Nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật điều chế trong thông tin vô tuyến quang

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................iii
THUẬT NGŨ VIẾT TẮT .............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC B ẢNG ............................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................. vi
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN QUANG – FSO ......3
1.1. Khái niệm chung về hệ thống FSO................................................................................... 3
1.2. Lịch sử phát triển............................................................................................................ 4
1.3. Mô hình hệ thống FSO................................................................................................... 7
1.3.1. Máy phát. ................................................................................................................ 7
1.3.2. Máy thu. ................................................................................................................ 10
1.3.3. Kênh truyền dẫn vô tuyến. ...................................................................................... 12
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng và những thách thức lên hệ thống FSO.......................................... 15
1.5. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống FSO..................................................................... 17
1.5.1. Ưu điểm. ............................................................................................................... 17
1.5.2. Nhược điểm. .......................................................................................................... 19
1.6. Một số ứng dụng tiêu biểu của FSO ............................................................................... 20
1.7 Kết luận Chương I ......................................................................................................... 22

CHƢƠNG II KÊNH TRUYỀN VÀ MÔ HÌNH KÊNH NHIỄU LOẠN KHÔNG
KHÍ .................................................................................................................................... 23
2.1. Giới thiệu về nhiễu loạn không khí ................................................................................ 23
2.2. Suy hao trong FSO ....................................................................................................... 25
2.2.1. Suy hao do kênh truyền không khí........................................................................... 25
2.2.2. Suy hao do chùm tia bị phân kỳ............................................................................... 27
2.2.3 Các yếu tố suy hao khác. ......................................................................................... 28
2.3. Kênh truyền nhiễu loạn không khí ................................................................................ 28
2.3.1 Mô hình Log-normal ............................................................................................... 31
2.3.2 Mô hình Gamma-Gamma. ....................................................................................... 36
2.3.3. Mô Hình Mũ Âm.................................................................................................... 38

2.4. Tác động của nhiễu loạn không khí tới hệ thống FSO...................................................... 39
2.4.1. Sự thăng giáng cường độ. ...................................................................................... 40
2.4.2. Sự giãn xung . ........................................................................................................ 40
2.4.3. Sự lệch hướng thu - phát. ........................................................................................ 41
2.5. Kết Luận Chương 2. ..................................................................................................... 42

i


CHƢƠNG III NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN
ĐỘ CẦU PHƢƠNG SÓNG MANG ( SC-QAM) TRONG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN QUANG (FSO) ................................................................................................ 43
3.1 Giới thiệu về các kỹ thuật điều chế trong FSO. ................................................................ 43
3.2 . Hệ Thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM. ........................................................... 47
3.3 Mô Hình Hóa Kênh Truyền............................................................................................ 52
3.3.1 Sự Suy Hao Khí Quyển. .......................................................................................... 52
3.3.2 Nhiễu loạn không khí. ............................................................................................ 53
3.3.3 Lỗi lệch hướng thu phát. ........................................................................................ 54
3.3.4 Tổng hợp biến đổi tín hiệu cho toàn hệ thống. .......................................................... 55
3.4. Đánh giá hoạt động của hệ thống FSO/SC-QAM. ........................................................... 56
3.5. Phân tích các kết quả thu được. ..................................................................................... 59

KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 67
KIẾN NGHỊ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 69

ii


LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy, cô giáo
trong Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một
môi trường tốt để tôi học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin c ảm ơn các thầy cô trong
Viện Đào tạo sau Đại Học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học
viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến Thầy giáo TS. Hà Duyên Trung đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và sửa
chữa nội dung của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên
cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng, sửa chữa
của GVHD.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong bản luận văn này.

Tác giả

Đỗ Văn Tuấn

iii


THUẬT NGŨ VIẾT TẮT
APD
ASER
AWGN
BER
BS
FSO
HD
ISI
LED

LOS
MAM
MIMO
NRZ
OOK
PPM
PSK
QAM
RZ
SIM
SISO
SNR

avalanche photodiode
Average Symbol Error Ratio
Addtive White Gaussian Noise
Bit Error Ratio
Base Station
Free-Space Optical
High Definiton
Inter Symbol Interference
Light Emitting Diode
Line Of Sight
M-aray Amplitude Modulation
Multiple Input - Multiple Output
Non Return Zero
On-Off Key
Pulse-position modulation
Phase-shift keying
Quadrature amplitude modulation

Return Zero
Subcarrier Intensity modulation
Single Input Single Output
Signal Noise Ratio

iv

Diot thu quang dạng thác lũ
Tỷ kệ lỗi kí tự trung bình
Nhiễu Gauss trắng cộng
Tỷ lệ lỗi Bit
Trạm thu phát gốc
Thông tin vô tuyến quang
Độ nét cao
Nhiễu liên kí tự
Diot phát quang
Tầm nhìn thẳng
Điều chế biên độ M mức
Đa bộ phát - đa bộ thu
Không trở về 0
Điều chế khóa đóng mở
Điều chế vị trí xung
Điều chế khóa dịch pha
Điều chế biên độ cầu phương
Trở về 0
Điều chế cường độ sóng mang
Một phát - một thu
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các nguồn quang sử dụng phổ biến trong công nghệ FSO
Bảng 1.2: Các bộ tách sóng quang thường được sử dụng
Bảng 1.3: Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển
Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có
trong không khí tại λ= 850 nm
Bảng 3.1: Các thông số của một hệ thống FSO/SC-QAM tiêu biểu

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống FSO
Hình 1.2: Hình ảnh minh họa đường một tuyến FSO
Hình 1.3: Thí nghiệm photophone của Alexander Graham Bell
Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống FSO
Hình 1.5: Hình ảnh máy thu - phát trong thực tế
Hình 1.6: Những thách thức mà hệ thống FSO gặp phải
Hình 1.7: Kết nối tốc độ cao giữa các tòa nhà
Hình 2.1: Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu
Hình 2.2: Chùm tia phân kì
Hình 2.3: Hàm PDF của log-normal với các giá trị s l2 khác nhau
Hình 2.4: Kênh truyền không khí với các lốc xoáy nhiễu loạn
Hình 2.5: (a) Xung quang lan truyền qua môi trường nhiễu loạn khí quyển bị biến
dạng; (b) Sự giãn xung làm tăng lỗi bit
Hình 2.6: Sự lệch hướng chủa chùm tia
Hình 3.1: Các kỹ thuật điều chế quang.
Hình 3.2: Dạng sóng thời gian của 4-bits OOK và 16-PPM
Hình 3.3: Các dạng chòm sao trong kỹ thuật điều chế QAM.

Hình 3.4: Biểu đồ sao tín hiệu Rectangular QAM
Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống FSO/SC-QAM
Hình 3.6a,b: ASER của hệ thống FSO tính theo các hàm Q(x) tại mức SNR nhỏ (110dB)và SNR lớn (10-30dB)
Hình 3.7: Đánh giá ASER theo sự thay đổi của L
Hình 3.8: Tác động của Cn2 lên hệ thống FSO
Hình 3.9: Đánh giá ASER với các phương thức điều chế khác nhau
Hình 3.10: So sánh công nghệ SISO/FSO với MIMO/FSO

vi


LỜI NÓI ĐẦU
Tính khoa học và tính cấp thiết của luận văn.
Trong những năm gần đây, mạng viễn thông đã có những bước phát triển vượt
bậc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ viễn thông. Tuy nhiên sự tăng
trưởng đột biến trong nhu cầu về dịch vụ viễn thông đang đặt ra những thách thức to
lớn đối với hạ tầng mạng.
Sau sự ra đời của sợi quang đơn và các công nghệ quang liên quan vào đ ầu
những năm 1980, các mạng truyền dẫn quang đã có những bước phát triển vượt bậc.
Sự phát triển của các hệ thống truyền dẫn quang là nhằm đáp ứng cho sự tăng
trưởng đột biến của lưu lượng viễn thông toàn c ầu trong những năm qua. Các hệ
thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với
dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dich vụ như thoại,
fax, hình ảnh, số liệu. Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống
truyền thông vô tuyến quang qua không gian tự do FSO (Free-Space Optics
Communication) lại dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi
cần. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng LOS (Line-Ofsight) và tính hướng của búp sóng quang cao. Vì vậy hệ thống thông tin vô tuyến
quang FSO đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp, tổ
chức, cá nhân.
Trong tất cả các phần tử cấu thành hệ thống thông tin quang nói chung và hệ

thống FSO nói riêng, công nghệ hay kỹ thuật điều chế tín hiệu đóng vai trò quan
trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Vì vậy việc nghiên cứu về công
nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón đ ầu công nghệ để vừa có thể nâng
cao năng lực của mạng lưới truyền dẫn vừa có thể sử dụng hiệu quả hạ tầng quang
sẵn có đồng thời có thể đưa ra đề xuất ứng dụng công nghệ mới thích hợp, hiệu quả
nhằm nâng cao hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang.
Mục đích nghiên cứu.
Đề tài này nghiên cứu, ứng dụng các kỹ thuật điều chế trong thông tin vô
1


tuyến quang FSO. Đánh giá chất lượng của các kỹ thuật điều chế cũng như tác động
của các yếu tố môi trường truyền dẫn lên hệ thống FSO.
- Hệ thống hóa những vấn đề lý thuyết cơ bản và tổng quan về hệ thống thông
tin vô tuyến quang– FSO.
- Đưa ra mô hình kênh truyền nhiễu loạn không khí, cũng như tác động của nó
đến hệ thống FSO.
- Đặc điểm của các phương thức điều chế đang được sử dụng.
- Ứng dụng kỹ thuật điều chế QAM trong hệ thống FSO.
Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu.
- Đối tượng nghiên cứu là hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM.
- Luận văn giới hạn trong việc sử dụng mô hình Log-nomal để mô hình hóa
kênh truyền nhiễu loạn không khí, không tính đến suy hao do truyền trong không
khí và lỗi lệch hướng thu- phát. Sử dụng kỹ thuật điều chế QAM với phân bố chòm
sao vuông để đánh giá chất lượng hệ thống.
- Phương pháp nghiên cứu trong luận văn được kết hợp giữa nghiên cứu lý
thuyết với nghiên cứu mô phỏng trên Matlab thông qua tỷ lệ lỗi kí tự trung bình
(ASER) và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trung bình (Average SNR).
Nội dung của luận văn.
Nội dung của luận văn gồm 3 chương.

Chương I: Tổng quan về thông tin vô tuyến quang – FSO.
Chương II: Kênh truyền và mô hình kênh nhiễu loạn không khí.
Chương III: Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều chế biên độ cầu phương sóng
mang (QAM) trong thông tin vô tuyến quang (FSO).

2


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN QUANG – FSO
1.1. Khái niệm chung về hệ thống FSO
Hệ thống thông tin vô tuyến quang - FSO ( Free-space optical communication)
là công nghệ truyền thông tin, dữ liệu giữa 2 điểm sử dụng bức xạ quang như là tín
hiệu mang tin và được truyền qua các kênh truyền tự do. Dữ liệu cần truyền được
điều chế cường độ, pha, hoặc tần số của bức xạ quang mang tin. Một đường truyền
dẫn FSO là đường truyền dẫn thẳng (Line Of Sight - LOS), vì vậy để đảm bảo việc
trao đổi thông tin thành công, yêu c ầu máy thu và máy phát phải có thể “nhìn” thấy
nhau một cách trực tiếp mà không có bất kỳ một chướng ngại vật nào trên đường
truyền. Kênh truyền tự do có thể là trong không gian vũ trụ, trong nước biển, trong
khí quyển hoặc là sự kết hợp của các loại môi trường trên trong cùng một tuyến
thông tin. Tuy nhiên hệ thông FSO chủ yếu được sử dụng trên mặt đất, do vậy, kênh
truyền chủ yếu được xét đến là kênh truyền trong không khí.

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống FSO
Một mạng truyền thông quang không dây bao gồm các bộ thu-phát quang
(gồm một khối thu và một khối phát) cung cấp khả năng thông tin một hoặc hai
chiều. Mỗi khối phát quang sử dụng một nguồn quang và một hệ thống các thấu
kính để phát tín hiệu quang qua không gian tới khối thu. Tại phía thu, các thấu kính
khác được sử dụng để thu tín hiệu, thấu kính này được nối với khối thu có độ nhạy
cao. Thông thường, các bộ thu phát được gắn trên cao ví dụ như trên nóc các tòa.

3


Hình 1.2: Hình ảnh minh họa một tuyến FSO
1.2. Lịch sử phát triển
FSO là một công nghệ đã có từ lâu đời sử dụng sự truyền lan ánh sáng trong
không gian để truyền tín hiệu giữa hai điểm. Từ khoảng những năm 800 trước công
nguyên, người Hy Lạp và người La Mã cổ đại đã biết sử dụng lửa, khói để báo hiệu
và cảnh báo. Những kỹ thuật báo hiệu bằng thông tin quang ví dụ như báo hiệu
được sử dụng trong hàng hải ở Pháp vào năm 1790, tuy nhiên vào năm 1880
Alexander Graham Bell đã đặt nền móng lần đầu tiên truyền cho hệ thống thông tin
quang trong môi trường tự do. Trong thí nghiệm của mình, Bell đã điều chế bức xạ
của mặt trời với tín hiệu âm thanh và truyền đi qua khoảng cách khoảng 200m.
Cuộc trò chuyện điện thoại không dây đ ầu tiên trên thế giới xảy ra trong năm 1880,
khi Alexander Graham Bell và Charles Sumner Tainter đã dùng photophone thực
hiện cuộc hội thoại âm thanh không dây qua chùm ánh sáng được điều chế. Trong
thời kì đó do sự kém phát triển về khoa học kỹ thuật cùng với sự giới hạn về ánh
sáng mặt trời và ảnh hưởng của thời tiết nên cỗ máy này chưa được đánh giá cao
cũng như chưa chiếm được sự quan tâm đúng mức của cộng đồng khoa học lúc bấy
giờ.

4


Hình 1.3: Thí nghiệm photophone của Alexander Graham Bell
Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghê FSO đó là việc phát
minh ra nguồn quang, mà quan trọng nhất là nguồn phát Laser vào những năm 1960.
Hàng loạt các nghiên cứu về FSO đã được thực hiện từ những năm đầu 60 đến
những năm 70. Ví dụ như truyền phổ của tín hiệu truyền hình qua khoảng cách 48

km sử dụng diode phát quang GaA được thực hiện bởi cách nhà khoa học của học
viện MIT năm 1962. Tháng 5 năm 1963, tín hiệu âm thanh được điều chế với nguồn
phát Laser He-Ne đã được truyền giữa 2 ngọn núi Panamint Ridge và San Gabriel
tại Mỹ với khoảng cách lên tới 190 km. Truyền dẫn quang trong không gian tự do
được sử dụng với mục đích thương mại lần đầu tiên tại Nhật Bản bởi công ty điện
tử Nippon vào năm 1970. Đó là đường truyễn dẫn song công, sử dụng nguồn phát
Laser He-Ne bước sóng 0.6328 um, truyền thông tin giữa Yokohama và Tamagawa
với khoảng cách 14 km.
Từ quãng thời gian này trở đi, công nghệ FSO tiếp tục được nghiên cứu và thử
nghiệm mạnh mẽ, đặc biệt là trong thông tin quân sự cho các hoạt động truyền
thông bí mật. FSO cũng đã và đang được nghiên cứu để sử dụng cho truyền thông
trong vũ trụ. Trong vòng vài thập kỷ vừa qua, công nghệ FSO đã được nghiên cứu
và chứng minh một cách thành công là có thể được sử dụng trong truyền thông vũ
trụ giữa các vệ tinh với tốc độ dữ liệu có thể lên tới 10 Gbps.

5


Mặc dù những kiến thức về các kỹ thuật cần thiết để xây dựng một hệ thống
thông tin FSO đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học khác nhau trong nhiều
năm liền, tuy nhiên tính hữu dụng và tính thực tế của hệ thống thông tin FSO cho
đến gần đây vẫn còn bị hoài nghi bởi nhiều nguyên nhân khác nhau như:
- Các hệ thống thông tin liên lạc đang tồn tại đã đủ để giải quyết các nhu cầu
thông tin hiện thời.
- Những nghiên cứu và phát triển đáng kể của công nghệ FSO cần phải được
cải thiện độ tin cậy của các thánh phần, các khối để đảm bảo hệ thống hoạt động
đáng tin cậy.
- Hệ thống hoạt động trong bầu khí quyển nên luôn chịu ảnh hưởng bởi sự
gián đoạn trong không khí đặc biệt khi có mặt sương mù dày đặc.
- Hệ thống FSO sử dụng trong môi trường tự do chịu tác động của các hiệu

ứng khi lan truyền sóng ánh sáng trong khí quyển, vì vậy luôn yêu cầu phát hướng
điểm chính xác và bộ phận thu phải có độ nhạy lớn.
Những vấn đề trên vẫn chưa được giải quyết một cách triệu để. Chính vì vậy
công nghệ FSO vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các mạng truy nhập. Và vẫn
đang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện hệ thống.
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng và sự hoàn thiện của các thiết bị
quang điện, công nghệ FSO sẽ trải qua một cuộc cách mạng lớn. Ngoài ra, nhu cầu
ngày càng cao về các ứng dụng yêu cầu tốc độ và băng thông lớn đang là một thách
thức lớn mà hệ thống truy nhập cũ đang phải đối mặt, những yếu tố này cùng với
các thử nghiệm và những thành công đã được ghi nhận của hệ thống FSO trong
quân sự đã và đang khuyến khích các nhà đầu tư để thương mại hóa công nghệ
FSO . Các tổ chức, chính phủ, các cở sở tư nhân bây giờ đã kết hợp công nghệ FSO
vào cơ sở hạ tầng mạng của họ.
Công nghệ FSO hiện nay đã chứng minh được là một công nghệ bổ xung hữu
hiệu trong việc giải quyết các thách thức của hệ thống truyền thông hiện tại, đặc biệt
là các ứng dụng yêu cầu băng thông, tốc độ dữ liệu cao cung c ấp cho người dùng

6


với chi phí phải chăng. Tuy nhiên, các tác động của kênh truyền không khí như
sương mù, khói, và sự biến động không khí ảnh hưởng rất lớn và là thách thức lớn
nhất cả về chất lượng cũng như khoảng cách truyền dẫn của hệ thống FSO.
1.3. Mô hình hệ thống FSO
Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống FSO được thể hiện trong Hình 1.4. Cũng
giống như bất kỳ một hệ thống thông tin nào khác, một hệ thống FSO cũng bao gồm
3 thành phần cơ bản: Máy phát, Kênh truyền dẫn vô tuyến và Máy thu.

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống FSO
1.3.1. Máy phát.

Nhiệm vụ chính của bộ phát là điều chế dữ liệu gốc thành tín hiệu quang sau
đó truyền qua kênh truyền tới bộ thu. Kênh truyền có thể là khí quyển, nước,… Bộ
phát bao gồm các thành phần sau:
- Bộ điều chế: Phía nguồn có cơ chế điều chế sóng mang quang riêng, phương
pháp điều chế quang được sử dụng rộng rãi nhất là kiểu điều chế cường độ (IM:
7


Intensity modulation). Với kiểu điều chế này, dữ liệu được dùng để điều chế cường
độ của các bức xạ quang học. Điều này có thể đạt được bằng cách thay đổi dòng
điều khiển nguồn quang một cách trực tiếp theo dữ liệu đầu vào cần được truyền đi
hoặc là thông qua một khối điều chế ngoài như là bộ giao thoa đối xứng MachZehnder để điều chế dữ liệu vào bức xạ quang mang tin. Việc sử dụng một bộ điều
chế ngoài cung c ấp tốc độ dữ liệu lớn hơn phương pháp điều chế trực tiếp. Tuy
nhiên bộ điều chế ngoài là một phần tử không tuyến tính. Những đặc tính khác của
bức xạ quang như là pha, tần số, và trạng thái phân cực cũng có thể được điều chế
để mang dữ liệu thông qua bộ điều chế ngoài.
- Mạch điều khiển: thực hiện các chức năng điều khiển cường độ, công suất
phát của nguồn quang,…sau đó đưa tín hiệu lên bộ phát quang.
- Nguồn quang: Tạo ra các bức xạ quang. Tại đây thực hiện phát dữ liệu đã
được điều chế sóng mang quang qua môi trường truyền dẫn. Có nhiều loại nguồn
quang với công suất phát khác nhau vì vậy tùy vào yêu cầu bước sóng phát và công
suất phát để lựa chọn nguồn phát quang phù hợp.
- Các thấu kính với nhiệm vụ tập hợp, phát và định hướng các bức xạ quang
về phía thấu kính của máy thu.
Trong khoảng bước sóng từ 700-10000 nm, có rất nhiều cửa sổ truyền dẫn hầu
như trong suốt với mức suy hao nhỏ ở 0.2 db/km. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống
FSO đều được thiết kế để hoạt động trong cửa sổ truyền dẫn 780-850 nm và 15201600 nm. Phổ tần 780-850 nm là được sử dụng rộng dãi nhất, bởi vì giá thành thiết
bị và chi phí triển khai thấp. Tuy nhiên, dải tần 1550 nm đã và đang thu hút được rất
nhiều chú ý bởi tính tương thích với mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng ở
cửa sổ truyền dẫn thứ 3, an toàn cho mắt. Và hạn chế tán xạ và nhiễu trong sương

mù. Điều này dẫn đến kết quả là tại bước sóng 1550 nm công suất truyền dẫn được
tăng lên đáng kể khi vượt qua suy hao do sương mù. Tuy nhiên, hạn chế của dải
sóng 1550 nm là làm giảm độ nhạy thu, giá thành sản xuất linh kiện cao hơn và yêu
cầu đồng bộ không gian thu phát chặt chẽ hơn.

8


Hình 1.5: Hình ảnh máy thu - phát trong thực tế
Bảng dưới đây nêu lên một số loại nguồn quang được sử dụng phổ biến trong
công nghệ FSO và đặc điểm của từng loại nguồn quang.
Bảng 1.1: Các nguồn quang sử dụng phổ biến trong công nghệ FSO
Bước sóng(nm)
~850

Loại nguồn quang

Đặc điểm

Laser phát xạ mặt Rẻ và dễ tìm
với bộ cộng hưởng Mật độ công suất thấp
thẳng đứng
Công suất vào khoảng 6mW
Tốc độ dữ liệu 10Gbps

9


~1300/~1550

Tuổi thọ cao.

Laser Fabry-Perot

Laser hồi tiếp phân Mật

độ

công

suất

cao

hơn

(100mW/cm2).

bố

Công suất phát khoảng 28 mW (có
thể lên đến 1-2W)
Tốc độ cao, có thể lên tới 40Gbps
Yêu cầu tiêu chuẩn về an toàn cho
mắt.
~10.000

Laser lượng tử xếp Đắt và còn khá mới mẻ
tầng

Nhanh và độ nhạy cao
Truyền tốt trong sương mù
Không thể truyền xuyên qua kính
Công suất phát 100mW

Gần vùng hồng LED

Rẻ

ngoại

An toàn, mạch điều khiển đơn giản
Tốc độ thấp < 200Mbps
Công suất < 10mW

1.3.2. Máy thu.
Máy thu có nhiệm vụ nhận dữ liệu truyền dẫn từ máy phát qua kênh truyền.
Tại phía thu, trường quang được tập trung lại và được tách, cùng với sự xuất hiện
của xuyên nhiễu, méo tín hiệu, và bức xạ nền. Bên phía thu, các đặc tính quan trọng
là kích cỡ độ mở (aperture size) và số lượng photon thu được, những đặc tính này
xác định lượng ánh sáng được tập trung và phạm vi tách trường quang của bộ tách
quang. Bộ thu bao gồm các thành phần sau:

10


- Các thấu kính: Tập hợp và tập trung các phát xạ quang tới bộ tách sóng
quang. Khẩu độ (độ mở) của bộ thu lớn sẽ giúp tập hợp được nhiều phát xạ quang
vào bộ tách sóng quang. Tuy nhiên khẩu độ của bộ thu càng lớn đồng nghĩa với bức
xạ (nhiễu) nền lớn.

- Bộ lọc thông dải quang: Có nhiệm vụ lọc và làm giảm bớt các loại bức xạ
nhiễu nền và các thành phần một chiều.
- Bộ tách sóng quang: PIN hoặc APD chuyển đổi trường quang đến thành tín
hiệu điện. Các bộ tách sóng quang thường được dùng trong các hệ thống truyền
thông quang hiện nay được tóm tắt trong Bảng 1.2.
- Mạch xử lý sau tách sóng: Có nhiêm vụ khuếch đại tín hiệu, lọc và xử lý tín
hiệu để đảm bảo có thể phục hồi được dữ liệu đã được truyền đi.
Máy thu được chia ra làm hai loại chính:Máy thu chuyển đổi trực tiếp và máy
thu chuyển đổi tổng hợp.
- Máy thu chuyển đổi trực tiếp: loại máy thu này chuyển đổi trực tiếp từ
cường độ hoặc công suất tức thời của bức xạ quang tác động lên bộ tách sóng quang.
Chính vì thế mà đầu ra của bộ tách sóng quang tỷ lệ với công suất của bức xạ quang.
Việc triển khai máy thu lo ại này rất đơn giản và thích hợp nhất cho những hệ thống
điều chế cường độ quang.
- Máy thu chuyển đổi tổng hợp: Loại máy thu này làm việc dựa trên hiện
tượng trộn lẫn của các bức xạ quang. Trường bức xạ quang đến bộ tách sóng quang
sẽ được trộn lẫn với một trường bức xạ quang khác được tạo ra ngay tại bề mặt của
bộ tách sóng quang. Máy thu chuyển đổi tổng hợp có thể chia ra thành hai loại là
máy thu đồng tần và máy thu khác tần. Với máy thu đồng tần, bức xạ quang được
tạo ra trên bề mặt của bộ tách sóng quang có tần số và bước sóng giống với tần số
và bước sóng của bức xạ tới. Máy thu khác tần thì ngược lại, bức xạ quang tạo ra
trên bề mặt của bộ tách sóng quang khác với bức xạ quang tới. Khác với máy thu vô
tuyến tổng hợp, ở máy thu quang tổng hợp, bức xạ quang tạo ra do bộ dao động trên
bề mặt của bộ tách sóng quang không cần phải có cùng pha với bức xạ tới.
11


Bảng 1.2: Các bộ tách sóng quang thường được sử dụng.
Vật liệu/ cấu trúc

Bước sóng (nm)

Đáp ứng

Độ lợi

Silicon PIN

300-1100

0.5

1

Silicon PIN, với bộ khuếch đại

300-1100

0.5

1

InGaAs PIN

1000-1700

0.9

1

Silicon APD

400-1000

77

150

phối hợp trở kháng

1.3.3. Kênh truyền dẫn vô tuyến.
Kênh truyền của một hệ thống FSO là kênh truyền tự do có thể trong môi
trường nước, không gian, khí quyển. Một kênh thông tin quang khác với kênh nhiễu
Gauss thông thường đó là trong kênh thông tin quang tín hiệu truyền đi x(t) thể hiện
công suất chứ không phải biên độ. Điều này dẫn đến hai giới hạn về tín hiệu được
truyền:
- Tín hiệu truyền đi phải không âm
- Giá trị trung bình của tín hiệu truyền đi không được vượt quá giá trị cực đại
của công suất phát.
Kênh truyền khí quyển bao gồm các loại khí và một loại hạt vật chất siêu nhỏ
có trong khí quyển được liệt kê trong bảng dưới đây (bảng 1.3). Sự phân bố của các
loại khí này có ảnh hưởng khá lớn tới điều kiện nhiễu loạn của kênh truyền. Các
loại hình thời tiết như mưa, sương mù, khói, sự bốc hơi nước cũng góp phần tạo nên
đặc tính của kênh truyền khí quyển. Với kích thước phân bố của các thành phần khí

12


quyển khác nhau, từ vài micromet đến hàng centimet, khi trường quang đi qua kênh
truyền không khí sẽ bị phân tán hoặc/và hấp thụ gây tổn hao công suất.

Bảng 1.3: Phân bố các loại khí tiêu biểu kênh truyền khí quyển
Thành phần khí

Tỷ lệ trong khí Tỷ lệ trong khí
quyển (%)

Nitrogen (N2 )

78.09

Oxgen (O2)

20.95

Argon (Ar)

0.93

Cacbonic (CO2)

0.03

quyển (phần triệu)

Hơi nước (H2O)

40 – 40,000

Neon (Ne)

20

Helium (He)

5.2

Methane (CH4)

1.5

Krypton (Kr)

1.1

Hydrogen (H2)

1

Nitrous oxide (N2O)

0.6

Carbon monoxide (CO)

0.2

Ozone (O3)

0.05

Xenon (Xe)

0.09

Khi bức xạ quang được truyền qua không khí, một số hạt photon bị hấp thụ
bởi các nguyên tử khí có mặt trong khí quyển (hơi nước, CO2, sương mù, Ozone…)
và năng lượng của các hạt photon bị hấp thụ được chuyển thành nhiệt. Trong khi đó,

13


những photon khác không bị mất năng lượng tuy nhiên hướng đi của chúng có thể
bị thay đổi (hiện tượng này gọi là tán xạ). Tia bức xạ quang cũng bị mở rộng trong
quá trình truyền lan dẫn đến bán kính tia bức xạ thu được lớn hơn bán kính màn
chắn thu của máy thu quang. Định luật Beer-Lambert về hệ số truyền dẫn quang
trong môi trường khí quyển:
t (l , L) =

PR
= exp[ - g T (l ) L]
PT

(1.1)

Trong đó:
-

g T : là hệ số suy hao (m-1 )

-

t (l , L) :hệ số truyền dẫn quang trong khí quyển tại bước sóng 

-

P T là công suất phát

-

P R là công suất tại điểm thu với khoảng cách thu phát L.

Trái ngược với cách kênh truyền thông thường mà ở đó, tỷ số tín hiệu trên tạp
âm SNR tỷ lệ với công suất. Trong hệ thống thông tin quang, công suất điện thu
được và phương sai tạp âm lần lượt tỷ lệ với bình phương diện tích màn chắn thu và
diện tích màn chắn thu. Chính vì vậy mà trong hệ thống thông tin quang không dây,
tỷ số tín hiệu trên tạp âm tỷ lệ với diện tích màn chắn. Điều này có nghĩa là với một
công suất phát xác định, tỷ số tín hiệu trên tạp âm càng lớn khi diện tích màn chắn
thu càng lớn. Tuy nhiên, khi mà diện tích màn chắn thu tăng lên thì điện dung của
máy thu quang cũng tăng lên, điều này dẫn đến hạn chế về mặt băng thông của máy
thu.
Một đặc điểm quan trọng khác của kênh truyền trong khí quyển của hệ thống
FSO đó là hiện tượng nhiễu loạn khí không khí. Khi bức xạ từ mặt trời đến trái đất,
một phần sẽ bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất. Lớp không khí gần mặt đất hơn có mật
độ lớn hơn nên sẽ hấp thụ nhiều nhiệt tỏa ra từ trái đất và bức xạ mặt trời nên sẽ có
nhiệt độ cao hơn lớp không khí ở trên. Không khí có nhiệt độ cao hơn sẽ nhẹ hơn và
bay lên gặp lớp không khí có nhiệt độ thấp hơn và hòa trộn một cách nhiễu loạn với

14

nhau. Điều này gây nên sự dao động về nhiệt độ giữa các lớp không khí khác nhau.
Chính sự không đồng đều về nhiệt độ này gây nên sự thay đổi về chiết suất một
cách ngẫu nhiên của các lớp không khí trong khí quyển, dẫn đến tạo ra các lốc xoáy,
các túi khí có kích thước tay đổi từ 0.1 (cm) đến 10 (m). Những túi khí và lốc xoáy
này giống như những lăng kính khúc xạ với chỉ số khúc xạ khác nhau. Khi các bức
xa quang đi qua các lăng kính này có thể bị lệch một phần hoặc hoàn toàn. Chính vì
vậy mà kênh truyền nhiễu loạn không khí rất dễ thay đổi, khó dự đoán, chịu ảnh
hưởng mạnh mẽ của các điều kiện thời tiết gây nên sự dao động cả về pha lẫn
cưỡng độ của bức xạ quang trong quá trình truyền lan trên kênh truyền. Sự nhiễu
loạn không khí phụ thuộc vào: nhiệt độ và áp suất không khí, độ cao truyền dẫn, tốc
độ gió…
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng và những thách thức lên hệ thống FSO
Giới hạn cơ bản của FSO do môi trường truyền dẫn gây ra. Ngoài những yếu
tố dễ nhận thấy như tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu
ảnh hưởng mạnh bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí. Những thách thức
chính trong việc thiết kế các hệ thống FSO được thể hiện trong Hình 1.6:

Hình 1.6: Những thách thức mà hệ thống FSO gặp phải

15


- Sương mù: là một thách thức chính. Sương mù là hơi nước được tập hợp từ
những giọt nước nhỏ có đường kính vài trăm micromet nhưng có thể làm thay đổi
đặc tính truyền lan của ánh sáng hoặc ngăn cản hoàn toàn sự truyền lan của ánh
sáng thông qua sự kết hợp của các hiện tượng hấp thụ, tán xạ và phản xạ. Điều này
có thể dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất của búp sóng phát, giảm cự ly hoạt
động của tuyến FSO.
- Sự lệch chùm sáng: Tia bức xạ quang do ảnh hưởng của nhiễu loạn không
khí bị lệch khỏi đường truyền thẳng ban đ ầu của nó. Điều này khiến máy thu gặp

khó khăn khi thu bức xạ quang hoặc có thể hoàn toàn không thu được khi bức xạ
quang bị lệch quá mức
- Sự trôi búp: Sự trôi búp xảy ra khi luồng gió nhiễu loạn (gió xoáy) lớn hơn
đường kính của búp sóng quang gây ra sự dịch chuyển chậm nhưng đáng kể của
búp sóng quang, tâm của tia thu được bị di chuyển trên mặt phẳng thu của màn chắn
thu do sự thay đổi về góc tới của tia sáng. Sự trôi búp cũng có thể là kết quả của các
hoạt động địa chấn gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa vị trí của laser phát và bộ
thu quang.
- Chùm tia bị phân kỳ: độ phân kỳ của chùm tia bức xạ bị tăng lên do hiện
tượng tán xạ. Điều này dẫn tới sự suy giảm về mật độ công suất của bức xạ thu.
- Sự nhấp nháy của chùm sáng: Sự thay đổi mật độ công suất trong không
trung tại mặt phẳng thu gây ra bởi sự nhiễu loạn không khí. Gió và sự thay đổi nhiệt
độ tạo ra những túi khí có mật độ thay đổi nhanh dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số
chiết xuất. Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi
theo thời gian, đó chính là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn và làm tăng tỷ lệ lỗi
của các hệ thống FSO đặc biệt là khi có ánh sáng mặt trời.
- Sự biến động phân cực: khi tia bức xạ đi qua môi trường nhiễu loạn, trạng
thái phân cực của tia bức xạ sẽ bị thay đổi. Tuy nhiên, lượng phân cực biến động là
không đáng kể khi một bức xạ quang phân cực ngang đi qua vùng không khí nhiễu
loạn.
16


- Nhiễu nhiệt: Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist,
được gây ra bởi sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở.
- Giữ thẳng hướng phát-thu khi tòa nhà dao động: Giữ thẳng hướng giữa khối
phát và khối thu là rất quan trọng nhằm đảm bảo sự thành công của việc truyền tín
hiệu trong hệ thống FSO. Đây thực sự là vấn đề phức tạp khi sử dụng búp sóng hẹp
phân tán góc và tầm nhìn. Sự dãn nhiệt của các phần khung tòa nhà ho ặc những trận
động đất có thể gây ra sự lệch hướng. Trong khi sự dãn nhiệt có đặc tính chu kỳ

theo ngày hoặc mùa thì động đất lại không thể dự đoán được. Một nguyên nhân gây
ra sự lệch hướng nữa là gió, đ ặc biệt khi các thiết bị thu phát được đặt trên các tòa
nhà cao. Sự dao động của tòa nhà là một quá trình ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến
hiệu năng của hệ thống và gây ra lỗi.
- Sự an toàn cho mắt: Với sự gia tăng của các hệ thống truyền thông quang vô
tuyến sử dụng các búp laser hướng về các vùng dân cư mật độ cao, sự an toàn cho
mắt là vấn đề đáng được quan tâm. Những hệ thống FSO này phải an toàn đối với
mắt, có nghĩa là chúng phải không gây nguy hiểm cho những người vô tình gặp
phải các búp sóng quang. Yêu c ầu này rõ ràng sẽ tạo ra giới hạn trên cho cường độ
búp sóng phát của laser. Khi thiết kế các hệ thống thông tin quang, người thiết kế
phải đảm bảo rằng các bức xạ quang phải an toàn và không được gây ra bất cứ tác
hại nào cho những người mà tiếp xúc với nó.
1.5. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống FSO.
1.5.1. Ƣu điểm.
- Băng thông rất lớn: Trong bất kì hệ thống thông tin liên lạc nào, số lượng dữ
liệu truyền tải liên quan trực tiếp tới băng thông của sóng mang được điều chế.
Băng thông dữ liệu cho phép có thể tăng lên đến 20% của tần số sóng mang. Hệ
thống FSO sử dụng tín hiệu mang là bức xạ quang với dải tần số từ 10 12 - 1016 Hz có
thể cho phép băng thông lên tới 2000 Thz. Vì thế mà so với những hệ thống thông
tin vô tuyến, thông tin quang đảm bảo lưu lượng thông tin lớn hơn rất nhiều bởi vì

17


trên phổ tần điện từ, tần số sóng mang quang, trong đó bao gồm cả hồng ngoại,vùng
ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, lớn hơn rất nhiều so với tần số sóng vô tuyến.
- Bán kính tia nhỏ: Bức xạ quang có bán kính tia cực kỳ hẹp. Điều này có
nghĩa là công suất phát chỉ phải tập trung trong một diện tích rất là hẹp. Điều này
cho phép một đường truyền FSO có sự cách ly không gian đ ủ để tránh nhiễu từ các
đường truyền FSO khác. Sự chiếm dụng về không gian rất hẹp cũng cho phép các

tia laser hoạt đồng gần như độc lập với nhau, vì thế nên khả năng sử dụng lại tần số
gần như là vô hạn trong nhiều môi trường khác nhau. Tuy nhiên, s ự hẹp của bức xạ
quang cũng đồng nghĩa với yêu cầu về đồng bộ thu phát rất cao.
- Phổ tần sử dụng không cần cấp phép: Trong thông tin vô tuyến, các sóng
mang có tần số gần nhau gây nhiễu lên nhau chính là vấn đề lớn nhất của thông tin
vô tuyến. Để giảm thiểu vấn đề này, một các tổ chức quản lý tài nguyên tần số được
thành lập để quản lý việc cấp phát và sử dụng tần số cho các cá nhân, tổ chức. Vì
thế để được cấp phát một dải tần để sử dụng cần phải tốn rất nhiều chi phí và thời
gian. Hiện tại thì các tần số quang không phải chịu sự quản lý này do các tín hiệu là
bức xạ quang hầu như không gây nhiễu lên nhau ngay cả khi hai đường truyền
quang có cùng tần số đặt cạnh nhau.
- Chi phí triển khai thấp: Do hệ thống FSO không yêu c ầu phí cấp phát dải tần
sử dụng và các thành phần trong đường truyền cho nên FSO cũng rẻ hơn nhiều. Do
đó việc triển khai một hệ thống thông tin FSO rẻ hơn rất nhiều so với một hệ thống
thông tin vô tuyến thông thường khi có tốc độ dữ liệu tương đương. Ngoài ra hệ
thống FSO có thể cung cấp băng thông cũng như tốc độ tương tự như cáp quang
nhưng không có thêm chi phí cho cáp quang và chi phí lắp đặt đường truyền cáp.
- Nhanh chóng và dễ dàng triển khai cũng như tái sử dụng: thời gian cần thiết
để triển khai một đường truyền FSO có thể chỉ mất vài giờ. Yêu cầu chính là việc
thiết lập một đường truyền không bị cản trở về tầm nhìn giữa máy thu và máy phát.
Các thiết bị trong hệ thống FSO cũng có thể dễ dàng mang đi sử dụng ở khu vực
khác một cách nhanh chóng và dễ dàng.

18


- An toàn thông tin cao: Mặc dù FSO là công nghệ không dây nhưng nó không
phát quảng bá tới tất cả mọi người hay bất kỳ nhóm người nào. FSO phát búp sóng
ánh sáng hẹp, tần số rất cao tới một nơi xác định. Trong khi đó, việc thu trộm thông
tin đòi hỏi phải đặt thiết bị thu trên đường đi của búp sóng trong kho ảng thời gian

dài dẫn đến sự gián đoạn thu – phát tín hiệu. Do đó rất khó cho một cá nhân nào đó
có thể thu trộm thông tin mà không bị phát hiện. Mặt khác các hệ thống FSO
thường được lắp đặt trên cao để con người hay các phương tiện giao thông qua lại
không làm ảnh hưởng tới búp sóng quang.
Ngoài những ưu điểm nêu trên, những ưu điểm đáng kể khác của công nghệ
FSO bao gồm:
- Tận dụng được những ưu thế và các nghiên cứu trong công nghệ sợi quang
hiện có.
- Không gây ra các nhiễu điện từ.
- Các thiết bị có trọng lượng nhẹ và nhỏ gọn.
- Tiêu thụ công suất thấp.
1.5.2. Nhƣợc điểm.
- Chịu tác động rất lớn từ môi trường truyền dẫn: Với FSO truyền trong môi
trường khí quyển thì sự hoạt động của hệ thống FSO phụ thuộc rất nhiều vào thời
tiết và điều kiện khí quyển. Sự không cố định về tính chất của kênh truyền FSO là
trở ngại lớn nhất trong việc triển khai một hệ thống FSO. Tuy nhiên điều này không
xảy ra chỉ với FSO, các đường truyền vô tuyến hay thông tin vệ tinh cũng bị ảnh
hưởng bởi thời tiết và có thể bị mất liên kết trong điều kiện mưa lớn hay tuyết.
Ngoài việc tuyết và mưa có thể làm cản trở đường truyền quang, FSO chịu ảnh
hưởng mạnh bởi sương mù và sự nhiễu loạn của không khí dẫn đến sự giới hạn về
khoảng cách truyền dẫn.
- Chịu ảnh hưởng từ các nguồn sáng khác: FSO sử dụng các bức xạ quang để
truyền thông tin, do đó nó cũng sẽ chịu tác động từ các nguồn bức xạ quang khác
trong môi trường như: ánh đèn đường, xe cộ, ánh trăng….và đặc biệt là từ ánh sáng

19