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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
~~~~~  ~~~~~

ĐỒ ÁN 3
Tìm hiểu hệ thống thơng tin quang
truyền trong không gian tự do và mô
phỏng hệ thống đơn giản
Sinh viên thực hiện:

TRẦN VĂN HUYỆN

Giảng viên hướng dẫn:

Lớp KT ĐTVT 09- K60
NGUYỄN VĂN TRỌNG
Lớp ĐIỆN TỬ 06- K60
TS. HOÀNG PHƯƠNG CHI

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 cơng trình đã có từ trước


Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ Hồng Phương Chi đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án chun
ngành viễn thơng.

TĨM TẮT ĐỒ ÁN

2


Nội dung đồ án trình bày về FSO (Free Space Optical) – hệ thống truyền
thơng tin quang khơng 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.

3


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 khơng khí đến chất lượng tín
hiệu.
18
1.8.

Yếu tố ảnh hưởng và nâng cao chất lượng tuyến quang không
19

dây

1.8.1. Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến....................19
a)

Phương trình truyền của tuyến..................................................19

b)

Độ suy giảm khơng khí.............................................................20

1.8.2. Tham số nâng cao chất lượng của tuyến...............................21
a)

Hệ thống bám đuổi...................................................................21

4


b)
1.9.

Điều khiển cơng suất laser........................................................21
Tính tốn suy hao đối với đường truyền FSO.........................22

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THƠNG TIN
QUANG.............................................................................................................. 25
2.1. Tìm hiểu phần mềm mơ 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

5


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 Mơ 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 mơi 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 Mơ 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

6


CÁC TỪ VIẾT TẮT

FSO:

Free space optics

7


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 đầu
được 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 nhanh
chóng giữa những khu vực xa. LightPointe có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực
này: các nhà khoa học của họ đã xây dựng các phịng thí nghiệm để phát triển các
hệ thống FSO đầu tiên ở Đức vào cuối những năm 1960, ngay trước cả sự ra đời
của cáp quang. Nhà khoa học của LightPointe được coi là "cha đẻ của cơng nghệ
FSO". Sau đó trong khi truyền dẫn cáp quang đã được chấp nhận trên toàn thế
giới trong ngành viễn thơng thì truyền thơng FSO vẫn được coi là tương đối mới.
Công nghệ FSO cho phép truyền tải băng thông tương tự như sợi quang, sử dụng
các thiết bị phát và thu quang tương tự và thậm chí cho phép các công nghệ
tương 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 cơng suất ra lớn nhất an tồn có thể giảm
những ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua).

8

 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.
 Số F xác định trường nhìn của bộ tách sóng.
Hệ thống bám đuổi quang: Trường nhìn của hệ thống bám đuổi phải đủ
rộng nhằm đạt được và duy trì tính ngun vẹn tuyến hệ thống.
1.3.

Bộ phát
Bộ phát gồm ba thành phần chính của một hệ thống truyền dẫn quang vơ

tuyến
1.3.1. Chức năng
Nhiệm vụ chính của bộ phát là điều chế tín hiệu từ tín hiệu điện sang tín
hiệu quang ,sau đó truyền vào khơng gian. Chất lượng tín hiệu cũng như các
thơng số ,chỉ tiêu về chất lượng phải được tính tốn ở máy thu sao cho máy thu
truyền đi dữ liệu mà tín hiệu nhận được tốt như mong muốn.
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

9




Bộ điều chế: có vài trị là điều chế tín hiệu. Phương pháp điều chế sử dụng
chủ yếu là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation), tín hiệu được
điều chế tại đây sẽ đưa vào bộ phát xạ quang. Cấu tạo chi tiết mơ 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 vơ tuyến là điều chế OOK(On-Off Keying) đây là
điều chế được sử dụng nhiều nhất vì tính đơn giản của nó. Ngồi ra cịn có
điều 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 trị 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.
10

Nguồn LD:
-

Có nhiều loại như laser rắn ,laser khí, laser CO2,laser than hoạt tính,và
một số loại khác.Tuy nhiên, trong quang vơ tuyến người ta sử dụng laser
bán dẫn ,điển hình là Laser Diode (LD). Laser diode có vài loại như GaAs
, AlGaAs,và GaInAsP. Mỗi loại có ứng dụng khác nhau cịn tùy thuộc vào
cơng suất và bước sóng. Trong thơng tin quang, người ta sử dụng laser
diode loại GaLnAsP ,vì loại này có cơng suất cao (20mV), bước sóng
1300 nm.

-

Về cấu tạo, một cách tổng qt thì laser gồm có 3 thành phần, thứ nhất là
buồng cộng hưởng laser, thứ hai là nguồn nuôi, cuối cùng là hệ thống
quang dẫn. Cấu tạo cụ thể được mơ 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 ni (năng lượng cung cấp cho vùng bị kích thích), số 3 là gương phản xạ
tồn 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 khả
năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích để tạo ra laser. Khi một photon
tới 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 cộng
hưởng sẽ chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Khi ở
mức năng lượng này ,nếu có một hạt photon (hạt ánh sáng ) va vào thì
electron này sẽ rơi xuống mức năng lượng thấp đồng thời sinh ra một hạt

11


ánh sáng mới, cùng pha, cùng cường độ, cùng độ lớn và cùng hướng đi
chuyển 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 hạt
electron 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 chuyển
qua lại giữa 2 màn kính, tạo thành một dịng ánh sáng được khuếch đại,
dịng ánh sáng sẽ thốt ra ngồi một phần thơng qua gương bán mạ. Ánh
sáng thốt ra khỏi gương ban mạ có thể truyền đi rất xa. Nguyên lý hoạt
động của laser được thể hiện thơng qua Hình 1.5.

Hình 5 Ngun 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 truyền
quang , vì LED hồng ngoại có tính chất định hướng. LED hồng ngoại có bước
sóng từ 780nm – 1mm.

12

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 khơi phục lại tín hiệu ban đầu ,chức năng
của bộ thu rất quan trọng ,đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng khơi 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 ánh
sáng truyền từ máy phát , sau đó đưa vào bộ phận tiếp theo. Thứ tự của các thành

13


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 khơng cịn 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 q 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 dịng điện ra của bộ tách quang sẽ tỉ lệ
với 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 được
giải điều chế, tiến hành giải điều chế cũng được thực hiện tại nơi xử lý tín
hiệu. Phương pháp giải điều chế phải được thực hiện theo phương pháp
giải điều chế của NRZ-OOK . Về bản chất , giải điều chế là quá trình đi
ngược 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
khơng 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 khơng).
Ví dụ về kĩ thuật điều chế OOK được mơ 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 hai

14


mức 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 khơng 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 lập
ngưỡng động nhằm đạt được hiệu năng tối ưu.
1.4.4. Giải điều chế
Giaỉ điều chế là q trình chuyển hóa bức xạ quang thơng tin thành tín
hiệu điện tương đương với mục đích thu hồi thơng tin truyền .Tại máy phát thơng
tin 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 thơng 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 khơng 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
15

quang và bộ lọc quang , ánh sáng được lọc ở đây sau đó chuyển sang ơ vng 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 nghệ
EDFAs 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 thể
lớn hơn 30dB, EDFAs có thể tạo ra cơng suất ra ở bước sóng 1550nm của 1 hệ
thống FSO lên khoảng 1W đến 2W. Ở thời điểm hiện tại EDFAs có thể giá thành
cịn khá cao và mục đích sử dụng của chúng ta hướng tới hệ thống hoạt động ở
tốc độ 1 Gbps.
1.6.

Hệ thống bám đuổi
Bộ tách sóng với vật liệu bằng CCD, CMOS được sử dụng trong hệ thống

bám đuổi. Các thiết bị có diện tích bề mặt tương đối lớn sẽ dễ dàng định hướng
thẳng hàng tới bộ thu quang hệ thống bám đuổi.
Đối với những hệ thống quang gắn trên tịa nhà thì băng thơng cho hệ
thống bám đuổi thấp vì sự lay động của tịa nhà ảnh hưởng bởi một số yếu tố xảy
ra với tần suất thấp. Với hệ thống gắn trên tháp hoặc trụ thì băng thơng bám đuổi
cao 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 số
lượng 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 khơng 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.

16


Sự hấp thụ chọn lọc của những bức xạ được truyền trong các bước sóng
ánh sáng được tạo ra từ những tương tác của các photon và các phân tử, nguyên
tử (H2O, CO2, N2, O2, H2, O3...). Điều này dẫn đến sự biến mất của các photon
truyền tới, suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh. Hiện tượng này phụ
thuộc vào thành phần khơng khí và bước ánh sáng sử dụng. Có những vùng bước
sóng mà sự truyền gần như trong suốt (khơng có hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số.

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

Tán xạ môi trường khơng khí là kết quả tương tác 1 phần ánh sáng và các
phần tử (bụi, các dạng hạt nước trong khơng khí) trong mơi trường truyền sóng.
Nó chỉ thay đổi hướng bức xạ của thành phần tương tác mà không có thay đổi
bước sóng. Tán xạ xảy ra khi kích thước của các hạt trong khơng khí có kích
thước tương đương với bước sóng của ánh sáng được truyền. Và trong điều kiện
thực tế thì chủ yếu tạo ra do sương mù, mưa phùn.
Dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bên trong môi trường truyền,
sự phân bố ngẫu nhiên của các lớp khơng khí trên đường được tạo ra. Các lớp

này có khoảng cách biến đổi (10cm – 1km) và có nhiệt độ khác nhau, tạo ra các
hệ số khúc xạ khác nhau là nguyên nhân sinh ra sự tán xạ, đa đường, biến đổi góc
tới. Tín hiệu thu được thay đổi nhanh với phạm vi tần số 0.01 – 200 Hz. Mặt
sóng thay đổi tạo ra sự hội tụ và phân kỳ của chùm ánh sáng. Những sự thay đổi
của tín hiệu là hiện tượng chập chờn trong FSO.
Ngoài ra, các tác động khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến đường tryền như
các vật chắn phát sinh trong khi sử dụng: cây cối phát triển, các lồi sinh vật biết
bay; sự di chuyển của tịa nhà hay cột tháp lắp thiết bị, sự chấn động của mặt đất

17


làm lệch hướng tia sáng. Các loại này xác xuất xảy ra rất thấp và ta cũng có thể
loại bỏ được.
Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FSO:

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

1.7.2. Ảnh hưởng của sự thay đổi khơng khí đến chất lượng tín hiệu.
Sự thay đổi tính chất của khơng khí gây ra sự biến thiên cường độ tín hiệu
theo khơng gian và thời gian ở đầu thu. Nguyên nhân là sự thay đổi này làm cho
chỉ số khúc xạ bị thay đổi và khơng khí giống như những thấu kính làm lệch
chùm tia so với hướng chính đến phía thu. Thời gian thay đổi này chính là thời
gian chùm tia được truyền qua khơng gian và nó phụ thuộc vào tốc độ gió. Thực
tế cho thấy, nếu sự thăng giáng yếu thì hàm phân bố cường độ tín hiệu tỉ lệ theo
hàm logarit thường. Đối với quang không gian sử dụng truyền lan theo phương
ngang, sự thay đổi này mạnh hơn nên hàm phân bố cường độ thu theo quy luật
hàm mũ.
Tham số thường được sử dụng để đo mức độ thay đổi khơng khí là tham
2

số cấu trúc khúc xạ Cn . Nó quan hệ trực tiếp với tốc độ gió. Hình 3.11 mơ tả một
số phép đo của tham số này.
2

Sự thay đổi của Cn có thể được sử dụng để dự đốn sự thay đổi
cường độ tín hiệu ở đầu thu bằng việc sử dụng biểu thức (3.5).
18


1
7

1

2

( C nsq , k , L ) := 0,
31.C nsq .k

χ

(
2.1)

L

là phương sai của sự thay đổi cường độ tín
Trong đó:

hiệu.

χ

là tham số cấu trúc khúc xạ ở trên (m

nsq

-2/3

).

k là hằng số truyền sóng (radian/m).
L là khoảng cách (m).
Từ biểu thức ta thấy:
-

Cường độ thay đổi khơng khí tỉ lệ nghịch với bước sóng sử dụng (hệ
thống hoạt động ở bước sóng 780 nm có sự thay đổi khoảng hai lần ở
1550 nm ).

1.8.

Ảnh hưởng sự thay đổi tỉ lệ thuận với khoảng cách.
Yếu tố ảnh hưởng và nâng cao chất lượng tuyến quang không dây
1.8.1. Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến

a) Phương trình truyền của tuyến
Phương trình truyền của hệ thống quang khơng gian ở dạng đơn giản (bỏ
qua

hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu…)

P

received

P

transmit

.

=

A

receiver

( Div.
Range)2

(2.2)

.exp(-α.Range)

2

- Areceiver là diện tích mặt máy thu (m ).
- Div là góc phân kì của chùm tia (radian).
19

- α là hệ số suy giảm khơng khí ( 1/km ).

- Ptransmit là công suất máy phát (W).
- exp(-α.Range) là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy giảm và
khoảng cách).

Công suất thu tỉ lệ thuận với cơng suất phát và diện tích miệng thu.
Tỉ lệ nghịch với bình phương của tích góc phân kì chùm tia và khoảng cách
truyền. Tỉ lệ nghịch với hàm mũ của hệ số suy giảm khơng khí và khảng cách
Nhìn vào phương trình những biến có thể thay thay đổi được là: cơng suất
phát, kích thước miệng thu, góc phân kì chùm tia và khoảng cách. Hệ số suy
giảm thì khơng thể điều khiển được, phụ thuộc điều kiện môi trường bên ngồi
và có thể độc lập với bước sóng trong môi suy hao nghiêm trọng.
Nhận thấy công suất thu phụ thuộc rất lớn vào tích hệ số suy giảm
và khoảng cách. Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện thời tiết xấu, dù
người thiết kế có tăng cơng suất phát, kích thước miệng thu, lắp đặt chùm tia rất
hẹp thì cơng suất thu vẫn khơng thay đổi. Chỉ có một tham số thay đổi được là
khoảng cách, nó phải đủ ngắn để đảm bảo hệ số suy giảm không chiếm chủ yếu
trong phương trình.
b) Độ suy giảm khơng khí
Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu là sự suy hao
khơng khí. Sự suy giảm cơng suất laser khi qua mơi trường khơng khí được định
nghĩa theo định luật Beers-Lambert:
(R)

= e−σ R

(R) =

(0)

Trong đó: -τ ( R) là hàm truyền ở khoảng cách R.
-P(R) là công suất ở R.
-P(0) là công suất ở nguồn phát.
-σ là hệ số suy giảm (1/Km)
Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các photon laser của các
phân tử khí trong khơng khí. Vì các bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng
20


(785 nm, 850 nm, 1550nm) nằm trong vùng cữa sổ truyền nên ảnh hưởng hệ số
hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ
đường truyền gây ra là chủ yếu.
Loại tán xạ được xác định bởi kích thước hạt cụ thể so với bước sóng
truyền. Nó được mơ tả bởi số kích thước gọi là tham số kích thước α :

2π r
=
λ
Trong đó r là bán kính hạt tán xạ và λ là bước sóng laser.
Tán xạ thường gặp thứ ba xảy ra khi kích thước hạt lớn hơn bước sóng.
Với tham số kích thước lớn hơn 50, tán xạ này gọi là tán xạ hình học hoặc khơng
có lựa chọn (vì khơng có sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào bước sóng và số
mũ của bước sóng trong hệ số suy giảm bằng 0). Những hạt tán xạ này đủ lớn để
góc của bức xạ tán xạ có thể mơ tả bằng quang hình học. Mưa rơi, tuyết và sương
dày sẽ gây tán xạ này.
1.8.2. Tham số nâng cao chất lượng của tuyến
a) Hệ thống bám đuổi
Trong hệ thống thơng tin quang khơng gian thì cần thiết có hệ thống bám

đuổi quang. Nhằm khắc phục ảnh hưởng lệch chùm tia ở phía thu. Vì:
-

-

Như biểu thức tuyến cho thấy công suất thu tỉ lệ nghịch với bình phương
độ trải rộng chùm tia ở phía thu. Sự trải rộng chùm tia tăng gấp đôi thay
đổi biên của hệ thống 6dB.
Biên tuyến hệ thống thăng gián bởi sự khơng chính xác trong lắp đặt theo
thời gian.

Do đó, cần một phần cứng điều khiển bộ phát laser hoặc sử dụng bộ phát
tạo độ trải chùm tia đủ lớn để bù sự lay động của tòa nhà đặt hệ thống.
b) Điều khiển công suất laser
Độ tin cậy của laser là điều đáng quan tâm đối với hệ thống quang không
gian mà cần có thời gian giữa hai lần sai hỏng là 8 năm hoặc hơn. Hai yếu tố ảnh
hưởng đến thời gian sống của laser diode bán dẫn là:

21


 Nhiệt độ hoạt động trung bình của diode. Với diode laser AlGaAs,
năng lượng hoạt động là 0.65eV, có thời gian sống tăng hai lần khi
0

nhiệt độ giảm 10 C.

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

 Nhân tố thứ hai là công suất ra trung bình của laser.

Xét thấy yếu tố nhiệt độ là khơng thể điều khiển trong hệ thống ngoài trời
nên để tăng thời gian sống cho thiết bị phát ta cần điều khiển cơng suất ra tự
động. Vì phần lớn thời gian tuyến hoạt động trong mơi trường khơng khí khơ nên
có thể giảm công suất phát của laser. Những hệ thống mà khơng có sự điều khiển
cơng suất sẽ khó đạt được thời gian sống mong muốn.
1.9.

Tính tốn suy hao đối với đường truyền FSO
Như đã xem xét từ trước tia hồng ngoại và ánh sáng truyền qua khơng khí

bị ảnh hưởng do hấp thụ và tán xạ bởi phần tử khơng khí và hạt chất lỏng và rắn.
Việc truyền của ánh sáng trong mơi trường khơng khí được mơ tả bằng định luật
Beer Lamber:

τ( (λ, L)
λ,L) =

= exp[−γ (λ)L)]
(λ,0)

trong đó:

22


- τ (λ) là hàm truyền tổng cộng của không khí ở bước sóng λ
- p(λ, L) là cơng suất tín hiệu ở khoảng cách L từ bộ phát
- p(λ,0) là công suất phát
- γ (λ) hệ số suy hao tổng cộng trên 1 đơn vị chiều dài.
Hệ số suy hao tổng cộng bao gồm các thành phần suy hao tán xạ và hấp

thụ. Nhìn chung trong điều kiện Việt Nam là tổng của các thành phần sau:
γ (λ) =α mưa( λ ) + β ( λ )

với: α mưa ( λ ) là suy hao do hấp thụ bởi mưa
β ( λ ) là suy hao do tán xạ nói chung ( khơng kể đến sương mù)

Để tính suy hao do mưa gây ra ta dùng công thức CARBONNEAU
sau:
α mưa( λ ) = 1,076*R

0,67

(dB/km)

Để tính suy hao do tán xạ nói chung (khơng phải sương mù) ta dùng cơng
thức từ cơng trình nghiên cứu P.W Kruse và I.I KIM.

(λ)=

β ,912

q
m

50
Các cuộc nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy giá trị hệ số q được cho
theo độ phân bố kích thước hạt và cho theo công thức:

23

Tính tốn suy hao do mưa, tán xạ theo cơng thức trên.
Loss = α mưa( λ ) *range +10*log10( β ( λ ) *range)
Với Nb là độ nhạy máy thu (Photons/Bit), rate là tốc độ bit truyền, h =
hằng số Planck, c là tốc độ ánh sáng. Thì độ nhạy công suất máy thu là:
Psen=Nb.r.(hc/λ)
Ta chỉ chú trọng vào ảnh hưởng đường truyền lên chất lượng thu nên
công suất đầu vào mấy thu xác định bằng công thức:

Preceive = P_transmit – Loss
Từ cơng suất thu P_receive, băng thơng (bằng ½ tốc độ nếu dùng kỹ thuật
điều chế OOK), và bước sóng được dùng ta tìm được SNR (tỉ số tín hiệu trên
nhiễu)

r

=

S
NR.B.hc
η
λ

=>

r

.η.λ

SNR =

.hc

(η là hiệu suất lượng tử bộ thu quang(với bộ tách sóng bằng vật liệu CCD
thì >90%)
Tỉ lệ lỗi
bit:

B

erfc( 1/2 SNR / 2 )

ER =

24


Q Factor, một chức năng của OSNR, cung cấp một mơ tả định tính về hiệu
suất của máy thu. Hệ số Q gợi ý tỷ lệ nhiễu tín hiệu tối thiểu (SNR) cần thiết để
có được BER cụ thể cho tín hiệu nhất định

Q=
Trong đó, giá trị trung bình của điện áp hoặc dịng khơng gian và là độ
lệch chuẩn.
Mối liên hệ giữa BER và Max. Q factor được biểu diễn:

BER = erfc ()

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
2.1. Tìm hiểu phần mềm mơ phỏng Optisystem
2.1.1.

Khái quát Optisystem

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thơng tin quang. Phần mềm
này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến
thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thơng tin quang
trong thực tế. Bên cạnh đó, phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do
người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự định nghĩa vào. Phần mềm có giao
diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan. Optisystem cho phép thiết kế tự
động hầu hết các loại tuyến thông tin quang ở lớp vật lý, từ hệ thống đường trục
cho đến các mạng LAN, MAN quang.

25