--- ĐỄNHăGIỄăHI UăNĔNGăH TH NG TRUY N THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FSO LU NăVĔNăTH CăSƾăK ăTHU T HĨăN Iă- 2016... --- ĐỄNHăGIỄăHI UăNĔNGăH TH NG TRUY N THÔNG KHÔNG DÂY LAI GHÉP RF/FS
Gi iăthi uăh ăth ngăFSO
Cácăl iăth ăvƠătháchăth căc aăh ăth ngăFSO
- Không yêu c u gi y phép ph t n vô tuy n
- Không b nhăh ng c a nhi uăđi n t
Công nghệ FSO có nhiều ưu điểm vượt trội so với công nghệ cáp quang truyền thống, đặc biệt về chi phí lắp đặt và thi công nhanh chóng Các hệ thống FSO có thể triển khai linh hoạt trên nhiều kiến trúc khác nhau như mái nhà, nóc nhà, cửa sổ hoặc theo yêu cầu của khách hàng Ngoài ra, công nghệ FSO còn phù hợp cho các ứng dụng di động hoặc trong các trường hợp đặc biệt, giúp giảm chi phí truy cập cáp quang và rút ngắn thời gian triển khai Truyền thông FSO analog còn giúp giảm chi phí thiết bị truyền dẫn so với các phương pháp truyền dẫn truyền thống, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc mở rộng mạng lưới truyền thông.
FSO không cần phép phép phép truyền dẫn, có khả năng chống nhiễu cao và bảo vệ tuyệt đối chống các loại nhiễu từ điện từ (EMI), đồng thời cung cấp một hệ thống truyền dữ liệu an toàn, nhanh chóng và chi phí thấp Các khả năng nổi bật của truyền dẫn FSO còn bao gồm khả năng chống nhiễu từ các nguồn tia X quang và không bị ảnh hưởng bởi phân tích quang phổ hay RF Truyền dữ liệu qua laser FSO có đặc điểm toàn quang, tuyến tính và theo đường thẳng LOS (Line-of-Sight), không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh Các chùm laser hẹp, không nhìn thấy bằng mắt thường và có thể truyền dữ liệu qua kênh bảo mật cao, tăng cường bảo vệ dữ liệu Trong khi đó, các giải pháp cáp quang hay thuê nhà cung cấp mạng truyền thống thường chậm trễ và kém linh hoạt hơn FSO cung cấp giải pháp truyền dữ liệu quang cao tốc, dễ triển khai, an toàn, tiết kiệm chi phí, không gây nhiễu, đồng thời nâng cao tính minh bạch và bảo mật hệ thống mạng Chính vì vậy, FSO là giải pháp vượt trội trong việc tối ưu hiệu quả và an toàn cho hệ thống truyền dữ liệu không dây.
Cácătháchăth căđ iăv iăh ăth ngăFSO
Cơ hội phát triển của công nghệ truyền dẫn quang FSO phụ thuộc vào khả năng đối phó với các yếu tố gây nhiễu như thời tiết và ô nhiễm không khí Ngoài các ưu điểm về tốc độ và độ trễ thấp, công nghệ FSO còn phải đối mặt với những thách thức lớn trong việc duy trì chất lượng truyền dẫn khi điều kiện môi trường biến đổi Việc thiết kế hệ thống FSO cần phải tối ưu hóa khả năng chống nhiễu và giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển để đảm bảo hiệu suất ổn định Những khó khăn này chính là thách thức lớn nhất trong quá trình ứng dụng công nghệ FSO rộng rãi.
Hình 1.2:Các nhăh ng bên ngoài t i h th ng FSO
Sngămùo đại diện cho thách thức trong việc truyền tải dữ liệu qua các môi trường có khả năng cản trở ánh sáng Công nghệ này chủ yếu dựa trên việc truyền tín hiệu qua micro ánh sáng trong các hệ thống quang học, giúp thay đổi đặc tính truyền lan của ánh sáng để tăng cường khả năng truyền dẫn Các phương pháp này sử dụng sự kết hợp của các hình thái vật lý và các kỹ thuật tán xạ, phân tán để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải Nhờ đó, các hệ thống truyền tín hiệu FSO (Free Space Optics) giảm suy giảm công suất của sóng phát, nâng cao cự ly truyền và chất lượng kết nối trong môi trường khắc nghiệt, đảm bảo độ ổn định và hiệu quả của liên lạc không dây quang học.
Sự nhấp nháy là hiện tượng biến đổi không gian của các ngắt sáng gây ra bởi sự hợn loạn không khí Gió và sự thay đổi nhiệt độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh chóng, dẫn đến sự thay đổi nhanh của ánh sáng Nguyên nhân chính gây ra sự nhấp nháy là các túi khí này đóng vai trò như những thủ khí có đặc tính thay đổi theo thời gian Hiện tượng này đặc biệt rõ khi có ánh sáng mặt trời, làm tăng khả năng nhận biết và ảnh hưởng đến các hệ thống quang học.
Sự trôi búp xuất hiện khi có gió xoáy gây ra sự dịch chuyển của búp sóng quang Hiện tượng này xảy ra do luồng gió mạnh làm lệch hướng của các búp sóng quang, ảnh hưởng đến quá trình truyền tín hiệu Ngoài ra, sự trôi búp còn phản ánh kết quả của hoạt động chọn lọc trong quá trình truyền laser, làm thay đổi vị trí của laser phát và bộ thu quang trong hệ thống.
Giữ thẳng hàng phát và thu là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự thành công trong truyền tín hiệu Việc sử dụng búp sóng hẹp giúp phân tán góc và tối đa hóa tầm nhìn, giảm thiểu sự thất thoát tín hiệu Sự tăng hoặc giảm độ nhiễu của các phần khung tòa nhà, đặc biệt là những tòa nhà cao, có thể gây ra sự lệch hướng và ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải Ngoài ra, sự nhiễu do yếu tố thời tiết như gió hoặc các tác động tự nhiên khác có thể gây ra sự dao động, làm giảm chất lượng tín hiệu Hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hoá hệ thống truyền tín hiệu và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.
Sự an toàn cho mắt là vấn đề đáng quan tâm do gia tăng các hệ thống truyền thông quang vô tuyến sử dụng laser và vùng đệm có cường độ cao Các hệ thống FSO này phải đảm bảo an toàn cho mắt, không gây nguy hiểm cho người vô tình tiếp xúc với sóng quang phát ra từ laser Điều này thể hiện rõ qua yêu cầu giới hạn ngưỡng hoặc ngăn chặn búp sóng phát của laser để tránh tác hại Laser có công suất cao được sử dụng trong các hệ thống truyền dữ liệu qua các bước sóng từ 780 nm đến 1550 nm; tuy nhiên, các sóng nhỏ hơn 1400 nm cần tập trung và kiểm soát cẩn thận, vì có thể gây tác hại xấu đến mắt khi tiếp xúc trực tiếp hoặc thông qua các bức xạ phản xạ.
Công suất laser an toàn được thiết kế để phù hợp với các tần số sóng khác nhau, đặc biệt là sóng 1550 nm, có cường độ cao hơn các băng tần khác gấp hơn 50 lần, giúp cung cấp dự trữ công suất 17 dB để truyền qua khoảng cách xa, vượt qua các yếu tố suy hao nhỏ và đảm bảo dữ liệu truyền cao Tuy nhiên, các hệ thống sử dụng sóng 1550 nm thường có khả năng truyền dữ liệu cao hơn khoảng 10 lần so với các hệ thống dùng sóng 850 nm Đặc biệt, các hệ thống sử dụng sóng 850 nm thường có tốc độ truyền dữ liệu cao nhất khoảng 6 β Mbps, trong khi đó, hệ thống dùng sóng 1550 nm có thể đạt tốc độ lên tới 2,5 Gbps, phù hợp với các yêu cầu truyền dữ liệu lớn và băng thông rộng.
ngăd ngăc aăcôngăngh ăFSO
K tăn iăt căđ ăcaoăgiữaăcácătòaănhƠăv iăFSO
Các doanh nghiệp đang sử dụng các kết nối dựa trên tiêu chuẩn Gigabit Ethernet để truyền dữ liệu giữa các tòa nhà, với băng thông 2,048 Mbit/s (hoặc 1,544 Mbit/s) Trong đó, các kết nối này hạn chế băng thông và yêu cầu khả năng truyền tải dữ liệu cao giữa các cơ sở doanh nghiệp mà không cần phải sử dụng cáp quang với chi phí cao Việc lắp đặt các kết nối này cũng cần giấy phép và thời gian thi công, đồng thời đòi hỏi các thủ tục liên quan như xin phép, chuẩn bị hệ thống cáp và bảo vệ môi trường Để mở rộng quy mô kết nối và tăng băng thông, các doanh nghiệp có thể sử dụng các giải pháp FSO (Free Space Optics), giúp giảm chi phí, nâng cao tốc độ truyền tải và giảm thời gian lắp đặt Các giải pháp này còn phù hợp khi các tòa nhà nằm trong tầm nhìn thẳng, giúp kết nối nhanh chóng và tiết kiệm chi phí vận hành Tuy nhiên, còn cần xem xét các yếu tố liên quan đến môi trường, phạm vi hoạt động, và thời gian thi công để đảm bảo hiệu quả và bền vững của hệ thống.
H ăth ngăFSOăvƠăv năđ ăanăninhăm ng
Mảng FSO là công nghệ truyền dẫn không dây không gây ô nhiễm môi trường và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thời tiết hay nhiễu từ bên ngoài FSO phát ra sóng ánh sáng hẹp với tốc độ truyền dữ liệu cao, giúp truyền thông tin nhanh chóng và chính xác Công nghệ này làm tăng khả năng truyền dữ liệu một cách an toàn nhưng vẫn khó bị phát hiện, phù hợp với các hệ thống yêu cầu bảo mật cao Hệ thống FSO có thể mở rộng hệ thống mạng lưới giao tiếp, giảm thiểu ảnh hưởng tới các phương tiện và hoạt động xung quanh, đồng thời đem lại tốc độ truyền tải dữ liệu vượt trội Công nghệ FSO còn được ứng dụng trong việc truyền thông trong các khu vực cần tốc độ cao như cơ sở hạ tầng thương mại và các hệ thống liên lạc khẩn cấp Đặc biệt, FSO có khả năng truyền dữ liệu trong khoảng thời gian dài mà không cần duy trì nguồn năng lượng liên tục, mang lại hiệu quả lớn trong các hệ thống liên lạc lâu dài.
Phần thiết kế của thiết bị thu trập thông tin giữa hai khu vực FSO gặp nhiều khó khăn do cáp đoán quang có búp quang hẹp và khó xác định vị trí búp, cũng như búp lồi thường cao và không gắn bộ tín hiệu Việc phát hiện thiết bị thu trập là hoàn toàn có thể thực hiện nhờ búp quang trong tầm nhìn thẳng, sử dụng camera quay phim giám sát để xác định vị trí búp, đồng thời kết hợp các công nghệ đo đạc bằng sóng quang để phát hiện các hoạt động bất thường liên quan đến tín hiệu.
FSO là công nghệ quang có khả năng truyền dữ liệu qua không khí mà không cần cáp quang vật lý Công nghệ này chuyển đổi tín hiệu quang thành lớp mềm dẻo, linh hoạt và giao thoa trong suốt, giúp tích hợp và kết nối dễ dàng với nhiều thành phần khác nhau trong hệ thống mạng FSO cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và ổn định, phù hợp để xây dựng các mạng truyền thông không dây tốc độ cao Một số ứng dụng phổ biến của công nghệ FSO bao gồm thiết lập kết nối internet trong các khu vực đầy thử thách, mở rộng mạng nội bộ doanh nghiệp và hỗ trợ truyền dữ liệu giữa các tòa nhà, văn phòng cách xa nhau.
M r ng m ngăđô th : h th ng FSO có th đ c tri năkhaiăđ m r ng m ng vòngăđôăth đƣăcóăs n hay k t n i t i các m ng khác
Kh nĕngăk t n i doanh nghi p: các k t n i LAN - LAN, m ngăl uătrữ SAN (storageăareaănetwork),ầ
K t n i d m cu i (last - mile):ă đơyă lƠă cácă đ ng truy n mà có th ti p c n ng i sử d ngăđ u cu i Chúng có th đ c tri năkhaiăđi m ậ đi m,ăđi m ậ đaăđi m hay các k t n iăhìnhăl i
B sung cho cáp s i quang:ăFSOăcũngăcóăth đ c tri năkhaiănh ăđ ng truy n d ăđ khôi ph c cáp s i
Truy nhập FSO có thể được triển khai trong các mạng truy nhập dựa trên Gigabit Ethernet, mang lại khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng công nghệ FSO để xác nhận hệ thống vòng lắp đặt, đảm bảo kết nối đáng tin cậy cho các doanh nghiệp Công nghệ FSO giúp nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu trong các mạng truy nhập, phù hợp với nhu cầu mở rộng băng thông và tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Các công nghệ DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing) nổi bật nhờ khả năng tận dụng tối đa băng thông sẵn có của cáp quang, nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu so với các hệ thống WDM truyền thống Trong bối cảnh cạnh tranh với các công nghệ khác như hệ thống FSO (Free Space Optics), DWDM đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các vòng cáp sợi cho riêng doanh nghiệp Nhờ đó, các doanh nghiệp có thể tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu, tăng độ an toàn và linh hoạt trong quản lý mạng lưới Công nghệ này còn giúp giảm chi phí vận hành và mở rộng hạ tầng mạng một cách hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ viễn thông.
Truy cập thông minh và truyền dữ liệu có thể được sử dụng qua các phương thức truyền thông giữa các trạm gốc và trung tâm chuyển mạch trong các mạng 4G/5G Công nghệ này còn gồm cả truyền tín hiệu qua phân chia theo mã (CDMA), giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ô macro, ô micro và các trạm gốc.
FSO là công nghệ truyền dẫn quang không dây có thể kết nối các điểm cách xa nhau vài km với chi phí thấp, không cần xây dựng cáp quang đắt đỏ Công nghệ này giúp các nhà cung cấp dịch vụ Internet mở rộng mạng lưới và cung cấp kết nối tốc độ cao cho doanh nghiệp và các mạng LAN nội bộ trong khu vực đô thị FSO có thể vận hành linh hoạt bằng cách sử dụng các antenna kết nối với thiết bị khác, đồng thời còn thích hợp để truyền dữ liệu giữa tàu vũ trụ và trạm mặt đất, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực hàng không và viễn thông.
H ăth ngăFSOăg măbaăph n:ăb ăphát,ăkênhătruy năvƠăb ăthu
Hình 1.3:Mô hình h th ng FSO
Môăhìnhăh th ngăFSO
B phát
Dữ liệu truyền tải qua phía nguồn có đặc điểm gồm các sóng mang quang riêng biệt, chẳng hạn như điệu ch laser, tín hiệu quang sau đó được đưa qua kênh khí quyển Các tham số của hệ thống phát quang như kích cỡ, công suất và chất lượng bức sóng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất truyền tải, trong đó laser và góc phân kỳ có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng truyền và chất lượng dữ liệu Phương pháp điều khiển laser được sử dụng rộng rãi trong truyền dẫn quang, trong đó nguồn quang có thể được điều chỉnh theo các lị u c n truyề n hoặc qua hệ thống giao thoa MZI để nâng cao hiệu suất Ngoài ra, việc sử dụng bức xạ ngoài nhằm đảm bảo dữ liệu được truyền với tốc độ cao và ổn định, đồng thời các tính chất như phân cực và trạng thái của sóng quang còn được áp dụng để tối ưu hóa quá trình truyền tín hiệu.
Laser, viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Hiện nay, công nghệ laser đã trở thành một phần thiết yếu trong hệ thống viễn thông, đóng vai trò quan trọng trong truyền dẫn thông tin quang trong mạng lưới không gian tự do và trong các ứng dụng công nghiệp, y tế.
Vào thập kỷ 1960, các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov đã nghiên cứu về laser theo phương pháp Master, đạt được những bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực này Họ phát hiện rằng thiết bị laser cần có khả năng tạo ra chùm bức xạ phát ra theo mô hình nhất quán và liên tục, đồng thời đạt năng lượng đủ lớn để phát ra ánh sáng mạnh mẽ Năm 1964, hai nhà khoa học này đã vinh dự nhận giải Nobel vật lý cùng với tiến sỹ Townes nhờ những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực laser Những thành tựu của họ đã mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ phát sáng và truyền thông hiện đại.
Laser h ng ng c, m t laser ch t r n,ăđ c t o ra l năđ uătiênăvƠoănĕmă1960,ă b i nhà v t lý Theodore Maiman t i phòng thí nghi m Hughes Malibu, California
H ng ng c là oxit nhôm pha l n crôm Crôm h p th ánh sáng màu xanh lá cây và xanh l c,ăđ l i duy nh t tia sáng màu h ng phát ra
Cấu trúc của laser có dạng hình hộp chữ nhật sáu mặt, gồm các khoang cộng hưởng Fabry-Perot có tính năng quan trọng Khoang cộng hưởng này giúp tạo ra các chế độ phát xung laser đặc trưng, với chiều dài từ 50 đến 500 μm, rộng từ 5 đến 15 μm và độ dày từ 0,1 đến 0,2 μm Các khoang này có khả năng kiểm soát phản xạ và truyền ánh sáng, đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh đặc tính của laser.
Dưới đây là đoạn văn đã được chỉnh sửa, giữ ý chính và tối ưu cho SEO:Các yếu tố về phía dưới và phía trên của hệ thống ảnh có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động Hiểu rõ cách tối ưu các nhóm photon và tia hạt giúp nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý ảnh Điều chỉnh phù hợp theo chiều ngang có thể giảm thiểu các lỗi và cải thiện chất lượng hình ảnh đầu ra Việc này góp phần tăng cường độ chính xác và hiệu quả của các công nghệ xử lý ảnh hiện đại.
Nguyên lý hoạt động chung của phát laser gồm có: buồng cũi ngắn, hệ thống dẫn quang và nguồn nuôi Trong đó, buồng cũi ngắn và hệ thống dẫn quang đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát laser Khi một photon rời khỏi hệ thống, nó có khả năng kích thích các photon khác cùng hướng bay ra, tạo thành phản xạ quang học gây ra hiện tượng cộng hưởng Một buồng cũi ngắn chứa hai phản xạ, trong đó một phản xạ hoàn toàn phản chiếu các photon, còn phản xạ kia cho phép một phần photon đi qua Kết quả của quá trình này là các photon va chạm liên tiếp vào các phần tử kích thích, làm tăng số lượng photon cùng pha và đồng bộ, tạo thành chùm tia laser mạnh mẽ và có khả năng khuếch đại cao.
Hình 1.4:C u t o và nguyên lý ho tăđ ng c a Laser
Ngoài ra, vi c t o tín hi uăphátăcũngăđ c thực hi n b i các lo i ngu n khác nhauăđ c mô t trong b ng 1.2
B ng 1.2: Các lo i ngu n quang
R và có tính kh d ng Không có ho tă đ ng làm mát, m t đ công su t th p, t căđ lên t i ~10Gbps
Th i gian s ng lâu Tiêu chu n an toàn cho m t th păh n
M tăđ công su tăcaoăh nă50ăl n (100nW/cm 2 )
T căđ cao, lên t i 40Gbps Đ d c hi u qu 0,03-0,2 W/A
~10000 Thácăl ng t ử Đ t ti năvƠăt ngăđ i m i
R tănhanhăvƠăđ nh y cao Truy n d nătrongăs ngămùăt tăh n Thành ph n ch t o không có s n Không thâm nh p qua th y tinh
M chăđi u khi năđ năgi n Công su t và t căđ d ữ li u th păh n
Trong khoảng sóng 700-10.000 nm, có nhiều cửa sổ truyền dẫn hiệu quả với suy hao thấp hơn 0,2 dB/km, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tín hiệu Các hệ thống FSO chủ yếu được thiết kế hoạt động trong dải 780-850 nm và 1520-1600 nm, trong đó dải 780-850 nm được sử dụng rộng rãi hơn nhờ thiết bị và thành phần trong dải này có sẵn và chi phí thấp Điều này giúp các hệ thống FSO đạt hiệu quả cao, giảm chi phí và dễ dàng lắp đặt trong các ứng dụng truyền dẫn không dây.
Dưới đây là các lý do chính khiến người ta quan tâm đến công nghệ 1550nm: Thứ nhất, khả năng thích nghi với các môi trường khác nhau nhờ vào độ truyền và phản xạ của sóng tại cổng Thứ hai, công suất phát của sóng 1550nm cao hơn so với sóng 850nm, gấp 50 lần, mang lại hiệu quả truyền tải tốt hơn Thứ ba, công nghệ này giúp giảm tiêu thụ năng lượng và tăng khả năng phân tán ánh sáng trong không gian, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định và tiết kiệm năng lượng cao.
Vì vậy, khoảng cách truyền dữ liệu qua cáp quang 1550 nm có thể đạt tốc độ đáng kể nhờ khả năng suy hao ánh sáng thấp Tuy nhiên, hiện nay, chi phí linh kiện cho công nghệ này còn cao, khiến việc triển khai rộng rãi gặp nhiều thách thức.
B thu
B thu h tr vi c khôi ph c các dữ li uăđƣăđ căphátăđiăt phía phát B thu bao g m các thành ph n sau:
Kh uăđ thu ậ T p h p và t p trung các phát x quang t i b tách sóng quang
Kh uăđ (đ m ) c a b thu l n s giúp t p h păđ c nhi u phát x quang vào b tách sóng quang
B l c thông d i quang ậ B l c thông d i làm gi măl ng b c x n n
Các bộ tách sóng quang, PIN hoặc APD chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện một cách hiệu quả Các thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền thông quang hiện nay, giúp tăng cường chất lượng và tốc độ truyền dữ liệu Thông qua đó, hệ thống truyền hình và mạng internet có thể vận hành ổn định và đáng tin cậy hơn Các bộ tách sóng quang được sử dụng rộng rãi trong ngành truyền thông, góp phần nâng cao hiệu suất và phạm vi truyền tải của các mạng quang hiện đại.
M ch xử lý tín hi u ậ Có ch cănĕngăkhu chăđ i, l c và xử lý tín hi uăđ đ m b o tính chính xác cao c a dữ li uăđ c khôi ph c
V tăli u/c uătrúc B căsóngă(nm) Đápă ng Đ ăl i
Silicon PIN,ăv iăb ă khu chăđ iăph iăh pă tr ăkháng
Có hai loại bthu: bthu không t ít hòa và bthu không t ít hòa Bthu không t ít hòa tách trực tiếp công suất từ hệ thống trung tâm khi chúng t i bthu, còn gọi là bthu tách trực tiếp hoặc tách công suất.
Các loại bứt thu này đều liên quan đến việc thực hiện và có thể được sử dụng khi nào thông tin truyền đạt xuất hiện sự biến đổi công suất (ví dụ IM) Trong đó, có loại bứt k t phù hợp, còn gọi là bứt heterodyne, hoạt động dựa trên việc tách sóng ánh sáng phát ra bằng sóng cách (heterodyne) Bứt k t sử dụng sóng mang quang để điều chế như sóng mang AM, FM hoặc PM, trong đó, quá trình tách sóng giúp phân biệt các thành phần tín hiệu như FM hoặc PM.
Quá trình tách các nguồn quang riêng biệt phụ thuộc vào các kỹ thuật phù hợp để xử lý nhiễu, gồm: loại bỏ nhiễu từ ánh sáng xung quanh, giảm nhiễu gây ra bởi photon, và xử lý nhiễu trong mạch điện tử Trong truyền thông FSO, nhiễu chủ yếu bao gồm nhiễu nền, nhiễu do photon gây ra, và nhiễu nhiệt trong mạch điện tử, gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả truyền tín hiệu Mặc dù có thể cải thiện nhiễu nền bằng cách sử dụng bộ lật quang, nhưng quá trình này vẫn gây ra nhiễu đáng kể Nhiễu tử của photon xuất phát từ sự ngẫu nhiên trong quá trình phát photon, còn nhiễu nhiệt có thể được mô hình hóa theo phân phối Gaussian trong môi trường AWGN, gây nhiễu có tần số thấp và ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền tải dữ liệu.
Cácăy uăt ă nhăh ngălênăhi uănĕngăc aăh ăth ngăFSO
Nhi uăl ngătử
Nhiễu quang là yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tín hiệu trong hệ thống quang học Khi mạch tách quang hoạt động, nó chia ánh sáng thành hai thành phần chính: dòng DC phản ánh ánh sáng nền và tín hiệu quang nhằm truyền dữ liệu Nhiễu nguồn phát sinh từ quá trình sinh ra và tái hợp của các photon trong quá trình truyền tín hiệu quang, đặc biệt khi có tín hiệu quang thay đổi theo thời gian Các photon quang gây ra nhiễu có cường độ đều nhau và không mong muốn làm giảm chất lượng tín hiệu Nhiễu quang xuất hiện dưới dạng nhiễu tự nhiên, ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu truyền qua các kênh quang Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào tốc độ tách sóng quang và mức độ nhiễu trung bình, đặc biệt khi dòng điện trong các thành phần giảm xuống Các kỹ thuật giảm nhiễu quang, như điều chỉnh tốc độ tách sóng và tối ưu hóa công suất phát, giúp nâng cao chất lượng truyền tín hiệu và giảm thiểu lỗi dữ liệu trong các hệ thống quang học hiện đại.
Trong đó, dòng điện tích electron và dòng tách quang trung bình trong công thức (1.1) thể hiện quan hệ giữa lượng electron sinh ra và hiệu suất quang học của bộ cảm biến Khi đo lường bằng APD, còn có nhiều yếu tố liên quan đến quá trình nhân thác ngẫu nhiên, làm tăng khả năng phản ứng của thiết bị Tỉ số nhiễu F (F) ngày càng được coi là chỉ số quan trọng phản ánh mức độ nhiễu thực tế trong quá trình tách quang, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và độ nhạy của thiết bị quang học.
(1.2) trongăđóă g 2 là h s nhơnătrungăbìnhăbìnhăph ngăvƠăcóăth đ c x p xỉ bằng g 2+x v i xthayăđ i trong kho ng 0ăđ n 1 tùy thu c vào v t li u và c u trúc Doăđó,ătrungă bìnhăbìnhăph ngăbiênăđ dòngăđi n c a nhi uăl ng tửđ i v i APD là:
Nhi uănhi t
Nhiễu Johnson, còn gọi là nhiễu Gauss hoặc nhiễu trắng, gây ra nhiễu loạn nhiệt do các sóng ngầm đi qua các môi trường khác nhau Các nhiễu này tồn tại ở nhiệt độ trên 0, trong khi đó, nhiễu từ các điện tích sóng mang trong bức xạ đi qua cũng góp phần tạo ra sự biến đổi trong tín hiệu Các điểm tích cực thay đổi do nhiễu này thường gây ra các gradient áp suất trong hệ thống, phản ánh các biến đổi trong dòng điện và điện áp Khi các mạch điện chỉ hoạt động với băng thông Δf, nhiễu Johnson đóng vai trò là nhiễu trắng có hàm phân bố đều trong dải tần số này, làm trung bình bình quân biên độ dòng điện của nó được xác định bởi hệ số bù trong các mạch điện.
Trongăđóăk là hằng s Boltzmann và T là nhi tăđ tuy tăđ i M tăcáchăđ làm gi m lo i nhi uănƠyăđóălƠălƠmăngu i thành ph n xu t hi n nhi u xu ng m t nhi tăđ th p h n.
Nhi uădòngăt iăvƠănhi uăn n
Dòng tiêu điện, hay dòng điện trong các thiết bị điện tử, truyền qua mạch chỉnh thiên của thiết bị khi không có ánh sáng đi vào - tức trạng thái tắt quang Nó phát sinh từ các điện tử hoặc lỗ trống trong lớp tiếp giáp p-n của thiết bị, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Dòng tiêu điện chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động, và độ p-điện nạp của các lớp tiếp giáp Các giá trị dòng tiêu điện trong các thiết bị thường nằm trong khoảng dưới 100pA đối với silicon và lên đến 100nA đối với Germanium Nhiều nguồn nhiễu gây ra bởi ánh sáng ảnh hưởng đến các tín hiệu truyền trong thiết bị, làm giảm độ chính xác của dữ liệu Khi không có ánh sáng chiếu vào, sự xuất hiện của nhiễu này là không thể tránh khỏi do tính ngẫu nhiên và biến đổi của dòng tiêu điện Do đặc tính rò rỉ và ngẫu nhiên của dòng tiêu điện, các nguồn nhiễu này thường gây ra những lỗi nhỏ, không đáng kể nhưng có thể tích tụ và ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Cácăy uăt ăkhác
Sự l ch chùm sáng ậ Góc l ch c a chùm sáng so v i t m nhìn thẳng ban đ u khi n cho b thuăkhôngăthuăđ c tín hi u
Sự m r ng c a chùm sáng ậ M r ng chùm sự phân kỳ c a chùm sáng do tán x ăDoăđóălƠmăgi m m tăđ công su tăthuăđ c
Sự nh p nháy c a chùm sáng ậ Sự thayăđ i m tăđ công su t trong không trung t i m t phẳng thu gây ra b i sự can thi p c a nhi u nh có trong chùm quang
Sự suy giảm tính nhạt quán trong không gian là hiện tượng mà không khí cũng gây ảnh hưởng đáng kể đến tính nhạt quán (kết hợp) và pha của ánh sáng Hiện tượng này đặc biệt quan trọng trong các bài thực hành dựa trên nguyên lý phản xạ từ photon, như trong bài thực hành về tính nhạt quán Điều này giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của môi trường không khí đến các quá trình quang học và ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống đo lường ánh sáng.
Sự biến đổi phân cực phản ánh sự thay đổi trạng thái của phân cực của chùm quang trong quá trình qua môi trường nhiều lớp và không khí loạn Tuy nhiên, biến đổi phân cực này không đáng kể khi một bức xạ quang đi qua vùng không khí nhiều loạn, cho thấy hiệu ứng phân cực ít ảnh hưởng trong điều kiện này.
Nội dung truyền thông qua không gian tự do, gồm hệ thống FSO, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền đạt thông tin Các giải pháp truy cập này cần đảm bảo chi phí hợp lý, khả năng triển khai nhanh chóng, an toàn và bảo mật, phù hợp với yêu cầu của doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân Hệ thống FSO đáp ứng tất cả các tiêu chí này, ngày càng được sử dụng phổ biến để nâng cao hiệu quả truyền thông trong nhiều lĩnh vực.
2.1 Suy hao trong h ăth ngăRFăvƠăFSO
Hệ thống truyền tin vô tuyến gồm nhiều kênh truyền dẫn và thu nhận tín hiệu từ máy phát đến máy thu Tín hiệu truyền đi qua kênh vô tuyến có tính ngẫu nhiên và không dự đoán được, gây khó khăn trong phân tích Các yếu tố như các tòa nhà, núi non, cây cối, phản xạ, tán xạ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, gây ra hiện tượng fading Kết quả thu nhận của máy thu là các phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, phản ánh đặc điểm của hệ thống truyền vô tuyến.
Hi năt ng fading trong m t h th ng thông tin có th đ c phân thành hai lo i: fading t m r ng (large-scale fading) và fading t m hẹp (small-scale fading)
Suy giảm tín hiệu trong truyền dẫn không dây chủ yếu do sự dịch chuyển trong một vùng rừng, gây ra hiện tượng fading tán xạ Hiện tượng này bị ảnh hưởng rõ rệt bởi sự cao lên của địa hình, như núi, rừng, hoặc các khu nhà cao tầng, khiến tín hiệu bị che khuất hoặc phản xạ không đều Thống kê cho thấy các vật cản cao nằm chắn sóng ở phía thu, gây ra suy hao kênh truyền theo hàm khoảng cách Fading tán xạ làm giảm hiệu quả truyền dẫn, ảnh hưởng đến chất lượng kết nối không dây.
Fading tầm hẹp là hiện tượng thay đổi tín hiệu đáng kể do sự biến đổi trong không gian của kênh truyền, gây ra pha tín hiệu không đều và suy giảm tín hiệu Hiện tượng này xảy ra do sự thay đổi vị trí của các thiết bị truyền và nhận, khiến khoảng cách giữa chúng không cố định, dẫn đến sự thay đổi trong thấu kính sóng Fading tầm hẹp hoạt động dựa trên hai nguyên lý chính: sự truyền thụ thời gian (time-spreading) và sự thay đổi theo thời gian của kênh truyền (time-variant), phản ánh sự biến đổi của tín hiệu theo thời gian do di chuyển của các thiết bị trong môi trường truyền sóng Kênh truyền trong các ứng dụng di động luôn là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu làm thay đổi đặc tính của sóng truyền.
Cóăbaăc ăch chính nhăh ngăđ n sự lan truy n c a tín hi u trong h th ng di đ ng:
- Ph n x x yăraăkhíăsóngăđi n t va ch m vào m t m t bằng phẳng v i kích th c r t l n so v iăb c sóng tín hi u RF
Nhiễu xảy ra do hiện tượng sóng truyền qua vùng giữa phía phát và phía thu bị biến dạng hoặc mất năng lượng, gây giảm chất lượng tín hiệu Hiện tượng này dễ hiểu là do sự phản xạ và khúc xạ của sóng khi gặp các vật cản hoặc các môi trường không đồng nhất, khiến tín hiệu không truyền thẳng mà bị lệch hướng hoặc suy giảm Ngoài ra, nhiễu còn được gây ra bởi hiệu ứng bóng tối (shadowing), xảy ra khi các vật cản chắn lối đi của sóng, khiến tín hiệu không thể xuyên qua hoặc bị suy yếu rõ rệt Những tác nhân này làm giảm độ rõ nét và tín hiệu nhận được tại phía thu, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng truyền dẫn không dây.
Tán x x yăraăkhiăsóngăđi là quá trình gây ra các vết trầy xước hoặc vết nứt trên bề mặt vật thể, làm ảnh hưởng đến độ bền và khả năng hoạt động của chúng Trong môi trường thành phố, các yếu tố như tác nhân gây mài mòn, tác động của thời tiết, và sự va chạm thường là nguyên nhân chính dẫn đến tán x Hiểu rõ các nguyên nhân này giúp chúng ta có thể phòng tránh và bảo trì vật thể một cách hiệu quả, đảm bảo tuổi thọ và độ bền của các công trình xây dựng cũng như các vật dụng hàng ngày.
2.1.2 Suy hao trong h ăth ngă FSO
Không khí xung quanh trái đất ngày càng nóng lên khiến nhiệt độ tăng cao, làm thay đổi khí hậu và các điều kiện tự nhiên Sự không ổn định của khí quyển gây ra các hiện tượng như nhiễu loạn không khí, các xoáy lốc, và các cơn gió mạnh với các kích cỡ và cường độ khác nhau Sự tương tác giữa các sóng khí và các yếu tố môi trường dẫn đến những biến đổi bất thường, ảnh hưởng đến hiệu quả của các hệ thống truyền tín hiệu và làm giảm hiệu quả của các công nghệ liên lạc như FSO Các hiện tượng này làm rõ tầm quan trọng của việc nghiên cứu và ứng dụng các biện pháp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu đến hoạt động truyền thông và các lĩnh vực liên quan.
Khi m t búp sóng laser lan truy năquaămôiătr ng khí quy n, phân b không gianăthayăđ i ng u nhiên c a chỉ s khúc x mà búp sóng laser g p ph i gây ra m t s tácăđ ng Bao g m:
- C ngă đ thĕngă giángă quană sátă đ c t i m t b táchă quangă đ t t i cu i đ ng truy n Hi năt ngănƠyăđ c g i là sự nh p nháy (scintillation)
- M căđ thayăđ i c a sựthĕngăgiángăsoăv i kích cỡ c a b tách sóng quang, ho c v i kích cỡ c a b thuăquangădùngăđ đi u khi năánhăsángăđƣăđ c t p h p t i b tách Hi năt ngănƠyăđ c g iălƠăđ m trung bình
Núm tụ búp sóng đều Gaussian giảm dần theo các khoảng cách khác nhau, thể hiện sự suy giảm cường độ truyền qua môi trường Khi quan sát, ta nhận thấy các mức độ biến đổi này tỷ lệ thuận với mức độ nhiễu loạn trong hệ thống Các sự thay đổi liên tục và đồng đều của các đặc tính sóng giúp xác định mức độ ổn định và khả năng dự đoán của tín hiệu trong điều kiện thực tế Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng này là yếu tố quan trọng để cải thiện chất lượng truyền tải và giảm thiểu tác động của nhiễu loạn trong các hệ thống viễn thông.
(i) Đ l ch c a d ng búp sóng ph thu c vào th i gian
(ii) L chăh ng tr ng tâm c a búp sóng
(iii)Sựtĕngălênăc aăđ r ngăbúpăsóngăv t quá dự ki n do sự nhi u x
(iv)Sự đ t gãy c a búp sóng thành các ph n riêng bi t c aăc ngăđ sáng có hình d ng và v tríăthayăđ i theo th i gian
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hợp thụ - xảy ra khi có sự tương tác giữa các photon và các phần tử khí trong khí quyển, làm các photon biến thành nhiệt Hiện tượng này phụ thuộc vào mật độ và loại khí, gây ra sự tiêu hao năng lượng của các photon trong quá trình truyền qua không khí Tán xạ là kết quả của sự phân bố góc giữa các tia sáng khi có và không có sự thay đổi của sóng, ảnh hưởng đến bán kính r của các hạt khí như bụi hoặc hơi trong quá trình truyền tải Mô tả theo mô hình này dựa trên tham số kích cỡ x0, trong đó nếu x0 = 1 thì tán x Rayleigh, phản ánh tán xạ của các tia sáng từ các hạt nhỏ hơn hoặc bằng bước sóng của sóng ánh sáng.
0 1 x là tán x Mie và n u x 0 ≥1ăthìătánăx có th thu c lo i khác (quang hình h c) Quá trình tán x đ i v i các h t khác nhau có m t trong b u khí quy năđ c tóm t t trong b ng 2.1
B ng 2.1: Bán kính và quá trình tán x c a các h t tán x đi n hình có trong không khí t i = 850 nm
Ki u Bán kính Kích cỡ tham s x 0 Quá trình tán x