Nghiên cứu tăng tốc độ điều chế led ứng dụng cho các hệ thống thông tin quang băng rộng trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGUYỄN TRUNG HƯNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TRUNG HƯNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU TĂNG TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ LED ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BĂNG RỘNG TRONG NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG KHỐ 2016B Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN TRUNG HƯNG NGHIÊN CỨU TĂNG TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ LED ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BĂNG RỘNG TRONG NHÀ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS PHẠM NGỌC NAM PGS TS PHÍ HỊA BÌNH Hà Nội – Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình nghiên cứu thực đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, em nhận bảo, hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Phạm Ngọc Nam (Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội) thầy giáo 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 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 thời gian qua Kính chúc thầy sức khỏe để tiếp tục công tác tốt, tiếp tục dẫn dắt thêm nhiều sinh viên, học viên đường tìm kiếm mở mang tri thức Mặc dù cố gắng nỗ lực mình, song chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thơng cảm bảo tận tình từ q thầy cô bạn Học viên, Nguyễn Trung Hưng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU .1 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Nguồn sáng hệ thống VLC 1.1.3 Thách thức hệ thống VLC 1.1.4 Các phương pháp điều chế 11 1.2 Diode phát quang 12 1.2.1 Lịch sử phát triển 12 1.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 15 1.2.3 Đặc trưng quang - điện LED 19 1.2.4 LED trắng dựa vật liệu ZnSe 21 1.3 Kết luận chương 23 Chương 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT 25 2.1 Hiệu ứng đỉnh nhọn .25 2.2 Hiệu ứng quét hạt tải 26 2.3 Mạch tạo dạng dòng 28 2.4 Kết luận chương 30 Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH THU PHÁT .32 3.1 Thiết kế mạch phát 32 3.1.1 Kiến trúc máy phát 32 3.1.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 34 3.2 Thiết kế mạch thu 37 3.2.1 Kiến trúc máy thu 37 3.2.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 38 ii 3.3 Kết luận chương 38 Chương 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 40 4.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng LED 40 4.1.1 Phổ phát xạ LED 40 4.1.2 Đặc trưng I-P 42 4.1.3 Băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ 46 4.2 Thí nghiệm hệ thống thông tin quang cự ly ngắn 48 4.3 Kết vả nhận xét .50 KẾT LUẬN .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải Nghĩa tiếng Việt VLC Visible Light Communication Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy LED Light Emitting Diode Diode phát quang LD Laser Diode Diode Laser RGB Red Green Blue Đỏ lục lam OOK On-Off Keying Khóa tắt mở PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung DMT Discrete Multi-Tone Điều chế đa tần rời rạc OFDM Orthogonal frequency-division Ghép kênh phân chia theo tần số multiplexing trực giao TIA Transimpedance Amplifier Khuếch đại truyền trở kháng LA Limiting amplifier Khuếch đại giới hạn PD Photodiode Photodiode BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CSC Current Shaping Circuit Mạch tạo dạng dòng iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 0.1 Vạn vật kết nối Internet Hình 0.2 Dải tần ánh sáng vùng nhìn thấy Hình 1.1 So sánh tuổi thọ hiệu suất phát quang nguồn sáng [11] 13 Hình 1.2 Cấu trúc giản đồ lượng lớp tiếp giáp p-n .16 Hình 1.3 Giản đồ lượng DH-LED 16 Hình 1.4 Q trình tái hợp hạt tải khơng phát xạ: (a) tái hợp Shockley-Read-Hall (b) tái hợp Auger (c) trình tái hợp hạt tải phát xạ photon .17 Hình 1.5 Đặc trưng I-P LED .20 Hình 1.6 Phổ phát xạ LED: Phosphor, RGB ZnSe 22 Hình 2.1 Dạng xung dòng xung quang trường hợp (a) khơng có hiệu ứng đỉnh nhọn (b) có hiệu ứng đỉnh nhọn 25 Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện tương đương LED 26 Hình 2.3 Dạng xung điện áp xung quang trường hợp (a) khơng có hiệu ứng qt hạt tải (b) có hiệu ứng quét hạt tải 27 Hình 2.4 Xu hướng chuyển động hạt tải sau tắt kích thích trường hợp (a) LED bị phân cực ngược (b) LED không phân cực 28 Hình 2.5 Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân RC 28 Hình 2.6 Dạng xung dịng điện qua LED xung quang trường hợp: (a) khơng có hiệu ứng, (b) có hiệu ứng đỉnh nhọn hiệu ứng quét hạt tải 29 Hình 2.7 (a) Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân có ngưỡng (b) Đặc trưng volt-ampere diode lý tưởng .30 Hình 2.8 Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch tạo dạng dịng cải tiến 30 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển LED 32 Hình 3.2 IC MC2042 .34 Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý máy phát 36 Hình 3.4 Sơ đồ máy thu thông tin quang đơn giản 37 Hình 3.5 Sơ đồ khối máy thu 38 Hình 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý máy thu 38 v Hình 4.1 Kết thí nghiệm đo phổ phát xạ LED RLZB-52 41 Hình 4.2 Kết đo đặc trưng I-V LED RLZB-52 42 Hình 4.3 Phổ xạ LED RLZB-52 hàm truyền qua kính lọc màu 43 Hình 4.4 Kết thí nghiệm đo đặc trưng I-P LED RLZB-52 44 Hình 4.5 Sơ đồ thí nghiệm đo băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ LED 46 Hình 4.6 Kết đo băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ LED RLZB-52 .48 Hình 4.7 Sơ đồ khối thí nghiệm đo đồ thị mắt tỷ lệ lỗi bit hệ thống .49 Hình 4.8 Bố trí thí nghiệm đo đồ thị mắt tỉ lệ lỗi bit hệ thống 49 Hình 4.9 Kết đo đồ thị mắt hệ thống với tốc độ: (a) 400 Mbit/s (b) 470 Mbit/s 51 vi Nguyễn Trung Hưng MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong xu phát triển cách mạng công nghệ lần thứ tư giới hay gọi cách mạng công nghiệp 4.0 Việt Nam, nhu cầu trao đổi thông tin người với người, người với máy móc hay máy móc với ngày tăng cao Khái niệm vạn vật kết nối Internet (IoT – Internet of Things) dần trở nên quen thuộc với tất người Với IoT, vật gán cho mã định danh kết nối vào mạng lưới chung Qua đó, người quản lý, điều khiển thiết bị cho dù nơi Hình 0.1 thể mơ hình đơn giản hệ thống IoT với thiết bị điện phòng kết nối với internet thông qua hệ thống thông tin kết hợp chiếu sáng Công nghệ thông tin băng rộng chiếu sáng kết hợp thông tin sử dụng LED hiệu suất cao, giá thành thấp hướng nghiên cứu đặt xu Hình 0.1 Vạn vật kết nối Internet Trong đó, hệ thống truyền thơng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC – Visible light communications) sử dụng ánh sáng nhìn thấy có dải tần nằm khoảng từ Nguyễn Trung Hưng 400-800 THz (Hình 0.2) nhận nhiều quan tâm với nhiều ưu điểm như: o Tính bảo mật cao: Sóng vơ tuyến có khả xuyên qua vật che chắn tường ngăn cách, ánh sáng vùng nhìn thấy bị chặn lại hồn tồn vật che chắn Do đó, tính bảo mật ánh sáng vùng nhìn thấy lớn, thơng tin hồn tồn tồn phạm vi định o An tồn: ánh sáng vùng nhìn thấy khơng gây ảnh hưởng tới sức khỏe người động vật o Tái sử dụng không gian: Do thông tin ánh sáng vùng nhìn thấy yêu cầu độ định hướng cao, thơng tin tồn khơng gian định Vượt qua ngồi khoảng khơng gian này, người ta hồn tồn sử dụng lại tần số ánh sáng để truyền thông tin mà không gây nhiễu o Tính chống nhiễu: Dải tần ánh sáng vùng nhìn thấy hồn tồn khơng gây nhiễu với sóng vơ tuyến Vì vậy, triển khai hệ thống VLC không gây ảnh hưởng đến hệ thống vô tuyến sẵn có Từ ưu điểm trên, VLC hướng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu tốc độ liệu ngày tăng mà hệ thống thông tin wifi dần khơng cịn đáp ứng Tuy nhiên, giới hạn tốc độ điều chế diode phát quang (LED), nguồn sáng chủ yếu hệ thống VLC, tạo khó khăn khơng nhỏ cho việc đưa VLC áp dụng phổ biến thực tế Tăng tốc độ điều chế LED dựa chế vật lý thay đổi cấu trúc, vật liệu kỹ thuật mạch điều chế yếu tố quyêt định nghiên cứu nhằm đưa tới ứng dụng thông tin băng rộng giá thành rẻ tương lai Nguyễn Trung Hưng Luận văn trình bày kết đạt vấn đề cịn tồn q trình tác giả nghiên cứu làm việc phòng 325, nhà A2, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn trực tiếp PGS TS Phạm Ngọc Nam PGS TS Phí Hịa Bình Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, bảo tận tình thầy Do điều kiện thời gian có hạn kiến thức cịn hạn chế, luận văn trình bày khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả hi vọng nhận góp ý, nhận xét thầy, giáo bạn để luận văn hoàn thiện 53 Nguyễn Trung Hưng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trung Hưng, “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở hệ thống truyền thông ánh sáng vùng nhìn thấy”, ĐATN, 6-2016 [2] N T Hung, Nam Pham Ngoc, T C Thang, and P H Binh: “125Mbit/s×3 Transmitter for Short-Distance Optical Link Using Low-Cost RGB-LED”, IEEE ICCE, Halong, July 2016 [3] P H Binh and V D Trong, “500 MBIT/s OOK-NRZ Transceiver for 50 m GI-POF using 100 MHz RC-LED,” Microwave Opt Technol Lett., vol.57, pp 826-830, 2015 [4] A G Bell, W G Adams, Tyndall, and W H Preece, “Discussion on the photophone and the conversion of radiant energy into sound,” Journal of the Society of Telegraph Engineers, vol 9, no 34, pp 375-383, 1880 [5] D Jackson, T Buflaloe, and S Leeb, “Fiat lux: a fluorescent lamp digital transceiver,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 34, no 3, pp 625-630, 1998 [6] VLCC, “Visible light communications consortium,” 2007 [Online] Available: http://www.vlcc.net/modules/xpage1/ (truy nhập lần cuối ngày 31/5/2016) [7] Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 15.7 Std., 2011 [8] A H Azhar, T.-A Tran, and D OBrien, “A Gigabit/s indoor wireless transmission using MIMO-OFDM visible light communications,” IEEE Photon Technol Lett., vol 25, no 2, pp 171-174, 2013 [9] H Le Minh, D OBrien, G Faulkner, L Zeng, K Lee, D Jung, Y Oh, and E T Won, “100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED,” IEEE Photon Technol Lett., vol 21, no 15, pp 1063-1065, 2009 54 Nguyễn Trung Hưng [10] H Li, X Chen, B Huang, D Tang, and H Chen, “High bandwidth visible light communications based on a post-equalization circuit,” IEEE Photon Technol Lett., vol 26, no 2, pp 119-122, 2014 [11] D Karunatilaka, F Zafar, V Kalavally, and R Parthiban, “LED based indoor visible light communications: State of the art,” Communications surveys & Tutorials, IEEE, vol 17, no 3, pp 1649-1678, 2015 [12] H J Round, “A note on carborundum,” Electrical World, vol 49, pp 309, 1907 [13] O V Losev, “Luminous Carborundum [Silicon Carbide] detector and detection with crystals,” Telegrafiya i Telefoniya bez Provodov, vol 44, pp 485-494, 1927 (in Russian) [14] N Holonyak Jr and S F Bevacqua, “Coherent (visible) light emission from Ga(As1-xPx) junctions,” Appl Phys Lett., vol 1, pp 82–83, 1962 [15] E F Schubert, Light-Emitting Diodes, 2nd ed Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2006 [16] H Kressel, M Ettenberg, J P Wittke, and I Ladany, “Laser Diodes and LEDs for Fiber Optical Communication,” in Topics in Applied Physics: Semiconductor devices for optical communications, 2nd ed Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1987, ch 2, sec 2.5, pp 46–48 [17] T P Lee, “Effect of junction capacitance on the rise time of LED’s and on the turn-on delay of injection lasers,” Bell Syst Tech J., vol 54, no 1, pp 53–68, Jan 1975 [18] J Zucker, “Closed-form calculation of the transient behavior of (Al,Ga)As double-heterojunction LED’s,” J Appl Phys., vol 49, no 4, pp 2543–2545, Apr 1978 [19] J Zucker and R B Lauer, “Optimization and characterization of highradiance (Al,Ga)As double-heterostructure LED’s for optical communication systems,” IEEE J Solid-State Circuits, vol 13, no 1, pp 119–124, Feb 1978 55 Nguyễn Trung Hưng [20] R W Dawson, “LED bandwidth improvement by bipolar pulsing,” IEEE J Quantum Electron., vol 16, no 7, pp 697–699, Jul 1980 [21] T B Norris, X Song, W J Straff, L F Eastman, G.Wicks, and G A Mourou, “Tunneling escape time of electrons from a quantum well under the influence of an electric field,” Appl Phys Lett., vol 54, no 1, pp 60–62, Jan 1989 [22] J Nelson,M Paxman, K W J Barnham, J S Roberts, and C Button, “Steady-state carrier escape from single quantum wells,” IEEE J Quantum Electron., vol 29, no 6, pp 1460–1468, Jun 1993 [23] K R Lefebvre and A F M Anwar, “Electron escape time from single quantum wells,” IEEE J Quantum Electron., vol 33, no 2, pp 187–191, Feb 1997 [24] J S Massa, G S Buller, and A C Walker, “Time-resolved photoluminescence studies of cross-well transport in a biased GaAs/AlGaAs multiple quantum well p-i-n structure,” J Appl Phys., vol 82, no 2, pp 712– 717, 1997 [25] P H Binh, V D Trong, P Renucci, and X Marie, “A simple sub nanosecond ultraviolet light pulse generator with high repetition rate and peak power,” Rev Sci Instrum., vol 84, no 8, pp 083102, 2013 [26] 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 [27] Roithner-LaserTechnik RLZB-52 [Online] Available: http://www.roithnerlaser.com/ (truy nhập lần cuối ngày 1/6/2016) [28] S J Chang, T K Lin , Y Z Chiou , B R Huang , S P Chang, C M Chang , Y C Lin , C C Wong, “ZnSe based white light emitting diode on homoepitaxial ZnSe substrate,” IET Optoelectron., vol 1, no 1, pp 29–41, 2007 56 Thông số linh kiện sử dụng luận văn Roithner LaserTecnik RLZB-52 white LED: 57 Thông số linh kiện sử dụng luận văn Roithner LaserTecnik RLZB-52 white LED: s 58 Thông số linh kiện sử dụng luận văn Photodiode S10784: 59 Thông số linh kiện sử dụng luận văn Photodiode S10784: 60 Thông số linh kiện sử dụng luận văn MC2042-4 61 Thông số linh kiện sử dụng luận văn MC2042-4: 62 Thông số linh kiện sử dụng luận văn MC2042-4 63 Thông số linh kiện sử dụng luận văn CT-2/P6041 current probe: 64 Thông số linh kiện sử dụng luận văn CT-2/P6041 current probe: 65 Thông số linh kiện sử dụng luận văn CT-2/P6041 current probe: 66 Thông số linh kiện sử dụng luận văn CT-2/P6041 current probe: 67 ... TRUNG HƯNG NGHIÊN CỨU TĂNG TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ LED ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG BĂNG RỘNG TRONG NHÀ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI... sử dụng chủ yếu mạng thông tin quang Giới hạn tốc độ điều chế LED dang hạn chế ứng dụng hệ thống thông tin quang băng rộng Hiện nhiều Viện nghiên cứu Phịng thí nghiệm mạnh giới tập trung nghiên. .. giữ chủ đạo hệ thống ứng dụng thông tin với tốc độ cao (hàng gigabit), LED tìm thấy chỗ ? ?ứng lĩnh vực yêu cầu tốc độ thấp, cự ly ngắn VLC, hệ thống truyền thông tin quang dựa sợi cáp quang nhựa