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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

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

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 nhiên

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha cầu phương

RF

Radio Requency

Tần số vô tuyến

RZ

Return To Zero

Trở về 0

WDM
sóng

Wavelength Division Multiplexing

Sợi khuếch đại pha tạp Ecbi

Ghép kênh phân chia theo bước


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/47

CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

Trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 ngày nay, thông tin quang đã và đang
đóng vai trò là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Các hệ
thống thông tin liên lạc được phát triển dựa trên các công nghệ trong ngành thông
tin quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn
thông ngày càng phong phú từ các nhu cầu như truy cập internet, truyền hình kỹ
thuật số, giao dịch trực tuyến, livestream,… Công nghệ ghép kênh phân chia theo

bước sóng ở mật độ cao (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing) dùng
các bước sóng khác nhau ở mật độ cao ghép lại với nhau để truyền đi trên một sợi
quang. Hệ thống DWDM ngày nay được sử dụng phổ biến trên phương thức truyền
dẫn quang cũng như trong truyền thông quang vô tuyến FSO.
Truyền thông quang vô tuyến FSO là công nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua
môi trường vô tuyến (không gian tự do). Truyền thông quang vô tuyến đang được
xem 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, truyền
thông dung lượng cao, chi phí thấp, không yêu cầu cấp phép tần số. Trong truyền
dẫn quang vô tuyến việc sử dụng các kỹ thuật điều chế đã được đưa ra nhằm tăng
hiệu suất kênh truyền, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. FSO sử dụng kỹ thuật điều chế
trực tiếp IM/DD cho hiệu suất kênh truyền không cao, bị ảnh hưởng nhiễu loạn do
kênh truyền fading… Khi sử dụng kỹ thuật điều chế coherent thì có tính linh hoạt
hơn có thể sử dụng với bất kỳ loại điều chế nào như biên độ, tần số hoặc pha. Giải
pháp đưa ra ở đây là ứng dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM kết
hợp với kỹ thuật điều chế QPSK, một phương pháp điều chế coherent nhằm tăng
hiệu suất kênh truyền, với kỹ thuật ghép kênh DWDM cho phép nhiều bước sóng
cùng truyền được qua hệ thống quang vô tuyến do đó có thể tăng dung lượng kênh
truyền. Giải pháp này cũng đáp ứng ứng dụng cho việc truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ
cao. Từ đó em quyết định chọn đề tài “ Kỹ thuật điều chế QPSK cho hệ thống thông
tin quang vô tuyến DWDM”.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/47

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 thống
cũng 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 đó
cũng cho ta thấy ảnh hưởng của môi trường FSO có tác động đến chất lượng thu của
máy 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 kỹ
thuật điều chế QPSK bằng phần mềm Optisystem. Từ kết quả đó ta sẽ so sánh được
khả năng truyền dẫn trong môi trường quang vô tuyến FSO của kỹ thuật điều chế
này với các kỹ thuật điều chế khác.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/47

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 mại
cho tần số vô tuyến (RF) và hệ thống không dây sóng millimetre do độ tin cậy và
triển khai nhanh của mạng số liệu và mạng thoại. RF và kỹ thuật mạng không dây

sóng millimetre có thể cung cấp tốc độ dữ liệu từ 10Mbps (điểm tới đa điểm) lên tới
vài trăm Mbps (điểm tới điểm). Tuy vậy, công nghệ FSO cũng có một số hạn chế
trong việc thâm nhập thị trường có nghẽn phổ tần, cấp phát giấy phép và nhiễu từ
băng 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 học
như 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 mang
quang. Một tuyến FSO về cơ bản được thiết kế dựa trên tầm nhìn thẳng (LOS). Vì
vậy, cả bộ phát và bộ thu phải trực tiếp nhìn thấy nhau mà không có bất cứ cản trở
nào giữa chúng để tuyến truyền thông được thiết lập. Kênh truyền hoặc môi trường
truyền của nó có thể là bất kỳ hoặc một sự kết hợp của không gian tự do, nước biển
hoặc không khí.
Một hệ thống truyền thông FSO có thể được thực hiện trong hai dạng. Dạng
thông thường được hiển thị ở hình 2.1 là một tuyến truyền điểm - điểm song công
với hai bộ thu phát tương tự nhau đặt ở hai đầu cuối của tuyến. Dạng thứ hai được
hiển thị ở hình 2.2 là dạng đơn công. Đầu phát tạo một sóng liên tục (CW) chùm tia
laser đến đầu phản xạ. Đầu phản xạ điều chế chùm tia CW với dữ liệu đầu vào và
phản xạ lại đầu phát. Đầu phát nhận được tín hiệu phản xạ và khôi phục lại dữ liệu.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/47

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 ở
hình 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

Bước sóng (nm)
~850

Loại
Bề mặt cạnh phát

Ghi chú
Rẻ và sẵn sàng sử dụng (CD lasers)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/47

tia laser

~1300/ ~1550

~10.000

Fabry-Perot, laser
phân bố phản hồi

Laser tầng lượng tử

Hệ thống làm mát không hoạt động
Mật độ công suất thấp
Độ tin cậy đến ̴ 10Gbps
Thời gian hoạt động lâu
Điều kiện an toàn mắt thấp
Mật độ công suất cao hơn 50 lần
(100mW/cm2)
Thích hợp với EDFA
Tốc độ cao, lên đến ̴ 40Gbps
Độ dốc 0,03-0,2 W/A
Đắt tiền và mới
Rất nhanh và nhạy cảm
Đặc tính truyền dẫn trong điều kiện sương

mù tốt hơn
Các thành phần không có sẵn
Không thể xâm nhập qua kính
Rẻ hơn
Gần hồng ngoại
LED
Mạch điều khiển đơn giản
Công suất và tốc độ dữ liệu thấp
Trong dãy bước sóng 700-10000 nm có rất nhiều cửa sổ truyền mà hầu hết là

trong suốt với suy hao nhỏ hơn 0.2 dB/km. Phần lớn hệ thống FSO được thiết kế để
hoạt động trong mức phổ tần 780-850 nm và 1520-1600 nm. Phổ tần 780-850 nm
được sử dụng rộng rãi bởi vì thiết bị và các thành phần sẵn có trong khoảng bước
sóng này và có mức chi phí thấp.
Phổ tần 1550 nm thì rất thích hợp để sử dụng do có một số lý do sau:
• Khả năng tương thích với cửa sổ bước sóng của mạng ghép kênh phân chia đa bước
sóng thứ ba.
• An toàn với mắt (công suất có thể được truyền khoảng hơn 50 lần tại bước sóng
1550 nm hơn là tại 850 nm).
• 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 giảm
bởi mây. Tuy nhiên, hạn chế của bước sóng 1550 nm là giảm nhẹ độ nhạy của bộ
thu, 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 được
trên đường truyền. Bộ thu quang bao gồm những thành phần sau:

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/47

• Thấu kính thu: Thu thập và tập trung bức xạ quang nhận được vào bộ
tách sóng quang, chú ý rằng khẩu độ thấu kính nhận lớn để thu thập
nhiều 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 với
nhận 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 quang
thành tín hiệu điện. Các bộ tách sóng quang thường được sử dụng

trong 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 liệu
chính xác.
Bảng 2.2: Các bộ tách sóng quang được sử dụng trong hệ thống FSO

Bước sóng

Vật liệu

Đáp ứng

Độ nhạy

Độ lợi

300 – 1100

0,5

-34dBm@155Mbps

1

300 – 1100

0,5

Gbps

1

InGaAs PIN

1000 - 1700

0,9

-46dBm@155Mbps

1

Silicon APD

400 – 1000

77

-52dBm@155Mbps

150

InGaAs APD
Quantum-well và

1000 - 1700

9

-33dBm @1.25 Gbps

10

Quatum-dot

~10,000

(nm)

Silicon PIN
Silicon PIN- với
bộ khuếch đại
thông tin

detectors
• 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 thời
cường độ hay công suất của bức xạ quang va chạm lên bộ tách
sóng quang. Tín hiệu ra của bộ tách sóng quang tỉ lệ với công

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/47

suất hoặc cường độ của bức xạ quang va chạm lên bộ tách sóng
quang. Bộ thu phát hiện trực tiếp này thực hiện rất đơn giản và
phù hợp cho hệ thống quang điều chế cường độ (Gagliardi and
Karp, 1995, Pratt, 1969). Sơ đồ khối của bộ thu phát hiện trực

tiếp 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 hiện
như hình 2.5 hoạt động dựa trên hiện tượng trộn photon. Tín hiệu
quang tới được trộn với tín hiệu quang nội tại được tạo, tín hiệu này
được đưa đến bộ tách sóng quang. Bộ thu quang coherent được chia ra
thành hai loại là bộ thu tách pha (homodyne) và bộ thu biến đổi tần
thấp (heterdyne). Trong bộ thu tách pha, tần số của bộ dao động nội
giống 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. Khác
với bộ tách sóng coherent RF, tín hiệu ra của bộ dao động nội trong bộ
tách sóng quang coherent thì không yêu cầu phải cùng pha với bức xạ
tới. Lợi ích chủ yếu của bộ thu quang coherent là tương đối dễ dàng
khuyếch đại ở trung tần và thực tế là tỉ số tín hiệu trên nhiễu có thể
được cải thiện đáng kể bằng cách đơn giản tăng công suất của bộ dao
động nội.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/47

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 hưởng
đến đặc tính của chùm tia quang học truyền đi thường là laser, do đó bức xạ của

chùm 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, ảnh
hưởng của nó có thể đặc trưng bởi các phương tiện thống kê và mô tả bằng toán
học. Tùy thuộc vào loại mô hình và độ chính xác của nó người ta có thể ước tính
được bức xạ quang học nhận được ở máy thu. Kênh truyền không khí bao gồm các
thành phần như bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các thành phần khí trong khí quyển

Thành phần khí
Nitrogen (N2)
Oxygen (O2)
Argon (Ar)
Carbon dioxide (CO2)
Water vapour (H2O)
Neon (Ne)
Helium (He)
Methane (CH4)
Krypton (Kr)
Hydrogen (H2)
Nitrous oxide (N2O)
Carbon
monoxide

Tỉ lệ phần trăm

Tỉ lệ phần triệu (ppm)

(%)
78.09
20.95

0.93
0.03
40 – 40,000
20
5.2
1.5
1.1
1
0.6
0.2

(CO)
Ozone (O3)
Xenon (Xe)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM

0.05
0.09


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/47

-

Bức xạ của chùm tia quang học khi truyền tới máy thu bị suy hao, bị biến
đổi 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 hơi

nước, CO2, mây, ozon,…và năng lượng của nó được biến thành
nhiệt trong không khí trong khi một phần khác bị tán xạ. Luật
Beer-Lambert mô tả sự truyền quang qua không khí. Búp sóng
thường bị trải ra khi đi qua kênh truyền là nguyên nhân kích cỡ
của 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 khác
nhau theo không gian, tạm thời và dựa trên điều kiện thời tiết hiện
tại. Đối với một tuyến FSO mặt đất tín hiệu quang truyền xuyên
qua không khí, bức xạ nhận được tại khoảng cách L so với bộ phát
thì 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 từ
môi 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 và
năng lượng của nó được chuyển thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thành

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/47

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 bước
sóng mà tại bước sóng đó sự hấp thụ của không khí là nhỏ nhất được xem như là
cửa 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 chỉ
còn 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, các
phần tử) gặp phải suốt đường truyền. Một cách mô tả hiện tượng này là xem xét
tham 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 lý
thuyết nhiễu xạ (quang hình học). Quá trình tán xạ đối với các phần tử tán xạ khác
nhau 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

Loại
Các

phần

tử

Bán kính (µm)

Tham số kích cỡ

Quá trình tán xạ

0.0001

xo
0.00074

Rayleigh

không khí
Sương mù hạt
0.01 – 1
0.074 – 7.4
Rayleigh – Mie
Sương mù giọt
1 – 20
7.4 – 147.8
Mie – Geometrical
Mưa
100 – 10000
740 – 74000
Geometrical
Tuyết
1000 – 5000
7400 – 37000
Geometrical
Mưa đá
5000 – 50000
37000 – 370000
Geometrical

Kích thước phần tử sương mù so sánh với băng bước sóng mong muốn trong
FSO (0.5 µm – 2 µm). Do đó làm cho tán xạ phần lớn là do sương mù và nó góp
phần lớn nhất làm suy hao công suất quang. Tán xạ Mie sẽ được mô tả dựa trên
công thức thực nghiệm thể hiện trong các thuật ngữ của dãy tầm nhìn V(km). Dãy
tầm nhìn là khoảng cách mà chùm sáng song song đi xuyên qua khí quyển cho đến
khi mật độ của nó giảm tới 2% so với giá trị ban đầu. Tầm nhìn được đo với một
thiết bị gọi là đồng hồ đo truyền dẫn. Một mô hình thực nghiệm chung cho tán xạ
Mie được cho bởi công thức (2.3).
(2.3)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/47

Trong đó được cho bởi:
Kim model:
(2.4a)
Kruse model:
(2.4b)
Cho trong bảng 2.5 là các giá trị dãy tầm nhìn dưới các điều kiện thời tiết khác
nhau:
Bảng 2.5: Điều kiện thời tiết và giá trị tầm nhìn của nó

Điều kiện thời tiết

Dãy tầm nhìn (m)
Mây dày
200

Mây trung bình
500
Ít mây
770 – 1000
Sương mù mỏng / mưa lớn (25mm/hr)
1900 – 2000
Sương mù / mưa trung bình (12.5mm/hr)
2800 – 40000
Rõ ràng / mưa phùn (0.25mm/hr)
18000 – 20000
Rất rõ ràng
23000 – 50000
• 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 bộ
thu chỉ có thể thu được một phần nhỏ của chùm tia và vì vậy gây ra suy hao do
chùm 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 bằng
cách 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)
A T và AR là vùng khẩu độ phát và thu trong đó A S 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.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/47

Cho không khuếch tán, nguồn nhỏ như laser, kích cỡ của hình ảnh được hình
thành tại mặt phẳng đầu thu thì không còn được cho bởi xấp xỉ ống kính mỏng; nó
được xác định bởi sự nhiễu xạ tại khẩu độ bộ phát. Hình ảnh nhiễu xạ tạo bởi lỗ tròn
chiếu sáng thống nhất đường kính, được biết bao gồm một tập hợp của các vòng
tròn 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 với
đường kính, của ảnh tập trung bình thường được cho bởi công thức (2.7) như
sau[1]:
(2.7)
Do đó,
(2.8)
Biểu thức này chỉ ra rằng đối với nhiễu xạ là nguyên nhân duy nhất của chùm
tia phân kỳ (giới hạn nhiễu xạ), bán kính nguồn . Góc giới hạn nhiễu xạ của chùm
tia phân kỳ theo radian được cho bởi
Nếu hiệu quả độ lợi anten phát và thu tương ứng cho bởi:
(2.9a)
(2.9b)
Và suy hao đường truyền trong không gian tự do được cho bởi:
(2.10)
Do đó công suất quang nhận được là:
(2.11)
(2.12a)
(2.12b)
Trong đó . Giới hạn trải phổ của chùm tia trải ra/ suy hao hình học đơn vị dB là:
(2.13)

Kết quả được cho bởi (1.13) có thể được thế chỗ cho cỡ ảnh . Mở rộng chùm
tia của loại thể hiện ở hình 2.8, trong đó khẩu độ nhiễu xạ được tăng lên, sau đó
được dùng để giảm giới hạn nhiễu xạ chùm tia phân kỳ. Vì vậy giảm suy hao chùm
tia phân kỳ và tăng công suất nhận trong xử lý.

Hình 2.8: Sơ đồ chùm tia mở rộng

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/47

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 khoảng
cách L thường là (. Tỉ số của công suất nhận trên công suất truyền vì thế được cho
bởi:
(2.14)
và suy hao về hình học vì thế trở thành:
(2.15)
Suy hao do chùm sóng bị trải ra cho nguồn nhiễu xạ bị giới hạn được cho bởi
(2.13) thì dự kiến thấp hơn cho trường hợp giới hạn không nhiễu xạ cho bởi (2.15),
khi cỡ hình thì nhỏ hơn bởi trong trường hợp giới hạn nhiễu xạ.
Từ những điều trên, một nguồn với góc khác biệt chùm tia rất hẹp thì thích hợp
hơn. Tuy nhiên nó phải được đề cập rằng độ rộng góc phân kỳ là mong muốn trong
tuyến FSO khoảng cách ngắn để giảm bớt sự yêu cầu thẳng hàng, sự đền bù do ảnh
hưởng của tòa nhà và sự cần thiết kích hoạt hệ thống theo dõi hoạt động tại phí tổn
của suy hao hình học bị gia tăng rõ ràng. Một bộ thu phát FSO thông thường có
chùm tia quang phân kỳ trong khoảng 2-10 mrad và 0.05-1.0 mrad (tương ứng cho
chùm tia trãi ra của 2-10m và 5 cm đến 1m, cho tuyến dài 1 km) cho hệ thống

không có và có theo dõi.
• Suy hao quang và suy hao cửa sổ: Kiểu suy hao này bao gồm suy hao do ống kính
hoàn hảo và những phần tử quang khác sử dụng để thiết kế cả bộ phát và bộ thu. Nó
bao gồm phản xạ, hấp thụ và tán xạ do thấu kính trong hệ thống (Willebrand và
Ghuman, 2002). Giá trị của suy hao quang có thể do các thành phần chế tạo. Nó
phụ thuộc vào đặc điểm của thiết bị và chất lượng của thấu kính được sử dụng. Đối
với hệ thống FSO lắp đặt đằng sau cửa sổ trong tòa nhà, do vậy tồn tại suy hao công
suất quang cộng thêm vào do sự suy hao của cửa kính. Mặc dù cửa kính cho phép
tín hiệu quang xuyên qua nó, nó vẫn đóng góp vào suy hao công suất tổng của tín
hiệu. 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

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/47

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 FSO
khoảng cách ngắn (<1 km), điều này có thể không là một vấn đề nhưng đối với
tuyến khoảng cách lớn hơn, điều này chắc chắn không thể bỏ qua. Không thẳng
hàng 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 có
thể 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 trên
cho những suy hao loại khác như là thay đổi đặc điểm kỹ thuật khi thành phần bị lỗi
được thay thế, lão hóa của nguồn laser, suy hao do mưa, tuyết,…Hình 2.9 mô tả

khoảng cách tuyến so với dự trữ tuyến tại các giá trị khác nhau của tầm nhìn cho
một 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 nhà
khai thác tuyến được xem xét tại 5 dB dự trữ tuyến trong điều kiện khí quyển tốt với
tầm 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 được
thể hiện ở bảng 2.6.
Bảng 2.6: Thông số dự trữ liên kết chuẩn

Thông số
Đường kính khẩu độ thu (dR)
Đường kính khẩu độ phát (dT)
Chùm tia phân kỳ (θ)
Kỹ thuật điều chế/Tốc độ bit
Công suất phát
Suy hao quang (LO)
Suy hao pointing (LP)
Bước sóng (λ)

Giá trị chuẩn
8cm
2.5cm
2mrad
On-Off keying/155Mbps
14dBm
1 dB
1 dB
850 nm

Một sự quan trọng lớn của công thức quỹ đường truyền là xác định khoảng

cách tuyến đạt được với độ nhạy thu cho trước. Độ nhạy thu là công suất quang tối
thiểu cần thiết cho hệ thống để đạt được một mức chất lượng quy định (chẳng hạn

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/47

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 gian
của xung quang ngắn hơn do đó ít photon có thể được phát hiện hơn. Nhiễu có thể
đến từ sự kết hợp của bức xạ nền, nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt gây ra bởi nhiệt
kích 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 các
xoáy 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 phần
phụ thuộc kích thước tương đối của chùm tia và mức độ nhiệt độ không đồng nhất
dọc theo đường truyền. Vì vậy, bức xạ quang truyền qua nhiễu động không khí trải
qua sự thay đổi ngẫu nhiên hoặc đa đường trong bức xạ và pha của nó.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/47

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.
Tốc độ gió.
Sự khác nhau của hệ số phản xạ của các khối khí dựa trên nhiệt độ không đồng

-

nhất.
Các ảnh hưởng của nhiễu động không khí lên hệ thống FSO bao gồm (Pratt,
1969):
-

Lái tia: Độ lệch góc của chùm tia so với tầm nhìn thẳng (LOS) góc là nguyên
nhân gây nên chùm tia bị mất ở bộ thu.

-

Nhảy hình ảnh: Điểm tập trung của chùm tia nhận được di chuyển trên mặt
phẳng ảnh do sự thay đổi trong góc chùm tia tới.

-

Chùm tia bị trải ra: Sự phân kỳ của chùm tia tăng lên do bị tán xạ. Điều này
dẫn đến sự suy giảm mật độ công suất nhận được.

-

Chùm tia nhấp nháy: Sự khác nhau của mật độ công suất trong không gian tại
mặt phẳng bộ thu do nhiễu can thiệp vào chùm quang.

-

Suy giảm không gian kết hợp: Nhiễu động thường bao gồm suy hao trong pha
kết hợp xuyên qua pha chùm tia trước (ví dụ trong bộ thu coherent).

-

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 không
đáng kể cho bức xạ quang học truyền đi theo chiều ngang trong nhiễu động
không khí (Karp, 1988).
1.3 Mô hình hệ thống quang vô tuyến DWDM FSO

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/47

Công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao DWDM cho phép
chúng ta tăng dung lượng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit của đường
truyền 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 môi
trường quang vô tuyến FSO, ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) để
tách các sóng khác nhau ra. Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín

hiệu 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 (Tunable
Laser), laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)...
•

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

•

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong môi trường quang vô tuyến
chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: Suy hao không gian tự do, hấp thụ không
khí, 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

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/47

chọn bộ khuếch đại quang đã trở nên cần thiết trong các hệ thống truyền thông
quang 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 sử
dụng trong các hệ thống truyền thông quang vô tuyến FSO: Khuếch đại bán dẫn
quang học (SOA) và bộ khuếch đại Erbium sợi pha tạp (EDFA). SOA thì tốt hơn so
với EDFA cho các mạng nhỏ do có những đặc tính khác nhau của chúng: SOA nhỏ
gọn 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 bị
hạn 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 sóng
quang 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 nhiều
ứng dụng mạng truy cập và mạng đô thị. Nó thích hợp cho việc bổ sung những công
nghệ khác như là truyền thông vô tuyến có dây và không dây, mạng băng thông
rộng FTTX lai ghép với cáp đồng trục trong việc tạo băng thông khổng lồ bên trong
đường trục cáp quang đáp ứng cho nhiều người dùng đầu cuối. Hầu hết những
người dùng đầu cuối cách đường trục ở một khoảng cách ngắn khoảng một dặm
hoặc ít hơn, điều này làm cho FSO rất thú vị như là một cầu nối dữ liệu giữa đường
trục và nhiều người dùng đầu cuối. Trong số những lĩnh vực ứng dụng về năng
lượng 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 băng
thông còn gọi nút cổ chai ở chặng cuối tồn tại giữa những người dùng và đường trục

cáp quang. Những kết nối tầm khoảng trên 50m đến một vài km đã có mặt trên thị
trường 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 hoặc
không kết nối liên lạc trong trường hợp hỏng hóc hoặc đường cáp quang chính
không kết nối.
• Kết nối với mạng tế bào: Có thể được sử dụng để kết nối lưu lượng giữa trạm gốc và

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/47

những trung tâm trung chuyển trong mạng 3G và 4G. Giống như là việc truyền tải tín
hiệu mạng CDMA thế hệ đầu từ những khu vực có số lượng tế bào rộng lớn và số
lượng siêu nhỏ đến những trạm gốc.
• Kết nối tạm thời trong việc khắc phục thảm họa: Kỹ thuật này ứng dụng trong lĩnh
vực 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 thể
được 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, đường
phố 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 trường
hợp như vậy.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/47

CHƯƠNG 3.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG DWDM FSO

Các công nghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào những năm 1960. Đến cuối
những năm 1980 những sản phẩm thương mại đã xuất hiện nhưng không thành
công vì những rào cản công nghệ, cự ly ngắn, dung lượng thấp. Hiệu suất của hệ
thống FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như môi trường truyền sóng, biến động
ngẫu 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 chế
IM/DD thì đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhưng nó bị ảnh hưởng nhiễu loạn do
kênh truyền fading, các biến động ngẫu nhiên trong môi trường. Do đó đòi hỏi kỹ
thuật điều chế phải có khả năng thích nghi tốt và cho hiệu suất tối ưu, nhưng khả
năng thích nghi này kỹ thuật khá phức tạp để thực hiện và trên thực tế là không
thích 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 mang
thông tin vào pha hoặc tần số của tín hiệu. Điều chế khóa dịch pha (PSK) có khả
năng thích nghi tốt, do đó nó cung cấp hiệu suất cao hơn so với kỹ thuật điều chế
IM/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 của
nhiễu 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 nhiều
khẩu độ thu[3]. Trong môi trường quang vô tuyến FSO khi thiết kế hệ thống
DWDM 40 Gbps 32 kênh sử dụng kỹ thuật điều chế IM/DD cho chất lượng dịch vụ
chưa cao và bị ảnh hưởng bởi sự biến động ngẫu nhiên trong môi trường[3]. Truyền
dẫn 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 cấp
chất lượng dịch vụ tương đối cao cũng như các ứng dụng truyền dẫn cao. Nhưng khi

ghép kênh FSO sử dụng hệ thống coherent DWDM kết hợp với kỹ thuật điều chế

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/47

QPSK với tốc độ bit cao lên đến 1.28 Tbps thì vấn đề này mới được đưa ra và
nghiên cứu lần đầu tiên.
1.5 Kỹ thuật điều chế quang coherent
1.1.4 Giới thiệu kỹ thuật điều chế quang coherent
Thông tin quang coherent đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm
1980, chủ yếu là do máy thu coherent có độ nhạy cao giúp kéo dài khoảng cách
truyền dẫn. Tuy nhiên việc thiết kế máy thu là quá phức tạp và dường như là điều
không thể vào thời điểm đó. Vào những năm 1990, sự ra đời của khuếch đại quang
EDFA cùng với công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM đã làm nên
một bước ngoặt trong lịch sử truyền thông sợi quang[1]. Ưu điểm của WDM là thiết
kế đơn giản, kết hợp giữa điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp IM/DD. Các hệ
thống WDM đựợc triển khai rộng khắp trên toàn thế giới và phát triển cực kỳ nhanh
chóng từ đó thông tin quang coherent chìm vào quên lãng.
Năm 2005, sau 20 năm bị bỏ quên thông tin quang coherent đã quay trở lại
và hiện nay đựợc quan tâm hàng đầu tại các hãng sản xuất thiết bị cũng như các nhà
khai thác mạng. IM/DD đã đóng góp một vai trò rất quan trọng trong ngành viễn
thông, đem lại hiệu quả kinh tế to lớn và còn đang được sử dụng rộng rãi nhờ có ưu
điểm là đơn giản và giá thành rẽ. Tuy nhiên hệ thống này có một số nhược điểm cơ
bản như tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại đầu ra bộ tách sóng thấp, độ nhạy của
máy thu không cao làm khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế. Đồng thời do đặc điểm
thu tín hiệu theo nguyên lý tách sóng trực tiếp (không qua đổi tần) nên tự máy thu
không thể lựa chọn các kênh quang tùy ý trong môi trường đa kênh mà phải kết hợp

thêm bộ lọc quang, việc này hạn chế khả năng sử dụng chúng trong các mạng
truyền dẫn và phân phối đa kênh quang đến trực tiếp các thuê bao trong tương lai.
Trong bối cảnh đó việc sử dụng máy thu mới có nguyên lý hoạt động khác, máy thu
coherent nhằm nâng cao độ nhạy và có thể chọn kênh trong môi trường phân phối
đa kênh là một yêu cầu cấp thiết và mang tính hấp dẫn cao.
1.1.5 Cấu trúc hệ thống thông tin quang coherent
Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quang coherent được mô tả như sau:
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QPSK TRONG HỆ THỐNG DWDM