รายงานวิจัยฉบับสมบูรณpws.npru.ac.th/adisorn/data/files/Research/Full_Report_VLC_วช.2557.pdf · Faculty Science and Technology, Nakhon

รายงานวิจัยฉบับสมบูรณ

เร่ือง พัฒนาความเปนเลิศดานการส่ือสารขอมูลผานแสงท่ีตามองเห็น

The Excellent Development of a Visible Light Communications

โดย อดิศร แกวภักดี

สนับสนุนโดยสํานักงานคณะกรรมการวิจัยแหงชาติ (วช.) งบประมาณแผนดิน ปงบประมาณ 2557

ก

หวัขอวจิยั พัฒนาความเปนเลศิดานการสือ่สารขอมลูผานแสงทีต่ามองเห็น

ช่ือผูวจิัย อดศิร แกวภักด ี

หนวยงาน สาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม

คณะ วิทยาศาสตรและเทคโนโลย ีมหาวิทยาลยัราชภัฏนครปฐม

ที่ปรกึษา รศ.ดร.ปยะ โควินททวีวัฒน

ปงบประมาณ 2557

บทคัดยอ

เทคโนโลยีการสื่อสารไดมีบทบาทกับชีวิตประจําวันของมนุษยอยางมาก เพ่ือใหการดําเนิน

ชีวิตมีความสะดวก แตการประหยัดพลังงานก็เปนสิ่งที่จําเปนตอโลกเชนกัน หลอดแอลอีดีเปน

อุปกรณชนิดหนึ่งที่กําลังมีบทบาทในดานการประหยัดพลังงาน เนื่องจากหลอดแอลอีดีใหแสงสวางได

เทียบเทากับหลอดฟูออเรสเซนตและหลอดอนิแคนเรสเซนต แตขอดขีองหลอดแอลอดีคีอืมีอายุการใช

งานที่ยาวนานกวา มีขนาดเล็กกระทัดรัด มีอัตราการสิ้นเปลืองพลังงานนอยกวา สภาวะอุณหภูมิ

ในขณะทํางานไมสูงมาก เปนตน ดังนั้นแนวโนวในอนาคตคาดการณวาหลอดแอลอีดีจะถูกนํามาใช

แทนหลอดไฟที่ใชในปจจุบันน้ีแนนอน นอกจากหนาที่ใหแสงสวางแลวพบวาแอลอีดียังสามารถทํา

หนาที่เปนอุปกรณสําหรับการสื่อสารขอมูลได

การวิจัยคร้ังนี้มีวัตถุประสงคเพ่ือศึกษาระบบชองสัญญาณการสื่อสารไรสายดวยแสงที่

มองเห็นได ไดออกแบบระบบเปนระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร หรือหอง

สํานักงาน ซ่ึงมีอุปกรณใหแสงสวางภายในหองคอืหลอดแอลอดีแีละทําหนาที่เปนตวัสงสัญญาณขอมูล

สําหรับการสื่อสาร สัญญาณขอมูลถกูมอดเูลตดวยสัญญาณพัลสแบบดจิทิลัแบบ OOK และ PPM เปน

การมอดูเลตความเขมแสงเกิดจากผลตอบสนองของแอลอีดี และผลตอบสนองของชองสัญญาณของ

แสงแบบโดยตรง และแบบสะทอน ภาครับใชโฟโตไอโอดเปลี่ยนพลังงานแสงเปนสัญญาณทางไฟฟา

ผานวงจรกรอง วงจรขยาย วงจรปรับแตงสัญญาณเพ่ือใหสามารถตรวจจับสัญญาณไดและสามารถ

แปลงเปนสัญญาณขอมูลกลับคืนมาทางภาครับได

ผลการวิจัยพบวาระบบที่สนใจไดออกแบบจําลองการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น

แอลอดีทีําหนาใหแสงสวางในหองจาํลองขนาด 5 x 5 x 3 ลูกบาตรเมตร แอลอดีไีดแพรกระจายความ

สวางอยางครอบคลุมบริเวณพ้ืนที่ทดลอง ซึ่งทําใหเช่ือมั่นวาพ้ืนที่ที่มีแสงสวางจะสามารถทําการ

สงผานขอมูลได ศึกษาผลตอบสนองของชองสัญญาณแสงแบบโดยตรง และแบบสะทอน ทําใหไดผล

ตอบสนองชองสัญญาณแสงรวม อัตราการสงผานขอมูลที่สูงจะสงผลใหสัญญาณผลตอบสนองเกิด

เปลี่ยนแปลงทําใหเกิดการแทรกสอดทางสัญญลักษณของสัญญาณจะสงผลตออัตราขอผิดพลาดของ

ขอมูลดวย ออกแบบวงจรภาครับใหสามารถตรวจจับสัญญาณขอมูลกลับคืนมาได มีคาอัตราความ

ข

ผิดพลาดบิตขอมูลสูงเม่ือสงผานขอมูลดวยอัตราบิตขอมูลที่สูง สัญญาณขอมูลที่ตองการสื่อสารหรือ

สงผานระบบ เปนสัญญาณพัลสแบบดิจิทัล โดยทําการมอดูเลตสัญญาณแบบตาง ๆ อาทิเชน แบบ

OOK แบบ OOK-NRZ แบบ OOK-RZ และแบบ L-PPM ผลที่ไดรับจากการทดลองพบวาระบบ

สามารถสงขอมูลไดดีเมื่อมีการเขาระหรัสสัญญาณหรือการมอดูเลตสัญญาณ แตก็จะยากที่ตองสราง

วงจรเขารหัสสัญญาณเชนกัน

ค

Title The Excellent Development of a Visible Light Communications

Researcher Adisorn Kaewpukdee

Department Telecommunications Engineering

Faculty Science and Technology, Nakhon Pathom Rajabhat University

Advisor Acco.Prof. Dr. Piya Kovintavewat

Year 2014

Abstract

Communications technology has an important role in a daily life of people.

To ease people’s lifestyle, one also needs to consider energy saving. LED bulb is

one of lighting devices that can save energy because LED can provide lighting better

than the fluorescent tube and the incandescent bulb. In addition, the advantages of

LED are long life time, low power consumption, small size, cool operating, and so on.

Therefore, it is expected that the LED lamp will replace the conventional lamps in

the near future. Not only the LED can provide lighting, it can also be used as a

device for data communication.

This work aims at studying a visible light communication (VLC) system.

Specifically, we design the VLC system used in a building or an office room, where

the LED lamp used to provide lighting will be employed as a transmitter for data

communication. Additionally, the digital data is modulated by on-off keying (OOK)

and pulse-positioning modulation (PPM) techniques, which are an intensity

modulation. The channel response used in this work will be direct and diffused

links. At receiver side, a photodiode is employed to convert light energy into an

electric signal. Then, this signal will be fed to a low-pass filter, an amplifier, an

equalizer in order to detect and decode the data that is embedded in the received

signal.

In a modeled VLC system, LEDs can provide enough lighting throughout a

room of size 5x5x3 m3, where we are confident that they can be used for data

communication. Here, we study the direct/diffuse channel responses. Results show

that a data rate directly affects the system performance. Specifically, the higher the

data rate, the larger the interference, and the higher the bit-error rate. The digital

ง

data signal is modulated by OOK, OOK-NRZ, OOK-RZ, and L-PPM, before transmitting

it to the receiver. Clearly, the system will perform well when the data is modulated

before transmitted; however, it might be difficult to implement an encoder circuit.

จ

คํานํา

แอลอีดีหลอดไฟแหงอนาคต พบวาหลอดแอลอีดีสามารถทําหนาที่ไดสองอยางคือ ใหแสง

สวาง และสงผานขอมูลขาวสารไดดวย ในอดีตที่ผานมาการสื่อสารดวยแสงไดเกิดขึ้นตั้งแตป ค.ศ.

1790 และ ค.ศ. 1880 โคลด แชพพ (Claude Chappe) ประดิษฐโทรเลขเชิงแสง และอเล็กซาน

เดอร เกรแฮม เบลล (Alexander Graham Bell) คิดคนโทรศัพทใชแสง (Photophone) ตามลําดับ

ซ่ึงเปนยุคแรกของการสื่อสารดวยแสง จนกระทัง่ป ค.ศ. 2003 ไดมีการนําเสนอการสื่อสารดวยแสงที่

สามารถมองเห็น ที่พัฒนามาจากการสื่อสารดวยแสงอินฟาเรด รายงานการวิจัยฉบับนี้ไดกลาวถึง

ความสําคัญที่ตองศึกษาการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น ในบทที่ 1 ไดศึกษาระบบจําลองการ

สื่อสารดวยแสง งานวิจัยและทฤษฎีที่เก่ียวของไดกลาวไวในบทที่ 2 สวนในบทที่ 3 เปนการศึกษาการ

ดําเนินงานวิจัย การออกแบบภาคสง การออกแบบภาครับ และการมอดูเลตสัญญาณพัลสเพื่อใชเปน

สัญญาณขอมูลสงผานระบบ บทที่ 4 กลาวถึงผลการวิจัยที่ไดรับจากการทดลอง และไดอภิปรายผล

การทดลอง และสุดทายในบทที่ 5 สรุปผลการทดลอง ปญหาที่พบในการวิจัย แนวทางการพัฒนาตอ

สําหรับผูสนใจหรือนักวิจัยที่ตองการศึกษาตอ

ฉ

กิตติกรรมประกาศ

งานวิจัยฉบับ น้ีได รับทุนอุดหนุนการวิจั ยจากงบประมาณแผนดิน จากสํานักงาน

คณะกรรมการวิจัยแหงชาติ (วช.) ปงบประมาณ 2557 งานวิจัยเร่ือง พัฒนาความเปนเลิศดาน

การสื่อสารขอมูลผานแสงที่ตามองเห็น ไดรับทุนวิจัยสาขาวิชาไฟฟาสื่อสาร (การประมวลผลสัญญาณ

ดิจิทัล) งานวิจัยฉบับน้ีสามารถสําเร็จบรรลุผลไดดวยความรวมมือจาก ที่ปรึกษาโครงการ รศ. ดร.ปยะ

โควินททวีวัฒน คณาจารยสาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี

มหาวิทยาลัยราชภัฏนครปฐม และคณะนักวิจัย ณ ศูนยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอร

แหงชาติ The National Electronics and Computer Technology Center (NECTEC) ที่ชวย

แนะนําและใหคําปรึกษาในการทําวิจัย รวมถึงอํานวยความสะดวกดานการใชหองปฏิบัติการในการ

ทํางานวิจัยในคร้ังน้ี ขาพเจาจึงของกลาวขอขอบคุณทุกทานที่ไดใหความชวยเหลือ

อดศิร แกวภักด ี

ช

สารบัญ

หนา

บทคดัยอ ........................................................................................................................................... ก

Abstract ........................................................................................................................................... ค

คํานํา ................................................................................................................................................. จ

กิตติกรรมประกาศ............................................................................................................................. ฉ

สารบัญ .............................................................................................................................................. ช

สารบัญตาราง ................................................................................................................................... ฌ

สารบัญภาพ...................................................................................................................................... ญ

บทที ่1 บทนํา ................................................................................................................................... 1

1.1 ความเปนมาและความสําคญัของปญหา................................................................................ 1

1.2 วัตถุประสงคของการวิจยั ...................................................................................................... 3

1.3 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ .................................................................................................... 3

1.4 ขอบเขตของการวิจยั ............................................................................................................. 4

1.5 นิยามศัพท ............................................................................................................................ 4

บทที ่2 ทฤษฎีทีเ่กีย่วของ .................................................................................................................. 5

2.1 ระบบการสือ่สารผานคลื่นแสง .............................................................................................. 5

2.2 การออกแบบอคีวอไลเซอรสําหรับการสื่อสารผานแสงทีต่ามองเห็น ...................................... 8

2.3 เทคนิคการมอดเูลตสัญญาณบนแถบความถี่ดจิทิลั ................................................................ 9

2.4 ขั้นตอนวิธีการอคีวอไลเซอร ................................................................................................ 11

2.5 ขั้นตอนการปรับอคีวอไลเซอร ............................................................................................. 14

2.6 อตัราความผิดพลาดบติ ....................................................................................................... 15

2.7 ประสิทธิภาพการใชกําลัง .................................................................................................... 17

2.8 ประสิทธิภาพของแบนดวิดท ............................................................................................... 18

2.9 อตัราความเปลีย่นแปลงของสัญญาณตอสญัญาณรบกวนจากการแทรกสอด ....................... 19

2.10 งานวิจยัทีเ่กีย่วของ ........................................................................................................... 19

บทที ่3 วิธีดําเนินการวจิยั ................................................................................................................ 21

3.1 แบบจาํลองระบบการสือ่สารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร ................................... 21

3.2 ภาคสง ................................................................................................................................ 23

ซ

สารบัญ (ตอ)

หนา

3.3 ชองสัญญาณการสือ่สาร ...................................................................................................... 25

3.4 การมอดเูลตสญัญาณดจิทิัล ................................................................................................ 28

3.5 การออกแบบวงจรภาครับ ................................................................................................... 29

บทที ่4 ผลการวิจยัและอภิปรายผล ................................................................................................. 33

4.1 ผลการทดลองการแพรกระความสวางของหลอดแอลอดี ี..................................................... 33

4.2 ผลการทดลองการแพรกระกําลังงานภายในหองจําลอง ...................................................... 35

4.3 ผลการทดลองหาผลตอบสนองชองสญัญาณ ....................................................................... 36

4.4 ผลการทดลองการมอดเูลตสัญญาณดจิทิลัแบบตาง ๆ ......................................................... 38

4.5 ผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชวงจรอีควอไลเซอร ............................................................... 41

4.6 ผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชเทคนคิการมอดูเลต ............................................................. 43

บทที ่5 สรุปผลการวจิยัและขอเสนอแนะ ........................................................................................ 47

5.1 สรุปผลการวิจยั ................................................................................................................... 47

5.2 สรุปผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชวงจรอคีวอไลเซอร ........................................................ 47

5.3 สรุปผลการทดลองระบบ VLC ของการมอดูเลตแบบตาง ๆ ................................................ 48

5.4 ขอเสนอแนะ ....................................................................................................................... 48

บรรณานุกรม ................................................................................................................................... 49

ประวัติผูวจิยั .................................................................................................................................... 51

ผลงานวจิยัที่ไดรับการเผยแพร ........................................................................................................ 54

ภาคผนวก........................................................................................................................................ 55

ภาคผนวก ก .............................................................................................................................. 56

ภาคผนวก ข .............................................................................................................................. 66

ฌ

สารบัญตาราง

หนา

ตารางที่ 1.1 คาความปลอดภยัของตัวสงคลื่นอินฟราเรดแบบ Point Source Emitter ................... 2

ตารางที่ 4.1 คาพารามิเตอรที่ใชในการจําลองระบบการสือ่สารดวยแสงที่มองเห็น ......................... 33

ญ

สารบัญภาพ

หนา

ภาพที่ 1.1 แบบจาํลองการสือ่สารดวยคลื่นแสงของอปุกรณภายในอาคาร........................................ 2

ภาพที่ 1.2 วิวัฒนาการของแอลอดี ี .................................................................................................. 3

ภาพที่ 2.1 แถบความถีแ่ละความยาวคลื่นในยานตาง ๆ ................................................................... 7

ภาพที่ 2.2 แบบจาํลอของระบบ VLC ............................................................................................... 8

ภาพที่ 2.3 รูปแบบสัญญาณของ OOK ชนิด (a) NRZ (b) RZ .......................................................... 9

ภาพที่ 2.4 ชวงเวลาของสัญญาณจาก PPM และ DPPM ................................................................ 11

ภาพที่ 2.5 สัญลกัษณทีพ่บไดทัง้หมดของ 42

MPPM ................................................................. 11

ภาพที่ 2.6 วิธีการอีควอไลเซอรแบบ ZF ......................................................................................... 12

ภาพที่ 2.7 วิธีการอีควอไลเซอรแบบ MMSE .................................................................................. 13

ภาพที่ 2.8 แบบจาํลองของระบบอคีวอไลเซอร ............................................................................... 13

ภาพที่ 3.1 บลอ็กไดอะแกรมแบบจาํลองระบบ VLC....................................................................... 22

ภาพที่ 3.2 ระบบการสือ่สารดวยแสงแบบไรสายโดยใชแสงจากแอลอดี ี.......................................... 22

ภาพที่ 3.3 ระบบ VLC ที่มีการสะทอนของแสง .............................................................................. 23

ภาพที่ 3.4 ผลตอบสนองของแอลอดี ี.............................................................................................. 24

ภาพที่ 3.5 การแพรกระจายความสวางแสงแอลอดี ี........................................................................ 25

ภาพที่ 3.6 แบบจาํลองชองสัญญาณการสือ่สารดวยแสง ................................................................. 25

ภาพที่ 3.7 เสนทางการเคลือ่นที่ของแสงแนวตรงและแนวสะทอน .................................................. 26

ภาพที่ 3.8 ผลตอบสนองชองสัญญาณทีต่ําแหนงหอง (0.5 1.0 0.85) ............................................. 28

ภาพที่ 3.9 สัญญาณมอดเูลตแบบตาง ๆ ......................................................................................... 28

ภาพที่ 3.10 สัญญาณมอดเูลต L-PPM แบบตาง ๆ ......................................................................... 29

ภาพที่ 4.1 การแพรกระจายความสวางของแอลอดี ีsemi-angle at half power 20 องศา .......... 34

ภาพที่ 4.2 การแพรกระจายความสวางของแอลอดี ีsemi-angle at half power 70 องศา .......... 34

ภาพที่ 4.3 การแพรกระจายกําลงังาน semi-angle at half power 20 องศา .............................. 35

ภาพที่ 4.4 การแพรกระจายกําลงังาน semi-angle at half power 70 องศา .............................. 35

ภาพที่ 4.5 การแพรกระจายกําลงังานรวมทั้งหมด semi-angle at half power 70 องศา ............ 36

ภาพที่ 4.6 สญัญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณแบบโดยตรง .................................................... 37

ภาพที่ 4.7 สญัญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณแบบสะทอน .................................................... 37

ฎ

สารบัญภาพ (ตอ)

หนา

ภาพที่ 4.8 เปรียบเทยีบสัญญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณ .................................................... 38

ภาพที่ 4.9 ตัวอยางสญัญาณขอมลูขาวสารแบบดจิทิลั .................................................................... 39

ภาพที่ 4.10 สัญญาณมอดเูลตแบบดจิทิัลพัลสแบบ OOK-NRZ ...................................................... 39

ภาพที่ 4.11 สัญญาณมอดเูลตแบบดจิทิัลพัลสแบบ OOK-RZ ......................................................... 40

ภาพที่ 4.12 สัญญาณมอดเูลตแบบดจิทิัลพัลสแบบ 2-PPM............................................................ 40

ภาพที่ 4.13 สมรรถนะระบบการสือ่สารไรสายดวยแสงทีม่องเห็นเปรียบเทยีบระหวางแบบมอีคีวอ

ไลเซอรกับไมมีทีอ่ตัราการสงขอมูล 50 Mb/s และ 100 Mb/s .................................. 41

ภาพที่ 4.14 สมรรถนะของระบบ VLC ที่ใชวงจรภาครับแบบที่ใชกันทั่วไปและวงจรภาครับ

แบบที่นําเสนอ ณ อตัราการสงขอมูล 50 Mb/s และ 100 Mb/s ............................... 42

ภาพที่ 4.15 สมรรถนะระบบการสือ่สารไรสายดวยแสงทีม่องเห็นเปรียบเทยีบอตัราการสงขอมูล

50 Mb/s 100 Mb/s 150 Mb/s และ 200 Mb/s ..................................................... 42

ภาพที่ 4.16 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแตละแบบดวยอตัราสงขอมูล

50 เมกะบติตอวินาท ี.................................................................................................. 43


100 เมกะบติตอวินาท ี................................................................................................ 43


150 เมกะบติตอวินาท ี................................................................................................ 44


200 เมกะบิตตอวินาท ี................................................................................................ 44

ภาพที่ 4.20 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ OOK-NRZ ......................................... 45

ภาพที่ 4.21 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ OOK-RZ ............................................ 45

ภาพที่ 4.22 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ 2-PPM ............................................... 46

1

บทท่ี 1

บทนํา

1.1 ความเปนมาและความสําคัญของปญหา

ปจจุบันเรามีแนวความคิดที่จะทําใหอุปกรณสื่อสารตาง ๆ ที่อยูในอาคารหรือสํานักงานไมวา

จะเปนคอมพิวเตอรตั้งโตะ คอมพิวเตอรแบบพกพา เคร่ืองพิมพ สแกนเนอร โมเด็ม เซิฟเวอร และ

อุปกรณตอพวงทั้งหมดใหเปนแบบไรสาย เพื่อเพ่ิมความยืดหยุนและความคลองตัวในการใชงาน

สามารถเปลี่ยนแปลงระบบไดงาย แตทวาในปจจุบันคลื่นความถี่ยานวิทยุและยานไมโครเวฟ ถูก

นําไปใชงานอยางเต็มพิกัดแลว จึงทําใหเรามองไปที่ความถี่ยานอื่นที่ยังไมถูกนํามาใชงาน คลื่นยาน

ความถี่แสงก็เปนอีกยานความถี่หน่ึงที่เราใหความสนใจ [1] ซ่ึงเดิมทีการวิจัยและคนควาเก่ียวกับคลื่น

แสงไดรับการพัฒนามาจากการสื่อสารดวยคลื่นความถี่อินฟาเรด โดยสวนใหญจะอยูในวงการทหาร

เร่ิมมีแนวความคิดทีจ่ะนําคลื่นแสงมาใชในการสงขอมูลความเร็วสูงสําหรับระยะทางสั้น ๆ เมื่อไมกี่ปที่

ผานมา ดวยเหตุผลทีส่ําคญัอกีประการหน่ึงคือ คลื่นยานอินฟราเรดมีความอันตราตอมนุษยอยูนั้น จึง

นําคลื่นแสงที่สามารถนําไปใชไดในพ้ืนที่ตองหามที่มีอุปกรณหรือเคร่ืองมือที่มีความไวตอการถูก

รบกวนหรือแทรกซอนดวยคลื่นวิทยุหรือไมโครเวฟไดงาย อยางเชนเคร่ืองมือแพทยบางชนิดและไม

เปนอันตรายตอมนุษย ฉะน้ันคลื่นแสงนอกจากจะนําไปใชไดในอาคารหรือ สํานักงานแลว ยังจะ

สามารถนําไปใชไดกับโรงพยาบาล ฐานทัพใตดิน ภายในเรือดาํนํ้า หรือแมแตบนเคร่ืองบนิโดยสารเปน

ตน ดังแสดงในภาพที่ 1.1 เปนแบบจําลองการสื่อสารผานคลื่นแสงภายในอาคารสํานักงาน ใชในการ

เช่ือมตอระหวางตัวอุปกรณตาง ๆ ภายในหองสํานักงาน

ซึ่งที่ผานมาวิธีการมอดเูลตสัญญาณขอมูล (Electrical Pulse) เขากับคลื่นพาหแสง (Optical

pulse) โดยใชอุปกรณโฟโตไดโอด LED (Light Emitting Diode) หรือ LD (Laser Diode) ก็คือการ

มอดูเลตแบบ OOK (On Off Keying) ซึ่งการมอดูเลตแบบน้ีเปนวิธีที่งายที่สุด และไมตองมีการ

ซิงโครไนซ (Synchronization) ระหวางภาคสงกับภาครับ แตทวาการมอดูเลตแบบน้ีจะมีความ

ทนทานตอสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในชองสัญญาณไดต่ํา และมีคาประสิทธิภาพทางดานกําลังงาน

ของสัญญาณไมดีนัก กลาวคือถาเราตองการที่จะสงขอมูลใหมีความเร็วสูงขึ้น (Bit Rate) เราจะตอง

เพ่ิมคากําลังงานของคลื่นแสงใหมากขึ้นตาม แตทวาในความเปนจริงเราไมสามารถทําอยางนั้นได

เพราะเราจะเพิ่มคากําลังงานของตวัสง หรือเพิ่มคากําลังงานของคลื่นพาหแสง ใหสูงขึ้นไดแคในระดับ

หนึ่งเทาน้ัน

2

ภาพที่ 1.1 แบบจาํลองการสือ่สารดวยคลื่นแสงของอปุกรณภายในอาคาร

เหตุผลวาทําไมจึงไมใชยานความถี่อินฟาเรด ก็เพราะวาจะทําใหเกิดปญหาในเร่ืองของความ

ปลอดภยัของสายตา (Eye Safety) คือในระบบสื่อสารไรสายอินฟราเรดจะใชคลื่นความถี่ที่มีคาความ

ยาวคลื่นประมาณ 880 นาโนเมตร ถึง 1,550 นาโนเมตร ซึ่งคลื่นความถี่ยานน้ีจะมีผลตอดวงตาของผู

ที่ปฏิบัติงานอยูในบริเวณที่คลื่นอินฟารเรดแพรกระจายไปถึง และถาดวงตาไดรับคลื่นอินฟราเรดใน

ปริมาณที่เขมเกินไปจะทําใหเกิดความรอน (Thermal) ขึ้นภายในเรตินา (Retina) ของดวงตา ซ่ึงจะ

กอใหเกิดอันตรายได ฉะน้ัน IEC (International Electrical Commission) จึงไดกําหนดคาความ

ปลอดภัยในของระบบสื่อสารไรสายอินฟราเรดดังตารางที่ 1.1 [2]

ตารางที่ 1.1 คาความปลอดภยัของตัวสงคลื่นอินฟราเรดแบบ Point Source Emitter

650 nm Visible

880 nm Infrared

1310 nm Infrared

1550 nm Infrared

Class 1 < 0.2 mW < 0.5 mW < 0.8 mW < 10 mW

Class 2 0.2 – 1 mW n/a n/a n/a Class 3A 1 – 5 mW 0.5 – 2.5 mW 8.8 – 45 mW 10 – 50 mW Class 3B 5 – 500 mW 2.5 – 500 mW 45 – 500 mW 50 – 500 mW

ซ่ึงการมอดูเลตแบบออนออฟคีอิงหรือโอโอเค (OOK: On Off Keying) จะมีความทนทานตอ

สัญญาณรบกวน (Noise) ที่เกิดขึ้นในชองสัญญาณ ไดต่ํากวาการมอดูเลตแบบตาํแหนงพัลส (PPM:

Pulse Position Modulation) เน่ืองดวยสัญญาณรบกวนแบบขาวบวก (AWGN: Additive

White Gaussian Noise) มักจะรบกวนในสวนที่เปนแอมพลิจูด (Amplitude) ไดงายกวาเฟส

(Phase) หรือตําแหนงของพัลส (Pulse position) ที่อยูในสลอตบนเฟรมที่ใชสงขอมูล (Data

frame) [3]

3

ภาพที่ 1.2 วิวัฒนาการของแอลอดี ี[10]

แนวคิดที่จะใชหลอดแอลอดีแีทนการใหแสงสวางในอนาคตมีความเปนไปไดคอนขางสูง ดวย

คุณสมบัติที่ดีหลายประการของหลอดแอลอีดี และสามารถเปนอุปกรณที่สามรถทํางานไดหลาย

รูปแบบ จึงเปนสิ่งที่นาสนใจในการศึกษาคนควาเพ่ือใหเกิดการพัฒนาทางดานการเทคโนโลยีใน

อนาคตตอไป

1.2 วัตถุประสงคของการวิจัย

1. ศึกษาสมรรถนะการมอดูเลตตําแหนงพัลสแบบ OOK (On Off Keying) 2. ศึกษาสมรรถนะการมอดูเลตตําแหนงพัลสแบบ L-PPM (L- Pulse Position Modulation) 3. ศึกษาสมรรถนะการมอดูเลตตําแหนงพัลสแบบ L-DPPM (L-Differential Pulse Position

Modulation) 4. ทายสุดเปนการหาคาอัตราการผิดพลาดของบิตขอมูล (Bit error Probability) ของการมอดูเลต

แตละแบบโดยใชเทคนิคการจําลองระบบ และการวิเคราะหเชิงตัวเลข (Numerical) เพื่อหาวาการมอดูเลตตําแหนงพัลสรูปแบบใด มีความเหมาะสมที่จะนําไปประยุกตใช

1.3 ประโยชนที่คาดวาจะไดรับ

1. ไดแบบจาํลองชองสัญญาณการสือ่สารผานแสงที่ใชในระบบการสือ่สารไรสาย

2. ไดแบบจาํลองชองสัญญาณการสือ่สารผานแสงในอาคารหรือหอง

3. ไดอัลกอริทึมเพ่ือปรับปรุงสมรรถนะของระบบการสือ่สารผานแสงใหมปีระสิทธิภาพสูงขึ้น

4. ไดวิธีการเขารหัส การกล้ํารหัสพัลส เพ่ือใชในการสื่อสารผานแสง

5. ไดองคความรูใหมทีจ่ะถายทอดใหกับทางอุตสาหกรรม

6. ไดบทความวิชาการระดับชาติ 2 บทความ

4

1.4 ขอบเขตของการวิจัย

1. วิเคราะหสมรรถนะของระบบสือ่สารผานคลื่นแสงแบบ Line of sight และแบบ Diffuse links ที่มี

การมอดเูลตแบบ OOK

2. วิเคราะหสมรรถนะของระบบสือ่สารผานคลื่นแสงแบบ Line of sight และแบบ Diffuse links ที่มี

การมอดเูลตแบบ L-PPM

3. วิเคราะหสมรรถนะของระบบสือ่สารผานคลื่นแสงแบบ Line of sight และแบบDiffuse links ที่มี

การมอดเูลตแบบ L- DPPM

4. สรุปผลการจําลองระบบและวิเคราะหสมรรมถนะของการมอดเูลตแตละแบบ ในดานประสิทธิภาพ

กําลังงานของสัญญาณ แบนดวิดทที่ใชงาน และอัตราความผิดพลาดของบิตที่เกิดขึ้นของการ

มอดูเลตแตละแบบ

1.5 นิยามศัพท

- การสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็น (Visible light communication: VLC)

- การสื่อสารไรสายดวยแสง (Optical wireless communication)

- การออกแบบอีควอไลเซอร (Equalizer design)

- การกล้ํารหัสพัลสดิจิทัล (Digital pulse code modulation)

5

บทท่ี 2

ทฤษฎีที่เกี่ยวของ

ในบทน้ีจะกลาวถึงทฤษฏีที่เก่ียวของซ่ึงประกอบดวย ความรูเก่ียวกับการสื่อสารดวยแสงที่

มองเห็นได ระบบการสื่อสารผานคลื่นแสง การสะทอน การแพรความเขมแสง การออกแบบอีควอ

ไลเซอรสําหรับการสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็น หลอดแอลอีดี ความสวาง ความยาวคลื่นของแสง

และการศึกษางานวิจัยที่เกี่ยวของดานการสื่อสารดวยแสงที่มองเห็น

2.1 ระบบการส่ือสารผานคล่ืนแสง

การสื่อสารดวยแสงที่มองเห็นได (Visible Light Communications: VLC) เปนเทคโนโลยีที่นาสนใจมากในปจจุบัน นอกจากประโยชนที่ไดจากความสวางของแสงในพ้ืนที่ใชงานแลว ยังไดประโยชนในการสงขอมูลดวย ดังน้ัน VLC จึงไดถูกนําไปประยุกตใชงานในดานตาง ๆ อยางหลากหลาย เชน การสื่อสารใตน้ํา การสงขอมูลอินเตอรเน็ตภายในอาคาร การระบุตําแหนงภายในอาคาร ระบบปายจราจรอัจฉริยะ หรือแมแตการสงเสียงเพลง หรือวีดีโอ เปนตน แตอยางไรก็ตามการสื่อสารระบบ VLC น้ันมักเกิดปญหาความเพ้ียนของขอมูล อันเน่ืองมาจากผลกระทบตาง ๆ ทั้งจากอุปกรณ LED (Light-Emitting Diode) เองและชองสญัญาณ ซ่ึงมีผลตอความเร็วและประสิทธิภาพในการสงขอมูล คุณภาพของการสงขอมูลที่ดี และมีความเร็วที่สูงนั้นเปนปจจัยสําคัญของการสื่อสาร ไรสายดวยแสงที่มองเห็น แตอยางไรก็ตามระบบ VLC ถูกรบกวนจากผลตอบสนองแอลอีดี (LED response), การรบกวนของชองสัญญาณ (Channel model) และ ผลกระทบของการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ (Inter-symbol Interference, ISI) เปนตน ผลกระทบเหลานี้ทําใหประสิทธิภาพของสื่อสารไมดีเทาที่ควรอาจทําใหเกิดขอมูลผิดพลาดได จึงมีความจําเปนที่จะพัฒนาการสื่อสารดวยแสงใหมีความเร็วและประสิทธิภาพสูงขึ้น

การสงสัญญาณขอมูลแบบไรสายที่มีอัตราเร็วสูงกําลังไดรับการพัฒนา การสงสัญญาณดวยความถี่วิทยุ (Radio wave frequency) เปนตัวเลือกของการสื่อสารแบบไรสายสําหรับการใชงานภายในอาคาร สํานักงาน และที่บาน แตอยางไรก็ตามการสื่อสารแบบไรสายดวยความถี่วิทยุถูกใชงานเปนอยางมาก ทําใหเกิดปญหาการแออัดของขอมูล ทําใหยากตอการพัฒนาเพ่ือใหไดอัตราการสงขอมูลที่สูง [1] การสื่อสารดวยแสงที่มองเห็นได (Visible Light Communication: VLC) จึงเปนอีกหนึ่งตัวเลือกในการสื่อสารไรสาย ซ่ึง VLC เปนการสื่อสารโดยใชแสงที่มีความยาวคลื่นตั้งแต 380 - 750 นาโนเมตร [2] ซึ่งเปนแสงที่มนุษยมองเห็นดวยตาเปลา โดยภาคสงใชหลอดแอลอีดี (LED) และใชโฟโตไดโอด (Photodiode) เพ่ือรับสัญญาณ

การใชงาน LED จะใหประโยชนไมเพียงแตในเร่ืองของการสองสวาง ( Illumination) แตยังเปนประโยชนในดานการสื่อสารขอมูล (Data communications) ดวย ซึ่งหลอด LED น้ันจะมีอายุการใชงานที่ยาวนานกวา เม่ือเปรียบเทียบกับแหลงกําเนิดแสงอ่ืน ๆ เชนหลอดอินแคนเดสเซนท (Incandescent lamps) หรือหลอดฟูออเรสเซนท (Fluorescent lamps) หลอดแอลอีดีมีอัตราการสงขอมูลที่สูง การสื่อสารที่มีความปลอดภัย ไมเปนอันตรายตอสุขภาพ และ ใชพลังงานนอย [3]

6

เนื่องจากการใชงานดานการสองสวางจําเปนตองใชหลอด LED หลายดวง ทําใหเกิดปญหาของการสื่อสารขอมูลคือ เกิดสัญญาณกวนกันเอง หรือเรียกวาการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ ( Inter-symbol Interference, ISI) ขอมูลชุดเดียวกันเดินทางมาถึงภาครับที่เวลาตางกันทําใหขอมูลเกิดการซอนเหลื่อมกัน จึงทําใหขอมูลที่ไดมีความเพ้ียนไป ดังน้ันจึงจําเปนที่จะตองลดความเพ้ียนของขอมูลใหไดมากที่สุด วิธีที่ชวยลดผลกระทบก็คือการอีควอไลเซอร ซึ่งจะชวยในการปรับรูปรางหรือคุณลักษณะของสัญญาณใหเปนไปตามที่ตองการ และชวยลดความเพี้ยน

2.1.1 แสงแอลอีดี

การสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็น (Visible light communication) เปนการสื่อสารขอมูลโดยใชแสงเปนตัวกลางในการสงผานขอมูลจากตวัสงไปยังตัวรับ ซึ่งแสงที่ตามองเห็นมีความถี่ 400 เทราเฮิรต ถึง 700 เทราเฮิรต (หรือที่ความยาวคลืน่ตัง้แต 780 นาโนเมตร ถึง 375 นาโนเมตร) แสงที่ตาของมนุษยมองเห็นจะมีความปลอดภัยสูงกวาแสงที่มีความยาวคลื่นสูงขึ้น อาทิเชน แสงอินฟาเรด ขอดีอีกอันหนึ่งของความสวางทีไ่ดจากหลอดแอลอีด ีหรือแสงแอลอดี ีคือแอลอีดีจะไดคาความสวางที่ใกลเคียงกับหลอดนีออน หลอดฟูลออเรสเซนตที่ใชอยูในปจจุบัน แอลอีดีมีอายุการใชงานที่นานกวา มีความทนทานตอความชื้นที่สูง ใชพลังงานนอย และใหแสงที่เปนสีแบบตาง ๆ ไดมากกวาดวยหลักการผสมสีของหลอดแอลอีดี สามารถสงผานสัญญาณได ในปจจุบันหลอดแอลอีดีที่ผลิตจะเปนแบบ InGaN (Indium gallium nitride) ที่ใหประสิทธิภาพแสงที่เปลงออกมาสูง รวมถึงแสงสีนํ้าเงิน แสงสีเขยีว ซึ่งถูกนํามาผลิตใชงานในเชิงพาณิชย โดยการผสมตามแมสคีือ สีแดง สีนํ้าเงิน สีเขียว จากแมสีของแอลอีดทีี่กลาวมาเราสามารถทําใหเปนแสงสีขาว (White LED) ได แสงสีขาวจากแอลอีดีน้ีจะเปนแสงที่ใชในการสื่อสารขอมูลผานแสงในอนาคตตอไปไดอยางสําคัญเลยทีเดียว [1] เม่ือทําการเปรียบเทียบแสงสวางแบบเดิมกับแสงสวางที่มาจากแอลอีดีแสงสีขาว White LED จะใชพลังงานต่ํา ใชแรงดันต่ํา มีอายุการใชงานที่ยาวนานกวา ขนาดเล็ก มีระบบความเย็น

กําหนดใหคาความสวางของหลอดแอลอดีี ตามสมการที่ (2.1)

dId

(2.1)

โดย เปนมุมทีเ่กดิขึ้นในอากาศ และ ฟลักซของความเขมแสง ซ่ึงสามารถกําหนดไดจากฟลกัซพลังงานคอื e ดังน้ี

780

380

,m eK V d (2.2)

โดย V คามาตรฐานของเสนโคงความเขมแสง mK เปนความเขมสูงสุดที่สามารถมองเห็น และมี

คาเปน 683 lm/W ที่ = 555 นาโนเมตร ทําการอินทิเกรตคาฟลักซพลังงานรวมในทุกทิศทาง e

จะไดเปนคากําลังงานของแสงที่ถูกสงออกมาไดดังสมการที่ (2.3) tP

max

min

2

0

,A

t eA

P d d

(2.3)

โดย maxA และ minA หาคาไดจากผลตอบสนองของเสนโคงของตัวโฟโตไดโอด (PD: photo diode)

7

ภาพที่ 2.1 แถบความถีแ่ละความยาวคลื่นในยานตาง ๆ

2.1.2 ความสวางจากแสงแอลอีดี

ในหัวขอน้ีจะอธิบายการแพรกระจายความสวางของแสง (Illuminance of LED lighting) ณ ตําแหนงที่ทํางานภายในอาคารหรือหองทํางานจะแสดงเปนรูปของพ้ืนผิวของความสวาง ความสวางความเขมแสงสามารถหาไดจาก สมการที่ (2.4) จะขึ้นอยูกับตําแหนงมุมที่รับแสง

0 cosmI I . (2.4)

ถาพิจารณาคาความสวางทีส่ามารถรับไดในแนวนอน horE ที่จุด ,x y หาไดจากสมการที่ (2.5)

2

0 cos.cos

m

hord

IE

D

, (2.5)

โดยที่ 0I เปนจุดศูนยกลายของความสวางความเขมแสงแอลอีดี เปนมุมการแผกระจายของแสง

แอลอีดี เปนมุมอัตราสวนที่รับแสง และ dD เปนระยะทางระหวางแอลอีดีกับพื้นผิวของตัวรับ

อาจจะสมมติใหการแพรกระจายแสงที่เกิดจากแอลอีดีเปนแบบแลมเบอรเซียน (Lambertian radiation pattern) ดังน้ันความเขมที่เกิดขึ้นกับมุม m เปนเลขจํานวนเต็มของการกระจายของแสงแบบแลมเบอร เซียน โดยขึ้ นอยูกับ มุมค ร่ึงห น่ึงของความสวางแอลอีดี 1/ 2 ดัง น้ัน

1/2ln 2 / ln cosm ยกตัวอยางเชน 1/2 60.0deg. ได 1m

การพิจารณาความสวางของแสงไฟแอลอีดี โดยทั่วไปความสวางของแสงเปนมาตรฐานโดยองคการระหวางประเทศเพ่ือการมาตรฐาน (ISO) โดยชุดของมาตรฐานความสวางของแอลอีดีภายในหองทํางาน หองสํานักงานกําหนดไวที ่300 - 1,500 ลักซ

8

LED response

Channel response

n(t)

y(t)

Datah(t)Rx(t)

Equalizerheq(t)

Amplifierhamp(t)

Thresholddetector ˆka

ka

ภาพที ่2.2 แบบจาํลองของระบบ VLC

2.2 การออกแบบอีควอไลเซอรสําหรับการสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็น

ในการรับสงขอมูลของระบบ VLC นอกจากสัญญาณรบกวนแบบเกาสแลว ยังมีผลกระทบ

จากการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ (ISI: inter-symbol interference) การจางหายของสัญญาณ

(fading) การรับขอมูลแบบหลากหลายเสนทาง (multipart) [2] เปนตน ซ่ึงผลกระทบดังกลาวมีผล

ตออัตราขอผิดพลาดของบิต (BER: bit-error rate) เปนอยางมาก โดยระบบ VLC มีความตองการ

BER ที่ต่ํากวา 610 [3]

จากภาพที ่2.2 แสดงแบบจาํลองภาครับของระบบ VLC แบบดั้งเดิม เม่ือกําหนดใหแสงที่ถูก

สงมาจากภาคสงคอื ( )r t จะถูกกรองแสงเพ่ือลดสัญญาณรบกวนจากแสงสีอื่น ๆ และถูกสงตอไปยัง

อุปกรณโพโตไดโอ (photo diode) เพื่อทําการแปลงจากสัญญาณแสงใหอยู ในรูปของสัญญาณไฟฟา

จากน้ันจะถูกสงตอไปยังวงจรอีควอไลเซอร (equalizer)และวงจรขยายสัญญาณ เพ่ือปรับระดับของ

สัญญาณใหเปนไปตามที่ตองการและลดผลกระทบจาก ISI หลังจากน้ันลําดับขอมูล ky จะถูกสงตอไป

ยังวงจรตรวจจับสัญญาณ และถอดรหัสกับวงจรแกไขขอผิดพลาด (ECC: error correction code)

ของขอมูลตามลําดับ

เนื่องจาก ISI เปนปญหาอยางมากในระบบ VLC ซ่ึงผลกระทบจาก ISI บางสวนสามารถ

จัดการไดโดยการใชอีควอไลเซอร [2, 3] โดยอีควอไลเซอรที่นิยมใชในระบบ VLC มีอยูหลายแบบ

ดวยกัน เชน DFE (decision feedback equalization) LMS (least mean square) และ MMSE

(minimum-mean squared error) เปนตน [4] โดยทั่วไปแลวชองสัญญาณการสื่อสารจะมีลักษณะ

เปนวงจรกรองที่มีผลตอบสนองสัญญาณพัลสแบบจํากัด (FIR: finite impulse response) และมี

จํานวนแท็ปมาก ซ่ึงกอใหเกิดผลกระทบจาก ISI และจะทําใหวงจรตรวจจับสัญญาณในภาพที่ 2.2 มี

ISI จํานวนมากเพ่ือกําจัด ISI จํานวนมากในชองสัญญาณ เพื่อลดความซับซอนของวงจรตรวจจับ

สัญญาณจึงตองใชวงจรอีควอไลเซอรเพ่ือปรับรูปรางของสัญญาณใหมีคุณสมบัติเปนไปตามเปาหมาย

ที่ตองการ ซ่ึงจะชวยลดผลกระทบจาก ISI ใหนอยลง

9

ภาพที ่2.3 รูปแบบสัญญาณของ OOK ชนิด (a) NRZ (b) RZ

2.3 เทคนิคการมอดูเลตสัญญาณบนแถบความถ่ีดิจิทัล

2.3.1 การมอดูเลตสัญญาณบนแถบความถี่ฐาน

การมอดูเลตสญัญาณเปนการผสมสัญญาณของขอมูลเขาไปกับอีกสัญญาณหนึ่งเพ่ือใหขอมูล

เดินทางไดไกลมากขึ้น เทคนิคการมอดูเลตสัญญาณบนแถบความถี่ฐานเปนการแปลงขอมูลใหอยูใน

รูปสัญญาณพัลสทางไฟฟาที่เหมาะสําหรับใชในการสงผานชองสื่อสารแบบดิจิทัล

2.3.2 การมอดูเลตสัญญาณแบบ On-off keying (OOK)

การมอดูเลตสญัญาณแบบ OOK เปนวิธีที่งาย และรวดเร็ว วิธีการมอดูเลตจะแทนขอมูลบติที่

มีคาหน่ึงจะแทนดวยการมีสัญญาณพัลสแสง สวนขอมูลบิตที่มีคาศูนยจะแทนดวยการไมมีสัญญาณ

พัลสแสง รูปแบบของ OOK มีสองแบบคอื Non return-to-zero (NZR) และ Return-to-zero (RZ)

สําหรับแบบ NRZ การสงสัญญาณพัลสกวางเต็มชวงเวลาจะแทนบิต 1 สวนการมอดูเลตแบบ RZ

สัญญาณพัลสที่มีความกวางในชวงเวลาหน่ึงที่กําหนดจะแทนบิต 1 ดังภาพที่ 2.3 โดยจะไดกําลังของ

สัญญาณในการเขารหัสแบบ OOK-NR ดังน้ี

2 ; for [0, )0 ; elsewhere

r bP t Tp t

(2.6)

เมือ่ rP คอื คาเฉลีย่ของกําลงัที่ใช และ bT คอื ชวงเวลาในหน่ึงบติขอมลู

2.3.3 การมอดูเลตสัญญาณแบบตําแหนงพัลส (Pulse position modulation: PPM)

ในการสื่อสารเชิงแสงดวยเสนทางที่ปราศจากสิ่งกีดขวาง วิธีการมอดูเลตแบบ PPM เปน

ทางเลือกหน่ึงทีจ่ะใชพลังงานไดอยางมีประสิทธิภาพ PPM จะใชเทคนิคการมอดเูลตสัญญาณที่ตั้งฉาก

กัน ทําใหใชพลังงานไดอยางมีประสิทธิภาพมากกวา OOK แตจะมีความตองการแบนดวิดทสูงขึ้นและ

เพ่ิมความซับซอนในการมอดูเลตมากขึ้น สัญลักษณของ L-PPM ประกอบดวยรูปแบบพัลสของกําลัง

10

ที่มีการแจกแจงชวงเวลาในแตละสล็อตเปน L ชวง ( 2ML เม่ือ M เปนจํานวนเต็มบวกที่ระบุคา

ความละเอียดของบิตขอมูล) การแบงสล็อตของชวงเวลาที่มีสญัญาณและไมมีสัญญาณแสดงไดดังภาพ

ที่ 2.4 ในการเขารหัสตําแหนงของสัญญาณพัลสเพ่ือใหสัมพันธกับขอมูลฐานสิบ M-bit แตละชวง

สล็อตของ PPM จะใชเวลา s_PPMT ซ่ึงใชเวลานอยกวาชวงเวลาของ OOK ซ่ึงมีคา bT น่ันคือจะได

s_PPMbT MT L (2.7)

โดยรูปรางขอสัญญาณพัลสสําหรับ L-PPM เปนดงัสมการ

s_PPMs_PPMPPM

1 ; for 1 ,0 ; elsewhere

t m mTx t

(2.8)

เมือ่ 1, 2, ...,m L

2.3.4 การมอดูเลตสัญญาณแบบ Multi-pulse PPM (MPPM)

MPPM เปนการเขารหัสสัญญาณที่มีชวงเวลาสําหรับการสงขอมูล symb 2logbT T L ถูก

แบงเปนสลอ็ตจาํนวน n สลอ็ต ดังน้ันแตละสลอ็ตจะมีชวงเวลา symbT n ถาจํานวนพัลสที่ถูกสงใน

สลอ็ตมีจํานวน w จะไดความนาจะเปนของสัญลักษณในการสงมีทัง้หมด nw

รูปแบบ ตัวอยางเชน

42

-MPPM มคีวามเปนไปไดของสัญลักษณในการสงหกรูปแบบ ดังภาพที ่2.5

2.3.5 การมอดูเลตสัญญาณแบบ Differential PPM (DPPM)

DPPM เปนการเขารหัสสัญญาณโดยเนนการใชกําลัง และใชแบนดวิดทอยางมีประสิทธิภาพ

โดยการยานสล็อตที่วางใหทับกัน โดยคาเฉลี่ยของจํานวนสล็อตตอสัษลักษณในกรณี DPPM มีคา

DPPM 1 2L L แสดงดังภาพที่ 2.5

สําหรับขอมูลเขา 2logM L บิต จะถูกแปลงไปบนสวนหน่ึงของ L โดยจะไดรูปแบบ

สัญญาณ DPPM ดังน้ี

DPPM P k sk

x t P c p t kT

(2.9)

เมื่อ 0,1kc , PP คือ สวนสูงที่สุดของกําลังที่สง และ p t คือ ความสูงหนึ่งหนวยของ

ลักษณะสัญญาณพัลสสี่เหลี่ยมในชวงเวลาหนึ่งสล็อต

11

ภาพที ่2.4 ชวงเวลาของสัญญาณจาก PPM และ DPPM

ภาพที ่2.5 สัญลกัษณทีพ่บไดทัง้หมดของ 42

MPPM

2.4 ข้ันตอนวิธีการอีควอไลเซอร

ขั้นตอนวิธีการอีควอไลเซอรสามารถแบงไดออกเปน 2 แบบคือ ขั้นตอนวิธีการอีควอไลเซอร

แบบปรับตัวไมได (Non-adaptive equalizer) และแบบปรับตัวได (Adaptive equalizer) ซึ่ง

12

สําหรับขั้นตอนวิธีอีควอไลเซอรแบบปรับตัวไดมีหลักการทํางานคือ การนําตัวกรองที่สามารถปรับคา

สัมประสิทธ์ิของตัวเองได มาใชงานในการประมาณระบบหรือชองสัญญาณที่ไมทราบคาเพ่ือกําจัด

สัญญาณรบกวน ขอดีคือ ขั้นตอนวิธีอีควอไลเซอรแบบปรับตัวไดสามารถทํางานโดยไมจําเปนตองรู

คุณลักษณะของขอมูลเขาและขอมูลสัญญาณรบกวน, มีตัวแปรพารามิเตอรคาชวงกาว (Step-Size

Parameter) คือ เพ่ือควบคุมขนาดของการปรับคาพารามิเตอร ถาคาชวงกาวมีคานอยเพียงพอ

เหมาะสมจะมีสมรรถนะในการลูเขาของวงจรดี ซ่ึงจะแตกตางจากขั้นตอนวิธีอีควอไลเซอรแบบ

ปรับตัวไมไดคือ ขั้นตอนวิธีอีควอไลเซอรแบบปรับตัวไมไดจะไมมีการปรับขอมูลทุกชวงเวลาที่

เปลี่ยนไป อธิบายการอีควอไลเซอรแบบปรับตัวไดและไมได ดังน้ี

2.4.1 ขั้นตอนวิธกีารอีควอไลเซอรแบบปรบัตัวไมได

1) ขั้นตอนวิธีการอคีวอไลเซอรแบบ ZF (Zero-forcing equalizer algorithm)

การอีควอไลเซอรแบบ ZF ลดความเพี้ยนของขอมูลโดยจะทําการสรางสัมประสิทธิ์การกรอง

f ดังนี้ 1

1( )

=( )k k

T Tk k k k

f k s ys s s y

(2.10)

เมื่อ f คือสัมประสิทธิ์การกรอง s คือ สัญญาณขอมูลเขา และ y คือสัญญาณอางอิง สามารถแสดงดัง

บล็อกไดอะแกรมภาพที่ 2.6

2) ขั้นตอนวิธีการอีควอไลเซอรแบบ MMSE (Minimum mean-square error equalizer

algorithm)

การอีควอไลเซอรแบบ MMSE มีการคํานวนคาความผิดพลาดกําลังสองต่ําสุดเพ่ือนําไป

ตรวจสอบการคํานวณสัมประสิทธิ์การกรองดังบลอ็กไดอะแกรมภาพที่ 2.7

f kks ky

ภาพที ่2.6 วิธีการอีควอไลเซอรแบบ ZF

13

f kks ky

ke

ภาพที ่2.7 วิธีการอีควอไลเซอรแบบ MMSE

2.4.2 ขั้นตอนวิธีอคีวอไลเซอรแบบปรับตวัได

x n d n

d̂ n

e n

ภาพที ่2.8 แบบจําลองของระบบอคีวอไลเซอร

หลักการทํางานของตัวกรองประเภทนี้ จะพิจารณาผลทุกขณะเวลาคือ จะใชขอมูลขณะ

ชวงเวลานั้น ๆ มาประมาณคาสัญญาณที่ตองการ และคํานวณหาคาความคลาดเคลื่อนในการ

ประมาณ e n

ˆe n d n d n (2.11)

เมื่อ d n คือ สัญญาณที่ตองการของระบบ และสัญญาณที่ถูกประมาณเปนสัญญาณขาออกของตัว

กรองดังน้ี

ˆ Td w n x n (2.12)

14

เมื่อ x n คือ เวกเตอรของสัญญาณเขา w n คือ เวกเตอรของสัมประสิทธิ์ตัวกรอง L คือ

ความยาวของสัมประสิทธิ์ตัวกรอง โดย 1 2 ... 1T

x n x n x n x n L และ

1 2 ...T

Lw n w n w n w n

2.5 ข้ันตอนการปรับอีควอไลเซอร

การปรับตัวของตวักรองจะแตกตางกันไปสําหรับแตละขั้นตอนวิธี โดยมีรายละเอียดในหัวขอ

ยอยตอไปนี้

2.5.1 ขั้นตอนวิธกีําลังสองเฉลี่ยนอยที่สุด (Least Mean Square, LMS)

ขั้นตอนวิธี LMS [5] จะทําการประมาณสัมประสิทธของตัวกรองเพ่ือใหไดคาผิดพลาดกําลัง

สอ ง เฉลี่ ย (Mean-Squared error) ที่ มี ค าต่ํ าสุ ด โดยจะใช วิธี ก ารวน ซํ้ า สมการการป รับ

คาพารามิเตอรของตัวกรองดังน้ี

1w n w n e n x n (2.13)

สมการ (2.13) จะใชขอมูลขณะชวงเวลานั้น ๆ ของ x n , d n และ w n ในการ

ปรับคาพารามิเตอรของวงจรเพ่ือประมาณคาสัญญาณที่ตองการ คํานวณหาคาความคลาดเคลื่อน

e n โดยที่ (Step-Size Parameter) คือพารามิเตอรคาชวงกาว เพ่ือควบคุมขนาดของการปรับ

คาพารามิเตอร [5]

1 2

0

20 L

mx n m

(2.14)

เมื่อคา มีคามากตัวกรองจะมีการปรับตัวอยางรวดเร็วแตก็ทําใหการประมาณคามีความ

แมนยําลดลง เมื่อ มีคานอยจะมีความละเอียดของการประมาณคาเพ่ิมขึ้นแตก็ทําใหระบบชาลง

ดังนั้นวิธี LMS มีความซับซอนต่ํา แตอาจมีอัตราการลูเขา (Convergent Rate) ชา

2.5.2 ขั้นตอนวิธกีําลังสองเฉลี่ยนอยทีสุ่ดแบบนอรมอลไลซ

ขั้นตอนวิธีกําลังสองเฉลี่ยนอยที่สุดแบบนอรมอลไลซ (Normalize Least Mean Square,

NLMS) [17] ปรับปรุงมาจากขั้นตอนวิธี LMS เพ่ือปองกันปญหาสัญญาณขาเขาขนาดใหญ โดยมีการ

นอรมาไลซดวยขนาดของสัญญาณเขา ดังสมการที่ (2.15)

2

2

1e n x n

w n w nx n

(2.15)

15

เมือ่ 2 2 2 22

1 2 1Tx n x n x n x n x n x n x n L

1 2

0

L

mx n m

และ คือคาคงที่บวกขนาดเล็ก ๆ เพ่ือปองกันสวนเปนคาศูนย โดย มีคาอยูระหวาง 0 และ 2

2.6 อัตราความผิดพลาดบิต

อัตราความผิดพลาดบิต (Bit error rate: BER) ถือเปนกุญแจสําคัญในการประเมินระบบที่ใช

สงขอมูลดิจิทัล แมระบบการสื่อสารดิจิทัลแบบตาง ๆ จะมีอัตราความผิดพลาดบิตในรูปแบบที่

แตกตางกัน แตพ้ืนฐานในการหาอัตราความผิดพลาดบิตอยางงายจะมีลักษณะเดียวกัน

อัตราความผิดพลาดบิตถูกกําหนดโดยอัตราสวนของความผิดพลาดที่เกิดขึ้นในระบบสื่อสาร

ซ่ึงสามารถเขียนเปนสมการอยางงายไดดังน้ี

Number of errorsBER= Total number of bit sent (2.16)

ในกรณีของการเขารหัสขอมูลแบบดิจิทัลที่มีสัญญาณรบกวนในชองสื่อสารเปนสัญญาณแบบ

เกาสเซียน โดยจะไดสเปกตรัมของกําลังของสัญญาณรบกวนเปน N0 และถากําหนดระยะหางที่นอย

ที่สุดแบบยุคลิดระหวางคูของสัญญาณที่นํามามอดูเลตใด ๆ (Minimum Euclidean distance) เปน

dmin พิจารณากรณีที่สัญญาณที่สงมีคามากวาสัญญาณรบกวนมาก ๆ จะไดอัตราความผิดพลาดบิต

min

02dBER QN

(2.17)

เมือ่ 2 21

2y

xQ x e dy

และ 22

min min i ji jd X t X t dy

ในการหาการเกิดอัตราความผิดพลาดบิตเมื่อทําการมอดูเลตสัญญาณบนแถบความถี่ดิจิทัล

ดวยการมอดูเลตตาง ๆ จะไดคาดังน้ี

2.6.1 อตัราความผดิพลาดบติ สําหรับการมอดูเลตแบบ OOK

ในกรณีของการมอดูเลตแบบ OOK สําหรับการสื่อสารเชิงแสงสามารถหาระยะทางที่นอย

ที่สุดระหวางสัญญาณสองสัญญาณไดเปน

16

OOK2

b

PdR

(2.18)

เมือ่ P คอื กําลงัเฉลีย่ของแหลงกําเนิดแสง bR คอื อตัราการสงขอมูล ทําใหได BER ของการมอดู

เลตแบบ OOK เปนดังสมการ

OOK0 b

PBER QN R

(2.19)

2.6.2 อตัราความผดิพลาดบติ สําหรับการมอดูเลตแบบ L-PPM

ในกรณีของการมอดูเลตแบบ PPM สําหรับการสื่อสารเชิงแสงสามารถหาระยะทางที่นอย


2PPM

2 logb

L Ld P R (2.20)

ทําใหได BER ของการมอดเูลตแบบ PPM เปนดงัสมการ

2PPM

0

log2 b

P L LBER QN R

(2.21)

2.6.3 อตัราความผดิพลาดบติ สําหรับการมอดูเลตแบบ DPPM

ความนาจะเปนของอัตราผิดพลาดบิตสําหรับการมอดูเลตแบบ DPPM สามารถหาไดจาก

สมการ (2.21) แตแทนคาเฉลี่ยของจํานวนสล็อตตอสัญลักษณดวยคา

DPPM 1 2L L (2.22)

ทําใหได BER ของการมอดเูลตแบบ PPM เปนดงัสมการที่ (2.23)

2

DPPM0

1 1log2 22 b

L LPBER Q

N R

(2.23)

17

2.6.4 อตัราความผดิพลาดบติ สําหรับการมอดูเลตแบบ MPPM

ในกรณีของการมอดูเลตแบบ PPM สําหรับการสื่อสารเชิงแสงสามารถหาระยะทางที่นอย


2

MPPM max

2 log

b

nn w

d P w R

(2.24)

ทําใหได BER ของการมอดเูลตแบบ PPM เปนดงัสมการ

2

MPPMmax 0

log

2 b

nn wPBER Q w N R

(2.25)

2.7 ประสิทธิภาพการใชกําลัง

ประสิทธิภาพการใชกําลัง (Power efficiency) ที่ตองการคือการวัดปริมาณของกําลังที่

สามารถสื่อสารไดเม่ือกําหนดคาของ BER การหาคาของกําลังที่ตองการใชดวยการมอดูเลตสัญญาณ

แบบตาง ๆ จะทําคลายกับการหาคาของ BER

พิจารณาสมการที่ (2.19) สามารถหากําลังที่ตองการสําหรับการสงขอมูลที่มอดูเลตแบบ

OOK ไดดังสมการ

1OOK 0 bP Q BER N R (2.26)

ในกรณีของการมอดูเลตรูปแบบอื่น ๆ สามารถประมาณคากําลังที่ตองใชสําหรับ BER ใด ๆ

ไดจากสมการ

OOKOOK

min

dP Pd (2.27)

พิจารณาการมอดูเลตแบบ PPM เม่ือแทนคา dmin จากสมการ (2.20) ลงในสมการ (2.28)

จะไดกําลังที่ตองใชสําหรับการสงขอมูลที่มอดูเลตแบบ PPM ไดดังสมการ

PPM OOK2

2logP PL L (2.29)

18

พิจารณาการมอดูเลตแบบ DPPM เม่ือแทนคา LDPPM จากสมการ (2.22) ลงในสมการ

(2.29) ทําใหไดกําลังที่ตองใชสําหรับการสงขอมูลทีม่อดูเลตแบบ DPPM ไดดังสมการ

DPPM OOK

2

21 1log2 2

P PL L

(2.30)

พิจารณาการมอดูเลตแบบ MPPM เม่ือแทนคา dmin จากสมการ (2.24) ลงในสมการ (2.28)

จะไดกําลังที่ตองใชสําหรับการสงขอมูลที่มอดูเลตแบบ PPM ไดดังสมการ

MPPM max OOK

2

2

logP w P

nn w

(2.31)

2.8 ประสิทธิภาพของแบนดวิดท

ประสิทธิภาพของแบนดวิดท (Bandwidth efficiency) ในการสงขอมูลจากภาคสงกําหนด

อัตราการสงขอมูลเปน บิตตอวินาที สําหรับขอมูลที่มีการมอดูเลตแบบ OOK จะมีความตองการ

แบนดวิดทเปนคาประมาณสวนกลับของชวงเวลาความกวางสัญญาณพัลสในหน่ึงบิต น่ันคือจะได

OOK bB R (2.32)

สําหรับการมอดเูลตแบบ PPM จะมีความตองการแบนดวิดทเปนคาประมาณสวนกลบัของ

ชวงเวลาความกวางสัญญาณพัลสในหน่ึงบติ น่ันคอืจะได

PPM OOK 2logB L T LB L (2.33)

สําหรับการมอดเูลตแบบ DPPM สามารถหาคาแบนดวดิท ไดโดยการแทนคา LDPPM จาก

สมการ (2.22) ลงในสมการ (2.33) ทําใหไดคาแบนดวดิทตามสมการ

DPPM OOK 21 1log2 2

L LB B

(2.34)

สําหรับการมอดเูลตแบบ MPPM จะมีความตองการแบนดวิดทเปนคาประมาณสวนกลบัของ

ชวงเวลาความกวางสัญญาณพัลสในหน่ึงบติ น่ันคอืจะได

MPPM OOK

2

2

logB B

nw

(2.35)

19

2.9 อัตราความเปลี่ยนแปลงของสัญญาณตอสัญญาณรบกวนจากการแทรกสอด

สําหรับทฤษฎีเทคโนโลยสีารสนเทศอตัราความเปลี่ยนแปลงของสัญญาณตอสัญญาณรบกวน

จากการแทรกสอด (Signal to interference noise ratio: SINR) เปนปริมาณที่ใชขอบเขตบนของ

ทฤษฎีความจชุองสัญญาณ SINR ถูกกําหนดโดยกําลังของสัญญาณที่สนใจหารดวยผลรวมของกําลัง

ที่เกิดจากการรบกวนเนื่องจากการแทรกสอดของสัญญาณรวมกับสัญญาณรบกวนพ้ืนหลัง

คาของ SINR สามารถหาไดดังสมการ

PSINR x I N

(2.36)

เมือ่ P คอื กําลงัของสัญญาณทีต่องการ I คอื กําลังของสญัญาณที่แทรกสอด N คอื สญัญาณรวบ

กวนทั้งหมด

2.10 งานวิจัยที่เก่ียวของ

ยอนกลับไปเม่ือ ค.ศ. 1880 A. Graham Bell ไดแสดงโฟโตโฟนที่สามารถสงสัญญาณเสียงพูดผานแสงอาทิตย ซ่ึงสามารถสงไดไกลถึง 100 เมตร ทําใหทราบวาที่จริงแลวการสื่อสารผานแสงเกิดขึ้นกอนที่จะมีการสื่อสารผานคลื่นวิทยุ (radio wave) [8] เมื่อเร็วน้ีเองที่หองปฏิบัติการ Nakagawa ที่มหาวิทยาลัย Keio ในประเทศญี่ปุนเร่ิมทําการวิจัยดวยการใชแอลอีดีสงขอมูลผานแสงที่ตามองเห็น จนกระทั่งตอนน้ีก็ไดมีงานวิจัยที่เกี่ยวของกับการสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็นมากมายที่เกิดมาจากหองปฏบิัตกิารแหงนี้ [8] แพรหลายเปนหองปฏิบัติการ หนวยงาน สถาบันตาง ๆ อาทิเชน Smart Lighting Engineering Centre, Omega Project, COWA, ByteLight, Inc.D-Light Project, UC-Light Centre and work at Oxford University เปนตน

ในป ค.ศ. 2006 นักวิจัยจากหัองปฏิบัตกิาร CICTR ที่ Penn State ไดนําเสนอวิธีการสื่อสารรวมกันระหวางสายสงกําลังกับแสงแอลอีดีสีขาว (White LED) โดยวิธีการเขาถึงแบบบอรดแบนดสําหรับประยุกตใชภายในอาคารหรือหอง [9] ซึ่งงานวิจัยน้ีก็ชี้ใหเห็นวา VLC จะเปนทางออกสุดทายในการสื่อสารภายในอาคารหรือหองอยางสมบูรณแบบเลยทีเดียว

ในเดือนมกราคม ค.ศ. 2010 มีทีมนักวิจัยจาก Siemens และ Fraunhofer Institute for Telecommunications (Heinrich Hertz Institute in Berlin) ไดทําการแสดงการสื่อสารขอมูลที่ความเร็ว 500 เมกะบิตตอวินาที โดยใชแสงแอลอีดีสีขาวในการสื่อสาร ใชระยะติดตอสื่อสาร 5 เมตร และทําการสงที่ความเร็ว 100 เมกะบิตตอวินาที ใชระยะทางติดตอสื่อสารที่ไกลออกไปอีกและมีการเพ่ิมหลอดแอลอีดีเปน 5 หลอดเพ่ือเพิ่มความสวาง [10]

มาตรฐานการสื่อสารผานแสงที่ตามองเห็นจะตองดําเนินการภายใต IEEE Wireless Personal Area Networks working group (802.15) ในเดือนธันวาคม ค.ศ. 2010 St. Cloud, Minnesota ไดปรับใช VLC เทคโนโลยีเปนกลุมแรก ๆ ที่ใชการในเชิงพาณิชย [11] และในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2011 ไดมีการสาธิตการสงวีดีโอความละเอียดสูงผานหลอดแอลอีดโีดย TED Globle และเม่ือในเร็ว ๆ น้ี ระบบระบุตําแหนงภายในอาคารดวยพื้นฐานการสื่อสารแบบ VLC ไดกลายมา

20

เปนหัวขอวิจัยที่นาสนใจของนักวิจัย โดยถูกนําเสนอจากหัองปฏบิัตกิาร Nakagawa [12] COWA ที่ Penn State [13, 14] และนักวิจัยทั่วโลก เปนตน

เมื่อกลาวถึงระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงทีต่ามองเห็น (Visible light communication) หรือ VLC T. Komine [1] ไดนําเสนอขอดีของ White LED คาดการณวาจะถูกนํามาใชเปนหลอดไฟที่ใหแสงสวางในปจจุบัน ไดทําการศึกษาหลักการวิเคราะหการสื่อสารผานแสงแอลอีดีภายในอาคาร อุปกรณที่ใหความสวางภายในหองไมเปนแคใหแสงสวางเทาน้ันแตยังสามารถเปนอุปกรณการสื่อสารทางแสงไรสายไดอีกดวย ศึกษาผลกระทบของการแทรกสอด การสะทอนกลับ ดวยวิธีการวิเคราะหทางตัวเลข ใน ค.ศ. 2005 นําเสนอควอไลเซอรแบบปรับตัวได ในการสื่อสารผานแสงเพ่ือชวยใหการสื่อสารมีขอผิดพลาดนอยที่สุด ชวยลดผลกระทบที่เกิดจากการแทรกสอด การสะทอนของแสง ในระบบการสื่อสารผานแสงภายในอาคาร

21

บทท่ี 3

วิธีดําเนินการวิจัย

ในบทน้ีจะกลาวถึงวิธีการดําเนินการวิจัยการสื่อสารขอมูลผานแสงที่ตามองเห็น โดยเร่ิมจาก

การสรางแบบจําลองชองสัญญาณในการสื่อสารขอมูลภายในอาคาร หรือหองสํานักงาน ซ่ึงไดทําการ

จําลองเปนชองสัญญาณการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นไดภายในอาคาร แบบการแพรกระจาย

ความสวาง ผลตอบสนองของแอลอีดี ผลตอบสนองของชองสัญญาณแบบโดยตรง และแบบสะทอน

การออกแบบวงจรภาครับของระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น การสงผานขอมูลในแบบการ

มอดูเลตแบบตาง การพัฒนาซอฟตแวรแบบจําลองชองสัญญาณของ VLC ก็จะไดกลาวในบทน้ี

3.1 แบบจําลองระบบการส่ือสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร

ภาพที่ 3.1 แสดงแบบจําลองระบบ VLC เม่ือขอมูลเขาสูระบบจะถูกมอดูเลต (Modulate)

จากน้ันผลตอบสนอง LED เมื่อสังเกตพบวามีผลกระทบอยูในชวงความถี่ต่ํา สามารถแสดงตามสมการ

ฟงกชันเอกซโพเนนเชียล (Exponential function) แสงที่หลอดแอลอีดีแพรกระจายออกมาภายใน

อาคารหรือหอสํานักงานทําใหมีผลกระทบคุณลกัษณะของผลตอบสนองของสัญญาณที่ไดรับ สัญญาณ

ที่รับของภาครับจะถูกรวมกับสัญญาณรบกวนในระบบ ผานวงจรกรองแบบตาง ๆ หรือวงจรอีควอ

ไลเซอรเพ่ือชวยปรับแตงสัญญาณใหถูกตองยิ่งขึ้น อาจจะมีวงจรขยายเพ่ิมเขามาทําใหสัญญารณมี

ความแรง กอนจะผานวงจรดีมอดูเลต หรือวงจรตรวจจับสัญญาณเพ่ือใหไดสัญญาณกลับคืนมาอยาง

ถูกตองที่สุดของภาครับ

ระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร (Indoor channel model for

indoor wireless visible light communication) เกิดจากการใชแสงสวางจากหลอดแอลอีดี เปน

ตัวกลางในการสงขอมูล หลอดแอลอดีีติดตั้งเปนอารเรย (array LED) [1] เพื่อใหแสงสวางเปนไปตาม

มาตรฐานสากล (ISO) คือ 300 ถึง 1,500 ลักซ (lux) สําหรับหองทํางานภายในอาคาร [1] และ [2]

จากภาพที่ 3.2 และ 3.3 แสดงการติดตั้งหลอดแอลอีดีแบบอารเรยบนเพดานหอง โดยที่ตัวสง

(transmitter) จะใชหลอดแอลอีดีเพ่ือทําการแพรกระจายแสงสวางไปบริเวณรอบ ๆ หอง ในการ

สรางแบบจําลองออกแบบหองที่มีขนาด 5 x 5 x 3 เมตร ตัวรับ (receiver) จะใชโฟโตไดโอดซึ่งถูก

วางบนโตะทํางานที่สูงจากพ้ืน 0.85 เมตร กําหนดใหหลอดแอลอีดีหนึ่งตัวมีกําลังเทากับ 30 มิลลิวัตต

ความเขมแสงภายในหองสามารถคํานวณไดตามสมการที่ (2.4) ดังน้ี [3] เม่ือ ( )I คือความ

เขมแสงทีค่าํนวณได ณ ตําแหนงมุมระหวางตัวสงกับตัวรับที่ตางกันทั่วบริเวณหอง (0)I คือความเขม

แสงที่ตําแหนงศูนยกลางของอารเรยแอลอีดีที่กําหนดใหมีรูปแบบการแพรกระจายแบบแลมเบอร

เซียน (Lambertian radiation) และ m คือเลขลําดับการแพรของแสงแบบแลมเบอรเซียนและมี

22

ความสัมพันธกับมุม 1/2 เปนสวนหน่ึงของมุมของตัวสง (ที่คร่ึงหน่ึงของกําลังงานทั้งหมด) ซึ่ง

1/2ln(2) / ln(cos )m กําลังงานที่แผกระจายของแสงแอลอีดีคือ LEDP , คือมุมของแสงแพร

ออกมาจากตัวสงโดยคาความเขมแสงทีไ่ดรับจะเปลี่ยนแปลงไปตามมุมระหวางตัวรับแสงกับตัวสงแสง

และคาความสวางในแนวขนานกับพ้ืนหองไดจาก [3]

ภาพที่ 3.1 บลอ็กไดอะแกรมแบบจาํลองระบบ VLC

จากสมการที่ (2.5) เมื่อ d คือระยะทางระหวางตัวสงกับตัวรับ, คือ มุมที่แสงแพร

(irradiance angle) ออกมาจากตัวสง และ คือมุมที่แสงตกกระทบ (incidence angle) กับโฟโต

ไดโอด ทําใหสามารถคํานวณการแพรกระจายของแสงตามแนวขนานกับพ้ืนหองได

Room Width

แกน y

ภาพที่ 3.2 ระบบการสือ่สารดวยแสงแบบไรสายโดยใชแสงจากแอลอดี ี

23

1d

2d

1/2

c

ภาพที่ 3.3 ระบบ VLC ที่มีการสะทอนของแสง

3.2 ภาคสง

ผลตอบสนองของแอลอดี ี(LED response) ในระบบ

LEDcth t e (3.1)

cr f

pt t (3.2)

เมื่อ LEDh t คือ ผลตอบสนองแอลอีดี c คือ ความถี่ตัด rt คือ เวลาผลตอบสนองของ

แอลอดีขีาขึ้น (Rise time) ft คือ เวลาผลตอบสนองของแอลอีดีขาลง (Fall time) p คือ คาคงที่ใน

ซอฟตแวดกําหนดใหเปนพารามิเตอรปรับแตง ดังภาพที่ 3.4 แสดงผลตอบสนองของแอลอีดีเม่ือ

สัญญาณขอมูลถกูสงผานหลอดแอลอดีทีําใหเกิดผลตอบสนองดังภาพที่ 3.4 เน่ืองจากหลอดแอลอีดีมี

จุดประสงคการใชงานสองอยางคือทั้งใชประโยชนดานการสองสวางและดานการสื่อสารขอมูล ดังน้ัน

จึงจําเปนตองสนใจทั้งความเขมของการเปลงแสง (luminous intensity) และกําลังภาคสงเชิงแสง

(Transmitted optical power) สําหรับการกระจายแสงจากหลอดแอลอีดีแบบหลายตัว (array

LED) มีเหตุผลมาจาก 1) หองสวนใหญใชแหลงกําเนิดแสงหลายตวัเพ่ือประโยชนดานการสองสวาง 2)

ตองการความหลากหลายเชิงพ้ืนที่ แตอยางไรก็ตามการกระจายแสงจากหลอดแอลอีดีแบบหลายตัว

24

ทําใหเกิดผลกระทบของการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ (Inter-symbol interference) ซึ่งการ

แกปญหาน้ีสามารถทําไดหลายแบบ ยกตัวอยางเชน การเปลี่ยนแหลงกําเนิดแสง ลดมุมมองของ

ภาครับ การรับขอมูลรหัส และการใชวิธีอีควอไลเซอร เปนตน โดยที่ใหแอลอีดีมีการกระจายแสงแบบ

Lambertian ซึ่ง อันดับของ Lambertian [3] สามารถหาไดจากสมการที่ (3.3)

ภาพที ่3.4 ผลตอบสนองของแอลอดี ี

2

2 1 2

log 2log cos

m

(3.3)

เมือ่ 1 2 คอื มุมก่ึงการกระจายแสงแนวนอนทีจ่ดุ x, y

คุณลักษณะการแพรกระจายของแสงสวางจากหลอดแอลอีดีจะกําหนดใหมีการแพรกระจาย

แบบแลมเบอรเซียน [1-3] ซึ่งสามารถเขียนเปนสมการไดดังนี้

( ) ( 1) / 2 cos ( )moR m (3.4)

ดังนั้นกําลังงานที่ถูกสงออกมาจากหลอดแอลอีดีสามารถคํานวณไดจาก ( )tx LED oP P R พิจารณา

กําลังสงสามารถหาไดโดยบริเวณรอบ ๆ พ้ืนที่หองตามที่ [3] ไดนําเสนอ

25

02

46

0

2

4

60

50

100

150

200

250

x (m)

Distribution of illuminance

y (m)

Illum

inan

ce (

lx)

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

ภาพที่ 3.5 การแพรกระจายความสวางแสงแอลอดี ี

ภาพที่ 3.5 แสดงคาความสวางมีลักษณะการแพรกระจายความสวางทั่วบริเวณหองจําลอง

ในภาพที ่3.5 เปนหลอดแอลอดีีหลอดเพียงหลอดเดยีว แสงสวางสงูสดุที่ 220 ลักซ

3.3 ชองสัญญาณการส่ือสาร

แสงที่แพรกระจายจากตัวสงคือแอลอีดีไดเดินทางผานอากาศ และสภาพแวดลอมทั่วไป

ภายในหองจาํลอง ทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงของสญัญาณจากผลตอบสนองของชองสัญญาณ ที่ตัวรับ

เปนโฟโตไดโอดเปลี่ยนพลังงานแสงเปนกระแสไฟฟา เพราะฉะน้ันจากกําลังงานแสงที่แพรกระจาย

ผานสภาพแวดลอมมีการเปลี่ยนแปลงตามผลตอบสนองชองสัญญาณการสื่อสาร และมีสัญญาณ

รบกวนในระบบจากแสงตามธรรมชาติ ตามภาพที่ 3.6 เปนระบบจําลองชองสัญญาณการสื่อสารดวย

แสง สัญญาณที่ไดรับจากโฟโตไดโอดจะถูกนําไปประมวลผลสัญญาณตอในภาคถัดไป

ภาพที่ 3.6 แบบจาํลองชองสัญญาณการสือ่สารดวยแสง

26

การจําลองภาพที่แบบชองสัญญาณภายในอาคารแสดงดังภาพที ่3.6 ชองสัญญาณของการ

สื่อสารเชิงแสงที่มองเห็นสามารถจําลองไดในภาพที ่3.7 แบบเชิงเสนแสดงดังนี้

p tI t RP t h t n t (3.5)

ภาพที ่3.7 เสนทางการเคลือ่นที่ของแสงแนวตรงและแนวสะทอน

เมื่อ tP t คือกําลังภาคสงเชิงแสง, h t คือ ผลตอบสนองอิมพัลส, n t คือ สัญญาณ

รบกวนบวก (Additive noise) และ คือการคอนโวลูช่ัน

การเดินทางของแสงจากตัวสงไปยังตัวรับ แบงออกเปน 2 แบบหลัก ๆ คือแสงที่มาตก

กระทบโดยตรง (light of sight) และแสงที่สะทอนมา (reflection) โดยชองสัญญาณแสงที่ไดรับทั้ง

สองแบบไดแสดงตาม [1] และ [2] เปนการเดินทางของแสงมายังตัวรับโดยตรงสามารถเขียนเปน

สมการไดดังนี้

2 ( ) cos( ) ;00

0 ;

rxo c

LOS

c

A RH d

(3.6)

เมื่อ rxA คือพ้ืนที่ของตัวตรวจจับ, d คือระยะทางระหวางตัวสงและตัวรับ, ( )oR คือความเขมแสง

ที่สงมาจากตัวสงที่มุม, จากสมการที่ (3.6), คือมุมที่แสงตกกระทบกับโฟโตไดโอดและ c คือ

มุมทีโ่ฟโตไดโอดสามารถรับแสงได (FOV: field of view)

27

เมื่อกําลังงานทั้งหมดของแอลอีดีที่แพรมายังตัวรับโดยตรง (LOS) สามารถคํานวณไดดังน้ี

,1

0LEDs

irx LOS tx LOS

i

P P H

(3.7)

เมื่อ 0iLOSH คือชองสัญญาณที่ไดรับโดยตรงจากแอลอีดีตัวที่ i กําลังงานที่ไดรับจากตัวสงตาม

สมการที่ (3.7) และพิจารณากําลังงานที่ไดรับในรูปแบบการสะทอนของแสงคํานวณไดตามสมการที่

(3.8) ดังนี้ [1]

2 21 2

( )( )( ) cos( )

cos( ) ( )g( )cos( ) ;00

0 ;

rxo wall

s creflection

c

A R dAd d

TdH

(3.8)

เมื่อ 1d และ 2d คือระยะทางจากตัวสงกับผนังหองและระยะทางจากผนังหองไปยังตัวรับตามลําดับ

คือสัมประสิทธิ์การสะทอนของวัสดุ คือพ้ืนที่สวนเล็กๆ ที่แสงตกกระทบที่ผนังทําใหเกิดมุม คือ

มุมที่แสงจากตัวสงตกกระทบกับผนังหอง และมุม คือมุมที่แสงสะทอนจากผนังหองไปยังตัวรับ

สุดทายกําลังงานทั้งหมดที่ตัวรับสามารถรับไดเปนผลรวมของกําลังงานจากแสงโดยตรงกับแสงที่

สะทอน ดังที่คํานวณไดจากสมการที่ (3.9)

,1

0 .reflectionsLEDs

irx total tx LOS tx ref

i

P P H P H

(3.9)

สัญญาณผลตอบสนองกําลงังานที่เดนิแพรกระจายจากตวัสงไปยงัตวัรับคาํนวณไดจากสมการที่ (3.10)

ผลตอบสนองอิมพัลสของแสงจากแอลอีดีเดินทางไปยังตัวรับ

2( ) ( )

j ftH f h t e dt (3.10)

( )h t คือรูปแบบกําลังงานแสงที่เดินทางจากตัวสงไปยังตัวรับ ซ่ึงโดยปกติจะมีรูปแบบที่คงที่ไม

เปลี่ยนแปลง ถาตัวสงหรือตัวรับมีการเคลื่อนที่ มีสิ่งกีดขวางอยูภายในหองก็จะทําใหรูปแบบการ

เดินทางของแสงทีต่วัรับสามารถรับไดเปลี่ยนแปลงไปดวย ผลตอบสนองแบบจําลองชองสัญญาณการ

สื่อสารไรสายดวยแสงที่สามารถมองเห็นดังแสดงในภาพที่ 3.8 เปนตําแหนงที่วางตัวรับคือ ตาม

แนวแกน x เทากับ 0.5 เมตร ตามแนวแกน y เทากับ 1.0 เมตร และสูงจากพ้ืนเปน 0.85 เมตร เปน

28

0 10 20 30 40 50 60 700

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1The Channel Impulse Response

Propagation Delay [Time (ns)]

Impu

lse

Res

pons

e (n

orm

aliz

ed to

1)

impulse response at (0.5 1.0 0.85)

ภาพที่ 3.8 ผลตอบสนองชองสัญญาณทีต่ําแหนงหอง (0.5 1.0 0.85)

ภาพที ่3.9 สัญญาณมอดเูลตแบบตาง ๆ

3.4 การมอดเูลตสัญญาณดิจิทัล

การมอดูเลตแบบ OOK (on off keying) จะมีรูปแบบสัญญาณดิจิทัลดังแสดงในภาพที่ 3.9

ตัวเลขไบนารีที่ถูกสุมมาจํานวน N บิต กําหนดใหสัญญาณบิต 0 คือรูปรางสัญญาณไมมีพัลส และบิต

1 คือพัลสรูปสี่เหลี่ยมที่มีคาบเทากับ Tb สังเกตสัญญมอดูเลตแบบ OOK ก็จะมีรูปรางเหมือนกับ

สัญญาณขอมูลและสัญญาณ OOK-NRZ (OOK non-return to zero) สวนสัญญาณมอดูเลตแบบ

OOK-RZ (OOK return to zero) มีลักษณะของสัญญาณที่แตกตางโดยบิต 0 สัญญาณมอดูเลตจะ

29

เกิดพัลส สวนบิต 1 สัญญาณมอดเูลตเปนพัลสรูปสีเ่หลี่ยมที่มีคาบเทากับ Tb /2 และการมอดูเลตแบบ

2-PPM จะกําหนดใหบิต 0 มีลักษณะพัลสเปนรูปสี่เหลี่ยมที่มีคาบเวลาเทากับ Tb /2 และชวงเวลาที่

เหลือสัญญาณพัลสไมมี เม่ือบิตขอมูลเปน 1 ชวงแรกสัญญาณพัลสจะไมมี ลักษณะพัลสเปนรูป

สี่เหลี่ยมจะเกิดชวงคร่ึงหลังมีคาบเปน Tb /2 ดังภาพที่ 3.6 แสดงผลของการมอดูเลตสัญญาณพัลส

แบบดิจิทัลแบบตาง ๆ

ภาพที ่3.10 สัญญาณมอดูเลต L-PPM แบบตาง ๆ

ดังภาพที่ 3.10 เปนการมอดูเลตสัญญาณแบบ L-PPM แบบตาง ๆ ที่ใชจําลองกับระบบการ

สื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น กําหนดใหจํานวนบิตขอมูลเทากับ N บิตตอหนึ่งสลอทของการสง

ขอมูล ความสัมพันธของคา L และจํานวนบิตขอมูล โดย L คือจํานวนสลอท (slot) ตอหน่ึงเฟรม

(frame) ดังสมการ log2 L = N ฉะนั้น สมมติวา 4-PPM จํามีจํานวนบิตขอมูลขาวสารตอหน่ึงเฟรม

เทากับ log2 4 = 2 บิต และเชนเดียวกันถาเราตองการใหหนึ่งเฟรมสามารถแทนบิตขอมูล 3 บิต

จะตองมีจํานวนสลอตเปน L = 2N = 23 = 8 สลอต

3.5 การออกแบบวงจรภาครับ

การออกแบบอีควอไลเซอรสําหรับการสือ่สารผานแสงทีต่ามองเห็น (Equalizer designs for indoor visible light communication system) จําลองบล็อกไดอะแกรมไวตามภาพที่ 3.11 แบบเดิม (conventional) และแบบที่นําเสนอ (propose)

30

ภาพที่ 3.11 แบบจําลองชองสัญญาณการสือ่สารไรสายดวยแสงทีม่องเห็น

ภาครับ

พิจารณาแบบจําลองชองสัญญาณการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นที่แสดงในภาพที่ 3.11

เมื่อกําหนดใหลําดับบิตขอมูลอินพุต ka ถูกสงเขาไปยังชองสัญญาณที่มีผลตอบสนองแอลอีดี และ

ผลตอบสนองของชองสัญญาณ ตามลําดับ ซ่ึงสามารถเขียนสมการของสัญญาณที่เอาตพุตของโฟโต

ไดโอดไดดังน้ี

( ) ( ) ( ) ( ) y t Rx t h t n t (3.11)

เมื่อ คือตัวดําเนินการคอนโวลูชัน ( )y t คือสัญญาณขอมูลที่ตัวรับสามารถรับได R คือ

ผลตอบสนองของตัวรับโฟโตไดโอด ( )x t คือผลตอบสนองของแอลอีดี [2] และ [5] ( )h t คือ

ผลตอบสนองของชองสัญญาณตามสมการที่ (3.10) ( )n t คือสัญญาณรบกวนเกาสสีขาวแบบบวก

(AWGN: additive white Gaussian noise) ที่มีความหนาแนนสเปคตรัมกําลังแบบสองดานเทากับ

0/2N

ที่ภาครับสัญญาณที่ผานโฟโตไดโอดถูกสงไปยังวงจรกรองต่ําผาน (LPF: low-pass filter)

หลังจากน้ันสัญญาณ ( )ks t ถูกสงเขาไปยังวงจรชักตัวอยาง (sampler) ทําใหไดลําดับขอมูล ks

และถูกสงไปยงัวงจรตรวจหาเพ่ือหาลําดบัขอมูลอนิพุต ˆka ที่ควรจะเปนมากที่สุด (minimum mean

square error: MMSE) จากบล็อกไดอะแกรมภาครับอีควอไลเซอรจะถูกกําหนดแท็ปเปน 2 1K

( 3K ) และความยาวทารเก็ตเปน 4L

ในระบบการรับสงขอมูลของระบบ VLC นอกจากสัญญาณรบกวนแบบเกาสแลว ยังมีผลกระทบจากการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ (ISI: inter-symbol interference) การจางหายของสัญญาณ (fading) การรับขอมูลแบบหลากหลายเสนทาง (multipart) [2] เปนตน ซึ่งผลกระทบ

31

ดังกลาวมีผลตออัตราขอผิดพลาดของบิต (BER: bit-error rate) เปนอยางมาก ซึ่งระบบ VLC ตองการ BER ที่ต่ํากวา 10-6 [3]

จากภาพที่ 3.11 แสดงแบบจําลองภาครับของระบบ VLC เมื่อกําหนดใหแสงที่ถูกสงมาจากภาคสงคือ r(t) จะถูกกรองแสงเพ่ือลดสัญญาณรบกวนจากแสงสอ่ืีน ๆ และถูกสงตอไปยงัอุปกรณโพโตไดโอ (photo diode) เพ่ือทําการแปลงจากสัญญาณแสงใหอยูในรูปของสัญญาณไฟฟา จากนั้นจะถูกสงตอไปยังวงจรขยายสัญญาณและวงจรอีควอไลเซอร (equalizer) เพื่อปรับระดับของสัญญาณใหเปนไปตามที่ตองการและลดผลกระทบจาก ISI หลังจากนั้นลําดับขอมูล yk จะถูกสงตอไปยังวงจรถอดรหัสวี เทอรบิ (Viterbi decoder) และถอดรหัสกับวงจรแกไขขอผิดพลาด (ECC: error correction code) ตามลําดับ เนื่องจาก ISI เปนปญหาอยางมากในระบบ VLC ซ่ึงผลกระทบจาก ISI บางสวนสามารถจัดการไดโดยการใชอีควอไลเซอร [2, 3] โดยอีควอไลเซอรที่นิยมใชในระบบ VLC มีอยูหลายแบบดวยกัน เชน DFE (decision feedback equalization), adaptive LMS (adaptive least mean square) และ MMSE (minimum-mean squared error) เปนตน [4] โดยทั่วไปแลวชองสัญญาณการสื่อสารจะมีลักษณะเปนวงจรกรองที่ มีผลตอบสนองสัญญาณพัลสแบบจํากัด (FIR: finite impulse response) และมีจํานวนแท็ปมาก ซึ่งกอใหเกิดผลกระทบจาก ISI และจะทําใหวงจรถอดรหัสวีเทอรบิในภาพที ่3.11 มีจํานวนมากเพ่ือกําจัด ISI จํานวนมากในชองสัญญาณ เพ่ือลดความซับซอนของวงจรถอดรหัสวีเทอรบิจึงตองใชวงจรอีควอไลเซอรเพ่ือปรับรูปรางของสัญญาณใหมีคุณสมบัติเปนไปตามทารเก็ต (target) ที่ตองการ ซึ่งจะชวยลดผลกระทบจาก ISI ใหนอยลง

สําหรับวงจรภาครับระบบที่ใชกันทั่วไป สัญญาณที่รับไดจากไฟโตไอโอดจะถูกสงผานวงจรอีควอไลเซอรที่เปนวงจรกรองแบบแอนะล็อก [2] จากนั้นสัญญาณที่ไดจะถูกขยายดวยวงจรขยายสัญญาณ (amplifier) กอนสงตอไปยังวงจรตรวจหาขีดเร่ิมเปลี่ยน (threshold detector) ตามที่แสดงในภาพที่ 3.11 อยางไรก็ตามสําหรับวงจรภาครับที่ใชเทคนิคผลตอบสนองบางสวนควรจะเปนมากสุด (PRML) สัญญาณ ( )y t จะถูกสงไปยังวงจรกรองผานต่ํา (LPF: low-pass filter) และวงจร

ชักตัวอยาง (sampler) ทําใหไดเปนลําดับขอมูล ks และถูกสงไปยังวงจรตรวจหาเพ่ือหาคาประมาณของลําดับขอมูลอินพุต ˆka

เทคนิคผลตอบสนองบางสวนควรจะเปนมากสุดเปนการทํางานรวมกันระหวางอีควอไลเซอรและวงจรตรวจหาวีเทอรบิ (Viterbi detector) [8] โดยจะตองทําการออกแบบอีควอไลเซอรและทารเก็ต (target) ใหเหมาะสมกับระบบ VLC ดังน้ันถาใหอีควอไลเซอรมีรูปสมการคณิตศาสตรในโดเมน D คือ [8]

K kkk K

F D f D (3.12)

เมื่อ D คือตัวดําเนินการหนวงเวลาหน่ึงหนวย , K คือเลขจํานวนเต็มบวก, และ 2K + 1 คือจํานวนแท็ปหรือสัมประสิทธิ์ของอีควอไลเซอร ในทํานองเดียวกันกําหนดใหทารเก็ตที่มีจํานวนแท็ปเทากับ L แท็ป ก็สามารถเขียนใหอยูในรูปสมการคณิตศาสตรในโดเมน D คือ [8]

1

0

L k

kkH D h D

(3.13)

32

โดยที่ kf และ kh เปนคาสัมประสิทธ์ิที่เปนเลขจํานวนจริงในแตละแท็ปของอีควอไลเซอรและทารเก็ต จุดประสงคของการออกแบบอีควอไลเซอรและทารเก็ตคือทําใหคาขอผิดพลาดกําลังสองเฉลี่ย

(MSE: mean-squared error) ระหวางขอมูลเอาตพุตของอีควอไลเซอร ky และขอมูลเอาตพุตของทารเก็ต kr ซึ่งนิยามโดย

22 ( ) ( )k k k k kE w E s f a h (3.14)

มีคานอยสุด เม่ือ k k kw y r คือขอผิดพลาดที่ไดจากการออกแบบทารเก็ต , และ [ ]E คือตัวดําเนินการคาคาดหมาย (expectation operator) นอกจากน้ีในกระบวนการออกแบบอีควอไลเซอรและทารเก็ตจะใชเงื่อนไขแบบโมนิกซึ่งกําหนดใหคาสัมประสิทธของแท็ปตัวแรกของทารเก็ตมีคา

เทากับหน่ึง ( 0 1h ) [8] โดยผลลัพธที่ไดจากการออกแบบเปนไปตามที่อธิบายใน [8] ในที่น้ีวงจรภาครับแบบที่นําเสนอจะใชอีควอไลเซอรที่มีจํานวน 7 แท็ป ( 3K ) และทารเก็ตที่มีจํานวน 4 แท็ป ( 4L ) และคาอัตราสวนกําลังของสัญญาณตอกําลังของสัญญาณรบกวน (SNR) นิยามโดย

22rx

total

RPSNR

(3.15)

เมื่อ R คือผลตอบสนองของตัวรับโฟโตไดโอด, 2total คือคาความแปรปรวนของสัญญาณรบกวนได

แสดงไวโดย [2] ในบทที ่4 จะเปรียบเทียบสมรรถนะของระบบ VLC ในรูปของอัตราของผิดพลาดบิต (BER: bit-error rate) ระหวางวงจรภาครับแบบที่ใชกันทั่วไป (conventional receiver) และวงจรภาครับแบบที่นําเสนอ (Proposed receiver)

33

บทท่ี 4

ผลการวิจัยและอภิปรายผล

ในบทน้ีจะกลาวถึงผลการทดลองระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นได จากการ

จําลองระบบในสวนของภาคสงซึ่งเปนการออกแบบตัวสงใหความสวางที่เหมาะสม กําลังงานที่รับได

แบบโดยตรงและแบบสะทอน ผลตอบสนองของชองสัญญาณสื่อสารทั้งแบบโดยตรงและแบบสะทอน

เทคนิคการมอดเูลตสัญญาณขอมูลแบบดจิิทัล สุดทายแสดงสมรรถนะของระบบการสือ่สารไรสายดวย

แสงที่มองเห็น

4.1 ผลการทดลองการแพรกระความสวางของหลอดแอลอีดี

ระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร หองสํานักงานหนาที่หลักของตัวสง

คือใหแสงสวางในหองทํางาน และสามารถสงผานขอมูลที่ตองการไดดวยวิธีและทฤษฎีที่ไดกลาว

ขางตน กําหนดใหขนาดของหองทํางานเปน 5 x 5 x 3 ลูกบาศกเมตร (m3) โดยใหระบบมีตัวสงที่เปน

อาเรยแอลอีดี 4 ตําแหนง แตละตําแหนงมีแอลอีดีขนาด 30 มิลลิวัตต จํานวน 25 หลอด ระยะหาง

ของแตละหลอด 1 เซนติเมตร และคาพารามิเตอรอื่น ๆ ไดกําหนดไวดังตารางที่ 4.1 ระยะทาง

ระหวางตัวรับและตัวสง 2.15 เมตร สัมประสิทธิ์การสะทอนของพื้นหอง 0.15 สัมประสิทธิ์การ

สะทอนของเพดาน 0.8 สัมประสิทธิ์การสะทอนของผนังหอง 0.7 เปนตน

ตารางที่ 4.1 คาพารามิเตอรที่ใชในการจําลองระบบการสือ่สารดวยแสงที่มองเห็น

พารามิเตอร ขนาด พารามิเตอร ขนาด

Room size 5 x 5 x 3 m3 Wall reflectivity 0.7

Desk height from the ceiling 2.15 m FOV at the receiver 120๐

Single LED power PLED 30 mW Detector physical area of PD 1.0 cm2

LED response time 150 ns Transmission coefficient of

optical filter 1.0

Semi-angle at half power 70๐ Refractive index of lens at PD 1.5

Number of LEDs arrays 4 Photodiode responsivity (R) 0.4

Number of LEDs per array 25 (5 x 5) Turning Parameter (P) 2

LED pitch 1 cm Amplifier noise density 5 pA

Floor reflectivity 0.15 Ambient light photocurrent 5840 uA

Ceiling reflectivity 0.8 Noise-bandwidth factor (I2) 0.562

34

-2-1

01

2

-2-1

01

2

200

300

400

500

X (m)

Illumination Distribution

Y (m)

Illum

inan

ce (

lx)

ภาพที่ 4.1 การแพรกระจายความสวางของแอลอดี ีsemi-angle at half power 20 องศา

-2-1

01

2

-2-1

01

2

400

500

600

700

800

X (m)

Illumination Distribution

Y (m)

Illum

inan

ce (

lx)

ภาพที่ 4.2 การแพรกระจายความสวางของแอลอดี ีsemi-angle at half power 70 องศา

จากภาพที่ 4.1 แสดงคาความสวางของแสงจากตวัสงที่ติดอยูที่เพดานหอง ตามที่ไดออกแบบ

ไว มีตัวสง 4 ตัว สามารถแพรกระจายแสงทีมุ่มการแพรกระจายแสงที่กําลังงานคร่ึงหนึ่ง 20 องศา ทํา

ใหแสงสวางภายในหองไมสมํ่าเสมอ ซ่ึงแตกตางจากภาพที ่4.2 เม่ือทําการปรับคามุมการแพรกระจาย

แสงของตัวสงที่กําลังงานคร่ึงหนึ่งเปน 70 องศา สังเกตความสวางของแสงที่ไดโดยรวมมีความสวางที่

เหมาะสม คํานวณคาเฉลี่ยความสวางแสงไดประมาณ ซ่ึงคาความสวางอยูในเกณฑมาตรฐาน 300 –

1,500 ลักซ

35

-2-1

01

2

-2-1

01

2

-25

-20

-15

X (m)

Received Optical Power

Y (m)

Rec

eive

d po

wer

(dB

m)

ภาพที่ 4.3 การแพรกระจายกําลงังาน semi-angle at half power 20 องศา

-2-1

01

2

-2-1

01

2

6

8

10

12

x 10-3

X (m)

Received Optical Power LOS

Y (m)

Rec

eive

d po

wer

(W

att)

ภาพที่ 4.4 การแพรกระจายกําลงังาน semi-angle at half power 70 องศา

4.2 ผลการทดลองการแพรกระกําลังงานภายในหองจําลอง

การแพรกระจายความสวางของแสงที่ไดรับจากตัวสงเราสามารถคํานวณคากําลังงานที่ไดรับ

ของตัวรับ (receiver) ตามแนวระนาบของหอง กําลังงานที่ไดรับจะไมสม่ําเสมอเม่ือตัวสงมีมุมการ

แพรกระจายที่แคบ ดังภาพที่ 4.3 มุมการแพรจากตวัสงอยูที ่20 องศา จึงทําใหพลังงานที่ไดในระนาบ

หองไมทั่วบริเวณ มีความแตกตางกันเปนลูกชัดเจนดังภาพที่ 4.3

36

-2-1

01

2

-2-1

01

2

-23

-22

-21

-20

X (m)

Received Optical Power

Y (m)

Rec

eive

d po

wer

(dB

m)

ภาพที่ 4.5 การแพรกระจายกําลงังานรวมทั้งหมด semi-angle at half power 70 องศา

ภาพที่ 4.4 และ 4.5 แสดงคากําลังงานที่ไดรับโดยตรง และกําลังงานรวมทั้งหมด ตามลําดับ

ซ่ึงทีข่อบมุมของของความสวางของแสงนอยมาก ทําใหคากาํลังงานที่มุมมีคานอยเม่ือเปรียบเทยีบกับ

จุดศูนยกลางของหอง

4.3 ผลการทดลองหาผลตอบสนองชองสัญญาณ

ตัวรับแสงดานภาครับจะสามารถรับความเขมแสงไดสองลักษณะ คือแสงที่เดินทางมาทีต่ัวรับ

แบบโดยตรง (Direction light) และแบบสะทอนมาตกที่ตัวรับ (Diffusion light or Reflection

light) สุดทายแลวคาความเขมแสงรวมทั้งหมดที่ตัวรับสามารถรับไดจะรวมเอาแสงทั้งสองลักษณะมา

รวมกัน กลายเปนคากําลังงานรวมทั้งหมดที่ตัวรับ ดังน้ันผลตอบสนองของสัญญาณที่เกิดขึ้นจึงเกิด

จากผลตอบสนองแบบโดยตรง และผลตอบสนองแบบสะทอนทั้งสองรวมกัน เปนผลตอบสนองรวม

ของชองสัญญาณ (Channel impulse response) ดังภาพที่ 4.6 และ 4.7 ที่อัตราการสงผานขอมูล

20 เมกะบิตตอวินาที ตัวรับถูกกําหนดใหอยูที่ตาํแหนง 0.5 1.0 และ 0.85 ตามระนาบ (x, y, z) ของ

หองตามลําดับ สาเหตุที่วางตัวรับไวที่ตําแหนงนี้เน่ืองจากตองการทดสอบระบบการสื่อสารในที่มี

สัญญาณต่ํา ตัวรับสามารถรับกําลังงานไดนอยเม่ือวางไวที่มุมหอง ระบบจะยังคงสามารถทําการ

สื่อสารได และภาพที่ 4.8 แสดงการเปรียบเทียบผลตอบสนองของชองสัญญาณทั้งหมด อัตราการสง

ขอมูลที่เปลี่ยนไปจะทําใหสัญญาณผลตอบสนองของระบบเปลี่ยนแปลงตามดวยเชนกัน เสนทึบสีดํา

37

เปนผลตอบสนองชองสัญญาณรวมทั้งหมด เสนทึบสีแดงเปนผลตอบสนองที่ไดจากชองสัญญาณแบบ

โดยตรง และเสนปะเปนผลตอบสนองที่ไดจากชองสัญญาณแบบสะทอน

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Impulse Response of LOS


Am

plitu

de (n

orm

aliz

ed to

1)

impulse response at (0.5 1.0 0.85)

ภาพที่ 4.6 สญัญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณแบบโดยตรง

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1Impulse Response of Diffuse


Am

plitu

de (n

orm

aliz

ed to

1)

Impulse response at (0.5 1.0 0.85)

ภาพที่ 4.7 สญัญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณแบบสะทอน

38

0 20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Am

plitu

de (N

orm

aliz

ed to

1)

Channel impulse res. impulse res. LOSimpulse res. diffuse

ภาพที่ 4.8 เปรียบเทยีบสญัญาณผลตอบสนองของชองสญัญาณ

4.4 ผลการทดลองการมอดูเลตสัญญาณดิจิทัลแบบตาง ๆ

สัญญาณมอดเูลตแบบดจิทิัลที่ใชทดลองสงในระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น เปน

สุมตัวเลขแบบไบนารีมีคาอยูระหวาง 0 และ 1 จํานวน N ตัว ดังแสดงในภาพที่ 4.9 เปนตัวอยางของ

สัญญาณขอมูลที่ตองการจะสงผานระบบ มีรูปรางเปนสัญญาณสี่เหลี่ยม หรือสัญญาณพัลสที่มีคา

ระหวาง 0 และ 1 นําสัญญาณขอมูลตามภาพที่ 4.9 กลาวไดวาเปนการสรางสัญญาณมอดูเลตแบบ

OOK แบบ OOK-NRZ ซ่ึงสัญญาณขอมูลในภาพที่ 4.9 และสัญญาณมอดูเลตแบบ OOK-NRZ มี

ลักษณะที่เหมือนกัน หรือเปนสัญญาณกแบบเดียวกันน่ันเอง ในภาพที่ 4.10 เปนสัญญาณมอดูเลต

แบบ OOK-NRZ ที่สรางจากตัวอยางสัญญาณขอมูล [1 0 1 0 1 0 0 1 0 1] จํานวน 10 ตัว

ในขณะรูปแบบการมอดูเลตสัญญาณดิจิทัลแบบ OOK-RZ ไดแสดงดังภาพที่ 4.11 โดย

สัญญาณขอมูลเหมือนกัน สัญญาณการมอดูเลตแบบ OOK-RZ ที่ไดรับจะแตกตางจาก OOK-NRZ ซ่ึง

จะมีลักษณะรูปรางสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงเฉพาะบิต 1 โดยสัญญาณ OOK-RZ จะเกิดพัลส

สี่เหลี่ยมชวงบวกมีคาบเวลาเทากับ Tb/2 สวนบิต 0 จะไมเกิดการเปลีย่นระดับสญัญาณคือยงัเปนศนูย

เหมือนเดิม ดังแสดงในภาพที่ 4.11 พัลสมอดูเลตแบบ OOK-RZ

39

0 200 400 600 800 1000-0.5

0

0.5

1

1.5Data

Am

plitu

de

ภาพที่ 4.9 ตัวอยางสญัญาณขอมูลขาวสารแบบดจิทิลั

0 200 400 600 800 1000-0.5

0

0.5

1

1.5OOK-NRZ

Am

plitu

de

ภาพที่ 4.10 สัญญาณมอดเูลตแบบดจิทิัลพัลสแบบ OOK-NRZ

40

0 200 400 600 800 1000-0.5

0

0.5

1

1.5OOK-RZ

Am

plitu

de

ภาพที่ 4.11 สัญญาณมอดเูลตแบบดิจทิัลพัลสแบบ OOK-RZ

0 200 400 600 800 1000-0.5

0

0.5

1

1.52-PPM

Am

plitu

de

ภาพที่ 4.12 สัญญาณมอดเูลตแบบดิจทิัลพัลสแบบ 2-PPM

สัญญาณพัลสแบบ L-PPM เปนการมอดูเลตแบบดิจิทัลมีลักษณะเปนการสงขอมูลแบบไบ

นารีเปนสัญลักษณ (Symbol) 2-PPM ที่แสดงในภาพที่ 4.12 มีสัญลักษณในการสงขอมูลไดสองแบบ

แบงไดจากตําแหนงของการเกิดสัญญาณพัลส ในชวงเวลาหน่ึงเฟรมการสง ในภาพที่ 4.12 เปน

สัญญาณมอดูเลตแบบ 2-PPM โดยใชสัญญาณขอมูลตัวอยางชุดเดียวกันกับ OOK-NRZ และ OOK-

RZ

41

4.5 ผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชวงจรอีควอไลเซอร

ระบบ VLC พบวาสัญญาณที่ภาครับมีการแทรกสอดทางสัญลักษณ หรือ intersymbol

interference คอนขางสงู และยิ่งถาหากสัญญาณทางภาคสงทําการสงสญัญาณดวยอตัราบิตขอมูลสงู

(Data rate) ยิ่งทําใหเกิดการแทรกสอดทางสัญลักษณมากเชนกัน ดังน้ันภาครับที่ดีก็ควรที่จะ

ประกอบดวยวงจรปรับแตงสัญญาณ เพ่ือใหสัญญาณที่ตองการตรวจจับสามารถทําใหกลับคืนมา

เหมือนกับสัญญารที่สงไป ดังภาพที่ 4.13 แสดงสมรรถนะของระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่

มองเห็นเปรียบเทียบระหวางสัญญาณที่ผานอีควอไลเซอรกับไมมีอีควอไลเซอร พบวาอัตรา

ขอผิดพลาดต่ําลงอยางแตกตางเมื่อนําสัญญาณผานอีควอไลเซอร ทดลองเปรียบเทียบกันที่อัตราการ

สงขอมูลที่ 50 Mb/s 100 Mb/s และ 200 Mb/s ตามลําดับ ในระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่

มองเห็นน้ีหากไมมีการปรับแตงสัญญาณที่รับไดจากวงจรภาครับที่ดีจะทําใหเกิดขอผิดพลาดสูง ซ่ึง

แสดงใหเห็นตามภาพที่ 4.13

พบวาสมรรถนะของระบบจะลดลง เม่ือใชอัตราการสงขอมูลที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังพบวา

สมรรถนะของวงจรภาครับแบบที่ใชกันทั่วไปจะเกิดปญหาพื้นขอผิดพลาด (error floor) เม่ือ SNR มี

คาสูงเพียงพอ ซ่ึงตรงขามกับสมรรถนะของวงจรภาครับแบบที่นําเสนอที่ไมเกิดปญหาเร่ืองพ้ืน

ขอผิดพลาด จากภาพที่ 4.14 พบวาเม่ือระบบ VLC ทํางาน ณ คา SNR ที่เพียงพอ วงจรภาครับแบบ

ที่นําเสนอจะมีสมรรถนะดีกวาวงจรภาครับแบบที่ใชกันทั่วไป

ภาพที่ 4.13 สมรรถนะระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงทีม่องเห็นเปรียบเทยีบระหวางแบบมีอคีวอ

ไลเซอรกบัไมมีทีอ่ตัราการสงขอมลู 50 Mb/s และ 100 Mb/s

42

ภาพที่ 4.14 สมรรถนะของระบบ VLC ที่ใชวงจรภาครับแบบที่ใชกันทั่วไปและวงจรภาครับแบบที่

นําเสนอ ณ อตัราการสงขอมูล 50 Mb/s และ 100 Mb/s

ภาพที่ 4.15 สมรรถนะระบบการสือ่สารไรสายดวยแสงทีม่องเห็นเปรียบเทยีบอตัราการสงขอมูล

50 Mb/s 100 Mb/s 150 Mb/s และ 200 Mb/s

ภาพที่ 4.15 แสดงอัตราการสงขอมูลที่เพิ่มสูงขึ้นแสดงสมรรถนะของระบบการสื่อสารไรสาย

ดวยแสงที่มองเห็นเปรียบเทยีบดวยอตัราการสงขอมูลที่สงูขึน้ 50 Mb/s, 100 Mb/s, 150 Mb/s และ

200 Mb/s ตามภาพที่ 4.15 แสดงใหเห็นวาเมื่ออัตราการสงขอมูลที่สูงขึ้นทําใหเกิดอัตราขอผิดพลาด

สูงขึ้นตามลําดับ เปนสาเหตุจากในระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นเม่ืออัตราการสงขอมูล

สูงขึ้นจะทําใหเกิดการแทรกสอด

43

0 5 10 15 20 2510

-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)

50 Mbps OOK-NRZ50 Mbps OOK-RZ50 Mbps 2-PPM.

ภาพที่ 4.16 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแตละแบบดวยอตัราสงขอมูล 50 เมกะบติตอ

วินาท ี

0 5 10 15 20 2510

-4

10-3

10-2

10-1

100

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)



วินาท ี

4.6 ผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชเทคนิคการมอดูเลต

การทดลองสงสัญญาณขอมูลดิจิทัลแบบไบนารี ประกอบดวยบิต 0 และบิต 1 ขอมูลถูกสุม

มาทําการทดลองในแตละรอบของการคํานวณอัตราขอผิดพลาดของบิตขอมูล (Bit error rate: BER)

ใหมีจํานวณ 1 ลานบิตในกําลังสงหน่ึงคร้ังอัตราสวนสัญญาณตอสัญญาณรบกวน SNR ใหอัตราการ

44

สงผานขอมูล มีคาตั้งแต 50 100 150 และ 200 เมกะบิตตอวินาที ดวยการทดลองเปรียบเทียบ

เทคนิคการมอดูเลตแบบ OOK-NRZ, OOK-RZ และ L-PPM ดังภาพที่ 4.16 ภาพที่ 4.17 ภาพที่

4.18 และภาพที่ 4.19 ตามลําดับ

0 5 10 15 20 2510

-2

10-1

100

SNR (dB)

Bit E

rror

Rat

e (B

ER)



วินาท ี

0 5 10 15 20 2510

-2

10-1

100

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)


ภาพที่ 4.19 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแตละแบบดวยอตัราสงขอมูล 200 เมกะบิตตอ

วินาท ี

45

0 5 10 15 20 2510

-4

10-3

10-2

10-1

100 The Performance of VLC with OOK-NRZ

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)

50 Mbps100 Mbps150 Mbps200 Mbps

ภาพที่ 4.20 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ OOK-NRZ

0 5 10 15 20 2510

-4

10-3

10-2

10-1

100 The Performance of VLC with OOK-RZ

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)


ภาพที่ 4.21 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ OOK-RZ

ภาพที่ 4.20 4.21และ 4.22 แสดงสมรรถนะของระบบ VLC โดยวิธีการมอดูเลตแบบ OOK-

NRZ OOK-RZ และ 2-PPM ที่อัตราการสงผานขอมูล 50 100 150 และ 200 เมกะบิตตอวินาที

ตามลําดับ แสดงเห็นวาที่อัตราสงขอมูลต่ําทําใหสมรรถนะดีกวาของเทคนิคการมอดูเลตแตละแบบ

และเทคนิคการมอดูเลที่ใหสมรรถนะของระบบ VLC ที่ดีคือการมอดูเลตแบบ L-PPM เม่ือเทียบกับ

เทคนิค OOK

46

0 5 10 15 20 2510

-4

10-3

10-2

10-1

100 The Performance of VLC with 2-PPM

SNR (dB)

Bit

Err

or R

ate

(BER

)


ภาพที่ 4.22 สมรรถนะระบบ VLC โดยวิธีการมอดเูลตแบบ 2-PPM

47

บทท่ี 5

สรุปผลการวิจัยและขอเสนอแนะ

การวจิัยคร้ังน้ีมีวัตถุประสงคเพ่ือศึกษาและพัฒนาความเปนเลิศดานการสื่อสารไรสายดวย

แสงที่มองเห็นจากแบบจําลองไดทดลองคุณลักษณะที่สําคัญ ๆ ของระบบ อาทิเชน ตัวสงสัญญาณ

เปนหลอดแอลอีดี การแพรกระจายแสงสงผลไปยังการแพรกระจายกําลังงานที่ตัวรับสามารถรับได

เปนตน ซ่ึงเปนสวนประกอบของระบบที่ทําการศึกษา โดยวัตถุประสงคที่สําคัญคือการสงผาน

สัญญาณมอดูเลตแบบดิจิทัลแบบตาง ๆ และการออกแบบวงจรภาครับเพ่ือใหสามารถตรวจจับ

สัญญาณขอมูลกลับคืนมาไดอยางถูกตอง ในที่น้ีไดสรุปผลการทดลองและขอเสนอแนะที่จะสามารถ

นําไปพัฒนาสูความเปนเลิศดานการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นได

5.1 สรุปผลการวิจัย

ปจจุบันเทคโนโลยีการใหแสงสวางจากแอลอีดี (LED: light emitting diode) เร่ิมถูกนํามา

แทนหลอดฟูออเรสเซนต (florescent lamp) และหลอดอนิแคนเรสเซนต (incandescent lamp) ที่

ใหแสงสวางภายในอาคาร ดวยเหตุผลที่แอลอดีีมีขอดีมากกวาเม่ือเทียบกับเทคโนโลยีการใหแสงสวาง

แบบที่ใชกันทั่วไป เชน ใชพลังงานไฟฟานอยกวา มีอายุการที่ใชงานที่ยาวนานกวา มีขนาดที่เล็ก

สามารถตอบสนองความถี่สูงไดดี และระบายความรอนไดดี เปนตน นอกจากน้ีเทคโนโลยีแอลอีดียัง

ถูกนํามาใชเปนอุปกรณในระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงคือใชแสงเปนตัวสงผานขอมูล [1]

คาดการณในอนาคตไมถึง 10 ป หลอดแอลอีดีสีขาว (white LED) จะกลายเปนอุปกรณที่สําคัญ

นํามาใชเพ่ือใหแสงสวางภายในอาคารอยางแพรหลาย ซ่ึงนอกจากใหความสวางแลวยังสามารถนํามา

เปนตัวสงสัญญาณขอมูลของการสื่อสารไรสายดวยแสงในรูปแบบขอมูลตาง ๆ อาทิเชน สงสัญญาณ

แอนะล็อก สงสัญญาณดจิทิัล เปนตน รูปแบบการสงขอมลูดวยแสงนี้มีช่ือเรียกวา การสื่อสารดวยแสง

ที่มองเห็น (VLC: visible light communication) โดยใชแอลอีดีสีขาว

5.2 สรุปผลการทดลองระบบ VLC ที่ใชวงจรอีควอไลเซอร

ในระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคารพบวามีผลกระทบที่เกิดขึ้นกับ

ชองสัญญาณอยูมาก ทําใหระบบการสื่อสารไมสามารถรับสงขอมูลไดมีประสิทธิภาพ พบวา

ผลตอบสนองของชองสัญญาณมีการแทรกสอดสูง การทดลองในงานวิจัยนี้ไดออกแบบอีควอไลเซอร

ดานภาครับเพ่ือใหสามารถลดผลกระที่เกิดจากการแทรกสอดของสัญญาณ ผลการทดลองอัตรา

ขอผิดพลาดสาํหรับแบบมอีคีวอไลเซอรกับแบบไมมีอีควอไลเซอร ที่ไดพบวาที่กําลังสงเทากันสามารถ

ใหอัตราขอผิดพลาดที่ดีกวาเม่ือสัญญาณไดผานอีควอไลเซอร และแสดงใหเห็นความแตกตางของ

48

อัตราขอผิดพลาดเม่ือเพ่ิมอัตราการสงขอมูลที่สูงระบบการสื่อสารมีอัตราบิตผิดพลาดสูง เพ่ือชวยให

ระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นสามารถทํางานประสิทธิภาพที่ดีควรจะพัฒนาการมอดูเลต

แบบตาง ๆ การเขารหัสขอมูล และภาครับขั้นสูงเปนอีควอไลเซอรแบบปรับคาได

ระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น (VLC) ภายในอาคารจะมีผลกระทบที่เกิดขึ้นกับ

ชองสัญญาณจํานวนมากโดยเฉพาะการแทรกสอดระหวางสัญลักษณ ซ่ึงทําใหระบบ VLC ที่ใชวงจร

ภาครับแบบทีใ่ชกันทั่วไป (แบบแอนะล็อก) ไมสามารถรับสงขอมูลไดอยางมีประสิทธิภาพ งานวิจัยน้ีจึง

ไดนําเสนอวงจรภาครับแบบดจิทิัลที่ใชเทคนิคผลตอบสนองบางสวนควรจะเปนมากสุดในการออกแบบ

อีควอไลเซอรและทารเก็ต ซึ่งจากการทดลองพบวาวงจรภาครับแบบที่นําเสนอมีสมรรถนะดีกวาวงจร

ภาครับแบบที่ใชกันทั่วไป ณ อัตราการสงขอมูลตาง ๆ นอกจากน้ียังพบวาระบบ VLC จะมีสมรรถนะ

ดอยลง เม่ือระบบใชอัตราการสงขอมูลที่สูงขึ้น

5.3 สรุปผลการทดลองระบบ VLC ของการมอดเูลตแบบตาง ๆ

กลาวไดวาวิธีการเทคนิคการมอดเูลตเปนวิธีการหนึ่งที่สามารถชวยใหสมรรถนะของระบบการ

สื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ในรายงานการวิจัยฉบับน้ีและในการทดลองใน

บทที่ 4 ก็ไดแสดงการสรางสัญญาณมอดูเลตแบบ OOK-NRZ OOK-RZ และ L-PPM ผลการทดลอง

สมรรถนะเปรียบเทียบเทคนิคการมอดูเลตในแตละแบบแลว พบวาการมอดูเลตแบบ L-PPM มี

สมรรถนะที่ดีสุด เมื่อพิจารณาในสวนของกําลังสง หรือพลังงานที่ใชสงใหวิธีการ OOK เปนตัวอางอิง

ในสวนของแบนดวิดทที่ใชงานเทคนิค L-PPM คอนขางใชแบนดวิดทมากในการสงขอมูล คณะวิจัย

ยังคงตองการศึกษาวิธีการเทคนิคการมอดูเลตขั้นสูง อาทิเชน L-DPPM [N K]MPPM เปนเทคนิคที่

ซับซอนมากขึ้น เพื่อนํามาใชทดสอบกับระบบ VLC ตอไป

5.4 ขอเสนอแนะ

จากผลการวิจัยแสดงใหเห็นวาระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็น สามารถทํางานได

ดวยหนาที่ของอุปกรณหลักคือหลอดแอลอีดี ที่ไดใหแสงสวางเทียบเทากับหลอดไฟทั่วไป และยัง

สามารถสงผานขอมูลเพ่ือการสื่อสารไดอีก งานวิจัยเปนการเร่ิมศึกษาระบบการสื่อสารแบบ VLC

เพ่ือใหสามารถพัฒนาไปสูความเปนเลิศตอไป ระบบที่นํา VLC ไปประยุกตใชงานมีมากมาย อาทิเชน

จากระบบ Line of sight link Diffusion link outdoor การสื่อสารทางแสง ยังตองศึกษาระบบ

Shadowing link, Headlight car-to-car, Advertisge lighting, display board lighting แ ล ะ

Outdoor VLC สวนที่ผูวิจัยสนใจทําการศึกษาตอคือ การออกแบบวงจรภาครับขั้นสูง (adaptive

equalizer: DFE) เทคนิคการมอดูเลตขั้นสูง L-DPPM, OFDM, MIMO เปนตน

49

บรรณานุกรม

[1] T. Komine and M. Nakagawa, “Fundamental Analysis for Visible Light

Communication System using LED Light,” IEEE Transaction on Consumer

Electronics, vol. 50, No. 1, February, 2004.

[2] L. Zeng et al., “Improvement of data rate by using equalization in an indoor

visible light communication system,” in Proc. IEEE International Conference on Circuit and System for Communications 2008, pp. 678 – 682, Shanghai, China, May 26 – 28, 2008.

[3] T. Komine and M. Nakagawa, “Performance evaluation of Visible-Light Wireless

Communication System using White LED Lighting,” in Proceeding of the Ninth

IEEE Symposium on Computers and Communications, pp. 258-263, 2004.

[4] H. Q. Nguyen, et al., “A Matlab-Based Simulation Program for Indoor Visible Light

Communication System,” IEEE, 2010.

[5] K. Lee, H. Park, et al., “Indoor Channel Characteristics for Visible Light

Communications,” IEEE Communications Letter, vol. 15, No. 2, February 2011.

[6] D. O’Brien, H. Le Minh, et al., “Indoor Visible Light Communications: challenges

and prospects,” Free-Space Laser Communications VIII, Proc. of SPIE vol. 7091,

709106, 2008.

[7] S. K. Hashemi et al., “Orthogonal frequency division multiplexing for indoor optical wireless communications using visible light LEDs,” in Proc IEEE, IET International Symposium on Communication System, Networks and Digital Signal Processing 2008, pp. 174 – 178, Graz, Austria,

[8] ปยะ โควินททวีวัฒน, “การประมวลผลสัญญาณสําหรับการจัดเก็บขอมูลดิจิทัล เลม 2 การออกแบบวงจรภาครับ” สํานักพิมพธนาเพรส, 2550.

[9] T. Komine, J. Hwan Lee, S. Haruyama, M. Nakagawa “Adaptive Equalization for Indoor Visible-Light Wireless Communication Systems,” 2005 Asia-Pacific Conference on Communications, Perth, Western Australia, 3 - 5 October 2005.

[10] T. Komine, J. Hwan Lee, S. Haruyama, M. Nakagawa “Adaptive Equalization System for Visible Light Wireless Communication Utilizing Multiple White LED Lighting Equipmentง ,” IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 8, NO. 6, JUNE 2009

[11] online “http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_light_communication” [12] M. Kavehrad, P. Amirshahi, “Hybrid MV-LV Power Lines and White Light Emitting

Diodes for Triple-Play Broadband Access Communications,” IEC Comprehensive

50

Report on; Achieving the Triple Play: Technologies and Business Models for Success, ISBN: 1-931695-51-2, pp. 167-178, January 2006

[13] 500 Megabits/Second with White LED Light" (Press release). Siemens. Jan 18, 2010.

[14] "St. Cloud first to sign on for new technology" (Press release). St.Cloud Times. Nov 19, 2010

[15] Yoshino, M.; Haruyama, S.; Nakagawa, M.; , "High-accuracy positioning system using visible LED lights and image sensor," Radio and Wireless Symposium, 2008 IEEE , vol., no., pp.439-442, 22-24 Jan. 2008

[16] Panta, K.; Armstrong, J.; , "Indoor localisation using white LEDs," Electronics Letters , vol.48, no.4, pp.228-230, February 16 2012.See publication here

[17] Hyun-Seung Kim; Deok-Rae Kim; Se-Hoon Yang; Yong-Hwan Son; Sang-Kook Han; , "Indoor positioning system based on carrier allocation visible light communication," Quantum Electronics Conference & Lasers and Electro-Optics (CLEO/IQEC/PACIFIC RIM), 2011 , vol., no., pp.787-789, Aug. 28 2011-Sept. 1 2011. See publication here

[18] เจษฎา สาททอง, “การมอดูเลตแบบตําแหนงพัลสสําหรับระบบการสื่อสารไรสายอินฟาเรด” วิทยานิพนธนี้ เปนสวนหน่ึงของการศึกษาหลักสูตร วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิศวกรรมโทรคมนาคม บัณฑิตวิทยาลัย สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง ป พ.ศ. 2547

51

ประวัติผูวิจัย

1. ชื่อ - นามสกุล

นายอดศิร แกวภักด ีMr. Adisorn Kaewpukdee

2. เลขหมายบัตรประจําตัวประชาชน 3-3302-00291-48-5

3. ตําแหนงปจจุบัน อาจารยประจําสาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏนครปฐม

4. หนวยงานและสถานที่อยูที่ติดตอไดสะดวก สาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏนครปฐม เบอร 034-109300 ตอ 3006-3007 แฟกซ 034-261065 เบอรมือถือ 081-8196339 Email: [email protected] หรือ [email protected]

5. ประวัติการศึกษา ปริญญาตร ีวิศวกรรมศาสตรบัณฑติ สาขาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส จาก สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง ปริญญาโท วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑติ สาขาเทคโนโลยีการบันทึกขอมูล จาก สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาเจาคุณทหารลาดกระบัง

6. สาขาวิชาการที่มีความชํานาญพิเศษ (แตกตางจากวุฒิการศึกษา) ระบุสาขาวิชาการ 6.1 การประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (Digital signal processing) 6.2 การออกแบบทารเก็ตและอีควอไลเซอร (Target and Equalizer design) 6.3 การวิเคราะหขอมูลเชิงสถิติ (Statistics analysis) 6.4 การสื่อสารไรสายดวยแสง (Optical wireless communication)

7. งานวิจัยที่ไดรับการตีพิมพ 1. อดิศร แกวภักดี, ปยะ โควินททวีวัฒน, เจษฎา สาททอง, เฉลิมชนม ตั้งวชิรพันธุ, สาธิต ดํารง

ประเสริฐ, เพ่ิมพล ธนาปุณณมาส และธนภัทร เปรมทองสุข, "เทคโนโลยีการสื่อสารดวยแสงที่มอง เห็ น (Visible Light Communications Technology)", The 5 th NPRU National Conference (NPRU Conference 5), 18-19 Junly, 2013

52

2. เจษฎา สาททอง, สุวิพล สิทธิชีวภาค, อดิศร แกวภักดี, เฉลิมชนม ตั้งวชิรพันธุ, "เทคนิคการกล้ําสัญญาณที่เหมาะสมสําหรับโครงขายคอมพิวเตอรเฉพาะที่แบบไรสายในชองสัญญาณที่มีการจางหายแบบเรลียโดยใชแบบจําลองหวงโซมารคอฟแบบไมตอเน่ือง (An Optical Modulation Technique for Wireless Local Area Networks on One-Path Rayleigh fading channel by Using Discrete Markov Chain Model)", The 5th NPRU National Conference (NPRU Conference 5), 18-19 Junly, 2013

3 . Jesada Sartthong, Suvepon Sittichivapak, Adisorn Kaewpukdee, Ittibhoom Boonpikum "Binary Exponential Increment Half Decrement Backoff Algorithm for IEEE802.11 Wireless LANs" in Proc. of ECTI - CON 2013, Krabi Thailand May 15-17, 2013

4. Adisorn Kaewpukdee, Nitthita Chirdchoo, Piya Kovintavewat and Lunchakorn Wuttisittikulkij, "Transition Characteristics of Perpendicular Heat-Assisted Magnetic Recording with Peak Temperature and Cross-Track Variation," The 2013 International Electrical Engineering Congress (iEECON 2013), Chiang Mai, Thailand, March 13-15, 2013, pp. 44-47

5. Piya Kovintavewat, Adisorn Kaewpukdee, and Nitthita Chirdchoo, “Effects of Thermal and Cross-Track Variations for Longitudinal Heat-Assisted Magnetic Recording Systems,” International Conference on Applied Physics and material Applications (ICAPMA 2013), Golden Beach Cha-Am, Cha-Am, Thailand, February 20-22, 2013

6. K. Thongkhome, A. Kaewpukdee, P. Kovintavewat, W. Pijitrojana, “Transition Characteriztion for Perpendicular Heat-Assited Magnetic Recording,” Procedia Engineering (33), December 2012

7. J. Sartthong, S. Sittichivapak, A. Kaewpukdee, I. Boonpikum, “A New Discrete Markov Chain Model of Binary Exponential Backoff Algorithm for Wireless Local Area Networks,” Procedia Engineering (33), December 2012

8. A. Kaewpukdee, N. Chirdchoo, P. Kovintavewat, “Transition Characteristics of Longitudinal Heat-Assisted Magnetic Recording Systems”, International Science, Social Science Engineering and Energy Conference (ISEEC), 2-5 February, Nakhon Pathom, Thailand., 2012

9. Adisorn K., Somsak Ch., “Products Test Time Imrovement: Statistical Process Control and Process Capability Analysis with Non-normal Data”, International Conference of Business and Industrial Research (ICBIR), 17-18 March, Bangkok, Thailand., 2010

10. A. Kaewpukdee, and S. Choomchuay, “Applications of SPC and PCA of a Product Manufacturing: Energy and Cost Savings”, The International Conference on Embedded Systems and Intelligent Technology (ICESIT) 5-7 February, Chiangmai, Thailand., 2010

53

11. อดิศร แกวภักดี และ สมศักดิ์ ชุมชวย, “การปรับปรุงเวลาในการทดสอบฮารดดิสก: การควบคุมกระบวนการดวยวิธีการทางสถิติ และการวิเคราะหความสามารถของกระบวนการ”, การประชุมวิชาการทางวิศวกรรมไฟฟา คร้ังที่ 32 (EECON 32) 28-30 ตุลาคม, โรงแรมทวาราวดี รีสอรท, ปราจีนบุรี, 2552

54

ผลงานวิจัยที่ไดรับการเผยแพร

1. อดิศร แกวภักดี และคณะวิจัย “เทคโนโลยีการสื่อสารดวยแสงที่มองเห็น (Visible Light

Communication Technology),” ก า ร ป ร ะ ชุ ม วิ ช า ก า ร NPRU The 5th NPRU National

Conference 2013, 18-19 กรกฎาคม 2556.

2. Pituk Panthong, Adisorn Kaewpukdee, et. al., “Practical Optic Design of Illumination

Coverage for Indoor Visible Light Communications” The 29th International Technical

Conference on Circuit/Systems Computers and Communications (ITC-CSCC), Phuket,

Thailand, No. 655-658, July 1-4, 2014.

3. อดิศร แกวภักดี, เจษฎา สาททอง, และปยะ โควินททวีวัฒน “เทคนิคผลตอบสนองบางสวนควร

จะเปนมากสุดสําหรับระบบการสื่อสารไรสายดวยแสงที่มองเห็นภายในอาคาร (Partial-Response

Maximum-Likelihood Technique for Indoor Wireless Visible Light Communication

System),” The 7th NPRU National Academic Conference, 30-31 มีนาคม 2558.

4. Pituk Panthong, Adisorn Kaewpukdee, et. al., “A Numerical Study on Optical

Concentrators for Visible Light Communications,” The 30th International Technical

Conference on Circuit/Systems Computers and Communications (ITC-CSCC), Seoul,

Korea, No. 655-658, June 29 - July 2, 2015.

55

ภาคผนวก

56

ภาคผนวก ก

แบบจําลองระบบการส่ือสารไรสายดวยแสงที่มองเหน็ดวยโปรแกรม Matlab

57

โคดโปรแกรมจําลองชองสัญญาณการส่ือสารดวยแสงที่มองเหน็

clear all;

clc;

close all;

Phi = 70; % semi-angle at half power for Tx (irradiance angle)

Psi = 40; % incedent angle

Psi_c = 120; % FOV angle of PD

FOV = 120; % FOV angle of PD

semi_angle = 70; % Same as Phi = 70

theta = 70; % semi-angle at half power

% theta = str2double(theta);

% H_0 = 1300;

rho = 0.7; % reflection coefficient

Ts = 1; % gain of an optical filter; ignore if no filter is used

index = 1.5; % refractive index of a lens at a PD; ignore if no lens is used

D = 1.5; % Distance

H = 3; L = 5; W = 5; % Height, Lenght, Width

n1 = 1.46;

Tf = 1.0; % optical filter and concentratior lens

Arx = 1E-4; % Area of receiver, Detector physical area of PD

ml = -(log(2)/log(cosd(semi_angle))); % The order of Lambertian emission

R_0 = ((ml+1)/(2*pi))*(cosd(Phi)^ml); % Lambertian radiant intensity

G_Con = (index^2)/(sind(FOV).^2); % gain of an optical concentrator; ignore if no

lens is used%%

if (Psi>=0) && (Psi<=Psi_c) %&& (irradiance<=LED_VA)

HLOS = (Arx/D^2)*R_0*cosd(Psi);

elseif (Psi>Psi_c)

HLOS = 0.0;

elseif (Phi>Psi_c)||(Psi>Psi_c)

HLOS = 0.0;

end

58

P_LED = 30E-3; % Single LED power (mW) PLED = 30E-3*brightness_factor

(4); 30E-3*4

Ptx = P_LED; % Power at transmitter (From paper "Improvement of Data

Rate by..." Ptx = PLED * Ro) *R_0

PDR = 0.4; % Photodiode responsitivity

NumLED = 5; % Number of LED

PrxLOS = NumLED*NumLED*Ptx*HLOS; % Total power LED

P_total = NumLED*NumLED*P_LED;

NP = 0.07E-6/PDR; % Noise power ambient light

DR = 100E6; % Data rate (20 Mb/s)

I2 = 0.562; % Noise-bandwidth factor

NBW = DR*I2; % Noise bandwidth

ABW = 50E6; % Amplifier bandwidth

AND = 5E-12; % Amplifier noise density 5E-12*ABW

Adet = 1e-2; % detector physical area of a PD

q = 1.60E-19; % electron mass

lx = 5; ly = 5; lz = 3; % room dimension in meter

Nx = lx*10; Ny = ly*10; Nz = round(lz*10); % number of grid in the receiver plane

dA=lz*ly/(Ny*Nz);

x = linspace(0,lx,Nx);

y = linspace(0,ly,Ny);

z = linspace(0,lz,Nz);

Tx1=[1.5 1.5 lz]; % 1st transmitter position

Tx2=[lx-1.5 1.5 lz]; % 2nd transmitter position

Tx3=[1.5 ly-1.5 lz]; % 3rd transmitter position

Tx4=[lx-1.5 ly-1.5 lz]; % 4th transmitter position

rx = 0.5; %0.5

ry = 1.0; %1.0

rz = 0.85;

Rx = [rx ry rz]; % receiver position

h = lz - rz;

59

Aroom = 2*((W*L)+(H*L)+(H*W)); % Room surface 2*((W*L)+(H*L)+(H*W))

FA = W*L; % Floor area

WA = (H*L)+(H*L)+(H*L)+(H*L); % Wall area

CA = W*L; % Ceiling area

H_0 = (1/Aroom)*(FA*0.15 + WA*0.7 + WA*0.7 + CA*0.8);

I1 = H_0*PrxLOS/Aroom; % I1 is the first diffused reflection of a wide-beam

optical source emits an

Iprime = I1/(1-H_0); % Iprime is total intensity over the whole room surface

'Aroom'.

Pdiff = Arx*Iprime; % Power diffuse channel

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

if (Psi>=0) && (Psi<=FOV)

g = (n1^2)/(sind(FOV)^2);

elseif (Psi>Psi_c)

g = 0.0;

end;

Prx = (PrxLOS + Pdiff)*Tf*g;

%%%%%%%%%%%%%%%%% Binary Bits %%%%%%%%%%%%%%%%%%%

TBit = 1/DR; %%% second

% TRespLED = 200e-9; %%% second (AS paper "Improvement Data rate"

LED response time is 150ns)

ovsp = 100; %%% ceil(TRespLED/TBit);

L = 8; %%% Number of bits

% ak = randint(1,L); %%% {1,-1} use 1-(2*randint(1,L))

%%% {1,0} use randint(1,L)

ak = [0 0 1 0 1 0 1 1]; % 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0];

index = 1:ovsp:L*ovsp;

% for i=1:L

% ak_1(index(i):index(i)+(ovsp-1)) = [ak(i) zeros(1,ovsp-1)];

% end

ak_1 = zeros(1,L*ovsp);

ak_1(1:ovsp:L*ovsp) = ak;

60

for i=1:L;

if ak(i)==0

ak_2(index(i):index(i)+(ovsp-1)) = [ak(i) zeros(1,ovsp-1)];

else

ak_2(index(i):index(i)+(ovsp-1)) = [ak(i) randi(1,1,ovsp-1)];

end

end

% figure(1);

% plot(0:1/ovsp:L-(1/ovsp),ak_2,'linewidth', 2); axis([0 length(ak) -0.2 1.2]);

% title('Data'); xlabel('bits');ylabel('amplitude');

% hold on; plot(0:L-1,ak,'xr');

%%%%%%%%======= LED Response =========%%%%%%%%%%%%%%

% T = 1/DR; % symbol period

n = ovsp; % no of samples

Tsamp = TBit/n; % sample period

% Tsamp = 2e-10;

Tstop = 200;

t = 0:1/ovsp:Tstop; % second (s)

% num = ceil(0.5e-6/Tsamp);

% t = 0:Tsamp:Num*Tsamp;

Trise = 20e-9/TBit; % second (s)

Tfall = 130e-9/TBit; % second (s)

P = 2; % Turning Parameter (P)

Omega = P/(Trise+Tfall);

h_LED = exp(-(Omega)*t);

nor_h_LED = h_LED/max(h_LED);

% figure(2); plot(t,nor_h_LED,'linewidth', 2);title('The LED Impulse response');

% xlabel('Time (ns)'); ylabel('Amplitude (normalized to 1)');%%%%%%%%%%%%%%

61

% hold on;

plot(t(1:ovsp:end),nor_h_LED(1:ovsp:end),'xr');%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%%%%%=== Convolution the Data with LED response =====%%%%%%%%

rk1 = conv(ak_1,nor_h_LED);

% figure(); plot(rk1(1:ovsp:end));

% figure(); plot(rk1); hold on;

% plot(1:ovsp:length(rk1),rk1(1:ovsp:end),'xr');

% Num = ceil(0.5e-6/Tsamp);

Num = ceil(1e-7/Tsamp);

C = 3e8*1e-9; % time will be measured in ns in the program

t_vec = 0:Tsamp:Tsamp*Num;

t_vec_ns = t_vec.*1e9;

LL = length(t_vec);

[mean_delay, Drms, h_vec_los, h_vec_diff, h_vector01] = c_h_res_02(C, theta, ml,

P_total, Adet,rho, Ts, index, FOV,...

G_Con, lx, ly, lz, h, Nx, Ny, Nz, dA, t_vec,

t_vec_ns,...

x, y, z, Rx, Tx1, Tx2, Tx3, Tx4, LL);

% load('matlab4x4x3_2.0-0.5.mat')

h_res = h_vector01;

nor_h_res_los = h_vec_los/max(h_vec_los);figure();

plot(t_vec_ns,nor_h_res_los,'linewidth', 1.5);

title('Impulse Response of LOS');

xlabel('Propagation Delay [Time (ns)]');ylabel('Amplitude (normalized to 1)');

legend('impulse response at (0.5 1.0 0.85)');

62

nor_h_res_diff = h_vec_diff/max(h_vec_diff);figure();

plot(t_vec_ns,nor_h_res_diff,'linewidth', 1.5);

title('Impulse Response of Diffuse');



nor_h_res = h_res/max(h_res); % h_res_nor;

figure(); plot(t_vec_ns,nor_h_res,'linewidth', 2);

title('The Channel Impulse Response');



figure(); plot(t_vec_ns,nor_h_res,'linewidth', 1.5); hold on;

plot(t_vec_ns,nor_h_res_los,'linewidth', 1.5);

plot(t_vec_ns,nor_h_res_diff,'linewidth', 1.5);

H_res=conv(nor_h_LED,nor_h_res);

% figure();plot(H_res,'linewidth', 2);

nor_H_res = H_res/max(H_res);

% figure();plot(nor_H_res,'linewidth', 2);

aa =find(nor_H_res==1);

yk = conv(ak_1,nor_H_res);

% figure(); plot(yk);

rk = yk;

%%%%%%%=========== ADD AWGN =============%%%%%%%%%%%%

% sigma_shot = 2*q*PDR*(Prx+NP)*NBW;

% sigma_amplifier = (AND^2)*ABW; %%% Amplifier current

% sigma_total = sigma_shot+sigma_amplifier;

%

% SNR = (PDR*Prx)^2/sigma_total;

63

% SNRdB = 10*log10(SNR);

SNRdB = 20;

if SNRdB~=0

SigmaN2 = 10^(-SNRdB/10)*ovsp;

Noise = sqrt(SigmaN2)*randn(1,length(rk));

else

Noise = zeros(1,length(rk));

end;

rk = rk + Noise;

% figure();

% plot(rk,'k'); hold on; plot(yk,'-r');

%%%========= LOW-PASS FILTERING ==========%%%

ll = length(rk);

Wn = 1/ovsp; %%% Cutoff frequency = 1/ovsp; %== ovsp=Upsp/Downsp

ftype = 1; %%% (1 = Butterworth), (2 = Ellictic);

FilterOrder = 7;

[rk01] = m_LPF_Piya(rk, ovsp, FilterOrder, ftype);

%%%%%%%========= Eqaulizer Find Target =======%%%%%%%

rk02 = rk03; %rk01(aa+ovsp:ovsp:ll);

Target = [1 3 3 1];

Depth = 30;

Alphabet = [0 1];

L01 = 4;

K = 3;

[estG,estF] = find_target_Noise(L01, K, ak, rk02(1:length(ak)),'B1', Target);

Sk = conv(rk02,estF);

Sk = Sk(K+1:end);

Decoded00 = c_vit_dec01(Sk, estG, Depth, Alphabet);

Err2 = sum(Decoded00(1:length(ak))~=ak(1:end))

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

SNRdBAll = [23:25];

BER01 =0; %BER02 = 0; %BER03 = 0;

64

for ii = 1:length(SNRdBAll)

SNRdB = SNRdBAll(ii);

Err1 = 0; Err2 = 0; %Err3 = 0;

for jj = 1:200

ak = randi(2,1,L)-1;

index = 1:ovsp:L*ovsp;

for i=1:L

ak_1(index(i):index(i)+(ovsp-1)) = [ak(i) zeros(1,ovsp-1)];

end

% rk1 = conv(ak_1,nor_h_LED);

% yk = conv(rk1,nor_h_res);

yk = conv(ak_1,nor_H_res);

% yk1 = yk/max(yk);

rk = yk;

if SNRdB~=0

SigmaN2 = 10^(-SNRdB/10)*ovsp;

Noise = sqrt(SigmaN2)*randn(1,length(rk));

else

Noise = zeros(1,length(rk));

end;

rk = rk + Noise;

ll = length(rk);

Wn = 1/ovsp;

ftype = 1;

FilterOrder = 7;

[rk01] = m_LPF_Piya(rk, ovsp, FilterOrder, ftype);

% rk02 = rk01(aa+ovsp:ovsp:ll);

% Decoded01 = zeros(1,L);

% x = find(rk02>= 6.7618);

% Decoded01(x) = 1;

% Err1 = Err1 + sum(Decoded01(1:length(ak))~=ak(1:end));

%

65

rk03 = rk01(aa:ovsp:ll);

Sk = conv(rk03,estF);

Sk = Sk(K+1:end);

Decoded02 = c_vit_dec01(Sk, estG, Depth, Alphabet);

Err2 = Err2 + sum(Decoded02(1:length(ak))~=ak(1:end));

% if sum(Decoded02(1:length(ak))~=ak(1:end))>300

% xvvvgg =1;

% end

% rk05 = rk01(aa+ovsp:ovsp:ll);

% Sk01 = conv(rk05,estF01);

% Sk01 = Sk01(K+1:end);

% Decoded03 = c_vit_dec01(Sk01, estG01, Depth, Alphabet);

% Err3 = Err3 + sum(Decoded03(1:length(ak))~=ak(1:end));

end

% BER01(ii) = Err1/(jj*L);

BER02(ii) = Err2/(jj*L);

% BER03(ii) = Err3/(jj*L);

[SNRdB Err2/(jj*L)] %Err2/(jj*L)] Err3/(jj*L)

end

figure();

semilogy(SNRdBAll ,BER02,'ks-','linewidth', 1.5); grid on;

% hold on; grid on;

% semilogy(SNRdBAll ,BER02,'kd-','linewidth', 1.5); %semilogy(SNRdBAll ,BER03,'ko-

','linewidth', 1.5);

title('The Performance of ');

xlabel('SNR (dB)');ylabel('Bit Error Rate (BER)');

legend('OOK without Equalizer','OOK with Equalizer');

66

ภาคผนวก ข

แบบจําลองระบบการส่ือสารไรสายดวยแสงที่มองเหน็ดวยโปรแกรม simulink

67

ภาคผนวก ข

1. โปรแกรมการศึกษาระบบการส่ือสารไรสายดวยแสงที่มองเหน็ VLC

ภาพที ่1 แบบจาํลองชองสัญญาณ

การจําลองภาพที่แบบชองสัญญาณภายในอาคารแสดงดังภาพที่ 1 ชองสัญญาณของการ

สื่อสารเชิงแสงที่มองเห็นสามารถจําลองไดในภาพทีแ่บบเชิงเสนแสดงดังน้ี

p tI t RP t h t n t (1)

เมื่อ tP t คือกําลังภาคสงเชิงแสง, h t คือ ผลตอบสนองอิมพัลส, n t คือ สัญญาณรบกวน

บวก (Additive noise) และ คือการคอนโวลูช่ัน

ผลกระทบของแสงที่เกิดจากการสะทอน (Reflective) จากกําแพงนั้นขึ้นกับความยาวคลื่น

และวัสดุของกําแพง จากการศึกษาที่ผานมาแสดงวาวัสดุของกําแพงชนิดตาง ๆ มีความหนาแนน

สเปกตรัมกําลังในแตละชวงความยาวคลื่นที่ตางกัน พบวากําแพงแบบพลาสติกมีคาการสะทอนที่

สูงสุด กําลังภาครับสามารถแสดงไดดังน้ี

LEDS refreflections

0 0r t d tP N PH PdH

(2)

เมื่อ 0dH คือ ทางเดินของชองสัญญาณแนวตรง และ ref 0H คือทางเดินของการ

สะทอนของแสงทางเดินของชองสัญญาณแบบดีซี ทางเดินของแสงในทิศทางตรงจากแหลงกําเนิดไป

ยังตัวรับแสง แสดงดังนี้

2

1cos cos ; 00 2

0 ; elsewhere

ll mr S r r c

d

r c

mT gH d

(3)

68

เมื่อ d คือ ระยะทางระหวาง LED กับพ้ืนผิวภาครับ r คือ มุมของการกระจายแสง r คือ มุมของ

การสะทอนจากพ้ืนผิวเสนทางการเคลื่อนที่ของแนวแสงแสดงดังภาพที ่2 ทางเดินของแสงที่เกิดจาก

การสะทอนอันดับแรกแสดงดังน้ี

wall2ref 1 2

1cos cos cos cos ; 0

0 20 ; elsewhere

lr l mr r r S r r c

r c

A mdA T g

H d d

(4)

เมื่อ 1d และ 2d คือ ระยะทางระหวาง LED และ จุดสะทอน และ ระยะทางระหวาง จุด

สะทอนกับพ้ืนผิวภาครับ ตามลําดับ เม่ือ คือ ปจจัยของการะสะทอน (Reflectance factor),

walldA คือ พ้ืนที่การสะทอน, r คือ มุมของการกระจายแสง, r และ r มุมของการกระจายจาก

จุดสะทอนและมุมของการกระจายไปที่ภาครับ ตามลําดับ r คือ มุมของการสะทอนจากพ้ืนผิว

เสนทางการเคลือ่นที่ของแนวแสงแสดงดงัภาพที ่2 และแบบของการกระจายแสงที่ภาครับสามารถรับ

ไดแสดงในภาพที ่3

ภาพที ่2 เสนทางการเคลือ่นทีข่องแสงแนวตรงและแนวสะทอน

69

a) 12.5 b) 70

ภาพที ่3 ภาพทีแ่บบการกระจายแสงภาครับ เมือ่มีมุมของการกระจายแสง ก) 12.5 ข) 70

จากการจําลองผลการกระจายแสงภายในอาคารเมื่อพิจารณาแนวแสงตรงและแนวแสง

สะทอนหน่ึงคร้ังดังภาพที่ 3 ไดผลการกระจายแสงดังภาพที่ 4 แลวทําการการวัดคาของ SINR ของ

ระบบการใหแสงสวางดังกลาว เมื่อกําหนดคาพารามิเตอรในการทดลอง ดังน้ี

1 2 คามุมก่ึงการกระจายแสงแนวนอนที่จดุ x,y 1 2 มีคา 70 องศา ขนาดของหอง 2.5

x 2.5 เมตร ระยะทางจากเพดานถึงระดับที่วัดความเขมแสง 2.15 เมตร LED จํานวน 60 ดวง แตละ

ดวงมีกําลัง 20 วัตต สัมประสิทธิ์การสะทอนผนัง 0.8 ภาครับใชเลนสคร่ึงทรงกลม มีดรรชนีหักเห 1.5

ตัวเลนสมี Field of view 60 องศา ทําใหไดกราฟแสดงผลของคา SINR ดังภาพที่ 4

(a) (b)

70

(c) (d)

ภาพที ่4 ภาพทีแ่บบการกระจายของคา SINR สําหรับการเขาหรัสแบบ OOK ที่ความถี่ (a) 10 MHz

(b) 20 MHz (c) 50 MHz (d) 100 MHz

ในการจัดภาพที่แบบการสื่อสารเชิงแสงสําหรับการทดลองการกระจายความเขมประกอบดวย

ภาคสงและภาครับ ภาคสงประกอบดวย LED ที่ตอเปนแถวจํานวน 8 ดวง โดยตอเปนสองแถว แถว

ละ 4 ดวง แตละดวงในแนวนอนวางหางกัน 3 เซนติเมตร และวางหางกัน 4 เซนติเมตรในแนวตั้ง ดัง

แสดงในภาพที ่5

ภาพที ่5 ชุดการทดลองสงแสงดวย LED จาํนวน 8 ดวง

ในการทดลองเลือกใช LED (Luxeon LXML-PW21) ซึ่งการกระจายแสงตามสมการแลมเบอรเซียน

มีคา m=1 (จาก Datasheet ของบริษัทผูผลิต) ขับ LED ดวยกระแสไฟฟา 650 มิลลิแอมป นํามาตอ

กับ LED lens ซ่ึงเลือกใชเลนสที่มีมุมในการกระจายแสง 15 30 และ 60 ตามลําดับ จัดให

ภาคสงอยูหางจากอุปกรณวัดความสวางเปนระยะทาง 2.0, 2.5, 3.0 เมตร แลวจึงวัดคาการกระจาย

71

แสงดวยเคร่ือง Light meter (Digicon LX70) ที่มุมตาง ๆ เทียบกับแนวดิ่ง มีคาตั้งแต 0, 5, 10, 15, และ 20 ตามลําดับ โดยจัดการทดลองดังภาพที ่6 ทําการจัดชุดภาครับ

ภาพที ่6 แผนผงัการวัดการกระจายแสงระหวางตัวสง-ตัวรับ

เพ่ือทดสอบการเลือกใชเลนสใหเหมาะสมกับ Photodiode: PD (S6968, Hamamatsu) ซึ่งมีเลนส

สําหรับรวมแสงอยูภายในตัวอยูแลว โดยจะวัดความตางศักยตกคลอมตัวตานทาน 100 โอหม ที่ตอ

อนุกรมกับ Photodiode และตอความตางศักยไบอัสกลับ 20 โวลต เลือกเลนสตอเพ่ิมสําหรับการ

ทดลองสองชนิดคือ Convex lens (LB1723, D = 50.8 มิลลิเมตร f = 60 มิลลิเมตร: Thorlabs)

และ Hemisphere lens (KPA034-C, D = 32.5 มิลลิเมตร, f = 23 มิลลิเมตร: Newport) โดย

จัดการทดลองใหแหลงกําเนิดแสงคอื LED (LXML-PW21) จํานวน 4 ดวง ติดกับ LED lens ที่มีมุมใน

การกระจายแสง 60 จัดใหภาคสงและภาครับวางหางกัน 1 เมตร จากน้ันเปลี่ยนคามุมที่ LED และ

Photodiode หันเขาหากันทํามุมตาง ๆ มีคาตั้งแต 0, 5, 10, 15, และ 20 ตามลําดับ โดย

จัดการทดลองดังภาพที่ 7

ภาพที ่7 แผนผงัการวัดการรับแสงของ Photodiode ที่มุมตาง ๆ

ขดุภาคสง LED และเลนส 60

Photodiode

Lens

Array of LEDs with Diffuse lens

Light meter

72

2. การพัฒนาซอฟตแวรแบบจําลองชองสัญญาณของ VLC

ทําการจําลองผลการตอบสนองแอลอีดี (LED response) โดยใชโปรแกรม Matlab

Simulink โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดังน้ี

LED_rise = 20; %e-9;

LED_fall = 130; %e-9;

Tuning parameter p = 2;

filter length L = 512;

ภาพที ่8 บลอ็กโปรแกรม simulink ของผลการตอบของแอลอดี ี

ภาพที ่9 ผลการทดลองผลตอบของแอลอดี ี

2.1 ภาพทีแ่บบชองสัญญาณ (Channel Model)

(1) แลมเบอรเซยีน (Lambertian) โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดงัน้ี

Semi-angle at half power (theta) = 70 degree

73

ภาพที่ 10 บลอ็กโปรแกรม simulink ของชองสัญญาณแบบแลมเบอรเทยีน (Lambertian)

(2) กํ าลั งที่ ใช ใน ก ารส ง กํ าลั งทั้ งหม ด (Total transmitted power) โด ย มี

คาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดังนี้

สมการ P_total = nLED*nLED*P_LED;

Transmitted optical power by individual LED (P_LED) = 20

Number of LED array (nLED*nLED) = 60

ภาพที ่11 บลอ็กโปรแกรม simulink ของการสงกําลัง

(3) Gain of an optical concentrator โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการ

ทดลองดงัน้ี

Refractive index of a lens at a PD (index) = 1.5

FOV of a receiver (FOV) = 120

ภาพที ่12 บลอ็กโปรแกรม simulink ของ Gain of an optical concentrator

(4) Line Of Sight โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดงัน้ี

Data rate (R) = 20e6

Number of sample (n) = 100

74

Transmitter position (Tx) = (lx, ly, lz) = (5, 5, 3)

Receiver position (Rx) = (rx, ry, rz) = (0.5, 0.5, 0.85)

distance between receive and transmitter = h = lz – rz = 2.15

time (measured in ns) (C) = 3e8*1e-9


detector physical area of a PD (Adet) = 1e-2

ml = Lambertian

NumTx = number of iteration

ภาพที ่13 บลอ็กโปรแกรม simulink ของ Line Of Sight

ภาพที ่14 ผลการทดลอง Line Of Sight

75

(5) First Reflection โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดังนี ้

Data rate (R) = 20e6

Number of sample (n) = 100







ml = Lambertian

NumTx = number of iteration

reflection coefficient

Wall reflectivity (rho) = 0.7

Floor reflectivity (rho_F) = 0.15

Ceiling reflectivity (rho_Ce) = 0.8

ภาพที ่15 บลอ็กโปรแกรม First Reflection

76

ภาพที ่16 ผลการทดลอง First Reflection

ภาพที ่17 บลอ็กโปรแกรม Second Reflection

(6) Second reflection โดยมีคาพารามิเตอรที่ใชสําหรับการทดลองดังน้ี

Data rate (R) = 20e6; Number of sample (n) = 100

77







ml = Lambertian; NumTx = number of iteration

reflection coefficient; Wall reflectivity (rho) = 0.7

Floor reflectivity (rho_F) = 0.15; Ceiling reflectivity (rho_Ce) = 0.8

(7) Ling of Sight และ Reflection

ภาพที ่18 บลอ็กโปรแกรม Ling of Sight และ Reflection

78

ภาพที ่19 บลอ็กไดอะแกรมการทํางานของ DMT

ภาพที ่20 สัญญาณเขา

ภาพที ่21 สัญญาณ Quantized (Digital to analog)

79

ภาพที ่22 สัญญาณรบกวน (WGN)

ภาพที ่23 Transfer Function of filter

ภาพที ่24 สัญญาณเขาที่รวมกับสัญญาณรบกวน

80

ภาพที ่25 Filter transfer function

ภาพที ่26 สัญญาณหลังจากผานวงจรกรองสัญญาณแลว

3. การวิเคราะหการกระจายความเขมแสงเมือ่ตอ LED เปนแถว

จากการจัดภาพที่แบบการสื่อสารเชิงแสงสําหรับการทดลองการกระจายความเขม

ประกอบดวยภาคสงและภาครับ ภาคสงประกอบดวย LED ที่ตอเปนแถวจํานวน 8 ดวง โดยตอเปน

สองแถว แถวละ 4 ดวง ดังแสดงในภาพที ่5 สามารถวัดการกระจายของความสวางของแสงไดดังภาพ

ที่ 27

81

ภาพที ่27 การกระจายความสวางแสงในกรณีที่ใชเลนสตดิ LED แบบตาง ๆ

ภาพที่ 27 แสดงการกระจายของความเขมแสงเม่ือวัดความเขมแสงที่มุมตาง ๆ เทียบกับ

แหลงกําเนิดแสงในแนวดิ่ง โดยเลือกใชเลนสที่มีมุมในการกระจายแสง 15 30 และ 60 ติดที่

แหลงกําเนิดแสงตามลาํดบั จัดใหภาคสงอยูหางจากอุปกรณวัดความสวางเปนระยะทาง 2.0, 2.5, 3.0

เมตร แลวจึงวัดคาการกระจายแสงดวยเคร่ือง Light meter

Documents

รายงานวิจัยฉบับสมบูรณpws.npru.ac.th/adisorn/data/files/Research/Full_Report_VLC_วช.2557.pdf · Faculty Science and Technology, Nakhon