Sisteme de comunicații optice infrastructură-autovehicul în spectrul vizibil și infraroșu apropiat [302370]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat]-[anonimizat](i) științific(i) Absolvent: [anonimizat]. Marian VLĂDESCU Ing. Alina-Elena MARCU

Prof. dr. ing. Norocel CODREANU

Anul 2016-2017

Declarație de onestitate academică

Prin prezenta declar că lucrarea cu titlul “[anonimizat]”, [anonimizat] a Universității “Politehnica” [anonimizat], programul de studii Tehnologii integrate avansate în electronica auto este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate.

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. Reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori face referință la sursă. Înțeleg că plagiatul constituie infracțiune și se sancționează conform legilor în vigoare.

[anonimizat], [anonimizat], experimente și măsurători. Înțeleg că falsificarea datelor și rezultatelor constituie fraudă și se sancționează conform regulamentelor în vigoare.

București, data

Absolvent: [anonimizat]

_________________________

(semnătura în original)

Copyright © 2017, Alina – Elena Marcu

Toate drepturile rezervate

Autorul acordă UPB dreptul de a reproduce și de a [anonimizat].

[anonimizat] (LED – light-[anonimizat]-luminiscentă), [anonimizat]. Deoarece, [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat]. Cele mai recente tendințe în comunicațiile de mare viteză sunt de a utiliza sistemul de iluminare convențional pentru a [anonimizat] (VLC – visible-light communication).

[anonimizat]. O tehnologie adecvată care poate fi folosită pentru a satisface nevoile necesare ar putea fi VLC. VLC utilizează o [anonimizat]-ul, pentru a transmite informații. Una dintre cele mai importante situații în care au loc accidente de mașină este la intersecții. Forțarea luminii galbene la intersecții este un obicei care crește drastic șansa de a trece când luminile roșii ale semaforului se aprind. Următoarea generație de autovehicule ar putea fi proiectate pentru a putea comunica cu sistemul de semnalizare, astfel putându-se reduce trecerea pe culoarea roșie a semaforului la aproape zero.

Sisteme de semnalizare rutieră

Sistemul de trafic rutier este compus din mai multe elemente:

Spațiul rutier: trasee, tronsoane cu unul sau dublu sens, noduri rutiere sau intersecții cu 3 sau mai multe căi de acces, traversări sau refugii pietonale, locuri de parcare și de întoarcere;

Participanți la trafic: vehicule, pietoni și bicicliști. Participanții la trafic prezintă diferite priorități: copii, bătrâni și invalizi, în cadrul categoriei de pietoni și vehicule oficiale sau de intervenție (pompieri, salvare, poliție) în cadrul categoriei de vehicule.

Mijloacele de semnalizare rutieră sunt constituite din sisteme de semnalizare luminoasă sau sonoră, indicatoare, marcaje și alte dispozitive speciale. Ele se constituie într-un sisteme unitar, se realizează și se instalează astfel încât să poată fi observate cu ușurință și de la o distanță adecvată, atât pe timp de zi, cât și pe timp de noapte.

Semnalele luminoase grupează totalitatea aparaturii electronice cu ajutorul căreia se dirijează și se controlează mișcarea fluxurilor de circulație pe artele rutiere. Ele pot fi instalate pe partea dreaptă a drumului, pe partea stângă sau pot fi suspendate pe sensul de circulație a conducătorilor de vehiculele cărora se adresează. Semafoarele sunt constituite din trei indicatoare luminoase și se instalează înainte de intersecție, astfel încât să poată fi vizibile de la o distanță de cel puțin 50 m. Semnalele luminoase au următoarele semnificații: semnalul de culoare verde permite trecerea, semnalul de culoare roșie interzice trecerea și semnalul de culoare galbenă prevestește culoarea roșie. Semnalul de culoare galbenă împreună cu cel de culoare roșie, interzice trecerea.

Sisteme de comunicații optice

Creșterea rapidă a utilizării LED-urilor o oferit o oportunitate unică. Diferite de tehnologiile de iluminare mai vechi, LED-urile sunt capabile să comute la diferite niveluri de intensitate a luminii cu o viteză foarte rapidă. Rata de comutare este suficient de rapidă pentru a fi imperceptibilă pentru ochiul uman. Această funcție poate fi utilizată pentru comunicare unde datele sun codate în lumina emisă in diferite moduri. Un fotodetector (numit și senzor de lumină sau fotodiodă) sau un senzor de imagine (matrice de fotodiode) poate recepționa semnalele modulate și poate decoda datele. Acest lucru înseamnă ca LED-urile pot servi scopului dublu de a asigura atât iluminarea, cât și comunicarea. VLC este o tehnologie de comunicații de date care utilizează lumina vizibilă între 380 nm și 780 nm. Aceste lungimi de undă corespund unui interval de frecvență de aproximativ 384 THz până la 789 THz, după cum se poate observa și in Fig. 1.1.

Utilizarea LED-urilor pentru iluminare și comunicare a început din anul 2000 când cercetătorii de la Universitatea Keio din Japonia au propus utilizarea LED-urilor albe în locuințe pentru construirea unei rețele de acces. Acest lucru a fost alimentat în continuare de cercetările rapide, în special în Japonia, pentru a construi o comunicarea de mare viteză prin lumina vizibilă cu dezvoltarea suportului VLC pentru dispozitivele portabile și vehiculele de transport. Acest lucru a dus la formarea unui consorțiului VLC (VLCC – Visible Light Communications Consortium) în Japonia în noiembrie 2003.

VLCC a propus două standarde care au fost acceptate de Japan Electronics și Asociația Industriilor de Tehnologia Informației (JEITA – Japan Electronics and Information Technology Industries Association) ca JEITA CP-1221 și CP-1222. În 2014, Asociația VLC (VLCA – Visible Light Communications Associations) este stabilită ca succesor al VLCC în Japonia pentru o standardizare ulterioară a VLC. Primul standard IEEE pentru comunicarea în spectrul vizibil a fost propus în anul 2011 sub forma IEEE 802.15.7.

Un sistem VLC este compus dintr-un transmițător și un receptor. Transmițătorul este un corp de iluminat cu LED. Un corp de iluminat cu LED este o unitate completă de iluminat care constă dintr-o lampă LED, carcasă și alte componente. Lampa LED, denumită mai simplu bec cu LED, poate include unul sau mai multe LED-uri. Ea include, de asemenea, un circuit care controlează curentul care trece prin LED-uri pentru a controla luminozitatea. Atunci când corpul de iluminat cu LED este folosit pentru comunicație, circuitul este modificat pentru a modula datele prin intermediul luminii emise. O cerință esențială de proiectare pentru sistemul VLC este aceea ca iluminarea să nu fie afectată de comunicație. Prin urmare, performanța sistemului VLC este afectată în funcție de modul în care sunt proiectate corpurile de iluminare cu LED-uri. Cea mai comună formă de iluminare utilizată atât în interior, cât și in exterior o constituie LED-urile albe. Din punct de vedere al sistemului de recepție, există două tipuri de receptoare ce pot fi folosite pentru recepționa semnalul transmis de corpul de iluminat cu LED. Primul tip de receptor este fotodetectorul. Acesta este un dispozitiv semiconductor care transformă lumina recepționată în curent. Al doilea tip de receptor este senzorul de imagine fiind alcătuit din mai mulți fotodetectori aranjați într-o matrice pe un circuit integrat.

Motivația dezvoltării sistemului…

Capitolul 1 prezintă elementele de radiație luminoasă, frecvența de tăiere a LED-urilor și tipurile de modulație folosite în VLC.

Capitolul 2 prezintă dispozitivele optoelectronice folosite pentru recepționarea radiației luminoase.

Capitolul 3 prezintă sistemul de comunicare dezvoltat pornind de la schema bloc și blocurile funcționale ale sistemului, modurile de formare a codurilor propuse, funcționarea sistemului de emisie, funcționarea sistemului de recepție, tipurile de zgomot ce pot fi întâlnite și modurile de filtrare.

Capitolul 4 prezintă rezultatele experimentale, cât și prezentarea implementării sistemului sub forma unui model experimental.

Capitolul 6 prezintă concluzii și viitoare direcții de dezvoltare.

Capitolul 7 cuprinde bibliografia și webografia.

Capitolul 8 cuprinde anexele cu programele folosite pentru sistemele de emisie și recepție, proiectarea CAD, unde vor fi prezentate schemele electrice ale sistemului, cât și cablajul imprimat.

Dispozitivele optoelectronice – Emițătoare

”Optoelectronica este domeniul științei și tehnicii care folosește fascicule de fotoni pentru procesarea informației, care a apărut și s-a dezvoltat din necesitatea de a transmite informația cu viteză tot mai mare.”[] Din cauza interacțiunii cu materia prin care se propagă, electronii au o viteză de deplasare inferioară față de cea a fotonilor. La baza acestei proprietăți benefice stă neutralitatea electrică a fotonilor. Din acest punct de vedere, performanțele fotonilor pot fi și de 1000 de ori mai mari decât cele ale electronilor.

Natura luminii a fost dezbătută intens de-a lungul timpului. Primul care a introdus ideea naturii corpusculare a luminii a fost Democrit (c. 460 – c. 370 î.e.n.). În anul 1690, a fost propusă o teorie ondulatorie a luminii de către savantul Christian Huygens. În următorii 100 de ani acest subiect a devenit foarte atrăgător pentru oamenii de știință ai lumii care au efectuat experimente în încercarea de a trage o concluzie finală asupra naturii luminii. Natura ondulatorie a câștigat teren prin rezultatele lui Thomas Young (1801) și ale lui Augustin-Jean Fresnel (1814) privind interferența luminii. Mai târziu, în 1864, James Clerk Maxwell clasifică lumina ca o formă a radiației electromagnetice. Mulțumită lucrărilor conduse de Louis de Broglie, Max Planck, Albert Einstein, Arthur Compton, Niels Bohr s-a putut arata necesitatea unui dualism undă-corpuscul.

Dispozitivele optoelectronice emițătoare realizează conversia energiei electrice în radiație luminoasă. Fenomenul de emisie a radiației luminoase apare la tranziția electronilor de pe un nivel energetic superior pe un nivel energetic inferior.

LED-uri

”Dioda electro-luminescentă (LED) este o diodă semiconductoare ce emită lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n.” [] Electroluminescența a fost descoperită de către savantul Henry Joseph Round (1881-1966) în anul 1907, folosindu-se de un cristal de carbură de siliciu și de un detector primitiv dintr-un metal semiconductor. Primul LED a fost creat în anul 1920 de către savantul rus Oleg Vladimirovich Losev. În anul 1961, savanții Bob Biar și Gary Pittman, au descoperit că dacă se aplică un curent unui aliaj din galiu și arsen, acesta emite o radiație infraroșie. Primul LED cu emisie în spectrul vizibil roșu a fost creat de către savantul Nick Holonyak, în anul 1962. În anul 1972, savantul George Craford a inventat primul LED de culoare galbenă.

În anul1968, firma Monsato Corporation a realizat LED-urile pentru indicare. Odată cu trecerea timpului s-au descoperit și alte culori ale LED-urilor și s-au făcut progrese privind capacitatea lor de iluminare.

”Joncțiunea p-n este o structură fizică semiconductoare cu două regiuni vecine, n și p, delimitate de o linie imaginară, denumită joncțiune metalurgică.” [] Ea se află la echilibru termic atunci nu este polarizată electric. În ciuda acestui fapt, în interiorul joncțiunii apare un câmp electric intern, notat Eint, care este orientat dinspre regiunea n înspre regiunea p.

Regiunea în care apare câmpul electric intern se numește regiune de sarcină spațială (RSS). Atunci când electronii și golurile difuzează din regiunile n și p spre regiunile adiacente, aceștia se recombină lăsând în urmă o pătura de ioni pozitivi în regiunea n și o pătură de ioni negativi în regiunea p. Când aceste pături de ioni se extind, se mărește câmpul electric Eint, astfel creându-se curenți de câmp în sensul opus curenților de difuzie.

Pentru o polarizare directă a joncțiunii p-n se aplică o tensiune din exterior cu ”+” pe anod și ”-” pe catod care poartă denumirea de tensiune directă sau, în engleză, Forward Voltage (VF). Câmpul electric extern, Eext, diminuează efectul câmpului electric intern, fiind opus acestuia. Regiunea de sarcină se micșorează, reducându-se astfel și regiunea barierei de potențial, ceea ce facilitează difuzia purtătorilor și apariția fenomenului de injecție de purtători. Astfel, în polarizare directă, există un exces de purtători, chiar daca fenomenele de recombinare predomină. În cazul polarizării inverse, se aplică o tensiune cu ”-” pe anod și ”+” pe catod, ea purtând denumirea de tensiune inversă sau, în engleză, Reverse Voltage (VR). Aici câmpul electric extern are același sens cu câmpul electric intern, astfel ele se adună. Din cauza valorii mari a câmpului rezultant migrația purtătorilor este blocată și sunt stimulați curenții de câmp. În cazul polarizării indirecte, predomină fenomenele de generare din cauză că apare o lipsă de purtători față de echilibrul termic.

Dioda LED folosește o joncțiune p-n pe GaAs sau alți compuși ce includ In și P, deoarece acești compuși semiconductori au banda interzisă mai largă de 1,7 eV. Se folosesc acești compuși pentru ca spectrul emis să se situeze în domeniul vizibil.

Banda interzisă (B.I.), de lățime EG, este acea ”regiune în care nu există niciun nivel energetic pentru electroni.”[] Atunci când este joncțiunea p-n este polarizată direct, bariera de potențial se micșorează și purtătorii de sarcină difuzează spre regiunea adiacentă, excesul de purtători stimulând procesele de recombinare.

În momentul recombinării electronii trec din banda de conducție în banda de valență. ”Banda de conducție (B.C.) este banda energetică provină din despicarea nivelului energetic liber, ce ar putea fi ocupat cu electroni la un atom, când acesta a fost apropiat de n atomi în rețeaua cristalină. Banda de valență (B. V.) este banda energetică provenită din despicarea nivelului energetic de valență al unui atom liber, când acesta a fost apropiat de n atomi în rețeaua cristalină.”[]

Dacă la siliciu trecerea din B.C. în B.V. avea loc prin centri intermediari aflați la mijlocul B.I., la GaAs trecerea este directă sau bandă-bandă. Astfel, la GaAs probabilitatea ca electronii care trec de pe nivelul EC (nivelul energetic minim al B.C.) pe nivelul EV (nivelul energetic maxim al B.V.) să emită fotoni de energie hν crește. Lungimea de undă a luminii emise depinde de lărgimea B.I. Aceasta se determină astfel:

(1.1)

unde λ este lungimea de undă a radiației emise, c0 este viteza fotonului în vid, h este constanta lui Planck și EG este lățimea benzii interzise.

În tabelul 1.1 sunt prezentate câteva semiconductoare cu valorile EG care pot fi folosite pentru fabricarea LED-urilor.

În figura 1.9 este prezentată caracteristica curent-tensiune a unui LED. Tensiunea care cade pe acesta atunci când se află în regimul de generare a fluxului luminos depinde de lărgimea benzii interzise. În figura 1.10 este prezentată caracteristica spectrală a unui LED. Aceasta reprezintă ”distribuția intensității emisiei în funcție de lungimea de undă.”[]

LED-uri pot fi clasificate în două tipuri: LED-uri de o singură culoare, cum ar fi roșu (R), verde (G), albastru și LED-uri albe. Lungimea de undă pentru LED-urile roșii este 625 nm, pentru LED-urile verzi este în jur de 525 nm și pentru LED-urile albastre în jur de 470 nm. Radiația în vizibil detectabilă de ochiul uman este între 480 nm și 750 nm. Emisia de lumină pentru LED-ul alb este produsă ori prin amestec de LED-uri multicolore ori prin combinația de fosfor cu emisie de LED albastru. Primul tip este fabricat prin amestecarea celor trei culori primare, fiind utilizate trei LED-uri, unul pentru culoarea roșie, unul pentru culoarea verde și unul pentru culoarea albastră. Al doilea tip constă dintr-un LED albastru acoperit cu un strat de fosfor. În momentul aplicării unui curent electric, LED-ul începe să emită lumina albastră, o parte din aceasta fiind absorbită de fosfor pentru a genera o a doua culoare – galbenă. Combinația dintre lumina albastră și cea galbenă are ca rezultat lumina albă.

Din punct de vedere al puterii electrice avem trei tipuri: LED-uri de putere mică, LED-uri de putere medie și LED-uri de putere mare. LED-urile de putere mică au o putere sub 1 W, curentul fiind aproximativ 20 mA. LED-uri de putere medie au o putere cuprinsă între 1W și 3 W, curentul variind în gama 30 mA-75 mA-150 mA. LED-uri de putere mare au o putere mai mare de 3 W, curentul variind în gama 350 mA-750 mA-1000 mA.

Frecvența de tăiere

Următorul subcapitol studiază lățimea de bandă care ar putea fi utilizată pentru VLC prin investigarea a patru tipuri diferite de LED-uri: alb, infraroșu, roșu și verde. Dependența dintre lățimea de bandă disponibilă și curentul de polarizare al LED-urilor este prezentată împreună cu procedura de măsurare și detaliile privind sistemul tehnologic folosit.

Sistemul de măsură dezvoltat este alcătuit din patru LED-uri produse de firma Led Engin (LZ4-00G108 pentru LED-ul verde, LZ4-00R308 pentru LED-ul roșu, LZ4-00R708 pentru LED-ul cu infraroșu și LZ9-00CW00 pentru LED alb), o sursă constantă de curent, un generator de semnal, un detector InGaAs de mare viteză (DET410), un luxmetru și un osciloscop.

LED-urile sunt polarizate la diferiți curenți și un semnal alternativ este adăugat folosind un generator de semnal (notat Stimul în figura 1.12). Acest semnal alternativ va juca rolul mesajului. Curenții de polarizare ai LED-urilor sunt relativ mari, de la 200 mA la 800 mA, pentru LED-urile folosite în cadrul experimentului. Deoarece fiecare structură a LED-urilor de putere este obținută prin aranjarea unor LED-uri singulare într-o matrice de 2×2 sau 3×3, tensiunile de deschidere sunt de asemenea notabile (aproximativ 8V). Deoarece un generator de semnal care ar putea furniza componenta continuă necesară pentru a polariza direct LED-urile și a furniza cantitatea necesară de curent este rar, a fost folosită o sursă de alimentare separată pentru a obține curentul de polarizare necesar (I1 în figura 1.12) și semnalul alternativ a fost cuplat utilizând un condensator de 100 µF (C1 în figura 1.12).

Forma de undă a semnalului adăugat poate fi sinusoidală, pentru metoda clasică de măsurare a lățimii de bandă, sau poate fi dreptunghiular pentru o măsurare bazată pe timpul de creștere a semnalului recepționat folosind relația:

(1.2)

unde fBW este lățimea de bandă și tRT este timpul de creștere măsurat.

Comportamentul sistemul VLC este similar cu un filtru trece jos, astfel că metoda clasică de determinare a frecvenței de tăiere este explicată în continuare. Stimulul sinusoidal (Stimul în figura 1.12) este menținut la o amplitudine vârf-la-vârf constantă și frecvența sa este variantă pentru a determina o valoare adecvată pentru frecvența de start care trebuie să se găsească în banda de trecere a filtrului.

Prin variația de la 10 kHz la 20 kHz, amplitudinea semnalului recepționat a fost constantă, astfel încât frecvența de 10 kHz a fost aleasă ca frecvență de start. Apoi, semnalul recepționat a fost măsurat la această frecvență de start și măsurătoarea a fost aleasă ca referință, fiind denumită Vstart. Frecvența a fost mărită până când diferența dintre valoarea de referință și amplitudinea semnalului recepționat a fost de -3 dB. Frecvența la care această condiție este adevărată este frecvența de tăiere căutată.

Condiția de măsurare a semnalului de stimul a fost crucială deoarece condensatorul de cuplare determină un comportament de filtru trece sus ceea ce înseamnă că semnalul de stimul va avea amplitudini mai mari pe măsură ce frecvența crește, această consecință compromițând întreaga metodă de măsurare. Amplitudinea semnalului alternativ a fost ajustată pentru a menține o amplitudine vârf-la-vârf constantă pentru semnalul alternativ măsurat pe LED.

Aceste experimente au fost realizate în cele mai întunecate condiții de iluminare ambientală care ar putea fi obținute în laborator (10 -15 lux) la diferiți curenți de polarizare pentru fiecare tip de LED pentru a determina implicațiile lor asupra lățimii de bandă disponibilă.

Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în tabelul 1.2. Amplitudinea vârf-la-vârf a stimulului sinusoidal este amplitudinea semnalului alternativ pe LED care a fost menținută constantă în timpul determinării lățimii de bandă pentru fiecare LED. S-a observat că, la aceeași amplitudine generată (la ieșirea generatorului de semnal), cea mai mică amplitudine măsurată pe LED a fost la cel mai mare curent de polarizare. Deci, pentru a ne asigura că acest parametru poate fi menținut constat pentru toate cele patru măsurători, ordinea de măsurare a fost de la cel mai mare curent de polarizare la cel mai mic. Cea mai mică amplitudine care ar putea fi impusă LED-ului a fost pentru LED-ul verde, iar cea mai mare a fost în cazul LED-ului roșu.

Cea mai mare lățime de bandă disponibilă a fost găsită în cazul LED-urilor cu infraroșu, în timp ce cea mai mică a fost determinată pentru LED-ul alb. De asemenea, LED-ul cu infraroșu a dominat performanțele din acest punct de vedere. Trebuie menționat faptul că LED-ul cu infraroșu folosit în cadrul experimentului este un LED cu joncțiune duală.

Toate LED-urile implicate în acest experiment prezintă un comportament foarte interesant: lățimea de bandă disponibilă crește odată cu curentul de polarizare a LED-ului, dar, din nou, creșterea este cea mai mare în cazul LED-ului cu infraroșu. Acest tip de comportament are consecințe benefice: LED-urile care fac parte dintr-un sistem VLC pot fi polarizate folosind un curent mic, necesar pentru aplicația principala (iluminare ambientală, control al traficului etc.) și crescut doar în momentul în care o comunicare are loc. Interpretarea suplimentară a rezultatelor arată că sistemele de control al traficului au un ușor avantaj față de sistemele de iluminare ambientală, deoarece lățimea de bandă determinată pentru LED-urile roșii și verzi a fost mai mare decât în cazul LED-urilor albe. În funcție de lățimea de bandă necesară, curentul de polarizare poate fi setat corespunzător. LED-ul alb este fabricat folosind metoda cu fosfor: un LED cu lungime de undă scurtă (UV sau albastru) este combinat cu un strat de fosfor galben rezultând lumina albă. Remanența cauzată de stratul de fosfor este foarte probabil să fie responsabilă pentru lățimea de bandă mică obținută pentru acest tip de LED.

Lăsând deoparte cazul special al LED-ului cu infraroșu, pentru LED-urile care radiază în spectrul vizibil, o creștere medie de 10 kHz a lărgimii de bandă poate fi obținută prin creșterea curentului de polarizare de la 200 mA la 800 mA. Cel mai mare curent de polarizare poate asigura cea mai mare lățime de bandă, dar trebuie acordată atenție aplicațiilor care conțin comunicații cu durate mari, deoarece acest lucru ar putea duce la supraîncălzirea LED-ului. Lățimea de bandă pentru fiecare LED în funcție de curent este prezentată în figura 1.13.

De asemenea, s-a observat că amplitudinea semnalului recepționat la frecvența de start a variat cu curentul de polarizare. Această variație este prezentată în figura 1.14 și oferă următoarea concluzie: semnalul recepționat ar fi mai mare dacă curentul de polarizare al LED-ului ar fi mai mic. Deci, inginerul proiectant trebuie să facă un compromis între lățimea de bandă mare și raportul mare semnal-zgomot. Ecuațiile estimate de tip polinomial de ordinul trei au fost de asemenea afișate în figura 1.14 lângă legendă pentru a sugera corespondența. Alte funcții, cum ar fi exponențială, liniară, logaritmică au oferit rezultate mai slabe. LED-urile roșii și cele cu infraroșu prezintă caracteristici foarte asemănătoare din acest punct de vedere, în timp ce LED-urile verzi prezintă cele mai mici variații. Derivata graficelor din figura 1.14 ar elimina efectele determinate de plasarea sau sensibilitatea senzorilor.

Tipuri de modulație folosite în sistemele de comunicație optică

Cea mai mare diferență dintre sistemul VLC și sistemul radiofrecvență este că, în VLC, datele nu pot fi codificate în faza sau în amplitudinea semnalului luminos. Acest lucru înseamnă că tehnicile de modulație de fază și amplitudine nu pot fi aplicate în VLC, iar informațiile trebuie să fie codificate în variația intensității undei luminoase emise. Diferit față de alte tipuri de comunicații, orice schemă de modulație pentru VLC nu trebuie doar să obțină o rată de date mai mare, ci trebuie să îndeplinească, de asemenea, cerințele privind lumina percepută de oameni, un exemplu fiind faptul că ochiul uman nu trebuie să perceapă fluctuații în intensitatea luminoasă.

Principalele metode care pot fi utilizate pentru a modula datele în spectrul luminii vizibile sunt:

Pornit-Oprit (în engleză, On-Off Keying (OOK)),

Modularea lățimii impulsurilor (în engleză, Pulse Width Modulation (PWM)),

Modularea poziției impulsurilor (în engleză, Pulse Position Modulation (PPM)),

Modularea variabilă a poziției impulsurilor (în engleză, Variable Pulse Position Modulation (VPPM)),

Schimbarea culorii (în engleză, Colour Shift Keying (CSK)),

Multiplexarea divizării frecvenței ortogonale (în engleză, Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM)).

În modulația OOK, biții de date ”1” și ”0” sunt transmiși prin oprirea și pornirea repetată a LED-ului. Bitul ”1” logic reprezintă faptul că LED-ul este pornit, iar ”0” logic reprezintă faptul că LED-ul este oprit. În starea ”Oprire”, LED-ul nu este oprit complet, ci intensitatea luminoasă este redusă. Avantajele acestei metode includ simplitatea și ușurința implementării. Totuși, această metodă nu este optimă în ceea ce privește controlul iluminării și transferul de date.

În modulația PWM, informația codată este transmisă în durata impulsurilor. Pe durata transmisiei, LED-ul rămâne aprins. În fiecare impuls poate fi transmis mai mult de un singur bit, dar acest impuls trebuie să fie mai lung decât impulsurile pentru OOK. De asemenea, este posibil să se transmită date într-un format analogic.

Pentru modulația PPM, datele sunt codate folosind poziția impulsului într-un cadru. Durata simbolului este împărțită în t cadre de durată egală și un impuls este transmis într-unul din cadrele t. Poziția impulsului identifică simbolul transmis. La fel ca și în cazul modulației PWM, poate fi transmis mai mult de un singur bit în fiecare impuls, dar durata cadrului trebuie să fie mai lungă decât durata pentru un singur bit în OOK. Tehnica PPM are avantajul de a conține aceeași cantitate de energie optică în fiecare cadru.

Modulația VPPM este un hibrid între modulația PPM și modulația PWM. Biții sunt codificați prin alegerea unei poziții diferite a pulsului ca în cazul modulației PPM și lățimea impulsului poate fi, de asemenea, modificată după cum este necesar. VPPM păstrează simplitatea și robustețea metodei PPM, permițând în același timp niveluri diferite de control al intensității luminoase prin modificarea lățimii impusului.

Modulația CSK poate fi folosită dacă sistemul de iluminare utilizează LED-uri de tip RGB. Prin combinarea diferitelor culori ale luminii, datele de ieșire pot fi purtate de însăși culoarea și astfel intensitatea ieșirii poate fi constantă. Dezavantajul acestui sistem este complexitatea transmițătorului și a receptorului.

Modulația OFDM a fost utilizată pe scară largă pentru televiziunea digitală și radio, precum și pentru WiFi. Aceasta poate fi modificată pentru utilizarea în comunicațiile optice. OFDM folosește un set de sub-purtătoare, fiecare la frecvențe diferite, dar legate din punct de vedere armonic. În această modulație, canalul VLC este împărțit în mai multe sub-purtătoare ortogonale și datele sunt trimise în sub-fluxuri paralele modulate pe sub-purtătoare. Există o serie de avantaje, inclusiv eficiența spectrală bună, dar această metodă este destul de complexă pentru implementare.

Dispozitivele optoelectronice – Receptoare

Dispozitivele optoelectronice receptoare sunt dispozitivele electronice care sunt bazate pe absorbția radiației luminoase realizând conversia acesteia în semnal electric. Absorbția radiației luminoase poate determina creșterea energiei de vibrație a atomilor sau poate duce la tranziția electronilor pe nivele energetice superioare. Efectul fotoelectric reprezintă fenomenul în care se creează, sub acțiunea radiațiilor electromagnetice, purtători de sarcină liberi. Pentru ca un electron să realizeze, sub influența luminii, tranziția din banda de valență în banda de conducție, trebuie ca energia fotonului emis să fie mai mare ca lățimea benzii interzise (hν>EG).

Fotorezistența

”Fotorezistența este un rezistor realizat dintr-un material semiconductor omogen, contactat ohmic la cele două capete și plasat într-o capsulă transparentă.”[]

Se definește rezistența la întuneric (R0) în absența luminii. Astfel, pentru semiconductorii de tip n R0 se scrie astfel:

(2.1)

unde At reprezintă aria transversală, ND este doparea semiconductorului de tip n, µn este mobilitatea electronilor și L este lungimea semiconductorului.

O altă mărime care se definește în cazul fotorezistenței este rezistența la lumină (R). Ea se scrie astfel:

(2.2)

unde , iar , n reprezintă concentrația de electroni din semiconductor, p reprezintă concentrația de goluri, iar ni reprezintă concentrația intrinsecă.

Fotodioda

Fotodiodele reprezintă senzori de radiație optică, ele având rolul de a prelua radiația luminoasă și a o transforma prin intermediul efectului fotovoltaic în energie electrică. Acestea sunt realizate dintr-o joncțiune p-n pe siliciu și sunt încapsulate într-o capsulă transparentă pentru a lumina recepționată să cadă direct pe joncțiune.

Atunci când joncțiunea p-n este iradiată fotodiodele generează curent sau tensiune. Joncțiunea p-n este formată din materialul din stratul p pe suprafața activă și materialul din stratul n în substrat, iar stratul p este foarte subțire, grosimea fiind determinată de lungimea de undă a radiației luminoase ce trebuie detectată. Joncțiunea are proprietatea de a funcționa ca un convertor fotoelectric. În apropierea acesteia, stratul de siliciu devine golit de sarcini electrice. Adâncimea RSS poate fi schimbată dacă se modifică tensiunea inversă de polarizare aplicată joncțiunii. Pentru obținerea sensibilității la radiație este foarte important să avem stratul de golire.

Răspunsul spectral și viteza la răspuns pot fi corelate prin controlul grosimii stratului p, a stratului N+, a substratului n și a concentrației dopării. Dacă energia fasciculului incident pe suprafața activă a fotodiodei este mai mare ca EG, atunci electronii pot face tranziția din B.C, lăsând goluri în locul lor, în B.V.

Perechile electron-gol pot apărea în tot materialul stratului p, a RSS și a stratului n. În RSS, electronii din stratul n și golurile din stratul p sunt accelerate de către câmpul electric. Electronii din perechile generate în stratul n împreună cu cei sosiți din stratul p, se deplasează în statul n în B.C. Astfel, golurile trec din stratul n în RSS, unde sunt accelerați și apoi colectați în B.V a stratului p. Astfel perechile electron-gol sunt generate proporțional cu puterea radiației incidente, fiind colectate în straturile n și p. În urma întregului proces, în stratul p rezultă sarcini pozitive și în stratul n sarcini negative. Dacă conectăm un circuit exterior între straturile p și n, vom observa că electronii migrează din stratul n în stratul p, iar golurile din stratul p spre stratul n.

Curentul de ieșire I0 se obține prin următoarea relație:

(2.3)

unde I0 este curentul de ieșire, IL este curentul fotogenerat, ID este curentul de întuneric prin fotodiodă, I’ este curentul prin rezistența shunt, IS este curentul de saturație al fotodiodei, k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolută a fotodiodei, q este sarcina electronului și VD este tensiunea pe diodă.

Tensiunea în circuit deschis, notată V0C reprezintă tensiunea de ieșire V0 atunci când curentul de ieșire I0 este nul.

(2.4)

Din figura 2.5 putem observa că, în condiții de întuneric, fotodioda alimentată direct prezintă caracteristici asemănătoare cu cele ale diodei redresoare. Atunci când fotodioda este iluminată caracteristica se deplasează din poziția 1 în poziția 2, iar dacă creștem puterea incidentă caracteristica se va deplasa pe poziția 3. Astfel tragem concluzia că deplasarea caracteristicii depinde de intensitatea radiației incidente. Curentul ISC reprezintă curentul de scurtcircuit și el apare atunci când scurtcircuităm terminalele fotodiodei, el circulând de la anod la catod.

Fotodioda PIN

Fotodioda PIN este alcătuită din 2 straturi, n și p, care au o conductivitate ridicată, delimitate de o zonă de semiconductor intrinsec, care are o conductivitate scăzută. Pentru spectrul infraroșu apropiat se utilizează siliciul, iar peste domenii spectrale peste 1 µm se utilizează Germaniu sau Indiu-Galiu-Arsen-Fosfor. Perechile electron-gol sunt generate în regiunea subțire p după ce fotonii intră în zona intrinsecă prin inelul metalic de conexiune. Caracteristica de ieșire pentru o fotodiodă PIN prezintă două moduri de funcționare: modul fotovoltaic și modul fotoconductiv.

În modul fotovoltaic nu este necesară o sursă de tensiune. Astfel, nu există niciun curent de întuneric, ceea ce face ca acest mod să fie potrivit pentru detecția la nivele mici de iluminare. Modul fotovoltaic este indicat în figura 2.7 prin intermediul rezistența de sarcină.

Iph reprezintă o sursă de fotocurent care este șuntată de o diodă ideală, iar curentul maxim al diodei este limitat prin intermediul rezistenței serie RS. Pentru o fotodiodă pe siliciu rezistența are o valoare de 50 Ω. Dacă fotodioda lucrează în regim de scurtcircuit atunci căderea de tensiune este determinată de rezistența RS. La un nivel de putere de circa 1 mW există o limitare a fotocurentului.

În modul fotoconductiv este aplicată o tensiune de polarizare inversă. Acest mod are avantajul că oferă o bună liniaritate lumină-curent. Pentru o fotodiodă cu diametrul de 1 mm, puterea optică poate ajunge până la 1 mW. Curentul de întuneric pentru o fotodiodă de 1 mm, la o temperatură de 25 șC, este de 5 nA pentru o fotodiodă pe siliciu, 12 µA pentru Germaniu și 6 µA pentru Indiu-Galiu-Arsen-Fosfor.

Fotodioda cu avalanșă

Fotodioda cu avalanșă este similară din punct de vedere constructiv cu fotodioda PIN, singura diferență fiind faptul că fotodioda cu avalanșă are o joncțiune p-n special dopată, fiind polarizată invers, astfel determinând apariția unui câmp electric puternic.

Perechile electron-gol se generează atunci când lumina intră în regiunea p-, regiune ce este slab dopată. Apoi, electronii se deplasează spre regiunea de câmp electric puternic unde sunt generați noi electroni prin intermediul multiplicării în avalanșă. Fotocurentul total I va fi:

(2.5)

unde r reprezintă responzivitatea (, unde η este eficiența cuantică și λ este lungimea de undă), M este factorul de multiplicare și Popt este puterea optică.

Factorul de multiplicare depinde foarte mult de tensiunea inversă aplicată și de temperatură. Pentru fotodiodele pe Germaniu factorul de multiplicare este M=20÷40 la o tensiune între 20 și 30 V. Curentul de întuneric este generat în absența iluminării, fiind dependent de tensiunea aplicată și de factorul de multiplicare M. Pentru o fotodiodă pe Siliciu cu diametrul de 0,1 mm, la o temperatură de 25 șC, curentul de întuneric este cuprins între 1 și 10 nA pentru un factor de multiplicare egal cu 100. Pentru fotodiodele pe Germaniu curentul este aproximativ 1 µA pentru un factor de multiplicare egal cu 20. Curentul de întuneric este puternic dependent de temperatură, astfel că, la fotodioda pe Siliciu, la fiecare 8 șC, curentul se dublează, iar la Germaniu la fiecare 9-10 șC.

Fototranzistorul

”Fototranzistorul este un tranzistor cu două terminale – Emitor și Colector – al cărui curent este comandat de fluxul luminos ce cade pe baza tranzistorului.” [] În loc să se aplice la intrare un semnal electric, așa cum se aplică în cazul tranzistorului clasic, se aplică un semnal optic, astfel obținându-se perechi electron-gol în zona joncțiunii colectoare a fototranzistorului. În zona activă a fototranzistorului capsula este transparentă.

În caracteristica curent-tensiune a fototranzistorului parametrul este iluminarea fototranzistorului deoarece curentul de bază IB este nul. În întuneric (pe graficul din figura 2.12 – E=0, unde E1, E2 și E3 reprezintă alte niveluri de iluminare) prin fototranzistorul aflat în conexiunea emitor-comun va curge numai curentul de întuneric notat II.

(2.6)

unde β reprezintă factorul de amplificare statică și ICB0 este curentul de purtători minoritari.

Fotocurentul de colector, notat IF, produce prin fototranzistor un curent egal cu βIF, fiind dependent de iluminare. Curentul de colector, notat IC, este definit prin relația:

(2.7)

Curentul de întuneric al fototranzistoarelor este mai mare decât curentul de curentul de întuneric al fotodiodelor. Există fototranzistoare care prezintă și un al treilea terminal, pentru bază, pentru a permite în aplicații specifice o polarizare convenabilă de curent continuu și o stabilitate termică a punctului static de funcționare.

Sisteme de comunicații optice infrastructură-autovehicul

Odată cu apariția autoturismelor autonome, un sistem de comunicare infrastructură-vehiculul poate fi ușor dezvoltat prin utilizarea comunicării în spectrul vizibil. Luminile roșii si verzi joacă un rol important în siguranța traficului rutier, fiind cele mai semnificative culori ale semaforului.

Rolul sistemului propus este de a obține frânarea automată în cazul în care lumina semaforului este roșie și un avertisment sonor în cazul în culorii galbene prin modularea radiație emise de semafor pentru a transmite un cod pentru fiecare dintre cele două culori. Am propus o soluție secundară care să evite modificarea infrastructurii actuale a semaforului prin adăugarea unui element suplimentar de emisie de lumină. Elementul constă într-un emițător infraroșu utilizat pentru a trimite fie codul pentru culoarea roșie, fie codul pentru culoarea galbenă, în funcție de lumina aprinsă a semaforului.

Schemă bloc

Sistemul de comunicație propus este format din două subsisteme, așa cum se poate vedea în figura 3.1. Primul subsistem, cel de emisie, este montat pe semafor și este utilizat pentru a transmite un cod pentru lumina roșie și un alt cod pentru lumina galbenă prin modularea tensiunii aplicate elementului radiant (de obicei, LED). Codul trebuie ales astfel încât să prevină pâlpâirea.

Cel de-al doilea subsistem, cel de recepție, este montat pe mașină și este folosit pentru a recepționa codul, utilizând un receptor optic, și a-l decoda. Dacă mesajul primit corespunde codului roșu, va avea loc frânarea autovehiculul. Dacă mesajul primit corespunde codului galben, un avertisment sonor va avertiza conducătorul autovehiculului că lumina semaforului va deveni roșie. Dacă nici unul dintre aceste coduri nu este primit, atunci nu va avea loc nicio acțiune.

Sistemul de semnalizare curent trebuie să fie modificat pentru a permite modularea semnalului aplicat lămpilor. O soluție secundară care evită modificarea infrastructurii actuale a sistemului de semaforizare a fost dezvoltată prin adăugarea unui element suplimentar de radiație subsistemului de emisie. Astfel, semaforul va avea o a patra lampă constituită dintr-un emițător cu infraroșu care va trimite codul pentru infraroșu. Codul infraroșu reprezintă ori codul pentru roșu, ori codul pentru galben, în funcție de lumina aprinsă a semaforului. Astfel, dacă semaforul are aprinsă culoarea roșie, atunci prin elementul cu infraroșu se va emite codul pentru roșu, iar daca semaforul are aprinsă culoarea galbenă, atunci se va emise codul pentru galben. În acest fel, sistemul de semnalizare curent nu trebuie modificat. Numai informația despre ce lumină este aprinsă trebuie extrasă, ceea ce este o operație mult mai simplă. Subsistemul de recepție rămâne același.

Moduri de formare a codurilor

Cuvântul de cod constă din impulsuri de sincronizare, impulsuri pentru ”0” logic și impulsuri pentru ”1” logic. Un cuvânt de cod este format din trei impulsuri de sincronizare și alte patru impulsuri reprezentând cei patru biți care poartă informația despre lumina care este în prezent pornită. Au fost alese trei impulsuri de sincronizare pentru o sincronizare precisă (există o mică șansă ca trei impulsuri de sincronizare să poată fi obținute accidental. Șansele de a obține un impuls de sincronizare accidental sunt în mod clar mai mari) și patru impulsuri care corespund biților pentru a termina codul în ”0” logic. Codul s-ar fi terminat în ”0” logic chiar dacă cuvântul ar conține doar doi biți, dar au fost alese patru impulsuri pentru o viitoare extindere a sistemului.

Codul se bazează pe durata dintre fronturi consecutive. Durata dintre două fronturi consecutive în cazul impulsului de sincronizare este de 50 µs, în cazul impulsului pentru ”0” logic este de 200 µs, iar în cazul impulsului pentru ”1” logic este de 100 µs.

Codul pentru lumina roșie a semaforului este format, după cum se poate observa în figura 3.3, din trei impulsuri de sincronizare (marcate cu linie roșie pe forma de undă), un impuls de durată 100 µs care corespunde bitului ”1” (marcat cu linie albastră pe forma de undă), un impuls de durată 200 µs care corespunde bitului ”0” (marcat cu linie verde pe forma de undă), fiind urmat de un impuls de durată 100 µs și un impuls de durată 200 µs, care corespund biților ”1”, respectiv ”0”. Similar, se poate observa în figura 3.4 codul pentru lumina galbenă a semaforului.

Funcționarea emițătorului

Subsistemul de emisie este format dintr-un bloc de control și două LED-uri cu ajutorul cărora se face transmisia codurilor. Blocul de control este reprezentat de către placa de dezvoltare Arduino UNO, cu microcontrolerul ATmega328P. Placa de dezvoltare transmite codul ”1010” prin modularea luminii roșii și codul ”0110” prin modularea luminii galbene.

Durata pentru fiecare cuvânt de cod este de 750 µs, iar durata maximă a codului, în cazul transmiterii cuvântului ”0000”, este de 950 µs.

În soluția cu infraroșu, placa de dezvoltare transmite prin intermediul elementului de emisie luminoasă fie codul ”1010”, fie codul ”0110” în funcție de culoarea luminată a semaforului.

Fiecare cuvânt este repetat după 775 µs, asigurându-se că nu va apărea pâlpâirea. De regulă, frecvența la care LED-ul nu mai pâlpâie este de 50 Hz, iar perioada(T) este de:

(3.1)

Pentru verificarea și, eventual, rezolvarea problemelor ce ar fi putut apărea la programul de emisie, sistemul a fost mai întâi dezvoltat și simulat într-un program de simulare. După verificarea corectitudinii programul, sistemul a fost dezvoltat într-un prototip pe o placă de test (”breadboard”). În figura 3.7 se poate observa în partea stângă schema electrică a sistemului și în partea dreaptă rezultatele simulării.

Un microcontroler este, prin definiție, un microcalculator realizat pe un singur cristal de siliciu, care conține o unitate centrală de prelucrare (UCP), o memorie de date RAM, o memorie de program ROM și circuite auxiliare de intrare – ieșire (porturi, timere, convertoare analog – digitale, unități de comunicare serială). Un microcalculator include unitatea de calcul, memoria (de date/program), dispozitivele de intrare/ieșire și dispozitivele periferice. Unitatea centrală de prelucrare este componenta dintr-un microcalcutor care interpretă programul de instrucțiuni și procesează datele, adică efectuează operații aritmetice și logice.

Fabricanții de circuite oferă utilizatorilor familii de microcontrolere de uz general. În general, microcontrolerele sunt construite în jurul unor UCP de 4, 8, 16, 32 și 64 de biți. Microcontrolere pe 4 biți sunt folosite în cuptoarele cu microunde, microcontrolerele pe 8 biți sunt folosite în unitățile de telecomandă a televizoarelor, tastaturilor, microcontrolerele pe 16 biți sunt folosite în controlere-le de hard-disk-uri, microcontrolerele pe 32 biți sunt folosite în domeniul comunicațiilor, la imprimante laser și cu jet de cerneală, iar microcontrolerele pe 64 biți sunt folosite la console video. În prezent, cele mai folosite microcontrolere sunt cele pe 8 biți.

Microcontrolerele sunt folosite pentru a reduce numărul de componente electronice din cadrul unui proiect, cât și costul proiectării și al dezvoltării unui produs.

Sistemele de dezvoltare sunt module electronice cu microcontroler și o serie de circuite periferice care sunt utile în simularea condițiilor reale de lucru ale microcontroler-ului, de exemplu: diode luminiscente, linii seriale de comunicație, relee, intrări și ieșiri analogice, etc. Programarea unui sistem se face prin intermediul mediului de programare specific microcontrolerului utilizat. Limbajul de programare care se folosește în mod uzual este limbajul C. Aplicațiile pentru microcontroler se scriu într-un mediu de dezvoltare care este pus la dispoziție de către fabricantul microcontrolerului.

Scrierea în microcontroler și testarea programului dezvoltat se face cu ajutorul programatoarelor și emulatoarelor. Emulatorul are rolul de a înlocui microcontrolerul în timpul dezvoltării programului cu un sistem special care emulează în mod transparent dispozitivul. Dispozitivele actuale sunt prevăzute cu un modul de emulare integrat care are o interfață serială ce permite dispozitivului să se emuleze singur. Modul este un nucleu de logică de depanare de dimensiuni reduse, realizat în siliciul dispozitivului, care permite programatorului sa comunice cu softul de dezvoltare prin intermediul interfeței seriale.

….

Funcționarea receptorului

Subsistemul de recepție constă dintr-un receptor optic care captează lumina de la semafoare, o transformă în tensiune și, în funcție de codul decodat, trimite comanda pentru a frâna mașina sau pentru a transmite un avertisment sonor.

Semnalul de la ieșirea receptorului optic este aplicat microcontrolerului pe un pin configurat ca pin digital de intrare pentru care sa configurat declanșarea unei întreruperi la schimbarea nivelului logic al semnalului. Astfel, microcontrolerul este capabil folosind un modul timer să măsoare timpul scurs între două întreruperi consecutive corespunzătoare a două schimbări de nivel logic consecutive ale semnalului. După fiecare măsurătoare durata măsurată este comparată cu niște valori deja stocate reprezentând duratele pulsurilor de emisie la care sa luat în vedere și o toleranță deoarece este aproape imposibil ca durata pulsurilor recepționate să fie perfect egale cu valorile folosite la proiectare.

Pentru impulsul de sincronizare de 50 µs valoarea măsurată va fi considerată validă dacă aceasta se află în intervalul X-X. Similar se procedează și pentru celelalte impulsurilor, valorile pragurilor fiind X-X pentru ”1” logic și X-X pentru ”0” logic.

Pentru verificarea și, eventual, rezolvarea problemelor ce ar fi putut apărea la programul de recepție, sistemul a fost mai întâi dezvoltat și simulat într-un program de simulare. După verificarea programul, sistemul a fost dezvoltat pe placa de test.

Receptor optic

Filtrare

Rezultate experimentale

Sistemul discutat în capitolul anterior a fost implementat. Toate experimentele au fost realizate folosind LED-uri cu putere mică pentru a evidenția numai principiile.

Subsistemul de emisie constă dintr-un LED roșu, un LED galben și un microcontroler. Subsistemul de recepție constă dintr-un receptor optic (TSL14S), un LED roșu, un LED galben, un LED albastru și un microcontroler.

În figura 4.1, microcontrolerul modulează tensiunea aplicată LED-ului galben cu forma de urmă pentru codul ”0110” și, prin urmare, TSL14S primește codul de la lumina emisă de LED și dacă mesajul a fost corect decodat și corespunde cu codul utilizat pentru lumina galbenă, LED-ul galben care joacă rolul avertizorului sonor se aprinde. Se utilează un LED albastru suplimentar pentru a determina dacă subsistemul de recepție este alimentat.

În figura 4.2 se repetă aceeași situație prezentată mai sus pentru LED-ul roșu.

În figura 4.3, soluția cu infraroșu este implementată și microcontrolerul transmite codul ”0110”, iar dacă TSL14S primește codul corespunzător luminii galbene, LED-ul galben se aprinde.

În figura 4.4, soluția cu infraroșu este implementată și microcontrolerul transmite codul ”1010”, iar dacă TSL14S primește codul corespunzător luminii roșii, LED-ul roșu se aprinde.

În situații reale, receptorul ar putea fi orbit de lumina ambientală în timpul zilei sau de lanterne în timpul nopții. Aceste situații au fost investigate în condiții la scală mică. În figura 4.5, sistemul transmite codul pentru lumina galbenă, dar datorită luminii ambientale puternice, subsistemul de recepție nu este capabil să decodeze mesajul recepționat și LED-ul galben rămâne stins pentru a indica acest lucru. Pentru a rezolva această problemă, un filtru optic (perechea de ochelari Thorlabs LG4) este plasat în fața receptorului.

În figura 4.6, sistemul transmite codul, iar subsistemul de recepție este acum capabil să decodifice codul în mod corespunzător deoarece lumina ambientală a fost filtrată și TSL14S primește mesajul transmis.

În figura 4.7, sistemul transmite codul pentru lumina roșie, sistemul nefiind capabil să decodeze mesajul primit.

În figura 4.8 un filtru optic (perechea de ochelari Thorlabs LG10) a fost plasat în fața receptorului pentru a asigura decodarea corectă a mesajului transmis.

Sa efectuat o simulare în vederea determinării lărgimii de bandă a semnalului de la ieșirea receptorului optic, dacă comunicația optică este realizată fără probleme (condiții ideale). Spectrul semnalului de la ieșirea receptorului optic este prezentat în figura X, notat cu RECEPȚIONAT. Luându-se în considerare componentele spectrale mai mic de 100 de ori decât componenta de pe frecvența fundamentală, sa determinat lărgimea de bandă utilă a semnalului ca fiind egală cu 30 kHz. În acest context, este foarte avantajoasă o filtrare trece-jos a semnalului de la ieșirea receptorului optic pentru a elimina perturbațiile care pot să apară la frecvențe mai mari decât valoarea determinată pentru lărgimea de bandă. Pentru simplitatea implementării și proprietățile de care dă dovadă s-a ales un filtru trece jos Butterword de ordinul patru obținut prin cascadarea a două filtre de ordinul doi. Proiectarea filtrelor a fost realizată conform din instrucțiunilor din lucrarea de laborator Filtre RC Active.

O consecință a filtrării trece jos este degradarea fronturilor semnalului așa cum se poate observa in figura X. Așadar intervalele de toleranta descrise in subcapitolul 3.4 trebuie sa fie lărgite corespunzător.

Concluzii

Lucrarea propune un sistem de comunicații optice utilizat pentru transmiterea mesajelor între autovehicule și infrastructura auto.

Sistemul este alcătuit din două subsisteme, unul pentru transmiterea codurilor pentru luminile roșu și galben și altul pentru recepționarea și decodarea acestora. A fost dezvoltată o soluție secundară pentru a evita modificarea infrastructurii actuale a semaforului. Elementul suplimentar este reprezentat de un emițător luminos cu infraroșu care este utilizat pentru transmiterea codurilor în funcție de culoarea aprinsă a semaforului.

Codul constă din impulsuri de sincronizare, impulsuri pentru ”0” logic și impulsuri pentru ”1” logic. Un cuvânt de cod este format din trei impulsuri de sincronizare și patru biți, dar orice număr par de biți poate fi folosit pentru a asigura revenirea la zero, pentru o dezvoltare ulterioară. Durata impulsurilor trebuie scalată corespunzător pentru a evita pâlpâirea. Codul se bazează pe durata dintre fronturi consecutive. Durata fiecărui cod este de 750 µs, iar durata maximă a codul este de 950 µs.

Datorită faptului că sistemul nu poate funcționa în condiții de iluminare puternică a fost propusă o soluție de filtrare optică pentru filtrarea luminii ambientale și asigurarea decodării corecte a mesajului recepționat.

Schema electrică și cablajul au fost realizate prin intermediul programului Cadence OrCAD 16.6. Schema electrică a fost proiectată în Cadence OrCAD Capture, apoi fiind transferată în programul Cadence OrCAD PCB Editor în scopul realizării cablajului imprimat. La finalizarea layout-ului,acesta a fost post-procesat pentru a genera fisierele de tip Gerber și NC Drill necesare trimiterii proiectului în fabricație.

Bibliografie și webografie

Anexe

Anexă program microcontroler emisie

void setup() {

pinMode(12,OUTPUT);

pinMode(11,OUTPUT);

}

void loop() {

delayMicroseconds(25);

//3 impulsuri de sincronizare

digitalWrite(12,LOW);

digitalWrite(12,HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(12,LOW);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(12,HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(12,LOW);

//cod 1010

//1

digitalWrite(12,LOW);

delayMicroseconds(100);

//0

digitalWrite(12,HIGH);

delayMicroseconds(200);

//1

digitalWrite(12,LOW);

delayMicroseconds(100);

//0

digitalWrite(12,HIGH);

delayMicroseconds(200);

digitalWrite(12,LOW);

//cod 0110

//3 impulsuri de sincronizare

digitalWrite(11,LOW);

digitalWrite(11,HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(11,LOW);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(11,HIGH);

delayMicroseconds(50);

digitalWrite(11,LOW);

//0

digitalWrite(11,LOW);

delayMicroseconds(200);

//1

digitalWrite(11,HIGH);

delayMicroseconds(100);

//1

digitalWrite(11,LOW);

delayMicroseconds(100);

//0

digitalWrite(11,HIGH);

delayMicroseconds(200);

digitalWrite(11,LOW);

}

Anexă program microcontroler recepție

int a=0, k=0, cod=0, n=0, diff=0, eroare=1;

unsigned long t1,t2;

void intrerupere()

{

eroare=1;

digitalWrite(11,LOW);

if(a==0)

{TCNT1=0;

n=0;

a=1;

eroare=0;}

else {

diff=TCNT1*4;

TCNT1=0;

if((diff>=40)&&(diff<=60))

{

n=n+1;

eroare=0;}}

if((diff>=90)&&(diff<=110)&&(n==2))

{ cod=2*cod+1;

k=k+1;

eroare=0;

}

if((diff>=190)&&(diff<=210)&&(n==2))

{ cod=2*cod;

k=k+1;

eroare=0;

}

if(k==4)

{

if(cod==10)

{ digitalWrite(7,HIGH);

digitalWrite(6,LOW);

eroare=1;}

if(cod==6)

{ digitalWrite(6,HIGH);

digitalWrite(7,LOW);

eroare=1;}

}

else { digitalWrite(6,LOW);

digitalWrite(7,LOW);}

if(eroare==1)

{ a=0;

k=0;

n=0;

cod=0;

diff=0;

digitalWrite(11,HIGH);

} }

void setup() {

pinMode(7,OUTPUT); //LED Rosu

pinMode(6,OUTPUT); //LED Galben

pinMode(2,INPUT_PULLUP); //pin intrerupere

pinMode(11,OUTPUT); //pt eroare=1;

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2),intrerupere,CHANGE);

TCCR1A=0;

TCCR1B |= (1 << CS01);

TCNT1 = 0;

}

void loop() {

}

Schema electrică

Cablaj imprimat

Stratul electric superior (TOP)

Stratul electric inferior (BOTTOM)

Straturi neelectrice

Contur placă

Mască de inscripționare superioară (Silk Screen TOP)

Strat Solder Mask TOP

Strat Solder Mask BOTTOM

Strat mecanic

Drill Drawing

Anexă program microcontroler emisie

Anexă program microcontroler recepție