CẢI THIỆN tốc độ điều CHẾ KHÓA tắt mở TRONG hệ THỐNG TRUYỀN THÔNG BẰNG ÁNH SÁNG VÙNG NHÌN THẤY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
CẢI THIỆN TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ KHĨA TẮT MỞ TRONG
HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG BẰNG ÁNH SÁNG
VÙNG NHÌN THẤY
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trung Hưng
Lớp KSTN-ĐTVT-K56

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Phạm Ngọc Nam
PGS. TS. Phí Hịa Bình

Hà Nội, 5-2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
CẢI THIỆN TỐC ĐỘ ĐIỀU CHẾ KHĨA TẮT MỞ TRONG

HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG BẰNG ÁNH SÁNG
VÙNG NHÌN THẤY
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trung Hưng
Lớp KSTN-ĐTVT-K56

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Phạm Ngọc Nam
PGS. TS. Phí Hịa Bình

Cán bộ phản biện:
Hà Nội, 5-2016


Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá: PGS. TS. Phạm Ngọc Nam.
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng.
MSSV: 20112728
Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ thống truyền thơng bằng ánh sáng
vùng nhìn thấy.
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1 thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng
1 2 3 4 5
dụng của đồ án

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4 5
Có kết quả mơ phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
4
1 2 3 4 5
được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
5
1 2 3 4 5
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
6
1 2 3 4 5
được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
7 quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận 1 2 3 4 5
để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic
và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số
8 thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu 1 2 3 4 5
cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
9
1 2 3 4 5
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học
10a
5
(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh
sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
10b
2
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chuyên ngành như TI contest.
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
0
Điểm tổng
/50
Điểm tổng quy đổi về thang 10


Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần
làm việc của sinh viên)
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............ ..............................................................................................

Ngày:

/

/2016

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:......................................................
Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Trung Hưng
MSSV: 20112728
Tên đồ án: Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ thống truyền thơng bằng ánh sáng
vùng nhìn thấy.
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1 thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng
1 2 3 4 5

dụng của đồ án
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)
1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề
1 2 3 4 5
Có kết quả mơ phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
4
1 2 3 4 5
được
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
5
1 2 3 4 5
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
6
1 2 3 4 5
được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
7 quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận 1 2 3 4 5
để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
Kỹ năng viết (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic
và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số
8 thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu
1 2 3 4 5
cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
9

1 2 3 4 5
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học
10a
5
(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh
sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
10b
2
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chun ngành như TI contest.
10c Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học
0
Điểm tổng
/50
Điểm tổng quy đổi về thang 10


Nhận xét thêm của Thầy/Cô
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
..............................

Ngày:

/

/2016

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay, với ưu điểm băng thơng lớn, bảo mật cao, thông tin quang đang đang
ngày càng khẳng định được chỗ đứng của mình trong lĩnh vực truyền thơng. Trong đó,
với sự kết hợp truyền thơng cùng chiếu sáng, truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy
(VLC – visible light communications) đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà
khoa học. Nhận thức được cơ hội phát triển của truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn
thấy, em đã tìm hiểu và lựa chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong hệ
thống truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy” cho đồ án tốt nghiệp kỹ sư của mình.
Trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được sự chỉ bảo,
hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Phạm Ngọc Nam (Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học
Bách Khoa Hà Nội) và PGS. TS. Phí Hịa Bình (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Sự dạy bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy giúp
cho em có được những kinh nghiệm quý báu trong học tập cũng như cuộc sống. Em xin
chân thành cám ơn các thầy. Kính chúc các thầy sức khỏe để tiếp tục công tác tốt!
Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho em những kiến thức vững
vàng trong suốt 5 năm học.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ở bên cạnh động viên,
giúp đỡ em trong thời gian qua.
Sinh viên
Nguyễn Trung Hưng

5


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Trong báo cáo đồ án tốt nghiệp kỹ sư này, em trình bày cái nhìn tổng quan về
truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy cũng như các tính chất của LED – nguồn
sáng thích hợp nhất cho hệ thống VLC. Mục tiêu đề ra của đồ án là nâng cao tốc độ điều
chế khóa tắt mở (OOK – on-off keying) của LED trong hệ thống truyền thơng bằng ánh
sáng vùng nhìn thấy. Trong đồ án, em trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp cải
thiện tốc độ điều chế LED sử dụng hiệu ứng “peaking” (đỉnh nhọn) và hiệu ứng “carrier
sweep-out” (quét hạt tải) được tạo bởi mạch vi phân có ngưỡng gồm hai diode Shottky
và một tụ điện. Đồ án cũng trình bày sơ đồ thiết kế của máy phát, máy thu và sơ đồ bố
trí thí nghiệm một đường truyền tín hiệu quang khơng dây cự ly ngắn (0.5 m). Các thí
nghiệm khảo sát một số đặc trưng ở chế độ một chiều, đặc trưng điều chế tín hiệu nhỏ
của LED, cũng như thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỷ lệ lỗi bit của đường truyền VLC được
trình bày trong Chương 3 và Chương 4 của đồ án. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, bằng
cách sử dụng hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out” được tạo ra bởi mạch
vi phân có ngưỡng, em có thể cải thiện được tốc độ điều chế của LED màu đỏ (vật liệu
AlInGaP) trong RGB-LED thương mại B5-4RGB-CBA lên 5 lần. Hiệu quả cải thiện của

phương pháp đề ra áp dụng cho LED màu lục và LED màu lam là thấp hơn do ảnh hưởng
của trường áp điện trong các cấu trúc LED dựa trên vật liệu III-nitride. Để giải quyết vấn
đề đối với các LED màu lục và màu lam, cần có thêm các nghiên cứu về trường áp điện
do sự sai lệch hằng số mạng tinh thể và phương pháp áp dụng hiệu ứng “carrier sweepout” cho loại vật liệu này. Em sẽ tìm hiểu thêm về vấn đề này trong các nghiên cứu tiếp
theo.

6


ABTRACT
In this graduate project thesis, I present the overview of visible light
communications and the characteristics of LED – a light source of VLC systems. The
purpose of this project is to enhance the on-off keying (OOK) modulation rate of the
LEDs in the VLC systems. In this thesis, I present the principle of a method using the
peaking and carrier sweep-out effects, which generated by the differentiator circuit with
an inserted threshold voltage [also named current-shaping circuit (CSC)], to improve the
OOK-NRZ (nonreturn-to-zero) modulation rate of a commercial RGB LED. The thesis
also presents proposed schematics of a transmitter and a receiver, and the experimental
setup of a short distance optical wireless link (0.5 m). The experiments used to determine
the DC characteristics and the small signal modulation characteristic of the LED, the
eye-diagram measurements and the bit error rate tests are presented in the chapter 3 and
4 of the thesis. The experimental results show that, by implying the peaking and carriersweep-out effects generated by the CSC, I can improve the OOK modulation rate of the
AlInGaP red LED by a factor of 5. However, the efficiency of our method is reduced
when applying to the green and the blue LEDs by the impacts of the piezoelectric field
in the LEDs which are based on the III-nitride wide band gap semiconductors. For further
studies, I expect to improve the carrier sweep-out effect on GaN-based LED.

7

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ......................................................................................................... 6
ABTRACT ...................................................................................................................... 7
DANH SÁCH HÌNH VẼ .............................................................................................. 11
DANH SÁCH BẢNG BIỂU......................................................................................... 13
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 14
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 15
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VLC ................................................. 19
1.1.

Lịch sử truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy ........................................ 19

1.2.

Nguồn sáng trong hệ thống VLC...................................................................... 19

1.2.1.

Laser diode (LD) ........................................................................................ 19

1.2.2.

LED (light emitting diode) ........................................................................ 20

1.3.

Thách thức của hệ thống VLC .......................................................................... 23

1.3.1.

Tốc độ dữ liệu ............................................................................................ 23

1.3.2.

Đường truyền hai chiều ............................................................................. 23

1.3.3.

Điều khiển tối............................................................................................. 24

1.4.

Các phương pháp điều chế ............................................................................... 24

1.4.1.

Điều chế khóa tắt mở (OOK - on-off keying) ........................................... 24

1.4.2.

Điều chế biên độ xung đa mức (m-PAM – multilevel Pulse Amplitude

Modulation) ............................................................................................................. 24
1.4.3.
1.5.

Điều chế đa tần rời rạc (DMT – discrete multitone) ................................. 25

Kết luận............................................................................................................. 25

8


CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG – ĐIỆN CỦA LED ............................. 27
2.1.

Lịch sử phát triển của LED............................................................................... 27

2.2.

Các tính chất của LED ...................................................................................... 29

2.2.1.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED ................................................. 29

2.2.2.

Tái hợp có phát xạ và khơng phát xạ ......................................................... 31

2.2.3.

Hiệu suất lượng tử của LED ...................................................................... 33

2.3.

Đặc trưng điều chế của LED ............................................................................ 34

2.4.

Mạch tạo dạng dòng ......................................................................................... 36

2.4.1.

Hiệu ứng “peaking” ................................................................................... 36

2.4.2.

Hiệu ứng “carrier sweep-out” .................................................................... 37

2.4.3.

Mạch tạo dạng dòng ................................................................................... 39

2.5.

Kết luận............................................................................................................. 41

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG QUANG – ĐIỆN
CỦA LED ...................................................................................................................... 43
3.1.

Phổ phát xạ của LED ........................................................................................ 43

3.2.

Đặc trưng I-P .................................................................................................... 44

3.3.

Băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ ..................................................................... 47

3.3.1.

Bố trí thí nghiệm ........................................................................................ 47

3.3.2.

Kết quả thí nghiệm ..................................................................................... 48

3.4.

Kết luận............................................................................................................. 49

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ................................................................. 50
4.1.

Kiến trúc máy phát ........................................................................................... 50

4.2.

Kiến trúc máy thu ............................................................................................. 52

4.3.

Dựng hệ đo ....................................................................................................... 53
9

4.4.

Kết quả thí nghiệm và biện luận ....................................................................... 55

4.5.

Kết luận............................................................................................................. 57

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 60
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT-ANH ....................................................... 63

10


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 0.1: Dải tần của ánh sáng vùng nhìn thấy ............................................................. 16
Hình 0.2: Ứng dụng của VLC trong mạng Internet-of-Things (IoT) ............................ 17
Hình 2.1 : So sánh về tuổi thọ và hiệu suất phát quang của các nguồn sáng [6] ........... 27
Hình 2.2: Cấu trúc và giản đồ năng lượng của lớp tiếp giáp p-n ................................... 30
Hình 2.3: Giản đồ năng lượng của một DH-LED. ......................................................... 31
Hình 2.4: Q trình tái hợp hạt tải khơng phát xạ: (a) tái hợp Shockley-Read-Hall và
(b) tái hợp Auger. (c) quá trình tái hợp hạt tải phát xạ ra photon. ................................. 32
Hình 2.5: Sơ đồ mạch điện tương đương của một LED ................................................ 35
Hình 2.6: Dạng xung dịng và xung quang trong trường hợp (a) khơng có hiệu ứng
“peaking” và (b) có hiệu ứng “peaking”. ....................................................................... 37
Hình 2.7: Dạng xung điện áp và xung quang trong trường hợp (a) khơng có hiệu ứng
“carrier sweep-out” và (b) có hiệu ứng “carrier sweep-out”. ........................................ 38
Hình 2.8: Xu hướng chuyển động của các hạt tải sau khi tắt kích thích trong trường hợp
(a) LED bị phân cực ngược và (b) LED không phân cực. ............................................. 39

Hình 2.9: Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân RC. .............................. 39
Hình 2.10: Dạng xung dòng điện qua LED và xung quang trong trường hợp (a) khơng
có hiệu ứng và (b) có hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out”. ............... 40
Hình 2.11: (a) Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch vi phân có ngưỡng. (b) Đặc
trưng volt-ampere của diode lý tưởng. ........................................................................... 41
Hình 2.12: Sơ đồ mạch điều khiển LED sử dụng mạch tạo dạng dịng cải tiến. ........... 41
Hình 3.1: Kết quả thí nghiệm đo phổ phát xạ của RGB-LED B5-4RGB-CBA ............ 44
Hình 3.2: Kết quả thí nghiệm đo đặc trưng I-P của LED B5-4RGB-CBA. .................. 45
Hình 3.3: Sơ đồ thí nghiệm đo băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ của LED. ................. 47
Hình 3.4: Kết quả đo băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ của LED B5-4RGB-CBA. ..... 48

11


Hình 4.1: (a) Sơ đồ máy phát sử dụng LED RGB. (b) Sơ đồ khối một mạch điều khiển
LED với dạng xung tín hiệu điện áp trước và sau khối làm sắc xung và dạng xung tín
hiệu dịng điện qua LED. ............................................................................................... 50
Hình 4.2: Sơ đồ một máy thu thơng tin quang đơn giản. ............................................... 52
Hình 4.3: Sơ đồ khối máy thu ........................................................................................ 53
Hình 4.4: Sơ đồ khối thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỷ lệ lỗi bit của hệ thống. ................ 54
Hình 4.5: Bố trí thí nghiệm đo đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit của hệ thống. ......................... 54
Hình 4.6: Đồ thị mắt đo được của tín hiệu sau máy thu ở tốc độ dữ liệu 125 Mbit/s đối
với (a) LED màu đỏ, (b) LED màu lục, và (c) LED màu lam. ...................................... 56

12


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh thông số của một số loại LED. ......................................................... 22
Bảng 2.1. Một số vật liệu chế tạo LED và khoảng bước sóng phát xạ .......................... 29

13


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Diễn giải

VLC

Visible light communication

LD

Laser diode

LED

Light emitting diode

IoT

Internet-of-Thing

MIMO

Multiple input, multiple output

FTTH

Fiber to the home

FITH

Fiber in the home

OOK

On-off keying

m-PAM

Multilevel pulse amplitude modulation

DMT

Discrete multitone

OFDM

Orthogonal frequency-division multiplexing

PD

Photodiode

TIA

Transimpedance amplifier

LA

Limiting amplifier

BER

Bit errror rate

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong hầu hết các hệ thống thông tin hiện nay chủ yếu sử dụng sóng vơ tuyến nhờ
ưu điểm chống nhiễu tốt. Tuy nhiên, với sự phát triển nhu cầu trao đổi thơng tin, băng
thơng sóng vơ tuyến dần khơng đáp ứng được lưu lượng thông tin cần trao đổi. Để giải
quyết vấn đề này, hệ thống thông tin quang đang ngày càng được phát triển. Trong đó,
hệ thống truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC – Visible light
communications) sử dụng ánh sáng nhìn thấy có dải tần nằm trong khoảng từ 400-800
THz (Hình 0.1) đang nhận được rất nhiều quan tâm với rất nhiều ưu điểm như:
-

Tính bảo mật cao: Sóng vơ tuyến có khả năng đi xuyên qua các vật che chắn như
tường ngăn cách, trong khi ánh sáng vùng nhìn thấy có thể bị chặn lại hồn tồn bởi
các vật che chắn. Do đó, tính bảo mật của ánh sáng vùng nhìn thấy rất lớn, thơng tin
hồn tồn chỉ tồn tại trong một phạm vi nhất định.

-

An tồn: ánh sáng vùng nhìn thấy khơng gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người
và động vật.

-

Tái sử dụng không gian: Do thông tin ánh sáng vùng nhìn thấy u cầu độ định hướng
cao, vì vậy thơng tin chỉ tồn tại trong một không gian nhất định. Vượt qua ngồi
khoảng khơng gian này, người ta hồn tồn có thể sử dụng lại tần số ánh sáng đấy để
truyền thơng tin mà khơng gây ra nhiễu.

-

Tính chống nhiễu: Dải tần ánh sáng vùng nhìn thấy hồn tồn khơng gây ra nhiễu với
sóng vơ tuyến. Vì vậy, triển khai hệ thống VLC không gây ảnh hưởng đến các hệ
thống vơ tuyến sẵn có.

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

Hình 0.1: Dải tần của ánh sáng vùng nhìn thấy.

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, LED (light emitting diode)
đang dần thay thế các nguồn sáng truyền thống trong các ứng dụng chiếu sáng, hiển thị

và tín hiệu. Với các tính năng nổi trội so với các nguồn sáng khác như tiêu thụ ít năng
lượng, hiệu suất cao, tuổi thọ lớn, đặc biệt là băng thông điều chế cao (so với các nguồn
sáng truyền thống), LED đang trở thành nguồn sáng chính trong các nghiên cứu phát
triển hệ thống VLC. Sự phát triển của LED kéo theo sự phát triển của truyền thơng sử
dụng ánh sáng vùng nhìn thấy. Trong tương lai, các ứng dụng trong thông tin quang cự
ly ngắn sử dụng LED kết hợp chiếu sáng có thể phát triển theo hướng Internet-of-Things
(IoT) như Hình 0.2.

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

Hình 0.2: Ứng dụng của VLC trong mạng Internet-of-Things (IoT).

Một thách thức lớn còn tồn tại đối với việc sử dụng LED trong truyền thông là
băng thông điều chế của LED rất thấp (vài chục MHz) đo đó hạn chế tốc độ truyền tín
hiệu. Để giải quyết vấn đề này, rất nhiều giải pháp đã được đưa ra nhằm cải thiện tốc độ
của hệ thống như giảm kích thước LED để tăng băng thơng điều chế (µ-LED), sử dụng
các phương pháp điều chế để tăng hiệu suất sử dụng băng thông hay sử dụng kiến trúc
đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO – multiple input, multiple output). Tuy nhiên, các phương
pháp trên đều yêu cầu hệ thống phức tạp và có giá thành rất lớn. Vì vậy, trong đồ án tốt
nghiệp của mình tác giả đã chọn đề tài “Cải thiện tốc độ điều chế khóa tắt mở trong

hệ thống truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy” với mục đích nghiên cứu, tìm
hiểu phương pháp tăng tốc độ điều chế của LED. Đồ án tập trung vào phương pháp điều
chế khóa tắt mở là phương pháp điều chế đơn giản nhất và cho tỷ lệ lỗi bit (BER – bit
error rate) thấp nhất. Đồ án được trình bày trong 4 chương với bố cục sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống VLC – Chương này trình bày một cách tổng
quan về hệ tống truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC). Lịch sử phát triển,
17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

các loại nguồn sáng, các phương pháp điều chế và những thách thức của hệ thống VLC
sẽ được giới thiệu một cách khái quát.
Chương 2: Các đặc trưng quang – điện của LED – Chương này trình bày lịch
sử phát triển của cơng nghệ sản xuất LED, một số đặc tính quang học và động học hạt
tải, mơ hình mạch điện tương đương cùng với các đặc trưng điều chế của LED. Trong
chương cũng trình bày cơ sở lý thuyết của hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier
sweep-out”, hai hiệu ứng mà tác giả sử dụng nhằm cải thiện tốc độ điều chế của LED.
Cuối cùng, tác giả trình bày nguyên lý và các cải tiến của mạch tạo dạng dòng, mạch
điện được dùng để tạo ra hiệu ứng “peaking” và hiệu ứng “carrier sweep-out”.
Chương 3: Thí nghiệm khảo sát các đặc trưng quang – điện của LED –
Chương này trình bày một số phép đo nhằm khảo sát các đặc trưng làm việc ở chế độ
tĩnh (một chiều) và băng thông điều chế tín hiệu nhỏ của RGB-LED B5-4RGB-CBA của
hãng Roithner LaserTechnik. Các phép đo được thực hiện nhằm xác định vùng làm việc
tuyến tính của LED và băng thơng điều chế tín hiệu nhỏ đối với LED xác định.
Chương 4: Triển khai hệ thống – Chương này trình bày về kiến trúc máy phát
và máy thu. Bên cạnh đó, một đường truyền VLC với khoảng cách giữa máy phát và
máy thu là 0.5 m được thiết lập. Phép đo đồ thị mắt và tỉ lệ lỗi bit (BER – bit error rate)
được thực hiện để đánh giá hiệu năng của hệ thống sử dụng chuỗi dữ liệu nhị phân giả
ngẫu nhiên độ dài 27 − 1 được cấp bởi máy đo tỷ lệ lỗi bit OPB3200 của hãng optellent.

18

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VLC
Chương này trình bày một cách tổng quan về hệ thống truyền thông bằng ánh
sáng vùng nhìn thấy (VLC). Lịch sử phát triển, các loại nguồn sáng, các phương pháp
điều chế và những thách thức của hệ thống VLC sẽ được giới thiệu một cách khái qt.

1.1.

Lịch sử truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy
Truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLC) lần đầu tiên được biết tới năm

1880 bởi nhà khoa học Alexander Graham Bell khi ơng phát minh ra photophone có thể
truyền dữ liệu tiếng nói qua khoảng cách 200m sử dụng chùm tia sáng mặt trời [1]. Khái
niệm sử dụng sự đóng ngắt nhanh các LED như là điều chế ánh sáng cho truyền thơng
được trình bày lần đầu tiên bởi Pang và đồng sự năm 1999 [2]. Năm 2003, hiệp hội
truyền thơng sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy (VLCC) được thành lập tại Nhật Bản để
xúc tiến và chuẩn hóa cơng nghệ VLC [3]. Năm 2011, chuẩn IEEE 802.15.7 dành cho
VLC lần đầu được công bố nằm trong nhóm chuẩn IEEE 802.15 dành cho mạng cá nhân
khơng dây (WPAN) [4]. Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu về VLC được thực hiện.
Dự án OMEGA (hOME Gigabit Access) của châu Âu được đưa ra với mục tiêu đạt được
tốc độ truyền dữ liệu Gigabit cho các ứng dụng trong nhà. Đã có nhiều nghiên cứu về
VLC được cơng bố từ dự án này.

1.2.

Nguồn sáng trong hệ thống VLC
1.2.1. Laser diode (LD)

Laser diode là nguồn sáng kết hợp có:
-

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng
chiếu xa hàng nghìn km mà khơng bị phân tán.

-

Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất.
Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà khơng nguồn sáng nào
có.
-

Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực
ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây (ns), pico giây (ps), cho phép tập trung năng
lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
Nhờ những ưu điểm nêu trên, LD đang đóng vai trị quan trọng trong các hệ thống

thơng tin quang hiện nay. Tốc độ điều chế lớn, công suất phát xạ lớn cùng với tính định
hướng và tính đơn sắc cao khiến cho LD là lựa chọn tối ưu cho vị trí nguồn quang trong
các hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi quang. Tuy nhiên, LD mang một số khuyết
điểm như:
-

Nhạy với nhiệt độ: LD hoạt động trong một khoảng nhiệt độ rất hẹp, điều này hạn
chế LD khó triển khai trong một số ứng dụng trong mơi trường có biên độ biến
thiên nhiệt lớn như cơng nghiệp ơ-tơ, máy bay…

-

Khơng an tồn: một nguồn laser có cơng suất vài mili watts có thể gây ảnh hưởng
xấu đến mắt người, những nguồn laser có cơng suất lớn hơn ảnh hưởng đến các tế
bào sống. Vì vậy sử dụng nguồn laser khơng an tồn, nhất là với các ứng dụng
truyền thông quang không dây.

-

Giá thành của laser diode đắt hơn so với LED
Do những ưu, khuyết điểm trên của LD, nguồn sáng kết hợp này thường được sử

dụng trong các hệ thống thông tin quang hữu tuyến, yêu cầu tốc độ cao, khoảng cách
lớn. Trong các hệ thống VLC kết hợp chiếu sáng, Laser Diode rất khó sử dụng do giá
thành cao và khơng an tồn.

1.2.2. LED (light emitting diode)
Trong khi LD đang chiếm giữ chủ đạo trong các hệ thống ứng dụng thông tin với
tốc độ cao (hàng gigabit), LED tìm thấy chỗ đứng của mình trong các lĩnh vực yêu cầu
tốc độ thấp, cự ly ngắn như VLC, hệ thống truyền thông tin quang dựa trên sợi cáp quang

nhựa (POF - Plastic optical fiber) như hệ thống FTTH (fiber to the home), FITH (fiber
20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

in the home), .... Với một số ưu điểm nổi trội hơn so với LD như an toàn với mắt, giá
thành rẻ, độ ổn định với nhiệt độ cao, tiêu thụ công suất thấp, LED là lựa chọn tối ưu
cho hệ thống truyền thơng bằng ánh sáng vùng nhìn thấy. Tuy nhiên, băng thông điều
chế của LED tương đối thấp (dưới 100MHz) đang là một vấn đề lớn cho các hệ thống
VLC. Băng thông điều chế thấp ảnh hưởng đến giới hạn tốc độ tối đa của dữ liệu (theo
lý thuyết, tốc độ truyền dữ liệu tối đa ~ 2 × 𝑓−3𝑑𝐵 ). Có một số phương pháp nhằm tăng
băng thơng điều chế của LEDs như thu nhỏ diện tích hoặc pha tạp mạnh vùng hoạt động
của LEDs. Tuy nhiên các phương pháp này dẫn tới sự suy giảm năng lượng quang phát
xạ của LEDs. Vì vậy, cần một điểm cân bằng giữa năng lượng quang phát xạ và băng
thông điều chế của LEDs.
Phân loại LEDs:
 pc-LED: có 2 loại LED có thể cho ánh sáng trắng, một trong số đó là LED phosphor
(pc-LED – phosphor converted LED). pc-LED bao gồm một chip LED InGaN cho
ánh sáng xanh lam và được bao phủ bởi vỏ Yttrium Aluminum Garnet (YAG)
phosphor. Vỏ phosphor sau khi được kích thích bởi ánh sáng xanh da trời sẽ phát xạ
ra ánh sáng các màu đỏ, vàng và xanh lục. Những ánh sáng do vỏ phosphor phát ra
kết hợp với ánh sáng xanh lam từ chip thoát ra tạo thành ánh sáng trắng. Dựa vào các
hợp chất có trong vỏ, ánh sáng trắng phát ra được chia làm 3 loại: trắng ấm, trắng
vừa và trắng lạnh.
 LED đa chip: là loại LED được tạo thành nhiều hơn hoặc bằng 3 loại chip. Mỗi chip
cho ra một ánh sáng có bước sóng xác định. Tổ hợp các ánh sáng này tạo thành ánh
sáng trắng. LED đa chip đặc trưng là RGB-LED cho 3 bước sóng cơ bản tương ứng

là đỏ, lục, và lam. Phối hợp 3 bước sóng này cho ta ánh sáng trắng. LED đa chip có
băng thơng điều chế rộng hơn so với LED phosphor cũng như màu sắc ánh sáng có
thể điều chỉnh được thơng qua sự pha trộn các màu cơ bản. Tuy nhiên, LED đa chip
khó chế tạo hơn cũng như có giá thành cao hơn nhiều so với pc-LED.
 rc-LED (resonant-cavity LED): là LED có vùng phát xạ nằm trong hốc cộng hưởng
quang học. rc-LED kế thừa tất cả các ưu điểm của LED như giá thành thấp, ổn định
21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

với nhiệt độ, thời gian sống lớn. Bên cạnh đó, do vùng phát xạ nằm trong hốc cộng
hưởng quang học nên rc-LED có một số ưu điểm nổi bật hơn như phổ hẹp (∆λ~20nm)
băng thông điều chế rộng (~100MHz). Do các ưu điểm nêu trên, rc-LED thường được
lựa chọn cho các ứng dụng mạng thông tin quang khoảng cách ngắn, tốc độ trung
bình như FTTH, FITH hay trong các chuẩn cơng nghiệp (MOST,..) sử dụng sợi POF.
 µ-LED: Một phương pháp để nâng cao băng thông điều chế của LED là giảm kích
thước của vùng hoạt động. Tuy nhiên việc giảm kích thước kéo theo sự giảm công
suất phát quang của LED. µ-LED được nghiên cứu và phát triển dựa trên nguyên lý
này nhằm tăng tốc độ truyền thông tin cho các hệ thống thơng tin quang sử dụng ánh
sáng vùng nhìn thấy. µ-LED thường được phát triển trên vật liệu AlGaN phát xạ ở
bước sóng từ 370-520nm, và được xếp thành các mảng để tăng cơng suất. Hiện nay,
µ-LED vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu phát triển cho hệ thống thơng tin quang
sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy.

Bảng 1.1: So sánh thông số của một số loại LED.
Thông số

pc-LED

RGB LED

rc-LED

µ-LED

Băng thơng

3-5 MHz

10-20 MHz

~100 MHz

≥ 300 MHz

Hiệu suất

130 lm/W

65 lm/W

N/A

N/A

Giá thành

Thấp

Cao

Cao

Cao

Độ phức tạp

Thấp

Trung bình

Cao

Cao nhất

Ứng dụng

Chiếu sáng

Chiếu sáng

Thơng tin

Hiển thị

Bảng 1.1 so sánh một số thông số của các loại LED hiện nay. Trong các loại LED
trên, chỉ có hai loại LED cho ánh sáng trắng là pc-LED và LED đa chip cho ba màu cơ

bản đỏ-lục-lam (RGB-LED). Do đó, hai loại LED này trở thành nguồn sáng thích hợp
nhất cho hệ thống VLC.

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.3.

NGUYỄN TRUNG HƯNG – LỚP KSTN-ĐTVT-K56

Thách thức của hệ thống VLC
1.3.1. Tốc độ dữ liệu
Hai loại LED cho ánh sáng trắng sử dụng trong hệ thống truyền thông kết hợp

chiếu sáng là pc-LED và RGB-LED. Một thách thức lớn đối với hệ thống VLC là băng
thông điều chế của cả hai loại LED trên đều rất thấp ở vài MHz đối với pc-LED và vài
chục MHz đối với RGB-LED. Băng thông điều chế thấp hạn chế tốc độ truyền dữ liệu
tối đa của hệ thống. Theo lý thuyết, với phương pháp điều chế khóa tắt mở, tốc độ truyền
dữ liệu tối đa xấp xỉ hai lần băng thông điều chế. Do vậy, tốc độ truyền dữ liệu của hệ
thống VLC bị hạn chế dưới 100Mbit/s nếu không có cách cải thiện hiệu suất sử dụng
băng thơng. Băng thơng điều chế của LEDs thường khó cải thiện vì liên hệ chặt chẽ với
cơng suất phát xạ, vì vậy việc nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông là một yêu cầu lớn
được đặt ra khi phát triển hệ thống VLC. Các phương pháp cơ bản để nâng cao hiệu suất
sử dụng băng thông là thay đổi phương pháp điều chế ở phía phát hoặc thiết kế các bộ
san bằng ở phía thu. Các hệ thống sử dụng kiến trúc MIMO cũng được áp dụng nhằm
khai thác khả năng truyền dữ liệu song song, nâng cao tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống.
Các nghiên cứu gần đây đã công bố tăng tốc độ dữ liệu lên hàng Gbit/s, tuy nhiên, các
hệ thống này vẫn chưa thể áp dụng vào thực tế do cấu trúc còn quá phức tạp. Vì vậy,

việc nâng cao tốc độ điều chế của LED sử dụng kiến trúc thu phát đơn giản vẫn đang
được quan tâm nghiên cứu trong thời gian tới.

1.3.2. Đường truyền hai chiều
VLC là truyền thơng quảng bá, vì vậy xây dựng kênh thông tin đường lên cho hệ
thống VLC đang là một trở ngại trong việc xây dựng hệ thống. Có một số phương án
được đưa ra để xây dựng đường lên trong hệ thống VLC như sử dụng sóng vô tuyến, ánh
sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng flash. Tuy nhiên, vẫn chưa tìm ra được phương pháp tối
ưu cho đường truyền lên. Trong tương lai, cần quan tâm tới việc xây dựng và phát triển
đường truyền lên cho hệ thống VLC.

23