Communication systems using visible light : emitter/receiver

Abstract

A presente dissertação aborda o design de um transdutor optoelectrónico para um sistema de comunicações sem fios que utiliza a luz visível como meio de transmissão. Estes sistemas tiram partido dos conhecimentos tecnológicos existentes sobre sistemas de comunicações sem fios utilizando o espectro dos infravermelhos, e da recente introdução em massa de díodos emissores de luz de elevado brilho em diversas aplicações de iluminação. O trabalho apresentado foi desenvolvido dentro do projecto VIDAS, tendo em conta os respectivos cenários de aplicação propostos. Este projecto visa aumentar a segurança rodoviária através da introdução de sistemas de comunicação com luz visível, para estabelecer ligações veículo-a-veículo e/ou veículo-a-semáforo. Através destas ligações, poderão ser antecipadamente fornecidos diversos avisos de segurança aos condutores. O estudo do transdutor proposto, começa com uma introdução ao conceito e evolução dos sistemas de comunicação com luz visível. Segue-se uma apresentação do canal de transmissão, na qual são definidos os modelos de emissor, receptor e propagação. São também discutidas as diversas fontes de ruído óptico e suas influências na aplicação pretendida. A restante análise é dividida em dois dispositivos principais, o emissor e o receptor ópticos. Sobre o emissor, são apresentados os principais blocos funcionais, seguidos de uma exposição das características de diversos díodos emissores de luz e da análise de diferentes topologias de receptor. Para a topologia mais viável de ser implementada, são apresentados diversos resultados de simulação do circuito electrónico. Do lado do receptor, de forma análoga, são apresentados os diferentes blocos funcionais e as características de diversos fotodíodos. No entanto a experiência do grupo de trabalho levou à escolha de uma topologia de receptor mais específica. Desta, fazem parte diversos módulos, cuja análise e resultados de simulação dos respectivos circuitos electrónicos são apresentados. De forma a avaliar a performance dos dispositivos propostos, foram efectuados diversos ensaios e respectivas medições. Estes resultados permitiram obter informações sobre o comportamento da componente óptica do sistema. Deste conjunto de informações, diferentes considerações sobre a performance de módulos individuais e do transdutor são apresentadas. Estas permitem concluir sobre a viabilidade do transdutor optoelectrónico num cenário de aplicação real.

ABSTRACT: This dissertation addresses the design of an optoelectronic transceiver for a wireless communication system, using visible light as the transmission medium. These systems take advantage from the available technological expertise on wireless communication systems using the infrared spectrum, along with the recent massive introduction of high brightness light emitting diodes in several lighting applications. The present work was developed within the scope of project VIDAS, regarding the proposed application scenarios. This project aims at increasing road traffic safety by introducing visible light communication systems to establish vehicle-to-vehicle and vehicle-to-traffic light communications. Through these connections, early safety warnings can be provided to drivers. The study of the proposed transceiver begins with an introduction to the concept and evolution of visible light communication systems. This is followed by the presentation of the transmission channel, in which the emitter, receiver and transmission models are defined. Also, the sources and influences of the various optical noise sources are discussed. The remaining analysis is divided between the two major devices, the optical emitter and receiver. From the emitter, the main building blocks are presented, followed by an exposition of several light emitting diodes characteristics and the analysis of diverse receiver topologies. In the case of the most viable topology for implementation, several simulation results of the respective electronic circuit are presented. On the receiver, the main building blocks and the characteristics of several photodiodes are presented in a similar fashion. However, the workgroup experience led to the choice of a specific receiver topology. This is made up of several modules, whose analysis and simulation results for the electronic circuits are presented. In order to evaluate the performance of the proposed devices, several tests and measurements were made. These results also provided information on the system’s optical component behavior. From this assortment of information, different considerations on the performance of the individual modules, as well as the transceiver are presented. They allow for a conclusion on the viability of the optoelectronic transceiver in a real application scenari