Thiết kế bộ thu phát trong hệ thống thông tin quang nhìn thấy VLC (tóm tắt luận văn ngành quản trị kinh doanh)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Đoàn Văn Huệ THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG NHÌN THẤY VLC Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ĐỨC NHÂN Phản biện 1: TS NGUYỄN NGỌC MINH Phản biện 2: TS NGUYỄN VŨ SƠN Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 09 00 phút, ngày 14 tháng 07 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Hiện nay, mạng không dây phát triển nhanh toàn Thế Giới lợi ích mà mang lại vơ to lớn Tuy nhiên mạng không dây ngày cịn sử dụng sóng vơ tuyến phương tiện truyền dẫn tồn số nhược điểm băng thông dần bị sử dụng hết, hạn chế sử dụng số môi trường đặc biệt bệnh viện, máy bay nơi có máy móc nhạy với sóng vơ tuyến Mặt khác, phát triển mạnh diode phát quang (Light Emitting Diode-LED) với ưu điểm hiệu chiếu sáng cao, độ bền cao đặc biệt tiết kiệm lượng mở hướng truyền thông tin không dây Cơng nghệ truyền thơng tin ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication-VLC) lên công nghệ truyền thông tin tương lai Đặc biệt hơn, xây dựng hạ tầng vừa dùng để chiếu sáng, vừa dùng để truyền thông tin sử dụng nguồn phát bóng đèn LED Vì lý trên, em lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ là: “ THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG NHÌN THẤY VLC ” Tổng quan vấn đề nghiên cứu: Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thơng tin có từ sớm (khoảng năm 1880) Khi nhà khoa học chế tạo thiết bị truyền thông tin nhờ vào việc sử dụng ánh sáng mặt trời Nhưng phải đến năm gần cơng nghệ LED phát triển mạnh mẽ cơng nghệ VLC có bước tiến vượt bậc với ưu điểm vượt trội công nghệ truyền thông tin sóng vơ tuyến Tuy nhiên cơng nghệ VLC sinh để thay cho công nghệ sóng vơ tuyến, mà hai cơng nghệ hỗ trợ việc cung cấp băng thông cho mạng không dây 2 Với ưu điểm vượt trội : dung lượng lớn, hiệu cao, an toàn với người bảo mật cao cơng nghệ VLC phù hợp cho ứng dụng yêu cầu đường xuống tốc độ cao, cần đường lên với tốc độ thấp như: download video, audio, duyệt Web…Qua đó, ta giải vấn đề tải mạng truyền thông tin không dây Mục đích nghiên cứu: - Nắm cơng nghệ truyền thơng tin quang ánh sáng nhìn thấy VLC - Trên sở thiết kế thu phát hệ thống thơng in quang ánh sáng nhìn thấy VLC Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Bộ thu phát hệ thống thơng tin quang ánh sáng nhìn thấy VLC - Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống truyền thông tin ánh sáng nhìn thấy kết nối máy tính để truyền liệu Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết công nghệ truyền thông tin quang ánh sáng nhìn thấy VLC Thu thập tài liệu, báo, cơng trình nghiên cứu có liên quan… Nghiên cứu thực nghiệm : thiết kế thu phát hệ thống thơng tin quang nhìn thấy VLC Dùng phần mềm Hercules để đánh giá việc truyền nhận thông tin thu phát 3 Chương : TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG TIN BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY Chương cho nhìn tổng thể cơng nghệ truyền thơng tin ánh sáng nhìn thấy, từ lịch sử phát triển đến thành phần hệ thống ưu nhược điểm hệ thống… 1.1 Q trình phát triển cơng nghệ VLC Được phát minh từ năm 1880 nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell công nghệ phát triển mạnh mẽ vào năm gần công nghệ LED đạt thành tựu vượt bậc khả chiếu sáng tiết kiệm lượng, sản sinh nhiệt 1.2 Các thành phần hệ thống VLC Một hệ thống VLC bao gồm thành phần chính: Hệ thống phát, kênh truyền hệ thống thu Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 1.3 Ưu điểm công nghệ VLC Hiện nay, phổ tần sóng vơ tuyến (Radio Frequency-RF) ngày cạn kiệt việc mở rộng băng thơng hạn chế Thêm vào đó, việc sử dụng sóng vơ tuyến lại gây nhiễu với hệ thống điện tử xung quang đặc biệt thiết bị bệnh viện,hàng không… gây ảnh hưởng tới sức khỏe người Cơng nghệ VLC có nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vơ tuyến RF 4 1.3.1 Dung lượng Hình1.4 : Dải tần sóng ánh sáng nhìn thấy Băng thơng lớn: Phổ tần sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000 lần so với phổ sóng vơ tuyến hồn tồn miễn phí sử dụng Mật độ liệu: cơng nghệ VLC đạt mật độ liệu gấp 1000 lần so với WIFI ánh sáng nhìn thấy khơng xun qua vật cản nên tập trung không gian, sóng vơ tuyến có xu hướng dẫn tới suy hao gây nhiễu Tốc độ cao: cơng nghệ VLC đạt tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn cường độ chiếu sáng lớn đầu 1.3.2 Hiệu cao Việc sử dụng đền LED để vừa chiếu sáng vừa truyền tin, với hệ thống gồm thành phần cấu thành làm giảm chi phí đáng kể mà độ bền lại cao 1.3.3 An toàn - An toàn sức khỏe người - Việc truyền dẫn sóng ánh sáng khơng gây nhiễu máy bay, không gây nhiễu với máy móc sử dụng bệnh viện 1.3.4 Bảo mật Vì truyền thơng sóng ánh sáng tập trung khu vực định, đâm xuyên qua vật thể nên khó để thu thập hay thám tín hiệu thơng tin 5 1.4 Kết luận chương Trên thông tin cơng nghệ truyền thơng tin ánh sáng nhìn thấy Cơng nghệ có nhiều ưu thế, nhiên chưa thể thay công nghệ vô tuyến mà hỗ trợ giảm tải cho hệ thống RF Chương : NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VLC Chương cho người đọc nhìn chi tiết hệ thống VLC từ phương pháp điều chế, mã hóa đến thành phần thu-phát, mơ hình kênh truyền hệ thống 2.1 Các phương pháp điều chế điều chỉnh độ sáng VLC Do sử dụng đèn LED vừa dùng để chiếu sáng, vừa dụng để truyền thông tin không dây Nên ta phải có phương pháp mã hóa điều chế thông tin phù hợp, để ánh sáng phát khơng bị tượng nhấp nháy, có độ sáng phù hợp cho mục đích chiếu sáng đặc biệt điều chỉnh cường độ sáng Một số phương pháp điều chế sử dụng: 2.1.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)[1] 2.1.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse Position Modulation – VPPM)[2] 2.1.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying) 2.1.4 Phương pháp điều chế R-RZ (Reverse- RZ) 2.2 Kỹ thuật mã hóa VLC Trong cơng nghệ VLC, tín hiệu trước điều chế mã hóa để phát lỗi sửa lỗi phía nhận Ở phía phát hệ thống VLC tùy thuộc vào phương pháp điều chế sử dụng mà hệ thống sử dụng kỹ thuật mã hóa khác 4B5B [4], M-4B5B [4], hay 4B6B [5]… 2.3 Mơ hình kênh thơng tin VLC 2.3.1 Mơ hình kênh truyền VLC nhà[6] Đối với mơ hình nhà, u cầu độ sáng đầy đủ vô cần thiết Để vừa thực chức truyền tin, vừa thực chức chiếu sáng ta cần số lượng đèn LED lớn làm nhiệm vụ 2.3.2 Mơ hình dải kênh màu[7] Việc sử dụng kênh màu hệ thống truyền thông VLC vô cần thiết, qua kênh màu ta truyền luồng thông tin khác Trong mô hình sử dụng khác kênh màu để truyền thơng tin máy thu có nhiệm vụ nhận kênh màu mà sử dụng Điều gây khó khăn u cầu máy thu phải có độ nhạy cao 2.4 Mơ hình kết nối VLC Hiệu trình truyền dẫn thông tin VLC phụ thuộc nhiều vào mô hình kết nối Trong VLC phân thành hai loại mơ hình kết nối: - Mơ hình đường nhìn thấy Line of Sight- LOS - Mơ hình đường khơng nhìn thấy None Light of Sight- NLOS 2.4.1 Mơ hình kết nối Line of Sight[8] 2.4.2 Mơ hình kết nối None Line of Sight[9] 2.5 Thành phần thu - phát hệ thống VLC 2.5.1 Thành phần phát Thành phần phát hệ thống VLC thành phần có chức đưa thông tin cần truyền vào ánh sáng phát từ đèn LED, sau phát ánh sáng mơi trường khơng gian Mơ hình thành phần phát sau: Hình 2.31 : Mơ hình thành phần phát 2.5.2 Thành phần thu Thành phần quan trọng máy thu VLC thiết bị chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Có hai cách xử lý tín hiệu quang đến hệ thống VLC sử dụng diode tách quang chip cảm biến hình ảnh(Image SensorIS) Việc thu tín hiệu quang mơ tả hình 2.32: Hình 2.32: Các bước thu tín hiệu VLC 2.6 Kết luận chương Chương II trình bày phần tử cấu thành nên hệ thống VLC Do phần tử thu quang có hai loại khác nhau, có hai kiểu truyền tin khác có hai kiểu đường truyền khác nhau, nên tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể khác mà người sử dụng lựa chọn hệ thống cho phù hợp Cũng việc lựa chon phương pháp điều chế mã hóa cho hệ thống Chương : THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG NHÌN THẤY VLC 3.1 Yêu cầu hệ thống Bảng 3.1 : Thông số tiêu kỹ thuật mạch VLC Thông số Yêu cầu Công suất tiêu thụ phát 200mW Công suất tiêu thụ thu 200mW Điện áp cấp cho phát +5v Điện áp cấp cho thu +5v Cự ly kết nối 1-10 cm Tốc độ truyền < 120Kbps Bước sóng hoạt động 450-490 nm Kích cỡ phát 3x5 cm Kích cỡ thu 3x6 cm 3.2 Giới thiệu linh kiện sử dụng hệ thống 3.2.1 Transistor 2N2222 Đây transistor thơng dụng có cấu tạo gồm lớp bán dẫn ghép với thành mối nối P-N ,thuộc loại transistor nghịch NPN Transistor 2N2222 có điện áp giới hạn lên tới Uce = 30V, dòng điện giới hạn Transistor 2N2222 Ic = 800mA Hệ số khuếch đại hFE Transistor 2N2222 lên đến 75 Transistor 2N2222 hoạt động dải nhiệt độ từ -55oC ~ 150oC Transistor 2N2222 transistor công suất 500mW, nhiên tần số làm việc cao.Transistor 2N2222 sử dụng rỗng rãi việc thiết kế mạch khuếch đại 9 Hình 3.1 Transictor 2N2222 3.2.2 IC so sánh LM339N IC LM339N gồm so sánh độc lập, thiết kế làm việc với nguồn đơn dải điện áp rộng nguồn đơi Dịng điện cung cấp cho cực máng LM339N độc lập với nguồn cung cấp, cấu trúc IC LM339N hình 3.2 Ứng dụng LM339 bao gồm so sánh, chuyển đổi tương tự sang số đơn giản, máy phát xung vuông, tạo thời gian trễ cổng logic số điện áp cao LM339N thiết kế với giao diện trực tiếp TTL MOS/CMOS Khi hoạt động từ nguồn đối xứng thiết kế với giao diện trực tiếp MOS Hình 3.2: Sơ đồ chân IC LM339N 10 3.2.3 IC thu phát MAX3232 IC thu phát Max3232 dịch cấp, chuyển đổi từ mức +/-12v RS-232 sang đến 5v mức TTL Giao diện RS-232 sử dụng -3v đến -12v cho mức logic 3v đến 12v cho mức logic Vì ta sử dụng Max3232 vừa để chuyển đổi điện áp, bảo vệ mạch khỏi đột biến từ giao diện RS-232 Hầu hết máy tính giới hạn mức 115kbps với giao diện RS-232, MAX3232 làm việc mức 120kbps nên đủ để đáp ứng giao tiếp với máy tính Hình 3.5 Sơ đồ chân IC Max3232 3.3 Khối phát thơng tin Khối phát thơng tin có nhiệm vụ nhận thơng tin từ máy chủ, sau xử lý gửi tới đèn LED để phát không gian Trong khối phát sử dụng linh kiện IC thu phát MAX3232, transistor 2N2222 đèn LED thương mại 11 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối phát thông tin hệ thống VLC 3.4 Khối thu thông tin Khối thu thơng tin có nhiệm vụ nhận ánh sáng mang thông tin phát từ đèn LED bên phía phát, sau chuyển thơng tin từ ánh sáng sang dòng điện gửi vào máy khách 12 Hình 3.10: Khối thu thơng tin Hình 3.11: Mạch Max3232 bên phía thu 13 3.5 Thử nghiệm hệ thống 3.5.1 Giới thiệu phần mềm Hercules Hercules phần mềm có khả truyền nhận liệu qua cổng COM (như thiết bị đầu cuối) Ở phần mềm truyền tin ta điều chỉnh tốc độ truyền tin hệ thống ,lựa chọn chế độ truyền tin khác lựa chọn kích thước gói tin bit, có sử dụng hay không sử dụng mã kiểm tra chẵn lẻ,thay đổi tốc Baud… 3.5.2 Thử nghiệm việc truyền liệu từ phát sang thu Việc truyền liệu từ phát sang thu đáp ứng yêu cầu ban đầu đề tài đặt Khi kết nối thu – phát vào cổng COM máy tính, phần mềm nhận kết nối COM kết nối với thu – phát Việc truyền thông tin thực sau : - Ở phát : kết nối cáp RS232 vào cổng Com phát với cổng Com máy tính, cấp nguồn điện chiều 5v 0,2 mAh cho phát Lúc đèn LED phát bật sáng Trên phần mềm máy tính báo kết nối thành công với cổng COM1 -Ở thu : làm tương tự phát cho kết phần mềm báo kết nối thành công với cổng COM1 Cho đèn led phát photodiode thu lại gần khoảng từ 110 cm bắt đầu trình truyền nhận liệu ( điều kiện để thu phát hoạt động tốt phịng tối, ánh sáng) 3.5.3 Đánh giá kết đạt Sử dụng máy Oscilloscope để đo tín hiệu thu kết sau: Tín hiệu đầu mạch thu phát sử dụng công nghệ VLC đo máy Oscilloscope 14 Hình 3.16: Dạng sóng đầu mạch thu Oscilloscope Hình 3.16 cho ta thấy, với tốc độ Baud 14400, thu cho tín hiệu đầu xung vuông đặn Đến tốc độ Baud 19200 xung bắt đầu có tượng bị méo, nhiên khơng ảnh hưởng đến việc truyền tin, đầu IC thu phát MAX3232 xung vng đặn (Hình 4.5) bên phía máy thu nhận thơng tin bên phía máy phát gửi 3.5.4 Hướng phát triển đề tài Để nâng cao khả truyền thông tin chiếu sáng hệ thống hướng phát triển đề tài sử dụng bảng LED với số lượng đèn LED lớn bên phát, sử dụng chíp cảm biến ảnh hệ thống thấu kính thu ánh sáng bên thu 15 Hình 3.19 : Bảng LED với LED trắng 3.6 Kết luận chương Chương tiến hành thiết kế, xây dựng thử nghiệm hệ thống truyền thông tin ánh sáng nhìn thấy với tốc độ truyền tin thấp, qua cho nhìn chi tiết cấu trúc nguyên lý hoạt động hệ thống VLC Cùng với nhiều ứng dụng hấp dẫn triển khai cơng nghệ Tuy nhiên, cơng nghệ cịn mẻ cần nhiều thời gian nghiên cứu để nâng cao khoảng cách truyền, độ phủ 16 KẾT LUẬN Công nghệ truyền thông tin ánh sáng nhìn thấy VLC hứa hẹn đem lại hệ thống truyền dẫn không dây thay việc sử dụng sóng RF tương lai, với ưu điểm vượt trội tốc độ lên tới hàng Gb/s, thân thiện với người, nhiều ứng dụng hấp dẫn (truyền liệu tốc độ cao, điều khiển, dẫn giao thông, truyền thông nước…) VLC hứa hẹn làm thay đổi mở kỷ nguyên truyền dẫn không dây Trong thời gian nghiên cứu thực luận văn Em tìm hiểu tổng quan công nghệ truyền thông tin ánh sáng nhìn thấy, nghiên cứu cấu trúc hệ thống VLC với phía phát sử dụng đèn LED phía thu sử dụng Photodiode chíp cảm biến ảnh CMOS Cùng với phương pháp mã hóa điều chế như: điều chế khóa bật tắt NRZ-OOK, R-RZ, điều chế vị trí xung biến đổi VPM, điều chế khóa dịch màu CSK, mã hóa 4B5B, M-4B5B, 4B6B Đặc biệt áp dụng kiến thức vào nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thông tin ánh sáng nhìn thấy nhà, qua cho người đọc nhìn rõ cấu trúc hệ thống VLC ưu điểm vượt trôi công nghệ Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm cơng nghệ cịn số hạn chế tầm xa, độ phủ Vì cần thêm thời gian nghiên cứu để công nghệ hoàn thiện sớm áp dụng rộng rãi vào sống Mặc dù cố gắng việc nghiên cứu thực luận văn, thời gian có hạn hiểu biết cịn nhiều hạn chế nên luận văn hệ thống VLC xây dựng luận văn nhiều điểm thiếu sót cần nghiên cứu phát triển để hồn thiện Nên em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy bạn để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! ... nghệ truyền thơng tin quang ánh sáng nhìn thấy VLC - Trên sở thiết kế thu phát hệ thống thông in quang ánh sáng nhìn thấy VLC Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Bộ thu phát hệ. .. thống Chương : THIẾT KẾ BỘ THU PHÁT TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG NHÌN THẤY VLC 3.1 u cầu hệ thống Bảng 3.1 : Thông số tiêu kỹ thu? ??t mạch VLC Thông số Yêu cầu Công suất tiêu thụ phát 200mW Công... nghệ truyền thông tin quang ánh sáng nhìn thấy VLC Thu thập tài liệu, báo, cơng trình nghiên cứu có liên quan… Nghiên cứu thực nghiệm : thiết kế thu phát hệ thống thơng tin quang nhìn thấy VLC