第四章 實驗結果與討論
4.1 AC-Power Based VLC System
以下章節中，我們詳細敘述該實驗相關的理論分析以及實驗的結果與討論。
4.1.1 理論分析
對於在基頻(Base Band)我們希望傳輸的 OOK 隨機訊號我們可以以數學的形 式表示如下：
這是在 Time Domain 下的數學形式，而經過傅立葉轉換可以得到在 Frequency Domain 下的數學形式如下式：
在式子中，p(t)代表一個 one-period discrete-time bipolar pseudo random binary sequence，其值是以 1 和 -1 做隨機的變換。在實驗中，我們的 設定 F=Baud rate=200K，然後 T 為 5μs。
62
如果 P(t)的長度夠長(在實驗中長度為 1000 個點)，經過傅立葉轉換後，他 會變成是一個涵蓋很大頻率範圍的常數。之後又與一個 sinc function 做相乘，
因此最後在 PSD(Power spectrum Density)上的圖形就會是一個有 sinc function 的 enevolop 的圖形。再經過 Up-Convert 後，設定期載波為 400K，其數學形式 可以表示成：
將 S2取絕對值以後，我們可以將它的頻譜以及 AC 電源的頻譜一起畫在一張 PSD 圖形上，如圖(4-1)所示，該頻譜就是 Bias Tee 端點輸出的頻譜。在該 PSD 圖中我們可以看到經過 Up-Convert 的高頻訊號的頻譜跟低頻的 AC 訊號是很明顯 被分離的，因此在解調的時候，我們可以很輕易的將低頻的 AC 訊號濾掉。換言 之，因為低頻 AC 電源與高頻隨機訊號兩者頻譜重疊的非常不明顯，所以可以將 高頻訊訊號成功的解調出來而不會受到低頻 AC 電源訊號的干擾。
圖 4 - 1 Bias Tee 輸出端的訊號頻普 60
200K 400K 600K Frequency (Hz)
RelativeStrength
63
4.1.2 Clock Recovery
為了讓高頻訊號可以載在正確的 AC 訊號上，我們設計了一個 Clock
Recovery 來同步 AC 交流電源訊號以及高頻隨機訊號，讓 AWG 所產生的高頻訊號 可以放在我們希望的 AC 訊號的位置上。其 Clock recovery 的運作方式如圖(4-2) 所示，基本上我們會產生一個方波來跟 AC 訊號的弦波作對應，方波上升的位置 會對應弦波特定的位置，在本實驗中我們選擇是在弦波起始位置後一點點的位置。
而這時 AWG 設定是在 Burst 的模式，所謂 Burst 模式是指當我們的同步方波是在 上升的時候，訊號由低到高的時候，AWG 就會給出一串我們想傳輸的高頻隨機訊 號。其中還有一個可以設定的是 Burst Cycle，如果 Burst Cycle 是設定在 1 Cycle 表示，當方波是上升訊號的時候，AWG 會給出一串，在本實驗中是設定 1000 個 bit 的隨機訊號。而當 Burst Cycle 是設定在 2 Cycle 的時候，當方波是上升訊 號的時候，AWG 會給出兩串，也就是總共 2000 個 bit 的隨機訊號。而這些隨機 的 OOK 訊號都會經過 Up-Converted 之後，跟 AC 訊號疊加在一起。疊加以後會傳 送至我們的 LED，讓 LED 發光，LED 發出的光線在經過 2 公尺的距離傳輸後，由 光感測器接收並由示波器分析。
64
圖 4 - 2 Clock Recovery 機制示意圖
4.1.3 接收到的 VLC 訊號
當我們用光感測器將 LED 發出的光訊號接收後，我們可以在示波器上面看到 在 Time Domain 下的 VLC 訊號的訊號圖，如圖(4-3)所示，圖(4-3.a)表示的是 Burst 模式設定在 Burst Cycle 等於 1 Cycle 的時候收到的訊號圖，可以清楚看 到在 AC 訊號的上面有許多高頻的訊號分佈，而因為我們設定 Baud Rate 是 200Kbps，所以換算下來 1000 個 bit 大約會持續 5ms，所以在示波器上，有訊號 的 AC 訊號的部份也是只有 5ms 左右的範圍。而因為 AC 訊號的頻率是 60Hz，所 以一個週期的 AC 訊號長度大約為 16.7ms，而經過整流以後，一個正半邊的 AC 訊號長度大約為 8.3ms，但是因為 LED 需要電壓高於一定的臨界電壓才有辦法發 光傳輸訊號，因此如果給 LED 的訊號低於臨界電壓的話 LED 是不會發光的，而這 段期間就算有給訊號，光感測器也是沒辦法接收到訊號，所以在是波器上看到光 感測器接收的訊號會比我們實際給 LED 的訊號還要短，大約只有 5.4ms 的長度左 右。
65
1000 PRBS OOK Symbols
First Cycle Second Cycle
Signal
66
4.1.4 訊號分析
整個訊號處理的第一個階段是用光感測器接收到訊號然後用是波器來表示，
如圖(4-4)所示，圖(4-4.a)表示示波器上看到的在 Time Domain 的訊號圖，那是 一個 AC 訊號加上高頻訊號的訊號圖。而因為這個訊號同時包含了低頻的 AC 訊號 以及高頻的訊號，所以我們將它送到一個帶通濾波器(Band Pass Filter)去做濾 波，而該帶通濾波器可以通過的頻率為 200KHz 至 400KHz，所以訊號經過該帶通 濾波器後，可以濾掉低頻的 AC 訊號及雜訊，進而得到如圖(4-4.b)部分所示的訊 號，這是一個經過 Up-Converted 的 OOK 隨機訊號。而這個經過 Up-Converted 的 OOK 隨機訊號接下來會被送到一個包含 Mixer 和低通濾波器(Low Pass Filter) 的機構內做處理。先用 Mixer 將被 Up-Converted 的 OOK 隨機訊 Down-Converted 到 Baseband，然後經過 Low Pass Filter 後濾掉兩倍頻的訊號。如此一來就可 以得到我們原先希望傳輸出去的隨機 OOK 訊號。而這個解調後的原始訊號，我們 可以用眼圖(Eye Diagram)來分析他的好壞，進而得知整個系統在訊號傳輸上能 力的強弱。
67
圖 4 - 4 訊號分析階段圖
4.1.5 眼圖
我們將解調下來的訊號去做眼圖，可以得到如圖(4-5)所示之眼圖。經過計算我 們可以得到該被解調下來的訊號的 Q 常數(Q Factor)是 5.6925，而 Bit Erro Rate(BER)是 6.2579X10-9。從眼圖的開眼率來看我們可以發現其實這組經過解調 的訊號是大部分可以被成功的解調出來的，也就是可以收到大部分正確的訊號，
不會有太多的雜訊或失真。
(a) (b)
68
圖 4 - 5 AC-LED Based VLC 系統訊號眼圖
經過計算，我們原本是設定傳輸的速率、Baud Rate 是在 200Kbps，但是因 為我們的 AC 訊號經過半波整流，所以實際存留下來的 AC 訊號只有一半，另一半 的 AC 訊號都被歸 0 了。然後因為 LED 點亮的臨界電壓的關係，所以整段正半邊 AC 訊號可以載入高頻訊號的區塊也有限制，在部分時段因為 AC 訊號振幅沒有超 過 LED 的臨界電壓，所以是不能載上訊號的。因此，平均算起來，我們這個 VLC 系統傳輸的訊號速率大約是 60Kbps。而因為我們實驗中所用的 LED 還是原本的 DC-LED，雖然我們證實了靠著 Bias Tee 可以將高頻訊號與低頻的 AC 訊號結合，
但是本質上使用的 LED 並沒有改變。如果未來我們將 LED 從 DC-LED 改變成 AC-LED 的話，將可以讓 AC 訊號的正半邊和負半邊同時傳輸訊號，因此可以將訊號傳輸 的速率提昇至 120Kbps。
69