Sử dụng mắt Webcam (loại Lebeca Panwest) để làm thấu kớnh thu phỏt tớn hiệu quang.
Lựa chọn thấu kớnh và lắp đặt trong khụng gian cũng là một vấn đề khỏ phức tạp. Do gúc mở chựm sỏng càng rộng, thỡ thấu kớnh đặt để truyền dữ liệu càng ớt chớnh xỏc. Đồng thời, tớn hiệu quang nhận được khỏ yếu do chựm tia sỏng yếu nếu cụng suất quang bị trải trờn một diện tớch rộng. Vậy khả năng đặt thấu kớnh ở vị trớ trong gúc mở chỉ từ điểm cụ thể và gửi dữ liệu xa nhất cú thể là một bài toỏn cụ thể cần tớnh toỏn.
Thấu kớnh là dạng phẳng lồi cú tiờu cự khoảng 3.5 mm. LED và PIN được đặt ở tiờu điểm của mỗi thấu kớnh để chỳng cú thể kết hợp nguồn sỏng thành tia chuẩn trực. Mụ hỡnh phỏt xạ của LED cú thể gần như được giới hạn trong hỡnh nún gúc ở đỉnh là φ và phần ỏnh sỏng trong nún gúc đỉnh là θ được kết hợp trong hệ thấu kớnh. Cỏc chựm tia song song đi từ thấu kớnh 1 sang thấu kớnh 2 khụng phõn kỳ, do vậy tổn thất về cụng suất truyền qua hệ quang ở khoảng cỏch R trong khụng gian tự do là rất thấp. PIN được đặt ở tiờu điểm của thấu kớnh thứ 2, do đú sẽ nhận được hầu hiết cụng suất quang từ thấu kớnh 1 và từ đú chuyển đổi thành tớn hiệu điện hiệu quả hơn. Độ rộng chựm tia cú thể được điều chỉnh thành chựm phõn kỳ
bởi việc rỳt ngắn tiờu cự f1 nếu gúc chiếu sỏng rộng hơn trong trường hợp cụng suất nguồn cho phộp.
Hỡnh 4 - 21 Biểu diễn hỡnh học để thiết lập ỏnh sỏng truyền đến PIN
Trong đú h là bỏn kớnh vết trũn do LED tạo ra khi chiếu đến module thu. Bằng cỏch đo đạc trực tiếp đường kớnh của vết cú thể tớnh được bỏn kớnh h và gúc
0 11 = φ độ đó biết ta cú thể tớnh được d: d h tagφ=
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ MODULE THU QUANG CHO
HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG KHẢ KIẾN
Trong chương này trỡnh bày sơ đồ khối của hệ thồng thu, chức năng cỏc khối trong hệ thống và sử dụng chương trỡnh mụ phỏng và thiết kế mạch Proteus.
5.1. Thiết kế modul thu quang
Một modul thu quang điển hỡnh bao gồm nhiều tầng khỏc nhau nhưng đồ ỏn chỉ xột đến cỏc thành phần đầu vào gồm photodetector và khối tiền khuếch đại (khối đầu tiờn ngay sau photodetector trong hỡnh vẽ sau)
\
TIA (Transimpedance Amplifier): Khuếch đại chuyển trở khỏng. LA (Limiting Amplifier): Khuếch đại đạt ngưỡng.
CDR (Clock and Data Recorery): Khụi phục tớn hiệu. 5.1.1. Photodetector
Cú nhiều loại photodetector. Chức năng của photodetector là chuyển đổi tớn hiệu quang nhận được thành tớn hiệu điện, tớn hiệu này sau đú được khuếch đại trước khi xử lý. Do đú khi đề cập đến sự suy giảm tớn hiệu theo đường truyền, hiệu suất hệ thống được xỏc định tại photodector.
Photodetector đúng vai trũ quan trọng, phải đỏp ứng những yờu cầu chớnh xỏc về hiệu suất và sự tương thớch. Cỏc tiờu chuẩn dưới đõy xỏc định những yờu cầu quan trọng về sự tương thớch và hiệu suất cho photodetector.
Những yờu cầu để chọn photodetector :
a Độ nhạy cao với bước súng sử dụng.
b Độ chớnh xỏc cao – để tỏi tạo lại dạng tớn hiệu nhận được một cỏch chớnh xỏc (Vớ dụ: đối với việc phỏt tớn hiệu tương tự , đỏp ứng của photodetector phải tuyến tớnh.)
c Đỏp ứng điện lớn đối với tớn hiệu quang thu được – Photodetector nờn tạo ra tớn hiệu điện lớn nhất với cụng suất quang thu được.
d Thời gian đỏp ứng ngắn (pn- msec, PIN/APD - nsec) e Nhiễu tối thiểu.
f Ổn định.
g Kớch thước nhỏ. h Điện ỏp phõn cực thấp. i Độ tin cậy cao.
j Giỏ thành thấp.
Tham số quan trọng nhất của photodetector là đỏp ứng quang, dũng tối (dark current), thời gian chuyển tiếp (transit time), đỏp ứng phổ, độ nhạy sỏng. Đỏp ứng quang là thước đo hiệu quả thu của photodetector. Nú là tỉ lệ của dũng điện đầu ra cua photodiode với cụng suất quang đầu vào và cú đơn vị A/W. Đỏp ứng quang là tương ứng với từng tần số hay bước súng. Dũng tối là dũng điện qua photodiode khi ở trong búng tối hoàn toàn. Dũng tối được gõy ra bởi cỏc hạt mang điện được tạo ra do nhiệt trong photodiode.Thời gian chuyển tiếp là thời gian để cỏc hạt mang điện do sự biến đổi quang đi qua vựng nghốo. Đỏp ứng phổ là giới hạn bước súng mà photodiode cú thể thu được. Núi chung, đỏp ứng phổ được biểu diễn là hàm của bước súng hay tần số. Về bản chất, độ nhạy quang là cụng suất quang tối thiểu mà photodetector cú thể thu được và vẫn cú thể tạo ra tớn hiệu điện đầu ra khả dụng. Độ nhạy quang tương ứng với bước súng quang, cú đơn vị dBm hay dBà.
Lựa chọn photodetector
Như bảng dưới đõy, cú nhiều hệ số để lựa chọn photodetector thớch hợp. Mặc dự photomultiplier rất nhạy và nhanh, nhưng kớch thước lớn và cụng suất thấp. Phototransistor và photoresistor hoạt động tốt như một chuyển mạch quang tớch cực, nhưng khụng đủ nhanh để truyền tin. Photodiode là lựa chọn thớch hợp, nú đỏp ứng đủ yờu cầu đối với hệ thống.
Bảng 5 – 1. so sỏnh cỏc photodetector [22]
Mặc dự APD cú khả năng nhanh hơn và cú thuận lợi hơn do cú độ khuếch đại nội cao, nhưng p-n phodiode vẫn được lựa chọn. Bởi vỡ APD yờu cầu điện ỏp phõn cực cao hơn cũng như độ nhạy đối với nhiễu và độ phức tạp cao hơn đối với mạch điều chế. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Photodiode PIN OPF430 (Optek) được lựa chọn bởi vỡ cú thời gian lờn (rise time) 2ns với điện ỏp phõn cực ngược thấp (5V) và cú đỏp ứng quang tốt 0.55 A/W.
Hỡnh 5 -2 Đỏp ứng quang của OPF430
5.1.2. Khuếch đại chuyển trở khỏng
Khuếch đại chuyển trở khỏng (TIA- Transimpedance amplifier) hay cũn gọi khối biến đổi dũng điện thành điện ỏp là khối nhận một dũng điện làm tớn hiệu đầu vào và tạo ra điện ỏp tương ứng là tớn hiệu ra.
Khuếch đại chuyển trở khỏng cú thể được mụ hỡnh húa thành 1 hàm chuyển đổi phức tạp liờn quan đến điện ỏp đầu ra V0 với dũng điện đầu vào Ipd. Một khối khuếch đại chuyển trở khỏng cú thể được xõy dựng bẳng việc sử dụng cỏc linh kiện điện tử như op-amp(operational amplifier), transistor lưỡng cực (BJT), transistor hiệu ứng trường (FET). Hiệu suất khối thu mong muốn phụ thuộc vào linh kiện và cụng nghệ thiết kế được sử dụng.
Hỡnh 5 - 3 Cấu hỡnh khối khuếch đại chuyển trở khỏng cơ bản
Trong thiết kế mạch thu này, TIA OPA657 (Texas Instruments) được lựa chọn bởi vỡ nú cú tớch độ tăng ớch dải thụng (GBP) lớn (1.6 GHz) với thời gian lờn/ xuống 1 ns. OPA657 cú tầng đầu vào JFET cho nhiễu thấp, phự hợp với hệ thống quang cụng suất thấp vỡ PIN phỏt ra dũng điện nhỏ do đú nhiễu nờn được giữ ở mức thấp hơn đỏng kể.
5.1.3. Tớnh toỏn giỏ trị cỏc linh kiện
Trong hỡnh 5.4, sơ đồ mạch thu biểu diễn vũng hồi tiếp xỏc định băng thụng của mạch. Vũng hồi tiếp điển hỡnh bao gồm một điện trở và một tụ điện. Điện trở hồi tiếp Rf xỏc định độ khuếch đại của TIA là V0= Ipd.Rf . Tụ hồi tiếp Cf, được sử dụng để ổn đinh húa mạch và giảm thiểu quỏ tải. Giỏ trị cỏc linh kiện này được xỏc định dựa vào cụng thức sau:
D f f f R C GBP C R π π 4 2 1 =
Trong đú:
Rf và Cf và tương ứng là điện trở và tụ điện hồi tiếp. CD là điện dung diode.
GBP là tớch độ tăng ớch dải thụng.
Hỡnh 5 - 4 Sơđồ mạch thu
Xõy dựng hệ thống cú tốc độ 100 Mbps tương ứng với băng tần f-3dB= 50MHz. Ta xỏc định giỏ trị của điện trở hồi tiếp Rf theo cụng thức sau:
Hz C R GPB f D f dB 2π 3 = − Với : •f -3dB= 50 MHz ; •GPB = 1,6 GHz ; •Cd = Cpd + Cicm + Cid = 1.5 + 0.7 + 4.5 = 5.7 pF. Suy ra Rf = 17.88 kΩ. Chọn Rf = 17.5 kΩ.
Từ cụng thức (1) ta sẽ xỏc định giỏ trị tụ hồi tiếp Cf .
Cf = 0.25 pF.
Chọn Cf= 0.2 pF.
PIN OPA 430 cú thể được mụ hỡnh húa trong mụ phỏng như hỡnh 5.4. PIN cú điện ỏp phõn cực ngược -5V, tuy nhiờn điện ỏp rơi trờn tụ PIN chỉ khoảng -3.5V đến 4.5V. Mạch cỏch ly để loại trừ điện ỏp lệch tại đầu ra và để tối thiểu húa dũng phõn
cực đến TIA. Nguồn một chiều 100àA bao gồm tương đương tớn hiệu do OPA430 tạo ra để tớnh cho nguồn sỏng xung quanh trong phũng.
Mạch in sau khi vẽ bằng phần mềm Proteus như sau:
Hỡnh 5 - 5 Mạch in module thu
5.2. Tớch hợp hệ thống quang với MC100CM cho hệ thống VLC cự ly gần
Khi hoàn thành hai module thu, phỏt quang. Bước cuối cựng là ghộp nối vào Modem MC100CM. Modem ban đầu là hệ thống tớch hợp cả phỏt và thu với đầu phỏt sử dụng laser và truyền bằng sợi đa mode qua connector SC.
Thay thế hai module thu phỏt của dự ỏn vào modem tận dụng chuẩn RJ45 đó cú sẵn trong modem. Cụng việc cuối cựng cần làm là thay thế nguồn laser bằng nguồn led và ghộp thấu kớnh để truyền quang.
Sau khi tớnh toỏn cụ thể từng linh kiện cho mạch thực tế và mụ phỏng hoạt động của module thu, do quỹ thời gian hạn hẹp nờn đề tài chưa hoàn thành kịp đến sản phẩm cuối cựng. Nhưng trong tương lai gần dự ỏn hoàn toàn cú thể thực hiện được và tiếp tục phỏt triển thờm một số module thu phỏt tốc độ cao hơn nữa, cú thể đạt tới vài Gbps.
KẾT LUẬN
Trong quỏ trỡnh hoàn thành đề tài, mặc dự gặp một số khú khăn nhất định nhưng về cơ bản tụi đó hoàn thành được mục tiờu đặt ra. Luận văn tốt nghiệp đó đưa ra cỏc phương ỏn thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ỏnh sỏng nhỡn thấy cho hệ thống sau đú chọn ra một phương phỏp phự hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế để thiết kế hệ thống thụng tin quang khả kiến mang lại nhiều ứng dụng hữu ớch trong đời sống, trong cụng nghiệp cũng như trong nghiờn cứu khoa học.
Đồng thời luận văn cũng trỡnh bày một cỏch vắn tắt, cơ bản nhất về IC của hóng Motorola và MAXIM từ cấu trỳc bờn trong đến cỏc đặc điểm kỹ thuật liờn quan. Dẫu vậy, do thời gian cú hạn cộng thờm khối lượng cụng việc lớn, vẫn cũn một số vấn đề và nhiều ý tưởng mà đồ ỏn chưa thực hiện được và hi vọng những vấn đề, ý tưởng đú sẽ sớm được hoàn thành trong thời gian sắp tới. Một số hướng phỏt triển tiếp cho đề tài cú thể kể đến như: sử dụng nguồn sỏng lắp trờn trần nhà vừa dựng để chiếu sỏng vừa để truyền thụng tin sẽ được tiếp tục nghiờn cứu và thực hiện trong tương lai khụng xa. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Microwave Engineering – David M.Pozar – University of Massachusetts at Amherst.
[2] Physic of Semiconductor devices – Wiley
[3] Designing a Wireless Underwater Optical Communication System by Heather Brundage - B.S. Ocean Engineering Massachusetts Institute of Technology- 2006 [4] Free Space Optical Communication Link Using LEDs - ECE 4007 Senior
Design Project.
[5] The UREI 1176 Limiting Amplifier: Sound quality and operational considerations of the original and its digital emulations - Christoph Schaufler, MA Audio Technology, Thames Valley University, London, United Kingdom. Tutor: Tim Walker, MA Audio Technology Project - August 31, 2006
[6] Single-Ended to Differential Converter for Multiple-Stage [7] www.google.com.vn
[8] Visible Light Communications - J. Vučić,ạ K.-D. Langer,ạ S. Nerreter,² and J. W. Walewski²
[9] Home Networking Using “New Wires” — IEEE 1394, USB, and Fast Ethernet Technologies - Author: Amit Dhir, Saeid Mousavi
[10] Fiber Optic GaAlAs High Speed LED - Types OPF345A, OPF345B, OPF345C, OPF345D - Product Bulletin OPF345 - August 1996
[11] Optical Transceiver Modules for Gigabit Ethernet PON FTTH System-
Masayuki Iwase , Yozo Ishikawa , Takuya Komatsu , Junichi Kasahara, Nobuhiko Hattori , Masayuki Miura , Naoto Nakamura and Kunio Odaka. [12] Govind P. Agrawal, Fiber - Optic Communications Systems, Third Edition.
Copyright 2002 John Wiley & Sons, Inc. [13] Analog Circuit Design – Jim Williams.
[14] Free Space Optical Communication Link Using LEDs - Adam Swett, Clayton Huff, Trang Thai, Nguyen Trinh
[15] Giancarlo Prati, Photonic Netwrorks advances in Optical communications, Springger.
[16] Fiber - Optic Communication Systems, Third Edition. Govind P.Agrawal. [17] Optical Wireless based on High Brightness Visible LEDs - Grantham Pang,
Thomas Kwan, Hugh Liu, Chi-Ho Chan, Dept. of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong
[18] Bass M - 2002 - Fiber Optics Handbook Fiber, Devices, And Systems For Optical Communications - Osa - Mc Graw Hill.
[19] Optisystem- Optical Communication System Design Software.
[20] Nguyễn Đức Nhõn, “Bài giảng kỹ thuật thụng tin quang I”, Học viện cụng nghệ bưu chớnh viễn thống.
[21] TS. Vũ Văn San, “Hệ thống thụng tin quang - tập 1, 2”. Nhà xuất bản Bưu
điện, Hà nội 7 - 2003.
[22] Heather Brundage - Designing a Wireless Underwater Optical Communication System – 2006
[23] MC2042 Datasheet – Motorola
[24] Hoàng Thị Tuyết Mai, “ Thiết kế module phỏt- thu của hệ thống VLC sử dụng LED” Đại học bỏch khoa Hà Nội.
MỤC LỤC
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU ... 1
1.1.VLDT (Visible light Data Transmission) là gỡ? ... 1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.2.Ứng dụng ... 2
1.3.Vỡ sao phải nghiờn cứu VLDT ... 3
1.4. Nội dung nghiờn cứu ... 3
CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNGTHễNG TIN QUANG KHẢ KIẾN 4 2.1. Thụng tin quang khả kiến ... 4 2.1.1. Hệ thống thụng tin quang khả kiến là gỡ? ... 4 2.1.2. Ưu điểm chớnh ... 4 2.2. Xu thế phỏt triển của cỏc nguồn sỏng ... 5 2.2.1. Thế hệ một - đốn sợi đốt ... 5 2.2.2. Thế hệ hai – đốn huỳnh quang ... 6 2.2.3. Thế hệ ba – đốn LED ... 7
2.3. LED chiếu sỏng và ứng dụng trong hệ thống thụng tin quang khả kiến ... 7
2.4. Kế hoạch triển khai đề tài ... 8
2.5. Một sốđặc tớnh cơ bản của LED và LED chiếu sỏng ... 9
2.6. So sỏnh LED với LD trong hệ thống thụng tin quang ... 10
2.6.1. Về bản chất ... 10
2.6.2. Về hoạt động ... 10
2.7. Lựa chọn loại LED phự hợp ... 11
2.7.1. Cỏc phương ỏn lựa chọn ... 11
CHƯƠNG III. TỔNG QUAN VỀ MẠNG BĂNG RỘNG ... 14
3.1. Cỏc chuẩn IEEE cho mạng truyền thụng ... 14
3.1.1. ISDN ... 14
3.1.2. ADSL ... 14
3.1.3. FTTH và cỏc vấn đề kỹ thuật liờn quan [24] ... 15
3.1.3.1. FTTH là gỡ ... 15
3.1.3.2. Cỏc vấn đề kỹ thuật liờn quan ... 16
3.2. Một số cấu hỡnh mạng ... 19 3.2.1. Cấu hỡnh mạng Bus ... 19 3.2.1.1. Gửi tớn hiệu ... 20 3.2.1.2. Dội tớn hiệu ... 20 3.2.1.3. Terminator ... 20 3.2.2. Cấu hỡnh mạng Star ... 20 3.2.3. Cấu hỡnh mạng Ring ... 22 3.2.4. Cấu hỡnh dạng lưới (Mesh) ... 22 3.2.5. Cỏc cấu hỡnh mạng kết hợp ... 22
3.3. Cỏc chuẩn IEEE cho mạng truyền thụng ... 23
3.3.1. IEEE 802.3 [24] ... 28 3.3.2. IEEE 802.7 ... 32 3.3.3. IEEE 802.11 ... 32 3.3.4. IEEE 802.16 ... 35 3.3.5. IEEE 802.20 ... 37 3.3.5.1. Tổng quan ... 37 3.3.5.2. Đặc điểm kỹ thuật ... 38
3.4. Tỡm hiểu một số bộ modem quang trong hệ thống Internet theo
chuẩn Ethernet ... 38
3.4.1. Modem TpLink MC100CM ... 38
3.4.1.1. Giới thiệu ... 39
3.4.1.2. Đặc điểm ... 39
3.4.2. Modem Planet 10/100 Base – Fx Smart Media Converter ... 41
3.5. Chuẩn RJ45 ... 42
3.5.1. Giới thiệu ... 42 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5.2. Cỏch mó húa dữ liệu khi truyền qua cỏp xoắn loại 5 ... 42
3.6. Chuẩn đầu vào PECL ... 45
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MODULE PHÁT CHO HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG KHẢ KIẾN ... 46
4.1. Yờu cầu hệ thống ... 46
4.2. Phõn tớch thiết kế module phỏt quang ... 47
4.3. Thiết kế hệ thống phỏt ... 48
4.3.1. Nguồn sỏng ... 49
4.3.2. Mạch điều khiển LED ... 50
4.3.2.1. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MAXIM3967A [23] 50 4.3.2.2. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MC 2042... 58
4.4. Thiết kế hệ thống quang học ... 65
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ MODULE THU QUANG CHO ... 67
HỆ THỐNG THễNG TIN QUANG KHẢ KIẾN ... 67