KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN DWDM (có code)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN DWDM (có code) KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN DWDM (có code) KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN DWDM (có code) KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN DWDM (có code)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÔ

TUYẾN DWDM

MỤC LỤC

CW Continuous Wave Sóng liên tục

DWDM Dense Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Sợi khuếch đại pha tạp Ecbi

FSO Free Space Optical Communication Truyền thông quang vô tuyến IM/DD Intensity Modulation-Direct Điều chế cường độ-Trải phổ Detection trực tiếp

LOS Line of sight Thẳng hàng

NRZ Non Return To Zero Không trở về 0

OSNR Optical Signal-To-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp quang PRBS Pseudo Random Binary Sequence Chuỗi bit nhị phân ngẫu nhiênQPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha cầu phương

RF Radio Requency Tần số vô tuyến

RZ Return To Zero Trở về 0

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bướcsóng

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 ngày nay, thông tin quang đã và đangđóng vai trò là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông Các hệthống thông tin liên lạc được phát triển dựa trên các công nghệ trong ngành thôngtin quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễnthông ngày càng phong phú từ các nhu cầu như truy cập internet, truyền hình kỹthuật số, giao dịch trực tuyến, livestream,… Công nghệ ghép kênh phân chia theobước sóng ở mật độ cao (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) dùngcác bước sóng khác nhau ở mật độ cao ghép lại với nhau để truyền đi trên một sợiquang Hệ thống DWDM ngày nay được sử dụng phổ biến trên phương thức truyềndẫn quang cũng như trong truyền thông quang vô tuyến FSO

Truyền thông quang vô tuyến FSO là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang quamôi trường vô tuyến (không gian tự do) Truyền thông quang vô tuyến đang đượcxem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết nối vô tuyến băng rộng nhờ các

ưu điểm mà nó có được bao gồm: Triển khai nhanh, trọng lượng thiết bị nhẹ, truyềnthông dung lượng cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần số Trong truyềndẫn quang vô tuyến việc sử dụng các kỹ thuật điều chế đã được đưa ra nhằm tănghiệu suất kênh truyền, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao FSO sử dụng kỹ thuật điều chếtrực tiếp IM/DD cho hiệu suất kênh truyền không cao, bị ảnh hưởng nhiễu loạn dokênh truyền fading… Khi sử dụng kỹ thuật điều chế coherent thì có tính linh hoạthơn có thể sử dụng với bất kỳ loại điều chế nào như biên độ, tần số hoặc pha Giảipháp đưa ra ở đây là ứng dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM kếthợp với kỹ thuật điều chế QPSK, một phương pháp điều chế coherent nhằm tănghiệu suất kênh truyền, với kỹ thuật ghép kênh DWDM cho phép nhiều bước sóngcùng truyền được qua hệ thống quang vô tuyến do đó có thể tăng dung lượng kênhtruyền Giải pháp này cũng đáp ứng ứng dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu ở tốc độcao Từ đó em quyết định chọn đề tài “ Kỹ thuật điều chế QPSK cho hệ thống thôngtin quang vô tuyến DWDM”

Cấu trúc của luận văn sẽ được trình bày chi tiết trong ba chương:

+ Chương 2: Tổng quan về truyền thông quang vô tuyến FSO Chương này

sẽ giới thiệu khái quát về công nghệ quang vô tuyến, các đặc điểm của hệ thốngcũng như mô hình hệ thống quang vô tuyến FSO Các thách thức và ứng dụng của

hệ thống FSO

+ Chương 3: Kỹ thuật điều chế QPSK trong DWDM FSO Chương này sẽ

tập trung tìm hiểu về kỹ thuật điều chế coherent mà trọng tâm là QPSK Qua đócũng cho ta thấy ảnh hưởng của môi trường FSO có tác động đến chất lượng thu củamáy thu như thế nào

+ Chương 4: Mô phỏng và kết quả Ở chương này, ta mô phỏng các mô

hình hệ thống DWDM FSO sử dụng kỹ thuật tách sóng trực tiếp IM/DD dùng kỹthuật điều chế QPSK bằng phần mềm Optisystem Từ kết quả đó ta sẽ so sánh đượckhả năng truyền dẫn trong môi trường quang vô tuyến FSO của kỹ thuật điều chếnày với các kỹ thuật điều chế khác

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG QUANG VÔ TUYẾN

FSO

1.1 Giới thiệu

Từ lâu, công nghệ FSO xuất hiện như một thay thế khả thi về mặt thương mạicho tần số vô tuyến (RF) và hệ thống không dây sóng millimetre do độ tin cậy vàtriển khai nhanh của mạng số liệu và mạng thoại RF và kỹ thuật mạng không dâysóng millimetre có thể cung cấp tốc độ dữ liệu từ 10Mbps (điểm tới đa điểm) lên tớivài trăm Mbps (điểm tới điểm) Tuy vậy, công nghệ FSO cũng có một số hạn chếtrong việc thâm nhập thị trường có nghẽn phổ tần, cấp phát giấy phép và nhiễu từbăng tần không giấy phép

1.2 Mô hình hệ thống quang vô tuyền FSO

1.1.1 Những nguyên tắc cơ bản của FSO

FSO về cơ bản là sự truyền tín hiệu giữa hai điểm Nó sử dụng bức xạ quang họcnhư là tín hiệu sóng mang xuyên qua kênh truyền ngẫu nhiên Dữ liệu được truyền

có thể được điều chế dựa trên cường độ, pha hoặc có thể là tần số của sóng mangquang Một tuyến FSO về cơ bản được thiết kế dựa trên tầm nhìn thẳng (LOS) Vìvậy, cả bộ phát và bộ thu phải trực tiếp nhìn thấy nhau mà không có bất cứ cản trởnào giữa chúng để tuyến truyền thông được thiết lập Kênh truyền hoặc môi trườngtruyền của nó có thể là bất kỳ hoặc một sự kết hợp của không gian tự do, nước biểnhoặc không khí

Một hệ thống truyền thông FSO có thể được thực hiện trong hai dạng Dạngthông thường được hiển thị ở hình 2.1 là một tuyến truyền điểm - điểm song côngvới hai bộ thu phát tương tự nhau đặt ở hai đầu cuối của tuyến Dạng thứ hai đượchiển thị ở hình 2.2 là dạng đơn công Đầu phát tạo một sóng liên tục (CW) chùm tialaser đến đầu phản xạ Đầu phản xạ điều chế chùm tia CW với dữ liệu đầu vào vàphản xạ lại đầu phát Đầu phát nhận được tín hiệu phản xạ và khôi phục lại dữ liệu

Hình 2.1: Mô hình hệ thống quang song công

Hình 2.2: Mô hình hệ thống quang đơn công

1.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống FSO

Sơ đồ khối của tuyến quang vô tuyến mặt đất thông thường được miêu tả ởhình 2.3 Hệ thống FSO cơ bản bao gồm ba phần: Bộ phát, kênh truyền và bộ thu

Hình 2.3: Sơ đồ khối của tuyến quang vô tuyến mặt đất

+Bộ phát: Bộ phát có nhiệm vụ chủ yếu là điều chế dữ liệu nguồn với tần số

sóng mang quang sau đó truyền qua không khí đến bộ thu

Bảng 2.1: Các loại nguồn phát quang được sử dụng trong hệ thống FSO

~850 Bề mặt cạnh phát Rẻ và sẵn sàng sử dụng (CD lasers)

tia laser

Hệ thống làm mát không hoạt độngMật độ công suất thấp

Thích hợp với EDFATốc độ cao, lên đến ̴ 40Gbps

Độ dốc 0,03-0,2 W/A

~10.000 Laser tầng lượng tử

Đắt tiền và mớiRất nhanh và nhạy cảmĐặc tính truyền dẫn trong điều kiện sương

mù tốt hơnCác thành phần không có sẵnKhông thể xâm nhập qua kính

Gần hồng ngoại LED Rẻ hơnMạch điều khiển đơn giản

Công suất và tốc độ dữ liệu thấpTrong dãy bước sóng 700-10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền mà hầu hết làtrong suốt với suy hao nhỏ hơn 0.2 dB/km Phần lớn hệ thống FSO được thiết kế đểhoạt động trong mức phổ tần 780-850 nm và 1520-1600 nm Phổ tần 780-850 nmđược sử dụng rộng rãi bởi vì thiết bị và các thành phần sẵn có trong khoảng bướcsóng này và có mức chi phí thấp

• Giảm nền năng lượng mặt trời, tán xạ trong sương mù và mây Do đó, tại bước sóng

1550 nm một lượng công suất đáng kể có thể được truyền xuyên qua sự suy giảmbởi mây Tuy nhiên, hạn chế của bước sóng 1550 nm là giảm nhẹ độ nhạy của bộthu, các thành phần chi phí cao hơn và sự yêu cầu kết hợp chặt chẽ

+ Bộ thu quang: Bộ thu giúp khôi phục lại dữ liệu từ tín hiệu quang nhận đượctrên đường truyền Bộ thu quang bao gồm những thành phần sau:

• Thấu kính thu: Thu thập và tập trung bức xạ quang nhận được vào bộtách sóng quang, chú ý rằng khẩu độ thấu kính nhận lớn để thu thậpnhiều bức xạ không tương quan và tập trung bức xạ trung bình đó lên

bộ tách sóng quang, tuy nhiên nếu khẩu độ rộng thì đồng nghĩa vớinhận được nhiều bức xạ nền (tiếng ồn)

• Bộ lọc tín hiệu quang: Lọc bỏ số lượng lớn bức xạ nền

• Bộ tách sóng quang: PIN hoặc APD dùng để chuyển tín hiệu quangthành tín hiệu điện Các bộ tách sóng quang thường được sử dụngtrong hệ thống thông tin laser hiện nay được tóm tắt trong bảng 2.2

• Bộ tiền xử lý tách sóng/ mạch quyết định: có nhiệm vụ khuếch đại,lọc và xử lý tín hiệu để đảm bảo thực hiện việc khôi phục dữ liệuchính xác

Bảng 2.2: Các bộ tách sóng quang được sử dụng trong hệ thống FSO

• Bộ xử lý tách sóng có thể phân thành hai loại như sau:

o Bộ tách sóng quang trực tiếp: loại bộ thu này phát hiện tức thờicường độ hay công suất của bức xạ quang va chạm lên bộ táchsóng quang Tín hiệu ra của bộ tách sóng quang tỉ lệ với công

suất hoặc cường độ của bức xạ quang va chạm lên bộ tách sóngquang Bộ thu phát hiện trực tiếp này thực hiện rất đơn giản vàphù hợp cho hệ thống quang điều chế cường độ (Gagliardi andKarp, 1995, Pratt, 1969) Sơ đồ khối của bộ thu phát hiện trựctiếp được thể hiện như hình 2.4.

Hình 2.4: Bộ tách sóng quang trực tiếp

• Bộ tách sóng coherent: Sơ đồ khối của bộ thu coherent được thể hiệnnhư hình 2.5 hoạt động dựa trên hiện tượng trộn photon Tín hiệuquang tới được trộn với tín hiệu quang nội tại được tạo, tín hiệu nàyđược đưa đến bộ tách sóng quang Bộ thu quang coherent được chia rathành hai loại là bộ thu tách pha (homodyne) và bộ thu biến đổi tầnthấp (heterdyne) Trong bộ thu tách pha, tần số của bộ dao động nộigiống với tần số của bức xạ tới, còn trong bộ biến đổi tần thấp thì tần

số của bức xạ tới và tần số của bộ dao động nội là khác nhau Khácvới bộ tách sóng coherent RF, tín hiệu ra của bộ dao động nội trong bộtách sóng quang coherent thì không yêu cầu phải cùng pha với bức xạtới Lợi ích chủ yếu của bộ thu quang coherent là tương đối dễ dàngkhuyếch đại ở trung tần và thực tế là tỉ số tín hiệu trên nhiễu có thểđược cải thiện đáng kể bằng cách đơn giản tăng công suất của bộ daođộng nội

Hình 2.5: Bộ tách sóng quang coherent

1.1.3 Kênh truyền không khí

Kênh không khí là một môi trường động và rất phức tạp làm ảnh hưởngđến đặc tính của chùm tia quang học truyền đi thường là laser, do đó bức xạ củachùm tia quang học khi truyền tới máy thu bị suy hao, bị biến đổi về biên độ và pha.Thuộc tính của kênh truyền không khí là ngẫu nhiên trong tự nhiên Do đó, ảnhhưởng của nó có thể đặc trưng bởi các phương tiện thống kê và mô tả bằng toánhọc Tùy thuộc vào loại mô hình và độ chính xác của nó người ta có thể ước tínhđược bức xạ quang học nhận được ở máy thu Kênh truyền không khí bao gồm cácthành phần như bảng 2.3

- Bức xạ của chùm tia quang học khi truyền tới máy thu bị suy hao, bị biếnđổi về biên độ và pha do các nguyên nhân sau:

o Suy hao công suất: Khi bức xạ quang truyền qua không khí, một

phần photon bị hấp thụ bởi các thành phần phân tử như là hơinước, CO2, mây, ozon,…và năng lượng của nó được biến thànhnhiệt trong không khí trong khi một phần khác bị tán xạ LuậtBeer-Lambert mô tả sự truyền quang qua không khí Búp sóngthường bị trải ra khi đi qua kênh truyền là nguyên nhân kích cỡcủa búp sóng nhận lớn hơn khẩu độ của bộ thu Những yếu tố này,kết hợp với những trình bày ở đây sẽ làm rõ hơn cho sự khác nhau

về công suất giữa bộ phát và bộ thu quang

o Suy hao kênh truyền không khí: Bức xạ quang khi đi qua kênh

truyền không khí bị suy yếu là kết quả của sự hấp thụ và tán xạ.Mật độ của các chất trong khí quyển làm cho sự suy giảm khácnhau theo không gian, tạm thời và dựa trên điều kiện thời tiết hiệntại Đối với một tuyến FSO mặt đất tín hiệu quang truyền xuyênqua không khí, bức xạ nhận được tại khoảng cách L so với bộ phátthì tuân theo định luật Beer-Lambert như công thức (2.1).(Gagliardi and Karp, 1995)[1]:

(2.1)Trong đó: thể hiện tổng suy hao (m-1) bước sóng của bộ phát

hệ số suy hao là tổng của các hệ số hấp thụ và tán xạ từmôi trường không khí được đưa ra bởi (Willebrand và Ghuman,2002):

(2.2)Khi truyền qua môi trường không khí bức xạ quang sẽ bị hấp thụ và tán xạ

• Hấp thụ: Hiện tượng này xảy ra khi có sự tương tác giữa các photon được truyền và

những phần tử không khí dọc theo đường truyền của nó Một số photon bị dập tắt vànăng lượng của nó được chuyển thành nhiệt Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thành

phần của không khí và mật độ của nó Sự hấp thụ thì phụ thuộc vào bước sóng và

do vậy cần phải lựa chọn bước sóng phù hợp Trong khí quyển có khoảng bướcsóng mà tại bước sóng đó sự hấp thụ của không khí là nhỏ nhất được xem như làcửa sổ truyền Do vậy, bước sóng được sử dụng trong FSO thì được lựa chọn cơ bản

để trùng với cửa sổ truyền của không khí (Bloom, 2003), kết quả hệ số suy hao chỉcòn phụ thuộc chủ yếu vào tán xạ Vì vậy,

• Tán xạ: là hiện tượng góc truyền quang bị phân tán mà không có sự thay đổi của

bước sóng Hiệu ứng tán xạ phụ thuộc vào bán kính, bán kính của các hạt (mây, cácphần tử) gặp phải suốt đường truyền Một cách mô tả hiện tượng này là xem xéttham số kích thước Nếu , quá trình tán xạ được xem như là tán xạ Rayleigh (Bates,1984); nếu gọi là tán xạ Mie và với , quá trình tán xạ có thể được giải thích bằng lýthuyết nhiễu xạ (quang hình học) Quá trình tán xạ đối với các phần tử tán xạ khácnhau hiện diện trong không khí được tóm tắt trong bảng 2.4

Bảng 2.4: Mẫu tán xạ không khí phụ thuộc vào bán kính các hạt

Sương mù hạt 0.01 – 1 0.074 – 7.4 Rayleigh – Mie

Sương mù giọt 1 – 20 7.4 – 147.8 Mie – Geometrical

(2.3)

Trong đó được cho bởi:

Bảng 2.5: Điều kiện thời tiết và giá trị tầm nhìn của nó

Điều kiện thời tiết Dãy tầm nhìn (m)

• Chùm tia phân kỳ: Một trong những lợi ích của hệ thống FSO là khả năng truyền

một chùm quang rất hẹp, vì vậy cải thiện khả năng bảo mật Nhưng do sự nhiễu xạ,chùm tia bị trãi ra Kết quả này trong một tình huống mà trong đó khẩu độ của bộthu chỉ có thể thu được một phần nhỏ của chùm tia và vì vậy gây ra suy hao dochùm tia phân kỳ

Hình 2.7: Chùm tia phân kỳ

Xem xét sự bố trí của một tuyến thông tin quang vô tuyến hình 2.7 và bằngcách gọi ống kính mỏng xấp xỉ để truyền nguồn quang mà bức xạ của nó được thể

hiện bằng IS, tổng công suất quang tập trung lên bộ tách sóng quang công thức (2.6)

như sau:

(2.6)

AT và AR là vùng khẩu độ phát và thu trong đó AS là vùng của nguồn quang

Nó thể hiện rõ ràng rằng một nguồn với bức xạ cao và khẩu độ rộng được yêu cầu

để tăng công suất quang nhận được

Cho không khuếch tán, nguồn nhỏ như laser, kích cỡ của hình ảnh được hìnhthành tại mặt phẳng đầu thu thì không còn được cho bởi xấp xỉ ống kính mỏng; nóđược xác định bởi sự nhiễu xạ tại khẩu độ bộ phát Hình ảnh nhiễu xạ tạo bởi lỗ trònchiếu sáng thống nhất đường kính, được biết bao gồm một tập hợp của các vòngtròn đồng tâm Kích cỡ ảnh được cho là nhiễu xạ giới hạn khi bán kính của cường

độ nhỏ nhất đầu tiên hoặc vòng tròn tối của mẫu bức xạ được so sánh trong cỡ vớiđường kính, của ảnh tập trung bình thường được cho bởi công thức (2.7) nhưsau[1]:

Nếu hiệu quả độ lợi anten phát và thu tương ứng cho bởi:

Hình 2.8: Sơ đồ chùm tia mở rộng

Tuy nhiên với hầu hết nguồn thực hành, góc chùm tia phân kỳ thường lớn hơn

so với quyết định bởi nhiễu xạ Với nguồn với góc phân kỳ , cỡ chùm tia tại khoảngcách L thường là ( Tỉ số của công suất nhận trên công suất truyền vì thế được chobởi:

Từ những điều trên, một nguồn với góc khác biệt chùm tia rất hẹp thì thích hợphơn Tuy nhiên nó phải được đề cập rằng độ rộng góc phân kỳ là mong muốn trongtuyến FSO khoảng cách ngắn để giảm bớt sự yêu cầu thẳng hàng, sự đền bù do ảnhhưởng của tòa nhà và sự cần thiết kích hoạt hệ thống theo dõi hoạt động tại phí tổncủa suy hao hình học bị gia tăng rõ ràng Một bộ thu phát FSO thông thường cóchùm tia quang phân kỳ trong khoảng 2-10 mrad và 0.05-1.0 mrad (tương ứng chochùm tia trãi ra của 2-10m và 5 cm đến 1m, cho tuyến dài 1 km) cho hệ thốngkhông có và có theo dõi

• Suy hao quang và suy hao cửa sổ: Kiểu suy hao này bao gồm suy hao do ống kínhhoàn hảo và những phần tử quang khác sử dụng để thiết kế cả bộ phát và bộ thu Nóbao gồm phản xạ, hấp thụ và tán xạ do thấu kính trong hệ thống (Willebrand vàGhuman, 2002) Giá trị của suy hao quang có thể do các thành phần chế tạo Nóphụ thuộc vào đặc điểm của thiết bị và chất lượng của thấu kính được sử dụng Đốivới hệ thống FSO lắp đặt đằng sau cửa sổ trong tòa nhà, do vậy tồn tại suy hao côngsuất quang cộng thêm vào do sự suy hao của cửa kính Mặc dù cửa kính cho phéptín hiệu quang xuyên qua nó, nó vẫn đóng góp vào suy hao công suất tổng của tínhiệu Cửa sổ kính không tráng thường suy hao 4% cho một bề mặt, bởi vì phản xạ.Cửa sổ tráng cho suy hao nhiều hơn và độ lớn của nó phụ thuộc vào bước sóng

• Suy hao điểm: Suy hao cộng thêm vào thường phát sinh do thiếu sự thẳng hàng

hoàn toàn giữa bộ phát và bộ thu Kết quả suy hao công suất được bao gồm điểm/suy hao không thẳng hàng, trong tính toán quỹ đường truyền Đối với liên kết FSOkhoảng cách ngắn (<1 km), điều này có thể không là một vấn đề nhưng đối vớituyến khoảng cách lớn hơn, điều này chắc chắn không thể bỏ qua Không thẳnghàng có thể từ ảnh hưởng của tòa nhà hoặc hiệu ứng gió mạnh làm lệch tuyến FSO.Dựa trên suy hao đề cập ở trên, công suất quang nhận được đơn vị dBm vì vậy cóthể xây dựng công thức tính quỹ đường truyền như công thức (2.16):

(2.16)

Quỹ đường truyền, thì bao gồm trong công thức quỹ đường truyền ở trêncho những suy hao loại khác như là thay đổi đặc điểm kỹ thuật khi thành phần bị lỗiđược thay thế, lão hóa của nguồn laser, suy hao do mưa, tuyết,…Hình 2.9 mô tảkhoảng cách tuyến so với dự trữ tuyến tại các giá trị khác nhau của tầm nhìn chomột tuyến FSO thương mại thông thường mà các thông số được cho ở bảng 2.6.Trong hình này, mô hình Kim được sử dụng để ước tính hệ số suy hao Đối với nhàkhai thác tuyến được xem xét tại 5 dB dự trữ tuyến trong điều kiện khí quyển tốt vớitầm nhìn hơn 30 km, hai nút dữ liệu với khoảng cách hơn 3 km và hoạt động với tốc

độ 155 Mbps có thể được kết nối đáng tin cậy với hệ thống FSO mà thông số đượcthể hiện ở bảng 2.6

Bảng 2.6: Thông số dự trữ liên kết chuẩn

Kỹ thuật điều chế/Tốc độ bit On-Off keying/155Mbps

Một sự quan trọng lớn của công thức quỹ đường truyền là xác định khoảngcách tuyến đạt được với độ nhạy thu cho trước Độ nhạy thu là công suất quang tốithiểu cần thiết cho hệ thống để đạt được một mức chất lượng quy định (chẳng hạn

như tỉ lệ lỗi bít là ) Độ nhạy thu phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế được sử dụng,mức nhiễu, đa đường và tốc độ bit Tốc độ dữ liệu cao có nghĩa khoảng thời giancủa xung quang ngắn hơn do đó ít photon có thể được phát hiện hơn Nhiễu có thểđến từ sự kết hợp của bức xạ nền, nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt gây ra bởi nhiệtkích thích của các electron trong phần tử nhận electron

Hình 2.9: Quan hệ giữa khoảng cách và quỹ đường truyền hiện hữu cho các giá trị tầm nhìn

khác nhau Hiệu ứng nhiễu động không khí: Nhiệt độ không đồng nhất của không khí gây

ra sự thay đổi tương ứng trong chỉ số khúc xạ của không khí kết quả tạo nên cácxoáy không khí, tế bào hoặc gói không khí có cỡ rất khác nhau từ 0.1 cm đến 10 m.Các gói không khí này hoạt động giống như các lăng kính khúc xạ của rất nhiều chỉ

số khúc xạ khác nhau Bức xạ quang học truyền vì vậy hoàn toàn hay lệch một phầnphụ thuộc kích thước tương đối của chùm tia và mức độ nhiệt độ không đồng nhấtdọc theo đường truyền Vì vậy, bức xạ quang truyền qua nhiễu động không khí trảiqua sự thay đổi ngẫu nhiên hoặc đa đường trong bức xạ và pha của nó

Hình 2.10: Tín hiệu quang qua kênh truyền nhiễu động không khí

Nhiễu động không khí bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Áp suất không khí hoặc độ cao so với mực nước biển

- Biến động phân cực: Kết quả này từ thay đổi trạng thái cực của bộ thu sau khi

đi qua nhiễu động trung bình Tuy nhiên, lượng thay đổi phân cực là khôngđáng kể cho bức xạ quang học truyền đi theo chiều ngang trong nhiễu độngkhông khí (Karp, 1988)

1.3 Mô hình hệ thống quang vô tuyến DWDM FSO

Công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao DWDM cho phépchúng ta tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit của đườngtruyền và cũng không cần dùng thêm sợi quang Bằng cách ghép nhiều sóng quang

có bước sóng khác nhau nhờ vào bộ MUX (multiplexer) rồi truyền đi trong môitrường quang vô tuyến FSO, ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) đểtách các sóng khác nhau ra Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tínhiệu từ các bước sóng riêng rẽ Nguyên lý hoạt động của DWDM như sau[3]:

Hình 2.11: Sơ đồ khối DWDM FSO

Như minh họa trên hình 2.11, để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng,

hệ thống WDM phải thực hiện các chức năng sau:

• Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại

đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (TunableLaser), laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)

• Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhauthành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tínhiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sángriêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDMnhư: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử sợi bragg, cách tử nhiễu xạ, linh kiệnquang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot

• Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong môi trường quang vô tuyếnchịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Suy hao không gian tự do, hấp thụ khôngkhí, tán xạ, nhiễu loạn, nhấp nháy và giao thoa ánh sáng môi trường xung quanh,những yếu tố đó làm ảnh hưởng đến chất lượng thu của máy thu Do đó việc lựa

chọn bộ khuếch đại quang đã trở nên cần thiết trong các hệ thống truyền thôngquang và truyền thông quang vô tuyến FSO.

• Khuếch đại tín hiệu: Về cơ bản có hai loại bộ khuếch đại quang mà có thể được sửdụng trong các hệ thống truyền thông quang vô tuyến FSO: Khuếch đại bán dẫnquang học (SOA) và bộ khuếch đại Erbium sợi pha tạp (EDFA) SOA thì tốt hơn sovới EDFA cho các mạng nhỏ do có những đặc tính khác nhau của chúng: SOA nhỏgọn và dễ dàng tích hợp với khác thiết bị, khả năng tốc độ cao và có băng thông lớn,

có thể hoạt động ở bước sóng 800, 1300 và 1500 nm (không giống như các EDFA bịhạn chế chủ yếu ở băng tần C), các chi phí của SOA cũng thấp hơn so với EDFA

• Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóngquang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.4 Các ứng dụng của hệ thống quang vô tuyến FSO

Những tính năng đặc trưng của FSO được đề cập làm nó rất hấp dẫn đối với nhiềuứng dụng mạng truy cập và mạng đô thị Nó thích hợp cho việc bổ sung những côngnghệ khác như là truyền thông vô tuyến có dây và không dây, mạng băng thôngrộng FTTX lai ghép với cáp đồng trục trong việc tạo băng thông khổng lồ bên trongđường trục cáp quang đáp ứng cho nhiều người dùng đầu cuối Hầu hết nhữngngười dùng đầu cuối cách đường trục ở một khoảng cách ngắn khoảng một dặmhoặc ít hơn, điều này làm cho FSO rất thú vị như là một cầu nối dữ liệu giữa đườngtrục và nhiều người dùng đầu cuối Trong số những lĩnh vực ứng dụng về nănglượng khác, FSO mặt đất còn phù hợp trong các lĩnh vực sau:

• Truy cập chặng cuối: FSO có thể được sử dụng để khắc phục sự thiếu hụt băngthông còn gọi nút cổ chai ở chặng cuối tồn tại giữa những người dùng và đường trụccáp quang Những kết nối tầm khoảng trên 50m đến một vài km đã có mặt trên thịtrường với tốc độ dữ liệu từ 1 Mbps đến 2,5 Gbps

• Kết nối cáp quang dự phòng: Sử dụng để cung cấp dự phòng dữ liệu bị thất lạc hoặckhông kết nối liên lạc trong trường hợp hỏng hóc hoặc đường cáp quang chínhkhông kết nối

• Kết nối với mạng tế bào: Có thể được sử dụng để kết nối lưu lượng giữa trạm gốc và

những trung tâm trung chuyển trong mạng 3G và 4G Giống như là việc truyền tải tínhiệu mạng CDMA thế hệ đầu từ những khu vực có số lượng tế bào rộng lớn và sốlượng siêu nhỏ đến những trạm gốc.

• Kết nối tạm thời trong việc khắc phục thảm họa: Kỹ thuật này ứng dụng trong lĩnhvực kết nối tạm cho hội nghị trong những sự kiện khi mạng truyền thông gặp sự cố

• Sử dụng trong mạng truyền thông cho nhiều trường đại học: Kỹ thuật này có thểđược sử dụng để kết nối mạng khuôn viên trường đại học

• Ứng dụng trong địa hình khó khăn: Ví dụ như một con sông chảy ngang qua, đườngphố tấp nập, đường ray xe lửa hoặc những nơi thực hiện giải pháp không khả thi,chi phí quá đắt để chi trả, FSO là một cầu nối dữ liệu hấp dẫn trong những trườnghợp như vậy

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG DWDM FSO

Các công nghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1960 Đến cuốinhững năm 1980 những sản phẩm thương mại đã xuất hiện nhưng không thànhcông vì những rào cản công nghệ, cự ly ngắn, dung lượng thấp Hiệu suất của hệthống FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như môi trường truyền sóng, biến độngngẫu nhiên của không khí trong quá trình thiết kế hệ thống FSO việc lựa chọn các

kỹ thuật điều chế thích hợp đóng một vai trò hết sức quan trọng Kỹ thuật điều chếIM/DD thì đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhưng nó bị ảnh hưởng nhiễu loạn dokênh truyền fading, các biến động ngẫu nhiên trong môi trường Do đó đòi hỏi kỹthuật điều chế phải có khả năng thích nghi tốt và cho hiệu suất tối ưu, nhưng khảnăng thích nghi này kỹ thuật khá phức tạp để thực hiện và trên thực tế là khôngthích hợp[2] Khi cường độ quang bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng như nhấp nháy,biến động do môi trường gây ra sẽ tốt hơn nếu ta sử dụng kỹ thuật điều chế mangthông tin vào pha hoặc tần số của tín hiệu Điều chế khóa dịch pha (PSK) có khảnăng thích nghi tốt, do đó nó cung cấp hiệu suất cao hơn so với kỹ thuật điều chếIM/DD khi có sự biến động của môi trường[2]

Belmonte và Kahn đã phát triển mô hình để mô tả sự kết hợp ảnh hưởng củanhiễu loạn gây ra dao động biên độ và méo pha lên hiệu suất của máy thu coherent,

họ cũng đã nghiên cứu hiệu suất băng tần của hệ thống coherent FSO với nhiềukhẩu độ thu[3] Trong môi trường quang vô tuyến FSO khi thiết kế hệ thốngDWDM 40 Gbps 32 kênh sử dụng kỹ thuật điều chế IM/DD cho chất lượng dịch vụchưa cao và bị ảnh hưởng bởi sự biến động ngẫu nhiên trong môi trường[3] Truyềndẫn quang vô tuyến FSO đơn kênh sử dụng hệ thống coherent DWDM kết hợp với

kỹ thuật điều chế QPSK được đề suất với tốc độ bit từ 1Gbps đến 100 Gbps là phần

mở rộng của kỹ thuật điều chế IM/DD vấn đề này đã được nghiên cứu, nó cung cấpchất lượng dịch vụ tương đối cao cũng như các ứng dụng truyền dẫn cao Nhưng khighép kênh FSO sử dụng hệ thống coherent DWDM kết hợp với kỹ thuật điều chế