Luận văn thạc sĩ kỹ thuật viễn thông thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật viễn thông thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Nguyễn Xu Lin
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quang Thái
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Dữ Liệu Bằng Ánh Sáng Nhìn Thấy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy

Hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực viễn thông. Công nghệ này sử dụng ánh sáng nhìn thấy để truyền tải thông tin, mang lại nhiều lợi ích so với các phương pháp truyền thông khác. VLC không chỉ là một phương tiện truyền tải dữ liệu mà còn có thể kết hợp với các thiết bị chiếu sáng hiện có, như đèn LED. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa hiệu suất. Hệ thống này hoạt động bằng cách điều chế cường độ ánh sáng, cho phép truyền tải dữ liệu mà mắt người không nhận thấy sự thay đổi. Nhờ vào khả năng này, VLC có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, hàng không và giao thông. Một trong những điểm mạnh của VLC là khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và dung lượng lớn, nhờ vào phổ tần rộng lớn của ánh sáng nhìn thấy, ước tính gấp 10.000 lần so với sóng vô tuyến.

1.1. Công nghệ và ứng dụng của VLC

Công nghệ VLC đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng nổi bật là trong hệ thống ánh sáng thông minh, nơi mà ánh sáng không chỉ phục vụ mục đích chiếu sáng mà còn truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị. Hệ thống này có thể được sử dụng trong các văn phòng, nhà ở, và các không gian công cộng. Ngoài ra, VLC còn có thể được ứng dụng trong việc điều khiển phương tiện giao thông, giúp giảm thiểu tai nạn bằng cách truyền tải thông tin giữa các xe. Trong môi trường bệnh viện, VLC có thể thay thế sóng vô tuyến, giúp tránh nhiễu cho các thiết bị y tế nhạy cảm. Hơn nữa, trong ngành hàng không, VLC có thể cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu cho hành khách mà không gây nhiễu sóng vô tuyến. Cuối cùng, VLC cũng có thể được sử dụng để truyền thông tin dưới nước, nơi mà các công nghệ không dây khác không hoạt động hiệu quả.

II. Phân tích chi tiết về VLC và các khối tạo thành hệ thống VLC

Hệ thống VLC bao gồm nhiều thành phần chính, trong đó có đèn OLED và photodiode. Đèn OLED được sử dụng để phát sáng và truyền tải dữ liệu, trong khi photodiode nhận tín hiệu ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Kỹ thuật điều chế VPPM (Variable Pulse Position Modulation) được áp dụng để mã hóa dữ liệu trước khi truyền. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh độ sáng của đèn OLED, từ đó kiểm soát được cường độ ánh sáng phát ra. Hệ thống VLC có thể hoạt động hiệu quả trong khoảng cách ngắn, thường dưới 5 cm, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 85 kb/s. Đặc biệt, VLC có thể đạt được tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp, cho thấy tính ổn định và độ tin cậy cao của hệ thống. Việc sử dụng VLC không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng thông minh.

2.1. Các thành phần chính trong hệ thống VLC

Các thành phần chính trong hệ thống VLC bao gồm đèn OLED, photodiode, và các mạch điều khiển. Đèn OLED có khả năng phát sáng với hiệu suất cao, cho phép truyền tải dữ liệu qua ánh sáng. Photodiode đóng vai trò quan trọng trong việc nhận tín hiệu ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các mạch điều khiển giúp điều chỉnh cường độ ánh sáng và thực hiện các kỹ thuật điều chế như VPPM. Hệ thống này cần được thiết kế sao cho các thành phần hoạt động hài hòa với nhau, đảm bảo hiệu suất truyền tải tối ưu. Việc nghiên cứu và phát triển các thành phần này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của VLC trong thực tế.

III. Thực hiện hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy dùng OLED

Việc thực hiện hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy sử dụng đèn OLED là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu VLC. Hệ thống này được thiết kế để truyền tải dữ liệu qua không gian bằng ánh sáng, với nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều chế cường độ ánh sáng. Đèn OLED được sử dụng để phát tín hiệu, trong khi photodiode nhận tín hiệu và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Quá trình truyền nhận dữ liệu được thực hiện thông qua các kỹ thuật điều chế như VPPM, cho phép mã hóa dữ liệu trước khi gửi đi. Thử nghiệm hệ thống cho thấy khả năng truyền tải dữ liệu ổn định và hiệu quả, với tỷ lệ lỗi bit thấp. Điều này chứng tỏ rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng thực tế, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển công nghệ VLC trong tương lai.

3.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống VLC

Nguyên lý hoạt động của hệ thống VLC dựa trên việc điều chế cường độ ánh sáng để truyền tải dữ liệu. Đèn OLED phát ra ánh sáng với cường độ thay đổi liên tục, mã hóa thông tin trong quá trình phát. Khi ánh sáng đến photodiode, nó sẽ được nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Kỹ thuật điều chế VPPM cho phép điều chỉnh độ sáng của đèn OLED, từ đó kiểm soát được cường độ ánh sáng phát ra. Hệ thống này có thể hoạt động hiệu quả trong khoảng cách ngắn, thường dưới 5 cm, với tốc độ truyền dữ liệu lên đến 85 kb/s. Việc sử dụng VLC không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng thông minh.

IV. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hệ thống

Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến hệ thống VLC là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải. Các yếu tố như tỷ lệ lỗi bit (BER), tốc độ truyền, và khoảng cách truyền đều có ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng tỷ lệ lỗi bit tăng lên khi khoảng cách truyền tăng, điều này cho thấy cần có các giải pháp để cải thiện độ ổn định của tín hiệu. Bên cạnh đó, tốc độ truyền cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như suy hao tín hiệu và độ rộng xung. Việc đo đạt và phân tích các thông số này sẽ giúp đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của VLC trong thực tế.

4.1. Khảo sát BER theo tốc độ

Khảo sát tỷ lệ lỗi bit (BER) theo tốc độ truyền là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống VLC. Nghiên cứu cho thấy rằng khi tốc độ truyền tăng, tỷ lệ lỗi bit cũng có xu hướng tăng lên. Điều này có thể do sự suy hao tín hiệu và nhiễu từ các nguồn sáng khác. Việc phân tích mối quan hệ giữa tốc độ truyền và tỷ lệ lỗi bit sẽ giúp xác định giới hạn tối ưu cho hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu suất. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng việc điều chỉnh cường độ ánh sáng và sử dụng các kỹ thuật điều chế phù hợp có thể giúp giảm tỷ lệ lỗi bit, nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu của hệ thống.

V. Kết luận và hướng phát triển của luận văn

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Công nghệ này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển các ứng dụng thông minh. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, như vấn đề khoảng cách truyền và tỷ lệ lỗi bit. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thành phần trong hệ thống, cải thiện kỹ thuật điều chế, và nghiên cứu các ứng dụng mới cho VLC. Việc phát triển công nghệ này sẽ góp phần nâng cao chất lượng truyền thông và mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Hướng phát triển của luận văn

Hướng phát triển của luận văn có thể tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tối ưu cho hệ thống VLC. Các nghiên cứu tiếp theo có thể xem xét việc cải thiện hiệu suất truyền tải, giảm tỷ lệ lỗi bit, và mở rộng khoảng cách truyền. Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ VLC trong các lĩnh vực như y tế, hàng không, và giao thông cũng cần được nghiên cứu sâu hơn. Việc phát triển các ứng dụng thông minh dựa trên công nghệ VLC sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và tạo ra nhiều cơ hội mới trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nhiều hệ thống hiện nay truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy (Visible Lighting Communication – VLC) đã được nghiên cứu, tuy nhiên ít có nghiên cứu dùng OLED. Đây là loại thiết bị có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn LED nên học viên nghiên cứu hệ thống VLC dùng OLED, dùng chung với kỹ thuật điều chế biến đổi vị trí xung (VPPM) hay dùng cho LED để thử nghiệm và đánh giá hệ thống VLC dùng công nghệ mới. Giới thiệu về hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy Hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy là phương tiện truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được giữa tần số 400 và 800 THz (780-375 nm) [1].1 Vùng quang phổ ánh sáng nhìn thấy. Sử dụng ánh sáng nhìn thấy ít nguy hiểm hơn cho các ứng dụng công suất cao bởi vì chúng ta có thể nhận biết và tự bảo vệ mắt của mình tránh ánh sáng đó, cũng như tránh được sự tiếp xúc với sóng điện từ.

VLC là một phần của các công nghệ truyền thông không dây quang học. HVCH: Nguyễn Xu Lin Trang 1 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái Với công nghệ VLC, dữ liệu được truyền đi bằng cách điều chế cường độ của ánh sáng với tần số đủ cao khiến cho mắt người bình thường không cảm nhận được sự thay đổi này. Ánh sáng mang theo dữ liệu khi đến phía thu sẽ được nhận bởi Photo-sensitive Detector (PD) hoặc chip cảm biến hình ảnh (CMOS) giải điều chế chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện.

Ánh sáng đèn truyền tải dữ liệu theo cơ chế điều biên: cường độ của đèn thay đổi liên tục để mã hóa dữ liệu. VLC chính là một nhánh trong công nghệ truyền thông không dây quang (Optical Wireless Communications – OWC). OWC sử dụng cả tia hồng ngoại và tia cực tím để truyền thông tin tương tự như ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, chính việc sử dụng năng lượng vừa dùng để chiếu sáng vừa để truyền thông tin đã khiến cho công nghệ VLC trở nên ưu việt hơn cả [3].2 Mô hình truyền dữ liệu bằng công nghệ VLC.

Khái niệm hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy hay còn gọi là Li-Fi đã thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây, chủ yếu nhờ vào tính phổ biến của công nghệ đèn LED. Li-Fi chuyển dữ liệu bằng cách dùng phổ của ánh sáng thấy được, là một thành tựu đột phá. Cả Wi-Fi và Li-Fi truyền dữ liệu qua phổ điện từ, nhưng Wi-Fi dùng sóng radio trong khi đó Li-Fi dùng ánh sáng thấy được. Ánh sáng thấy được mạnh hơn nhiều so với phổ radio (hơn 10.000 lần trong thực tế).

Những bóng đèn LED hiện hữu có thể chuyển đổi để tải tín hiệu Li-Fi với một con chíp và công nghệ cũng có thể ứng dụng trong các trường hợp mà các tần số radio không thể sử dụng vì sợ gây nhiễu với HVCH: Nguyễn Xu Lin 2 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái bộ mạch điện tử. Thường các bóng phát Li-Fi phát sáng để truyền dữ liệu tuy nhiên những bóng ấy có thể điều khiển độ mờ đến mức mắt thường không nhìn thấy nhưng vẫn hoạt động. Bất tiện là bên nhận dữ liệu phải nhận thấy bóng đèn truyền nhưng ánh sáng thấy được không xuyên qua vật liệu cứng.

Bù lại, Li-Fi sẽ an ninh hơn Wi- Fi, vì Wi-Fi ở ngoài tầm nhận thấy của máy truyền.3 Mô hình truyền internet bằng Li-Fi. Một số công nghệ và ứng dụng VLC Hệ thống VLC ngày càng được cải thiện và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống, sau đây là các ứng dụng tiềm năng của VLC [3].  Ánh sáng thông minh: Hệ thống VLC có thể vừa là thiết bị chiếu sáng, vừa có thể là môi trường truyền dữ liệu giữa các thiết bị số như máy tính, điện thoại, TV, máy in.4 Ánh sáng thông minh dùng VLC. HVCH: Nguyễn Xu Lin 3 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts.

Phạm Quang Thái  Hệ thống điều khiển phương tiện giao thông: Mặc dù có những nhược điểm khi sử dụng ngoài trời, hệ thống VLC vẫn có thể thực hiện truyền các thông tin đơn giản giúp điều khiển xe tránh các tai nạn. Khi xe trước nhấn phanh, đèn báo của xe có thể phát tín hiệu “phanh lại” cho xe sau. Bên cạnh đó, khi xe nhận được tín hiệu “phanh lại” của xe trước sẽ tự động điều khiển phanh xe đồng thời phát tín hiệu “phanh lại” cho các xe sau nữa để tránh va chạm.5 Hệ thống VLC điều khiển phương tiện giao thông.  Bệnh viện: Trong bệnh viện có một số thiết bị có thể bị can nhiễu với sóng radio, vì vậy sử dụng VLC có nhiều lợi thế trong lĩnh vực này.6 Thiết bị y tế nhạy cảm sóng vô tuyến có thể giao tiếp với VLC.

HVCH: Nguyễn Xu Lin 4 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái  Hàng không: Sóng vô tuyến không thể được sử dụng trong khoang hành khách trên máy bay. Vì thế, đèn LED đã được sử dụng trong khoang máy bay và mỗi đèn có thể là tiềm năng để phát VLC cung cấp cả chiếu sáng và dịch vụ truyền dữ liệu cho hành khách. Hơn nữa, điều này sẽ làm giảm chi phí xây dựng và trọng lượng máy bay như trong hình 1.7 VLC dùng trong khoang máy bay.

 Truyền thông tin dưới nước: VLC có thể truyền tốc độ dữ liệu cao dưới nước, nơi mà các công nghệ không dây khác như RF (Radio Frequency) không làm việc. Như vậy, thông tin liên lạc giữa các thợ lặn hay xe vận hành từ xa là có thể.8 Hệ thống VLC truyền thông tin dưới nước. HVCH: Nguyễn Xu Lin 5 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái 1.

Ưu nhược điểm của công nghệ VLC Như chúng ta đã biết, phổ tần của sóng vô tuyến đang ngày càng cạn kiệt và khả năng mở rộng rất hạn chế[4]. 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: 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.

Tốc độ của VLC có thể đạt được tốc độ cao nhờ vào nhiễu thấp, băng thông lớn và cường độ chiếu sáng lớn ở đầu ra.  An toàn: 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: Đối với môi trường trong nhà 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. Ngoài những ưu điểm như đã đề cập ở trên, công nghệ VLC cũng có vài nhược điểm:  Phạm vi phát khoảng cách ngắn nếu bị vật cản che chắn thì không thể truyền tín hiệu.

 Khi có thêm các nguồn sáng ngoài như mặt trời, đèn huỳnh quang,. sẽ làm can nhiễu tín hiệu.  Hệ thống yêu cầu truyền thẳng và chỉ truyền dữ liệu nơi có ánh sáng. Lý do và mục đích chọn đề tài Việc thiết kế một hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy là một hướng đi mới, bổ sung thêm cho các hệ thống truyền dữ liệu hiện tại như wifi.

Tuy nhiên các hệ thống VLC ít có nghiên cứu về OLED, dải thông điều chế của OLED hẹp, nên học viên muốn thực hiện và đánh giá hệ thống VLC dùng OLED. Do đó, mục đích chọn đề tài là để thiết kế và thực hiện hệ thống truyền thông tin bằng ánh sáng dùng đèn OLED, từ đó tối ưu hệ thống hoạt động tốt hơn. HVCH: Nguyễn Xu Lin 6 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái 1.

Phạm vi và phương thức nghiên cứu đề tài - Phạm vi nghiên cứu: thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy dùng OLED truyền tốc độ 83 kb/s trong khoảng cách 25 cm với BER 10-5 và việc truyền dữ liệu có thể thực hiện khi giảm độ mờ của đèn trong phạm vi từ 5-8 lm. - Phương pháp nghiên cứu:  Tìm hiểu kỹ thuật điều chế VPPM và cách điều khiển độ sáng của đèn phát, tìm cách đồng bộ giữa bên phát và bên thu.  Thi công mạch và đo đạc các thông số cần thiết: khảo sát BER theo tốc độ, BER theo khoảng cách, suy hao tín hiệu theo khoảng cách, quang thông theo độ rộng xung trong 1 chu kỳ và tối ưu hệ thống VLC.  Sử dụng các phần mềm kiểm tra lỗi bit trên Matlab, phần mềm Keil để lập trình vi điều khiển, phần mềm Terminal để phát và thu dữ liệu.

Sử dụng máy đo quang thông để đo độ sáng của đèn OLED khi phát dữ liệu. Những đóng góp của luận văn Một số nhiệm vụ mà luận văn đã thực hiện như: - Thiết kế và phân tích chức năng của mỗi thành phần trong hệ thống VLC. - Thử nghiệm thành công hệ thống VLC dùng đèn OLED. - Phân tích và đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hệ thống: khảo sát BER theo tốc độ, BER theo khoảng cách, suy hao tín hiệu theo khoảng cách, quang thông theo độ rộng xung trong 1 chu kỳ.

- Tối ưu được hệ thống VLC. Từ những nhiệm vụ đã thực hiện trên luận văn có hai đóng góp chính: - Thi công được hệ thống VLC. - Tối ưu được hệ thống VLC bằng cách tìm ra tỉ lệ thời gian sáng và tối trong cùng một chu kỳ để truyền được tốc độ cao mà tỉ lệ lỗi bit (BER) vẫn đảm bảo cho phép. HVCH: Nguyễn Xu Lin 7 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts.

Phạm Quang Thái 1. Kết luận chương 1 Chương 1 là chương mở đầu giới thiệu một cách tổng quan về hệ thống VLC, ưu nhược điểm của hệ thống. Chương này cũng giới thiệu lý do và mục đích chọn đề tài này, giới thiệu phạm vi và phương thức nghiên cứu của đề tài, đưa ra một số đóng góp của đề này. Chi tiết thực hiện sẽ được làm rõ trong các chương sau.

HVCH: Nguyễn Xu Lin 8 Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy GVHD: Ts. Phạm Quang Thái Chương 2: Lý thuyết tổng quan và tình hình nghiên cứu 2.