TÌM HIỂU và CHẾ tạo THIẾT bị TRUYÊN TIN BẰNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

TÌM HIỂU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
TRUYỀN TIN BẰNG ÁNH SÁNG
KHẢ KIẾN


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................IX
CHƯƠNG 1. TỐNG QUAN VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN.............................................1
1.1

GIỚI THIỆU VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN..........................................................................1

1.2

MỘT SỐ ỨNG DỤNG ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN TRONG TRUYỀN TIN..................................6

1.2.1

Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC...........................................................6

1.2.2

Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện..........................7

1.3

TIỀM NĂNG CỦA ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN TRONG TRUYỀN TIN.....................................11

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU LINH KIỆN.........................................................................14

2.1

THÀNH PHẦN PHÁT TRONG VLC..............................................................................14

2.2

THÀNH PHẦN THU TRONG HỆ THỐNG VLC..............................................................15

2.3

NHIỄU TRONG VLC..................................................................................................18

2.3.1

Nhiễu nhiệt........................................................................................................18

2.3.2

Nhiễu nổ............................................................................................................18

2.3.3

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ thống VLC................................................19

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM............................................20
3.1

THIẾT KẾ CHO THÍ NGHIỆM.......................................................................................20

3.2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................................20

3.2.1

Phương pháp điều chế khóa bật tắt On-Off Keying (OOK).............................20

3.2.2

Giao thức USB..................................................................................................21

3.2.3

Phần mềm kết nối..............................................................................................21

3.3

MẠCH PHÁT VÀ THU.................................................................................................22

3.3.1

Mạch phát.........................................................................................................22

3.3.2

Mạch thu...........................................................................................................23

3.4

THỬ NGHIỆM............................................................................................................24

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN..................................................................................................27
4.1

NHẬN XÉT................................................................................................................27


4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỄN.................................................................................................27

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................28


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: QUANG PHỔ ÁNH SÁNG NHÌN THẤY .......................................................1
HÌNH 1-2: BÊN PHÁT CỦA PHOTOPHONE ..................................................................2
HÌNH 1-3: BÊN THU .............................................................................................................3
HÌNH 1-4: TRUYỀN THÔNG VLC SỬ DỤNG BÓNG ĐÈN LED ................................4
HÌNH 1-5: MÔ HÌNH CÁC THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI VỚI MÔI TRƯỜNG TRONG
NHÀ ...........................................................................................................................................6
HÌNH 1-6: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN VỚI MÔI TRƯỜNG NGOÀI TRỜI ................7
HÌNH 1-7: MÔ HÌNH DỰ ÁN OMEGA .............................................................................8
HÌNH 1-8: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN VLC CỦA VIỆN TRUYỀN
THÔNG FRAUNHOFER ......................................................................................................8
HÌNH 1-9: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN MIMO CỦA ĐẠI HỌC
OXFORD (2008) ......................................................................................................................9
HÌNH 1-10: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN CỦA ĐẠI HỌC NAGOYA ............................10
HÌNH 1-11: DẢI TẦN CỦA SÓNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY .....................................11
HÌNH 1-12: MÔ HÌNH SỬ DỤNG CHUẨN 802.15.7 .....................................................13

HÌNH 1-13: CÔNG NGHỆ LỚP MAC ..............................................................................13
HÌNH 1-14: ĐA TRUY NHẬP BẰNG TDMA ..................................................................13
HÌNH 2-1: MÔ HÌNH THÀNH PHẦN PHÁT TRONG HỆ THỐNG VLC ................14
HÌNH 2-2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA LED .......................................................15
HÌNH 2-3: CÁC BƯỚC THU TÍN HIỆU VLC ................................................................15
HÌNH 2-4: CẤU TRÚC DIODE PIN .................................................................................16
HÌNH 2-5: CẤU TRÚC DIODE THÁC APD ...................................................................17
HÌNH 3-1: THIẾT KẾ SỬ DỤNG GIAO TIẾP BẰNG CỔNG USB ............................20
HÌNH 3-2: CƠ CHẾ ON-OFF-KEYING (OOK) .............................................................20
HÌNH 3-3: MODULE FT232RL USB UART ...................................................................21
HÌNH 3-4: TÍN HIỆU CHUẨN UART .............................................................................21
HÌNH 3-5: PHẦN MỀM TERMINAL................................................................................21
HÌNH 3-6: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ PHÁT ...........................................................................22
HÌNH 3-7: HÌNH MẠCH PHÁT.........................................................................................22


HÌNH 3-8: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH THU ...............................................................23
HÌNH 3-9: HÌNH MẠCH THU............................................................................................23
HÌNH 3-10: THỬ NGHIỆM THỰC TẾ.............................................................................24
HÌNH 3-11: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM.............................................................................25
HÌNH 3-12: LỖI TRUYỀN TIN Ở KHOẢNG CÁCH 3 CM..........................................26


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1-1: CHU TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ VLC................................5
BẢNG 1-2: MỘT VÀI THÔNG SỐ VỀ HỆ THỐNG MIMO CỦA ĐẠI HỌC
OXFORD (2008).......................................................................................................................9
BẢNG 3-1: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM KHI TRUYỀN TIN..........................................24

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD

Avalanche Photodiode

LED

Light Emitting Diode

Li-Fi

Light Fidelity

OOK

On-Off Keying

VLC

Visible Light Communication

PPM

Pulse Position Modulation

MIMO

Multiple Input Multiple Output

LOS

Line Of Sight

MAC

Media Access Control

TDMA

Time Division Multiple Access

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PHY

Physical

NRZ

None Return To Zero

CMOS

Comlementary Metal Oxide Semiconductor

FOV

Field Of View

HD

High Definition

EU

European Union

FPS

Frame Per Second

JEITA

Japan Electronics And Information Technology Industries Association


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/29

CHƯƠNG 1.

TỐNG QUAN VỀ ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

Hiện nay việc sử dụng sóng vô tuyến 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.

1.1 Giới thiệu về ánh sáng khả kiến
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 [2], [14]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/29

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 1.1 và 1.2 dưới đây:
Bên 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.

Hình 1-2: Bên phát của photophone [8]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/29

Bên 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.

Hình 1-3: Bên thu [8]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/29

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.

Hình 1-4: Truyền thông VLC sử dụng bóng đèn LED [10]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/29

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). Chu trình phát
triển của công nghệ VLC được thống kê trong bảng 1.1.
Bảng 1-1: Chu trình phát triển của công nghệ VLC [13]

Thời gian
2004

Sự kiện
Công bố hệ thống LED truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao đến thiết bị di

2005

động cầm tay tại Nhật Bản.
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

2007

Bản.
Thực hiện truyền dẫn VLC từ màn hình LCD sử dụng đèn nền LED

2007

tới thiết bị cầm tay, hãng tivi Fuji, Nhật Bản
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

2008

JEITA CP- 1222.
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

2009

hiện truyền dẫn sử dụng 5 đèn LED với tốc độ ~100Mb/s.
VLCC đã ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật đầu tiên của họ trong đó xác

2010
2010

định phổ tần sử dụng trong VLC.
Phát triển tiêu chuẩn cho các công nghệ sử dụng VLC bởi IEEE.
Truyền dẫn với hệ thống VLC đạt tốc độ 500 Mb/s với khoảng cách

2011

5m, thực hiện bởi Siemen và Viện Heinrich Hertz, Đức.
Trình diễn hệ thống truyền dẫn VLC - OFDM với tốc độ 124Mb/s, sử
dụng LED trắng phủ phosphor, đại học Edinburgh, Anh.

1.2 Một số ứng dụng ánh sáng khả kiến trong truyền tin
1.2.1 Mô hình thiết bị đầu cuối ứng dụng VLC
Hệ thống VLC có thể được triển khai đối với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời.

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/29

Đối với môi trường trong nhà, mô hình truyền dẫn như sau:

Hình 1-5: Mô hình các thiết bị đầu cuối với môi trường trong nhà [13]

Với mỗi liên kết đầu cuối khác nhau, chúng ta có thể ứng dụng triển khai các dịch

vụ khác nhau ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau như truyền dữ liệu, chia sẻ
nội dung, truyền video, định vị, điều khiển.
Đối với môi trường truyền dẫn ngoài trời, có thể thiết kế mô hình hệ thống truyền
dẫn gồm các cột đèn chiếu sáng, đèn giao thông, màn hình quảng cáo truyền thông
với các phương tiện giao thông cũng như các thiết bị di động.

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/29

Hình 1-6: Mô hình truyền dẫn với môi trường ngoài trời [13]

1.2.2 Một số mô hình ứng dụng đang được nghiên cứu và thực hiện
Hệ thống truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trong nhà:
Một trong những dự án quan trọng nhất ứng dụng công nghệ VLC với mục đích xây
dựng mạng truy nhập tốc độ cao (Gb/s) chính là dự án OMEGA. Công nghệ VLC sẽ
được kết hợp với công nghệ truyền dẫn bằng đường điện PLC, Wifi, Hồng ngoại để
cung cấp mạng truy nhập không dây mà không cần thêm bất cứ kết nối nào khác.
Được tài trợ bởi EU, dự án này được viện truyền thông Fraunhofer, công ty Siemens
cùng France Telecom nghiên cứu thực hiện.
Năm 2008, họ đã thực hiện truyền dẫn thành công với hệ thống thu phát sử dụng
LED đơn chip phủ phosphor và Diode PIN, điều chế OOK, khoảng cách truyền dẫn
ngắn (1cm) và cường độ chiếu sáng 700lux, tốc độ đạt được là 40Mb/s.

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/29

Hình 1-7: Mô hình dự án OMEGA [13]

Năm 2009, hệ thống được cải thiện, khoảng cách truyền dẫn tăng lên 5m, cường độ
sáng nằm trong dải chuẩn dành cho môi trường văn phòng, tốc độ đạt 125Mb/s.
Năm 2010, với việc sử dụng Diode APD, tốc độ đạt được là 230 Mb/s và lên đến
500Mb/s, tốc độ có thể nói là nhanh nhất vào cuối năm 2010.

Hình 1-8: Mô hình hệ thống truyền dẫn VLC của viện truyền thông Fraunhofer [13]

Hệ thống truyền dẫn VLC Multiple-input Multiple-Output (MIMO):

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/29

Truyền dẫn MIMO có thể triển khai bằng cách sử dụng bảng gắn nhiều LED, khi tín
hiệu truyền đến bộ tập trung quang, bộ này sẽ chia tín hiệu đến các Diode tương
ứng. Hệ thống truyền dẫn VLC MIMO được triển khai đầu tiên ở trường đại học
Oxford. Năm 2008, hệ thống đầu tiên được thiết lập tsử dụng 16 đèn LED trắng
(4x4) với tốc độ đạt được là 40Mb/s. Năm 2009, hệ thống tiếp tục được cải thiện đạt
tốc độ 100Mb/s và với việc sử dụng hệ thống phát gồm 2 LED phát, 3 Diode thu kết
hợp với phương pháp OFDM và MIMO đã truyền được 9 kênh với tốc độ là
230Mb/s qua khoảng cách 1m.

Bảng 1-2: Một vài thông số về hệ thống MIMO của đại học Oxford (2008) [14]

Phát

Thu

Kết nối

16 đèn Luxeon LED (4x4)

Bộ tập trung quang (F = 60mm, D LLOS = 2m

P = 1,5W

= 50mm)

Khoảng cách giữa các pixel = Diode tách quang
60mm

Bộ lọc xanh

IDC = 220mA
Băng thông điều chế 25MHZ
(OOK )

Hình 1-9: Mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO của đại học Oxford (2008) [13]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/29

Truyền dẫn giữa các người dùng di động bằng camera với chip cảm biến hình
ảnh:
Ý tưởng của mô hình này đó là tín hiệu sẽ được phát bằng đèn giao thông hoặc các
bảng quảng cáo, các phương tiện giao thông hoặc người sử dụng di chuyển sẽ sử
dụng camera (vốn được tích hợp trên rất nhiều thiết bị điện tử cầm tay) để thu nhận
tín hiệu. Các ứng dụng có thể được triển khai như broadcast thông tin, định vị, dẫn
đường.
Nhật Bản là nước đi đầu trong hướng nghiên cứu này, hướng nghiên cứu tập trung
vào môi trường ngoài trời và thay vì sử dụng Diode tách quang, họ sử dụng chip
cảm biến hình ảnh do các ưu điểm như khoảng cách truyền dẫn xa (lên đến ~km),
nhận và xử lý nhiều tín hiệu độc lập cùng lúc mà không có xuyên nhiễu, được tích
hợp nhiều trên đa số các thiết bị điện tử.
Đại học Nagoya là nơi đầu tiên triển khai mô hình ứng dụng truyền dẫn dữ liệu từ
LED đến phương tiện xe hơi đang di chuyển (2005).

Hình 1-10: Mô hình truyền dẫn của đại học Nagoya [13]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/29

1.3 Tiềm năng của ánh sáng khả kiến trong truyền tin
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.
Dung lượng

Hình 1-11: Dải tần của sóng ánh sáng nhìn thấy [2], [14]

 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 WiFi 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.
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

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/29

An toàn
 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.
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.
Công nghệ truyền thông bằng ánh sáng VLC nói riêng và công nghệ truyền thông
quang không dây nói chung đang ngày càng chứng tỏ được ưu điểm và sức mạnh
của mình trong lĩnh vực ứng dụng. Mặc dù vậy, sẽ còn mất nhiều thời gian để công
nghệ VLC có thể thực sự được phổ biến do hiện nay vẫn chưa xây dựng được đầy
đủ bộ tiêu chuẩn về giao thức cũng như cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc triển khai.
Hy vọng trong tương lai gần, công nghệ này sẽ được ứng dụng rộng rãi và khắc
phục các nhược điểm còn tồn tại của các công nghệ cũ.
Chuẩn IEEE 802.15.7:
Chuẩn IEEE 802.15.7 là chuẩn dành cho ánh sáng khả kiến gồm 2 tầng: tầng liên
kết dữ liệu (MAC) và tầng vật lý (PHY).
Tốc độ truyền tải tầng vật lý: PHY I: 11.67kbps - 266.6kbps, PHY II: 1.25Mbps
-96Mbps PHY III: 12Mbps - 96Mbps.

Phương pháp điều chế cho PHY I và PHY II là phương pháp điều chế khóa bật tắt
OOK và phương pháp điều chế vị trí xung PPM.

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/29

Hình 1-12: Mô hình sử dụng chuẩn 802.15.7 [11]

Lớp MAC có hổ trợ 3 loại công nghệ đa truy nhập: pear to pear, star configuration
và broadcast.

Hình 1-13: Công nghệ lớp MAC [14]

Cũng như Wifi truyền tin bằng ánh sáng khả kiến cũng có thể sử dụng cho nhiều
người dùng sử dụng cùng lúc bằng cách thêm vào các tính năng đa truy nhập như
MIMO, OCDMA, TDMA, FDMA, O – OFDM..v...v.

Hình 1-14: Đa truy nhập bằng TDMA [11]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/29

CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU LINH KIỆN

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.
2.1 Thành phần phát trong VLC
Mô hình thành phần phát sử dụng LED làm nguồn sáng như sau:

Hình 2-15: Mô hình thành phần phát trong hệ thống VLC [14]

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 truyền dẫn thông tin trong hệ thống VLC.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của LED như sau:
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi
ghép với khối bán dẫn n (Chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng
chuyển động khuyếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử
(điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ
trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư
thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút
và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường kết hợp với nhau tạo thành các

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/29

nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh
sáng.

Hình 2-16: Nguyên lý hoạt động của LED [4]

2.2 Thành phần thu trong hệ thống VLC
Thiết bị quan trọng nhất trong máy thu VLC đó là thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu
quang thành tín hiệu điện. Có hai cách chính để xử lý tín hiệu quang truyền đến
trong hệ thống VLC đó chính là sử dụng Diode tách sóng quang hoặc chip cảm biến
hình ảnh (Image Sensor – IS). Mô tả các bước thu trong hệ thống VLC như hình
dưới đây:

Hình 2-17: Các bước thu tín hiệu VLC [14]

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/29

Diode tách quang:
Có hai loại Diode tách quang được sử dụng đó là Diode tách quang PIN và Diode
tách quang thác APD.

Hình 2-18: Cấu trúc Diode PIN [5]

Diode tách quang PIN:
Để có thể hoạt động được với các bước sóng dài mà tại đó ánh sáng thâm nhập sâu
hơn vào vật liệu bán dẫn thì miền nghèo rộng là rất cần thiết. Muốn vậy vật liệu loại
n được pha trộn ít và được xem như bán dẫn thuần (i). Loại bán dẫn pha trộn cao để
tạo ra điện trở tiếp xúc thấp (n+ và p+). Diode PIN được định thiên nghịch. Ánh sáng
đi vào từ phía p, mỗi photon ánh sáng có năng lượng hf lớn hơn hoặc bằng năng
lượng dải cấm E (g) của bán dẫn và kích thích điện tử từ dải hóa trị vượt qua dải
cấm đi tới dải dẫn. Quá trình này để lại trong dải hóa trị một lỗ trống do đó hình
thành các cặp điện tử - lỗ trống. Trong lớp nghèo, dưới tác động của điện trường
ngoài, các cặp điện tử - lỗ trống này được tách ra, điện tử trôi về phía n và các lỗ
trống trôi về phía p. Chúng đi ra mạch ngoài tạo thành dòng điện và được gọi là
dòng tách quang Ip.

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/29

Ip = [1 – exp(-]
Trong đó:

e là điện tích của điện tử.
r là hệ số phản xạ Fresnel tại tiếp giáp bán dẫn – không khí
d là độ rộng của miền hấp thụ
P0 là công suất của ánh sáng tới.

Diode tách quang thác APD:
Có nguyên tắc hoạt động tương tự nhưng các cặp điện tử - lỗ trống sẽ được qua một
miền điện trường và được gia tốc, va đập mạnh vào các nguyên tử của bán dẫn và
tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp thông qua quá trình ion hóa do va chạm.
Các hạt tải điện thứ cấp qua miền điện trường lại tiếp tục được gia tốc và tạo ra các
cặp điện tử - lỗ trống mới gây ra hiệu ứng thác (hiệu ứng nhân).

Hình 2-19: Cấu trúc Diode thác APD [5]

Trong VLC thường sử dụng Diode Pin và APD silicon với độ nhạy quang từ 190nm
đến 1000nm, phù hợp với khoảng bước sóng của VLC.
2.3 Nhiễu trong VLC

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/29

Các loại nhiễu trong VLC gồm hai loại: nhiễu nhiệt (Thermal Noise) và nhiễu nổ
(Shot Noise).
2.3.1 Nhiễu nhiệt
Là dòng điện không mong muốn gây ra dưới tác động của chuyển động nhiệt của
các hạt mang điện. Nguồn gây ra nhiễu nhiệt trong hệ thống VLC chính là do các
yếu tố trong bộ tiền khuếch đại ở phía thu gây ra. Nhiễu nhiệt được tạo ra độc lập
với tín hiệu thu và được mô hình hóa theo phân bố Gaussian.
2.3.2 Nhiễu nổ
Là loại nhiễu chính trong hệ thống VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm có nguồn
nhiễu tự nhiên (mặt trời) và nhân tạo (đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt, …), các nguồn

nhiễu này sẽ tạo ra một bức xạ nền. Bức xạ nền này sẽ gây ra một dòng liên tục
trong diode tách quang và do tính chất ngẫu nhiên của quá trình tách quang sẽ hình
thành nhiễu nổ. Một thành phần nữa gây ra nhiễu nổ đó chính là do dòng tối ngược
chiều nhỏ đi qua tải khi không có ánh sáng tới bộ tách quang. Nguyên nhân gây ra
là do nhiệt ở lớp tiếp giáp hoặc khiếm khuyết ở bề mặt. Loại nhiễu này có thể mô
hình theo phân bố Poisson với mật độ phổ công suất trắng. Để dễ dàng, ta mô hình
hóa nhiễu theo phân bố Gaussian. Đối với các mô hình liên kết có FOV hẹp
(Narrow - LOS), nhiễu sẽ phụ thuộc vào tín hiệu (do ảnh hưởng bên ngoài không
nhiều). Đối với trường hợp FOV rộng (Wide - LOS), ảnh hưởng từ các nguồn sáng
bên ngoài lên tín hiệu lớn, nhiễu sẽ độc lập với tín hiệu.

Ta có công thức tính mật độ phổ công suất (PSD) của nhiễu nổ theo công thức :

S(f) = 2qRPn
Trong đó:

q là điện lượng = 1.6.10-19 (coulomb).

Tìm Hiểu Và Chế Tạo Thiết Bị Truyền Tin Bằng Ánh Sáng
Khả Kiến