Comunicação óptica sem fios baseada em díodos emissores de luz branca

Abstract

A presente dissertação aborda a realização de sistemas de comunicação sem fios que utilizam luz visível como suporte de transmissão. Nestes sistemas, as fontes são LEDs, emissores de luz branca, que são usados simultaneamente para iluminação e transmissão de dados a débito elevado. Tirando partido dos conhecimentos tecnológicos existentes sobre sistemas de comunicação sem fios utilizando o espectro dos infravermelhos e das vantagens dos LEDs brancos, vários estudos têm sido feitos sobre estes sistemas, por serem potenciais candidatos na área de comunicação óptica sem fios em ambientes interiores. O trabalho apresentado começa com uma introdução aos sistemas de comunicação na banda visível. Segue-se uma breve apresentação da evolução destes sistemas e dos mais recentes trabalhos sobre aplicações em ambientes interiores. São considerados dois modelos para a modelação do sistema VLC: modelo para sistema que usa a codificação NRZ-OOK; modelo para sistema que usa a modulação DMT. A descrição dos modelos implementados é feita por módulos que integram os diagramas funcionais dos sistemas, sendo que o módulo de codificação DMT mereceu maior detalhe. Também são apresentadas as propriedades básicas dos LEDs emissores de luz branca, os componentes da secção frontal do módulo receptor, e são descritas diversas fontes de ruído óptico e suas influências nas possíveis aplicações. O desempenho dos modelos é caracterizado por várias medidas de desempenho do sistema, tais como a BER, a SNR, a iluminância, o diagrama de olho, a constelação de sinal e o débito binário máximo suportado. Os valores das medidas de desempenho foram obtidos a partir de simulações dos sistemas. A partir dos resultados do desempenho dos modelos foi possível fazer várias considerações sobre a aplicação prática dos sistemas e simular a transmissão a um débito máximo de aproximadamente 300 Mbps. Os resultados confirmam a viabilidade dos sistemas de comunicação sem fios na banda visível, e demonstram que esta é uma tecnologia promissora para um futuro próximo.

This thesis addresses the implementation of wireless communication systems that use visible light as support for transmission. In these systems, the sources are white LEDs that emit visible light, which are used simultaneously for illumination and data transmission at high data rate. Profiting of the existing technological knowledge about wireless communication systems using the infrared spectrum and of the advantages of white LEDs, various studies have been made about these systems because they are potential candidates in the area of wireless optical communications for indoor environments. The work presented starts with an introduction to the communication systems in the visible band. This is followed by a brief presentation of the evolution of these systems and of the most recent about applications for the indoor environments. Two models are considered for the VLC system: model for a system that uses the NRZ-OOK coding; model for a system using DMT coding. The description of the implemented models is done by modules that integrate the systems functional diagrams, and the DMT encoding module was more detailed. The basic properties of white light LEDs are also presented, as well as the components of the receiver front-end, and several sources of optical noise and their influence on possible applications are described. The performance of the models is characterized by several measures of system performance, such as the BER, the SNR, the illuminance, the eye diagram, the signal constellation, and the maximum binary transmission rate supported. The values of the performance measures were obtained by simulations of the systems. From the results of the models performance it was possible to make several considerations about practical application of the systems and to simulate the transmission at a maximum speed of approximately 300 Mbps. The results confirm the feasibility of wireless communication systems in the visible band, and demonstrate that it is a promising technology for the near future.