Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 3

3. Lapisan Fisik

Kita mulai dengan ulasan komprehensif mengenai lapisan fisik VLC dengan membahas (1) model dan karakteristik kanal, (2) metode modulasi dan (3) teknik MIMO untuk VLC

3.1  Model Kanal dan Karakteristik Propagasi

Pada bagian ini, kita paparkan model kanal untuk propagasi cahaya tampak. Berdasarkan model kanal, dimungkinkan untuk memilih sebuah LED dengan spesifikasi yang sesuai dan memperkirakan kinerja link komunikasinya.

3.1.1 Daya kirim sebuah LED – Luminous Flux

Sebuah pengirim LED melayani dwifungsi penerangan dan komunikasi. Oleh karena itu, perlu kiranya untuk pertama-tama membangun pengertian parameter fotometrik dan radiometrik yang relevan. Dengan parameter ini, kita akan mampu menghitung Luminous Flux yakni daya kirim sebuah pengirim LED. Pertama-tama, kita akan menghitung daya kirim, rugi-rugi jalur dan daya terima dari suatu link Line-of-Sight dan kemudian menganalisa pengaruh multijalur untuk jalur pantulannya.

Parameter fotometrik mengkuantifikasi karakteristik cahaya (seperti kecerahan, warna, dsb) sebagaimana diterima oleh mata manusia. Hal ini berguna dalam memahami aspek penerangan dari LED. Parameter radiometrik mengukur karakteristik energi elektromagnetik radian dari cahaya. Hal ini berguna dalam menentukan komunikasi yang berhubungan dengan sifat LED. Ada dua cara perhitungan Luminous Flux – menggunakan integral spektral atau integral spasial. Tergantung pada parameter yang diberikan pada sebuah pengirim LED, salah satu dari kedua metode tersebut dapat dipilih untuk menghitung luminous flux.

Integral spektral : Metode integral spektral menggunakan fungsi luminosity mata manusia dan distribusi spektral daya sebuah LED untuk menurunkan luminous flux.

Fungsi luminosity V(λ): penglihatan fotopik mata manusia membolehkan manusia bisa membedakan warna, membuatnya menjadi faktor krusial dalam merancang teknologi penerangan [17]. Ditunjukkan pada [18] bahwa penglihatan fotopik manusia mengalami tingkat sensitifitas yang berbeda-beda terhadap spektrum panjang gelombang cahaya tampak yang berbeda. Aspek ini ditunjukkan pada Gambar 3 menggunakan fungsi luminosity V(λ). Fungsi tersebut menunjukkan bahwa mata manusia dapat melihat warna yang berada pada jangkauan 380 nm hingga 750 nm dengan sensitifitas maksimum pada panjang gelombang 555 nm (daerah kuning-hijau).

Distribusi Daya Spektral S_T(λ): S_T(λ) sebuah LED merupakan fungsi yang merepresentasikan daya LED pada semua panjang gelombang pada spektrum cahaya tampak. Para pembuat LED biasanya mempublikasikan distribusi tersebut untuk menjelaskan bagaimana warna yang berbeda akan dirender dengan keberadaan LED. Fungsi ini merupakan parameter radiometrik yang diukur dalamWatt/nm. Distribusi daya spektral tiga LED yang berbeda warna ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat diamati bahwa ketiga LED memiliki daya radian yang tinggi pada dua panjang gelombang – biru dan kuning. Seperti telah dijelaskan pada bagian 2.1, kebanyakan LED saat ini menghasilkan warna putih dengan menggabungkan cahaya biru yang dipancarkan oleh LED biru dengan pelapis phosphor warna kuning. Tergantung pada warna putih yang diinginkan (hangat, alami atau adem), cahaya warna biru dan kuning yang dipancarkan dikendalikan menggunakan pelapis phosphor. Contohnya, cahaya kuning yang lebih banyak akan diberikan pada cahaya putih hangat dan alami dibanding LED putih adem.

Luminous Flux: Luminous flux menggabungkan fungsi luminosity dan distribusi daya spectral untuk menghitung daya pancar LED “yang bisa diterima”. Parameter ini memberikan bobot V(λ) (sensitifitas mata manusia terhadap panjang gelombang yang berbeda) pada fungsi S_T(λ) karena kita mengetahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia tidak memberikan tanggapan yang sama terhadap semua panjang gelombang. Luminous flux LED pengirim (F_T) diukur dalam satuan lumen dan dapat dihitung dengan cara

Konstanta 683 lumens/watt adalah efisiensi luminous maksimum. Efisiensi luminous adalah perbandingan antara luminous flux dengan radian flux, yang mengukur seberapa baik energi elektromagnetik yang dipancarkan dan listrik yang diperlukan LED ditransformasikan untuk menyediakan penerangan cahaya tampak. Kita ketahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia paling sensitif untuk mendeteksi panjang gelombang 555 nm (hijau). Daya listrik yang diperlukan untuk menghasilkan satu lumen cahaya pada panjang gelombang 555 nm diturunkan menjadi 1/683 watt [20]. Hal ini berarti bahwa untuk sumber warna apapun, daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu lumen cahaya selalu lebih besar dari 1/683 watt. Sehingga, efisiensi luminous maksimum adalah 683 lumen/watt yang muncul di panjang gelombang 555 nm.

Integral spasial: Cara lain untuk menghitung luminous flux adalah dengan memanfaatkan sifat emisi spasial dari LED. Untuk itu, kita akan menggunakan intensitas luminous dan aksial seperti yang akan dipaparkan selanjutnya.

Intensitas Luminous g_t(θ): Sementara flux luminous mengukur jumlah total cahaya yang dipancarkan oleh sebuah LED, luminous intensity mengukur seberapa terang LED pada arah tertentu. Hal ini diukur dalam Candela yang merupakan luminous flux per satuan sudut (1 steradian). Hal ini membuat kita memahami ke mana LED mengarahkan cahayanya. Gambar 5 menunjukkan distribusi intensitas luminous tiga jenis LED. Pada Gambar 5a, kedua LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih luas dengan membolehkan pencahayaan yang lebih baik ke semua arah, sementara Gambar 5b, dapat diamati bahwa LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih sempit (lebih seperti lampu spot). Kebanyakan sumber LED memiliki distribusi sinar Lambertial[23] yang artinya intensitasnya akan turun mengikuti kosinus sudut datang.

Terdapat dua parameter penting yang perlu diturunkan dari distribusi intensitas.

Intensitas Aksial (I₀) yang didefinisikan sebagai intensitas luminous dalam candela pada sudut 0^o. Untuk LED pada Gambar 5b, intensitas aksialnya adalah 987 candela. Umumnya, distribusi intensitas luminous yang disediakan oleh pembuatnya dinormalisasi dengan intensitas aksial yang ditunjukkan pada Gambar 5a.

Sudut Setengah Pancar (θ_max) adalah sudut di mana intensitas cahaya menurun setengah dari intensitas aksialnya. Untuk LED pada Gambar 5b, sudut setengah pancarnya adalah 47^o. Untuk sumber Lambertian seperti LED, sudut setengah pancar dihitung dari seluruh sudut pancar (Ω_max) berikut ini :

Flux luminous dapat dihitung dengan mengintegralkan fungsi intensitas luminous di seluruh sudut pancar Ω_max. Berbeda dari persamaan (1) yang merupakan integral spektral, di sini flux dihitung menggunakan integral spasial seperti berikut

dimana  adalah distribusi intensitas luminous spasial ternormalisasi. Dengan menggabungkan persamaan (2) dan (3), kita dapatkan