Sayısal Görünür Işık Haberleşmesi (DVLC) için Gürültü Azaltma Yöntemleri - IJCNC Cilt.18, Sayı.1

İçindekiler

1. Giriş

Görünür Işık Haberleşmesi (VLC), yaygın aydınlatma altyapısını veri iletimi için kullanarak, RF tabanlı sistemlere umut verici bir tamamlayıcı teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Sayısal VLC (DVLC), OOK ve PPM gibi modülasyon şemalarını kullanır. Ancak, performansı ortam ışık kaynaklarından (örn. floresan lambalar) gelen optik gürültü nedeniyle ciddi şekilde engellenir; bu da dalga formu bozulmasına ve Bit Hata Oranı (BER) artışına yol açar. Uemura ve Hamano tarafından yazılan bu IJCNC Cilt.18, Sayı.1 (2026) makalesi, bu kritik zorluğu ele almak için iki farklı gürültü azaltma yöntemi önerip değerlendirmektedir.

2. Görünür Işık Haberleşmesi (VLC)

VLC, 380-780 nm görünür spektrum aralığında çalışır. Beyaz LED'ler yaygın vericilerdir. Sayısal darbe modülasyonunda (örn. OOK), AÇIK ışık durumu ikili YÜKSEK'i, KAPALI durumu ise DÜŞÜK'ü temsil eder. Veri, bu zaman dilimlerinin bir dizisi olarak iletilir. Alıcı tipik olarak durumları ayırt etmek için bir voltaj eşiği uygular.

3. VLC Sistemlerinde Gürültü Sorunları

VLC sinyaline bindirilen optik gürültü, alıcıdaki eşikleme işlemi sırasında yanlış sembol tespitine neden olabilir ve iletişim güvenilirliğini düşürebilir.

3.1 Periyodik Gürültü (AC Şebeke Girişimi)

Bu gürültü, AC ile çalışan ortam ışık kaynaklarından (örn. floresan lambalar) kaynaklanır. Frekansı yerel elektrik şebekesine (50/60 Hz) bağlıdır. Bu çalışmada, deneyler 60 Hz koşullarında (Batı Japonya) yürütülmüştür. Gürültü dalga formu öngörülebilir, periyodik bir doğa sergiler.

3.2 Periyodik Olmayan Gürültü

Bu kategori, çeşitli kaynaklardan gelen, sabit bir periyodik yapıdan yoksun, öngörülemeyen gürültüleri içerir; bu da basit senkron yöntemlerle azaltılmasını daha zorlu hale getirir.

4. Önerilen Yöntem 1: Periyodik Gürültü Çıkarma

Bu yöntem, AC ile çalışan ışıklardan kaynaklanan periyodik girişimi hedefler.

4.1 İlke ve Uygulama

Temel fikir, gürültü dalga formunun bir tam döngüsünü (bilinen bir sessiz periyotta veya tahmin yoluyla) örneklemektir. Bu örneklenmiş gürültü profili, $n_{sample}(t)$, daha sonra hem istenen sinyal $s(t)$ hem de gürültü $n(t)$ içeren alınan sinyal $r(t)$'den çıkarılır: $r(t) = s(t) + n(t)$. Temizlenmiş sinyal şu şekilde yaklaşık olarak ifade edilir: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - n_{sample}(t)$.

4.2 Teknik Detaylar ve Matematiksel Formülasyon

Etkinlik, gürültü periyodu $T_{noise}$ (örn. 1/60 s) ile doğru senkronizasyona dayanır. Çıkarma işlemi, Analog-Sayısal Dönüştürme (ADC) sonrasında sayısal ortamda gerçekleştirilir. Temel bir zorluk faz hizalamasıdır; küçük bir faz hatası $\phi$ artık gürültüye yol açabilir: $n_{residual}(t) = n(t) - n_{sample}(t - \phi)$.

5. Önerilen Yöntem 2: ANC'den Esinlenen Gerçek Zamanlı Gürültü İptali

Akustik Aktif Gürültü Kontrolü'nden (ANC) esinlenen bu yöntem, hem periyodik hem de periyodik olmayan gürültüyü işler.

5.1 Sistem Mimarisi

Sistem, öncelikle ortam gürültü bileşeni $n(t)$'yi yakalarken, amaçlanan VLC sinyali $s(t)$'nin alımını en aza indirecek şekilde stratejik olarak yerleştirilmiş bir yardımcı fotodedektör kullanır. Bu, bir referans gürültü sinyali sağlar.

5.2 Çıkarma Devresi Tasarımı

Bir analog çıkarma devresi (örn. diferansiyel amplifikatör tabanlı) iki giriş alır: birincil sinyal $r(t) = s(t) + n(t)$ ve referans gürültü $n_{ref}(t) \approx n(t)$. Devre şu çıktıyı verir: $s_{cleaned}(t) \approx r(t) - G \cdot n_{ref}(t)$, burada $G$, birincil kanaldaki gürültü genliğiyle eşleşecek şekilde ayarlanan bir kazanç faktörüdür. Bu, gerçek zamanlı, uyarlanabilir gürültü iptalini mümkün kılar.

6. Deneysel Sonuçlar ve Performans Değerlendirmesi

Performans, Bit Hata Oranı (BER) - Bit Başına Enerji/Gürültü Güç Spektral Yoğunluğu Oranı ($E_b/N_0$) karşılaştırması kullanılarak ölçülmüştür.

6.1 BER - Eb/N0 Analizi

Sonuçlar, önerilen her iki yöntemin de geleneksel alıcıya kıyasla BER - $E_b/N_0$ eğrisini aşağı kaydırdığını açıkça göstermektedir. Hedef bir BER (örn. $10^{-3}$) için, ANC'den esinlenen yöntem bunu daha düşük bir $E_b/N_0$'da başarır; bu da daha yüksek güç verimliliği ve sağlamlık anlamına gelir.

6.2 Karşılaştırmalı Performans

Yöntem 1 daha basittir ve baskın periyodik gürültü için etkilidir ancak periyodik olmayan bileşenlere karşı başarısız olur. Yöntem 2 daha karmaşıktır (ekstra bir fotodiyot ve devre gerektirir) ancak kapsamlı, gerçek zamanlı koruma sunar; bu da onu dinamik, karışık gürültülü ortamlar için uygun kılar.

7. Analiz Çerçevesi ve Örnek Vaka

Senaryo: Bir süpermarkette kapalı alan konumlandırma için bir DVLC sistemi. Floresan ışıklar (60 Hz) periyodik gürültüye, pencerelerden gelen güneş ışığı ise periyodik olmayan, zamana bağlı değişen gürültüye neden olmaktadır.

Çerçeve Uygulaması:

1. Gürültü Profili Çıkarma: Yardımcı fotodiyotu (Yöntem 2) zaman içinde bileşik gürültü imzasını kaydetmek için kullanın.
2. Yöntem Seçimi: Uyarlanabilirliği nedeniyle birincil iptal edici olarak ANC'den esinlenen yöntemi uygulayın.
3. Parametre Ayarlama: Çıkarma kazancı $G$'yi, birincil ve referans kanalları arasındaki korelasyona dayanarak dinamik olarak ayarlayın. En Küçük Ortalama Kareler (LMS) algoritması gibi basit bir uyarlanabilir filtre bir mikrodenetleyicide uygulanabilir: $G_{k+1} = G_k + \mu \cdot e_k \cdot n_{ref,k}$, burada $e_k$ hata sinyali (temizlenmiş çıktı), $\mu$ ise adım boyutudur.
4. Doğrulama: Gürültü azaltma sistemi etkin ve etkin değilken konumlandırma doğruluğunu (örn. cm cinsinden hata) ölçün.

Bu çerçeve, araştırmanın gerçek dünya bağlamında sistematik bir şekilde uygulanmasını göstermektedir.

8. Uygulama Öngörüsü ve Gelecek Yönelimler

Yakın Vadeli Uygulamalar: Zorlu aydınlatmaya sahip ofis/endüstrilerde Li-Fi için sağlam VLC, VLC tabanlı kapalı alan konumlandırma/navigasyon ve gürültüye eğilimli ortamlarda güvenli iletişim.

Gelecek Araştırma Yönelimleri:

• Yapay Zeka ile Geliştirilmiş İptal: Geleneksel ANC'nin ötesinde karmaşık, durağan olmayan gürültü desenlerini tahmin etmek ve iptal etmek için makine öğrenimi (örn. tekrarlayan sinir ağları) entegrasyonu.
• Tümleşik Fotonik Devreler: ANC sistemini (fotodiyot + çıkarma devresi) tek bir fotonik tümleşik çip (PIC) içinde küçülterek uygun maliyetli seri üretim için.
• Hibrit RF/VLC Sistemleri: VLC alıcısından gelen gürültü referans sinyalini, aynı yerde bulunan RF sistemlerdeki (örn. WiFi) girişimi azaltmak için de kullanmak; çapraz teknoloji girişimi çalışmalarında araştırıldığı gibi.
• Standardizasyon: Geliştirilmiş birlikte çalışabilirlik için gelecekteki IEEE 802.15.7r1 (VLC) veya diğer Li-Fi standardı değişikliklerinin bir parçası olarak bu azaltma tekniklerini önermek.

9. Kaynaklar

1. Uemura, W., & Hamano, T. (2026). Noise Mitigation Methods for Digital Visible Light Communication. International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), Cilt.18, Sayı.1, ss.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 ilkeleri üzerine temel metin).
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. Özgün Analiz ve Uzman Yorumu