Implementación y validación de un método de detección de errores en sentido directo para un sistema de comunicaciones a través de la luz visible

Abstract

El desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticas (OWC) ha ido creciendo en gran medida en las dos últimas décadas, gracias a las características benéficas de los diodos emisores de luz (LED). Su convergencia en comunicaciones y en iluminación ha despertado interés en millones de personas alrededor del mundo. Sin embargo, seleccionar los componentes y hacer un sistema real, no es una tarea sencilla. Por esa razón diferentes organizaciones están motivadas en el desarrollo eficiente de ésta tecnología, aumentado el interés del autor para que se continúe apoyando la investigación en el desarrollo eficiente de sistemas de comunicaciones de un modo limpio y seguro. Este estudio, forma parte de una rama de las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC), particularmente las comunicaciones a través de la luz visible (VLC). Teniendo en cuenta la evolución de la tecnología, y las características relevantes en la selección de los circuitos opto electrónicos, se ha escogido un estudio realizado sobre sistemas VLC de acuerdo con el estado del arte, y se ha usado para la implementación de la metodología experimental de pruebas, en donde serán validados algunos códigos de corrección de errores en el sistema de comunicaciones escogido. Una vez incorporado el sistema experimental, se selecciona un sistema embebido entre dispositivo programable de arreglo de compuertas (por sus siglas en inglés FPGA), o un dispositivo de procesamiento de señales (por sus siglas en inglés DSP), un microprocesador o un microcontrolador (MCU), de acuerdo a las capacidades y los requerimientos, para implementar el protocolo de comunicaciones. Luego de los elementos combinados y seleccionados entre hardware, se implementa el software para emplear las diferentes técnicas de detección y corrección de errores, tales como chequeo de paridad de baja densidad (LDPC), codificación convolucional y codificación turbo. De acuerdo a las pruebas de FEC, es necesario el uso de un protocolo, simple de comunicaciones o el UART. el protocolo de comunicaciones establece las reglas necesarias para la comunicación half-duplex entre el transmisor y el receptor. Así, el protocolo incluye: la codificación y decodificación de corrección de errores hacia delante (por sus siglas en inglés FEC), la sincronización, la modulación y demodulación con codificación de encendido y apagado sin retorno a cero (OOK-NRZ). El uso del protocolo de transmisión y recepción asíncrona universal (UART) es usado como alternativa del protocolo simple. Para llevar a cabo la pruebas de relación de bit erroneos (BER) con cada uno de lo FEC implementados, se propone una metodología de pruebas, que permita comparar los bits transmitidos (bits generados por un generador pseudo-aleatoria P RBS ' 107 ) y los datos recibidos. La medición de BER, se hace a partir de un esquema: en configuración con línea de vista (LOS), adicionando patrones de bit volteados usando un montaje simple sobre el sistema VLC. Por otro lado, los resultados se mostrarán las gráficas correspondientes a la medición de la relación de errores de bit en línea de vista (LOS) a partir del uso de codificación turbo, codificación convolucional, y codificación LDPC. Se hace un análisis de la información obtenida y se concluye a partir de los resultados obtenidos.

Abstract: Development of optical wireless communication (OWC) has been growing to a great extent in the las two decades, thanks to the beneficial characteristics of light-emitting diodes (LEDs). Its convergence in communications and lightening has aroused interest in millions of people around the world. However, selecting the components and built a real system is not an easy task. Meanwhile, different organizations are motivated in the efficient development of this technology and have created collaborative groups around the world. Thus, this encourage the author to work and trying to support researching on visible light communications (VLC) focusing in a reliable and efficient communications systems. This study is part of a branch of OWC, particularly communications through visible light (VLC). Thus, ones the evolution of VLC has been explored, some relevant features such as: opto-electronics devices, embedded systems and FEC technics are chosen, from the state of art, to build a VLC system. Moreover, it has been used for implement and test an experimental methodology to analyse some channel coding. Once the experimental system has been selected and built it, an embedded system is chosen among either programmable gate arrangement device (FPGA), signal processing device (DSP), microprocessor (MP) or microcontroller (MCU), according to the capabilities and requirements of the communications protocol. After devices and hardware are combined the physical layer of VLC is built; block codes and convolutional codes such as: low density parity check (LDPC), convolutional coding and turbo coding and the simple communications protocol are implemented in software as well. Communication protocol includes: the coding and decoding scheme, synchronization, modulation and demodulation with on / off encoding without return to zero (OOK-NRZ). Afterwards, improving the bit rate in the sample rate, it was necessary to change the protocol by the universal asynchronous transmission and reception protocol (UART) that showed better bit rate. Testing methodology consists in measuring bit error rate (BER), through compare transmitted data message by a pseudo-random binary sequence generator (P RBS ' 10−15) and the message received. Two set up are proposed: line of sight (LOS) and diffuse, to measure the BER with variations of distance, angle, baud rate and bit flipping.