GIỚI THIỆU
Lịch sử phát triển của truyền thông quang không dây (OWC)
Liên kết quang học không dây, ban đầu tập trung vào phổ hồng ngoại gần (NIR), chủ yếu phục vụ cho thông tin liên lạc tầm ngắn Kể từ năm 1993, Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại (IrDA) đã thiết lập một bộ chuẩn cho giao tiếp hồng ngoại không dây trên các thiết bị di động như điện thoại, laptop và điều khiển từ xa Gần đây, với sự phát triển của công nghệ chiếu sáng bán dẫn, đèn LED đang dần thay thế bóng đèn sợi đốt nhờ vào độ tin cậy và hiệu quả năng lượng cao hơn Ngoài vai trò chiếu sáng, đèn LED còn được nghiên cứu để phát sóng dữ liệu không dây Tiêu chuẩn nghiên cứu của VLC được hỗ trợ mạnh mẽ bởi Liên hiệp truyền thông ánh sáng khả kiến (VLCC) tại Nhật Bản, và vào năm 2011, IEEE đã công bố tiêu chuẩn cho VLC, IEEE 802.15.7−2011, quy định về giao tiếp quang học không dây tầm ngắn sử dụng ánh sáng khả kiến.
Ưu điểm của truyền thông quang không dây (OWC)
Trong hơn hai thập kỷ qua, hệ thống thông tin liên lạc không dây đã phát triển mạnh mẽ, từ việc chỉ cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu thô sơ đến việc hỗ trợ mạng dữ liệu gói tốc độ cao, cho phép duyệt Internet với tốc độ tương đương các kết nối cố định Tuy nhiên, vẫn cần thiết phải nâng cao thông lượng dữ liệu để cải thiện tốc độ truyền tải.
Với sự gia tăng nhanh chóng của điện thoại thông minh, lưu lượng dữ liệu không dây từ các thiết bị di động đang tăng mạnh Nhiều cảnh báo đã được đưa ra về "Khủng hoảng phổ RF" khi nhu cầu dữ liệu di động tiếp tục leo thang, trong khi hiệu suất quang phổ đang dần bão hòa, bất chấp việc các chuẩn mới và công nghệ tiên tiến được phát triển.
Dự đoán của Cisco cho thấy rằng đến năm 2016, tổng dung lượng dữ liệu không dây sẽ đạt 6 Exabytes mỗi tháng, tạo ra khoảng cách 97% giữa nhu cầu lưu lượng cho mỗi thiết bị và tốc độ dữ liệu hiện có trong mạng di động Hơn nữa, vào năm 2018, lưu lượng dữ liệu qua các mạng di động ước tính sẽ vượt quá 15 Exabytes mỗi tháng.
Gần đây, Wireless Gigabit Alliance đã đề xuất sử dụng sóng mm trong băng tầng 60 GHz miễn phí giấy phép, cho phép liên kết không dây tầm ngắn với tốc độ 7 Gbps nhờ vào băng thông 7 GHz Băng tần 60 GHz cũng nằm trong khung IEEE 802.11ad, hỗ trợ thông lượng dữ liệu cao trong mạng không dây cục bộ (WLAN) thông qua kỹ thuật MIMO Tuy nhiên, do sự mất mát cao của sóng vô tuyến trong khoảng phổ này, liên kết 60 GHz cần có tính định hướng cao, yêu cầu các thuật toán phức tạp để theo dõi và điều chỉnh chùm sóng cho ứng dụng trong mạng di động không dây.
Với việc phổ RF ngày càng hạn chế và chi phí cao, công nghệ mới cho truyền sóng không dây đang được nghiên cứu nhằm giảm thiểu việc sử dụng phổ Truyền thông quang không dây, đặc biệt là VLC, đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng để giải quyết khủng hoảng phổ RF VLC thu hút sự chú ý nhờ vào việc sử dụng ánh sáng, một yếu tố đã trở thành phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày và có sẵn hạ tầng phức tạp Việc khai thác quang phổ ánh sáng nhìn thấy cho truyền dữ liệu tốc độ cao đã nhận được sự ủng hộ mạnh mẽ nhờ vào sự phát triển của đèn LED, đồng thời thúc đẩy xu hướng chiếu sáng tiết kiệm năng lượng trong tương lai.
Trong truyền thông quang không dây (OWC), tín hiệu có thể sử dụng bước sóng miễn phí trong phổ ánh sáng nhìn thấy được từ 380nm đến 750nm và phổ NIR từ 750 đến 2.5μm, với tổng tài nguyên băng thông lên tới khoảng 670 THz, tương đương với hơn 10,000 phổ RF băng tần 60 GHz OWC không chỉ là giải pháp bổ sung cho công nghệ RF mà còn tận dụng nguồn tài nguyên phổ tần lớn, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao thông qua các đèn LED thương mại và photodetector (PD) chi phí thấp Hơn nữa, OWC an toàn cho sức khỏe khi tuân thủ quy định an toàn về mắt, và việc sử dụng đèn LED không liên kết pha giảm thiểu rủi ro so với laze Sự phát triển của đèn LED không liên kết pha công suất cao và PD nhạy cao đã biến OWC thành lựa chọn khả thi cho truyền dữ liệu tầm ngắn trong nhà, góp phần giải quyết tình trạng thiếu hụt phổ.
Hình 1.2: Ánh sáng khả kiến trong phổ điện từ
Vùng ứng dụng
OWC (Optical Wireless Communication) thường được áp dụng trong các liên kết tầm nhìn thẳng (LOS) và liên kết tầm nhìn hạn chế (NLOS) Liên kết LOS thích hợp cho các tình huống liên lạc tĩnh, như mạng cảm biến trong nhà, nơi mà vị trí thiết bị được cố định Trong các môi trường di động như văn phòng thương mại, việc sử dụng chùm tia điện tử có thể duy trì kết nối LOS, nhưng điều này làm tăng chi phí cho các phần quang học Do đó, trong mạng di động OWC, khi liên kết LOS bị cản trở, truyền tải có thể được hỗ trợ thông qua phương pháp NLOS.
Kỹ thuật điều chế xung như PWM, PIM, PPM và PAM chịu ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự (ISI) trong kênh tán sắc NLOS, dẫn đến tốc độ dữ liệu bị giới hạn trừ khi sử dụng bộ cân bằng tốn kém Tuy nhiên, nhờ vào tính mạnh mẽ của nó, OFDM kết hợp với nhiều mức điều chế biên độ vuông góc (M-QAM) được dự kiến sẽ được áp dụng cho giao tiếp NLOS, mang lại mạng không dây với dung lượng cao.
Ánh sáng không thể truyền qua các vật thể mờ đục và tường, khiến tín hiệu quang học không dây bị giới hạn trong một không gian nhất định Điều này giúp loại bỏ lo ngại về việc chặn và trộm thông tin, tạo ra các liên kết dữ liệu an toàn trong nhà Các đặc điểm này cũng có thể giảm nhiễu giữa các tế bào lân cận Bởi vì bức xạ quang học không can thiệp với sóng điện từ khác, OWC cho phép truyền dữ liệu an toàn ở những nơi mà bức xạ điện từ RF bị cấm hoặc hạn chế, như trong hàng không, an ninh quốc gia, bệnh viện, và các nhà máy năng lượng Đặc biệt, sóng vô tuyến radio bị suy giảm mạnh dưới nước, trong khi ánh sáng có thể truyền qua nước, cho phép OWC được sử dụng để giao tiếp dưới nước.
Với những ưu điểm của mình VLC cho thấy khả năng ứng dụng của mình trong nhiều lĩnh vực như:
Trên máy bay/dưới nước:
Hình 1.3: Ứng dụng truyền thông quang trên máy bay, dưới nước
Đèn tín hiệu và di động:
Hình 1.4: Đèn tín hiệu và di động
Trong nhà, văn phòng, đèn đường:
Hình 1.5: Ứng dụng trong nhà và giao thông
Định vị, mạng băng rộng:
Hình 1.6: Mạng băng rộng và định vị
Hệ thống VLC mang lại lợi ích vượt trội với các đường truyền không dây bảo mật, đặc biệt trong môi trường trong nhà Tín hiệu VLC sử dụng sóng ánh sáng, không xuyên qua vật cản, giúp ngăn chặn việc thu thập hay nghe lén thông tin Dữ liệu được truyền trực tiếp giữa các thiết bị, cho phép người sử dụng theo dõi và kiểm soát quá trình chuyển giao, do đó không cần áp dụng các biện pháp bảo mật phức tạp như trong truyền thông bằng sóng điện từ.
Li-Fi
Các nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực OWC chủ yếu tập trung vào việc thiết lập các kết nối vật lý thành công và chứng minh các khái niệm cho hệ thống thông tin di động Tuy nhiên, cần có một giải pháp kết nối mạng toàn diện hơn Li-Fi được xem là một giải pháp tiềm năng, cung cấp mạng không dây, điện thoại di động và OWC với tốc độ cao Mạng Li-Fi không dây sẽ bổ sung cho các mạng RF hiện có, giúp giảm tải đáng kể cho băng tần và cải thiện hiệu suất của các hệ thống tế bào và Wi-Fi.
Fi giảm tải một phần đáng kể lưu lượng không dây
Hệ thống VLC có nhiều ưu điểm, bao gồm việc tận dụng các thiết bị chiếu sáng sẵn có và không yêu cầu giấy phép, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho mạng cá nhân Sóng ánh sáng của VLC dễ dàng bị che khuất bởi các vật cản vật lý, giúp ngăn chặn sự can thiệp từ bên ngoài Đặc biệt, hệ thống này không chiếm dụng phổ tần vô tuyến, cho phép sử dụng ở những nơi mà sóng điện từ bị cấm như bệnh viện và máy bay.
Li-Fi, sử dụng ánh sáng thay vì sóng radio, có khả năng đạt tốc độ truyền dữ liệu cực nhanh và hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng trong tương lai gần Tuy nhiên, công nghệ này cũng gặp phải một số nhược điểm, như không thể truyền tín hiệu xuyên tường, dễ bị nhiễu ở những khu vực có nhiều dải quang phổ, và không thể hoạt động hiệu quả ngoài trời Mặc dù vậy, nhược điểm không thể xuyên tường lại mang lại lợi ích về tính an toàn và bảo mật, giúp bảo vệ thông tin người dùng và hạn chế nguy cơ lộ thông tin ra ngoài.
Như bài phát biểu của Giáo sư Harald Haas tại Hội thảo TED 2015 (London, 9/2015):
Li-Fi không thể sử dụng ngoài trời và yêu cầu phải ở trong không gian kín với ánh sáng từ đèn LED, không có ánh sáng tự nhiên Trên máy bay, để sử dụng Li-Fi, cần phải đóng kín cửa sổ, điều này không phù hợp với những người thích ngắm cảnh từ cửa sổ như tôi.
“Ai cần đến Li-Fi nếu cứ phải giam mình trong phòng tối, chỉ có đèn LED, không đi đâu được?”
Như điều này để sử dụng được nhiều nơi, di chuyển ta cần thay thế toàn bộ hệ thống điện trong nhà và đèn luôn bật
Li-Fi yêu cầu ánh sáng liên tục để duy trì truyền dữ liệu, dẫn đến việc tiêu tốn điện năng Hơn nữa, việc sử dụng đèn chiếu sáng công cộng để cung cấp dữ liệu vào ban đêm sẽ không hiệu quả trong điều kiện sương mù.
Trong tương lai, Li-Fi có thể trở nên phổ biến như Wi-Fi hiện nay, nhưng nó sẽ không hoàn toàn thay thế Wi-Fi do một số hạn chế nhất định Do đó, Wi-Fi và Li-Fi có khả năng sẽ được sử dụng song song, tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể để tối ưu hóa khả năng giao tiếp của chúng ta.
Lý do, mục đích và hướng giải quyết đề tài
Trong thời đại 4G, truyền dữ liệu tốc độ cao đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, cho phép chúng ta chia sẻ thông tin đa phương tiện mọi lúc, mọi nơi Khái niệm kết nối không dây trong không gian kín như nhà ở và văn phòng đang dần trở thành hiện thực, giúp chúng ta truy cập và giao tiếp qua các thiết bị bất kỳ lúc nào Hệ thống truyền thông ánh sáng khả kiến, với đèn LED và tương lai là OLED, được xem là giải pháp tối ưu cho kết nối không dây trong môi trường kín, nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với sóng vô tuyến.
Vấn đề chính hiện nay là cải thiện băng thông của OLED, đặc biệt là đối với vật liệu hữu cơ, do độ linh động hạt tải thấp hơn so với chất bán dẫn, dẫn đến hạn chế trong đáp ứng tần số của thiết bị Tốc độ dữ liệu truyền tải của OLED phụ thuộc vào chất liệu và kích thước của thiết bị, từ đó làm thu hẹp phạm vi ứng dụng trong truyền thông dữ liệu Để khắc phục điều này, một số phương pháp đã được đề xuất nhằm nâng cao đáp ứng tần số của thiết bị OLED.
Hầu hết các phương án cân bằng cho OLED dựa vào vật liệu sử dụng, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thiết bị Một phương án mạch cân bằng có thể cải thiện thời gian sống huỳnh quang (FL) của OLED thông qua việc lựa chọn cẩn thận các lớp hữu cơ FL, đo lường thời gian mà vật liệu hữu cơ vẫn bị kích thích trước khi phát xạ photon, đã cho thấy thời gian từ 0.8 đến 1.6 ns, cho thấy sự ảnh hưởng của vật liệu đến FL FL góp phần vào tốc độ truyền dẫn, giúp thiết bị phát ra photon nhanh hơn Để tạo ra OLED trắng hiệu suất cao, cần lựa chọn cẩn thận các màu sắc cơ bản trong lớp phát xạ, với yêu cầu che phủ toàn bộ quang phổ nhìn thấy Độ linh động hạt tải trong OLED thấp hơn so với chất liệu bán dẫn silic và phụ thuộc vào mật độ dòng điện và nhiệt độ Độ linh động này có thể tăng cường bằng cách áp dụng điện áp phân cực cao, giúp cải thiện tốc độ truyền tải.
Mặc dù kích thước lớn của màn hình OLED cải thiện khả năng chiếu sáng và giảm chi phí sản xuất, nhưng nó cũng dẫn đến điện dung ký sinh lớn hơn Điều này làm giảm băng thông điều chế của OLED trong hệ thống VLC.
Bộ tiền tăng cường (hay tiền khuếch đại) được phát triển nhằm bù đắp cho diện dung lớn của kích thước bảng điều khiển thiết bị Các nghiên cứu đã chứng minh rằng băng thông của OLED đã tăng lên đáng kể.
OLED cần được điều chỉnh băng thông 3-dB ở khoảng 160 kHz, do đó cần sử dụng mạch pre-emphasis trước OLED trong bộ phát để tăng băng thông Việc này giúp hiệu chỉnh dạng tín hiệu nhận được, từ đó dễ dàng giải điều chế hơn Kết quả thu được sau khi áp dụng mạch pre-emphasis được trình bày trong Hình 1.8 và 1.9.
Hình 1.7: Đáp ứng tần số OLED
Hình 1.8: Trước và sau khi có mạch khuếch đại
Hình 1.9: Đáp ứng tần số OLED trước và sau bù méo dạng
Mạch pre-emphasis tại đầu phát là giải pháp cho vấn đề truyền dữ liệu trong hệ thống thông tin Luận văn "Thiết kế mạch tăng cường cho hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng khả kiến dùng OLED" sẽ nghiên cứu và triển khai mạch tăng cường cho hệ thống VLC sử dụng OLED, nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu và cải thiện hiệu suất của OLED.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Bài viết sẽ khám phá và phân tích các loại mạch pre-emphasis khác nhau nhằm áp dụng vào mô hình hệ thống VLC đã đề xuất, như được thể hiện trong Hình 1.10 Sau đó, chúng tôi sẽ lựa chọn mạch pre-emphasis có các thông số tối ưu như tốc độ, băng thông, đáp ứng và tỷ lệ lỗi bit (BER) so với hệ thống không sử dụng mạch pre-emphasis, và tiến hành thử nghiệm thực tế trên hệ thống hiện có.
Hình 1.10: Mô hình đề xuất hệ thống VLC Đề tài sử dụng nguồn phát là OLED trắng của hãng Phillip, băng thông điều chế 7kHz
Bộ thu sử dụng Photodiode của hãng Thorlab, băng thông tối đa 10 Mhz với độ lợi 0dB
Bộ điều chế và giải điều chế sử dụng IC điều chế được áp dụng trong việc xây dựng hệ thống VLC với kiểu điều chế NRZ Hệ thống được khảo sát dưới ánh sáng đèn huỳnh quang, với các thông số như bộ khuếch đại và khoảng cách khảo sát dự kiến là 100cm.
Các đóng góp của luận văn
- Thiết kế mạch pre-emphasis cho hệ thống VLC dùng OLED
Kiểm tra thực nghiệm cho thấy tốc độ truyền dữ liệu real-time đạt 358 kbps ở khoảng cách 70 cm, với tỉ lệ tốc độ trên băng thông điều chế của OLED lên đến 50 lần Trong khi đó, các công bố hiện tại về OLED chỉ đạt tỉ lệ 28 lần và truyền offline ở khoảng cách 10 cm.
- Nâng băng thông điều chế của hệ thống lên 71 lần (từ 7 kHz lên 500 kHz)
The research paper titled "Pre-emphasis Circuit for VLC System Using OLED" by Pham Quang Thai and Nguyen Hoang Duy was published in the IEEE Photonic Technology Letters in 2017 The study focuses on the development of a pre-emphasis circuit designed to enhance the performance of Visible Light Communication (VLC) systems utilizing Organic Light Emitting Diodes (OLEDs).
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Sơ đồ khối hệ thống VLC
Đề tài áp dụng mạch pre-emphasis vào hệ thống được xây dựng như trong Hình 2.1
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống VLC áp dụng
Dữ liệu được truyền từ máy tính 1 sang máy tính 2 thông qua giao thức UART Khi dữ liệu được gửi, nó sẽ được điều chế thành các tín hiệu như NRZ, Manchester, hoặc HDB3 và sau đó qua mạch pre-emphasis để cải thiện chất lượng tín hiệu Tín hiệu này tiếp tục được điều chỉnh bởi mạch lái OLED, khiến đèn OLED chớp tắt theo dữ liệu Tại đầu thu, photodiode nhận diện sự thay đổi ánh sáng, khuếch đại và gửi tín hiệu qua mạch so sánh Đầu ra từ mạch so sánh sẽ được giải điều chế, phục hồi dữ liệu và gửi đến máy tính 2 qua UART Cuối cùng, dữ liệu nhận được tại máy 2 sẽ được chuyển đổi thành dạng nhị phân và so sánh với dữ liệu gốc từ máy 1 để tính toán tỷ lệ lỗi Bit của hệ thống.
Một số phương pháp điều chế xung
2.2.1 Mã lưỡng cực mật độ cao HDB3:
Các loại mã OOK và NRZ đã được thử nghiệm trong hệ thống VLC nhưng chưa đạt hiệu quả mong muốn Do đó, nhiều nghiên cứu về mã hóa đã được thực hiện nhằm tối ưu hóa và cải thiện các yếu tố như đồng bộ xung clock, loại bỏ thành phần DC, phát hiện lỗi và băng thông sử dụng Mã HDB3, một biến thể của mã AMI, cho phép cố tình đưa vào các vi phạm lưỡng cực để duy trì đồng bộ và giảm nhiễu HDB3 được áp dụng trong tất cả các lớp của hệ thống luồng E Châu Âu, thay thế bất kỳ trường hợp nào của bốn số 0 liên tiếp bằng "000V" hoặc "B00V", nhằm đảm bảo rằng các vi phạm liên tiếp có sự khác biệt cực.
Phương pháp mã hóa HDB3:
Các bit 1 trong mã gốc sẽ chuyển thành các xung +V hoặc –V sao cho luôn trái dấu với xung trước đó
Dãy 3 bit 0 trở xuống sẽ chuyển thành xung 0
Dãy 4 bit từ 0 trở lên sẽ được phân chia thành các nhóm 4 bit và chuyển đổi thành 4 xung B00V hoặc 000V Trong đó, xung B đại diện cho xung theo quy tắc, còn xung V là xung trái quy tắc Xung theo quy tắc có dấu trái ngược với xung trước đó, trong khi xung trái quy tắc giữ cùng dấu với xung trước đó.
Nếu các bít 1 trước nó kể từ lần thay thế sau cùng là lẻ và nếu:
Bít 1 ngay trước nó là dương thì thì 4 bít 0000 được mã hóa thành 000+
Bít 1 ngay trước nó là âm thì 4 bít 0000 được mã hóa thành 000-
Nếu các bít 1 trước nó kể từ lần thay thế cuối cùng là chẵn và nếu:
Bit 1 ngay trước nó là dương thì 4 bít 0000 được mã hóa thành -00-
Bít 1 ngay trước nó là âm thì 4 bít 0000 được mã hóa thành +00+
Hình 2.2: Ví dụ mã hóa HDB3 từ chuỗi dữ liệu
Đặc điểm của mã đường truyền HDB3:
Chỉ tồn tại các dãy có 3 bit 0 liên tiếp trở xuống
Không chứa thành phần một chiều (DC)
Mã HDB3 có số bit 0 liên tiếp ít nhất so với các mã khác (mật độ xung dòng cao)
Có khả năng phát hiện lỗi
Chiếm ít băng thông hơn so với các mã khác như Unipolar, Polar RZ
Dùng trong đường truyền PDH
Về hiệu quả của việc ứng dụng của mã đường truyền HDB3 và sửa đổi HDB3 vào hệ thống VLC đã được chứng minh trong [3]
2.2.2 Điều chế theo vị trí xung DPPM: Điều chế theo vị trí xung PPM là mô hình điều chế được sử dụng cho cả hai tín hiệu tương tự và tín hiệu số, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang như cáp quang và điều khiển từ xa qua hồng ngoại Một số kỹ thuật bắt nguồn từ PPM như Multiple PPM (MPPM), Combinatorial PPM (CPPM), Overlapping PPM (OPPM), Diffirential PPM (DPPM) và Variable PPM (VPPM)
Trong PPM, dữ liệu được truyền qua các xung ngắn có độ rộng và biên độ giống nhau, trong khi thời gian trễ giữa các xung và xung clock là khác nhau.
Hình 2.4: PPM dùng cho truyền dữ liệu số
Trong PPM, việc truyền dữ liệu số được thể hiện qua khoảng thời gian giữa các xung, với thời gian ngắn biểu thị cho bit “0” và thời gian dài biểu thị cho bit “1” Cụ thể, khoảng thời gian nhỏ từ biên của xung clock đến cạnh lên của xung tín hiệu đại diện cho bit “0”, trong khi khoảng thời gian lớn hơn sẽ đại diện cho bit “1”.
Mã hóa PPM cho chuỗi "11011100" cho phép truyền tín hiệu qua ánh sáng, trong đó bit "1" được phát sau 1.8ms và bit "0" sau 1.2ms từ biên xung clock Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là yêu cầu đồng bộ chính xác với xung clock tại đầu phát, điều này rất khó thực hiện Do đó, Differential Pulse Position Modulation (DPPM) đã được áp dụng để khắc phục vấn đề này.
Hình 2.5: Tín hiệu xung DPPM
DPPM là một biến thể của điều chế PPM, cho phép truyền dữ liệu mà không cần đồng bộ xung clock Thay vì tham chiếu cạnh biên của xung clock, DPPM xác định các xung dựa vào khoảng thời gian trễ với xung trước đó Điều này có nghĩa là DPPM loại bỏ thời gian ‘OFF’ sau khi xung xuất hiện, khiến thời gian bắt đầu của symbol sau phụ thuộc vào cạnh xuống của symbol trước Ví dụ, trong DPPM, bit “0” và bit “1” được phân biệt dựa vào khoảng thời gian trễ, với bit “1” có thời gian trễ dài hơn bit “0”.
Hình 2.6: Độ dài tín hiệu PPM
Hình 2.7: Độ dài tín hiệu DPPM
Một điểm khác biệt nổi bật của DPPM là chiều dài mã hóa không cố định, khác với điều chế PPM truyền thống, nơi tín hiệu luôn có độ dài cố định do chỉ truyền các bit tương ứng với chu kỳ xung clock Trong DPPM, khi dữ liệu chứa nhiều bit “0”, độ dài tín hiệu sẽ ngắn hơn, mang lại lợi thế về hiệu quả băng thông và tăng cường khả năng truyền tải.
DPPM mang lại hiệu quả cao trong việc truyền dữ liệu nhờ vào định dạng nén tốt, không yêu cầu đồng bộ với xung clock, giúp việc thực hiện trở nên đơn giản Tuy nhiên, PPM lại rất nhạy cảm với các sự cố, và bất kỳ can thiệp nào từ bên ngoài có thể làm sai lệch dữ liệu mà không thể phát hiện Do đó, PPM không được sử dụng trong truyền hình cáp do cáp dễ bị nhiễu điện từ, nhưng lại được ứng dụng trong truyền dữ liệu sợi quang và các ứng dụng không quan trọng như điều khiển từ xa cho ti vi, điều hòa và đồ chơi.
Bộ điều chế và giải điều chế
Bộ điều chế và giải điều chế dùng cơ chế truyền nối tiếp với mã đường truyền NRZ đơn cực
2.3.1 Mã đường truyền NRZ – NRZ đơn cực:
Các hệ thống truyền thông hiện đại sử dụng nhiều kỹ thuật mã hóa điện hoặc quang để truyền tín hiệu Điều quan trọng cần lưu ý là trong truyền dẫn điện, điện áp có thể dao động giữa mức âm và dương, trong khi đó, trong truyền dẫn quang, ánh sáng thay đổi giữa trạng thái không có ánh sáng và ánh sáng với các mức cường độ khác nhau Điều này dẫn đến việc có thể có điện áp âm nhưng không có ánh sáng âm.
Trong truyền thông, mã đường truyền NRZ là một mã nhị phân trong đó mức 1 được biểu thị bằng điện áp dương, trong khi mức 0 thể hiện qua điện áp âm, trung tính hoặc trạng thái nghỉ So với xung RZ, xung NRZ có năng lượng cao hơn Tuy nhiên, NRZ không tự tạo xung nhịp, vì vậy cần áp dụng các kỹ thuật đồng bộ hóa như tín hiệu đồng bộ song song để tránh hiện tượng trượt bit.
NRZ được chia thành hai loại: có cực và không có cực Loại có cực sử dụng hai mức điện áp +V và -V, trong khi loại không có cực (hay còn gọi là OOK - khóa đóng ngắt) sử dụng hai mức điện áp +V và 0V Các mức điện áp này tương ứng với các giá trị nhị phân 1 và 0.
Hình 2.8: Mã đường truyền NRZ và NRZ đơn cực
NRZ không phải là hệ thống đồng bộ mà là bộ mã hóa sử dụng trong môi trường truyền đồng bộ hoặc bất đồng bộ, tức là có thể có hoặc không có xung clock Do đó, không cần đề cập đến cách xung NRZ bắt cạnh xung clock, vì tất cả các quá trình chuyển đổi diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định, tương ứng với chu kỳ xung clock Điều quan trọng là chu kỳ lấy mẫu, trong đó trạng thái cao thấp sẽ được nhận chính xác khi đường truyền đã ổn định cho bit đó tại đầu thu.
Tín hiệu đơn cực là tín hiệu hai mức, dao động giữa mức không và một điện áp dương, thường được sử dụng trong các hệ thống điện và quang Tuy nhiên, tín hiệu đơn cực gặp khó khăn trong việc đồng bộ hóa khi truyền một chuỗi dài các bit giống nhau, khiến đầu thu khó xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc của một bit Để khắc phục, cần tránh gửi các byte dữ liệu có nhiều bit giống nhau liên tiếp Một vấn đề quan trọng khác của tín hiệu NRZ đơn cực là sự hiện diện của điện áp DC, với mức trung bình thường khác 0, dẫn đến tổn thất năng lượng cao hơn so với các mã khác và yêu cầu đường truyền tải DC.
Dễ dàng tạo ra tín hiệu TTL từ một nguồn cấp duy nhất
Dễ dàng tạo ra ở cổng serial ở hầu hết các thiết bị
Luôn có thành phần DC làm hao phí năng lượng truyền tải
Có mật độ phổ công suất lớn gần DC
Cần sử dụng các mạch DC coupling (cho cả tín hiệu AC và DC đi qua) cho kiểu tín hiệu này
Khả năng phục hồi xung clock kém, một chuỗi các bit 1 hoặc 0 liên tiếp sẽ dễ dàng gây ra mất mát xung clock
Xác suất lỗi bit (BER):
Xác suất lỗi bit là một trong những cách hiệu quả để đánh giá tín hiệu một cách định lượng
Xác suất lỗi bit là tỷ lệ giữa số bit bị lỗi và tổng số bit được truyền đi Khi tín hiệu quang đến đầu thu, nó được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua photodiode và sau đó được khuếch đại Tín hiệu điện này sẽ được lấy mẫu, mỗi bit tương ứng với một mức điện thế Mức điện thế này được so sánh với ngưỡng đã định (tùy thuộc vào thiết bị nhận); nếu mức cao hơn ngưỡng, nó được đọc là bit "1", còn nếu thấp hơn, là bit "0" Tuy nhiên, nếu nhiễu quá lớn, các mức điện thế có thể vượt qua ngưỡng, dẫn đến việc đọc sai và tạo ra lỗi.
Ta có công thức tính BER tương ứng với tín hiệu NRZ như sau:
Trong đó Q là hệ số phẩm chất tương đương vơi tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu ở bộ thu sau khi được khuếch đại, được tính theo công thức:
Với à 1 và à 0 là điện thế trung bỡnh của mức 1 và 0, σ 1 và σ 0 là cỏc độ lệch chuẩn nhiễu tương ứng
Giao diện truyền nối tiếp là thiết bị cho phép cổng nối tiếp trao đổi dữ liệu giữa vi xử lý và các thiết bị ngoại vi như máy in, chuột Quá trình truyền dữ liệu diễn ra tuần tự, một bit tại một thời điểm trên kênh giao tiếp Một ứng dụng phổ biến của giao thức này là truyền bất đồng bộ UART.
Truyền nối tiếp là lựa chọn hiệu quả cho giao tiếp đường dài và các mạng máy tính, đặc biệt khi chi phí cáp cao và việc đồng bộ hóa trong truyền song song gặp khó khăn.
Giao thức truyền nối tiếp bao gồm bộ chuyển đổi tín hiệu song song sang nối tiếp để truyền dữ liệu và bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song để nhận dữ liệu Nó sử dụng mã đường truyền NRZ với hai chế độ hoạt động: chỉ truyền hoặc chỉ nhận, và chế độ truyền nhận đồng thời Tốc độ baud của giao thức tương đương với tốc độ bit truyền đi, nhờ vào việc sử dụng tín hiệu NRZ trên đường truyền nối tiếp Giao thức này kết nối qua cổng nối tiếp Tx và Rx trên các thiết bị để thực hiện việc truyền dữ liệu.
Các phần sau đây được dùng với cổng giao tiếp là Arduino
Giao tiếp nối tiếp yêu cầu sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, trong đó phần cứng đảm nhiệm việc truyền tín hiệu điện giữa Arduino và các thiết bị kết nối Phần mềm sử dụng phần cứng để truyền tải dữ liệu dưới dạng byte hoặc bit Các thư viện giao tiếp nối tiếp của Arduino giúp người dùng dễ dàng xử lý mà không cần lo lắng về những vấn đề phức tạp liên quan đến phần cứng.
Phần cứng serial truyền tải và nhận dữ liệu thông qua các xung điện, thay thế cho các bit tuần tự Các bit 0 và 1, đại diện cho thông tin trong một byte, có thể được thực hiện theo nhiều phương thức khác nhau Đối với các mạch Arduino, tín hiệu 0V tương ứng với bit 0, trong khi tín hiệu 5V (hoặc 3,3V) biểu thị cho bit 1.
Arduino chuẩn chỉ có một cổng serial, nhưng có thể sử dụng thư viện phần mềm để thêm cổng nối tiếp, cho phép kết nối với nhiều thiết bị cùng lúc Giao tiếp serial phụ thuộc nhiều vào bộ điều khiển Arduino để gửi và nhận dữ liệu, do đó tốc độ không nhanh và hiệu quả như phần cứng Trong luận văn này, thiết bị sử dụng là Arduino Uno với một cổng serial, nên giao tiếp sẽ thực hiện qua chân digital 0 (RX) và 1 (TX) hoặc qua cổng USB tới máy tính Khi sử dụng các hàm của thư viện serial, chân digital 0 và 1 không thể được sử dụng cho mục đích khác.
UART, viết tắt của Universal Synchronous & Asynchronous Serial Receiver and Transmitter, là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Để hoạt động, UART cần kết hợp với thiết bị chuyển đổi mức điện áp nhằm tạo ra chuẩn giao tiếp, ví dụ như chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân, là sự kết hợp giữa chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường sử dụng mức TTL, với mức logic cao là 5V và mức thấp là 0V, trong khi tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân có mức logic cao là -12V và mức thấp là +12V Lưu ý rằng tài liệu này giải thích theo mức logic TTL của USART, không theo RS232.
Hình 2.9: Tín hiệu tương đương của UART và RS232
Khái niệm đồng bộ trong truyền thông đề cập đến việc thông báo trước trong quá trình truyền dữ liệu Ví dụ, khi thiết bị 1 (tb1) kết nối với thiết bị 2 (tb2) qua một đường dữ liệu và một đường xung nhịp, tb1 sẽ điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao để báo cho tb2 sẵn sàng nhận một bit dữ liệu Phương pháp này giúp truyền và nhận dữ liệu một cách dễ dàng với ít rủi ro Tuy nhiên, nó yêu cầu ít nhất hai đường truyền cho mỗi quá trình gửi hoặc nhận Giao tiếp giữa máy tính và các bàn phím (ngoại trừ bàn phím USB) là một ví dụ điển hình của truyền thông nối tiếp đồng bộ.
Truyền thông không đồng bộ khác với truyền đồng bộ ở chỗ chỉ cần một đường truyền cho toàn bộ quá trình Các thiết bị đã chuẩn hóa "khung dữ liệu" nên không cần tín hiệu xung nhịp báo trước Ví dụ, khi hai thiết bị giao tiếp, chúng đã thống nhất rằng mỗi 1ms sẽ truyền 1 bit dữ liệu, do đó thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra đường truyền mỗi mili-giây để đọc và kết hợp các bit thành dữ liệu có ý nghĩa Phương pháp truyền thông nối tiếp không đồng bộ hiệu quả hơn truyền đồng bộ vì không yêu cầu nhiều đường tín hiệu truyền Tuy nhiên, việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là rất quan trọng để đảm bảo quá trình truyền thành công.
Kỹ thuật Pre-emphasis
Mạch pre-emphasis là thành phần quan trọng trong bộ điều chế tần số, giúp cải thiện công suất các thành phần tần số cao trước khi bị suy giảm trong quá trình truyền dẫn Nếu không có mạch pre-emphasis, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của các tần số cao sẽ bị suy hao đáng kể khi đến phía thu sau photodiode Mạch này giúp nâng cao băng thông 3dB và tốc độ dữ liệu cho hệ thống VLC Các linh kiện như điện trở, tụ điện, transistor và op-amp thường được sử dụng do tính đơn giản, hiệu quả và chi phí thấp Tuy nhiên, việc xác định giá trị điện trở và tụ điện để đạt được đáp ứng tần số phẳng là rất khó khăn, trong khi đáp ứng tần số phẳng là yếu tố quan trọng cho hệ thống truyền thông tốc độ cao.
Tín hiệu bình thường có thể bị nhiễu như ISI và dòng fuco, dẫn đến việc méo dạng tín hiệu ở tần số cao, gây khó khăn trong việc giải điều chế Để khắc phục vấn đề này, việc điều chỉnh tín hiệu bằng mạch pre-emphasis trước khi truyền là cần thiết.
Hình 2.13: Mô tả việc sử dụng kỹ thuật pre-emphasis trong sửa méo dạng
Phương pháp này sử dụng mạch pre-emphasis để bổ sung vào dòng hoặc áp trong quá trình truyền dữ liệu, giúp tăng tốc độ cạnh và cải thiện đáng kể tín hiệu tại bộ thu.
2.4.1 Bộ lọc thông dải chủ động – Active band-pass filter:
Bộ lọc thông thấp có dải thông từ 0Hz (điểm DC) đến tần số cắt -3dB, trong khi bộ lọc thông cao bắt đầu từ tần số cắt -3dB và kéo dài đến vô cùng hoặc đến điểm có độ lợi vòng hở tối đa của bộ lọc chủ động.
Bộ lọc thông dải chủ động là một mạch lọc chọn lọc tần số, được sử dụng trong các hệ thống điện tử để tách tín hiệu ở một tần số cụ thể hoặc nhiều tín hiệu nằm trong một dải tần số nhất định Bộ lọc này hoạt động bằng cách xác định hai điểm tần số cắt: điểm tần số cắt thấp (fL) và điểm tần số cắt cao (fH), từ đó loại bỏ hoặc giảm thiểu các tín hiệu nằm ngoài dải tần số này.
Bộ lọc thông dải có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách kết hợp một bộ lọc thông thấp với một bộ lọc thông cao như sau:
Bộ lọc thông dải có cấu trúc được hình thành từ việc kết hợp bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao, với điểm tần số cắt của bộ lọc thông thấp cao hơn điểm tần số cắt của bộ lọc thông cao Băng thông của bộ lọc thông dải được xác định bởi hai tần số cắt này, trong khi các tín hiệu nằm ngoài băng tần này sẽ bị loại bỏ hoặc suy hao Một phương pháp đơn giản để tạo ra bộ lọc thông dải chủ động là sử dụng op-amp kết hợp với bộ lọc thông thấp và thông cao thụ động.
Hình 2.15: Sơ đồ mạch lọc thông dải đơn giản dùng Op-amp
Sự kết hợp giữa các bộ lọc thông thấp và thông cao thụ động độc lập tạo ra một mạch lọc với hệ số Q thấp và dải thông rộng Bước đầu tiên của bộ lọc là tạo ra bộ lọc thông cao, sử dụng tụ điện để ngăn chặn bất kỳ tín hiệu DC nào từ nguồn Thiết kế này mang lại nhiều ưu điểm.
2 đáp ứng tần số đối xứng nhau với một nửa là bộ lọc thông thấp, một nửa là bộ lọc thông cao
Hình 2.16: Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải
2.4.2 Mạch lọc thông dải khuếch đại đảo:
Bộ lọc thông dải còn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng chức năng khuếch đại đảo của opamp
Hình 2.17: Mô hình mạch lọc thông dải khuếch đại đảo
Tương ứng với mạch này ta có các giá trị độ lợi và tần số cắt như sau: Độ lợi áp 2
Bộ lọc này được thiết kế với dải thông hẹp hơn, trong đó tần số trung tâm và băng thông phụ thuộc vào các giá trị của R1, R2, C1, và C2 Đầu ra của bộ lọc được lấy từ đầu ra của op-amp.
Mạch lái OLED
Mạch lái, như mạch lái Laser diode (LD) thông thường, được thiết kế đặc biệt nhằm tối ưu hóa các đặc tính của nguồn quang Việc tối ưu hóa này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống quang học.
LD thông thường bao gồm nhiều mạch như bộ đệm ECL đầu vào, mạch lái LD và nguồn cung cấp bias Trong khi đó, đèn LED không yêu cầu dòng ngưỡng, do đó không cần nguồn cung cấp bias và mạch kiểm soát nhiệt độ Tuy nhiên, hiện tại chưa có đề xuất nào cho mạch lái LED có khả năng cung cấp dòng lớn và điều chế với tốc độ cao.
Các OLED có nhiều đặc điểm quan trọng cần xem xét trong thiết kế mạch lái, trong đó yếu tố then chốt là khả năng cung cấp dòng tín hiệu lớn và tốc độ cao để phục vụ cho chiếu sáng và truyền dữ liệu hiệu quả.
Hình 2.18: Mạch lái kết hợp với mạch pre-emphasis đề xuất từ [6] dùng cho LED
Mạch CML tạo ra điện áp V0 với biên độ lớn và tốc độ cao, sau đó dữ liệu điện áp này được truyền vào mạch phát đi Đèn LED cùng với điện trở R1 hoạt động như một tải cho mạch tiếp theo.
Mạch lái có thể nâng cao đáp ứng tần số của LED một cách dễ dàng bằng cách thêm mạch CR song song với R1, như minh họa trong Hình 2.18 Ví dụ, tần số đáp ứng của LED được xác định bởi 1.
OLED trong hệ thống VLC của luận văn này hoạt động với điện áp 7VDC và dòng điện 350mA Việc sử dụng mạch lái nhằm đảm bảo OLED hoạt động với dòng và áp suất đúng yêu cầu ULN2803 là một ví dụ điển hình cho mạch lái OLED.
IC ULN2803A là một mảng transistor Darlington có khả năng hoạt động ở điện áp và dòng điện cao, bao gồm tám đôi transistor NPN được mắc theo dạng tầng Với dòng điện tối đa qua cực Collector lên đến 500mA, các cặp Darlington được mắc song song, cho phép IC hoạt động hiệu quả với dòng điện lớn hơn.
Nguyên lý hoạt động của ULN2803 cho thấy rằng các chân input từ 1 đến 8 tương ứng với các chân output từ 11 đến 18 Khi đầu vào ở mức thấp (0), đầu ra sẽ thả nổi, và khi đầu vào ở mức cao (1), đầu ra sẽ bằng 0 Tuy nhiên, điều này có thể làm mất tính chất của mạch pre-emphasis, do đó cần sử dụng một mạch lái khác để không ảnh hưởng đến mạch pre-emphasis.
Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý IC ULN2803
Tất cả các IC ULN280X đều sở hữu đặc tính đầu ra hở collector, kèm theo diode bảo vệ, có khả năng chịu dòng lên đến 500mA và điện áp ra khoảng 50V, với điện áp vào tối đa khoảng 30V ULN2803 được thiết kế tương thích với mức TTL, trong khi ULN2804 phù hợp với các mức điện áp từ 6 đến 15V của CMOS và PMOS.
Một số loại mạch lái khác:
Hình 2.21: SMOLED-VLC với mạch lái a) dùng Bias-tee, b) dùng cổng NAND
OLED
OLED là một loại diode phát quang, trong đó lớp phát quang là hợp chất hữu cơ phát sáng khi có dòng điện đi qua Lớp bán dẫn hữu cơ được đặt giữa hai điện cực, ít nhất một trong số đó phải trong suốt Công nghệ OLED được ứng dụng rộng rãi trong các màn hình hiển thị cho tivi, máy tính và thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh Gần đây, các thiết bị này được kỳ vọng trở thành nguồn sáng thế hệ mới Đề tài này tập trung vào việc phát triển nguồn sáng dựa trên công nghệ OLED, với hình ảnh minh họa là một panel OLED được sử dụng trong nghiên cứu.
Hình 2.22: OLED Lumiblade của Philip
OLED là một thiết bị bán dẫn thể rắn với độ dày từ 100 đến 500nm, bao gồm hai hoặc ba lớp vật liệu hữu cơ Cấu tạo của một OLED bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
Tấm nền OLED, thường được làm từ nhựa trong hoặc thủy tinh, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ công nghệ OLED Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển tấm nền bằng chất liệu nhựa mềm, giúp cung cấp sự bảo vệ cần thiết cho OLED và mở ra cơ hội cho việc sản xuất các tấm nền OLED uốn cong.
Anode: có nhiệm vụ tạo ra các lỗ trống khi có một dòng điện chạy qua thiết bị
Các lớp hữu cơ trong thiết bị điện tử bao gồm lớp dẫn và lớp phát sáng, được cấu tạo từ các phân tử hữu cơ hoặc polymer Lớp dẫn, làm từ các vật liệu hữu cơ dẻo, có chức năng truyền tải lỗ trống từ anode đến cathode Ngược lại, lớp phát sáng cũng được tạo thành từ các phân tử hữu cơ dẻo nhưng khác loại, có nhiệm vụ truyền tải electron từ cathode đến anode.
Cathode có thể trong suốt hay không tùy thuộc vào loại OLED, cathode sẽ tạo ra electron khi có dòng điện chạy qua thiết bị [4]
Hình 2.23: Cấu trúc của OLED
OLED hoạt động dựa trên nguyên lý phát sáng khi electron kết hợp với lỗ trống, tạo ra photon ánh sáng Quá trình này diễn ra khi điện áp được áp vào các điện cực, cho phép dòng electron chạy từ cathode qua lớp hữu cơ phát quang, trong khi anode thu thập electron từ các phân tử hữu cơ của lớp dẫn Tại ranh giới giữa lớp phát quang và lớp dẫn, electron và lỗ trống kết hợp, tạo ra trạng thái "kích thích" với năng lượng cao Khi trạng thái này trở về ổn định, năng lượng phát ra qua các lớp phim hữu cơ, tạo ra ánh sáng Màu sắc ánh sáng phát ra phụ thuộc vào cấu trúc phân tử hữu cơ của lớp phát quang, trong khi cường độ sáng của OLED tỉ lệ thuận với dòng điện cung cấp; dòng điện càng lớn thì ánh sáng càng mạnh.
Hình 2.24: Nguyên lý tạo ra ánh sáng của OLED
Một số loại OLED hiện có: OLED ma trận thụ đông, OLED ma trận chủ động, OLED trong suốt, OLED phát sáng đỉnh, OLED trắng, OLED uốn cong…
OLED có cấu trúc mạch tương đương như Hình 2.25:
Hình 2.25: a) Cấu trúc OLED và b) mạch tương đương của nó
Mạch tương đương của OLED bao gồm trở kháng Rd nối tiếp với diode, trở kháng rò rỉ RL và điện dung C tương đương Điện dung tương đương được xác định theo công thức o r.
Hằng số điện môi của không khí và chất hữu cơ lần lượt được ký hiệu là ε0 và εr, trong khi L đại diện cho khoảng cách giữa hai điện cực và S là diện tích của cực phát Hình 2.25(b) cho thấy rằng hằng số thời gian cho đáp ứng điện phát quang của OLED là CRd, với điều kiện ZC ≪ RL ở chế độ cao tần Do đó, kích thước lớn của bảng OLED dẫn đến điện dung cao, làm chậm thời gian đáp ứng của OLED.
Hình 2.26 thể hiện đáp ứng tần số của một OLED Lumiable sáng trắng tiêu chuẩn sản xuất bởi Philip, với diện tích bề mặt phát quang là 4π cm² Đây là một trong số ít OLED được bán trên thị trường thiết bị chiếu sáng và trang trí Các phép đo cho thấy OLED này có băng thông điều chế 3dB khoảng 7 kHz.
Hình 2.26: Đáp ứng tần số của OLED
Photodiode và bộ khuếch đại TIA
Photodiode là một loại diode bán dẫn chuyển đổi photon thành dòng điện thông qua hiệu ứng quang điện, với các photon từ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, đến tia X và tia Gamma Khi photon xâm nhập vào lớp hoạt động của photodiode, cụ thể là lớp tiếp giáp P-N hoặc P-I-N, sẽ tạo ra dòng điện Tùy thuộc vào phương thức chế tạo, photodiode có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau; dòng điện nhỏ có thể được dùng làm cảm biến photon, trong khi dòng điện lớn có thể tạo ra năng lượng cho pin mặt trời Cấu trúc của diode thu quang PIN thường bao gồm lớp bán dẫn P, lớp N và lớp I ở giữa, với lớp I là bán dẫn thuần hoặc có tạp chất rất ít và dày hơn so với lớp P và N Để photodiode hoạt động hiệu quả ở chế độ quang dẫn, cần phải phân cực ngược cho nó.
Lớp I của photodiode có trở kháng cao, dẫn đến phần lớn điện trường tập trung tại đây Khi photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn, nó sẽ được hấp thụ, kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử-lỗ trống Trong photodiode PIN, do lớp I dày hơn nhiều so với lớp P và N, các cặp này chủ yếu hình thành trong lớp I Dưới tác động của điện trường lớn, điện tử và lỗ trống nhanh chóng di chuyển ra ngoài, tạo thành dòng điện, vì vậy lớp I được gọi là vùng trôi Độ rộng vùng nghèo W trong photodiode PIN có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi bề dày lớp I, ảnh hưởng đến độ đáp ứng và độ nhạy Khi W tăng, độ nhạy tăng nhưng tốc độ giảm do thời gian di chuyển của các hạt mang điện Với vật liệu bán dẫn không trực tiếp như Si và Ge, W cần khoảng 20-50μm để đạt hiệu suất lượng tử hợp lý, dẫn đến băng thông bị hạn chế (r > 200ps) Ngược lại, photodiode từ vật liệu có dải cấm trực tiếp như InGaAs có thể có W chỉ 3-5μm với thời gian chuyển tiếp khoảng 10ps, cải thiện băng thông (BW khoảng 10GHz).
Đặc tính của photodiode PIN có thể được cải thiện đáng kể nhờ vào cấu trúc dị thể kép, tương tự như cấu trúc của laser bán dẫn Trong cấu trúc này, lớp I được kẹp giữa các lớp bán dẫn P và N, với dải cấm được chọn để ánh sáng chỉ được hấp thụ trong lớp I Thông thường, InGaAs được sử dụng làm lớp giữa, trong khi InP là lớp P và N bao quanh Độ rộng vùng cấm của InP là 1.35 eV, do đó nó không hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn 0.92 μm Ngược lại, vật liệu In1-xGaxAs với x=0.47 có độ rộng vùng cấm khoảng 0.75 eV, tương ứng với bước sóng cắt là 1.65 μm, cho phép lớp InGaAs hấp thụ mạnh các bước sóng trong khoảng 1.3-1.6 μm Cấu trúc dị thể kép này giúp loại bỏ thành phần khuếch tán, từ đó tăng tốc độ đáp ứng của photodiode.
2.7.2 Photodiode sử dụng trong hệ thống:
Bộ thu PDA36A của Thorlab sử dụng photodiode Silic và bộ khuếch đại TIA, được thiết kế để thu tín hiệu quang trong khoảng bước sóng từ 350 đến 1100nm Thiết bị cho phép điều chỉnh độ lợi từ 0 đến 70dB, với điện áp ra tối đa 5V và trở kháng tải ngoài là 50Ω Độ nhạy của photodiode được xác định bởi tỷ số giữa dòng điện photon tạo ra và công suất ánh sáng đến.
Hình 2.28: Bộ thu PDA36A của Thorlab
Bộ khuếch đại biến đổi trở kháng TIA chuyển đổi dòng điện thành điện áp, thường sử dụng Op-Amp, với photodiode kết nối vào đầu ngược của Op-Amp và một cực nối đất Điện trở Feedback điều chỉnh độ lợi và giảm trở kháng đầu vào mạch Mặc dù TIA cung cấp một số giá trị khuếch đại, nhưng tín hiệu đầu ra của PDA36A vẫn rất thấp và không đủ cho giải điều chế trực tiếp Hệ số khuếch đại cao của TIA làm giảm băng thông của PDA36A và tăng nhiễu Bảng 2.1 trình bày băng thông của PDA36A theo từng độ lợi.
Bảng 2.1: Sự phụ thuộc băng thông vào độ lợi của PDA36A Độ lợi Băng thông
Hình 2.29: Sơ đồ khối của PDA36A
Mạch so sánh
Trong kỹ thuật điện tử, phần tử này thực hiện việc so sánh hai giá trị điện áp hoặc dòng điện tại ngõ vào thuận và ngõ vào đảo, từ đó cho ra kết quả nhị phân thể hiện liệu giá trị thuận có lớn hơn không.
Điện áp thu được từ photodiode thường rất thấp và dễ bị méo do đáp ứng chậm của OLED, gây khó khăn trong việc giải điều chế Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng bộ so sánh là cần thiết, với đầu ra là xung vuông để đưa vào vi xử lý cho quá trình giải điều chế Chúng ta sẽ dựa vào điện áp ngõ ra của photodiode để xác định mức ngưỡng và thực hiện so sánh Op-Amp LM393 là một lựa chọn lý tưởng cho các mạch so sánh này.
Hình 2.30: Sơ đồ chân LM393
Hình 2.31: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
Nguyên lý hoạt động của mạch so sánh dựa trên tín hiệu từ PDA36A được đưa vào chân 3 (đầu vào không đảo) Khi điện áp trên chân 3 cao hơn chân 2 (đầu vào đảo), đầu ra sẽ ở mức cao Ngược lại, nếu điện áp trên chân 3 thấp hơn chân 2, đầu ra sẽ ở mức thấp.
Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh trong Hình 2.31 cho thấy tụ C1 được sử dụng để lọc nhiễu tần số thấp, trong khi tụ C2 lọc nhiễu tần số cao Biến trở R1 có chức năng điều chỉnh điện áp tại chân 3, và giá trị của R2 phụ thuộc vào dòng ra của Op-Amps.
Bias-Tee
Bias-Tee là một mạch điện 3 cực, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các điểm phân cực DC cho linh kiện điện tử mà không ảnh hưởng đến các linh kiện khác Là một diplexer, Bias-Tee cho phép chia hoặc kết hợp tín hiệu thông qua 3 cổng: cổng tần số thấp để phân cực, cổng tần số cao cho tín hiệu vô tuyến và cổng kết hợp để kết nối các thiết bị sử dụng cả phân cực và vô tuyến Hình dạng của nó giống như chữ T, với 3 cổng phân hướng rõ ràng.
Mạch LED phân cực hoạt động với mức sáng ổn định nhờ vào việc sử dụng điện áp không đổi, đồng thời truyền tải các tín hiệu dữ liệu từ nguồn cung cấp.
Bias-Tee hoạt động như một tụ điện lý tưởng cho phép tín hiệu AC đi qua trong khi cản trở thành phần DC, và như một cuộn dây lý tưởng ngăn chặn tín hiệu AC nhưng cho phép DC đi qua Mặc dù một số Bias-Tee được chế tạo từ cuộn dây và tụ điện đơn giản, việc sản xuất Bias-Tee băng rộng lại phức tạp hơn do ảnh hưởng của các yếu tố ký sinh lên các linh kiện thực tế.
Bias-Tee được tối ưu hóa cho các môi trường truyền tín hiệu, với trở kháng đặc trưng Z0 thường là 50Ω hoặc 75Ω Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, trở kháng của tụ điện (XC) được lựa chọn sao cho nhỏ hơn Z0.
Trở kháng của cuộn dây (XL) được chọn lớn hơn trở kháng đặc trưng Z0, với điện áp tối đa là 50V được giới hạn bởi khối DC có trở kháng 0.1Ω Dòng điện lớn nhất đạt 1.02A, được giới hạn bởi cuộn dây có giá trị 17μH.
Bias-Tee được thiết kế để hoạt động hiệu quả trên một dải tần số, với các tác chất được lựa chọn nhằm giảm thiểu tác động ở tần số thấp nhất Đối với Bias-Tee băng rộng, điện cảm cần đủ lớn ở tần số thấp để đảm bảo hiệu suất Tuy nhiên, một điện cảm lớn có thể gây ra điện dung rò do tần số cộng hưởng, dẫn đến trở kháng đường rò thấp cho tín hiệu ở tần số cao, làm giảm hiệu quả của Bias-Tee Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất, Bias-Tee băng rộng thường sử dụng các topology mạch đặc biệt nhằm tránh hiện tượng rò rỉ, thay vì chỉ sử dụng một cuộn cảm, người ta thường áp dụng chuỗi cuộn cảm nối tiếp và bổ sung thêm điện trở cùng tụ điện để ngăn ngừa cộng hưởng.
Board mạch Arduino
Arduino UNO sử dụng ba loại vi điều khiển 8bit AVR, bao gồm ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Trong đó, vi điều khiển ATmega328 là thiết kế tiêu chuẩn, cho phép thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và xây dựng trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị trên màn hình LCD, cùng nhiều ứng dụng khác.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
Bộ nhớ Flash 32KB trên vi điều khiển sẽ lưu trữ các đoạn lệnh lập trình, trong đó khoảng vài KB thường được dành cho bootloader.
2KB cho SRAM: giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây
1KB cho EEPROM: đây giống như một chiếc ổ cứng mini, nơi để đọc và ghi dữ liệu
Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu, hoạt động với 2 mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA và được trang bị điện trở pull-up tích hợp trong vi điều khiển ATmega328.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0
2 10 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V 5V
Arduino UNO còn có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác
Thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng, dựa trên ngôn ngữ Wiring, một biến thể của C/C++ Để lập trình, gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, người dùng có thể sử dụng môi trường lập trình Arduino IDE do nhóm phát triển cung cấp.
Hình 2.33: Board mạch Arduino UNO R3
Các công trình nghiên cứu
Công nghệ OLED đang phát triển mạnh mẽ, giúp việc tìm kiếm đèn OLED trở nên dễ dàng hơn Mặc dù băng thông điều chế của một số OLED nghiên cứu hiện chỉ đạt từ vài kHz đến vài trăm kHz, nhưng đã có nhiều phương pháp được đề xuất để cải thiện băng thông và tốc độ dữ liệu cho hệ thống VLC Một trong những nghiên cứu tiêu biểu là của TS Phạm Quang Thái, với việc sử dụng bộ ghép xung DPPM và bộ so sánh, đã tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đáng kể.
Tốc độ truyền dữ liệu với công nghệ OLED có thể đạt 138 kbps với băng thông 3dB chỉ 7kHz, trong khi đó, khi băng thông tăng lên 150 kHz, tốc độ có thể đạt 2.15 Mbps Nghiên cứu cũng cho thấy rằng với băng thông 93 kHz, OLED có thể đạt tốc độ 2.7 Mbps Đặc biệt, với đèn LED có băng thông cao hơn, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới hàng Gbps.
2.11.1 Hệ thống 138 kbps sử dụng OLED băng thông điều chế 3dB là 7 kHz:
Máy tính 1 sử dụng Matlab để tạo chuỗi ngẫu nhiên 30,000 ký tự ASCII, tương đương 240,000 Bit, và lưu vào file mat trước khi chuyển sang máy tính 2 Trong quá trình truyền, máy tính 1 tải file mat và gửi dữ liệu qua USB-UART đến bộ điều chế Sau khi nhận đủ 30,000 byte, mạch điều chế điều khiển chân IO, khiến đèn OLED chớp tắt theo dữ liệu Tại máy thu, photodiode nhận sự thay đổi ánh sáng, khuếch đại tín hiệu và đưa qua mạch so sánh Đầu ra của mạch so sánh được đưa vào bộ giải điều chế, từ đó dữ liệu được khôi phục và lưu vào buffer Khi buffer đầy, bộ giải điều chế truyền dữ liệu lên máy tính 2 qua UART-USB Chuỗi dữ liệu Matlab tại máy 2 nhận từ cổng COM được chuyển đổi thành kiểu nhị phân và so sánh với file mat từ máy 1, giúp tính toán tỷ lệ lỗi Bit của hệ thống.
Hình 2.34: Mô hình thực tế hệ hống 138 kbps
Bài viết này tối ưu hóa quy trình điều chế DPPM với 4 mức, giúp tăng tốc độ lên gấp 1.5 lần so với trước đây Kết quả đạt được là khả năng truyền dữ liệu hiệu quả ở khoảng cách lớn hơn 20cm.
Hệ thống truyền thông VLC nguyên mẫu sử dụng đèn OLED với băng thông 7 kHz đã đạt tốc độ 138 kbps và tỷ lệ lỗi bit (BER) dưới 10^-3 ở khoảng cách 35cm Mặc dù OLED có dải điện áp lái và băng thông điều chế hạn chế, việc áp dụng phương pháp truyền đồng bộ cùng với bộ so sánh giúp giải điều chế ổn định ở tốc độ 138 kbps tại khoảng cách 40cm.
[14] Các kết quả BER thu được như Hình 2.35 bên dưới
Hình 2.35: Biểu đồ BER tương ứng với khoảng cách
Hình 2.36: Tốc độ bit và khoảng cách với BER < 10 -7
Hệ thống truyền 2.15 Mbps sử dụng OLED băng thông 150 kHz bị giới hạn bởi điện dung lớn của thiết bị, không phải bởi thành phần màu Kỹ thuật tiền cân bằng tuyến tính có thể được áp dụng dễ dàng ở đầu phát hoặc thu, khác với đèn LED, chịu ảnh hưởng của đặc tính tần số phi tuyến do độ trễ của đáp ứng phốt-pho vàng Hình 2.38 minh họa hệ thống VLC OLED với bộ cân bằng ở đầu phát, hoạt động như bộ lọc thông cao, cho phép các thành phần tín hiệu tần số cao đi qua trong khi hạn chế các thành phần tần số thấp.
Ceq và Req được chọn cẩn thận để đảm bảo cân bằng vượt qua tần số 3dB Trong thí nghiệm, điện áp phân cực Bias-Tee được bỏ qua để tính toán mô hình tín hiệu nhỏ Phương pháp tiền cân bằng mang lại ưu điểm về phạm vi công suất phát lớn hơn và kiểm soát tốt hơn so với đầu thu.
Hình 2.38: Hệ thống truyền 2.15 Mbps sử dụng OLED băng thông 150 kHz
Với các thông số bộ cân bằng Req = 390 Ω và Ceq = 15 nF, băng thông có thể được cải thiện lên đến 400 kHz Đồng thời, giá trị Ceq có thể giảm xuống còn 3.9 nF, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Bằng cách mở rộng băng thông lên gần 1 MHz với yêu cầu 82 Ω, bộ cân bằng OLED đã có thể phát dữ liệu với tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps, mặc dù băng thông ban đầu chỉ là 150 kHz.
2.11.3 Hệ thống VLC OLED 2.7 Mbps sử dụng bộ cân bằng ANN thời gian thực:
Hình 2.39: Hệ thống 2.7 Mbps sử dụng OLED với bộ cân bằng ANN thời gian thực
Sơ đồ hệ thống được mô tả trong [15], trong đó một chuỗi Bit giả ngẫu nhiên được tạo ra bởi AFG2022 Luồng Bit ngẫu nhiên này được truyền đến mạch lái OLED qua cổng NAND với trở kháng đầu ra cao Khoảng cách truyền dẫn là 0.1m, và ánh sáng tại đầu thu được nhận diện bằng thiết bị Thorlab PDA36A, có băng thông 5 MHz và độ lợi 20dB Đầu ra của PDA36A được ghi nhận qua máy hiện sóng DSO9254A và yêu cầu sử dụng LabVIEW để xử lý dữ liệu.
Hệ thống đạt được kết quả tại BER -6 với tốc độ 2.65 Mbps khi sử dụng bộ cân bằng ANN với kiểu điều chế 4 PPM, 1.5 Mbps với điều chế 2 PPM và 2.1 Mbps với kiểu điều chế OOK.
