Tìm hiểu hệ thống thông tin quang truyền trong không gian tự do và mô phỏng hệ thống đơn giản

Tìm hiểu hệ thống thông tin quang truyền trong không gian tự do và mô phỏng hệ thống đơn giản MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG FSO 8 1.1. Lịch sử ra đời của FSO 8 1.2. Cấu trúc của một hệ thống quang FSO 8 1.3. Bộ phát 9 1.3.1. Chức năng 9 1.3.2. Cấu tạo 9 a) Sơ đồ khối: 9 b) Các thành phần trong khối 9 1.4. Bộ thu 12 1.4.1. Chức năng 12 1.4.2. Cấu tạo 13 a) Sơ đồ khối: 13 b) Các thành phần trong khối: 13 1.4.3. Điều chế 14 1.4.4. Giải điều chế 15 1.5. Nguồn khuếch đại 15 1.6. Hệ thống bám đuổi 15 1.7. Đặc điểm đường truyền FSO 16 1.7.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO 16 1.7.2. Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu. 18 1.8. Yếu tố ảnh hưởng và nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 19 1.8.1. Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến 19 a) Phương trình truyền của tuyến 19 b) Độ suy giảm không khí 20 1.8.2. Tham số nâng cao chất lượng của tuyến 21 a) Hệ thống bám đuổi 21 b) Điều khiển công suất laser 21 1.9. Tính toán suy hao đối với đường truyền FSO 22 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 25 2.1. Tìm hiểu phần mềm mô phỏng Optisystem 25 2.1.1. Khái quát Optisystem 25 a) Thư viện các phần tử 25 b) Các công cụ hiển thị 26 2.2. Mô phỏng một hệ thống đơn giản: 27 2.2.1. Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang 27 2.2.2. Mô tả hệ thống 27 2.2.3. Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến 28 2.2.4. Thay đổi thông số và phân tích kết quả 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống quang FSO 8 Hình 2 Sơ đồ khối máy phát 9 Hình 3 Mô hình 1 bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 10 Hình 4 Cấu tạo bộ phát laser 11 Hình 5 Nguyên lý hoạt động của laser diode 12 Hình 6 Cấu tạo của LED 12 Hình 7 Sơ đồ khối bộ thu quang 13 Hình 8 Điều chế khóa đóng mở OOK 14 Hình 9 Điều chế khóa đóng mở OOK 15 Hình 10 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến tuyến FSO 16 Hình 11 Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FS 17 Hình 12 thể hiện hàm thời gian sống tăng theo nhiệt độ. 21 Hình 13 Biểu tượng Optisystem 26 Hình 14 Giao diện hoạt động Optisystem 26 Hình 15 Mô hình tuyến FSO 1km 28 Hình 16 Đồ thị trên thiết bị BER 30 Hình 17 Biểu đồ Eye Diagram ( biểu đồ mắt ) 30 Hình 18 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa khoảng cách và BER 31 Hình 19 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa khoảng cách và Max.Q factor 32 Bảng 1 Kết quả mô phỏng 30

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Hoàng Phương Chi đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án chuyên ngành viễn thông.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án trình bày về FSO (Free Space Optical) – hệ thống truyền thông tin quang không gian Tìm hiểu về cấu tạo một hệ thống FSO ,chức năng các thành phần Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền Và cuối cùng

là mô phỏng một hệ thống FSO, đánh giá ảnh hưởng của cự li truyền và công suất phát đến tỉ lệ lỗi bit BER, các giải pháp cải tiến hệ thống

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG FSO

8

1.1 Lịch sử ra đời của FSO 8

1.2 Cấu trúc của một hệ thống quang FSO 8

1.3 Bộ phát 9

1.3.1 Chức năng 9

1.3.2 Cấu tạo 9

a) Sơ đồ khối: 9

b) Các thành phần trong khối 9

1.4 Bộ thu 12

1.4.1 Chức năng 12

1.4.2 Cấu tạo 13

a) Sơ đồ khối: 13

b) Các thành phần trong khối: 13

1.4.3 Điều chế 14

1.4.4 Giải điều chế 15

1.5 Nguồn khuếch đại 15

1.6 Hệ thống bám đuổi 15

1.7 Đặc điểm đường truyền FSO 16

1.7.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO 16

1.7.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín hiệu. 18 1.8 Yếu tố ảnh hưởng và nâng cao chất lượng tuyến quang không dây 19 1.8.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến 19

a) Phương trình truyền của tuyến 19

b) Độ suy giảm không khí 20

1.8.2 Tham số nâng cao chất lượng của tuyến 21

a) Hệ thống bám đuổi 21

b) Điều khiển công suất laser 21

1.9 Tính toán suy hao đối với đường truyền FSO 22

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 25

2.1 Tìm hiểu phần mềm mô phỏng Optisystem 25

2.1.1 Khái quát Optisystem 25

a) Thư viện các phần tử 25

b) Các công cụ hiển thị 26

2.2 Mô phỏng một hệ thống đơn giản: 27

2.2.1 Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang 27

2.2.2 Mô tả hệ thống 27

2.2.3 Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến 28 2.2.4 Thay đổi thông số và phân tích kết quả 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống quang FSO 8

Hình 2 Sơ đồ khối máy phát 9

Hình 3 Mô hình 1 bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO 10

Hình 4 Cấu tạo bộ phát laser 11

Hình 5 Nguyên lý hoạt động của laser diode 12

Hình 6 Cấu tạo của LED 12

Hình 7 Sơ đồ khối bộ thu quang 13

Hình 8 Điều chế khóa đóng mở OOK 14

Hình 9 Điều chế khóa đóng mở OOK 15

Hình 10 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến tuyến FSO 16

Hình 11 Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FS 17

Hình 12 thể hiện hàm thời gian sống tăng theo nhiệt độ 21

Hình 13 Biểu tượng Optisystem 26

Hình 14 Giao diện hoạt động Optisystem 26

Hình 15 Mô hình tuyến FSO 1km 28

Hình 16 Đồ thị trên thiết bị BER 30

Hình 17 Biểu đồ Eye Diagram ( biểu đồ mắt ) 30

Hình 18 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa khoảng cách và BER 31

Hình 19 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa khoảng cách và Max.Q factor 32

Bảng 1 Kết quả mô phỏng 30

CÁC TỪ VIẾT TẮT

FSO: Free space optics

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG FSO

1.1 Lịch sử ra đời của FSO

FSO là viết tắt của cụm từ Free Space Optic (quang vô tuyến), ban đầuđược phát triển bởi quân đội và NASA, FSO đã được sử dụng trong hơn ba thập

kỷ với nhiều hình thức khác nhau để cung cấp các liên kết truyền thông nhanhchóng giữa những khu vực xa LightPointe có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vựcnày: các nhà khoa học của họ đã xây dựng các phòng thí nghiệm để phát triển các

hệ thống FSO đầu tiên ở Đức vào cuối những năm 1960, ngay trước cả sự ra đờicủa cáp quang Nhà khoa học của LightPointe được coi là "cha đẻ của công nghệFSO" Sau đó trong khi truyền dẫn cáp quang đã được chấp nhận trên toàn thếgiới trong ngành viễn thông thì truyền thông FSO vẫn được coi là tương đối mới.Công nghệ FSO cho phép truyền tải băng thông tương tự như sợi quang, sử dụngcác thiết bị phát và thu quang tương tự và thậm chí cho phép các công nghệtương tự WDM vận hành qua không gian tự do

1.2 Cấu trúc của một hệ thống quang FSO

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống quang FSO

Phía phát: Yêu cầu quang trọng của hệ thống là kích thước và phẩm chất

 Kích thước bề mặt laser xác định công suất ra lớn nhất an toàn có thể giảmnhững ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua)

 Phẩm chất của thiết bị cùng với số F (xác định trường nhìn) và bước sóng,xác định độ phân tán của chùm laser ở phía thu

Phía thu: vấn đề quan trọng là kích thước miệng thu và số f.

 Kích thước miêng thu cho biết được lượng ánh sáng thu được trên máy thu

1.3.2 Cấu tạo

a) Sơ đồ khối:

Hình 2 Sơ đồ khối máy phát

Sơ đồ khối của một bộ phận thu quang được thể hiện như hình 1.2 Trong hình bộ phát gồm 4 thành phần chính Chúng gồm khối điều khiển tín hiệu , khối mạch điều khiển ,khối nguồn phát LD/LED,và thấu kính Tin tức gốc sẽ đi lần lượt qua các khối và sẽ biến đổi tín hiệu là các tín hiệu điện thành các tín hiệu quang trước khi phát qua lăng kính

b) Các thành phần trong khối

 Bộ điều chế: có vài trò là điều chế tín hiệu Phương pháp điều chế sử dụng

chủ yếu là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation), tín hiệu đượcđiều chế tại đây sẽ đưa vào bộ phát xạ quang Cấu tạo chi tiết mô tả ở hình

1.3 Trong hình này bộ phận điều chế tín hiệu nằm ở khối xử lý tín hiệu(Data Processing ), nơi mà luồng ánh sáng màu đỏ đi qua ,tín hiệu đầu vào

bộ điều chế là tín hiệu số Các dạng điều chế cường độ quang có mà có thể

sử dung trong quang vô tuyến là điều chế OOK(On-Off Keying) đây làđiều chế được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản của nó Ngoài ra còn cóđiều chế cường độ song mang phụ SIM(Subcarrier Intensity Modulation),hay các kiểu điều chế xung PM(Pulse Modulation)

Hình 3 Mô hình 1 bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO

 Mạch điều khiển:

Như hình 1.3 ,mạch điều khiển sẽ nằm ở phần xử lý dữ liệu (Data

Processing) Mạch điều khiển đóng vài trò xử lý tín hiệu điện và quang, đưa tín hiệu vào sóng mang

 Nguồn quang:

Có 2 loại nguồn quang được sử dụng chủ yếu, đó là nguồn LASER

DIODE (LD) và nguồn LED

Nguồn LD:

- Có nhiều loại như laser rắn ,laser khí, laser CO2,laser than hoạt tính,vàmột số loại khác.Tuy nhiên, trong quang vô tuyến người ta sử dụng laserbán dẫn ,điển hình là Laser Diode (LD) Laser diode có vài loại như GaAs, AlGaAs,và GaInAsP Mỗi loại có ứng dụng khác nhau còn tùy thuộc vàocông suất và bước sóng Trong thông tin quang, người ta sử dụng laserdiode loại GaLnAsP ,vì loại này có công suất cao (20mV), bước sóng

1300 nm

- Về cấu tạo, một cách tổng quát thì laser gồm có 3 thành phần, thứ nhất làbuồng cộng hưởng laser, thứ hai là nguồn nuôi, cuối cùng là hệ thốngquang dẫn Cấu tạo cụ thể được mô tả như hình 1.4

Hình 4 Cấu tạo bộ phát laser

Trong hình 1.4, số 1 là vùng cộng hưởng (vùng bị kích thích), số 2 là nguồn nuôi (năng lượng cung cấp cho vùng bị kích thích), số 3 là gương phản xạ toàn phần (là loại gương mà khi ánh sáng đi tới sẽ chỉ bị phản xạ lại một phần, còn một phần sẽ bị xuyên quang gương), số 5 là tia laser ra khỏi buồng cộng hưởng thông qua gương bán mạ Trong các thành phần cấu tạo thì buồng cộng hưởng là thành phần chính ,nó chứa hoạt chất laser,đó là một chất đặc biệt có khảnăng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích để tạo ra laser Khi một photontới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là các photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon đó

- Về nguyên lý hoạt động, laser hoạt động trên nguyên lý phát xạ kích thích.Khi có tác dụng của điện áp đủ mạnh ,thì các electron trong buồng cộnghưởng sẽ chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao Khi ởmức năng lượng này ,nếu có một hạt photon (hạt ánh sáng ) va vào thìelectron này sẽ rơi xuống mức năng lượng thấp đồng thời sinh ra một hạtánh sáng mới, cùng pha, cùng cường độ, cùng độ lớn và cùng hướng đichuyển với hạt sáng ban đầu Những hạt sáng này nhờ gương phản xạ toàn

phần sẽ di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng làm va phải nhiều hạtelectron ở mức cao hơn, làm chúng rơi xuống mức năng lượng thấp hơn,

từ đó sản sinh ra nhiều hạt ánh sáng Các hạt ánh sáng này cứ di chuyểnqua lại giữa 2 màn kính, tạo thành một dòng ánh sáng được khuếch đại,dòng ánh sáng sẽ thoát ra ngoài một phần thông qua gương bán mạ Ánhsáng thoát ra khỏi gương ban mạ có thể truyền đi rất xa Nguyên lý hoạtđộng của laser được thể hiện thông qua Hình 1.5

Hình 5 Nguyên lý hoạt động của laser diode

Nguồn LED

LED là loại diode có thể phát quang, có thể là tia tử ngoại ,tia hồng ngoại hay các ánh sáng khả kiến Trong FSO, người ta dùng LED hồng ngoại để truyềnquang , vì LED hồng ngoại có tính chất định hướng LED hồng ngoại có bước sóng từ 780nm – 1mm

Hình 6 Cấu tạo của LED

1.4 Bộ thu

1.4.1 Chức năng

Bộ thu có chức năng chính là thu tín hiệu ánh sáng có giải mã , chuyển tín hiệu từ quang sang tín hiệu điện tức là khôi phục lại tín hiệu ban đầu ,chức năng của bộ thu rất quan trọng ,đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng khôi phục tín hiệu tốt đáng tin cậy

1.4.2 Cấu tạo

a) Sơ đồ khối:

Hình 7 Sơ đồ khối bộ thu quang

Bộ phận thu gồm có 4 thành phần cơ bản, thứ nhất là thấu kính ,thứ hai là

bộ lọc quang, thứ ba là bộ tách sóng quang, cuối cùng là bộ giải điều chế Vị trí của các bộ phận trong máy thu thực tế được thể hiện qua hình 1.3

b) Các thành phần trong khối:

Thấu kính thu quang và bộ lọc quang, phần này có nhiệm vụ tập trung ánhsáng truyền từ máy phát , sau đó đưa vào bộ phận tiếp theo Thứ tự của các thành

phần thu sang được thể hiện trong Hình 1.3 Trong hình này ,ánh sang từ nguồn

sẽ vào tấm phủ bằng kính, trên có gắn các thiết bị lọc ánh sáng (Defroster) ,vì trong ánh sáng truyền tới máy thu sẽ chứa nhiều hạt tạp chất, nhiệm vụ của tấm lọc này làm cho ánh sang không còn lẫn tạp chất, hay sương Sau đó ánh sáng đi qua thấu kính thu quang, ở đây chùm sáng sẽ được hội tụ lại rồi truyền vào bộ phận nhận sóng ánh sáng ( Receiver)

Bộ tách sóng quang : ánh sáng sau khi được hội tụ lại tại điểm nhận sáng,

nó sẽ được truyền vào bộ xử lí tín hiệu (Data Processing) , tại đây ,ánh sáng nhận

sẽ được tách ra khỏi tín hiệu , gọi là quá trình tách sóng mang (Photodetector) Sau khi ra khỏi bộ phận này, tín hiệu sẽ là tín hiệu điện Linh kiện dùng để tách sóng quang thường dùng là PIN và APD

Qúa trình tách tín hiệu phía thu được chia làm hai loại:

Tách sóng trực tiếp : sử dụng cường độ hoặc công suất của bức xạ quang đến bộ thu để tách tín hiệu Vì vậy tín hiệu dòng điện ra của bộ tách quang sẽ tỉ lệvới công suất quang nhận được Cách xử lý này phù hợp với hệ thống quang mà

sử dụng điều chế cường độ ( IM )

Tách sóng kết hợp (conherent) : hoạt động trên hiện tượng trộn sóng ánh sáng Tín hiệu quang nhận được sẽ được kết hợp với 1 tín hiệu quang khác được tạo ra ở bề mặt của bộ tách sóng quang

 Giải điều chế: tín hiệu điện sau khi ra khỏi bộ tách sóng sẽ tiếp tục đượcgiải điều chế, tiến hành giải điều chế cũng được thực hiện tại nơi xử lý tínhiệu Phương pháp giải điều chế phải được thực hiện theo phương phápgiải điều chế của NRZ-OOK Về bản chất , giải điều chế là quá trình đingược lại điều chế

1.4.3 Điều chế

Hiện nay, FSO chủ yếu sử dụng phương pháp điều chế khóa đóng mở (OOK) vì tính đơn giản của nó Sự đơn giản của OOK được thể hiện ở sự có hay không sóng mang truyền đi, tương ứng với bit dữ liệu đầu vào là “1” hay “0” Trong đó, bit 0 được biểu diễn bằng sóng mang “off” (biên độ sóng mang giảm

về gần bằng 0) ,bit 1 được biểu diễn bằng sóng mang “on” (biên độ xác định khác không)

Ví dụ về kĩ thuật điều chế OOK được mô tả như hình Trục nằm ngang là trục thời gian (đơn vị là ns) ,trục đứng là trục biểu diễn mức tín hiệu ,cụ thể là haimức tín hiệu 0 và 1 Khi tín hiệu là 1 sóng mang sẽ được truyền đi , hình ảnh có

đường gợn sóng trong hình cho biết có sóng mang truyền đi , những khe thời gian không có gợn sóng có nghĩa là biên độ sóng mang tiến gần về 0

Hình 8 Điều chế khóa đóng mở OOK

Tuy nhiên phương pháp càng đơn giản thì hiệu suất kênh truyền càng thấp,các đáp ứng về BER, SNR ,dung lượng kênh truyền không cao Thêm một hạn chế nữa là cần phải biết thông tin tức thời về trạng thái kênh pha-đinh để thiết lậpngưỡng động nhằm đạt được hiệu năng tối ưu

1.4.4 Giải điều chế

Giaỉ điều chế là quá trình chuyển hóa bức xạ quang thông tin thành tín hiệu điện tương đương với mục đích thu hồi thông tin truyền Tại máy phát thôngtin có thể được mã hóa trên tần số, pha hoặc cường độ bức xạ từ nguồn quang Bức xạ mã hóa sau đó được truyền đến người nhận thông qua kênh không gian tự

do hoặc cáp quang Các thiết bị đầu cuối thu tập trung bức xạ đã lọc lên bề mặt phát ánh sang trong mặt phẳng tiêu cự Tùy thuộc vào việc sử dụng dao động trong quá trình phát hiện nay không thì có thể thực hiện các kỹ thuật quang phổ Hiện tại thì có hai kỹ thuật giải điều chế chính, đó là giải điều chế trực tiếp và giải điều chế kết hợp Trong đồ án chỉ đề cập đến giải điều chế trực tiếp

Hình 9 Điều chế khóa đóng mở OOK

Sơ đồ giải điều chế quang được thể hiện như trong hình 1.7 Trong hình

này optical radiation from transmitter và background radiation lần lượt là bức xạ quang và bộ lọc quang , ánh sáng được lọc ở đây sau đó chuyển sang ô vuông thứ

hai, tại đây ánh sáng sẽ được giải điều chế, sau đó tín hiệu được khuếch đại sau

ra khỏi bộ Amlifier, tiếp theo, tín hiệu vào bộ cộng để ghép với nhiễu của mạch sau đó sẽ vào bộ chuyển đổi quang từ quang sang điện Kết thúc quá trình giải điều chế

1.5 Nguồn khuếch đại

Nguồn khuếch đại, như EDFAs và các bộ khuếch đại bán dẫn (SOAs), được

sử dụng để nâng công suất của các nguồn Laser công suất thấp Công nghệEDFAs và SOA cũng có thể khuếch đại 1 bước sóng và đa bước sóng đồng thời,cái mà được biết là ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) Với độ lợi có thểlớn hơn 30dB, EDFAs có thể tạo ra công suất ra ở bước sóng 1550nm của 1 hệthống FSO lên khoảng 1W đến 2W Ở thời điểm hiện tại EDFAs có thể giá thànhcòn khá cao và mục đích sử dụng của chúng ta hướng tới hệ thống hoạt động ởtốc độ 1 Gbps

1.6 Hệ thống bám đuổi

Bộ tách sóng với vật liệu bằng CCD, CMOS được sử dụng trong hệ thốngbám đuổi Các thiết bị có diện tích bề mặt tương đối lớn sẽ dễ dàng định hướngthẳng hàng tới bộ thu quang hệ thống bám đuổi

Đối với những hệ thống quang gắn trên tòa nhà thì băng thông cho hệthống bám đuổi thấp vì sự lay động của tòa nhà ảnh hưởng bởi một số yếu tố xảy

ra với tần suất thấp Với hệ thống gắn trên tháp hoặc trụ thì băng thông bám đuổicao hơn để chống lại tác động của gió

Vậy sự lựa chọn hệ thống con phụ thuộc thật sự vào ứng dụng cụ thể và sốlượng thiết bị để tạo thành một mạng quang không gian

1.7 Đặc điểm đường truyền FSO

1.7.1 Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO

Tuyến FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi khí quyển trái đất Khí quyển tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, trong điều kiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí và các hạt lơ lững khác nhau Sự tương tác tạo ra nhiều hiện tượng quang học khác nhau: hấp thụ chọn lọc, tán xạ, sự chập chờn ánh sáng thu được