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.
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM 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 Hà Nội, tháng 01 năm 2015 GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM 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 Hà Nội, tháng 01 năm 2015 GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, mạng không dây vẫn đang phát triển rất nhanh trên toàn Thế Giới và lợi ích mà nó mang lại vô cùng to lớn. Tuy nhiên mạng không dây ngày nay vẫn còn đang sử dụng sóng vô tuyến là phương tiện truyền dẫn chính và tồn tại một số nhược điểm như băng thông sẽ dần bị sử dụng hết, hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường đặc biệt như bệnh viện, trên máy bay và những nơi có các máy móc nhạy với sóng vô tuyến Mặt khác, sự phát triển mạnh của diode phát quang (Light Emitting Diode-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 thông tin không dây. Công nghệ truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication-VLC) đang nổi lên như là một công nghệ truyền thông tin trong tương lai. 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 VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY” 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 tránh khỏi 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 2015 Sinh viên: Nghiên Văn Toản GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG 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 đã trực tiếp định hướng, chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và truyền đạt những kiến thức bổ ích giúp 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 tình chỉ 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 chỉ bảo từ các thầy cô cũng như quý bạn đọc để đồ án được hoàn thiện hơn. GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản MỤC LỤC GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH Bảng 1.1. Chu trình phát triển công nghệ VLC. Bảng 2.1: Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu x,y. Bảng 2.2: Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ. Bảng 2.3: Tọa độ của các ký hiệu với ba dải màu được chọn. Bảng 2.4: Bảng mã hóa 4B5B và M-4B5B. Bảng 2.5: Bảng mã hóa 4B6B. Bảng 2.6: Tốc độ của các phương pháp điều chế với các loại mã hóa. Bảng 2.7: Sự khác biệt đầu vào của các dải kênh màu. Bảng 2.8: Sự khác biệt đầu ra giữa các kênh màu. Bảng 2.9: Một số loại Diode Pin. Bảng 3.1: Các ứng dụng với môi trường trong nhà. Hình 1.1: Quang phổ ánh sáng nhìn thấy. Hình 1.2: Phía phát của photophone. Hình 1.3: Phía thu của photophone. Hình 1.4: Truyền thông tin sử dụng bóng đèn LED. Hình 1.5: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy. Hình 1.6: Truyền thông bằng công nghệ PLC. Hình 1.7: Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet. Hình 2.1: Mô hình thành phần phát trong một hệ thống VLC. Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của LED. Hình 2.3: Hai loại LED phát ánh sáng trắng. Hình 2.4: Phổ phát xạ của LED đơn chip và LED RGB. Hình 2.5: Mối quan hệ giữa PLL và MLL. Hình 2.6: Điều chế NRZ-OOK. Hình 2.7: Hàm cở sở (a) và không gian tín hiệu NRZ-OOK (b). Hình 2.8: Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm các ký hiệu dư thừa CS. Hình 2.9: Hàm cơ sở của 2-PPM. Hình 2.10: Mô hình VPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50%(a) và PWM để điều chỉnh độ sáng (b). GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu VPM với độ rộng xung 75%. Hình 2.12: Điều chỉnh sáng tối trong điều chế VPM. Hình 2.13: Tín hiệu cơ bản của hai phương pháp RZ và IRZ. Hình 2.14: Tín hiệu R-RZ cơ bản. Hình 2.15: Dạng sóng của R-RZ với 50 % chu kì làm việc. Hình 2.16: Điều khiển sáng tối trong R-RZ. Hình 2.17. Hàm gán màu X,Y,Z. Hình 2.18: Không gian màu CIE 1931 với hai trục x,y và 7 dải màu 000 đến 110… Hình 2.19: Qúa trình mã hóa dữ liệu. Hình 2.20: Không gian ký hiệu 4-CSK. Hình 2.21: Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK. Hình 2.22: Không gian tín hiệu 8-CSK. Hình 2.23: Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK. Hình 2.24: Không gian ký hiệu 16-CSK. Hình 2.25: Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK. Hình 2.26: Mô hình lớp vật lý trong VLC. Hình 2.27: Mô hình cho phép đạt được cả 3 chức năng trong VLC. Hình 2.28: Mã hóa 4B5B và M-4B5B với NRZ-OOK. Hình 2.29: Độ nhấp nháy của NRZ-OOK khi sử dụng 4B5B và M-4B5B. Hình 2.30: Mã hóa 4B5B và 4B6B với NRZ-OOK. Hình 2.31: Độ nhấp nháy của NRZ-OOK sử dụng 4B5B và 4B6B. Hình 2.32: Khối mã hóa và điều chế VPM. Hình 2.33: Mô hình kênh truyền VLC IM/DD. Hình 2.34: Mô hình kênh VLC trong nhà. Hình 2.35: Mô hình dải kênh màu. Hình 2.36: Mô hình một màu cho một đèn. Hình 2.37: Mô hình nhiều màu cho một đèn. Hình 2.38: Mô hình kết nối trong VLC. Hình 2.39: Mô hình kết nối Narrow-LOS. Hình 2.40: Mô hình kết nối Wide-WLOS. GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản Hình 2.41: Mô hình kết nối NLOS. Hình 2.42: Các bước thu tín hiệu trong VLC. Hình 2.43: Cấu tạo của PIN- Photodiode. Hình 2.44: Cấu tạo của Diode quang thác APD. Hình 2.45: Chip cảm biến hình ảnh CMOS. Hình 2.46: Bộ tập trung quang CPC. Hình 2.47: Qúa trình phản xạ tại CPC. Hình 2.48: Phía thu của hệ thống VLC. Hình 3.1: Mô hình hệ thống VLC trong nhà. Hình 3.2: Mô hình VLC cho ứng dụng giao thông. Hình 3.3: Mô hình ứng dụng VLC cho các trạm thu phí. Hình 3.4: Mô hình VLC ngoài trời sử dụng PIN mặt trời. Hình 3.5: Mô hình truyền thông tin bằng công nghệ VLC. Hình 3.6: Sơ đồ chân IC LM339N. Hình 3.7: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu dương. Hình 3.8: Sử dụng bộ so sánh với điện áp gim vào đầu âm. Hình 3.9: Khối phát thông tin của hệ thống VLC trong nhà. Hình 3.10: Dạng sóng trên khối phát thông tin. Hình 3.11: Khối thu thông tin. Hình 3.12: Mạch Max3232 bên phía thu. Hình 3.13: Giao diện phần mềm Hercules. Hình 3.14: Dạng sóng đầu ra của mạch thu trên Oscilloscope . Hình 3.15: Dạng sóng đầu ra của IC Max3232 bên phía thu với tốc độ Baud 19200. Hình 3.16: Dạng sóng mạch thu với tốc độ Baud quá lơn. Hình 3.17: Mạch phát với 8 LED trắng. Hình 3.18: Mô hình dự án OMEGA. Hình 3.19: Mô hình hệ thống VLC của viện truyền thông Fraunhofer. Hình 3.20: Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO-VLC…………………. GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản [...]... bước sóng GVHD: TH S Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản 14 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 dây bằng 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... 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 ánh sáng nhìn thấy- Visible Light Communication Như chúng ta đã thấy, công nghệ này có rất nhiều ưu thế so với công nghệ truyền thông tin bằng sóng vô tuyến hiện tại Tuy nhiên hiện tại công nghệ này vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn công nghệ truyền thông tin sử dụng... và giảm 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 thống VLC 1 GVHD: TH S Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản 22 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 tạo nên một hệ thống. .. một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy, cũng như các phương pháp điều chế và mã hóa được sử dụng trong hệ thống Một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy bao gồm ba thành phần chính: • • • 2.1 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 Thành phần phát trong hệ thống VLC Thành... line communicaton- PLC) Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạng điện sẵn có Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điện lực 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 và truyền thông tin tới bóng đèn sẽ được thực hiện thông qua một cáo nối Ethernet... thể điều 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 pháp thay đổi cường độ của ánh sáng phát ra từ các đèn LED Việc điều chế thông tin vào ánh sáng của các đèn LED sẽ làm cho cường độ sáng của LED thay đổi có thể gây ảnh hưởng không tốt đối với mắt người Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sáng phải nằm trong... đó công suất quang cho ta thấy toàn bộ năng lượng của ánh sáng được bức xạ ra dù cho mắt người có cảm nhận được hay không) GVHD: TH S Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản 26 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 vụ truyền thông tin không dây, vừa có nhiệm vụ chiếu sáng nên ánh sáng phát ra từ các đèn LED... 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 tại Nhật Bản Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED tời thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji Nhật Bản 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... phần phát trong một hệ thống VLC là thành phần có chức năng đưa thông tin cần truyền vào trong ánh sáng được phát ra từ các đèn LED, sau đó phát ánh sáng ra môi trương không gian Mô hình của thành phần phát như sau: Hình 2.1: Mô hình thành phần phát trong một hệ thống VLC Với công nghệ ngày càng phát triển, đèn LED được nghiên cứu và cải tiến đang nổi lên như là một phương tiện chiếu sáng thay thế cho... 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% GVHD: TH S Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản 27 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 truyền thông tin không dây Nên ta phải có các phương pháp mã hóa và điều chế thông tin . nghiệp là: “NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY” 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. 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. Phan Thị Thanh Ngọc SVTH: Nghiên Văn Toản 14 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