Njia za Kupunguza Kelele kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Kidijitali (DVLC) - IJCNC Juz.18, Na.1

Yaliyomo

1. Utangulizi

Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC) yameibuka kama teknolojia ya ziada yenye matumaini kwa mifumo inayotegemea RF, ikitumia miundombinu ya taa iliyoko kila mahali kwa usambazaji wa data. VLC ya Kidijitali (DVLC) hutumia mifumo ya modulisho kama OOK na PPM. Hata hivyo, utendaji wake unakwamishwa sana na kelele ya mwanga kutoka kwa vyanzo vya mwanga vya mazingira (mfano, taa za fluorescent), na kusababisha uharibifu wa umbo la wimbi na kuongezeka kwa Viwango vya Makosa ya Bit (BER). Karatasi hii kutoka IJCNC Juz.18, Na.1 (2026) ya Uemura na Hamano inashughulikia changamoto hii muhimu kwa kupendekeza na kutathmini njia mbili tofauti za kupunguza kelele.

2. Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana (VLC)

VLC hufanya kazi ndani ya wigo unaoonekana wa nm 380-780. LED nyeupe ni vifaa vya kawaida vya kutuma. Katika modulisho ya kidundo cha dijitali (mfano, OOK), hali ya taa ya WASHI inawakilisha binary HIGH, na ZIMA inawakilisha LOW. Data husambazwa kama mlolongo wa vipindi hivi vya wakati. Kipokezi kwa kawaida hutumia kizingiti cha voltage kutofautisha kati ya hali.

3. Matatizo ya Kelele katika Mifumo ya VLC

Kelele ya mwanga iliyowekwa juu ya ishara ya VLC inaweza kusababisha ugunduzi usio sahihi wa alama wakati wa mchakato wa kizingiti kwenye kipokezi, na kudhoofisha uaminifu wa mawasiliano.

3.1 Kelele ya Marakwa (Uvurugaji wa Mstari wa Nguvu wa AC)

Kelele hii hutokana na vyanzo vya mwanga vya mazingira vinavyotumia nguvu ya AC (mfano, taa za fluorescent). Mzunguko wake umeunganishwa na mtandao wa umma wa eneo hilo (50/60 Hz). Katika utafiti huu, majaribio yalifanyika chini ya hali ya 60 Hz (Magharibi mwa Japani). Umbo la wimbi la kelele linaonyesha hali ya kutabirika, ya mara kwa mara.

3.2 Kelele Isiyo ya Marakwa

Jamii hii inajumuisha kelele isiyotabirika kutoka kwa vyanzo mbalimbali, bila muundo thabiti wa mara kwa mara, na kufanya iwe changamoto zaidi kudhibiti kwa njia rahisi za sinkronia.

4. Njia Iliyopendekezwa 1: Utoaji wa Kelele ya Marakwa

Njia hii inalenga uvurugaji wa mara kwa mara kutoka kwa taa zinazotumia AC.

4.1 Kanuni na Utekelezaji

Wazo kuu ni kuchukua sampuli ya mzunguko mmoja kamili wa umbo la wimbi la kelele (wakati wa kipindi cha kimya kinachojulikana au kwa makadirio). Profaili hii ya kelele iliyosampuli, $n_{sample}(t)$, kisha hutolewa kutoka kwa ishara iliyopokelewa $r(t)$, ambayo ina ishara inayotakiwa $s(t)$ na kelele $n(t)$: $r(t) = s(t) + n(t)$. Ishara iliyosafishwa inakadiriwa kama: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 Maelezo ya Kiufundi & Muundo wa Kihisabati

Ufanisi unategemea usawazishaji sahihi wa kipindi cha kelele $T_{noise}$ (mfano, 1/60 s). Utoaji hufanyika katika kikoa cha dijitali baada ya Ubadilishaji wa Analogi-hadi-Dijitali (ADC). Changamoto kuu ni usawazishaji wa awamu; hitilafu ndogo ya awamu $\phi$ inaweza kusababisha kelele iliyobaki: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. Njia Iliyopendekezwa 2: Uondoaji wa Kelele wa Wakati Halisi Unaongozwa na ANC

Ikiwa imeongozwa na Udhibiti wa Kelele wa Kaimu (ANC) wa sauti, njia hii inashughulikia kelele ya mara kwa mara na isiyo ya mara kwa mara.

5.1 Usanifu wa Mfumo

Mfumo huu unaanzisha kigunduzi cha mwanga cha ziada kilichowekwa kwa mkakati ili kukamata hasa sehemu ya kelele ya mazingira $n(t)$ huku ikipunguza kupokea kwa ishara ya VLC inayokusudiwa $s(t)$. Hii hutoa ishara ya kumbukumbu ya kelele.

5.2 Usanifu wa Saketi ya Utoaji

Saketi ya utoaji ya analogi (mfano, inayotegemea kikuza tofauti) hupokea pembejeo mbili: ishara kuu $r(t) = s(t) + n(t)$ na kelele ya kumbukumbu $n_{ref}(t) \approx n(t)$. Saketi hutoa: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$, ambapo $G$ ni sababu ya faida iliyorekebishwa ili kufanana na ukubwa wa kelele katika kituo cha msingi. Hii inawezesha uondoaji wa kelele wa wakati halisi, unaoweza kubadilika.

6. Matokeo ya Majaribio & Tathmini ya Utendaji

Utendaji ulipimwa kwa kutumia kipimo cha kawaida cha Kiwango cha Makosa ya Bit (BER) dhidi ya uwiano wa Nishati-kwa-bit hadi msongamano wa nguvu ya wigo wa kelele ($E_b/N_0$).

6.1 Uchambuzi wa BER dhidi ya Eb/N0

Matokeo yanaonyesha wazi kuwa njia zote mbili zilizopendekezwa hubadilisha mkunjo wa BER dhidi ya $E_b/N_0$ chini kulinganisha na kipokezi cha kawaida. Kwa BER lengwa (mfano, $10^{-3}$), njia inayoongozwa na ANC hufikia hii kwa $E_b/N_0$ ya chini, ikionyesha ufanisi wa juu wa nguvu na uthabiti.

6.2 Utendaji wa Kulinganisha

Njia 1 ni rahisi na inafanya kazi kwa kelele kuu ya mara kwa mara lakini inashindwa dhidi ya vipengele visivyo vya mara kwa mara. Njia 2 ni ngumu zaidi (inahitaji fotodiodi ya ziada na saketi) lakini inatoa ulinzi kamili, wa wakati halisi, na kuifanya ifae kwa mazingira ya kelele mchanganyiko, yanayobadilika.

7. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Hali: Mfumo wa DVLC kwa uwekaji wa ndani katika duka kuu. Taa za fluorescent (60 Hz) husababisha kelele ya mara kwa mara, na mwanga wa jua kutoka madirisha husababisha kelele isiyo ya mara kwa mara, inayobadilika kwa wakati.

Utumiaji wa Mfumo:

1. Uchambuzi wa Profaili ya Kelele: Tumia fotodiodi ya ziada (Njia 2) kurekodi saini ya kelele iliyochanganywa kwa muda.
2. Uchaguzi wa Njia: Tekeleza njia inayoongozwa na ANC kama kiondoaji kikuu kwa sababu ya uwezo wake wa kubadilika.
3. Usawazishaji wa Vigezo: Rekebisha faida ya utoaji $G$ kwa nguvu kulingana na uhusiano kati ya vituo vya msingi na vya kumbukumbu. Kichujio kinachobadilika rahisi kama algorithm ya Least Mean Squares (LMS) kinaweza kutekelezwa katika kontrolla ndogo: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$, ambapo $e_k$ ni ishara ya hitilafu (matokeo yaliyosafishwa) na $\mu$ ni ukubwa wa hatua.
4. Uthibitishaji: Pima usahihi wa uwekaji (mfano, hitilafu kwa cm) ikiwa na bila mfumo wa kupunguza kelele umewashwa.

Mfumo huu unaonyesha njia ya kimfumo ya kupeleka utafiti katika muktadha halisi wa ulimwengu.

8. Mtazamo wa Matumizi & Mwelekeo wa Baadaye

Matumizi ya Haraka: VLC thabiti kwa Li-Fi katika ofisi/viwanda zilizo na taa kali, uwekaji wa ndani/usafiri unaotegemea VLC, na mawasiliano salama katika mazingira yenye kelele nyingi.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

• Uondoaji Ulioimarishwa na AI: Kuunganisha ujifunzaji wa mashine (mfano, mitandao ya neva inayorudiwa) kutabiri na kufuta muundo tata wa kelele usio thabiti zaidi ya ANC ya kawaida.
• Saketi za Picha Zilizounganishwa: Kupunguza ukubwa wa mfumo wa ANC (fotodiodi + saketi ya utoaji) kuwa chip moja iliyounganishwa ya picha (PIC) kwa usambazaji wa wingi wenye gharama nafuu.
• Mifumo ya Mchanganyiko ya RF/VLC: Kutumia ishara ya kumbukumbu ya kelele kutoka kwa kipokezi cha VLC pia kupunguza uvurugaji katika mifumo ya RF iliyoko pamoja (mfano, WiFi), kama ilivyochunguzwa katika masomo ya uvurugaji wa teknolojia mbalimbali.
• Usanifishaji: Kupendekeza mbinu hizi za udhibiti kama sehemu ya marekebisho ya baadaye ya IEEE 802.15.7r1 (VLC) au sanifu nyingine za Li-Fi kwa uendeshaji bora.

9. Marejeo

1. Uemura, W., & Hamano, T. (2026). Njia za Kupunguza Kelele kwa Mawasiliano ya Mwanga Unaonekana ya Kidijitali. Jarida la Kimataifa la Mitandao ya Kompyuta & Mawasiliano (IJCNC), Juz.18, Na.1, uk.51-52.
2. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Mawasiliano ya Infrared Bila Waya. Matukio ya IEEE, 85(2), 265-298.
3. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). LiFi ni nini? Jarida la Teknolojia ya Mwanga wa Wimbi, 34(6), 1533-1544.
4. Kuo, S. M., & Morgan, D. R. (1996). Mifumo ya Udhibiti wa Kelele wa Kaimu: Algorithms na Utekelezaji wa DSP. John Wiley & Sons. (Nakala ya msingi juu ya kanuni za ANC).
5. Sanifu ya IEEE kwa Mitandao ya Eneo la Ndani na Jiji–Sehemu ya 15.7: Mawasiliano ya Kioo Bila Waya ya Mfupi Kutumia Mwanga Unaonekana. (2018). IEEE Std 802.15.7-2018.

10. Uchambuzi wa Asili & Uhakiki wa Mtaalamu