CẢI THIỆN tốc độ điều CHẾ KHÓA tắt mở TRONG hệ THỐNG TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG VÙNG NHÌN THẤY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: CẢI THIỆN TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ KHÓA TẮT MỞ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG BẰNG ÁNH SÁNG VÙNG NHÌN THẤY Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Hưng Lớp KSTN-ĐTVT-K56 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Ngọc Nam PGS TS Phí Hịa Bình Hà Nội, 5-2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: CẢI THIỆN TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ KHÓA TẮT MỞ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG BẰNG ÁNH SÁNG VÙNG NHÌN THẤY Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Hưng Lớp KSTN-ĐTVT-K56 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Ngọc Nam PGS TS Phí Hịa Bình Cán phản biện: Hà Nội, 5-2016 Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên đánh giá: PGS TS Phạm Ngọc Nam Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng MSSV: 20112728 Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở hệ thống truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 4 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực 5 dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học 10a (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt 10b giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành TI contest 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Ngày: / /2016 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng MSSV: 20112728 Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở hệ thống truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt 4 Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực 5 dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học 10a (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt 10b giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chun ngành TI contest 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô Ngày: / /2016 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, với ưu điểm băng thông lớn, bảo mật cao, thông tin quang đang ngày khẳng định chỗ đứng lĩnh vực truyền thơng Trong đó, với kết hợp truyền thơng chiếu sáng, truyền thơng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC – visible light communications) nhận quan tâm lớn nhà khoa học Nhận thức hội phát triển truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy, em tìm hiểu lựa chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở hệ thống truyền thơng ánh sáng vùng nhìn thấy” cho đồ án tốt nghiệp kỹ sư Trong suốt trình thực đồ án tốt nghiệp, em nhận bảo, hướng dẫn tận tình PGS TS Phạm Ngọc Nam (Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội) PGS TS Phí Hịa Bình (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Sự dạy bảo, hướng dẫn tận tình thầy giúp cho em có kinh nghiệm quý báu học tập sống Em xin chân thành cám ơn thầy Kính chúc thầy sức khỏe để tiếp tục công tác tốt! Em xin cảm ơn thầy cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, bảo, cung cấp cho em kiến thức vững vàng suốt năm học Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè bên cạnh động viên, giúp đỡ em thời gian qua Sinh viên Nguyễn Trung Hưng TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong báo cáo đồ án tốt nghiệp kỹ sư này, em trình bày nhìn tổng quan truyền thơng ánh sáng vùng nhìn thấy tính chất LED – nguồn sáng thích hợp cho hệ thống VLC Mục tiêu đề đồ án nâng cao tốc độ điều chế khóa tắt mở (OOK – on-off keying) LED hệ thống truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy Trong đồ án, em trình bày sở lý thuyết phương pháp cải thiện tốc độ điều chế LED sử dụng hiệu ứng “peaking” (đỉnh nhọn) hiệu ứng “carrier sweep-out” (quét hạt tải) tạo mạch vi phân có ngưỡng gồm hai diode Shottky tụ điện Đồ án trình bày sơ đồ thiết kế máy phát, máy thu sơ đồ bố trí thí nghiệm đường truyền tín hiệu quang khơng dây cự ly ngắn (0.5 m) Các thí nghiệm khảo sát số đặc trưng chế độ chiều, đặc trưng điều chế tín hiệu nhỏ LED, thí nghiệm đo đồ thị mắt tỷ lệ lỗi bit đường truyền VLC trình bày Chương Chương đồ án Các kết thí nghiệm cho thấy, cách sử dụng hiệu ứng “peaking” hiệu ứng “carrier sweep-out” tạo mạch vi phân có ngưỡng, em cải thiện tốc độ điều chế LED màu đỏ (vật liệu AlInGaP) RGB-LED thương mại B5-4RGB-CBA lên lần Hiệu cải thiện phương pháp đề áp dụng cho LED màu lục LED màu lam thấp ảnh hưởng trường áp điện cấu trúc LED dựa vật liệu III-nitride Để giải vấn đề LED màu lục màu lam, cần có thêm nghiên cứu trường áp điện sai lệch số mạng tinh thể phương pháp áp dụng hiệu ứng “carrier sweepout” cho loại vật liệu Em tìm hiểu thêm vấn đề nghiên cứu ABTRACT In this graduate project thesis, I present the overview of visible light communications and the characteristics of LED – a light source of VLC systems The purpose of this project is to enhance the on-off keying (OOK) modulation rate of the LEDs in the VLC systems In this thesis, I present the principle of a method using the peaking and carrier sweep-out effects, which generated by the differentiator circuit with an inserted threshold voltage [also named current-shaping circuit (CSC)], to improve the OOK-NRZ (nonreturn-to-zero) modulation rate of a commercial RGB LED The thesis also presents proposed schematics of a transmitter and a receiver, and the experimental setup of a short distance optical wireless link (0.5 m) The experiments used to determine the DC characteristics and the small signal modulation characteristic of the LED, the eye-diagram measurements and the bit error rate tests are presented in the chapter and of the thesis The experimental results show that, by implying the peaking and carriersweep-out effects generated by the CSC, I can improve the OOK modulation rate of the AlInGaP red LED by a factor of However, the efficiency of our method is reduced when applying to the green and the blue LEDs by the impacts of the piezoelectric field in the LEDs which are based on the III-nitride wide band gap semiconductors For further studies, I expect to improve the carrier sweep-out effect on GaN-based LED MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABTRACT DANH SÁCH HÌNH VẼ 11 DANH SÁCH BẢNG BIỂU 13 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 14 PHẦN MỞ ĐẦU 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VLC 19 1.1 Lịch sử truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy 19 1.2 Nguồn sáng hệ thống VLC 19 1.2.1 Laser diode (LD) 19 1.2.2 LED (light emitting diode) 20 1.3 Thách thức hệ thống VLC 23 1.3.1 Tốc độ liệu 23 1.3.2 Đường truyền hai chiều 23 1.3.3 Điều khiển tối 24 1.4 Các phương pháp điều chế 24 1.4.1 Điều chế khóa tắt mở (OOK - on-off keying) 24 1.4.2 Điều chế biên độ xung đa mức (m-PAM – multilevel Pulse Amplitude Modulation) 24 1.4.3 1.5 Điều chế đa tần rời rạc (DMT – discrete multitone) 25 Kết luận 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56 [21] P H Binh, V D Trong, P Renucci, and X Marie, “Improving OOK Modulation Rate of Visible LED by Peaking and Carrier Sweep-Out Effects Using n-Schottky Diodes-Capacitance Circuit,” J Lightw Technol., vol 31, no 15, pp 2578–2583, 2013 [22] P H Binh and V D Trong, “500 MBIT/s OOK-NRZ Transceiver for 50 m GIPOF using 100 MHz RC-LED,” Microwave Opt Technol Lett., vol.57, pp 826830, 2015 [23] Roithner-LaserTechnik B5-4RGB-CBA [Online] Available: http://www.roithner-laser.com/ (truy nhập lần cuối ngày 1/6/2016) [24] S I Park, J I Lee, D H Jang, H S Kim, D S Shin, H Y Ryu, and J I Shim “Measurement of Internal Electric Field in GaN-Based Light-Emitting Diodes” IEEE J Quant Electron., vol.48, no 4, pp 500–506, 2012 [25] Y D Jho, J S Yahng, E Oh, and D S Kim, “Measurement of piezoelectric field and tunneling times in strongly biased InGaN/GaN quantum wells,” Appl Phys Lett., vol 79, no.8, pp 1130–1132, 2001 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56 BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT-ANH Thuật ngữ tiếng Việt Truyền thơng ánh sáng vùng nhìn Thuật ngữ tiếng Anh Visible light communications thấy Khóa tắt mở On-off keying Điều chế biên độ đa mức Multilevel pulse amplitude modulation Đa tần rời rạc Discrete multitone Ghép kênh phân chia theo tần số trực Orthogonal frequency-division giao multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng Wavelength division multiplexing Hiệu ứng đỉnh nhọn Peaking effect Hiệu ứng quét hạt tải Carrier sweep-out effect Mạch tạo dạng dòng Current-shaping circuit Thời gian thiết lập Rise time Thời gian phân rã Decay time, fall time Máy phát Transmitter Máy thu Receiver Mạch điều khiển Driver Khuếch đại truyền trở kháng Transimpedance amplifier Khuếch đại giới hạn Limiting amplifier 63 Phụ Lục 1: Sơ đồ nguyên lý máy phát & máy thu Sơ đồ nguyên lý máy phát: Phụ Lục 1: Sơ đồ nguyên lý máy phát & máy thu Sơ đồ nguyên lý máy thu: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án RGB LED B5-4RGB-CBA: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án RGB LED B5-4RGB-CBA: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án Photodiode S10784: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án Photodiode S10784: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án MC2042-4 Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án MC2042-4: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án MC2042-4 Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án CT-2/P6041 current probe: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án CT-2/P6041 current probe: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án CT-2/P6041 current probe: Phụ Lục 2: Thông số linh kiện sử dụng đồ án CT-2/P6041 current probe: