روش‌های کاهش نویز در ارتباطات دیجیتال نور مرئی (DVLC) - IJCNC جلد ۱۸، شماره ۱

فهرست مطالب

1. مقدمه

ارتباطات نور مرئی (VLC) به عنوان یک فناوری مکمل امیدبخش برای سیستم‌های مبتنی بر RF ظهور کرده است که از زیرساخت روشنایی همه‌جا حاضر برای انتقال داده استفاده می‌کند. VLC دیجیتال (DVLC) از طرح‌های مدولاسیونی مانند OOK و PPM استفاده می‌کند. با این حال، عملکرد آن به شدت تحت تأثیر نویز نوری از منابع نور محیطی (مانند لامپ‌های فلورسنت) قرار می‌گیرد که منجر به اعوجاج شکل موج و افزایش نرخ خطای بیتی (BER) می‌شود. این مقاله از IJCNC جلد ۱۸، شماره ۱ (۲۰۲۶) توسط اومورا و هامانو، با پیشنهاد و ارزیابی دو روش مجزای کاهش نویز، به این چالش حیاتی می‌پردازد.

2. ارتباطات نور مرئی (VLC)

VLC در طیف مرئی ۷۸۰-۳۸۰ نانومتر عمل می‌کند. LEDهای سفید فرستنده‌های رایج هستند. در مدولاسیون پالسی دیجیتال (مانند OOK)، حالت روشن نور نشان‌دهنده باینری HIGH و حالت خاموش نشان‌دهنده LOW است. داده‌ها به صورت دنباله‌ای از این بازه‌های زمانی ارسال می‌شوند. گیرنده معمولاً یک آستانه ولتاژ اعمال می‌کند تا بین حالت‌ها تمایز قائل شود.

3. مشکلات نویز در سیستم‌های VLC

نویز نوری که بر روی سیگنال VLC سوار می‌شود، می‌تواند در فرآیند آستانه‌گذاری در گیرنده باعث تشخیص نادرست نماد شود و قابلیت اطمینان ارتباط را کاهش دهد.

3.1 نویز تناوبی (تداخل خط برق AC)

این نویز از منابع نور محیطی تغذیه‌شده با برق AC (مانند لامپ‌های فلورسنت) ناشی می‌شود. فرکانس آن به شبکه برق محلی (۵۰/۶۰ هرتز) وابسته است. در این مطالعه، آزمایش‌ها تحت شرایط ۶۰ هرتز (غرب ژاپن) انجام شد. شکل موج نویز ماهیتی قابل پیش‌بینی و تناوبی از خود نشان می‌دهد.

3.2 نویز غیرتناوبی

این دسته شامل نویزهای غیرقابل پیش‌بینی از منابع مختلف است که فاقد ساختار تناوبی ثابت هستند و کاهش آن با روش‌های ساده همزمان را چالش‌برانگیزتر می‌کند.

4. روش پیشنهادی اول: تفریق نویز تناوبی

این روش هدف قرار دادن تداخل تناوبی از نورهای تغذیه‌شده با AC است.

4.1 اصل و پیاده‌سازی

ایده اصلی نمونه‌برداری از یک چرخه کامل شکل موج نویز (در طول یک دوره سکوت شناخته‌شده یا از طریق تخمین) است. این پروفایل نویز نمونه‌برداری‌شده، $n_{sample}(t)$، سپس از سیگنال دریافتی $r(t)$ که شامل هر دو سیگنال مطلوب $s(t)$ و نویز $n(t)$ است تفریق می‌شود: $r(t) = s(t) + n(t)$. سیگنال پاک‌شده به صورت زیر تقریب زده می‌شود: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

اثربخشی به همگام‌سازی دقیق با دوره نویز $T_{noise}$ (مثلاً ۱/۶۰ ثانیه) وابسته است. عمل تفریق در حوزه دیجیتال پس از تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) انجام می‌شود. یک چالش کلیدی هم‌ترازی فاز است؛ یک خطای فاز کوچک $\phi$ می‌تواند منجر به نویز باقیمانده شود: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. روش پیشنهادی دوم: حذف نویز بلادرنگ الهام‌گرفته از ANC

این روش که از کنترل فعال نویز آکوستیک (ANC) الهام گرفته شده است، هر دو نویز تناوبی و غیرتناوبی را مدیریت می‌کند.

5.1 معماری سیستم

سیستم یک فوتودتکتور کمکی را معرفی می‌کند که به‌طور استراتژیک قرار می‌گیرد تا عمدتاً مؤلفه نویز محیطی $n(t)$ را ثبت کند و در عین حال دریافت سیگنال VLC مورد نظر $s(t)$ را به حداقل برساند. این کار یک سیگنال نویز مرجع فراهم می‌کند.

5.2 طراحی مدار تفریق

یک مدار تفریق آنالوگ (مثلاً مبتنی بر یک تقویت‌کننده تفاضلی) دو ورودی دریافت می‌کند: سیگنال اصلی $r(t) = s(t) + n(t)$ و نویز مرجع $n_{ref}(t) \approx n(t)$. مدار خروجی می‌دهد: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$، که در آن $G$ یک فاکتور بهره است که برای تطابق دامنه نویز در کانال اصلی تنظیم می‌شود. این امر امکان حذف نویز بلادرنگ و تطبیقی را فراهم می‌کند.

6. نتایج آزمایشی و ارزیابی عملکرد

عملکرد با استفاده از معیار استاندارد نرخ خطای بیتی (BER) در مقابل نسبت انرژی به‌ازای هر بیت به چگالی طیفی توان نویز ($E_b/N_0$) کمی‌سازی شد.

6.1 تحلیل BER در مقابل Eb/N0

نتایج به وضوح نشان می‌دهد که هر دو روش پیشنهادی منحنی BER در مقابل $E_b/N_0$ را در مقایسه با گیرنده متداول به سمت پایین جابجا می‌کنند. برای یک BER هدف (مثلاً $10^{-3}$)، روش الهام‌گرفته از ANC این هدف را در $E_b/N_0$ پایین‌تری محقق می‌کند که نشان‌دهنده بازده توان بالاتر و استحکام بیشتر است.

6.2 عملکرد مقایسه‌ای

روش ۱ ساده‌تر و برای نویز تناوبی غالب مؤثر است اما در برابر مؤلفه‌های غیرتناوبی شکست می‌خورد. روش ۲ پیچیده‌تر است (نیاز به یک فوتودیود اضافی و مدار دارد) اما محافظت جامع و بلادرنگ ارائه می‌دهد و آن را برای محیط‌های پویا با نویز مختلط مناسب می‌سازد.

7. چارچوب تحلیل و مثال موردی

سناریو: یک سیستم DVLC برای موقعیت‌یابی داخلی در یک سوپرمارکت. لامپ‌های فلورسنت (۶۰ هرتز) باعث نویز تناوبی می‌شوند و نور خورشید از پنجره‌ها باعث نویز غیرتناوبی و متغیر با زمان می‌شود.

کاربرد چارچوب:

1. پروفایل‌بندی نویز: از فوتودیود کمکی (روش ۲) برای ثبت امضای نویز ترکیبی در طول زمان استفاده کنید.
2. انتخاب روش: روش الهام‌گرفته از ANC را به عنوان حذف‌کننده اولیه به دلیل قابلیت تطبیق‌پذیری آن پیاده‌سازی کنید.
3. تنظیم پارامترها: بهره تفریق $G$ را به صورت پویا بر اساس همبستگی بین کانال اصلی و کانال مرجع تنظیم کنید. یک فیلتر تطبیقی ساده مانند الگوریتم کمترین میانگین مربعات (LMS) می‌تواند در یک میکروکنترلر پیاده‌سازی شود: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$، که در آن $e_k$ سیگنال خطا (خروجی پاک‌شده) و $\mu$ اندازه گام است.
4. اعتبارسنجی: دقت موقعیت‌یابی (مثلاً خطا بر حسب سانتی‌متر) را با و بدون سیستم کاهش نویز فعال اندازه‌گیری کنید.

این چارچوب یک رویکرد سیستماتیک برای استقرار تحقیق در یک زمینه واقعی را نشان می‌دهد.

8. چشم‌انداز کاربرد و جهت‌های آینده

کاربردهای فوری: VLC قوی برای Li-Fi در دفاتر/صنایع با نورپردازی خشن، موقعیت‌یابی/ناوبری داخلی مبتنی بر VLC، و ارتباطات امن در محیط‌های مستعد نویز.

جهت‌های تحقیقاتی آینده:

• حذف تقویت‌شده با هوش مصنوعی: ادغام یادگیری ماشین (مانند شبکه‌های عصبی بازگشتی) برای پیش‌بینی و حذف الگوهای نویز پیچیده و غیرایستا فراتر از ANC سنتی.
• مدارهای فوتونیک یکپارچه: کوچک‌سازی سیستم ANC (فوتودیود + مدار تفریق) در یک تراشه فوتونیک یکپارچه (PIC) برای استقرار انبوه مقرون به صرفه.
• سیستم‌های ترکیبی RF/VLC: استفاده از سیگنال مرجع نویز از گیرنده VLC برای کاهش تداخل در سیستم‌های RF هم‌مکان (مانند WiFi)، همان‌طور که در مطالعات تداخل بین فناوری‌ها بررسی شده است.
• استانداردسازی: پیشنهاد این تکنیک‌های کاهش به عنوان بخشی از اصلاحات آینده استاندارد IEEE 802.15.7r1 (VLC) یا سایر اصلاحات استاندارد Li-Fi برای بهبود قابلیت همکاری.

9. مراجع

1. Uemura, W., & Hamano, T. (2026). Noise Mitigation Methods for Digital Visible Light Communication. International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Vol.18, No.1, pp.51-52.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless Infrared Communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi? Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
4. Kuo, S. M., & Morgan, D. R. (1996). Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. John Wiley & Sons. (متن پایه‌ای در اصول ANC).
5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. (2018). IEEE Std 802.15.7-2018.

10. تحلیل اصلی و تفسیر کارشناسی