5 Mô hình kết nối trong VLC

58



Hình 2.40: Mô hình kết nối Wide-WLOS.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



59



2.5.2 Mô hình kết nối None Line of Sight

Đặc điểm của mô hình này là ánh sáng không đi trực tiếp từ máy phát đến máy

thu mà sẽ phản xạ qua các bề mặt khác nhau trước khi đến máy thu. Do vậy, các bề

mặt này đóng vai trò như một máy chuyển tiếp ánh sáng từ máy phát đến máy thu.

Nhược điểm của mô hình này là suy hao rất lớn, chịu ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường

nhưng lại có độ phủ sóng rộng hơn so với mô hình LOS.



Hình 2.41: Mô hình kết nối NLOS.

Công suất thu trong cả hai mô hình kết nối LOS và NLOS được tính theo công thức

2.21:

2

.

2

1

Trong đó:

•

•

•



là độ lợi của kênh truyền đối với mô hình kết nối LOS.

là độ lợi của kênh truyền đối với mô hình kết nối NLOS.

là công suất nguồn phát.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



60



Nhiễu trong VLC.



2.6



Việc truyền thông tin bằng công nghệ không dây luôn chịu ảnh hưởng rất lớn từ

nhiễu, truyền thông tin bằng ánh sáng nhìn thấy cũng không nằm ngoài ảnh hưởng đó.

Trong công nghệ VLC chịu ảnh hưởng bởi hai loại nhiễu chính là:

•

•



Nhiễu nhiệt (Thermal Noise).

Nhiễu nổ (Shot Noise).



2.6.1 Nhiễu nhiệt trong VLC

Nhiễu nhiệt là nhiễu gây ra bởi dòng điện không mong muốn, do chuyển động

nhiệt của các hạt mang điện. Nguồn gây ra nhiễu nhiệt trong hệ thống VLC là do các

yếu tố khuếch đại ở phía thu gây ra. Nhiễu nhiệt được sinh ra độc lập với tín hiệu thu

và được mô hình hóa theo phân bố Gaussian.

2.6.2 Nhiễu nổ trong VLC

Nhiễu nổ là loại nhiễu chính trong công nghệ VLC, nguồn gây ra nhiễu nổ gồm

có nguồn nhiễu tự nhiên như mặt trời và ánh sáng nhân tạo như đèn sợi đốt hay đèn

huỳnh quang... các nguồn nhiễu này sẽ gây 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 gây ra nhiễu nổ. Một nguồn khác gây ra nhiễu nổ là dòng tối ngược

chiều 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. Đối với mô hình liên kết có FOV hẹp

thì nhiễu sẽ phụ thuộc vào tín hiệu và ít bị chịu ảnh hưởng từ bên ngoài. Còn đối với

mô hình liên kết có FOV rộng thì ảnh hưởng từ các nguồn sáng bên ngoài lên tín hiệu

sẽ lớn hơn.

Ta có công thức tính mật độ phổ công suất PSD của nhiễu nổ theo 2.22:

2

.

2

2

Trong đó:



là điện lượng .

là độ nhạy.

là công suất trung bình của ánh sáng gây nhiễu.

Từ đó ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR được tính theo biểu thức 2.23:

2

.

2

3

Trong đó:



là công suất trung bình của tín hiệu.

là hệ số băng nhiễu (Hz).



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



61



là tốc độ dữ liệu.

Ngoài ra SNR còn phụ thuộc vào các yêu tố khác như: phổ phát xạ, góc

ánh sáng gây nhiễu, băng nhiễu của bộ lọc, diện tích tách sóng hiệu dụng, chỉ số

chiết suất của bộ tập trung quang nên kết quả tính toán SNR sẽ khác nhau.

Thường trong khoảng từ 10dB đến 20 dB tùy thuộc vào kiểu mô hình kết nối.

2.6.3 Các yêu tố khác ảnh hưởng tới hệ thống VLC.

Có một số yếu tố khác ảnh hưởng tới hệ thống VLC là điều kiện thời tiết,

chúng có thể gây hạn chế về phạm vi của ánh sáng. Ngoài ra các tín hiệu ánh

sáng có thể bị hấp thụ bởi hơi nước và CO2 có trong bầu khí quyển. Mây mù,

mưa hay tuyết cũng gây phân tán và suy hao tín hiệu. Các hiện tượng này có thể

được khắc phục bằng cách tăng FOV và sử dụng các bộ tập trung quang.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



62



2.7



Thành phần thu trong hệ thống VLC

Thành phần quan trọng nhất trong máy thu VLC là thiết bị chuyển đổi tín

hiệu quang thành tín hiệu điện. Có hai cách xử lý tín hiệu quang đến trong hệ

thống VLC là sử dụng diode tách quang hoặc chip cảm biến hình ảnh(Image

Sensor- IS). Việc thu tín hiệu quang được mô tả trong hình 2.42:



Hình 2.42: Các bước thu tín hiệu trong VLC.



•



2.7.1 Diode tách quang

Có hai loại Diode tách quang hay được sử dụng đó là Diode tách quang

PIN và Diode tách quang thác APD.

PIN-Photodiode.

Cấu tạo:

Nguyên tắc biến đổi quang-điện của PIN-Photodiode dựa vào nguyên lý biến

đổi quang-điện của lớp tiếp giáp P-N được phân cực ngược. Cấu trúc cơ bản

của PIN-Photodiode được chỉ ra trong hình 2.43:



Hình 2.43: Cấu tạo của PIN- Photodiode.

Cấu tạo của PIN- Photodiode bao gồm:

Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng

bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).

Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng

thâm nhập vào miền I). Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng

chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.

Điện áp phân cực ngược để cho Diode không có dòng điện (chỉ có một dòng

ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản



63



Nguyên lý hoạt động:

Khi các Photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm,

sẽ sinh ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống

(chủ yếu ở lớp I).

Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút

về hai phía (điện tử về phía N+ vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vì có

điện áp âm).

Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch tán sang miền I nhờ

Gradien mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N+ có điện áp dương và lỗ

trống mới sinh ra trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ Gradien mật độ tại

tiếp giáp N+I, rồi chạy về phía miền P+ vì có điện áp âm.

Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một dòng điện

và trên tải một điện áp.

Có một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện

ngoài, vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ ở cách xa các lớp tiếp giáp P+I

và N+I không được khuếch tán vào miền I, nên chúng lại tái hợp với nhau ngay

trong các miền P+ và N+.

Trong trường hợp lý tưởng, mỗi Photon chiếu vào PIN-Photodiode sẽ sinh ra

một cặp điện tử, lỗ trống và giá trị trung bình của dòng điện ra tỷ lệ với công

suất chiếu vào. Nhưng trên thực tế là có một phần ánh sáng bị phản xạ bề mặt.

Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước song.

Vì vậy, lớp P+ không được quá dày. Miền I càng dày thì hiệu suất lượng tử

càng lớn, vì xác suất tạo ra các cặp điện và lỗ trống tăng lên theo độ dày của

miền này, do đó các Photon có nhiều khả năng tiếp xúc với các nguyên tử hơn.

Tuy nhiên, trong truyền dẫn số độ dài của xung ánh sáng đưa vào phải đủ lớn

hơn thời gian trôi Td cần thiết để các phần mang điện chạy qua vùng trôi có độ

rộng d của miền I. Do đó, d không được lớn quá vì như thế tốc độ bit sẽ bị giảm

đi.

Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua bán dẫn cũng tăng lên, ánh

sáng có thể đi qua bán dẫn mà không tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống. Do đó,

với các vật liệu phải có một bước sóng tới hạn.



GVHD: TH. S. Phan Thị Thanh Ngọc



SVTH: Nghiên Văn Toản