Hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (visible light data transmission system)

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội

------------[[\\-------------

PHNG TH THANH

H THNG TRUYN D LIU BNG
NH SNG NHèN THY
(VISIBLE LIGHT DATA TRANSMISSION SYSTEM)

luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ngành : điện tử viễn thông

NGI HNG DN KHOA HC:
TS. PHM NGC NAM

Hà nội - 2012


LỜI NÓI ĐẦU

Những nghiên cứu mới về thông tin quang đang ngày càng được mở rộng và
phát triển, thể hiện vai trò to lớn trong khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống
con người. Hiện nay, rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực trao đổi thông tin bằng
thông tin quang, đặc biệt là thông tin quang vô tuyến. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
một hệ thống quang với chi phí thấp mà vẫn thỏa mãn những yêu cầu cần thiết sẽ
góp phần thúc đẩy sự phát triển khoa học kỹ thuật cũng như kinh tế Việt Nam.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu về hệ thống truyền dữ liệu bắng ánh
sáng nhìn thấy (Visible Light Data Transmission System). Hệ thống mà em nghiên
cứu gồm khối phát và khối thu quang được đặt cách nhau với cự ly gần cho phép

truyền thông tin tốc độ 100 Mbps, với photodiode có độ nhạy cao và các linh kiện
với khả năng tích hợp các khối xử lý số và tương tự, hệ thống truyền với hiệu suất
cao mà còn rất gọn nhẹ, tiêu hao ít năng lượng và có chi phí sản xuất thấp.
Quá trình nghiện cứu và hoàn thành luận văn em xin chân thành cảm ơn TS.
Phạm Ngọc Nam (Bộ môn Điện tử Tin học - Khoa Điện tử Viễn Thông - Đại học
Bách khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo. Đồng thời em cũng xin
cảm ơn quí thầy cô giáo ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cảm ơn gia đình và
bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong thời gian qua.
Hà Nội, tháng 3 năm 2012
Học viên
Phùng Thị Thanh


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn "HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU BẰNG ÁNH
SÁNG NHÌN THẤY" là do tôi tự nghiên cứu và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS.
PHẠM NGỌC NAM
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này.
Hà Nội, Ngày 25 tháng 03 năm 2012
Học viên

Phùng Thị Thanh


DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

TT 

Bảng 

Tên bảng 

Trang 

1 

Bảng 2.1  So sánh giữa Led và Laser 

10 

2 

Bảng 3.1  Các chuẩn IEEE 802.3 

31 

3 

Bảng 3.2  Thông số kỹ thuật của Modem MC100CM 

42 

4 

Bảng 3.3  Các loại bộ chuyển đổi MC100CM 

43 

5 

Bảng 4.1  Thông số của hệ thống thông tin quang khả kiến 

49 

6 

Bảng 4.2  So sánh các nguồn led trên thị trường 

52 

7 

Bảng 4.3  Các thông số kỹ thuật của MC 2042 [23] 

65 

8 

Bảng 4.4  Các giá trị linh kiện trong mạch 

66 

9

Bảng 5.2

72

so sánh các photodetector

DANH MỤC HÌNH VẼ

TT

Hình

Tên hình

Trang

1 

Hình 1-1.

The visible spectrum: Phổ của ánh

1

2 

Hình 2-1

Các vùng bước sóng của ánh sáng

5

3 

Hình 2-2

Bóng đèn sợi đốt

5

4 

Hình 2-3

Đèn compact

6

5 

Hình 2-4

Đèn huỳnh quang

6

6 

Hình 2-5

Các loại đèn led trong thực tế

7

7 

Hình 2-6

Đèn LED chiếu sáng

7

8 

Hình 2-7

Ứng dụng truyền thông tin trong nhà

8

9 

Hình 2-8

Ứng dụng truyền thông tin trên máy bay

8

10  Hình 2-9 Kế hoạch triển khai ứng dụng VLC
11  Hình 2-10 Led của hãng Luxeon

9

12  Hình 2-11 Sự hấp thụ khí quyển của các bước song

13  Hình 2-12 On – Off Keying

13

14  Hình 3-1
15  Hình 3-2

Kỹ thuật FTTH

16

Các kỹ thuật liên quan đến FTTH

18

16  Hình 3-3
17  Hình 3-4

Cấu hình mạng Bus

21

Cấu hình mạng Star

23

18  Hình 3-5
19  Hình 3-6

Cấu hình mạng Ring

24

Cấu hình dạng lưới

24

20  Hình 3-7
21  Hình 3-8

Cấu hình mạng Star Bus

25

Các chuẩn IEEE 802 không dây

38

22  Hình 3-9
23 

Modem Tp-Link MC100CM

41

Hình 3-10

12

14

Modem Planet 10/100 Base – Px Smart Media Conver
ter

44

24  Hình 3-11 Chuẩn kết nối RJ45
25  Hình 3-12 Dạng sóng tín hiệu Ethernet 10 Mbps qua cáp cat 5

45

26  Hình 3-13 Phổ tần tín hiệu Ethernet 100 Mbps

46

45


27  Hình 3-14 Ví dụ về tín hiệu trước và sau khi mã hoá
28  Hình 3-15 Ví dụ về tín hiệu cuối cùng sau khi mã hoá MLT-3

47

29  Hình 4-1
30  Hình 4-2

Sử dụng thấu kính cho hệ thống VLC

51

Mắt Webcam dùng làm thấu kính

51

31  Hình 4-3
32  Hình 4-4

Sơ đồ khối mạch phát

51

Mạch shunt trong module phát dùng MAX3967

54

33  Hình 4-5
34  Hình 4-6

Sơ đồ nguyên lý của module phát dùng MAX3967A

54

Nguồn 5 V dùng 7805

56

35  Hình 4-7
36  Hình 4-8

Hình minh họa MAX3967A

57

Cấu tạo bên trong của MAX3967A

57

37  Hình 4-9

Cách mắc đầu vào MAX3967A

58

47

38  Hình 4-10 Mạch in mặt trên
39  Hình 4-11 Mạch in mặt dưới

59

40  Hình 4-12 Hình minh họa mạch thực tế
41  Hình 4-13 Mạch nguyên lý sử dụng MC2042

60

42  Hình 4-14 Mạch nguồn 5 V
43  Hình 4-15 MC2042 dạng chân QSOP16

62

44  Hình 4-16 Các khối bên trong MC2042
45  Hình 4-17 Biểu đồ dòng điều khiển LED theo nhiệt độ

63

60

61

62

65

46  Hình 4-18 Mạch in mặt trên
47 Hình 4-19 Mạch in mặt dưới

67

48

Hình 4-20

Hình minh họa mạch thực tế

68

49

Hình 4-21

Biểu diễn hình học để thiết lập ánh sáng truyền đến PIN

69

50

Hình 5-1

Sơ đồ các khối trong một modul thu quang điển hình

70

51

Hình 5-2

Đáp ứng quang của OPF430

72

52

Hình 5-3

Cấu hình khối khuếch đại chuyển trở kháng cơ bản

73

53

Hình 5-4

Sơ đồ mạch thu

74

54

Hình 5-5

Mạch in module thu

75

68


MỞ ĐẦU
Ngày nay những ứng dụng liên quan đến thông tin quang vô tuyến đang rất
phát triển trên thế giới, đặc biệt là hệ thống thông tin quang khả kiến bởi dễ triển
khai, lắp đặt trong văn phòng. Các hệ thống Internet cáp đồng trước đây đã lỗi thời
trong thời đại ngày nay do tốc độ giới hạn đạt tối đa là 100 Mbps, suy hao lớn, đi
dây phức tạp …
Hệ thống thông tin quang khả kiến sử dụng LEDs chiếu sáng thể hiện nhiều
ưu điểm so với việc sử dụng cáp đồng và hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong
công tác nghiên cứu khoa học cũng như các ứng dụng khác trong đời sống. Với khả
năng có thể truyền tốc độ từ hàng trăm Mbps đến hàng Gbps, ứng dụng của hệ
thống sẽ giải quyết được nhiều vấn đề trong việc triển khai mạng gia đình với tốc độ
cao và chi phí thấp mà lại gọn nhẹ, không phải đi dây phức tạp v.v..
Sự kết hợp của driver LED MC2042 của hãng Motorola và các IC của

MAXIM không những giải quyết được bài toán kỹ thuật mà còn giải quyết cả bài
toán kinh tế. Một sản phẩm với độ tin cậy cao cùng chi phí sản xuất thấp luôn phù
hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam hiện nay.
Nội dung Luận văn gồm 5 chương, trong đó :
Chương I: Giới thiệu
Chương II: Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang khả kiến và nguồn sáng LED.
Chương III: Tổng quan về mạng băng rộng
Chương IV: Trình bày các bước thiết kế module phát sử dụng LED cho hệ
thống thông tin quang khả kiến cự ly gần.
Chương V: Trình bày các bước thiết kế module thu sử dụng PIN cho hệ
thống thông tin quang khả kiến.


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời nói đầu
Tóm tắt luận văn
Dang mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các từ viết tắt
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU...........................................................................
1.1. VLDT (Visible light Data transmission) là gì?......................................

1

1.2. Ứng dụng................................................................................................ 3
1.3. Vì sao nghiên cứu VLDT.......................................................................

3

1.4. Nội dung nghiên cứu..............................................................................

3

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
KHẢ KIẾN.....................................................................................................
2.1. Thông tin quang khả kiến....................................................................... 4
2.1.1. Hệ thống thông tin quang khả kiến là gì........................................... 4
2.1.2. Ưu điểm chính..................................................................................

4

2.2. Xu thế phát triển của các nguồn sáng..................................................... 5
2.2.1. Thế hệ một – đèn sợi đốt..................................................................

5

2.2.2. Thế hệ hai – đèn huỳnh quang.......................................................... 6
2.2.3. Thế hệ ba – đèn LED……………………………………………… 7
2.3. LED chiếu sáng và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang khả kiến

7

2.4. Kế hoạch triển khai đề tài……………………………………………... 8
2.5. Một số đặc tính cơ bản của LED và LED chiếu sáng…………………. 9
2.6. So sánh LED với LD trong hệ thống thông tin quang………………… 10
2.6.1. Về bản chất………………………………………………………... 10
2.6.2. Về hoạt động………………………………………………………. 11
2.7. Lựa chọn loại LED phù hợp…………………………………………... 12

2.7.1. Các phương án lựa chọn…………………………………………... 12
2.7.2. Phương thức truyền dẫn dữ liệu của LED…………………………

13

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ MẠNG BĂNG RỘNG……………….
3.1. Các chuẩn IEEE cho mạng truyền thông……………………………… 15
3.1.1. ISDN………………………………………………………………. 15


3.1.2. ADSL……………………………………………………………… 16
3.1.3. FTTH và các vấn đề kỹ thuật liên quan…………………………… 16
3.1.3.1. FTTH là gì?.............................................................................. 16
3.1.3.2. Các vấn đề kỹ thuật liên quan……………………………….. 17
3.2. Một số cấu hình mạng…………………………………………………

20

3.2.1. Cấu hình mạng BUS………………………………………………. 21
3.2.1.1. Gửi tín hiệu…………………………………………………..

22

3.2.1.2. Dội tín hiệu…………………………………………………... 22
3.2.1.3. Terminator…………………………………………………… 22
3.2.2. Cấu hình mạng Star………………………………………………..

22

3.2.3. Cấu hình mạng Ring………………………………………………. 23

3.2.4. Cấu hình mạng lưới (Mesh)……………………………………….. 24
3.2.5. Cấu hình mạng kết hợp……………………………………………. 24
3.3. Các chuẩn IEEE cho mạng truyền thông……………………………… 25
3.3.1. IEEE 802. 3………………………………………………………... 31
3.3.2. IEEE 802. 7………………………………………………………... 34
3.3.3. IEEE 802. 11………………………………………………………. 34
3.3.4. IEEE 802. 16………………………………………………………. 38
3.3.5. IEEE 802. 20………………………………………………………. 40
3.3.5.1. Tổng quan……………………………………………………. 40
3.3.5.2. Đặc điểm kỹ thuật……………………………………………

40

3.4. Tìm hiểu một số bộ modem quang trong hệ thống Internet theo chuẩn 41
Ethernet………………………………………………………………………
3.4.1. Modem TPlink MC100CM………………………………………... 41
3.4.1.1. Giới thiệu…………………………………………………….. 41
3.4.1.2. Đặc điểm……………………………………………………..

42

3.4.2. Modem Planet 10/100 Base – Fx Smart media converter................

43

3.5. Chuẩn J45............................................................................................... 45
3.5.1. Giới thiệu.......................................................................................... 45
3.5.2. Cách mã hóa dữ liệu khi truyền qua cáp xoắn loại 5........................ 45
3.6. Chuẩn đầu vào PECL.............................................................................

48

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MODULE PHÁT CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG KHẢ KIẾN..............................................................
4.1. Yêu cầu hệ thống.................................................................................... 49


4.2. Phân tích thiết kế Module phát quang.................................................... 50
4.3. Thiết kế hệ thống phát............................................................................ 51
4.3.1. Nguồn sáng....................................................................................... 52
4.3.2. Mạch điều khiển LED....................................................................... 53
4.3.2.1. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MAXIM3967A..

53

4.3.2.2. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MC 2042............ 61
4.4. Thiết kế hệ thống quang học..................................................................

68

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ MODULE PHÁT CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG KHẢ BIẾN..............................................................
5.1. Thiết kế module thu quang..................................................................... 70
5.1.1. Photodetector.................................................................................... 70
5.1.2. Khuếch đại chuyển trở kháng........................................................... 72
5.1.3. Tính toán giá trị các linh kiện........................................................... 73
5.2. Tích hợp hệ thống quang với MC100CM cho hệ thống VLC cự ly gần 75
KẾT LUẬN..................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

78


Visible Light Data Transmission System

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU
Chương này trình bày những khái quát chung về hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh
sáng nhìn thấy. Ưu điểm của hệ thống VLDT
1.1. VLDT (Visible light Data Transmission) là gì?
Ánh sáng mắt người nhìn thấy được gọi là Ánh sáng nhìn thấy, có bước sóng
380nm – 700nm nằm trong dải tần 1014 – 1017. Để tiết kiệm năng lượng điện và tính
bảo mật thông tin cao hơn. Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc đưa ra một công nghệ
truyền dữ liệu không dây mới, tận dụng nguồn ánh sáng LED từ đèn, từ màn hình...
nhằm tiết kiệm năng lượng. Ánh sáng đèn LED cũng là loại ánh sáng nhìn thấy.
Được ứng dụng truyền dữ liệu dựa trên hệ thống ánh sáng đèn LED có thể kết nối
với mạng băng rộng.

Hình 1.1. The visible spectrum: Phổ của ánh
Ngoài ra các công nghệ hội tụ mới nhất đã được các kỹ sư thuộc trường đại
học Boston của Mỹ công bố. Từ nguồn trợ cấp nghiên cứu khoa học quốc gia, các
nhà nghiên cứu đã phát minh ra mạng truyền thông dữ liệu vô tuyến hội tụ trong
một bóng đèn thắp sáng bình thường. Các kỹ sư hi vọng sẽ sử dụng các bóng đèn
LED nhẹ và có công suất thấp để thay thế mạng vô tuyến quang.
Công nghệ vô tuyến hiện nay đã tạo ra một mạng dữ liệu vô tuyến song nó
lại tiêu tốn nhiều nguồn và dễ bị tổn hại trước các tấn công từ bên ngoài. Các đèn
LED mới này có thể truyền dữ liệu với thông qua ánh sáng nhìn thấy với tốc độ cực
nhanh. Băng thông ban đầu được kỳ vọng là sẽ nằm trong dải từ 1-100Mbps.
Nếu máy tính, iPhone, TV, radio, bộ điều nhiệt tự động của bạn có thể truyền
thông tin tới bạn khi bạn đang đi bộ trong phòng thông qua một chuyển mạch ánh
sáng và không cần sử dụng bất cứ sợi cáp nào. Điều này dường như là hơi hoang

Phùng Thị Thanh – CA100080

1


Visible Light Data Transmission System
tưởng song hoàn toàn có thể thực hiện được bằng ánh sáng nhìn thấy. Ví dụ với một
mạng thông tin dựa trên đèn LED với công suất tiêu thụ thấp, độ tin cậy cao và
không gây nhiễu điện từ. Mỗi bóng đèn LED có thể làm việc giống như một điểm
truy cập vô tuyến (Wireless Access Point), cung cấp băng thông lớn hơn và giảm
đáng kể tiêu thụ nguồn. Cuối cùng thì hệ thống này được kỳ vọng sẽ được ứng dụng
trong các thiết bị chiếu sáng.
Bởi vì mạng truyền thông quang dựa trên các đèn LED sử dụng các tín hiệu
thông qua ánh sáng nhìn thấy, nên những người ngoài vùng phủ của mạng (bị che
khuất bởi tường, sàn…) không thể truy nhập vào và do đó sẽ tránh được sự tấn công
của các hacker một cách rất đơn giản. Chúng ta hình dung nếu có thể kết nối tới nhà
hoặc mạng vô tuyến của cơ quan chỉ với công tắc chuyển mạch ánh sáng thì rất tiện
lợi. Dù mới chỉ là những thử nghiệm nghiên cứu ban đầu song nó đã mở ra một
hướng nghiên cứu mới đầy tiềm năng cho một mạng truyền dữ liệu đơn giản mà
hiệu quả.
1.2.

Ứng dụng
Giáo sư Harald Hass tại Đại học Edinburgh (Scotland, vương quốc Anh) cho

biết ông vừa phát triển một công nghệ có thể truyền dữ liệu thông qua một bóng đèn
bình thường [7]. Theo đó, chỉ cần bật bóng đèn trong phòng, bạn đã có thể truy cập
Internet. Những tiềm năng khác của thiết bị có tên “Li-fi” bao gồm gửi dữ liệu vô
tuyến từ “khoảng trắng” trong quang phổ của ti-vi hoặc các tín hiệu vệ tinh không

được sử dụng. [7]
Hiện tại, chúng ta dùng sóng radio để truyền dữ liệu nhưng theo Giáo sư
Hass, phương pháp này kém hiệu quả. Chúng ta truyền dữ liệu vô tuyến bằng các
sóng điện từ không hiệu quả, nhất là sóng radio, vốn bị hạn chế, yếu ớt, tốn kém và
chỉ hoạt động trong một phạm vi nhất định. Đối với điện thoại di động, dù có đến
1,4 triệu trạm phát sóng giúp gia tăng tín hiệu nhưng khả năng truyền dữ liệu cũng
thấp do hầu hết năng lượng của nó được dùng để làm mát. Nếu truyền dữ liệu không
dây qua bóng đèn sẽ hiệu quả hơn vì thế giới hiện có khoảng 40 tỉ bóng đèn đang
được sử dụng. Bằng cách thay thế các loại bóng đèn kiểu cũ bằng đèn LED, có thể
sử dụng toàn bộ các bóng đèn thành các điểm truy cập Internet không dây.

Phùng Thị Thanh – CA100080

2


Visible Light Data Transmission System
Phát minh D-light, có thể chuyển dữ liệu nhanh hơn 10 megabit/giây (tương
đương tốc độ kết nối Internet băng thông rộng) bằng cách thay đổi tần số của ánh
sáng trong phòng. Công nghệ này có thể ứng dụng trong các bệnh viện, máy bay,
quân sự và thậm chí là dưới nước. Hành khách đi máy bay về lý thuyết có thể lướt
web từ các tín hiệu được phát ra từ các bóng đèn trong khoang. “Những gì chúng ta
cần làm là gắn một vi mạch vào mỗi bóng đèn và nó sẽ kết hợp chiếu sáng với
truyền dữ liệu, giúp chúng ta giải quyết các vấn đề gặp phải trong truyền thông
không dây”, Giáo sư Hass đã nghiên cứu và kết luận.
1.3.

Vì sao phải nghiên cứu VLDT
Tìm hiểu ứng dụng của ánh sáng nhìn thấy, các nhà nghiên cứu đã đưa ra kết

luận mới nhất là sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu. Với ý nghĩ thay thế các loại bóng
đèn đang được sử dụng bằng các đèn LED để vừa thắp sáng vừa có thể truyền dữ liệu.
Nghiên cứu kỹ thuật truyền dữ liệu qua đèn LED hứa hẹn nhiều lợi ích thiết thực, nhất
là cho các thiết bị điện tử gia đình. Tốc độ truyền có thể đạt tối đa 100 Mbps.
Đặc điểm của công nghệ này là các thiết bị phát/thu phải “thấy” nhau. Khả
năng ứng dụng truyền dẫn không dây qua ánh ra, so với các công nghệ truyền dẫn
không dây khác dựa trên sóng điện từ có thể gây hại cho sức khoẻ con người. Hiện
nay Mỹ, Nhật và châu Âu cũng đang hướng đến công nghệ truyền dẫn LED này.
1.4. Nội dung nghiên cứu
Thiết kế module thu/phát quang và sử dụng trong hệ thống thông tin quang
khả kiến (Visible Light Communication - VLC)

Phùng Thị Thanh – CA100080

3


Visible Light Data Transmission System

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG KHẢ KIẾN

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thống tin quang khả kiến
(Visible Light Communication) và thế hệ các nguồn chiếu sáng.
2.1. Thông tin quang khả kiến
™ 2.1.1. Hệ thống thông tin quang khả kiến là gì?
™ Hệ thống thông tin quang khả kiến là phương pháp truyền dữ liệu sử

dụng ánh sáng khả kiến trong khoảng từ 400 THz (780 nm) đến 800 THz (375 nm).
™ Công nghệ sử dụng các loại đèn LED với tốc độ có thể lên đến 500 Mbps.

™ Đặc biệt các thiết bị điện tử được thiết kế đều có điôt thu quang nhận tín

hiệu từ các nguồn sáng trên.
™ Hệ thống thông tin quang khả kiến có thể được sử dụng làm phương tiện

kết nối ở khắp mọi nơi cho các máy tính bởi vì tất cả các thiết bị chiếu sáng đều cần
thiết được sử dụng ở mọi nơi.
™ 2.1.2. Ưu điểm chính
™ Vô hại đối với cơ thể con người và không gây nhiễu cho các thiết bị điện tử.
™ Băng tần cho phép khoảng 300THz từ 450 THz đến 750 THz, lớn hơn

đáng kể so với băng tần RF (khoảng 300 GHz).
™ Hệ thống thông tin quang khả kiến có những thuộc tính duy nhất phù hợp

cho các ứng dụng đặc biệt như : bảo mật, chỉ đường, ứng dụng trong nhà.
™ Không bị chặn bởi vì phạm vi truyền bị hạn chế.
™ Sử dụng trong nhiều khu vực đặc biệt như: máy bay, tàu vũ trụ, bệnh viện…
™ An toàn cho mắt.
™ Giao diện thân thiện với người sử dụng
™ Không cần bất kỳ quy tắc nào như hệ thống kết nối vô tuyến.

Phùng Thị Thanh – CA100080

4


Visible Light Data Transmission System

Hình 2.1 Các vùng bước sóng của ánh sáng
2.2. Xu thế phát triển của các nguồn sáng

™ 2.2.1. Thế hệ một - đèn sợi đốt

Hình 2.2 Bóng đèn sợi đốt
™ Chiếc bóng đèn sợi đốt, đèn sợi đốt hay gọi ngắn gọn hơn là bóng đèn

tròn là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra
ánh sáng, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt. Các dây tóc - bộ phận phát sáng chính
của đèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ đã được
rút hết không khí và bơm vào các khí trơ. Kích cỡ bóng phải đủ lớn để không bị hơi
nóng của nhiệt tỏa ra làm nổ. Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào trong đui đèn,
dòng điện sẽ đi qua đui đèn, qua đuôi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó nóng lên
và đến mức phát ra ánh sáng.
™ Đèn sợi đốt thường ít được dùng hơn vì công suất quá lớn (thường là

60W), hiệu suất phát quang rất thấp (chỉ khoảng 5% điện năng được biến thành
quang năng, phần còn lại tỏa nhiệt nên bóng đèn khi sờ vào có cảm giác nóng và có
thể bị bỏng). Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 V đến 300 V.

Phùng Thị Thanh – CA100080

5


Visible Light Data Transmission System
™ 2.2.2. Thế hệ hai – đèn huỳnh quang

Hình 2.3 Đèn compact

Hình 2.4 Đèn huỳnh quang
™ Đèn huỳnh quang gồm điện cực (vonfram), vỏ đèn và lớp bột huỳnh

quang. Ngoài ra, người ta còn bơm vào đèn một ít hơi thủy ngân và khí trơ (neon,
argon...) để làm tăng độ bền của điện cực và tạo ánh sáng màu.
™ Khi đóng điện, hiện tượng phóng điện giữa hai điện cực làm phát ra tia tử

ngoại (tia cực tím). Tia tử ngoại tác dụng vào lớp bột huỳnh quang làm đèn phát
sáng. Ngoài ra, để giúp cho hiện tượng phóng điện xảy ra, người ta phải lắp thêm
chấn lưu và tắc te.
™ Dùng đèn này giúp ta tiết kiệm nhiều điện. Bình quân, dùng đèn huỳnh

quang tiết kiệm hơn đèn sợi đốt 8 đến 10 lần. Hiện nay, ngoài thị trường xuất hiện
đèn huỳnh quang thu nhỏ (còn gọi là compact). Nó cũng rất giống với đèn huỳnh
quang nhưng hiệu suất phát quang cao hơn và tiết kiệm điện năng hữu hiệu hơn.

Phùng Thị Thanh – CA100080

6


Visible Light Data Transmission System
™ 2.2.3. Thế hệ ba – đèn LED

Hình 2.5 Các loại đèn led trong thực tế
™ LED (Light Emitting Diode - diode phát quang) là các diode có khả năng

phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại. Tương tự như bóng đèn tròn bình thường
nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn
so với các thiết bị chiếu sáng khác.
™ Càng ngày các thế hệ đèn càng được cải thiện rõ rệt, an toàn cho người sử

dụng và có thể ứng dụng nhiều trong thực tế.
2.3. LED chiếu sáng và ứng dụng trong hệ thống thông tin quang khả
kiến

Hình 2.6 Đèn LED chiếu sáng
™ Hệ thống thông tin quang khả kiến thực chất là kết nối quang trong không

gian (FSO- free space optical).
™ Hiện nay, có rất nhiều hình thức giao tiếp không dây sẵn có khác nhau

như các vệ tinh/ anten, Wifi, và truyền thông tin quang trong không gian với laser
nhưng chưa có dạng truyền thông tin quang trong không gian mà sử dụng một đèn
LED như nguồn truyền sáng. Hệ thống thông tin quang khả kiến sẽ sử dụng đèn
được tích hợp bởi nhiều LED trắng để vừa chiếu sáng vừa gửi dữ liệu qua không
gian trống giữa khối truyền và khối nhận.

Phùng Thị Thanh – CA100080

7


Visible Light Data Transmission System

Hình 2.7 Ứng dụng truyền thông tin trong nhà

Hình 2.8 Ứng dụng truyền thông tin trên máy bay
2.4. Kế hoạch triển khai đề tài
Hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy gồm một khối phát và khối thu,
được thể hiện như hình 2.9

Hình 2.9 Kế hoạch triển khai ứng dụng VLC

Phùng Thị Thanh – CA100080

8


Visible Light Data Transmission System
Sử dụng LED theo phương thức truyền dẫn kết nối quang không dây vì :
™ Đường kết nối LED trong hệ thống thông tin quang khả kiến có khả năng

kết nối hai thiết bị với tốc độ cao mà chi phi và điện năng tiêu thụ của đèn LED
thấp. Đường kết nối này sẽ cung cấp sự thay thế cho đường truyền không dây
truyền thống RF mà hiện giờ băng thông của nó gần giới hạn.
™ Một lợi thế quan trọng với hệ thống đèn LED là chi phí. Kết nối quang

trong không gian sẽ bao gồm hai module tích hợp cả hệ thống phát và hệ thống thu
để truyền song công. Chi phí tổng cộng của hệ thống này ít hơn đáng kể so với kết
nối quang học Laser và tốn ít điện năng. Hệ thống thông tin quang khả kiến sẽ được
xây dựng bằng cách sử dụng các thành phần với chi phí thấp và chi phí sẽ tiếp tục
giảm khi hệ thống trở nên phổ biến.
™ Mục tiêu của luận văn: Hệ thống sẽ có khả năng làm việc trên đường kết

nối khoảng từ 10 đến 15 mét với tốc độ 100 Mbps và tốc độ lỗi bit BER = 10-10 để
kết nối mạng LAN giữa các máy tính trong phòng. Các thị trường mục tiêu cho dự
án này là người có thu nhập trung bình cần có tốc độ cao và chi phí truyền tải dữ
liệu thấp và các văn phòng có số lượng người khá lớn như thư viện, công sở.
2.5. Một số đặc tính cơ bản của LED và LED chiếu sáng
- LED là linh kiện chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng kết hợp truyền
trong tín hiệu quang.

- Mỗi điểm LED là một diode cực nhỏ, phát sáng do sự vận động của các
electron bên trong môi trường bán dẫn.
™ Một số ưu điểm của công nghệ LED
™ Những tính chất riêng đã có quy định đặc thù của công nghệ đèn LED và
tạo nên những ưu điểm khiến LED đánh bại bất cứ công nghệ chiếu sáng nào đã
từng tồn tại.
™ Tiêu thụ điện năng thấp so với ánh sáng thông thường. Tiết kiệm mức
thấp nhất, hiệu suất chiếu sáng cao hơn nữa tiết kiệm khoảng 75% điện so với đèn
chiếu sáng thông thường.
™ Thân thiện với môi trường: không tia cực tím, không bức xạ tia hồng
ngoại, phát nhiệt của ánh sáng thấp, không chứa thuỷ ngân và những chất có hại,
không gây ô nhiễm môi trường. Giảm thiểu tối đa việc sử dụng chì cho các mối hàn,
Phùng Thị Thanh – CA100080

9


Visible Light Data Transmission System
ít nhất thì người dùng cũng sẽ an tâm hơn hẳn khi giảm được một phần tác hại
không mong muốn của các vật dụng luôn theo sát bên mình trong khi làm việc hay
giải trí.
™ Nhiệt độ làm việc thấp: Nhiệt độ làm việc của bóng đèn LED cao hơn
nhiệt độ môi trường khoảng 5 - 8oC, thấp hơn so với đèn huỳnh quang thông thường
là khoảng 13 - 25oC.
™ Tuổi thọ cao: Vượt qua 50,000 giờ (tương đương với 6 năm thắp sáng
liên tục).
2.6. So sánh LED với LD trong hệ thống thông tin quang
2.6.1. Về bản chất
So sánh về bản chất giữa LED và Laser được tóm tắt theo bảng 2.1 sau:
Bảng 2.1 So sánh giữa Led và Laser

Thuộc tính

LED
Dòng điều khiển tỉ lệ
Công suất ra
tuyến tính
Dòng đỉnh điều khiển: 50
Dòng
đến 100 Ma
Công suất ghép
Trung bình
Tốc độ
Thấp hơn
Tín hiệu đầu ra
Cao hơn
Băng thong
Trung bình
Bước song cho phép
0.66 to 1.65 µm
Rộng hơn (40-190 nm
Độ rộng phổ
FWHM)
Loại sợi quang
Chỉ MM
Sử dụng
Dễ hơn
Thời gian sống
Dài hơn
Chi phí

Thấp ($5-$300)

Laser
Tỉ lệ với dòng ngưỡng
Dòng ngưỡng: 5 đến
40 mA
Cao
Nhanh hơn
Chậm hơn
Cao
0.78 đến 1.65 µm
Hẹp hơn (0.00001 nm
đến 10 nm FWHM)
SM, MM
Khó hơn
Dài
Cao ($100-$10,000)

™ 2.6.2. Về hoạt động
™ Hình thức hiện nay của truyền thông tin quang trong không khí là sử
dụng sự truyền sang tập trung trong lĩnh vực Laser và VCELs (Vertical Cavity
Surface Emitting Laser). Các thiết bị này tạo ra cường độ quang cao và có thể

Phùng Thị Thanh – CA100080

10


Visible Light Data Transmission System
chuyển đổi nhanh từ cường độ cao xuống thấp và ngược lại. Sự hạn chế trong việc

sử dụng Laser và VCELs chính là chi phí và năng lượng tiêu thụ. Laser có chi phí
cao hơn đèn LED và đòi hỏi mạch điều khiển đắt tiền hơn vì tiêu tốn năng lượng
hơn do quá trình kích thích phát xạ.
™ LED chi phí ít và yêu cầu năng lượng tiêu thụ thấp hơn Laser. Đặc điểm
này cho phép kết nối quang trong không gian với một chi phí thấp mà hoạt động ở
tốc độ cao. Ngoài ra, một lợi thế quan trọng của hệ thống thông tin quang khả kiến
trên cơ sở đèn LED đó là tính bảo mật của việc truyền tin có thể đạt được. Các đèn
LED nên được sử dụng trong thông tin quang khả kiến do giá thành và kích thước
của sản phẩm cuối cùng sẽ có nhiều ứng dụng và sẽ có khả năng thay thế mạng
không dây hiện tại trong nhà.
™ Mạng không dây hiện thời như Bluetooth,Wifi, hoặc Wimax có tốc độ
truyền dữ liệu thấp hơn so với hệ thống mạng LAN có dây. Những mạng này đòi
hỏi giấy phép và đặt ra tính bảo mật. Những nỗ lực trong nhiều thập kỷ qua đã phát
triển sự thay thế cho mạng không dây. Hệ thống thông tin quang khả kiến có thể
được thiết lập nhanh chóng với tính bảo mật tuyệt đối bởi công nghệ truyền dẫn là
dựa trên nền tảng đường ngắm. Tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống quang là trong
khoảng Gbps. Tuy nhiên, công nghệ này rất đắt tiền cản trở nó thay thế công nghệ
không dây hiện tại như Wifi. Vậy đèn LED được đề xuất thay thế Laser như nguồn
sáng để làm giảm chi phí trong khi vẫn duy trì tốc độ dữ liệu cao và tính năng bảo
mật mà hệ thống thông tin quang khả kiến cung cấp.
2.7. Lựa chọn loại LED phù hợp
™ 2.7.1. Các phương án lựa chọn
Hiện trên thị trường có rất nhiều loại LED với tốc độ khác nhau:
™ Loại LED photpho hoặc LED xanh có thể đạt đến tốc độ 40 Mbps.

Hình 2.10 Led của hãng Luxeon

Phùng Thị Thanh – CA100080

11

Visible Light Data Transmission System
™ RGB LED có thể đưa tốc độ lên đến 100 Mbps.
™ RCLED (resonant cavity LED) có thể đạt tới 500 Mbps. RCLEDs sử dụng
phản xạ Bragg (có chức năng như gương) để làm tăng khả năng truyền ánh sáng.
Tuy nhiên, do ở bước sóng 470 nm, sự hấp thụ của khí quyển đối với bước sóng
này là thấp nhất nên dự án lựa chọn LED xanh để hiệu suất truyền ít bị ảnh hưởng.

Hình 2.11 Sự hấp thụ khí quyển của các bước song[1]
™ 2.7.2. Phương thức truyền dẫn dữ liệu của LED
Điều chế trong hệ thống thông tin quang khả kiến để truyền dữ liệu chính là
gửi một dãy bit 0,1 trong chuỗi xung ánh sáng.
Có hai các điều chế chính :
™ Sub-carrier pulse position modulation (SC-kPPM) : tức là điều chế sóng
mang con, dữ liệu được phân thành các nhóm log k của bit và mỗi nhóm chỉ có một
xung đơn.
™ Frequency shift keying (FSK): hay còn gọi là on – off keying tức là tần
số tín hiệu được xác định có bit 0 hay 1 được truyền ở thời điểm hiện tại. Và điều
lưu ý rằng tần số xung ánh sáng được điều chế chứ không phải tần số của ánh sáng.

Phùng Thị Thanh – CA100080

12


Visible Light Data Transmission System
Ngoài ra còn nhiều cách khác để truyền dữ liệu nhưng cách đơn giản nhất
vẫn là vòng khóa tần hay on – off keying (OOK). Trong OOK, bit 1 biểu diễn đèn
sáng còn bit 0 là biểu diễn đèn tắt. Điều này có nghĩa là mạch phát có thể đọc các

dữ liệu nhị phân nhanh và chính xác dựa vào sự thay đổi trạng thái của thành phần
quang này. Mặt khác, mạch thu sẽ sử dụng một diode thu quang để xác định tín hiệu
dựa vào sự bật, tắt của đèn. Tốc độ và độ tin cậy của hệ thống được xác định bởi
mạch phát có thể chuyển trạng thái thành phần quang nhanh như thế nào và mạch
thu xác định trạng thái đó nhanh và chính xác ra sao.

Hình 2.12 On – Off Keying
™ Kết luận chương: khả năng ứng dụng của LED chiếu sáng vào hệ thống
thông tin quang khả kiến là thích hợp.

Phùng Thị Thanh – CA100080

13


Visible Light Data Transmission System

CHƯƠNG III. TỔNG QUAN VỀ MẠNG BĂNG RỘNG

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan các vấn đề của mạng
băng rộng gồm các kỹ thuật mạng, các cấu hình mạng, các chuẩn mạng và các
module chuyển đổi quang điện.
3.1. Các chuẩn IEEE cho mạng truyền thông
™ 3.1.1. ISDN
Chuẩn Integrated Services Digital Network (ISDN) mang lại phương thức
nhanh nhất để truy cập dịch vụ tiếng nói và dữ liệu trên những mạng kỹ thuật số
công cộng. Với tốc độ băng thông cao, ISDN có thể gửi đi lượng lớn dữ liệu trong
một thời gian ngắn. Tốc độ băng thông của nó từ 128 Kbit/s đến 1,5 Mbit/s. Phương
thức làm việc của ISDN là tách riêng lưu thông mạng với lưu thông của tiếng nói
hay dữ liệu. Để làm được điều này, nó phân chia dung lượng của đường truyền

thành một số kênh truyền độc lập. Một kênh trong số đó sẽ nhận trách nhiệm giao
tiếp với thiết bị chuyển mạch của văn phòng chính trong khi những kênh khác cho
phép người dùng thực hiện các cuộc gọi, hội đàm qua video và truy cập Internet hay
mạng LAN.
™ 3.1.2. ADSL
DSL là một họ công nghệ cung cấp truyền dẫn dữ liệu số qua mạng dây điện
thoại cục bộ. DSL đầu tiên dùng cho vòng thuê bao kỹ thuật số. Trong mạng viễn
thông, thuật ngữ kỹ thuật số đường dây thuê bao được sử dụng rộng rãi là đường
dây thuê bao số không đối xứng (ADSL). Dịch vụ DSL được truyền đồng thời với
dịch vụ điện thoại thường trên cùng đường dây điện thoại. Điều này có thể bởi vì
DSL sử dụng một tần số cao hơn. Các băng tần số được sau đó được phân cách bởi
lọc. Dữ liệu đầu ra dịch vụ DSL điển hình nằm trong khoảng từ 256 Kb/s đến 20
Mbit/s (hướng đến người tiêu thụ), phụ thuộc vào công nghệ DSL, điều kiện đường
dây và cấp dịch vụ. Trong ADSL, thông lượng dữ liệu theo hướng lên thấp hơn còn
trong dịch vụ Symmetric Digital Subscriber Line (SDSL), dữ liệu hướng lên và
hướng xuống bằng nhau.

Phùng Thị Thanh – CA100080

14


Visible Light Data Transmission System

™ 3.1.3. FTTH và các vấn đề kỹ thuật liên quan [24]
3.1.3.1. FTTH là gì
FTTH (fiber to the home) là một dạng kết nối cáp quang trong đó cáp quang
được mở rộng từ trung tâm đến các khu vực sống và nơi làm việc của các thuê bao.
Khi đến được các địa điểm trên, tín hiệu có thể được truyền qua không gian bằng
cách sử dụng các phương tiện như cáp xoắn đôi, cáp đồng trục, kết nối không dây

hoặc có dây, hay cáp quang.

Hình 3-1 Kỹ thuật FTTH (Fiber to the home)
™ Một công nghệ mới nổi lên trong giai đoạn hiện nay là FTTH hay còn gọi
là FTTB (Fiber to the Building) hoặc FTTP (Fiber to the Premises). FTTH mang
cáp quang đến thẳng các tòa nhà, trong khi với công nghệ FTTN (fiber to the node)
tương tự chỉ mang cáp quang đến một cộng đồng hoặc một thành phố để sau đó kết
nối các sợi cáp quang đến người sử dụng thông qua cáp đồng. Trong quá khứ, các
mạng viễn thông tiêu thụ có một trục mạng xương sống tốc độ cao với các đường
cáp tốc độ thấp hơn chạy đến nhà và cơ quan của người sử dụng. Các trục xương
sống tốc độ cao có thể có khả năng kết hợp tất cả người sử dụng nhưng cơ sở hạ
tầng đến người sử dụng hạn chế nghiêm trọng tốc độ cà băng thông có sẵn đến
người tiêu thụ. FTTH cho phép tốc độ truyền với băng thông lớn hơn nhiều và
nhanh hơn nhiều, cần thiết cho cấu hình truyền “triple-play” trong đó cho phép các
nhà cung cấp đưa ra video, dữ liệu và các dịch vụ điện thoại. Nó cũng yêu cầu cài
đặt các cơ sở hạ tầng truyền, nhận, đấu dây mới.

Phùng Thị Thanh – CA100080

15