डिजिटल विजिबल लाइट कम्युनिकेशन (DVLC) के लिए शोर न्यूनीकरण विधियाँ - IJCNC Vol.18, No.1

विषय सूची

1. परिचय

विजिबल लाइट कम्युनिकेशन (VLC) आरएफ-आधारित प्रणालियों के लिए एक आशाजनक पूरक प्रौद्योगिकी के रूप में उभरी है, जो डेटा संचरण के लिए सर्वव्यापी प्रकाश व्यवस्था का लाभ उठाती है। डिजिटल VLC (DVLC) OOK और PPM जैसे मॉड्यूलेशन स्कीम का उपयोग करता है। हालाँकि, इसका प्रदर्शन परिवेशी प्रकाश स्रोतों (जैसे, फ्लोरोसेंट लैंप) से ऑप्टिकल शोर द्वारा गंभीर रूप से बाधित होता है, जिससे तरंगरूप विरूपण और बिट एरर रेट (BER) में वृद्धि होती है। IJCNC Vol.18, No.1 (2026) में उएमुरा और हमानो द्वारा यह पेपर इस महत्वपूर्ण चुनौती को दो अलग-अलग शोर न्यूनीकरण विधियों का प्रस्ताव और मूल्यांकन करके संबोधित करता है।

2. विजिबल लाइट कम्युनिकेशन (VLC)

VLC 380-780 nm दृश्यमान स्पेक्ट्रम के भीतर कार्य करता है। सफेद एलईडी सामान्य ट्रांसमीटर हैं। डिजिटल पल्स मॉड्यूलेशन (जैसे, OOK) में, ON प्रकाश अवस्था एक बाइनरी HIGH का प्रतिनिधित्व करती है, और OFF LOW का प्रतिनिधित्व करती है। डेटा इन समय स्लॉट्स के अनुक्रम के रूप में प्रसारित किया जाता है। रिसीवर आमतौर पर अवस्थाओं के बीच अंतर करने के लिए एक वोल्टेज थ्रेशोल्ड लागू करता है।

3. VLC प्रणालियों में शोर समस्याएँ

VLC सिग्नल पर अध्यारोपित ऑप्टिकल शोर रिसीवर पर थ्रेशोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान गलत प्रतीक पहचान का कारण बन सकता है, जिससे संचार विश्वसनीयता कम हो जाती है।

3.1 आवधिक शोर (AC पावर-लाइन व्यतिकरण)

यह शोर AC-संचालित परिवेशी प्रकाश स्रोतों (जैसे, फ्लोरोसेंट लैंप) से उत्पन्न होता है। इसकी आवृत्ति स्थानीय पावर ग्रिड (50/60 Hz) से जुड़ी होती है। इस अध्ययन में, प्रयोग 60 Hz स्थितियों (पश्चिमी जापान) के तहत किए गए। शोर तरंगरूप एक पूर्वानुमेय, आवधिक प्रकृति प्रदर्शित करता है।

3.2 गैर-आवधिक शोर

इस श्रेणी में विभिन्न स्रोतों से अप्रत्याशित शोर शामिल है, जिसमें एक निश्चित आवधिक संरचना का अभाव होता है, जिससे इसे सरल तुल्यकालिक विधियों से कम करना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है।

4. प्रस्तावित विधि 1: आवधिक शोर घटाव

यह विधि AC-संचालित लाइटों से आवधिक व्यतिकरण को लक्षित करती है।

4.1 सिद्धांत और कार्यान्वयन

मूल विचार शोर तरंगरूप के एक पूर्ण चक्र का नमूना लेना है (एक ज्ञात मौन अवधि के दौरान या अनुमान द्वारा)। इस नमूने वाले शोर प्रोफ़ाइल, $n_{sample}(t)$, को फिर प्राप्त सिग्नल $r(t)$ से घटाया जाता है, जिसमें वांछित सिग्नल $s(t)$ और शोर $n(t)$ दोनों शामिल होते हैं: $r(t) = s(t) + n(t)$। साफ़ किया गया सिग्नल इस प्रकार अनुमानित है: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$।

4.2 तकनीकी विवरण एवं गणितीय सूत्रीकरण

प्रभावशीलता शोर अवधि $T_{noise}$ (जैसे, 1/60 s) के साथ सटीक तुल्यकालन पर निर्भर करती है। घटाव एनालॉग-टू-डिजिटल कन्वर्जन (ADC) के बाद डिजिटल डोमेन में किया जाता है। एक प्रमुख चुनौती फेज़ संरेखण है; एक छोटी फेज़ त्रुटि $\phi$ अवशिष्ट शोर का कारण बन सकती है: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$।

5. प्रस्तावित विधि 2: ANC-प्रेरित वास्तविक समय शोर रद्दीकरण

ध्वनिक सक्रिय शोर नियंत्रण (ANC) से प्रेरित, यह विधि आवधिक और गैर-आवधिक दोनों प्रकार के शोर को संभालती है।

5.1 प्रणाली वास्तुकला

प्रणाली एक सहायक फोटोडिटेक्टर को रणनीतिक रूप से रखती है ताकि मुख्य रूप से परिवेशी शोर घटक $n(t)$ को कैप्चर किया जा सके जबकि इच्छित VLC सिग्नल $s(t)$ के रिसेप्शन को न्यूनतम किया जा सके। यह एक संदर्भ शोर सिग्नल प्रदान करता है।

5.2 घटाव सर्किट डिज़ाइन

एक एनालॉग घटाव सर्किट (जैसे, एक डिफरेंशियल एम्पलीफायर पर आधारित) दो इनपुट प्राप्त करता है: प्राथमिक सिग्नल $r(t) = s(t) + n(t)$ और संदर्भ शोर $n_{ref}(t) \approx n(t)$। सर्किट आउटपुट देता है: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$, जहाँ $G$ एक गेन फैक्टर है जिसे प्राथमिक चैनल में शोर आयाम से मेल खाने के लिए समायोजित किया जाता है। यह वास्तविक समय, अनुकूली शोर रद्दीकरण सक्षम करता है।

6. प्रायोगिक परिणाम एवं प्रदर्शन मूल्यांकन

प्रदर्शन को बिट एरर रेट (BER) बनाम प्रति-बिट ऊर्जा से शोर पावर स्पेक्ट्रल घनत्व अनुपात ($E_b/N_0$) के मानक मीट्रिक का उपयोग करके मात्रात्मक किया गया।

6.1 BER बनाम Eb/N0 विश्लेषण

परिणाम स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि दोनों प्रस्तावित विधियाँ पारंपरिक रिसीवर की तुलना में BER बनाम $E_b/N_0$ वक्र को नीचे की ओर खिसकाती हैं। एक लक्ष्य BER (जैसे, $10^{-3}$) के लिए, ANC-प्रेरित विधि इसे कम $E_b/N_0$ पर प्राप्त करती है, जो उच्च शक्ति दक्षता और मजबूती का संकेत देती है।

6.2 तुलनात्मक प्रदर्शन

विधि 1 सरल है और प्रमुख आवधिक शोर के लिए प्रभावी है लेकिन गैर-आवधिक घटकों के खिलाफ विफल रहती है। विधि 2 अधिक जटिल है (एक अतिरिक्त फोटोडायोड और सर्किट की आवश्यकता है) लेकिन व्यापक, वास्तविक समय सुरक्षा प्रदान करती है, जिससे यह गतिशील, मिश्रित-शोर वातावरण के लिए उपयुक्त है।

7. विश्लेषण ढांचा एवं केस उदाहरण

परिदृश्य: एक सुपरमार्केट में इनडोर पोजिशनिंग के लिए एक DVLC प्रणाली। फ्लोरोसेंट लाइट्स (60 Hz) आवधिक शोर का कारण बनती हैं, और खिड़कियों से सूर्य का प्रकाश गैर-आवधिक, समय-परिवर्तनशील शोर का कारण बनता है।

ढांचा अनुप्रयोग:

1. शोर प्रोफाइलिंग: समय के साथ समग्र शोर हस्ताक्षर को लॉग करने के लिए सहायक फोटोडायोड (विधि 2) का उपयोग करें।
2. विधि चयन: इसकी अनुकूलन क्षमता के लिए ANC-प्रेरित विधि को प्राथमिक कैंसलर के रूप में लागू करें।
3. पैरामीटर ट्यूनिंग: प्राथमिक और संदर्भ चैनलों के बीच सहसंबंध के आधार पर घटाव गेन $G$ को गतिशील रूप से समायोजित करें। लीस्ट मीन स्क्वेयर (LMS) एल्गोरिदम जैसे एक सरल अनुकूली फिल्टर को माइक्रोकंट्रोलर में लागू किया जा सकता है: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$, जहाँ $e_k$ त्रुटि सिग्नल (साफ़ आउटपुट) है और $\mu$ स्टेप साइज है।
4. मान्यकरण: शोर न्यूनीकरण प्रणाली सक्षम और अक्षम के साथ पोजिशनिंग सटीकता (जैसे, सेमी में त्रुटि) मापें।

यह ढांचा वास्तविक दुनिया के संदर्भ में अनुसंधान को तैनात करने के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है।

8. अनुप्रयोग संभावनाएँ एवं भविष्य की दिशाएँ

तत्काल अनुप्रयोग: कठोर प्रकाश व्यवस्था वाले कार्यालयों/उद्योगों में लाई-फाई के लिए मजबूत VLC, VLC-आधारित इनडोर पोजिशनिंग/नेविगेशन, और शोर-प्रवण वातावरण में सुरक्षित संचार।

भविष्य के अनुसंधान दिशाएँ:

• AI-संवर्धित रद्दीकरण: पारंपरिक ANC से परे जटिल, गैर-स्थिर शोर पैटर्न की भविष्यवाणी और रद्द करने के लिए मशीन लर्निंग (जैसे, रिकरंट न्यूरल नेटवर्क) को एकीकृत करना।
• एकीकृत फोटोनिक सर्किट: ANC प्रणाली (फोटोडायोड + घटाव सर्किट) को एक एकल फोटोनिक एकीकृत चिप (PIC) में लघुकरण करना, लागत-प्रभावी बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए।
• हाइब्रिड RF/VLC प्रणालियाँ: VLC रिसीवर से शोर-संदर्भ सिग्नल का उपयोग सह-स्थित RF प्रणालियों (जैसे, वाईफाई) में भी व्यतिकरण को कम करने के लिए, जैसा कि क्रॉस-टेक्नोलॉजी व्यतिकरण अध्ययनों में खोजा गया है।
• मानकीकरण: बेहतर अंतरसंचालनीयता के लिए भविष्य के IEEE 802.15.7r1 (VLC) या अन्य लाई-फाई मानक संशोधनों के हिस्से के रूप में इन न्यूनीकरण तकनीकों का प्रस्ताव करना।

9. संदर्भ

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. (ANC सिद्धांतों पर आधारभूत पाठ)।
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. मूल विश्लेषण एवं विशेषज्ञ टिप्पणी