Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.04 MB, 73 trang )

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài : “Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh
sáng nhìn thấy và ứng dụng”

Giảng viên hướng dẫn : ThS. ĐỖ VĂN TRÁNG
Sinh viên thực hiện : PHÍ THANH TÙNG
Lớp : D08VT3
Khoá : 2008-2013
Ngành : Điện tử - Viễn thông
Hệ : Chính quy
Hà Nội, tháng 12 /2012
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: … ……………….)
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS. Đỗ Văn Tráng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

Bộ tập trung quang parabol
kết hợp
CS Compensation Symbol Ký hiệu dư thừa
CSK Color Shift Keying Khóa dịch màu
DMT Discrete Multi-tone Đa âm rời rạc
EU European Union Liên minh Châu Âu
FIT
Fraunhofer Insitute of
Telecommunications
Viện truyền thông
Fraunhofer
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 5
Đồ án tốt nghiệp dại học Thuật ngữ viết
tắt
FPS Frame per Second Số khung hình trên giây
FOV Field of View Trường nhìn thấy
FSO Free-Space Optical
Truyền dẫn quang trong
không gian tự do
HD High-Definition Độ phân giải cao
IM/DD Intensity Modulation/Direct Detection
Điều chế cường độ/tách
sóng trực tiếp
IR Infrared Hồng ngoại
ISI Intersymbol Interference Xuyên nhiễu
JEITA
Japan Electronics and Information
Technology Industries Association
Hiệp hội công nghệ thông
tin và điện tử Nhật Bản

LED Light Emitting Diode Diode phát quang
Li-Fi Light Fidelity
Truyền thông không dây sử
dụng ánh sáng nhìn thấy
LOS Line of Sight Đường 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
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 6
Đồ án tốt nghiệp dại học Thuật ngữ viết
tắt
NRZ None-Return-to-Zero Không trở về 0
OFDM
Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
OOK On-Off Keying Khóa bật tắt
PLC Power Line Communication
Truyền thông bằng đường
điện
PLL Perceived Level of Light
Mức độ sáng cảm nhận
được
PoE Power over Ethernet
Cấp nguồn qua cáp
Ethernet
PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất
RF Radio Frequency Sóng vô tuyến
SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
UV Ultra-Violet Cực tím
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 thông không dây sử
dụng sóng vô tuyến
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 7
Đồ án tốt nghiệp dại học Danh mục hình
vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 8
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng
biểu
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 9
Đồ án tốt nghiệp dại học Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, mạng truyền thông không dây vẫn chỉ sử dụng sóng vô tuyến làm
phương tiện truyền dẫn chính. Mặc dù đang rất phát triển với tốc độ ngày càng tăng
nhưng công nghệ này cũng có một số hạn chế như băng thông sẽ tới lúc cạn kiệt (do
nhu cầu sử dụng tăng rất nhanh), hạn chế khi sử dụng trong một số môi trường như
bệnh viện (dễ ảnh hưởng tới độ chính xác và chế độ hoạt động của các thiết bị y tế), và
không thể sử dụng gần khu vực không lưu của sân bay do đặc tính của sóng vô tuyến

có thể gây nhiễu lên điều hành máy bay… Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của Diode
phát quang (Light Emitting Diode – LED) với nhiều ưu điểm như hiệu quả chiếu sáng
cao, tiết kiệm điện năng sẽ giúp hiện thực hóa các ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy
để truyền dẫn thông tin.
Công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light
Communication –VLC) được xem như là một lời giải cho bài toán về băng thông cũng
như các nhược điểm khác của công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến với băng
thông sử dụng gần như không giới hạn, không gây xuyên nhiễu nên có thể sử dụng ở
các môi trường bệnh viện, sân bay. Đặc biệt hơn nữa chúng ta có thể xây dựng hạ tầng
vừa dùng để chiếu sáng vừa dùng để truyền thông sử dụng nguồn phát ánh sáng là các
bóng đèn LED.
Vì vậy, em đã chọn lựa đề tài đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu công nghệ
truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụng”.
Nội dung đồ án bao gồm ba phần chính sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy
Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 10
Đồ án tốt nghiệp dại học Lời nói đầu
Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi rất
nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và ý kiến góp
ý của các bạn độc giả để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo tại Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông
đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án, cảm ơn
các thành viên ban quản trị trên diễn đàn www.vntelecom.org đã giúp đỡ em phần tài
liệu để hoàn thành đồ án.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn ThS. Đỗ Văn Tráng – Viện Khoa Học Kỹ
Thuật Bưu Điện đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 28 tháng 11 năm 2012
Sinh viên

Phí Thanh Tùng
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY – VISIBLE LIGHT
COMMUNICATION
1. Giới thiệu chương
Hiện nay việc sử dụng sóng vô tuyến, tia hồng ngoại (infra-red) hay laser để
truyền dữ liệu không còn xa lạ. Nhưng việc sử dụng ánh sáng trong dải nhìn thấy được
để truyền dẫn thông tin là một ý tưởng rất mới và hiện công nghệ truyền thông bằng
ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication) vẫn đang được các nhà khoa học
nỗ lực nghiên cứu và phát triển. Chương I sẽ trình bày một cách tổng quan về công
nghệ đang rất hứa hẹn trong tương lai này.
2. Khái niệm Visible Light Communication
Visible Light Communication (VLC) – Truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy
sử dụng phần ánh sáng nhìn thấy được để truyền thông tin, để so sánh thì VLC gần
giống công nghệ truyền thông không 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 1.1 dưới đây cho ta thấy các bước sóng ánh sáng được gắn
với tông màu mà mắt thường có thể nhìn thấy.
Hình 1.1. Quang phổ ánh sáng nhìn thấy
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
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
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 công 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 thông tin tương tự như ánh sáng 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.
3. Lịch sử phát triển của Visible Light Communication
Ý tưởng sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin thực ra không hề
mới mẻ. Từ hàng nghìn năm trước, cách dùng khói để truyền tải thông tin đã được sử
dụng bởi rất nhiều nền văn minh khác nhau (ví dụ như người Mỹ bản địa và người
Roman).
Hình 1.2. Người Mỹ bản địa sử dụng tín hiệu khói
Tiếp theo là hệ thống những ngọn hải đăng đã được xây dựng ở bến cảng với
nhiệm vụ làm hoa tiêu giúp cho các con tàu có thể định hướng khi đang ở trong vùng
biển nguy hiểm bằng cách gửi những chùm sáng nhấp nháy theo chu kỳ. Ngọn hải
đăng đầu tiên mang tên Alexandria được xây dựng vào khoảng năm 280 đến 247 trước
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Công Nguyên dưới thời vua Ptolemy II với mục đích hướng dẫn tàu bè vào cảng
Alexandria an toàn, sau này được xếp vào một trong số bảy kỳ quan thế giới cổ đại.
.
Hình 1.3. Hải đăng Alexandria
Nỗ lực đầu tiên trong việc sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền thông tin sau
này thuộc về nhà khoa học Scotland Alexander Graham Bell, người đã phát minh ra
thiết bị “Photophone” vào ngày 19 tháng 2 năm 1880 tại phòng thí nghiệm ở
Washington, DC cùng với cộng sự của ông Charles Tainer. Thiết bị này cho phép
truyền thông tin nhờ vào ánh sáng mặt trời. Nguyên lý của hoạt động của chiếc điện
thoại này được mô tả như hình 1.4 và 1.5 dưới đây:
• Phía phát:
Ánh sáng sẽ được hội tụ qua thấu kính, đến phía ống nói, tại phần ống này gắn một
chiếc gương mảnh, có thể thay đổi cường độ của ánh sáng chiếu đến theo độ rung của

cổ họng khi phát âm và nhờ đó, thông tin được đã được điều chế vào ánh sáng và
truyền đến phía thu.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 14
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Hình 1.4. Phía phát của photophone
• Phía thu:
Vấn đề ở phía thu là làm thế nào để có thể thu được thông tin nhờ vào sự thay
đổi cường độ của ánh sáng truyền tới và điều này được giải quyết nhờ một vật liệu có
tên Selenium (là loại chất liệu bán dẫn có điện trở khoảng 100 Ω đến 300 Ω và điện
trở này sẽ giảm theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó).
Phía thu gồm nguồn điện nối với một Pin Selenium đặt ở tâm của một gương
parabol. Ánh sáng sẽ được tập trung vào chiếc pin này và cường độ sáng thay đổi sẽ
khiến cho điện trở của pin thay đổi tạo ra dòng điện thay đổi làm rung màng rung của
ống nghe và phát ra âm thanh đến tai của người nghe. Với thiết bị này, âm thanh có thể
truyền đi khoảng 200m với ánh sáng mặt trời và ngắn hơn với ánh sáng từ bóng đèn.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 15
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Hình 1.5. Phía thu
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 dòng điện không 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 dòng 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 không nhận biết được.
Từ đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn và truyền đi
đến máy thu.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 16
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Hình 1.6. Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED
Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có thể có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn

trong khi vẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn. Công nghệ sử dụng ánh
sáng để truyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity).
Tuy nhiên, công nghệ VLC hay Li-Fi không hẳn sinh ra để trở thành địch thủ
với Wi-Fi mặc dù VLC được mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tải
trong các mạng Wi-Fi hiện nay, nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ không
cung cấp nhiều băng thông cho đường lên (uplink) và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổ
sung cho vấn đề này.
Chu trình phát triển của công nghệ VLC được thống kê trong bảng 1.1.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 17
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Thời gian Sự kiện
2004
Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị di
động cầm tay tại Nhật Bản.
2005
Thử nghiệm thực tế hệ thống truyền dẫn VLC tới điện thoại di động
với tốc độ 10kb/s và ~Mb/s sử dụng đèn huỳnh quang và LED tại Nhật
Bản.
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.
2007
Hiệp hội VLC (VLCC) tại Nhật Bản đưa ra hai chuẩn: Tiêu chuẩn cho
hệ thống định danh sử dụng ánh sáng và tiêu chuẩn cho hệ thống VLC.
Hiệp hội công nghệ thông tin và điện tử Nhật Bản – JEITA đã chấp
nhận các tiêu chuẩn này thông qua hai văn bản JEITA CP-1221 và
JEITA CP-1222.
2008
Phát triển các tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng gia đình sử dụng ánh sáng
và hồng ngoại để truyền dẫn thông qua dự án OMEGA của EU.

Thực hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s.
2009
VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác
định phổ tần sử dụng trong VLC.
2010
Phát triển công nghệ VLC cho các thiết bị điện tử như TV, PC, điện
thoại di động ở đại học California, USA.
2010
Công bố hệ thống định vị toàn cầu GPS với môi trường trong nhà tại
Nhật Bản.
2010
Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với khoảng cách
5m, thực hiện bởi Siemen và Viện Heinrich Hertz, Đức.
2010 Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE.
2011
Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC-OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử
dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh.
Bảng 1.1. Chu trình phát triển của công nghệ VLC
Công 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.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 18
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
4. Các ưu điểm của công nghệ Visible Light Communication
Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến (Radio Frequency – RF) đang
ngày càng cạn kiệt và cơ hội mở rộng rất hạn chế. Thêm vào đó, có rất nhiều yếu tố về
an toàn và sức khỏe cần phải xem xét khi sử dụng sóng vô tuyến. Do đó, công nghệ
VLC có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ sử dụng sóng vô tuyến RF.

4.1. Dung lượng
Hình 1.7. Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy
• Băng thông lớn – Phổ tần của sóng ánh sáng nhìn thấy ước tính lớn gấp 10,000
lần so với phổ sóng vô tuyến và hoàn toàn miễn phí khi sử dụng.
• Mật độ dữ liệu – Công nghệ VLC có thể đạt được mật độ dữ liệu gấp 1000 lần
so với Wi-Fi bởi vì ánh sáng nhìn thấy không xuyên qua vật cản nên chỉ tập
trung trong một không gian trong khi sóng vô tuyến có xu hướng thoát ra và
gây xuyên nhiễu.
• Tốc độ cao – Công nghệ VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp,
băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.
• Quản lý – Việc quản lý trở nên khá dễ dàng do không gian chiếu sáng chọn lựa
để truyền thông và tín hiệu ánh sáng có thể quan sát được trong khi sóng vô
tuyến không thể quan sát khiến cho việc quản lý trở nên phức tạp hơn nhiều.
4.2. Hiệu năng
• Chi phí thấp – Công nghệ VLC yêu cầu ít thành phần hơn so với công nghệ sử
dụng sóng điện từ.
• Sử dụng đèn LED để chiếu sáng thực sự rất hiệu quả (bóng đèn LED hiện nay
tiết kiệm hơn 50% điện năng so với bóng thông thường) và năng lượng dùng
cho truyền dẫn dữ liệu là không đáng kể.
• Truyền thông dưới nước – Việc truyền thông dưới nước với sóng vô tuyến rất
khó khăn nhưng VLC có thể hoạt động tốt ở môi trường này
4.3. An toàn
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 19
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
• An toàn – Không cần phải xem xét bất cứ vấn đề nào về an toàn hay sức khỏe
khi sử dụng công nghệ này.
• Không gây ảnh hưởng nguy hiểm – Việc truyền dẫn bằng sóng ánh sáng nhìn
thấy sẽ tránh được các nguy cơ gây nguy hiểm đến một số môi trường khác
(bệnh viện, máy bay …) hay tia lửa điện bắt nguồn từ hệ thống antenna thu phát
sóng điện từ.

4.4. Bảo mật
• Ngăn chặn – Đối với môi trường trong nhà (indoor), sẽ rất khó để có thể thu
thập hay do thám các tín hiệu VLC do sóng ánh sáng không xuyên qua vật cản
và chỉ tập trung trong khu vực cần thiết.
• Điều khiển – Dữ liệu sẽ được chuyển trực tiếp từ một thiết bị sang thiết bị khác
và người sử dụng hoàn toàn có thể nhìn thấy và biết được dữ liệu của mình
đang được chuyển đi đâu, do vậy không cần thiết phải có các phương án bảo
mật liên kết nào khác như khi truyền thông với sóng điện từ.
5. Các thành phần trong hệ thống Visible Light Communication
Một hệ thống VLC bao gồm ba thành phần chính: hệ thống phát, kênh truyền,
hệ thống thu. Thiết bị sử dụng đầu cuối để truyền thông phải được tích hợp cả hai phần
tử thu phát.Về phía hệ thống phát, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để truyền tải
thông tin với tốc độ lên tới hàng trăm Mb/s. Để đạt được tốc độ hàng Gb/s, có thể sử
dụng Laser Diode (LD), tuy nhiên đồ án này chỉ tập trung vào LED. Có rất nhiều dạng
LED được sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng bao gồm LED đơn màu phủ phosphor
(Phosphor based-LED) hoặc LED RGB (Red-Green-Blue). Với loại LED RGB, mỗi
một màu có thể sử dụng để truyền dữ liệu riêng biệt trong khi LED đơn màu chỉ có thể
sử dụng các kỹ thuật điều chế dựa theo cường độ chiếu sáng. Với mục đích sử dụng cả
cho chiếu sáng, LED đơn màu được ưu tiên chọn lựa bởi giá thành rẻ và hiệu năng sử
dụng cao.
Như đã biết, chúng ta sẽ sử dụng các bóng đèn LED để phát thông tin nên cần phải
có các cách khác nhau để kết nối các bóng đèn này vào các mạng dữ liệu hiện tại. Có
hai cách điển hình đó là:
• Sử dụng kết hợp với công nghệ truyền thông bằng đường điện (Power-line
Communications – PLC). Công nghệ này cho phép truyền thông tin qua mạng
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 20
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
điện có sẵn. Bằng cách kết hợp này, chúng ta sẽ có thể tận dụng đường cáp điện
sẵn có để cấp nguồn và truyền tải thông tin thông qua bóng đèn. (Công nghệ
này đã được đưa ra từ lâu và hiện nay đang ngày càng được ứng dụng một cách

rộng rãi).
Hình 1.8. Truyền thông bằng công nghệ PLC
• Truyền thông qua Ethernet (Power over Ethernet – PoE). Việc cấp nguồn và
truyền thông tin qua các bóng LED sẽ được thực hiện thông qua một cáp nối
Ethernet.
Tuy nhiên mặc dù công suất cung cấp giới hạn chỉ vào khoảng 50W đối
với cáp Cat5 nhưng công suất này vẫn hoàn toàn đủ đáp ứng đối với các bóng
LED hiện nay. Cả hai phương pháp trên nổi bật hơn cả bởi nhờ vậy chúng ta
không cần chia phần cấp nguồn cho LED và kết nối dữ liệu thành hai mảng
riêng biệt.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 21
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Hình 1.9. Cấp nguồn và kết nối LED thông qua cáp Ethernet
Công nghệ truyền thông bằng đường điện có ưu điểm là không yêu cầu thêm
bất cứ một kết nối nào vào mạng đèn chiếu sáng có sẵn mà vẫn có thể kết nối và
truyền dữ liệu. Đối với nhu cầu lắp đặt mới, đặc biệt trong các môi trường thương mại,
công nghệ sử dụng cáp Ethernet (PoE) sẽ rất hiệu quả.
Đối với phía thu, do hiện nay các thiết bị điện tử như máy tính để bàn (PC),
máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc càng ngày càng trở nên
nhỏ gọn và tích hợp được nhiều chức năng nên hoàn toàn có thể tận dụng camera gắn
ngoài của các thiết bị này cũng như tích hợp thêm diode tách quang (Photodetector,
phần tử này sẽ chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện) để biến chúng thành một hệ
thống thu riêng biệt.
Để có thể đưa thông 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.

6. Kết luận chương
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 22
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I.Tổng quan về VLC
Trên đây là tất cả những thông tin cơ bản về công nghệ truyền thông bằng ánh
sáng nhìn thấy – Visible Light Communication, như chúng ta đã thấy, công nghệ này
có rất nhiều ưu điểm so với công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến hiện tại.
Chương tiếp theo sẽ trình bày cụ thể và chi tiết về các thành phần cấu thành nên hệ
thống VLC.
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 23
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II.Nghiên cứu hệ thống VLC
CHƯƠNG II – NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY
2.1. Giới thiệu chương
Trong chương trước, chúng ta đã có một cái nhìn tổng quan về công
nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communication).
Trong chương này sẽ trình bày một cách chi tiết về từng thành phần cụ thể
trong hệ thống VLC. Bao gồm ba phần chính: thành phần phát, thành phần thu,
mô hình kênh và các phương pháp điều chế.
2.2. Thành phần phát trong hệ thống VLC
Mô hình thành phần phát sử dụng LED làm nguồn sáng như sau:
Hình 2.1. Mô hình thành phần phát trong hệ thống VLC
2.2.1.LED
Với công nghệ ngày càng phát triển, LED đang được mong đợi như là
một thế hệ thiết bị chiếu sáng tiếp theo, thay thế cho các loại đèn huỳnh quang
(Flourescents Light) hiện tại do các lý do như giá thành rẻ, hiệu năng chiếu
sáng cao, tiết kiệm điện, tuổi thọ lâu dài. Chính vì vậy, chúng ta sẽ sử dụng
LED làm nguồn sáng dùng để thông tin trong hệ thống VLC. Công suất chiếu
sáng tối thiểu của LED cho một văn phòng là từ 200 – 1000 (lux).
(Lux, (kí hiệu là lx) là một đơn vị đo cường độ chiếu sáng có thể cảm nhận bởi
mắt người thông qua một đơn vị diện tích.)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:
Khi phân cực thuận cho LED sẽ có dòng bơm qua LED làm cho các điện
tử đang ở vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn. Đây là hiện tượng đảo mật độ do ở
điều kiện bình thường, nồng độ điện tử ở vùng hóa trị sẽ rất lớn so với nồng độ
điện tử ở vùng dẫn nhưng khi được kích thích, các điện tử nhảy mức năng
lượng làm cho nồng độ điện tử ở vùng dẫn lớn hơn so với nồng độ điện tử ở
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 24
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II.Nghiên cứu hệ thống VLC
vùng hóa trị. Đồng thời, dưới tác dụng của điện trường phân cực thuận, các điện
tử từ lớp N sẽ được khuếch tán sang lớp tích cực và các lỗ trống ở lớp P cũng
được khuếch tán sang lớp tích cực. Tại đây, các cặp điện tử và lỗ trống sẽ tái
hợp (re-combine) và phát xạ ra photon ánh sáng. Hiện tượng phát xạ ở đây chủ
yếu là hiện tượng phát xạ tự phát. Hiện tượng này được mô tả như hình 2.2
dưới đây:
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của LED
Với mục đích kết hợp để chiếu sáng, loại LED được sử dụng trong VLC sẽ là
LED đơn sắc (một trong ba màu RGB) và LED phát ánh sáng trắng (White LED). Có
hai cách thông dụng để tạo ra ánh sáng trắng tương ứng với hai loại LED khác nhau:
loại thứ nhất sử dụng một chip bán dẫn xanh (blue) và sau đó được phủ thêm một lớp
phosphor bên ngoài hay còn được gọi tên là “LED màu trắng đơn chip”. Khi dòng điện
được cung cấp cho chip LED màu xanh, chip này sẽ phát ra ánh sáng xanh, phosphor
sau đó được kích thích bởi màu xanh và sẽ phát ra huỳnh quang màu vàng. Sự kết hợp
hai loại màu này sẽ tạo ra ánh sáng trắng. Loại thứ hai là LED cấu tạo với ba chip màu
Sinh viên: Phí Thanh Tùng – D08VT3 25
Bán dẫn loạ
i
n
Bán dẫn loại p
Điện tử
Dải hóa trị

Dải dẫn
Dải cấm
Photon
ánh sáng
Lỗ trống

Nghiên cứu công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy và ứng dụng

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về