xung pilot symbol ‘0’ ở đầu khung truyền.

Mạch lái OLED

OLED sử dụng trong hệ thống có điện áp hoạt động 7VDC và dòng điện 150mA, trong khi đó điện áp ra của vi xử lý chỉ có 3V, nên phải dùng làm thêm bộ mạch lái để kích OLED hoạt động Đề tài sử dụng IC2803 để thực hiện chức năng này

IC ULN2803A là một mảng transistor mắc theo kiểu Darlington có thể hoạt động ở điện áp và dòng điện cao IC này gồm có tám đôi transistor NPN mắc theo dạng tầng Dòng điện chạy qua cực Collector tối đa là 500mA Các cặp Darlington được mắc song song với nhau vì thế có thể hoạt động với dòng điện cao hơn

Nguyên lý hoạt động của ULN2803 được mô tả như hình3.14, các chân input từ 1 đến 8 tương ứng với các chân output từ 11 đến 18, nếu đầu vào ở mức thấp (bằng 0) thì đầu ra thả nổi, nếu đầu vào mức cao (bằng 1) thì đầu ra bằng 0

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý của IC ULN2803

Thông số kỹ thuật của IC ULN2803:

 Dòng điện ngõ vào khoảng 0.93mA -1.35mA,

 Điện áp ngõ vào khoảng 2.4V -3V,

 Chân 1-8: ngõ vào dữ liệu,

 Chân 11-18: ngõ ra dữ liệu,

 Thời gian trễ xuống: 20 ns

Dựa vào thời gian trễ ta có được băng thông của mạch lái như sau

= 0.35 130 ∗ 10 = 2.69 Dựa vào nguyên lý hoạt động của ULN2803, ta xây dựng mạch lái như hình 3.14

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch lái OLED

Photodiode và bộ khuếch đại

Phía thu sử dụng bộ PDA36A của hãng Thorlab, nó gồm có một photodiode Silic và một bộ khuếch đại biến đổi trở kháng TIA (Transimpedance Amplifier) Bộ thu được thiết kế để thu được tín hiệu quang có bước sóng từ 350 đến 1100nm, cho phép người dùng có thể thay đổi độ lợi từ 0 đến 70dB, điện áp ra tối đa 5V với trở kháng tải ngoài 50Ohm Độ nhạy của photodiode có thể được định nghĩa là tỷ số của dòng điện photon được tạo ra với công suất ánh sáng đến P

Hình 3.15 Bộ thu PDA36A của Thorlab

Bộ khuếch đại biến đổi trở kháng TIA là một bộ biến đổi dòng điện thành điện áp, thường sử dụng Op-Amp, trong hình 3.16, photodiode được kết nối vào đầu ngược của Op-Amp và một cực nối đất Điện trở Feedback được sử dụng để điều chỉnh độ lợi và để giảm trở kháng đầu vào của mạch Sự suy giảm của kênh truyền tạo ra một dòng điện thấp ở bên thu, tuy TIA đã cung cấp một số giá trị khuếch đại, nhưng tín hiệu đầu ra của PDA36A cũng rất thấp và không đủ để đưa vào giải điều chế trực tiếp Mặc khác, khi hệ số khuếch đại của TIA càng lớn thì băng thông của PDA36A càng giảm và nhiễu tăng lên Bảng 3.1 mô tả băng thông của PDA36A tương ứng với từng độ lợi

1.3.1.1 Hình 3.1 Bảng 3.1 Băng thông của PDA36A Độ lợi Băng thông

Hình 3.16 Sơ đồ khối của PDA36A

Trục đứng: 10mV/DIV Trục ngang: 10às/DIV Biên độ: 35mV

Hình 3.17 Tín hiệu ngõ ra của PDA36A

Mạch so sánh

Vì điện áp thu được sau photodiode rất thấp và bị méo dạng nhiều do đáp ứng chậm của OLED nên nếu để điện áp như vậy thì rất khó để giải điều chế Để giải điều chế được, Đề tài sử dụng bộ so sánh sử dụng Op-Amp LM393, đầu ra là một xung vuông có biên độ 1.5V để đưa vào vi xử lý giải điều chế

Dựa vào datasheet của LM393, thời gian trễ là 0,3μ , ta tính được băng thông của bộ so sánh như sau

Hình 3.18 Sơ đồ chân LM393

Nguyên lý hoạt động của mạch so sánh: tín hiệu từ PDA36A được đưa vào chân 3 của bộ so sánh (đầu vào không đảo) Khi mức tín hiệu trên chân 3 cao hơn mức điện áp trên chân 2 (đầu vào đảo) thì đầu ra có mức cao Ngược lại, nếu điệp áp trên chân 3 thấp hơn chân 2 thì đầu ra là mức thấp

Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh được mô tả trong hình 3.18 Tụ C1 dùng để lọc nhiễu có tần số thấp, tụ C2 để lọc nhiễu tần số cao Biến trở R1 dùng để điều chỉnh điện áp đặt vào chân 2 Giá trị R2 phụ thuộc vào dòng ra của Op-Amps, theo datasheet là 16mA, trong bài sử dụng điện trở 2.2 , tương ứng với dòng ra là 2.2mA

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh

Hình 3.20 Mạch so sánh thực tế

- Tín hiệu ở trên có biên độ 30mV (10mV/DIV)

- Tín hiệu xung vuông ở dưới có biên độ 1.5V

Hình 3.21 Tín hiệu ngõ vào và ngõ ra bộ so sánh

3.8 đi ch ối ưu đi

Module USB – UART

Hình 3.15 Bộ thu PDA36A của Thorlab

Bộ khuếch đại biến đổi trở kháng TIA là một bộ biến đổi dòng điện thành điện áp, thường sử dụng Op-Amp, trong hình 3.16, photodiode được kết nối vào đầu ngược của Op-Amp và một cực nối đất Điện trở Feedback được sử dụng để điều chỉnh độ lợi và để giảm trở kháng đầu vào của mạch Sự suy giảm của kênh truyền tạo ra một dòng điện thấp ở bên thu, tuy TIA đã cung cấp một số giá trị khuếch đại, nhưng tín hiệu đầu ra của PDA36A cũng rất thấp và không đủ để đưa vào giải điều chế trực tiếp Mặc khác, khi hệ số khuếch đại của TIA càng lớn thì băng thông của PDA36A càng giảm và nhiễu tăng lên Bảng 3.1 mô tả băng thông của PDA36A tương ứng với từng độ lợi.

Khảo sát hệ thống VLC và tối ưu điều chế DPPM

Khảo sát suy hao

Khảo sát suy hao bằng cách để photodiode sát với đèn OLED, sau đó đo điện áp ngõ ra của PDA36A, dịch chuyển photodiode ra xa và đo điện áp tương ứng với từng khoảng cách cần khảo sát, suy hao tính theo dB bằng công thức

Trong đó: là điện áp tại khoảng cách 0 , là điện áp tại khoảng cách ( )

Bảng 4.1 Khảo sát suy hao theo khoảng cách

Khoảng cách (cm) Điện áp thu được (mV)

Hình 4.1 Biểu đồ suy hao theo khoảng cách

Khảo sát BER

Bảng 4.2 Kết quả khảo sát thực nghiệm ở khoảng cách 5cm

Tốc độ Bit trung bình (Kbit/s)

0 5 10 15 20 25 khoang cach (cm) s u y h a o ( d B ) suy hao theo khoang cach

So sánh kết quả đo được với lý thuyết theo công thức (2.3) ở chương 2, với N=3 và các thông số điện áp thu được ở khoảng cách 5cm trong bảng 4.1, ta được:

Hình 4.2 Kết quả khảo sát theo tốc độ Bit ở khoảng cách 5cm

Như đặc tính của kiểu điều chế DPPM đã trình bày trong chương 2, có 2 vị trí xuất hiện xung khác nhau khi truyền và độ rộng xung không đổi Do đặc tính xung bị méo dạng của hệ thống, vì đáp ứng nguồn phát thấp, thời gian xung xuống khác nhau sẽ cho thu được 2 loại xung có biên độ khác nhau Do đó, nếu symbol nào có

HVTH: Nguyễn Trung Thành 59 MSHV: 12140042 thời gian xuất hiện xung quá dài thì sẽ có biên độ thấp hơn, gần mức ngưỡng so sánh hơn nên xác suất lỗi bit cao hơn

Luận văn sử dụng phương pháp dùng ngưỡng quyết định cứng để giải điều chế tín hiệu Do đó, mức ngưỡng được chọn là mức trung bình giữa mức cao nhất và mức thấp của xung thu được Phương pháp này có hạn chế là cần xác định trước qua các bit pilot để lấy ngưỡng Tuy nhiên, quá trình giải điều chế sẽ đơn giản

Hình 4.2 so sánh giữa kết quả đo thực nghiệm với công thức lý thuyết Khi tốc độ Bit tăng lên, nhiễu liên ký tự cũng tăng làm cho mức cao và mức thấp của xung bị thu hẹp lại Vì vậy, tín hiệu thu được dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng nhiễu bên ngoài

Như hình vẽ, kết quả thực nghiệm đã đạt được tốc độ 133Kb/s, với 8.96 ∗ 10 , trong thực tế hệ thống quang chấp nhận = 10 kết hợp mã sửa lỗi Như vậy, với phương pháp đơn giản này, hệ thống trong luận văn có thể đạt được mức tốc độ gần gấp 20 lần so với băng thông điều chế của OLED Hệ thống trong luận văn tốt hơn khi so sánh với hệ thống trong [19], cũng cùng ở khoảng cách 5cm nhưng sử dụng bộ cân bằng ANN và giải điều chế offline tốc độ chỉ gấp 8.5 lần băng thông

4.2.2 Khảo sát ở khoảng cách 10cm

Bảng 4.3 Kết quả khảo sát ở khoảng cách 10cm

Thời gian off symbol '1' Độ rộng xung

Tốc độ Bit trung bình (Kbps)

So sánh kết quả đo được với lý thuyết theo công thức (2.3) ở chương 2, với N=3 và các thông số điện áp thu được ở khoảng cách 10cm trong bảng 4.1, ta được:

Hình 4.3 Kết quả khảo sát BER theo tốc độ ở khoảng cách 10cm

Như trong hình 4.3, kết quả thực nghiệm đã đạt được tốc độ 125Kb/s, với

= 1.29 ∗ 10 , tốc độ bit gấp 17.86 lần băng thông Khi so sánh với hệ thống trong [20] với kiểu điều chế 2PPM cùng ở khoảng cách 10cm, sử dụng bộ cân bằng ANN và giải điều chế offline tốc độ đạt được 16.67 lần băng thông Vì vậy, hệ thống trong luận văn có phần tốt hơn và hiệu quả hơn

HVTH: Nguyễn Trung Thành 61 MSHV: 12140042 Tương tự như vậy, đề tài tiếp tục khảo sát hệ thống ở các khoảng cách xa hơn

Dịch ra xa ở khoảng cách 15cm, sử dụng điều chế theo độ rộng xung 3 thì bên thu không còn thu được

Hình 4.4 Kết quả đo BER theo tốc độ ở khoảng cách 15cm

Hình 4.5 BER theo tốc độ Bit ở khoảng cách 20cm

Hình 4.6 BER theo tốc độ Bit ở khoảng cách truyền 25cm

HVTH: Nguyễn Trung Thành 65 MSHV: 12140042 Khi độ rộng xung tăng lên 5 thì các symbol có xung ở các vị trí xa như ‘OFF’

14 và 15 , hệ thống vẫn thu được tín hiệu

Tốc độ Bit trung bình

Nhận xét và đánh giá kết quả

Tốc độ cao nhất mà hệ thống đạt được là 133 với < 10 , ở khoảng cách 15cm

Vì đặc tính đáp ứng thấp của OLED nên để đảm bảo xác suất lỗi bit, khoảng cách giữa 2 symbol phải lớn hơn 3

Khoảng cách càng xa thì tốc độ Bit càng giảm do tỷ số S/N giảm

Do đặc tính xung bị méo dạng của hệ thống, vì đáp ứng nguồn phát thấp, thời gian xung xuống khác nhau sẽ cho thu được 2 loại xung có biên độ khác nhau Do đó, nếu symbol nào có thời gian xuất hiện xung quá dài thì sẽ có biên độ thấp hơn, gần mức ngưỡng so sánh hơn nên xác suất lỗi bit cao hơn Với độ rộng xung 3 hệ thống không thu được khi thời gian ‘OFF” vược quá 7 và đối với độ rộng xung 4 thì thời gian ‘OFF’ không được vượt quá 10

Với ≤ 10 , mô tả tốc độ theo khoảng cách như hình 4.14

Hình 4.14 Tốc độ Bit theo khoảng cách khi < 1 ∗ 10

Tối ưu hệ thống

Như đã trình bày phần trên, khi khoảng cách truyền càng xa thì cần phải tăng chu kỳ Bit Do đó, tốc độ Bit giảm xuống, nhưng với độ rộng xung lớn thì khoảng thời gian ‘OFF’ có thể kéo dài Hơn nữa, khoảng thời gian ‘OFF’ giữa hai symbol khác nhau 3 đủ để hệ thống có thể thu tốt Vì những đặc điểm như vậy, Đề tài thực hiện cải thiện tốc độ của hệ thống bằng cách điều chế DPPM 4 mức Các symbol khác nhau ở khoảng thời gian ’OFF’ như mô tả trong hình 4.15

Chu kỳ 1 symbol bằng thời gian ‘OFF’ của symbol đó cộng với độ rộng xung, giả sử các symbol có xác suất xuất hiện bằng nhau, ta có công thức tính tốc độ Bit trung bình của hệ thống như sau

Với ( , , , ) tương ứng là chu kỳ của symbol ‘00’, ‘01’, ‘10’, ‘11’

Bảng 4.14 là kết quả khảo sát thực nghiệm hệ thống sử dụng điều chế 4DPPM

HVTH: Nguyễn Trung Thành 73 MSHV: 12140042 Bảng 4.14 Khảo sát điều chế 4DPPM

Hình 4.16 Đánh giá BER theo khoảng cách ở tốc độ Bit 138Kbps Hệ thống đã đạt được tốc độ 138Kbps ở khoảng cách 35cm với = 8 ∗ 10

Kiểm tra lại bằng lý thuyết theo công thức (2.3), tính xác suất lỗi DPPM trong ở khoảng cách 40cm, với N=4 chip/bit; điện áp thu được = 5.6 , điện áp nhiễu

= 3.1 , điện áp tín hiệu = − = 2.5 , L=4, điện áp lấy ngưỡng của bộ so sánh = 4.3 ; độ lợi SNR của bộ so sánh = = 1153.8

Vì vậy, kết quả đo được gần đạt đúng với công thức lý thuyết

Như kết quả thể hiện trên hình 4.15, với điều chế 4DPPM chất lượng tín hiệu thu không bị ảnh hưởng nhiều ở khoảng cách từ 5cm đến 35cm, và để đạt được tốc độ cao thì không cần băng thông điều chế của OLED cao hơn

HVTH: Nguyễn Trung Thành 75 MSHV: 12140042 Khi so sánh với điều chế 2DPPM với < 1 ∗ 10 ta cũng có kết quả tốt hơn rất nhiều như trong hình 4.16

Hình 4.17 So sánh 2DPPM và 4DPPM ở < 1 ∗ 10

Tiêu đề	Tối ưu điều chế DPPM trong hệ thống VLC
Tác giả	Nguyễn Trung Thành
Người hướng dẫn	TS. Phạm Quang Thái
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	3,21 MB