Sơ Đồ Khối Cho Cơ Chế Điều Chỉnh Độ Sáng Của Đèn Led

Hình 1.3. Sơ đồ khối của công nghệ VLC

Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển cho một đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có số lượng đèn rất lớn. Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khả năng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống.

Hình 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED

Hình 1.4 là sơ đồ khối của một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED. Với một số lượng lớn các đèn LED, bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điều khiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong muốn nào. Đối với các đèn LED được sử dụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập và không gây nhiễu lên nhau. Rất nhiều các phương pháp điều khiển độ sáng được nghiên cứu và đề suất cho đến nay. Điều khiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất. Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là giải pháp tối ưu nhất cho việc điều khiển độ sáng và truyền thông.

Hình 1.5 minh họa mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong

nhà.

Hình 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà

Bảng 1.1 so sánh các đặc trưng giữa các công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Qua bảng trên chúng ta có thể thấy rằng hệ thống VLC có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống RF như vừa có khả năng chiếu sáng vừa có thể truyền dữ liệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu thụ thấp. Bên cạnh đó, nó cũng có những hạn chế so với công nghệ RF như: khó có thể truyền dữ liệu trong khoảng cách xa, chỉ tối ưu trong môi trường sóng ánh sáng truyền thẳng.

Bảng 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB

Đặc tính

VLC	IRB	RFB
Băng thông	Không giới hạn (400 – 700 mm)	Không giới hạn (800-1600 nm)	Giới hạn
Truyền thẳng	Có	Có	Không
Khoảng cách	Ngắn	Ngắn đến dài (ngoài trời)	Ngắn đến dài (ngoài trời)
Bảo mật	Cao	Cao	Thấp
Tiêu chuẩn	Đang hoàn thiện (tiêu chuẩn IEEE 802.15.7)	Khá đầy đủ cho môi trường trong nhà, đang hoàn thiện cho môi trường ngoài trời	Hoàn thiện

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 61 trang tài liệu này.

Dịch vụ	Chiếu sáng + Truyền thông	Truyền thông	Truyền thông
Nguồn nhiễu	Ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng xung quanh	Ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng xung quanh	Tất cả các thiết bị điện tử
Tổn hao công suất	Khá thấp	Khá thấp	Trung bình
Khả năng di động	Giới hạn	Giới hạn	Tốt
Vùng phủ	Hẹp và rộng	Hẹp và rộng	Chủ yếu rộng

1.2.2. Cấu hình đường truyền

Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng trong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố. Yếu tố đầu tiên được quyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận. Mối quan hệ giữa chúng được phân thành ba loại: trực tiếp, không trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6). Đường truyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất công suất nhận được cao nhất bởi vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất. Đối với các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tín hiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng công suất tín hiệu nhận được thì không cao do tín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ môi trường. Trong cấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, công suất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưng nhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ mở của bộ nhận lớn.

Hình 1.6. Phân loại đường truyền của hệ thống VLC

Yếu tố thứ hai phụ thuộc vào chùm tia sáng có hướng thẳng đến bộ nhận hay không? Dựa vào yếu tố thứ hai chúng ta có hai loại hình đường truyền khác nhau là đường truyền thẳng (Light of Sight – LOS) và đường truyền gián tiếp (Non Light of Sight – NLOS). Đối với cấu hình đường truyền LOS, hiệu suất của công suất nhận được là cao nhất và méo đa đường nhỏ nhất. Trong khi đó, cấu hình đường truyền NLOS lại phù hợp hơn trong các tình huống đặc biệt như có vật cản, người che khuất.

1.2.3. Kênh IM-DD

Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, điều chế tín hiệu theo biên độ, pha và tần số là các phương pháp điều chế được sử dụng nhiều nhất. Còn trong công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy, điều chế cường độ (IM – Intensity Modulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất. Các bộ nhận quang (như PD) được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ra một dòng điện tỉ lệ với công suất quang tức thời nhận được. Hình 1.7 mô tả mô hình của kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD.

Hình 1.7. Kênh IM/DD trong công nghệ VLC

Kênh VLC có thể được mô hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ sở với công suất đầu vào tức thời X(t), dòng qua bộ nhận quang Ip(t), hệ thống tuyến

tính bất biến có đáp ứng kênh h(t). Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống. Do đó, kênh IM/DD có thể biểu diễn như sau:

)

Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập. Do đó, công suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:

1.2.4. Công suất quang nhận

Hình 1.8. Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS)

Hình 1.8 mô tả kênh truyền quang không dây trong trường hợp kênh truyền thẳng. Trong đường truyền quang không dây này, độ lợi DC của kênh truyền được biểu diễn như sau:

Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert; Dd

là khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là

góc rọi của đèn LED.

Ts () là độ lợi của bộ lọc quang,

cosm ()

và cos(ψ) lần lượt là

độ nhạy của LED và PD,

gs ()

là độ tập trung ánh sáng:

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; c là góc mở tối đa của một PD. Khi đó, công suất

quang Pr

của kênh truyền VLC được tại PD là:

1.3. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng sử dụng chất bán dẫn (solid-state lighting). Công nghệ VLC cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ hàng trăm Mbps thậm chí có thể lên đến vài Gbps. Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ VLC được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như dưới đây.

1.3.1. Truyền thông di động

1.3.1.1. Truyền thông di động thế hệ sau 4G

Công nghệ VLC được xem như là một trong những ứng viên sáng giá cho thế hệ di động sau 4G giúp tăng chất lượng dịch vụ trong các tòa nhà, văn phòng hay các môi trường trong nhà khác nơi mà truyền thông bằng sóng vô tuyến có thể bị suy hao cao do hiệu ứng đa đường trong những môi trường này. Do đó, công nghệ VLC là một giải pháp thay thế rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ. Đã có rất nhiều hệ thống lai ghép giữa mạng di động tế bào và mạng di động VLC nơi mà các đèn LED đóng vai trò là các điểm truy cập đã được đề suất cho đến nay.

Hình 1.9. Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp

1.3.1.2. Truyền thông trong các môi trường đặc biệt

Các môi trường hạn chế sử dụng sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến được đặc biệt hạn chế ở một số môi trường đặc biệt như: sân bay, trạm xăng dầu, hay bệnh viện. Lý do là sóng vô tuyến sẽ gây nhiễu lên hoạt động của các thiết bị điện tử, làm cho chúng hư hỏng hoặc không chính xác, thậm chí có thể gây nên cháy nổ hoặc hỏa hoạn ở những khu vực như trạm xăng. Do đó, công nghệ VLC là một công nghệ thích hợp để thay thế cho truyền thông bằng sóng vô tuyến ở những khu vực này.

Hình 1.10. Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện

1.3.2. Truyền hình

Mô hình thực tế để truyền phát video qua kênh truyền VLC. Điều này hứa hẹn sẽ mở ra sự phát triển mạnh mẽ cho các dịch vụ giải trí đa phương tiện tại nhà.

Hình 1.11. Sơ đồ khối của bộ phát video và audio