Nghiên cứu và xây dựng hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy

Đồ án Nghiên cứu và xây dựng hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy tập trung nghiên cứu về cấu trúc của một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy, cũng như các phương pháp điều chế mà mã hóa được sử dụng trong hệ thống. Đồng thời tiến hành xây dựng một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy giữa hai máy tính để chứng minh hiệu quả của công nghệ này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

Giảng viên hướng dẫn: TH S PHAN THỊ THANH NGỌC

Sinh viên thực hiện: NGHIÊN VĂN TOẢN

Lớp : Đ5-ĐTVT2

Khóa : 2010-2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

Giảng viên hướng dẫn: TH S PHAN THỊ THANH NGỌC

Sinh viên thực hiện: NGHIÊN VĂN TOẢN

Lớp : Đ5-ĐTVT2

Hiện nay, mạng không dây vẫn đang phát triển rất nhanh trên toàn Thế Giới vàlợi ích mà nó mang lại vô cùng to lớn Tuy nhiên mạng không dây ngày nay vẫn cònđang sử dụng sóng vô tuyến là phương tiện truyền dẫn chính và tồn tại một số nhượcđiểm như băng thông sẽ dần bị sử dụng hết, hạn chế khi sử dụng trong một số môitrường đặc biệt như bệnh viện, trên máy bay và những nơi có các máy móc nhạy vớisóng vô tuyến Mặt khác, sự phát triển mạnh của diode phát quang (Light EmittingDiode-LED) cùng với những ưu điểm của nó như hiệu quả chiếu sáng cao, độ bền cao

và đặc biệt là tiết kiệm năng lượng đang mở ra một hướng đi mới trong truyền thôngtin không dây

Công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible LightCommunication-VLC) đang nổi lên như là một công nghệ truyền thông tin trong tươnglai Đặc biệt hơn, chúng ta có thể xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng, vừa dùng

để truyền thông tin sử dụng nguồn phát là các bóng đèn LED

Vì những lý do trên, em đã lựa chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là: “NGHIÊN CỨU VÀXÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌNTHẤY”

Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần:

Chương I: Tổng quan về công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương II: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

Chương III: Xây dựng hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy

Do thời gian và hiểu biết còn nhiều hạn chế, nên chắc chắn đồ án không tránhkhỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô giáo và

ý kiến đóng góp của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 01 năm 2015Sinh viên: Nghiên Văn Toản

Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ XÂYDỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY” em

đã nhận được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, cũng như sự giúp

đỡ nhiệt tình của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn tới cô giáo: TH S Phan Thị Thanh Ngọc, người đãtrực tiếp định hướng, chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và truyền đạt những kiến thức bổ íchgiúp em hoàn thành tốt đồ án này

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trường Đại Học Điện Lực đã tận tìnhchỉ bảo, dạy dỗ em trong suốt thời gian em học tập tại trường

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh, chị và các bạn trên các diễn đàn đã giúp

đỡ em phần tài liệu để hoàn thành đồ án

Đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được sự đóng góp và chỉbảo từ các thầy cô cũng như quý bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn

(Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

(Của giảng viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TIN

BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 1

1.1 Khái niệm truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy 1

1.2 Ý tưởng hình thành và phát triển của công nghệ VLC 2

1.3 Ưu điểm của công nghệ VLC 5

1.3.1 Dung lượng 5

1.3.2 Hiệu quả cao 6

1.3.3 An toàn 6

1.3.4 Bảo mật 6

1.4 Các thành phần trong hệ thống VLC 6

1.5 Kết luận chương 8

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 9

2.1 Thành phần phát trong hệ thống VLC 9

2.2 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong VLC 13

2.2.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt ON/OFF keying (OOK) 15

2.2.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi 17

2.2.3 Phương pháp điều chế R-RZ (Reverse- RZ) 20

2.2.4 Phương pháp điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 21

2.3 Kỹ thuật mã hóa trong VLC 31

2.3.1 Mã hóa 4B5B và M-4B5B 32

2.3.2 Mã hóa 4B6B 34

2.4 Mô hình kênh thông tin trong VLC 37

2.4.1 Mô hình kênh truyền VLC trong nhà 38

2.4.2 Mô hình dải kênh màu 39

2.5 Mô hình kết nối trong VLC 42

2.5.1 Mô hình kết nối Line of Sight 42

2.5.2 Mô hình kết nối None Line of Sight 44

2.6.2 Nhiễu nổ trong VLC 45

2.7 Thành phần thu trong hệ thống VLC 47

2.7.1 Diode tách quang 47

2.7.2 Chip cảm biến hình ảnh (Image Sensor- IS) 51

2.7.3 Bộ tập trung quang 52

2.7.4 Bộ lọc quang 54

2.8 Kết luận chương 54

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 55

3.1 Ứng dụng của công nghệ VLC 55

3.1.1 Mô hinh ứng dụng VLC trong nhà 55

3.1.2 Mô hình ứng dụng VLC ngoài trời 56

3.2 Thiết kế và xây dựng hệ thống VLC 58

3.2.1 Các linh kiện sử dụng trong hệ thống 60

3.2.2 Khối phát thông tin 63

3.2.3 Khối thu thông tin 65

3.2.4 Đánh giá 67

3.3 Một số mô hình ứng dụng công nghệ VLC trên Thế Giới 70

3.3.1 Dự án OMEGA 70

3.3.2 Hệ thống truyền dẫn MIMO-VLC 71

3.4 Kết luận chương 72

KẾT LUẬN 73

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng

CMOS Comlementary-Metal-Oxide- Semiconductor Vi mạch tích hợp

CPC Compound Parabolic Concentrator Bộ tập trung quang parabol kết hợp

IM/DD Intensity-Modulation/Direct- Detection Điều chế cường độ/tách sóng trực tiếp

MFTP Maximum Flickering Time Period Thời gian nhấp nháy tối đa

thu phát

OFDM Orthogonal-Frequency-Division- Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PLC Power Line Communication Truyền thông bằng đường điện

VLC Visible Light Communication sáng nhìn thấy

VPPM Variable Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung biến đổi

sử dụng sóng vô tuyến

FEC Forward Error Correction Mã hóa FEC

WDM wavelength-division multiplexing Ghép kênh phân chia

theo bước sóng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

1.1 Khái niệm truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy.

Visible Light Communication (VLC) là công nghệ truyền thông tin không dâybằng cách sử dụng sóng mang là ánh sáng nhìn thấy phát ra từ các bóng đèn LED

Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằmtrong khoảng mắt người có thể nhìn thấy được từ 380nm đến 750nm Hình 1.1

Hình 1.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

Công nghệ VLC được thực hiện bằng cách điều chế tín hiệu vào cường độ ánhsáng được phát ra từ các đèn LED, việc điều chế được thực hiện sao cho mắt ngườikhông thể nhận ra sự thay đổi đó Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽđược nhận bởi Photodiode (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh CMOS, sau đó thực hiệngiải điều chế từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện

1.2 Ý tưởng hình thành và phát triển của công nghệ VLC.

Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin không hề mới mẻ Vàongày 19 tháng 02 năm 1880 nhà khoa học Scotland là Alexander Graham Bell, đã phátminh ra thiết bị photophone tại phòng thí nghiệm ở Washington DC cùng với cộng sựcủa ông là Charles Tainer Thiết bị này cho phép truyền thông tin nhờ vào việc sửdụng ánh sáng mặt trời Nguyện lý hoạt động của thiết bị này như sau:

 phía phát:

Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này sẽđược gắn một chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ ánh sáng chiếu đếntheo âm thanh phát vào ống nói Nhờ đó mà thông tin được điều chế vào ánhsáng nhìn thấy và được truyền đi đến phía thu Hình 1.2:

Hình 1.2: Phía phát của photophone

 phía thu:

Phía thu gồm một nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của mộtgương Parabol Pin Selenium sử dụng một vật liệu có tên Selenium, là chất bándẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điện trở của vật liệu này sẽ giảm

Hình 1.3: Phía thu của photophone.

Hiện nay, việc phát minh ra bóng đèn LED để chiếu sáng đã mang lại cơ hội rấtlớn để kết hợp chiếu sáng và truyền dẫn thông tin với công nghệ VLC, trong đó sửdụng đèn LED là nguồn phát Nguyên lý là khi thay đổi dòng điện cấp cho LED thìcường độ sáng của LED cũng thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra rất nhanh màmắt thường không thể nhận biết được Từ đó thông tin có thể được điều chế vào ánhsáng của bóng đèn và truyền đến phía thu

Chu trình phát triển của cộng nghệ VLC được đưa ra trong bảng 1.1 sau:

2005 Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động

với tốc độ 10 kb/s và vài Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tạiNhật Bản

2007 Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tời

thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji Nhật Bản

2007 Hiệp hội VLC(VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho

hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC.Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản-JEITA đã chấp nhậncác tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và JAITACP-1222

2008 Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng

và tia hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s

2009 VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác

định phổ tần số sử dụng VLC

2010 Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện như TV, PC, điện thoại

di động ở đại học Califinia, USA

2010 Công bố hệ thống địn vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà ở

Nhật Bản

2010 Thuyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500Mb/s với khoảng cách

5m, thực hiện bởi Siemen và viện Heinrich Het, Đức

2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE

2011 Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử

dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh

8/2013 Giáo sư Harald Haas đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1.6

Gbit/s thông qua đèn LED đơn sắc

4/2014 Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội bộ

Hình 1.4: Truyền thông tin sử dụng bóng đèn LED.

Công nghệ này cho phép truyền tải thông tin với tốc độ rất cao, trong khi ta vẫn

sử dụng được bóng đèn LED vào việc chiếu sáng Tuy nhiên, công nghệ VLC sinh rakhông phải để thay thế cho công nghệ WIFI, mà hai công nghệ này sẽ hỗ trợ nhautrong việc cung cấp băng thông cho mạng không dây

1.3 Ưu điểm của công nghệ VLC

Hiện nay, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) đang ngày càng cạnkiệt và việc mở rộng băng thông rất hạn chế Thêm vào đó, việc sử dụng sóng vô tuyếnlại gây nhiễu với các hệ thống điện tử xung quang đặc biệt là các thiết bị trong bệnhviện và gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người Công nghệ VLC có rất nhiều ưu điểmvượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF hiện tại

1.3.1 Dung lượng

Hình 1.5: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

 Băng thông lớn: Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng

 Mật độ dữ liệu: công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần sovới WIFI bởi ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập trungtrong một không gian, trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra ngoài dẫntới suy hao và gây nhiễu

 Tốc độ cao: công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.

1.3.2 Hiệu quả cao

 Chi phí thấp: Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sửdụng sóng vô tuyến nên chi phí cho một hệ thống sẽ thấp hơn

 Sử dụng đèn LED vừa để chiếu sáng, vừa để truyền thông tin có hiệu quả rấtcao: tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu quả chiếu sáng cao, giá thành tương đối rẻ

và độ bền cao

 Truyền thông dưới nước: việc truyền thông tin dưới nước đối với sóng vô tuyến

là rất khó khăn, nhưng đôi với công nghệ VLC thì có thể thực hiện việc đó dễdàng hơn

1.3.3 An toàn

 An toàn đối với sức khỏe con người

 Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng không gây nhiễu đối với máy bay, khônggây nhiễu với các máy móc sử dụng trong bệnh viện

1.3.4 Bảo mật

 Vì truyền thông bằng sóng ánh sáng chỉ tập trung ở một khu vực nhất định,không thể đâm xuyên qua các vật thể nên sẽ rất khó để thu thập hay do thámcác tín hiệu thông tin

 Không cần các phương pháp bảo mật phức tạp, do là ánh sáng nhìn thấy nênviệc quản lý truyền dẫn thông tin vô cùng dễ dàng

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng yêu vầu đường xuống tốc độ cao,trong khi chỉ cần đường lên với tốc độ thấp như: download video, audio, duyệt Web…Qua đó, ta có thể giải quyết được vấn đề quá tải trong mạng truyền thông tin khôngdây

1.4 Các thành phần trong hệ thống VLC.

Một hệ thống VLC bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền và

hệ thống thu

Do chúng ta sử dụng các bóng đèn LED để truyền thông tin, nên cần phải có cáccách khác nhau để kết nối các bóng đèn LED với các mạng dữ liệu hiện tại Có haicách để nối LED với mạng dữ liệu hiện tại:

 Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông tin bằng đường điện lực (powerline communicaton- PLC) Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạngđiện sẵn có Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điệnlực để cấp nguồn điện và truyền tải thông tin tới các đèn LED

Hình 1.6: Truyền thông bằng công nghệ PLC

 Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet-PoE) Việc cấp nguồn vàtruyền thông tin tới bóng đèn sẽ được thực hiện thông qua một cáo nối Ethernet.Mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50w đối với cáp Cat5nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóng đèn LED hiệntại

Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi vì chúng ta không phải chia đườngnguồn và đường dữ liệu riêng tới các đèn LED.

Công nghệ truyền thông bằng đường dây điện lực có ưu điểm là không yêu cầuthêm một kết nối nào khác vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn Còn đối với công nghệ sửdụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả trong việc triển khai lắp đặt mới

Đối với phía thu, các thiết bị điện tử như Laptop, smartphone ngày nay đềuđược tích hợp camera Dó đó chúng ta có thể tận dụng nó làm bộ phận thu Hay có thểtích hợp thêm diode tách quang (Photodetector) trên các thiết bị, phần tử này sẽ thu tínhiệu quang và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện

Để có thể đưa thông tin cần truyền vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹthuật điều chế Có rất nhiều kỹ thuật điều chế như điều chế khóa bật tắt (ON/OFFkeying-OOK), điều chế độ rộng xung (Pulse Width modulation-PWM), điều chế vị tríxung (pulse Position Modulation-PPM), điều chế biên độ xung (Pulse AmplitudeModulation-PAM), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing-OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying-CSK)

và một số phương pháp điều chế khác

1.5 Kết luận chương.

Trên đây là tất cả các thông tin cơ bản về công nghệ truyền thông tin bằng ánhsáng nhìn thấy-Visible Light Communication Như chúng ta đã thấy, công nghệ này córất nhiều ưu thế so với công nghệ truyền thông tin bằng sóng vô tuyến hiện tại Tuynhiên hiện tại công nghệ này vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn công nghệ truyền thôngtin sử dụng sóng vô tuyến, mà chúng sẽ hỗ trợ nhau trong việc cung cấp dữ liệu vàgiảm quá tải cho hệ thống RF hiện tại Chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết

về cấu tạo , các phương pháp điều chế và phương pháp truyền thông tin trong hệ thốngVLC

1

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

Trong chương này sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể để tạonên một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy, cũng như các phươngpháp điều chế và mã hóa được sử dụng trong hệ thống Một hệ thống truyền thông tinbằng ánh sáng nhìn thấy bao gồm ba thành phần chính:

 Thành phần phát (sử dụng các dèn LED)

 Thành phần thu (sử dụng Photodiode hoặc cảm biến ảnh CMOS)

 Mô hình kênh, các phương pháp điều chế và mã hóa

Nguyên lý hoạt động của đèn LED:

 Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện tíchđang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở điềukiện bình bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độđiện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức nănglượng làm cho điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ ở vùng hóa trị Đồngthời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các điện tử từ lớp N sẽđược khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống từ lớp P cũng được khuếchtán sang lớp tích cực Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sẽ tái hợp (re-

combine) và phát xạ ra photon ánh sáng Hiện tượng phát xạ ở đây chủ yếu làhiện tượng phát xạ tự phát

Hiện tượng này được mô tat như hình 2.2 dưới đây:

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của LED

Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC thường

là LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED)

Có hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khácnhau:

 Loại thứ nhất sử dụng một chíp bán dẫn xanh (Blue) và sau đó được phủ thêmmột lớp Phosphor bên ngoài hay còn được gọi lên là “LED xanh trắng đơnchip” Khi dòng điện được cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát

ra ánh sáng xanh, phosphor sau đó được kích thích bởi ánh sáng màu xanh thì

sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng Sự kết hợp giữa hai ánh sáng này sẽ tạo raánh sáng trắng

 Loại LED thứ hai cấu tạo với ba chíp màu riêng biệt: Red bước sóng 625 nm,Green bước sóng 525 nm, Blue bước sóng 470 nm Sau đó ba màu này sẽ đượctrộn lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng

Hình 2.3: Hai loại LED phát ánh sáng trắng.

Hình 2.4: Phổ phát xạ của LED đơn chip và LED RGB

LED đơn chip phủ phosphor sẽ có giá thành rẻ hơn, mạch điều khiển ít phức tạphơn tuy nhiên băng thông lại bị hạn chế Thêm nữa, lớp phosphor chỉ phát ra ánh sángsau khi chip màu xanh phát xạ, do vậy tốc độ đáp ứng của LED đơn chip sẽ thấp hơn

so với LED RGB LED đơn chip có băng thông hạn chế do ảnh hưởng của lớpPhosphor, do vậy ta có thể khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử dụng một

bộ lọc (Blue Filter) ở phía thu trước khi ánh sáng được đưa đến Photodiode LEDRGB có thể cung cấp 3 kênh truyền dẫn riêng biệt, mỗi kênh ứng với một chip LED,thích hợp với phương thức ghép kênh quang WDM Một vấn đề cần được chú ý là cầnphải đảm bảo sự cân bằng màu sắc của ánh sáng không bị thay đổi khi truyền dẫnthông tin với VLC

Do LED vừa được sử dụng để chiếu sáng, vừa dùng để truyền thông tin nên cóhai đại lượng ta cần xác định đó là cường độ chiếu sáng và công suất quang truyền đi.Cường độ chiếu sáng được dùng để để thể hiện độ sáng của bóng đèn LED, còn côngsuất quang truyền dẫn chỉ ra tổng lượng quang phát xạ từ LED

Cường độ chiếu sáng được tính thông qua quang thông qua mỗi góc khối theo côngthức 2.1:

Trong đó: V ( λ) là đường cong độ sáng tiêu chuẩn, K m là độ sáng tối đa vào khoảng

Với Λ min và Λ max được xác định dựa vào đường cong độ nhạy của Diode tách quang

(Lumen ký hiệu: lm là đơn vị SI dùng để đo tổng lượng quang thông bức xạ từ nguồnsáng phát ra Tuy nhiên quang thông khác với công suất, quang thông phản ánh sựthay đổi độ nhạy ở mắt người đối với các bước sóng khác nhau trong khi đó công suấtquang cho ta thấy toàn bộ năng lượng của ánh sáng được bức xạ ra dù cho mắt người

có cảm nhận được hay không)

2.2 Các phương pháp điều chế và điều chỉnh độ sáng trong VLC

Trong truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy, các đèn LED vừa có nhiệm vụtruyền thông tin không dây, vừa có nhiệm vụ chiếu sáng nên ánh sáng phát ra từ cácđèn LED phải đáp ứng được 3 yêu cầu sau: không có hiện tượng nhấp nháy, có thểđiều khiển độ sáng và cường độ sáng phải đủ cho nhu cầu chiếu sáng

Như chúng ta đã biết, việc truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương phápthay đổi cường độ của ánh sáng phát ra từ các đèn LED Việc điều chế thông tin vàoánh sáng của các đèn LED sẽ làm cho cường độ sáng của LED thay đổi có thể gây ảnhhưởng không tốt đối với mắt người Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sángphải nằm trong khoảng thời gian thay đổi tối đa cho phép MFTP (MaximumFlickering Time Period)

MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thể thay đổi

mà mắt người không thể cảm nhận được Tần số thay đổi lớn hơn 200 Hz (ứng vớiMFTP<5ms) được coi là an toàn với mắt người, chính vì vậy các phương pháp điềuchế trong VLC phải đáp ứng được giá trị MFTP này

Một vấn đề khác nữa là để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, chúng taphải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợ trong quá trình điềuchế (Dimming Method- DS) Tức là cho phép người sử dụng có thể tăng hay giảm độsáng đến một giới hạn nào đó, trong khi quá trình truyền thông tin vẫn được thực hiện

Do mắt người thích ứng với sự giảm mức độ sáng bằng cách mở rộng con ngươi

để cho phép nhiều áng sáng đi vào mắt hơn Sự thích ứng của mắt người sẽ gây ra sựkhác biệt giữa mức độ ánh sáng đo được (Measured Levels of Light-MLL) và mức độánh sáng nhận biết được (Peceived Levels Of Light-PLL) Mối quan hệ giữa hai đạilượng này được cho bởi công thức 2.4

PLL(%)=100 ×√MLL(%)100 2.4

Từ hình 2.5 ta thấy, ánh sáng đèn giảm ở mức 10% của MLL tương ứng với mức 32%của PLL, do vậy phải có một khoảng điều chỉnh ánh sáng đủ lớn, trong khoảng 0.1 –100%

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa PLL và MLL.

Do ánh sáng phát ra từ các đèn LED vừa dùng để chiếu sáng, vừa dụng để truyềnthông tin không dây Nên ta phải có các phương pháp mã hóa và điều chế thông tinphù hợp, để ánh sáng phát ra không bị hiện tượng nhấp nháy, có độ sáng phù hợp chomục đích chiếu sáng và đặc biệt là có thể điều chỉnh được cường độ sáng

2.2.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt ON/OFF keying (OOK)

Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chế rất phổbiến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại Phương phápnày còn được gọi là mã hóa non-return-to-zero ON/OFF Keying (NRZ-OOK)

Hình 2.6: Điều chế NRZ-OOK

Điều chế khóa bật tắt NRZ-OOK là một phương pháp điều chế hai mức, bao gồmhai ký hiệu tương ứng với mức công suất 2p hoặc 0 Tín hiệu có thể được biểu diễnbằng hàm cở sở ϕOOKOOK (t) được cho bởi biểu thức 2.5:

ϕOOKOOK (t)= 1

√T rect(T t ) 2.5Trong đó:

T là chu kỳ kí hiệu và rect(t) được cho bởi công thức 2.6:

rect (t )={1 với 0 ≤ t ≤1 0 với t ≠ 2.6

Sử dụng hàm cơ sở này ta có biểu thức cường độ ánh sáng theo miền thời gian đượcgửi qua kênh truyền theo biểu thức 2.7:

Xác suất lỗi bit được xác định bằng biểu thức 2.8:

Trong đó:

- Tốc độ bit R=1

T

Hình 2.7: Hàm cở sở (a) và không gian tín hiệu NRZ-OOK (b)

Phương pháp điều chế này có nhược điểm đó là gây ra hiện tượng nhấp nháy donguyên tắc bật tắt 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, với mã hóaManchester bit 0 được ký hiệu bằng 01, bit 1 được ký hiệu bằng 10, do đó sẽ tạo rađược bộ mã cân bằng số lượng các bit 0 và 1, tránh hiện tượng nhấp nháy Việc điềuchỉnh độ sáng trong NRZ-OOK có thể dược thực hiện theo hai cách:

- Thay đổi mức độ bật, tắt đối với các ký tự (nghĩa là không cần phải tắt hẳn hoàntoàn nguồn sáng, mà chỉ cần mức độ đủ nhỏ để có thể phân định rõ ràng giữahai mức)

- 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

cách thứ hai thì hai mức độ sẽ được giữu nguyên, nhưng sẽ làm chậm tốc độ bit do ta

đã chèn thêm các bit phụ không mang tin

Hình 2.8 ví dụ về việc sử dụng các ký hiệu dư thừa để làm tăng độ sáng, do sửdụng mã Manchester để mã hóa nên thời gian mức cao luôn đạt ½ (tỉ lệ bit 0 và 1 nhưnhau), nói cách khác mức độ sáng là 50%, ta có thể chèn thêm các ký hiệu dư thừa vào

để tăng thời gian sáng mức cao (tăng bit 1) khiến cho mức sáng trung bình cao hơn50%

Hình 2.8: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm các ký hiệu dư thừa CS

2.2.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi

Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position VPM) là phương pháp điều chế mới hơn, phương pháp này cung cấp 3 chức năng củaVLC là: Không gây nhấp nháy, có thể điều chỉnh độ sáng và cung cấp một độ sáng đầy

Modulation-đủ VPM à sự kết hợp của hai phương pháp điều chế là: Điều chế vị trí xung (2 PulsePosition Modulation- 2PPM) cung cấp chức năng không gây nhấp nháy và điều chế độrộng xung (Pulse Width Modulation- PWM) cũng cấp chức năng điều khiển độ sáng.Trong phương pháp điều chế 2-PPM, mỗi chu kỳ ký hiệu sẽ được chia thành Mchu kỳ con Thông tin sẽ được gửi bằng cách truyền một cường độ quang khác khôngtrong một chu kỳ con, trong khi các chu kỳ con còn lại vẫn giữ nguyên Mỗi chu kỳcon sẽ không trùng lặp về thời gian, do đó mỗi ký hiệu là trực giao với nhau Ví dụ ta

có không gian tín hiệu M=N, M-PPM ký hiệu có thể được xem như một khối mã OOKvới chu kỳ là MT trong đó cường độ ra bằng không ngoại trừ trong chu kỳ T

Hàm cơ sở của M-PPM được đưa ra trong công thức 2.10:

ϕOOK m (t )=√M T rect(t−(M T )(m−1)

1

Trong đó: m ϵ M và T là chu kỳ con.

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

Trong đó A[k] sẽ chọn ký hiệu xuất hiện trong M các xung sẽ không âm trong toàn bộthời gian do cấu tạo của chúng

Công suất quang trung bình của mỗi chu kỳ không đổi bằng P với công suất đỉnh củamỗi chu kỳ là MP Bởi các điểm trong không gian tín hiệu trực giao và cách đều vớinhau nên xác suất lỗi ký hiệu được tính theo 2.12:

P e(ký hiệu) ≈ ( M−1) Q(P√2 R M s σ2)

2.12

Với tốc độ bit: R=R slog2M

Hình 2.10: Mô hình VPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50%(a) và PWM để điều

chỉnh độ sáng (b)

Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu VPM với độ rộng xung 75%

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

Trong hình 2.10b, độ rộng xung có thể được điều chỉnh để cung cấp độ sáng theo yêucầu Hình 2.11 mô tả dạng sóng của VPM có thể đạt được 75% độ sáng với bit 0 và 1

có độ rộng xung là 75%

Hình 2.12: Điều chỉnh sáng tối trong điều chế VPM.

2.2.3 Phương pháp điều chế R-RZ (Reverse- RZ)

Phương pháp điều chế R-RZ cung cấp khả năng điều chỉnh độ sáng nhưng lại vẫngây ra hiện tượng nhấp nháy R-RZ là phương pháp điều chế kết hợp từ hai phươngpháp là RZ (Return to Zero) và IRZ (Inverse Return to Zero) RZ định nghĩa cả chu kìbit 0 là mức thấp, bit 1 nửa chu kì đầu là mức cao còn nửa chu kì sau là mức thấp Cònvới IRZ thì ngược lại với phương pháp RZ

Hình 2.13: Tín hiệu cơ bản của hai phương pháp RZ và IRZ

R-RZ định nghĩa bit 0 là không có chuyển tiếp tín hiệu trong cả chu kỳ, còn bit 1

là có chuyển tiếp tin hiệu từ mức thấp lên mức cao, có thể kiểm soát bằng chu kỳ làmviệc Việc điều khiển chu kỳ làm việc cung cấp chức năng điều khiển sáng tối cho đènLED Hình 2.13

Hình 2.14: Tín hiệu R-RZ cơ bản

Chúng ta có thể kiểm soát dạng sóng của R-RZ với 50 % chu kỳ làm việc khichúng ta cần giảm cường độ sáng xuống 50% Trong R-RZ, hiện tượng nhấp nháy cóthể xảy ra bởi vì trạng thái bật không liên tục trong trong mỗi khoảng thời gian Hình2.14

Hình 2.15: Dạng sóng của R-RZ với 50 % chu kì làm việc.

R-RZ cung cấp chức năng điều khiển cường độ sáng theo chu kỳ làm việc vàcũng cấp độ sáng đầy đủ bằng cách tăng độ phân giải của chu kỳ làm việc như hình2.16 Điều khiển sáng tối trong phương pháp này cũng tương tự như trong VPM

Hình 2.16: Điều khiển sáng tối trong R-RZ

Ưu điểm của R-RZ là có thể điều khiển sáng tối của đèn LED và cũng cấp mộtcường độ sáng đầy đủ Nó cũng có thể cung cấp khả năng chống nháy cho tín hiệubằng cách sử dụng thêm mã 4B6B hoặc mã 4B5B cải tiến, việc sử dụng các mã nàylàm cho trạng thái bật của các đèn LED luôn không đổi theo các chu kỳ khác nhau

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

Như ta đã biết, ánh sáng trắng phát ra từ đèn LED được tạo ra theo hai cách.Cách thứ nhất sử dụng LED đơn chip xanh phủ Phosphor, tuy nhiên lớp Phosphor này

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

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

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

 Sắc độ: sáng hay tối

 Tông màu

 Độ bão hòa màu

Một quang phổ đơn sắc C với bước sóng λ được biểu diễn với ba giá trị này như biểu

thức 2.14:

C=´x ( λ) X + ´y ( λ) Y +´z( λ ) Z

2.14Với ´x ( λ) , ´y ( λ ), ´z ( λ) là các hàm gán màu và có giá trị không âm

Hình 2.17 Hàm gán màu X,Y,Z

Hình 2.17 mô tả đường cong phổ của ba hàm gán màu, với bước sóng từ 380nmđến 700nm Trục tung là góc quan sát tiêu chuẩn (do các tế bào hình nón nhạy cảmnằm trong một vòng cung 20 của hố mắt) Với P ( λ) là phân bố phổ màu, ta tính đượcgiá trị X,Y, Z theo 2.15:

380

780

P (λ)´z ( λ) dλ

Các giá trị của K được chọn sao cho Y=1 hoặc Y=100

Từ đó, các giá trị của x,y được tính theo biểu thức 2.16:

.16

X +Y +Z

Hàm giá trị x,y mô tả tông màu, độ bão hòa của màu và độc lập với sắc độ của màu.Trong phương pháp điều chế CSK, chuẩn IEEE 802.15.7 đã chia phổ thành 7 dải màu

để hỗ trợ cho việc lựa chọn màu của đèn LED dùng cho truyền dẫn

Hình 2.18: Không gian màu CIE 1931 với hai trục x,y và 7 dải màu 000 đến 110.Hình 2.18 mô tả không gian màu CIE 1931 với hai trục tọa độ x, y và đường cong phổcùng với 7 dải màu dùng cho truyền dẫn.

Hình 2.19 mô tả quá trình mã hóa dữ liệu, dữ liệu sau khi được xáo trộn để đảmbảo tính ngẫu nhiên và mã hóa kênh, sẽ được chuyển tới khối mã hóa màu Sau đó,chuỗi bit dữ liệu sẽ được phân chia thành từng khối nhỏ hơn, mỗi khối nhỏ này đượcánh xạ với một ký hiệu Mỗi ký hiệu có tọa độ màu (x, y) riêng và tương ứng với mộtđiểm trong không gian ký hiệu Mỗi ký hiệu có số bit tương ứng với khối dữ liệu đãđược chia nhỏ

Hình 2.19: Qúa trình mã hóa dữ liệu

Không gian tín hiệu CSK được tạo thành từ ba dải màu khác nhau và có dạnghình tam giác với các đỉnh là bước sóng trung tâm của ba dải màu được chọn Bảng2.2 chỉ ra các dạng kết hợp của ba dải màu, những trường hợp không hợp lệ như: 110-

STT Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ

Bảng 2.2: Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ

Sau khi chọn lựa được ba dải màu thích hợp, ta sẽ xác định được tọa độ của cácđỉnh hình tam giác trong khôn gian ký hiệu

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

Hình 2.20: Không gian ký hiệu 4-CSK

Không gian ký hiệu 4-CSK gồm 4 điểm ký hiệu lần lượt là P0, P1, P2,P3, vớiP0 là trọng tâm của hình tam giác IJK và ba điểm còn lại là ba đỉnh tam giác cótọa độ tương ứng với tọa độ của ba dải màu (i,j,k) được lựa chọn Dữ liệu đượcánh xạ theo quy tắc như hình 2.21:

Hình 2.21: Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK

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

Hình 2.22: Không gian tín hiệu 8-CSK

Tương tự như 4-CSK, không gian ký hiệu của 8-CSK gồm 8 điểm ký hiệu từ P0đến P7 với 3 đỉnh tam giác IJK lần lượt là P7, P0, P4 b, c lần lượt là trung điểmcủa JK và IJ P1 và P2 chia JK và IJ theo tỉ lệ 1/3 P6 là trung điểm IK, P5 vàP3 tương tự chia cd và ab theo tỉ lệ 1/3 Quy tắc ánh xạ dữ liệu như hình 2.23