Kaedah Mitigasi Bunyi untuk Komunikasi Cahaya Nampak Digital (DVLC) - IJCNC Vol.18, No.1

Kandungan

1. Pengenalan

Komunikasi Cahaya Nampak (VLC) telah muncul sebagai teknologi pelengkap yang berpotensi kepada sistem berasaskan RF, dengan memanfaatkan infrastruktur pencahayaan yang ada di mana-mana untuk penghantaran data. VLC Digital (DVLC) menggunakan skema modulasi seperti OOK dan PPM. Walau bagaimanapun, prestasinya terjejas teruk oleh bunyi optik daripada sumber cahaya persekitaran (contohnya, lampu pendarfluor), menyebabkan herotan bentuk gelombang dan peningkatan Kadar Ralat Bit (BER). Kertas kerja ini daripada IJCNC Vol.18, No.1 (2026) oleh Uemura dan Hamano menangani cabaran kritikal ini dengan mencadangkan dan menilai dua kaedah mitigasi bunyi yang berbeza.

2. Komunikasi Cahaya Nampak (VLC)

VLC beroperasi dalam spektrum nampak 380-780 nm. LED putih adalah pemancar biasa. Dalam modulasi denyut digital (contohnya, OOK), keadaan cahaya ON mewakili binari TINGGI, dan OFF mewakili RENDAH. Data dihantar sebagai urutan slot masa ini. Penerima biasanya menggunakan ambang voltan untuk membezakan antara keadaan.

3. Masalah Bunyi dalam Sistem VLC

Bunyi optik yang bertindih pada isyarat VLC boleh menyebabkan pengesanan simbol yang tidak betul semasa proses ambang di penerima, menjejaskan kebolehpercayaan komunikasi.

3.1 Bunyi Berkala (Gangguan Talian Kuasa AC)

Bunyi ini berasal daripada sumber cahaya persekitaran berkuasa AC (contohnya, lampu pendarfluor). Frekuensinya berkaitan dengan grid kuasa tempatan (50/60 Hz). Dalam kajian ini, eksperimen dijalankan di bawah keadaan 60 Hz (Jepun Barat). Bentuk gelombang bunyi menunjukkan sifat berkala yang boleh diramal.

3.2 Bunyi Tidak Berkala

Kategori ini termasuk bunyi yang tidak boleh diramal daripada pelbagai sumber, tanpa struktur berkala yang tetap, menjadikannya lebih mencabar untuk dikurangkan dengan kaedah segerak yang mudah.

4. Kaedah Cadangan 1: Penolakan Bunyi Berkala

Kaedah ini mensasarkan gangguan berkala daripada lampu berkuasa AC.

4.1 Prinsip dan Pelaksanaan

Idea teras adalah untuk mengambil sampel satu kitaran lengkap bentuk gelombang bunyi (semasa tempoh senyap yang diketahui atau melalui anggaran). Profil bunyi yang disampel ini, $n_{sample}(t)$, kemudiannya ditolak daripada isyarat yang diterima $r(t)$, yang mengandungi kedua-dua isyarat yang dikehendaki $s(t)$ dan bunyi $n(t)$: $r(t) = s(t) + n(t)$. Isyarat yang dibersihkan dianggarkan sebagai: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 Butiran Teknikal & Formulasi Matematik

Keberkesanannya bergantung pada penyegerakan yang tepat kepada tempoh bunyi $T_{noise}$ (contohnya, 1/60 s). Penolakan dilakukan dalam domain digital selepas Penukaran Analog-ke-Digital (ADC). Cabaran utama adalah penjajaran fasa; ralat fasa kecil $\phi$ boleh menyebabkan bunyi baki: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. Kaedah Cadangan 2: Pembatalan Bunyi Masa Nyata Terinspirasi ANC

Terinspirasi oleh Kawalan Bunyi Aktif (ANC) akustik, kaedah ini mengendalikan kedua-dua bunyi berkala dan tidak berkala.

5.1 Seni Bina Sistem

Sistem ini memperkenalkan fotopengesan tambahan yang diletakkan secara strategik untuk menangkap terutamanya komponen bunyi persekitaran $n(t)$ sambil meminimumkan penerimaan isyarat VLC yang dimaksudkan $s(t)$. Ini menyediakan isyarat bunyi rujukan.

5.2 Reka Bentuk Litar Penolakan

Litar penolakan analog (contohnya, berdasarkan penguat pembeza) menerima dua input: isyarat utama $r(t) = s(t) + n(t)$ dan bunyi rujukan $n_{ref}(t) \approx n(t)$. Litar mengeluarkan: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$, di mana $G$ adalah faktor gandaan yang diselaraskan untuk memadankan amplitud bunyi dalam saluran utama. Ini membolehkan pembatalan bunyi masa nyata dan adaptif.

6. Keputusan Eksperimen & Penilaian Prestasi

Prestasi diukur menggunakan metrik piawai Kadar Ralat Bit (BER) berbanding Nisbah Tenaga-per-bit kepada Ketumpatan Spektrum Kuasa Bunyi ($E_b/N_0$).

6.1 Analisis BER vs. Eb/N0

Keputusan jelas menunjukkan bahawa kedua-dua kaedah yang dicadangkan mengalihkan lengkung BER vs. $E_b/N_0$ ke bawah berbanding penerima konvensional. Untuk sasaran BER (contohnya, $10^{-3}$), kaedah terinspirasi ANC mencapainya pada $E_b/N_0$ yang lebih rendah, menunjukkan kecekapan kuasa dan keteguhan yang lebih tinggi.

6.2 Prestasi Perbandingan

Kaedah 1 lebih mudah dan berkesan untuk bunyi berkala dominan tetapi gagal terhadap komponen tidak berkala. Kaedah 2 lebih kompleks (memerlukan fotodiod tambahan dan litar) tetapi menawarkan perlindungan menyeluruh dan masa nyata, menjadikannya sesuai untuk persekitaran bunyi bercampur yang dinamik.

7. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Skenario: Sistem DVLC untuk penentududukan dalaman di pasar raya. Lampu pendarfluor (60 Hz) menyebabkan bunyi berkala, dan cahaya matahari dari tingkap menyebabkan bunyi tidak berkala yang berubah mengikut masa.

Aplikasi Kerangka:

1. Profil Bunyi: Gunakan fotodiod tambahan (Kaedah 2) untuk merekodkan tandatangan bunyi komposit dari masa ke masa.
2. Pemilihan Kaedah: Laksanakan kaedah terinspirasi ANC sebagai pembatal utama untuk kebolehsesuaiannya.
3. Penalaan Parameter: Laraskan gandaan penolakan $G$ secara dinamik berdasarkan korelasi antara saluran utama dan rujukan. Penapis adaptif mudah seperti algoritma Kuasa Dua Terkecil Min (LMS) boleh dilaksanakan dalam mikropengawal: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$, di mana $e_k$ adalah isyarat ralat (output yang dibersihkan) dan $\mu$ adalah saiz langkah.
4. Pengesahan: Ukur ketepatan penentududukan (contohnya, ralat dalam cm) dengan dan tanpa sistem mitigasi bunyi diaktifkan.

Kerangka ini menunjukkan pendekatan sistematik untuk menggunakan penyelidikan ini dalam konteks dunia sebenar.

8. Prospek Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

Aplikasi Segera: VLC teguh untuk Li-Fi di pejabat/industri dengan pencahayaan keras, penentududukan/navigasi dalaman berasaskan VLC, dan komunikasi selamat dalam persekitaran yang terdedah kepada bunyi.

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:

• Pembatalan Dipertingkatkan AI: Mengintegrasikan pembelajaran mesin (contohnya, rangkaian neural berulang) untuk meramalkan dan membatalkan corak bunyi kompleks dan tidak pegun di luar ANC tradisional.
• Litar Fotonik Bersepadu: Mengecilkan sistem ANC (fotodiod + litar penolakan) ke dalam cip bersepadu fotonik (PIC) tunggal untuk penyebaran besar-besaran yang kos efektif.
• Sistem Hibrid RF/VLC: Menggunakan isyarat rujukan bunyi daripada penerima VLC untuk juga mengurangkan gangguan dalam sistem RF yang terletak bersama (contohnya, WiFi), seperti yang diterokai dalam kajian gangguan teknologi silang.
• Pemiawaian: Mencadangkan teknik mitigasi ini sebagai sebahagian daripada pindaan piawai IEEE 802.15.7r1 (VLC) atau Li-Fi masa depan untuk kebolehoperasian yang lebih baik.

9. Rujukan

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. (Teks asas mengenai prinsip 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. Analisis Asal & Ulasan Pakar