แบบจำลองระบบการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็น

       แบบจำลองระบบการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็น (A visible light communication system model) รูปแบบจำลองพื้นฐานของระบบการสื่อสารด้วยแสงที่มองเห็นโดยการใช้แสงจากหลอดแอลอีดีสีขาวนี้ได้ถูกนำเสนอครั้งแรกโดย T. Komine และ M. Nakagawa ในงานวิจัยฉบับนี้จำลองระบบใช้ตามภาพที่ 4 ส่วนที่สำคัญคือการมอดูเลทแบบจำกัดแบนด์วิดธ์ที่เป็นอัตราการส่งข้อมูล ข้อมูลที่ผ่านการมอดูเลทถูกนำมาคูณประสานกับสัญญาณผลตอบสนองของแอลอีดีและคูณอีกทีกับ ผลตอบสนองช่องสัญญาณ สัญญาณที่ได้จากจุดนี้เป็นสัญญาณที่เกิดในช่องสัญญาณแบบไร้สายด้วยแสงแอลอีดีโดยการจำลองขึ้น ได้ศึกษาค้นคว้าหาเทคนิคใหม่ๆ สำหรับการปรับแต่งสัญญาณ หรือเทคนิคของอีควอไลเซอร์ในการพัฒนาในงานวิจัยนี้ด้วยตาม ลักษณะของพื้นที่ที่ได้จำลองไว้ภาพที่ 5 เป็นการจำลองระบบภายในห้อง แสงของแอลอีดีถูกส่งลงมาจากเพดาน (Ceiling) ด้านบน มายังตัวรับแสงด้านล่าง พื้นที่ของห้องกำหนดด้วยความกว้าง W ความยาว L และความสูง H

ภาพที่ 4: ไดอะแกรมระบบสื่อสารข้อมูลด้วยแสงที่มองเห็น

ภาพที่ 5: การแพร่กระจายแสงจากส่งมายังตัวรับภายในห้อง

ภาคส่ง (Transmitter) สำหรับตัวส่งจะสมมติให้แอลอีดีมีการแพร่ความเข้มแสงเป็นแบบแลมเบอร์เซียน (Lambertian radiant intensity) ตามสมการที่ (1)

เมื่อ m คือเลขลำดับการแพร่ของแสงแบบแลมเบอร์เซียน และมีความสัมพันธ์กับมุม f_1/2  เป็นส่วนหนึ่งของมุมของตัวส่ง (ที่ครึ่งหนึ่งของกำลังงานทั้งหมด) ซึ่ง m= -ln2/ln cos( f_1/2 ) กำลังงานที่แผ่กระจายของแสงแอลอีดีคือ P_LED f คือมุมที่แสง แพร่ออกมาจากตัวส่ง (irradiance angle) y คือมุมที่แสงตกกระทบกับโฟโตไดโอด (incidence angle) ดังนั้นกำลังงานที่ถูก ส่งออกมาหาได้จาก P_tx =P_LED*R_o(f) ลำแสงที่แพร่ออกมาจากแอลอีดีไปยังตัวรับโดยหลักๆ จะมีอยู่ 2 ช่องทางคือแสงที่แพร่ไป หาตัวรับโดยตรง (light of sight: LOS) กับแสงแพร่มาจากการสะท้อน (diffuse channels) ทั้งสองช่องสัญญาณนี้จะได้อธิบายใน ลำดับต่อไป 1) ช่องสัญญาณแบบโดยตรง (light of sight) ขนาดของกระแสโดยตรง (direct current DC gain) จะหาได้โดยถูกต้อง และแม่นยำจะต้องทำการพิจารณาในส่วนเฉพาะช่องสัญญาณที่เป็นแสงของการแพร่ที่มาจากช่องสัญญาณโดยตรงเท่านั้น ซึ่งใน สมการที่ (2) แสดงช่องสัญญาณแบบโดยตรง เมื่อ A_rx คือพื้นที่ของตัวตรวจจับ d คือระยะทางระหว่างตัวส่งและตัวรับ

 

                                   ก) การแพร่กระจายความเข้มแสง                                                              ข) ตำแหน่งแอลอีดี

ภาพที่ 6: จำลองการแพร่กระจายความเข้มแสงภายในห้อง

R_o(f) คือความเข้มแสงที่ส่งมาจากตัวส่งที่มุม f หาได้จากสมการที่ (1) y คือมุมที่แสงตกกระทบกับโฟโตไดโอด y_c คือมุม ทั้งหมดที่โฟโตไดโอดสามารถรับแสงได้ (field of view: FOV) 

ตัวรับจะถูกสมมติให้เป็นส่วนเล็กๆ ถ้าคิดจากพื้นผิวของห้อง ดังนั้น P_diff คือกำลังงานที่ตัวรับรับได้จากช่องสัญญาณแบบ แพร่กระจายนี้หาได้จากสมการที่ (3)

P_diff  = A_rxI

และ A_rxคือพื้นที่ของตัวรับ ที่ตัวรับแสงที่ส่งมาจะผ่านตัวกรองแสง (optical filter) และหัวเลนส์ (concentrator lens) ถึงจะได้พลังงานที่แท้ หาได้จากสมการ ที่ (4) 

เมื่อ T_f (y ) คือสัมประสิทธิ์การตัวส่งผ่านของตัวกรองแสง และ _g(y ) คือสัมประสิทธิ์การเพิ่มของหัวเลนส์

 หน้าที่ของโฟโตไดโอดใช้เป็นตัวเปลี่ยนกำลังงานแสงที่รับได้เป็นกระแสไฟฟ้า และกระแสเอาต์พุตหาได้จากสมการที่ (5)

i = P_rx*R

เมื่อ R คือความไวของการตอบสนองของโฟโตไดโอด (มีหน่วยเป็น A/W)

อัตราสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) คำนวณได้จากสมการที่ (6)

ซึ่ง s²_total คือความแปรปรวนสัญญาณรบกวนทั้งหมด และคำนวณหาได้จากสมการที่ (7)

s²_total = s²_shot + s²_amplifier

เมื่อ s²_shot คือความแปรปรวนสัญญาณรบกวนแบบสั้น (shot-noise) คำนวนหาได้จากสมการที่ (8)

เมื่อ s²_shot คือความแปรปรวนสัญญาณรบกวนแบบสั้น (shot-noise) คำนวนหาได้จากสมการที่ (8)

s²_shot =2qR(P_rx+P_n)B_n

เมื่อ B_n คือแบนด์วิดธ์ของสัญญาณรบกวน และ P_n  คือกำลังงานของสัญญาณรบกวนที่เป็นแสงที่อยู่รอบๆ B_n = I₂R_b เมื่อ R_b คือ อัตราข้อมูล และ I₂ คือตัวคูณแบนด์วิดท์สัญญาณรบกวน 

            ตัวขยายความแปรปรวนสัญญาณรบกวนกำหนดตามสมการที่ (9)

s²_amplifier = I² _amplifierB_a

เมื่อ B_aคืออัตราขยายแบนด์วิดท์ 

            ดังนั้นสัญญาณรบกวนทั้งหมดจะเป็นไปตามสมการที่ (10)

Bit error rate: BER ค่าบิตผิดพลาดคำนวณได้จากสมการที่ (11)

SNR (dB) จะเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งตัวรับ ค่า SNR ภายในห้องมีค่าสูงเพราะว่าแอลอีดีทุกตัวจะส่งข้อมูลตัวเดียวกัน และกำลังงาน ทั้งหมดที่รับได้มีค่ามาก ที่ SNR (15.6 dB) ต้องมีค่า BER ที่ 10^-6 ที่ค่า SNR ที่เลวร้ายสุดๆ อยู่ที่ประมาณ 69 dB ซึ่งถ้ามากกว่า นี้ระบบจะแสดงได้โดยไม่จำกัด SNR