Phân tích ảnh hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền thông ánh sáng khả kiến dùng LED luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

NGUYỄN THÀNH DANH

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC TRUYỀN,
ĐƯỜNG PHẢN XẠ VÀ SỰ PHÂN BỐ NGUỒN SÁNG
TRONG TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN
DÙNG LED

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐỒNG NAI – NĂM 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

NGUYỄN THÀNH DANH

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC TRUYỀN,
ĐƯỜNG PHẢN XẠ VÀ SỰ PHÂN BỐ NGUỒN SÁNG
TRONG TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN
DÙNG LED
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THANH SƠN

ĐỒNG NAI – NĂM 2020


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm học tập nghiên
cứu. Để có được kết quả hôm nay, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của giáo
viên hướng dẫn, sự quan tâm của một số đồng nghiệp cũng như bạn bè.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Sơn, người Thầy đã hết lòng
chỉ dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm
nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Sau đại học, Khoa cơ Điện
Trường Đại học Lạc Hồng, và tất cả Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi
những kiến thức trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người ln dành những
tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tơi vượt qua mọi khó khăn trong
suốt q trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng Nai đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập, cơng tác cũng như trong q
trình thực hiện luận văn.
Đ
Đồng Nai, tháng 12 năm 2020
Học viên thực hiện

N
Nguyễn Thành Danh

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu là của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được xin phép và cảm ơn. Tất cả các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ
rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện

Nguyễn Thành Danh

`


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này, tác giả đề xuất một hệ thống truyền dữ liệu không dây sử
dụng ánh sáng trắng của đèn LED. Tiếp cận nghiên cứu của tác giả là tập trung khai
thác bóng đèn LED dùng chung cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thơng
ứng dụng cho một văn phịng làm việc cụ thể. Mỗi thiết bị có thể truy xuất dữ liệu
từ nguồn ánh sáng của đèn LED.
Trong nội dung luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích các yếu tố
ảnh hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền
thông ánh sáng khả biến dùng LED . Trên cơ sở đó kết hợp với một hệ thống truyền
dữ liệu (chuỗi văn bản, hình ảnh) thời gian thực tốc độ cao sử dụng ánh sáng đèn
LED trắng để tạo ra một ứng dụng hoàn chỉnh.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng tốc độ truyền dữ liệu của
hệ thống đề xuất có thể đạt được 115 Kbps ứng với khoảng cách truyền là 100cm.

`

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Thuật ngữ viết tắt
Danh mục bảng biểu
Danh mục hình ảnh
Lời nói đầu

1

Chương 1: TỔNG QUAN

3

1.1 Đặt vấn đề

3

1.2 Tổng quan về tình hình trong và ngồi nước

4

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

5

1.4 Kết quả đạt được

5

1.4.1 Kết quả lý thuyết

5

1.4.2 Kết quả thực nghiệm

5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6

2.1 Cơ sở lý thuyết của Visible Light Communications (VLC)

6

2.1.1 Quá trình phát triển của Visible Light Communications

7

2.1.2 Nhiễu trong VLC

10

2.1.2.1 Nhiễu nhiệt

10

2.1.2.2 Nhiễu nổ

10

2.1.3 Các phương pháp điều chế trong VLC

11

2.1.3.1 Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)

12

2.1.3.2 Phương pháp điều chế vị trí xung biến đổi (Variable Pulse

15

Position Modulation – VPPM)
2.1.3.3 Phương pháp điều chế Khóa dịch màu (Color-Shift Keying)
2.1.3.4 Kỹ thuật mã hóa
2.1.4 Ưu điểm của VLC

17
26
28

2.1.4.1 Dung lượng

29

2.1.4.2 Hiệu năng

29

2.1.4.3 An toàn

30


2.1.4.4 Bảo mật
2.2. Ứng dụng của VLC

30
30

2.2.1. Hệ thống truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong nhà

32

2.2.2. Hệ thống truyền dẫn VLC Multiple-input Multiple-Output

33

(MIMO)
2.2.3. Truyền dẫn giữa các người dùng di động bằng camera với chip

34

cảm biến hình ảnh

2.2.4. Một số ứng dụng khác
Tóm tắt chương 2
Chương 3: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CHẤT LƯỢNG
TRUYỀN THƠNG CỦA VLC
3.1. Mơ hình truyền nhận VLC

37
38
39
39

3.1.1. Mơ hình kênh truyền VLC

39

3.1.2. Bộ phát VLC

40

3.1.3. Bộ thu VLC

41

3.2. Phân tích tốn học các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền

41

VLC
3.2.1. Phân bố công suất thu của hệ thống VLC với một nguồn sáng

41

(single-source)
3.2.2. Mơ hình của VLC với đa nguồn sáng (multisource)

42

3.2.3. Ảnh hưởng của đường phản xạ

44

3.3. Mô phỏng và phân tích

44

3.3.1. Ảnh hưởng của single-source và multisource tới cơng suất thu của
VLC
3.3.2. Ảnh hưởng của bán góc (FWHM) tới phân bố công suất máy thu
3.3.3. Ảnh hưởng của đường phản xạ tới phân bố công suất ở máy thu
3.4. Mơ hình thực nghiệm và kết quả
3.4.1. Sơ đồ mạch phát của VLC 1 LED
3.4.2. Sơ đồ mạch phát của VLC dãy LED
3.4.3. Sơ đồ mạch thu của VLC
3.4.4. Mơ hình thực nghiệm sử dụng 81 LED
3.4.5. Phân tích kết quả
Tóm tắt chương 3
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

44

47
48
48
48
49
50
50
51
54
55


PHỤ LỤC
1. Codes matlab để tính tốn phân bố cơng suất tới máy nhận
2. Codes matlab để tính tốn phân bố công suất tới máy thu
3. Codes Matlab mô phỏng với 9 LED


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AB

Average Brightness

Mức sáng trung bình

CS

Compensation Symbols

Điều chỉnh tăng giảm độ sáng

CSK

Color Shift Keying

Khóa dịch màu

DM

Dimming Method

Phương pháp điều chỉnh

FEC

Forward Error Correction

Phát hiện lỗi và sửa lỗi

FSK

Frequency-Shift Keying

Phương pháp điều chế khóa dịch tần

FOV

Field of view

Góc truyền

JEITA

Japan Electronics and Information
Technology Industries Association

Hiệp hội cơng nghiệp điện tử và công
nghệ thông tin Nhật Bản

LED

Light Emitting Diode

Diode phát quang

LI-FI

Light Fidelity

Truyền thơng khơng dây sử dụng ánh
sáng nhìn thấy

MFTP

Maximum Flickering Time Period

Thời gian nhấp nháy tối đa

MIMO

Multi-Input Multi-Output

Kỹ thuật truyền dẫn đa thu phát

MLL

Mesuared Level of Light

Mức ánh sáng đo được

LOS

Line-of-sight

Kênh truyền

NRZ

None-Return-to-Zero

Không trở về 0

OFDM

Orthogonal
Multiplexing

Frequency-Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

OOK

On-Off Keying

Khóa bật tắt

OWC

Optical Wireless Communications

Truyền thông không dây quang

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PD

Photo-sensitive Detector

Bộ cảm biến ảnh

PLL

Perceived Level of Light

Mức độ sáng cảm nhận được

PPM

Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

Radio Frequency

Sóng vơ tuyến

RF


RLL

Run-Length Limited

Giới hạn thời lượng

VLC

Visible Light Communication

Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy

VPPM

Variable Pulse Position Modulation

Điều chế vị trí xung biến đổi

WI-FI

Wireless Fidelity

Truyền thơng khơng dây sử dụng sóng
vơ tuyến


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các dải màu trong không gian màu CIE 1931 với tọa độ màu (x, y)

20

Bảng 2.2 Các trường hợp kết hợp dải màu hợp lệ

22

Bảng 2.3 Tọa độ của các điểm ký hiệu với 3 dải màu được chọn

26

Bảng 2.4 Tốc độ của ba phương pháp điều chế với các loại mã hóa

27

Bảng 2.5 Các ứng dụng với môi trường trong nhà

31

Bảng 2.6 Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học Oxford (2008)

33

Bảng 3.1 Thông số mô phỏng của hệ thống VLC

45


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Quang phổ ánh sáng nhìn thấy

6

Hình 2.2 Truyền thơng VLC sử dụng bóng đèn LED

9

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa PLL và MLL

12

Hình 2.4 Hàm cơ sở (a) và Khơng gian tín hiệu OOK (b)

13

Hình 2.5 Tăng độ sáng bằng cách chèn thêm ký hiệu thừa

15

Hình 2.6 Hàm cơ sở của 2-PPM

16

Hình 2.7 Mơ hình VPPM cấu tạo từ 2-PPM với độ sáng 50% (a) và PWM để
điều chỉnh độ sáng (b)

17

Hình 2.8 Dạng sóng của tín hiệu VPPM với độ rộng xung 75%

17

Hình 2.9 Hàm gán màu XYZ

19

Hình 2.10 Khơng gian màu CIE với hai trục xy và 7 dải màu (000 đến 110)

21

Hình 2.11 Q trình điều chế CSK

21

Hình 2.12 Khơng gian ký hiệu 4-CSK

22

Hình 2.13 Ánh xạ dữ liệu đối với 4-CSK

23

Hình 2.14 Khơng gian tín hiệu 8-CSK

23

Hình 2.15 Ánh xạ dữ liệu đối với 8-CSK

24

Hình 2.16 Khơng gian ký hiệu 16-CSK

24

Hình 2.17 Ánh xạ dữ liệu đối với 16-CSK

25

Hình 2.18 Khối mã hóa và điều chế VPPM

27

Hình 2.19 Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy

29

Hình 2.20 Mơ hình các thiết bị đầu cuối với mơi trường trong nhà

30

Hình 2.21 Mơ hình truyền dẫn với mơi trường ngồi trời

31

Hình 2.22 Mơ hình dự án OMEGA

32

Hình 2.23 Mơ hình hệ thống truyền dẫn VLC của viện truyền thơng Fraunhofer

33

Hình 2.24 Mơ hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học Oxford (2008)

34

Hình 2.25 Mơ hình truyền dẫn của Đại học Nagoya

35

Hình 2.26 Camera thu gắn trong xe (a) và Bảng LED phát (16x16)

35

Hình 2.27 Xác định vị trí nguồn phát (a) và Cắt bỏ hình ảnh thừa (b)

36

Hình 2.28 Bóng đèn được gắn dưới kệ hàng (a) và xe đẩy hàng gắn máy thu (b)

37

Hình 2.29 Sơ đồ bố trí đèn (a) và tốc độ di chuyển trong siêu thị (b)

38

Hình 3.1 Cấu trúc của một hệ thống VCL cơ bản

39


Hình 3.2. Các thơng số của hệ thống VLC

40

Hình 3.3 Cấu trúc VLC Transmitter tương đương

40

Hình 3.4 Cấu trúc của mạch thu VLC

41

Hình 3.5 Cấu trúc VLC của một dãy LED

43

Hình 3.6 Cấu trúc VLC với 1 đường phản xạ

43

Hình 3.7(a) Phân bố cơng suất ứng với 1 LED (single-source)

45

Hình 3.7(b) Phân bố cơng suất ứng với 4 LED (Multisource)

46

Hình 3.7(c) Phân bố công suất ứng với 6 LED, 9 LED (Multisource)

46

Hình 3.8(a) Phân bố cơng suất ứng với bán góc 1 / 2 700

47

Hình 3.8 (b) Phân bố cơng suất ứng với bán góc 1 / 2 12.50

47

Hình 3.9 Phân bố cơng suất ở máy thu với phản xạ

48

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch phát 1 Led
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch phát dãy LED

48

Hình 3.12 Sơ đồ ngun lý mạch thu

50

Hình 3.13 Bộ phát thu tín hiệu thẳng đứng

51

Hình 3.14 Module LabVIEW NI myDAQ dùng phân tích tính hiệu thu và phát

51

Hình 3.15 Kết quả truyền nhận dữ liệu 9,6Kbps, 80cm

52

Hình 3.16 Kết quả truyền nhận dữ liệu 115,2Kbps, 80cm

52

Hình 3.17 Kết quả truyền nhận dữ liệu

53

Hình 3.18 Kết quả truyền nhận dữ liệu 9,6 Kbps và 115,2 Kbps, 100cm sử dụng
thêm LEN cho đèn LED

49

53


1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, đèn huỳnh quang và sợi đốt được thay thế bằng các
đèn LED với tốc độ tăng nhanh chóng, bởi chúng có rất nhiều điểm ưu việt như: độ
bền cao khơng sợ đứt tóc hay vỡ bóng, sinh nhiệt thấp hơn, tiêu thụ điện năng ít do
hiệu suất phát sáng của LED rất cao, thẩm mỹ, linh hoạt trong sử dụng bởi vì LED
có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ.
Thêm một lợi ích của đèn LED là chúng có khả năng chuyển cường độ ánh sáng
khác nhau với tốc độ rất nhanh. Từ chức năng này phát triển công nghệ truyền
thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communications – VLC) ngày càng
được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Ý tưởng là sử dụng Diode phát
quang (Light Emitting Diode – LED) cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền
thơng tin tốc độ cao, giảm sử dụng các vật liệu có hại trong thiết kế và sinh nhiệt

thấp hơn khi sử dụng liên tục. Do những lợi ích này, việc áp dụng đèn LED đang
tăng lên một cách nhất quán. Dự kiến sẽ có gần 75% trong chiếu sáng sẽ sử dụng
cơng nghệ đèn LED.
Cũng chính từ sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng đèn LED đã cung
cấp cho chúng ta một cơ hội để nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng bằng
đèn LED. Khác với các cơng nghệ chiếu sáng cũ, đèn LED có khả năng chuyển
sang ánh sáng khác nhau với mức cường độ và tốc độ rất nhanh. Tốc độ chuyển đổi
nhanh đủ để không thể nhận ra bằng mắt người. Chức năng này có thể được sử dụng
để liên lạc trong đó dữ liệu được mã hóa trong phát ra ánh sáng theo nhiều cách
khác nhau. Ngoài ra, LED là thiết bị bán dẫn có khả năng bật tắt ở tốc độ siêu cao.
Chính vì những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Phân tích ảnh
hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền
thông ánh sáng khả kiến dùng LED”. Bằng cách sử dụng ánh sáng trắng để
truyền tin, chúng ta có thể giải quyết được rất nhiều vấn đề còn tồn đọng của công
nghệ RF và mở rộng băng thông được xuống cho các thiết bị đầu cuối. Như vậy,


2
LED không chỉ được sử dụng như một thiết bị chiếu sáng thơng thường mà cịn
được sử dụng như một thiết bị truyền thông băng siêu rộng.
Ưu điểm chủ yếu hiện nay của VLC là truyền thông không dây ở cự li ngắn, tốc
độ cao trong nhà với giá thành rẻ và đảm bảo độ tin cậy, bảo mật thông tin, cũng như
an toàn cho mắt người sử dụng.
Nội dung luận văn bao gồm ba chương.
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng chất lượng truyền thông của
VLC
Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn luận văn khơng tránh khỏi
nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ dẫn của Q Thầy, Cơ và sự đóng góp ý

kiến của các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.


3

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, đèn huỳnh quang và sợi đốt được thay thế bằng các
đèn LED với tốc độ tăng nhanh chóng, bởi chúng có rất nhiều điểm ưu việt như: độ
bền cao khơng sợ đứt tóc hay vỡ bóng, sinh nhiệt thấp hơn, tiêu thụ điện năng ít do
hiệu suất phát sáng của LED rất cao, thẩm mỹ, linh hoạt trong sử dụng bởi vì LED
có kích thước nhỏ nên dễ ghép thành đèn hay mảng phát sáng theo cấu hình bất kỳ.
Thêm một lợi ích của đèn LED là chúng có khả năng chuyển cường độ ánh sáng
khác nhau với tốc độ rất nhanh. Từ chức năng này phát triển công nghệ truyền
thơng bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communications – VLC) ngày càng
được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Ý tưởng là sử dụng Diode phát
quang (Light Emitting Diode – LED) cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền
thông tin tốc độ cao, giảm sử dụng các vật liệu có hại trong thiết kế và sinh nhiệt
thấp hơn khi sử dụng liên tục.
Cũng chính từ sự gia tăng nhanh chóng trong việc sử dụng đèn LED đã cung
cấp cho chúng ta một cơ hội để nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu sáng bằng
đèn LED. Khác với các công nghệ chiếu sáng cũ, đèn LED có khả năng chuyển
sang ánh sáng khác nhau với mức cường độ và tốc độ rất nhanh. Tốc độ chuyển đổi
nhanh đủ để không thể nhận ra bằng mắt người. Chức năng này có thể được sử dụng
để liên lạc trong đó dữ liệu được mã hóa trong phát ra ánh sáng theo nhiều cách
khác nhau. Ngoài ra, LED là thiết bị bán dẫn có khả năng bật tắt ở tốc độ siêu cao.
Chính vì những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Phân tích ảnh
hưởng của góc truyền, đường phản xạ và sự phân bố nguồn sáng trong truyền
thông ánh sáng khả kiến dùng LED” Bằng cách sử dụng ánh sáng trắng để truyền
tin, chúng ta có thể giải quyết được rất nhiều vấn đề cịn tồn đọng của cơng nghệ RF

và mở rộng băng thông được xuống cho các thiết bị đầu cuối. Như vậy, LED không
chỉ được sử dụng như một thiết bị chiếu sáng thơng thường mà cịn được sử dụng


4
như một thiết bị truyền thông băng siêu rộng. Với ưu điểm chủ yếu hiện nay của
VLC là truyền thông không dây ở cự li ngắn, tốc độ cao trong nhà với giá thành rẻ và
đảm bảo độ tin cậy, bảo mật thơng tin, cũng như an tồn cho mắt người sử dụng.
1.2. Tổng quan về tình hình trong và ngoài nước
Nghiên cứu trong nước:
Năm 2016 Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện tử - VCM-2016 được tổ
chức tại trường Đại học Cần Thơ, tác giả Nguyễn Thanh Sơn, Lâm Thanh Hiển,
Trần Phú Cường, Đinh Công Sang, trường Đại học Lạc Hồng, Biên Hịa, Đồng Nai
đã có bài báo Mơ Hình Truyền Dữ Liệu Dùng Ánh Sáng LED Kết Hợp Giữa PLC
(Power Line Communication) và VLC (Visible Light Communications). [1]
Nghiên cứu ngồi nước:
Hiện tại có rất nhiều dự án nghiên cứu khoa học trên thế giới về VLC đã và
đang được triển khai. Phịng thí nghiệm Nakagawa của đại học Keio đã xuất bản rất
nhiều bài báo nghiên cứu về VLC, cụ thể như những phân tích cơ bản về VLC [2],
sự kết hợp của VLC với truyền thông trên đường dây điện [3]. Ở Hàn Quốc cũng đã
công bố rất nhiều nghiên cứu như kết quả đo cho điều chế băng thông của LED [4].
Nghiên cứu của đại học Oxford về vấn đề điều chế băng thông của LED ứng dụng
cho VLC cũng đã được công bố [5], cơng nghệ VLC được các nhóm nghiên cứu
trên thế giới tiếp tục phát triển mạnh mẽ như hiệp hội truyền thơng bằng ánh sáng
nhìn thấy tại Nhật Bản (Japan's Visible Light Communications Consortium and Its
Standardization Activities – VLCC) [6], diễn đàn nghiên cứu thế giới vô tuyến (the
Wireless World Research Forum - WWRF) [7] và rất nhiều nhóm nghiên cứu khác
trên toàn thế giới. IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 dành cho một thế hệ mạng không
dây mới trong đó có VLC [8]. Có thể khái quát một số định hướng nghiên cứu chính
của các nhóm VLC trên toàn thế giới như cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dữ

liệu [9], nghiên cứu về các đặc tính kênh truyền [10], nghiên cứu các phương pháp
điều chế và một số định hướng nghiên cứu khác.


5
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Trong luận văn này, tác giả đề xuất giải quyết các vấn đề về sự ảnh hưởng của góc
truyền, đường phản xạ, khoảng cách truyền và sự phân bố nguồn sáng trong truyền
thông ánh sáng khả kiến dùng LED. Tính tốn nguồn phản xạ ảnh hưởng lên năng
lượng thu của photodiode. Mô phỏng năng lượng thu của máy thu để phân tích sự tác
động bởi góc truyền và sự phản xạ ánh sáng, khoảng cách truyền, ngồi ra nếu phân
bố nguồn sáng hợp lí sẽ cải thiện đáng kể năng lượng thu. Hơn nữa, kết quả nghiên
cứu này sẽ làm cơ sở nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng
cao độ tin cậy cũng như khả năng ứng dụng của truyền thông dùng đèn LED trong
tương lai.
1.4. Kết quả đạt được
1.4.1. Kết quả lý thuyết
- Trình bày chi tiết lý thuyết về truyền thơng khơng dây dùng đèn LED
(VLC)
- Tính tốn, xây dựng sơ đồ mơ hình kết nối giữa phần phát và thu VLC.
1.4.2. Kết quả thực nghiệm
- Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền VLC.
- Thi cơng mơ hình thực nghiệm truyền thơng VLC.


6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở lý thuyết của Visible Light Communication (VLC)
VLC là kỹ thuật truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy, sử dụng phần ánh sáng

nhìn thấy được để truyền thơng tin, để so sánh thì VLC gần giống cơng nghệ truyền
thơng khơng dây (ví dụ như Wi-Fi) sử dụng các tín hiệu sóng điện từ (Radio
Frequency – RF) để truyền dữ liệu.
Ánh sáng nhìn thấy được (Visible Light) là dạng sóng với các bước sóng nằm
trong khoảng mắt người có thể nhận biết được. Các bước sóng này nằm trong
khoảng từ 380nm đến 750nm. Hình 2.1 dưới đây cho ta thấy các bước sóng ánh
sáng được gắn với tơng màu mà mắt thường có thể nhìn thấy.

Hình 2.1. Quang phổ ánh sáng khả biến nhìn thấy
[11]
Với VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sáng
nhưng không để cho mắt người bình thường nhận biết được sự thay đổi này. Ánh
sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector
(PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu
quang thành tín hiệu điện.
VLC chính là một nhánh trong cơng nghệ truyền thông không dây quang
(Optical Wireless Communications – OWC). OWC sử dụng cả tia hồng ngoại
(infra-red) và tia cực tím (Ultra-violet) để truyền thơng tin tương tự như ánh sáng


7
nhìn thấy. Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để
truyền thông tin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu tú hơn cả.
2.1.1. Quá trình phát triển của Visible Light Communication (VLC)
Truyền thông bằng quang phổ khả kiến đầu tiên bắt đầu ở phịng thí nghiệm
Nakagawa ở Đại học Keio, Nhật Bản vào năm 2003 [9]. Điều này có được là bởi sự
nhảy vọt trong việc nghiên cứu và phát triển ở phạm vi toàn cầu. Bởi chuyển đổi tắt
và mở chất lân quang ở đèn LED trắng rất mau chóng, tốc độ truyền dữ liệu lên đến
40 Mb trên giây (Megabyte per second) có thể được thực hiện một cách dễ dàng.
- Năm 2004: Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị

di động cầm tay tại Nhật Bản.
- Năm 2004: Hệ thống đèn LED dùng cho truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ cao điều
khiển bằng tay và phương tiện kết nối với thiết bị máy tính ở Nhật Bản.
- Năm 2005: Thử nghiệm truyền thông VLC bằng truyền thông tới điện thoại di
động, với tốc độ dữ liệu ước khoảng 10 Kbps và tới vài Mbps sử dụng đèn huỳnh
quang và đèn LED ở Nhật Bản.
- Năm 2007: Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền Led
tới thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật Bản.
- Năm 2007: Hiệp hội truyền thông bằng quang phổ khả kiến ở Nhật Bản đưa ra
hai tiêu chuẩn:
- Tiêu chuẩn truyền thông bằng quang phổ khả kiến.
- Tiêu chuẩn nhận dạng quang phổ khả kiến.
- JEITA (Hiệp hội công nghiệp Điện tử và công nghệ thông tin của Nhật Bản)
thừa nhận những tiêu chuẩn này và đặt tên JEITA CP-1221 và JEITA CP-1222.
- Năm 2008: Phát triển những tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng Internet cho nhà
riêng bao gồm sử dụng công nghệ OWC, tia hồng ngoại và truyền thông bằng
quang phổ khả kiến; diễn ra tại tòa nhà OMEGA, Liên minh Châu Âu. Giới thiệu
công nghệ VLC bằng việc sử dụng 5 đèn LED với một tốc độ truyền dữ liệu lớn


8
hơn 100 Mbps, truyền đi khoảng cách xa hơn một vài mét sử dụng điều khiển LOS.
Cấp độ truyền tải đã được ra mắt công chúng sử dụng ánh sáng tán xạ ở mặt ngoài
của những bức tường từ những đường truyền; được tổ chức tại tòa nhà OMEGA,
Châu Âu.
- Năm 2008: Hiệp hội truyền thông bằng quang phổ khả kiến ở Nhật Bản và
Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại quốc tế cùng nhau bàn về những tiêu chuẩn kỹ thuật tại
Hoa Kỳ.
- Năm 2009: VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên, nó hợp nhất và
mở rộng dựa vào tiêu chuẩn cốt lõi của Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại quốc tế và đã

định nghĩa quang phổ để cho phép sử dụng của bước sóng ánh sáng.
- Năm 2010: Phát triển công nghệ VLC cho truyền thông giữa các sản phẩm
điện tử trong một vùng rộng, chẳng hạn truyền hình độ phân giải cao, những trạm
thơng tin, những máy tính cá nhân, những chiếc điện thoại thơng minh .v.v. tại Đại
học California, Hoa Kỳ.
- Năm 2010: Giới thiệu VLC với hệ thống định vị toàn cầu (viết tắt GPS) ở
Nhật Bản.
- Năm 2010: Truyền dẫn một hệ thống FM-VLED với tốc độ 500 Mbps hơn
khoảng cách 5m, diễn ra ở Viện Siemens và Heinrich Hertz, Cộng hòa Liên Bang
Đức.
- Năm 2010: Phát triển một tiêu chuẩn cho các công nghệ VLC mạng khu vực
không dây làm việc bởi nhóm IEEE vẫn đang tiếp diễn tại số 802157 Task.
- Năm 2011: Giới thiệu nền tảng VLC là OFDM, truyền dữ liệu với tốc độ 124
Mbps bằng thời gian thực, sử dụng chất lân quang đèn LED trắng phủ photphor,
diễn ra tại Đại học Edinburgh, Vương quốc Anh.
- Năm 2013: Giáo sư Harald Hass đã thực hiện truyền dữ liệu với tốc độ cao lên
đến 1.6 Gbps thông qua đèn Led đơn sắc.
- Năm 2014: Một công ty của Nga là Stins Coman đã thực hiện một mạng nội


9
bộ khơng dây có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 1.25 Gbps.
Hiện nay, việc phát minh và sử dụng bóng đèn LED (Light Emitting Diode) để
chiếu sáng đã mang lại cơ hội để kết hợp với công nghệ VLC trong đó sử dụng LED
làm nguồn phát. Khi chúng ta đưa dịng điện khơng đổi vào bóng đèn LED, nó sẽ
phát ra các dòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng nhìn
thấy). Nếu chúng ta thay đổi dịng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũng
thay đổi theo và sự thay đổi này diễn ra ở tốc độ rất cao mà mắt thường khơng nhận
biết được. Từ đó, thơng tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn
và truyền đi đến máy thu.

Hình 2.2. Truyền thơng VLC sử dụng bóng đèn LED [12]
Cơng nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ biến
trên internet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web. Các ứng
dụng này phần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống (downlink)
nhưng lại chỉ yêu cầu băng thông đường lên nhỏ. Theo cách này, chúng ta có thể
giải quyết vấn đề quá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến và mở rộng dung
lượng của Wi-Fi.


10
2.1.2. Nhiễu trong VLC
Các loại nhiễu trong VLC gồm hai loại: nhiễu nhiệt (Thermal Noise) và nhiễu
nổ (Shot Noise).
2.1.2.1. Nhiễu nhiệt
Là dịng điện khơng mong muốn gây ra dưới tác động của chuyển động nhiệt
của các hạt mang điện. Nguồn gây ra nhiễu nhiệt trong hệ thống VLC chính là do
các yếu tố trong bộ tiền khuếch đại ở phía thu gây ra. Nhiễu nhiệt được tạo ra độc
lập với tín hiệu thu và được mơ hình hóa theo phân bố Gaussian.
2.1.2.2. Nhiễu nổ
Là loại nhiễu chính trong hệ thống VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm có nguồn
nhiễu tự nhiên (mặt trời) và nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt,…), các nguồn
nhiễu này sẽ tạo ra một bức xạ nền. Bức xạ nền này sẽ gây ra một dịng liên tục
trong diode tách quang và do tính chất ngẫu nhiên của quá trình tách quang sẽ hình
thành nhiễu nổ. Một thành phần nữa gây ra nhiễu nổ đó chính là do dịng tối ngược
chiều nhỏ đi qua tải khi khơng có ánh sáng tới bộ tách quang. Ngun nhân gây ra
là do nhiệt ở lớp tiếp giáp hoặc khiếm khuyết ở bề mặt. Loại nhiễu này có thể mơ
hình theo phân bố Poisson với mật độ phổ cơng suất trắng. Để dễ dàng, ta mơ hình
hóa nhiễu theo phân bố Gaussian. Đối với các mơ hình liên kết có FOV hẹp
(Narrow-LOS), nhiễu sẽ phụ thuộc vào tín hiệu (do ảnh hưởng bên ngồi khơng

nhiều). Đối với trường hợp FOV rộng (Wide-LOS), ảnh hưởng từ các nguồn sáng
bên ngoài lên tín hiệu lớn, nhiễu sẽ độc lập với tín hiệu. Ta có biểu thức tính mật độ
phổ cơng suất (PSD) của nhiễu nổ theo biểu thức (2.1).
S  f   2qRPn

Trong đó: q là điện lượng = 1,6.10-19 (coulomb).
R là độ nhạy.
Pn là cơng suất trung bình của ánh sáng gây nhiễu.

(2.1)


11
Từ đó ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tính theo biểu thức (2.2).
SNR 

R2P2

2



R2P2
2qRPn IRb

(2.2)

Trong đó: P là cơng suất trung bình của tín hiệu.
I là hệ số băng nhiễu (Hz).
Rb là tốc độ dữ liệu.

Ngoài ra, SNR còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như phổ phát xạ, góc ánh
sáng gây nhiễu, băng nhiễu của bộ lọc, diện tích tách sóng hiệu dụng, chỉ số chiết
suất của bộ tập trung quang nên kết quả tính tốn SNR có thể khác nhau. Thường
trong khoảng từ 10 dB đến 20 dB tùy theo mơ hình liên kết.
2.1.3. Các phương pháp điều chế trong VLC
Để có thể đưa thơng tin vào ánh sáng chúng ta cần phải có các kỹ thuật điều
chế. Có rất nhiều kỹ thuật như điều chế khóa bật tắt (On-Off Keying – OOK), điều
chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM), điều chế vị trí xung (Pulse
Position Modulation – PPM), điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation –
PAM), ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing – OFDM) hay điều chế khóa dịch màu (Color-Shift Keying – CSK) và
một số các phương pháp điều chế khác.
Như chúng ta đã biết, truyền thông bằng ánh sáng dựa trên phương pháp điều
chỉnh cường độ của ánh sáng. Bất kỳ sự thay đổi nào khi ta điều chế ánh sáng để
thông tin đều có thể gây ảnh hưởng khơng tốt (đơi khi là nguy hiểm) với mắt người.
Để tránh điều này, sự thay đổi cường độ ánh sáng phải nằm trong khoảng thời gian
thay đổi tối đa cho phép (Maximum Flickering Time Period – MFTP).
MFTP được định nghĩa là thời gian tối đa mà cường độ ánh sáng có thể thay
đổi mà mắt người không thể cảm nhận được. Tần số thay đổi lớn hơn 200Hz (ứng
với MFTP < 5ms) được coi là an tồn với mắt người, chính vì vậy các phương pháp
điều chế sử dụng trong VLC sẽ phải chú ý đến giá trị MFTP này.


12
Một vấn đề khác nữa, để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, chúng ta
phải sử dụng thêm một phương pháp điều chỉnh ánh sáng hỗ trợ trong quá trình điều
chế (Dimming Method - DM). Tức là cho phép người dùng có thể tăng giảm độ
sáng đến một giới hạn nào đó trong khi q trình truyền dẫn dữ liệu vẫn diễn ra.
Mắt người thích ứng với sự giảm mức độ sáng bằng cách mở rộng con người,
cho phép nhiều ánh sáng đi vào mắt hơn. Sự thích ứng của mắt người sẽ gây ra sự

khác biệt giữa mức độ ánh sáng đo được (Measuared Levels of Light – MLL) và
mức độ ánh sáng nhận biết được (Perceived Levels of Light – PLL) [13]. Mối quan
hệ giữa hai đại lượng này được cho bởi biểu thức (2.3) dưới đây.
PLL%  100

MLL%
100

(2.3)
Từ biểu thức 2.3 ta thấy, ánh sáng đèn giảm ở mức 10% của MLL tương ứng
với mức 32% của PLL, và do vậy, cần phải có một dải các mức độ điều chỉnh ánh
sáng đủ lớn, trong khoảng từ 0.1 – 100%.

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa PLL và MLL [13]
2.1.3.1. Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK)
Phương pháp điều chế khóa bật tắt OOK là một phương pháp điều chế rất phổ
biến trong các hệ thống truyền dẫn không dây sử dụng tia hồng ngoại. Phương pháp
này đơi khi cịn được gọi là mã hóa Non-return-to-zero (NRZ).