Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ

Đánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụĐánh giá hiệu năng hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN NGỌC TÚ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƢỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ CHUYÊN NGÀNH MÃ SỐ : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG : 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI-2016 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG THẾ NGỌC Phản biện 1: …………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Truyền thông quang không dây (OWC) công nghệ tiên tiến phát triển khoảng ba thập kỷ qua ý nhiều nhu cầu lưu lượng tiếp tục tăng OWC công nghệ thay hứa hẹn cho ứng dụng nhà trời, giải vấn đề tắc nghẽn nút cổ chai "dặm cuối" thị trường truy cập băng rộng Một ứng dụng trời bật có tính khả thi cao OWC truyền thông quang qua không gian (FSO) Về bản, FSO liên quan đến việc truyền tải số liệu/thông tin hai điểm sử dụng xạ quang làm tín hiệu sóng mang FSO đóng vai trò quan trọng công nghệ bổ sung cho hệ thống RF tương lai, giúp giải toán kinh tế khu vực nông thôn có mật độ dân cư thưa thớt, khu vực địa lý đặc biệt - gặp khó khăn việc lắp đặt cáp quang, triển khai hạ tầng mạng khu vực thành phố có mật độ nhà cao tầng cao Một liên kết FSO dựa kết nối tầm nhìn thẳng (LOS), phải đảm bảo máy phát máy thu trực tiếp nhìn thấy mà cản trở đường truyền chúng Kênh truyền dẫn hệ thống FSO mặt đất không khí Liên kết FSO cố định nhà thiết lập từ lâu ngày tạo thành phân khúc sản phẩm thương mại riêng biệt mạng cục mạng đô thị FSO có khả truyền dẫn tương đương truyền thông quang có dây tốc độ cao, lên đến hàng Gbps cho liệu, thoại video đồng thời môi trường truyền dẫn không khí với sản phẩm thương mại hệ thứ năm công ty LightPointe Communications, Inc Có nhiều loại khác sơ đồ điều chế phù hợp cho hệ thống truyền thông quang qua không gian OOK, PPM, SIM Trong đó, SIM phân loại thành điều pha (PSK–SIM), điều tần (FM-SIM) điều biên (AM-SIM) Trên giới, kỹ thuật điều chế SIM FSO thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu Tại Việt Nam, năm gần đây, nghiên cứu FSO thực số nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Đại học Bách Khoa Hà Nội Tính toán, thiết kế tối ưu truyền thông tin quang không dây ứng dụng điều kiện khí hậu Việt Nam thực tác giả thuộc Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Mục tiêu luận văn nhằm phân tích đánh giá hiệu hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật SIM môi trường nhiễu loạn không khí Trong đó, đối tượng nghiên cứu hệ thống FSO, xét phạm vi gồm hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật SIM hiệu hệ thống Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận văn gồm có công cụ toán học giải tích để xây dựng công thức biểu diễn phụ thuộc hiệu hệ thống vào tham số hệ thống Ngoài ra, học viên sử dụng phần mềm Matlab để khảo sát hiệu hệ thống Nội dung luận văn trình bày ba chương sau: Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống truyền thông quang qua không gian Chƣơng 2: Mô hình kênh hệ thống truyền thông quang qua không gian Chƣơng 3: Đánh giá hiệu hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang phụ CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 1.1 Sơ đồ khối hệ thống FSO Hệ thống thông tin liên lạc FSO ngày triển khai với nhiều biến thể khác Tuy nhiên, xuyên suốt luận văn này, tác giả đề cập hệ thống FSO thông thường cho giao tiếp điểm - điểm với hai thu phát tương tự nhau, máy đặt đầu liên kết hình 1.2, gọi tắt hệ thống FSO Cấu hình cho phép giao tiếp song công, thông tin trao đổi đồng thời hai đầu liên kết hai hướng thu phát Luồng liệu Bộ thu phát Bộ thu phát Luồng liệu Luồng liệu Luồng liệu H nh 1.1:.Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.2 Đặc điểm FSO − Băng thông điều chế rộng − Búp sóng hẹp − Không yêu cầu cấp phép phổ tần − Chi phí thấp, giá thành rẻ, triển khai tái triển khai nhanh chóng − Phụ thuộc vào thời tiết − Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ − Công suất xạ quang phải nằm giới hạn an toàn quy định − Trọng lượng thiết bị thu phát nhẹ nhỏ gọn, tiêu thụ điện thấp 1.3 Các ứng dụng hệ thống FSO − Truy nhập dặm cuối − Dự phòng tuyến sợi quang − Kết nối back - haul mạng tế bào − Các tuyến khắc phục cố/tạm thời − Mạng truyền thông đa đơn vị trực thuộc (Multi - campus) − Các vùng địa lý khó khăn, đặc biệt − HDTV 1.4 Mô h nh hệ thống FSO Truyền tín hiệu xa Hấp thụ Thu tín hiệu Nhiễu loạn Tán xạ Nhiễu xạ Nguồn quang Lọc tín hiệu quang (LED/LASER) Bộ tách sóng quang Mạch điều khiển Bản tin Bộ điều chế Bộ xử lý số liệu Bản tin khôi phục H nh 1.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO 1.4.1 Bộ phát/thu Tín hiệu thu Bộ xoá Bộ ghép Lớp kính sương thuỷ tinh giá Thấu kinh thu Nguồn quang (laser) Ống ngắm Tín hiệu phát Khẩu độ mở Bộ tách sóng quang Xử lý liệu Sợi cáp phát Sợi cáp thu Thấu kinh phát H nh 1.3: Cấu tạo phát/thu hệ thống FSO Tại phía phát - Tín hiệu điện qua xử lý liệu đưa tới nguồn quang Phương thức điều chế sử dụng phổ biến phía phát điều chế cường độ (IM), liệu nguồn điều chế lên xạ quang Việc thực thông qua việc thay đổi trực tiếp cường độ nguồn quang phía phát thông qua điều chế giao thoa kế Mach - Zehnder (MZI) Cuối cùng, xạ quang truyền không gian sau qua thấu kính phát Tại phía thu - Đầu tiên, thấu kính thu thu thập tập trung xạ quang đầu vào tách sóng quang Khẩu độ mở ống kính lớn tập hợp nhiều xạ quang vào tách sóng quang Bộ lọc thông dải làm giảm lượng xạ Các tách sóng quang PIN APD chuyển đổi trường quang đến thành tín hiệu điện Cuối cùng, mạch xử lý liệu có chức khuếch đại , lọc xử lý tín hiệu để đảm bảo tính xác cao liệu khôi phục 1.4.2 Kênh truyền Kênh truyền dẫn quang khác so với kênh tạp âm Gauss thông thường , tín hiệu đầu vào kênh, x(t) thể công suất thay biên độ Điều dẫn đến hai điều kiện ràng buộc tín hiệu truyền: - x(t) phải không âm Giá trị trung bình x(t) không vượt giá trị quy định Pmax : Pmax  limT  2T T  x(t) dt (0.1) T Sự suy hao tán xạ Mie (chủ yếu sương mù) gây hệ thống FSO nghiên cứu cách sử dụng hai phương pháp tiếp cận lý thuyết thực nghiệm) Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie cho bởi:      3,91      V (km)  550   (0.2) Trong  cho bởi: 1,6  δ= 1,3 0,585V1/3  V > 50 km km < V < 50 km km < V < km 1,6 1,3  δ= 0,16V + 0,34 V - 0,5  0 Mô hình Kruse V > 50 km km < V < 50 km km < V < km khi0.5 km < V < 1km V < 0.5 km Mô hình Kim Tín hiệu quang truyền qua kênh không gian nhạy cảm với điều kiện không khí sương mù, mưa ,v v Khi xạ quang truyền qua kênh không khí, tương tác photon thành phần phân tử không khí gây tượng hấp thụ (năng lượng số photon bị chuyển hoá thành nhiệt năng) tượng tán xạ (các photon không bị lượng hướng truyền ban đầu chúng bị thay đổi) Điều dẫn đến suy hao công suất phát mô tả định luật Beer-Lambert (BLL):  ( , L)  PR  exp   T    L  PT (0.3) Trong  T     ( , L) tương ứng hệ số suy hao tổng  m1  hệ số truyền bước sóng  PT công suất phát PR công suất thu sau khoảng cách truyền L Định luật BLL mô tả truyền dẫn trường quang thông qua không khí hàm khoảng cách truyền Suy hao hấp thụ không khí giảm thiểu cách áp dụng bước sóng nằm "cửa sổ truyền dẫn" có suy hao thấp dải ánh sáng nhìn thấy hồng ngoại Ngoài yếu tố trên, kênh truyền FSO chịu ảnh hưởng mạnh nhiễu loạn không khí Khi xạ mặt trời chiếu xuống trái đất, số xạ bị hấp thụ bề mặt trái đất, làm tăng nhiệt độ lớp không khí xung quanh bề mặt trái đất, gây chênh lệch nhiệt độ lớp không khí lạnh kề Khi đó, lớp không khí nóng loãng bay lên, kết hợp cách hỗn loạn với lớp không khí lạnh kề khiến nhiệt độ không khí tăng giảm ngẫu nhiên vị trí Sự không đồng xem túi khí rời rạc, luồng xoáy với nhiệt độ khác nhau, hoạt động thấu kính khúc xạ với kích thước số khúc xạ khác Các luồng xoáy nhiễu loạn nhỏ lớn gọi nhiễu loạn vòng l0 với giá trị tương ứng khoảng vài mm, nhiễu loạn vòng L0 với giá trị tương ứng khoảng vài mét H nh 1.4: Kênh không khí với luồng xoáy nhiễu loạn Ảnh hưởng nhiễu loạn không khí bao gồm : − Sự lệch tia quang − Sự nhảy ảnh − Sự nhấp nháy búp quang − Sự suy giảm tính quán không gian − Sự biến động phân cực 1.5 Các thách thức hệ thống FSO − Sự trôi búp − Giữ thẳng hướng phát - thu nhà dao động − An toàn cho mắt CHƢƠNG - MÔ HÌNH KÊNH HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG QUANG QUA KHÔNG GIAN 2.1 Tổng quan kênh FSO Không khí môi trường phức tạp, gây ảnh hưởng tới đặc tính tia laser, dẫn đến suy hao quang nhiễu loạn - gây thăng giáng cường độ pha tín hiệu thu Các đặc tính kênh không khí có tính chất ngẫu nhiên, ảnh hưởng đặc trưng giá trị thống kê trung bình Trong nỗ lực để mô hình hoá kênh nhiễu loạn không khí, giả thuyết Taylor chấp nhận rộng rãi, theo biến đổi thời gian thuộc tính thống kê nhiễu loạn không khí nguyên nhân gây chuyển động khối không khí Các kênh nhiễu loạn không khí mô tả "kênh pha đinh chậm" tĩnh khoảng thời gian ký tự liệu Mối quan hệ nhiệt độ không khí số khúc xạ n đưa : n   77.6 1  7.52 103  2   P 106 Te dn P  7.8 105 dTe Te (2.1) (2.2) Trong P áp suất không khí (milibars), Te nhiệt độ Kelvin  bước sóng (microns) Cường độ thay đổi khúc xạ môi trường nhiễu loạn đưa phương sai cường độ log – intensity l (còn gọi tham số Rytov  l2 ) độ dài quán trường quang di chuyển qua kênh nhiễu loạn cho  Trong dải l0   L  L0 , tham số định nghĩa sau:  5  2   x 6   2.25    Cn2  x     L  x  dx    L l (2.3) 10 E  x  biểu thị kỳ vọng x  x2 phương sai biên độ log amplitude, thường gọi tham số Rytov  x2 đặc trưng cho mức độ biến thiên biên độ trường nhiễu loạn không khí có liên quan đến số tham số cấu trúc khúc xạ, khoảng cách theo phương truyền ngang L , truyền trường/bức xạ quang phương trình sau:   0.56k x L  Cn  x  L  x  dx cho sóng phẳng (2.7) 5  x 6   0.563k  C  x     L  x  dx cho sóng cầu L x L n (2.8) Đối với phương truyền ngang truyền qua nhiễu loạn trung bình, số tham số cấu trúc khúc xạ Cn2 số, phương sai xạ log - irradiance cho sóng phẳng trở thành: 11 (2.9)   1.23C k L l n Các xạ trường (cường độ) nhiễu loạn trung bình I  A  r  cường độ không gian (không có nhiễu loạn) I  A0  r  , phương sai cường độ log - intensity cho bởi: Ar  l  log e  2x A0  r  (2.10) I  I exp  l  (2.11) Do đó, Để thu pdf xạ, sử dụng phép biến đổi biến p  I   p  x  hàm phân bố chuẩn log - normal cho bởi: dx , dl 11   I  2   ln   E l   I0  1   pI   exp    2 I 2 l 2 l       I 0 (2.12) Phương trình cho E  I  thu bước sau: E exp  az   exp  aE  z   0.5a 2 z2  (2.13)  exp  E l   0.5 l2  (2.14) Do đó,  l2 E l    (2.15) Sau có pdf nhiễu loạn xạ, việc quan trọng xây dựng phương trình cho phương sai nhiễu loạn xạ  l2 :   I2  E  I   E  I   I 02 E exp  2l   E exp  l  2  (2.16) Phương sai chuẩn hoá cường độ, thường gọi số nhấp nháy ( S I ) là: S I   N2   I2 I  exp  l2   (2.17) H nh 2.1: Pdf log - normal với E  l  =1 với dải phƣơng sai log - irradiance σl2 12 2.3 Giới hạn mô h nh nhiễu loạn log - normal Cho đến nay, xấp xỉ Rytov sử dụng để mô tả nhiễu loạn không khí Tuy nhiên xấp xỉ Rytov không thống kê đến hiệu ứng đa tán xạ, dẫn đến cường độ nhiễu loạn không khí tăng, xuất độ lệch lớn thống kê log normal so với liệu thực nghiệm 2.4 Mô h nh nhiễu loạn Gamma - gamma Mô hình đề xuất Andrews et al dựa trình điều chế, nhiễu loạn xạ ánh sáng qua nhiễu loạn không khí giả định bao gồm ảnh hưởng luồng xoáy quy mô nhỏ (tán xạ) quy mô lớn (khúc  I    Ix  xạ) Để có phân bố xạ vô điều kiện, xác suất có điều kiện p  tính trung bình phân bố thống kê I x , để thu hàm phân bố xạ gamma - gamma sau đây:   I  p  I    p   p  I x  dI x  Ix          I           1  K    I (2.18)  I 0   , tương ứng , đại diện cho ảnh hưởng luồng xoáy quy mô lớn quy mô nhỏ trình tán xạ K n   biến đổi hàm Bessel loại bậc n,    đại diện cho hàm gamma Nếu xạ quang phía thu giả định sóng phẳng, sau hai tham số   đặc trưng cho pdf nhiễu loạn xạ liên quan đến điều kiện không khí :       0.49 l2   exp    12    1  1.11 l              1         1 (2.19) 13       0.51 l2    exp    12    1  0.69 l              1         1 (2.20) Trong đó, S I xác định bởi:     2   0.49  0.51  l l  N2  exp    1 12 12       1  1.11 l  1  0.69 l         (2.21) H nh 2.2: Pdf gamma - gamma với ba mức độ nhiễu loạn khác nhau, gồm nhiễu loạn yếu, trung bình mạnh H nh 2.3: S.I dựa vào phƣơng sai cƣờng độ log - intensity Cn2 =10-15m λ=850 nm 14 H nh 2.4: Các giá trị α β dƣới chế độ nhiễu loạn khác : yếu, trung bình, mạnh bão hoà 2.5 Mô h nh nhiễu loạn hàm mũ âm Trong giới hạn nhiễu loạn xạ mạnh ( chế độ bão hoà trở lên), với cự ly tuyến truyền dẫn kéo dài vài km, số lượng tán xạ độc lập trở nên nhiều Pdf hàm mũ âm thể hình 2.4 H nh 2.4: Pdf hàm mũ âm với giá trị khác I 15 CHƢƠNG - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƢỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ 3.1 Đặt vấn đề Có nhiều loại sơ đồ điều chế khác thích hợp cho hệ thống truyền thông quang qua không gian Tuy nhiên, ảnh hưởng nhiễu loạn không khí gây pha đinh kỹ thuật sau: OOK , PPM PSK – SIM 3.1.1 Kỹ thuật điều chế SIM mô hình hệ thống SIM - FSO Trong liên kết SIM quang, tín hiệu sóng mang phụ RF m(t ) , tiền chế với liệu nguồn d(t ) , sử dụng để điều chế cường độ PT nguồn quang diode laser sóng liên tục Phương trình tổng quát m(t ) hệ thống N-SIM-FSO: N m  t    mi  t  (3.1) i 1 Trong khoảng thời gian truyền ký tự, tín hiệu sóng mang phụ RF thường đại diện bởi: mi  t   g  t  aic cos ci t  i   g  t  ais cos ci t  i  (3.2) đó, g  t  hàm tạo dạng xung, tần số góc đại diện ci , i iN1 Mỗi sóng mang phụ điều chế kỹ thuật điều chế số / tương tự RF chuẩn, tín hiệu thu được điều chế sau: i  t   I 1   m  t   n  t   số điều chế quang   (3.3) m (t ) iB  iTh Bộ lọc thông dải điện (BBF) với băng thông tối thiểu Rb thực chức sau: lựa chọn sóng mang phụ riêng để điều chế; giảm công suất 16 nhiễu khử thành phần biến đổi chậm diện tín hiệu thu Đối với sóng mang phụ ci , tín hiệu thu là: i  t   I comp  Qcomp (3.4) I comp  I  g  t  aic cos ci t  i   n  t  (3.5) Qcomp  I  g  t  ais sin ci t  i   nQ  t  (3.6) đó: n  t  nQ  t  nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) với có kỳ vọng phương sai  3.1.2 Ảnh hưởng nhiễu loạn nhiễu chòm tín hiệu sóng mang phụ Với nhiễu loạn thấp có cường độ pha đinh  l2  0.001 , tập hợp chòm giới hạn rõ ràng góc phần tư tương ứng chúng xác suất lỗi giải điều chế thấp, tăng cấp độ nhiễu loạn lên  l2  0.5 , giới hạn bị đi, điểm chòm bị dịch chuyển nhiều di chuyển phía trung tâm 3.2 BER SIM - FSO kênh không khí log - normal 3.2.1 Sóng mang phụ sử dụng điều chế BPSK Kết tiểu mục 3.2.1 dành cho sóng mang phụ tiền điều chế BPSK đơn m  t   g  t  ac cos  c t    , khoảng thời gian truyền ký tự, ac   1,1 đại diện ký tự liệu '0' '1' Đầu giải điều chế quán iD  t  cho bởi: iD  t   I comp  cos  c t    Iac g  t  1  cos  2 c t    n  t  cos  c t  (3.7) 17 Cho iD  t  qua lọc thông thấp với băng thông 1/ T Phương trình 3.7 rút gọn thành: iD  t    Iac g  t   nD  t  (3.8) nhiễu cộng nD  t  ~  0,  /  Giả sử liệu truyền có xác suất ngang nhau, p    p 1  0.5 , xác suất lỗi có điều kiện xạ thu trở thành: Pec  p 1 p  e /1  p   p  e /   0.5  p  e /1  p  e /   (3.9) Xác suất biên cho bởi: p  e /1    p  e / 0    i  t    2  D exp   diD  t  2     (3.10)   i  t    2  D exp   diD  t  2    (3.11)   Trong K  I  / g  t   với  t  T không với trường hợp lại BER có điều kiện xạ thu được viết sau:   i  t   K 2  D Pec   exp   diD  t  2     K 2  0.5erfc  K /    Q       (3.12) Tại đầu vào giải điều chế sóng mang phụ quán , SNR điện bit cho bởi:  I   I     2 Pm (3.13) 18 A2 Pm  2T  T   I   K /  Phương trình 3.13 g  t  dt , từ biểu diễn theo SNR đầu vào giải điều chế sau: Pec  Q   I   (3.14) Xác suất vô điều kiện Pe thu trung bình (3.14) thống kê nhiễu loạn xạ log - normal sau:  Pe   Pec p  I  dI (3.15)  ln I / I   /   l    dI Pe   Q    I   exp    2 2 l I 2 l    (3.16) Một phương pháp giải có nghiệm kín phương trình (3.16) không tồn phải sử dụng phép lấy tích phân số để dẫn đến cắt bỏ cận   y2 exp    d y    2sin    (3.17) f  x  exp   x  dx   w i f  xi dy   (3.18) Q        /2  n i 1  wi in1  xi in1 tham số trọng số nghiệm đa thức Hermite bậc n, Hen  x  Bằng cách đặt thay đổi biến y ln  I / I    l2 / 2 l phương trình (3.16) kết hợp với phương trình (3.17) (3.18), BER vô điều kiện cho phương trình (3.16) rút gọn thành: Pe    /2    K exp K  2 x   /  1 l i l  wi exp     2sin    i 1   n   d   (3.19) 19 Pe  wQ  n i 1 i  K0 exp K1  2 l xi   l2 / 2  (3.20) Các giá trị K1 K cho Bảng 3.1 với điều kiện giới hạn nhiễu khác Bảng 3.1: Giá trị K K với điều kiện giới hạn nhiễu khác Điều kiện giới hạn nhiễu Giới hạn lượng tử K0 K1  2I Pm Nhiễu nhiệt Nhiễu I   I  2qRb Pm RL 4kTe Rb Pm 2qRb ( I sky  I sun ) Nhiễu nhiễu nhiệt I  Pm 2 ( Bg   Th ) 0.5 1 Để giữ cho nguồn quang laser phạm vi động tuyến tính tránh biến dạng cắt xén tín hiệu, luôn phải tuân theo điều kiện  m  t   Bảng 3.2: Thông số mô Tham số Giá trị Symbol Rate Rb 155 Mbps Bức xạ phổ bầu trời N    103 W / cm2  mSr Độ trưng lượng phổ mặt trời W    0.055 W / cm2  m Băng thông lọc thông dải quang  @   850 nm nm Tầm nhìn tách sóng quang photodiode (FOV) 0.6 rad Bước sóng xạ  850 nm Số lượng sóng mang phụ N Cự ly tuyến truyền dẫn L km Chỉ số tham số cấu trúc khúc xạ Cn2 0.75 1014 m2/3 20 Trở kháng tải RL 50  Độ nhạy tách sóng quang photodiode  Nhiệt độ làm việc Te 300K Chỉ số điều chế quang  H nh 3.1: BER dựa xạ nhận đƣợc trung bình nhiễu loạn yếu dƣới điều kiện giới hạn nhiễu khác với R b =155Mbps σ l2 =0.3 3.2.2 Sóng mang phụ sử dụng điều chế M - ary PSK Trong trường hợp này, ký tự liệu bao gồm log M chữ số nhị phân ánh xạ lên M pha có sẵn sóng mang phụ m  t  Biểu thức BER có điều kiện thu sau: Pec  Pec  Q log M    1/ M log M  log M    I  sin  / M   M  PSK , M  (3.21)  Q  (3.22) 3log M   I    M  QAM , log M   M      21 Biểu thức BER (3.22) cho M-PSK đánh giá phương pháp số: Pe  Q log M    log M    I  sin  / M   p  I  dI (3.23) 3.2.3 Sóng mang phụ sử dụng điều chế DPSK Sơ đồ điều chế thích hợp ước lượng pha tuyệt đối cần thiết giải điều chế quán sóng mang phụ không khả thi phức tạp để thực BER có điều kiện sóng mang phụ tiền điều chế DPSK cho bởi: Pec  0.5exp  0.5  I   (3.24) Trong diện nhấp nháy, BER vô điều kiện Pe , tính sau:  Pe   0.5exp    I   p  I  dI (3.25) Pe   w exp   K  n i 1 i exp  xi 2 l   l2   (3.26) 3.2.4 Phân tích hiệu hệ thống sử dụng đa SIM Giá trị đỉnh tín hiệu hỗn hợp m  t  , xảy tất biên độ sóng mang phụ riêng lẻ tính toán súc tích sau: N Aj j 1 i 'B   N    j  N  sc (3.27) j 1 Các tín hiệu sóng mang phụ giả định có số điều chế riêng lẻ  sc   / N Tuy nhiên, đa SIM-FSO đề nghị nhu cầu tăng thông lượng/dung lượng có nhiều ảnh hưởng so với công suất thu cần phụ thêm 22 3.2.5 Xác suất liên lạc kênh không khí log - normal Xác suất liên lạc thước đo khác để định lượng hiệu hệ thống thông tin liên lạc kênh pha đinh Công suất dự trữ m cần để đạt Pout tính sau: m  exp  2ln Pout l2   l2 /  (3.28) 3.3 Hiệu SIM - FSO cách kênh không khí gamma gamma hàm mũ âm BER vô điều kiện pdf chế độ bão hòa suy sau: Pe   I0 Pe    /2     I 2 I  0 exp   4 sin   I  dId    /2    K0   exp  K0    erfc  (3.29)  K0   d (3.30) K     sin   /   erfc . hàm lỗi bù Pe   K exp  K  Q  2K0  (3.31) K0   /  2 Từ biểu thức BER, hiệu lỗi hệ thống dự đoán giá trị định SNR cường độ nhiễu loạn (hoặc cự ly tuyến truyền dẫn) 3.3.1 Xác suất liên lạc kênh không khí hàm mũ âm Xác suất liên lạc chế độ bão hòa định nghĩa sau: Pout  P  m  I    I /m *    I  exp    dI I0  I0  (3.32) Từ phương trình (3.37), công suất dự trữ m cần thiết để đạt Pout chế độ bão hoà (xác định phương trình (3.38) m    ln 1  Pout   1 (3.33) 23 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Tổng kết: Để thực mục tiêu nghiên cứu này, nguyên lý FSO mô hình khối xem xét thảo luận Chương Một Trong Chương Hai, nhiễu loạn không khí gây thăng giáng tín hiệu xem xét với ba mô hình kênh : log-normal, Gamma-gamma hàm số mũ âm, mô tả trình bày hàm mật độ xác suất chúng Những mô hình sau sử dụng để mô hình hóa hoạt động mang tính thống kê tín hiệu nhận từ hệ thống FSO có phạm vi từ 100 m đến 100 km Luận văn tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu hệ thống ảnh hưởng nhiễu loạn không khí với việc sử dụng PSK-SIM Để phá vỡ giới hạn hiệu OOK-FSO kênh nhiễu loạn không khí, SIM-FSO đề xuất thực phân tích hiệu suất lỗi trình bày Chương Ba Các kết đạt đƣợc luận văn : Tác giả đề xuất phương án khắc phục hạn chế giới hạn hiệu hệ thống FSO sử dụng điều chế OOK kênh nhiễu loạn không khí kỹ thuật SIM – FSO chứng minh khắc phục hạn chế , đồng thời thân kỹ thuật có hạn chế riêng mình, bao gồm hiệu suất sử dụng lượng thấp khả tín hiệu bị méo sau qua điều chế Hạn chế đề tài Hạn chế luận văn nằm chỗ tác giả sử dụng kỹ thuật đánh giá PET để đo hiệu hệ thống dựa tỉ số lỗi bit BER Vì vậy, sai số mô tránh khỏi Cụ thể, độ xác lúc bị giới hạn hai loại sai số sai số mô hình hóa hệ thống sai số trình xử lý (do giới hạn tính toán chất thực mô phỏng) Đề xuất, kiến nghị hƣớng nghiên cứu đề tài, gồm : Radio over FSO (RoFSO): Hướng nghiên cứu cung cấp phát thú vị tích hợp FSO với sóng vô tuyến tín hiệu cáp quang 24 mạng truyền hình cáp Trong hệ thống RoFSO với nguyên lý hệ thống đa sóng mang phụ, chứng minh phù hợp/khả tồn điều chế FSO sóng mang phụ công cụ để tăng thông lượng/ dung lượng hệ thống FSO điều biến khoảng xung: Trong điều biến khoảng xung, liệu mã hóa khoảng thời gian xung, kỹ thuật cung cấp giải pháp thay cho mạch định ký tự phức tạp cần thiết cho hệ thống OOK-FSO tối ưu kênh nhiễu loạn không khí FSO điều chế khóa dịch phân cực (PolSK) : Hướng nghiên cứu trình bày kênh nhiễu loạn không khí dẫn đến thay đổi trạng thái phân cực trường ngang Hệ thống truyền thông lai FSO / RF: Việc hệ thống FSO đạt 99,99% độ khả dụng điều kiện sương mù dày thách thức Trong hướng nghiên cứu này, FSO trở thành đường dự phòng back-up với tốc độ liệu thấp đề nghị cấp giấy phép tần số miễn phí để sử dụng cho đường dự phòng back-up RF Điều để đảm bảo toàn hệ thống miễn phí từ phí cấp giấy phép đến thủ tục cấu tổ chức rườm rà [...]... phương án khắc phục hạn chế về giới hạn hiệu năng của hệ thống FSO sử dụng điều chế OOK trong kênh nhiễu loạn không khí bằng kỹ thuật SIM – FSO và đã chứng minh là có thể khắc phục được hạn chế này , nhưng đồng thời bản thân kỹ thuật này cũng có hạn chế của riêng mình, trong đó bao gồm hiệu suất sử dụng năng lượng thấp và khả năng tín hiệu bị méo sau khi qua điều chế 3 Hạn chế của đề tài Hạn chế của luận... của FSO với sóng vô tuyến trên tín hiệu cáp quang và 24 mạng truyền hình cáp Trong hệ thống RoFSO với nguyên lý một hệ thống đa sóng mang phụ, có thể chứng minh sự phù hợp/khả năng tồn tại của điều chế FSO sóng mang phụ như một công cụ để tăng thông lượng/ dung lượng hệ thống FSO điều biến khoảng xung: Trong điều biến khoảng xung, các dữ liệu được mã hóa trên các khoảng thời gian giữa các xung, kỹ thuật. .. không khí gây ra pha đinh trên các kỹ thuật sau: OOK , PPM và PSK – SIM 3.1.1 Kỹ thuật điều chế SIM và mô hình hệ thống SIM - FSO Trong liên kết SIM quang, một tín hiệu sóng mang phụ RF m(t ) , tiền chế với dữ liệu nguồn d(t ) , được sử dụng để điều chế cường độ PT của nguồn một quang diode laser sóng liên tục Phương trình tổng quát của m(t ) trong hệ thống N-SIM -FSO: N m  t    mi  t  (3.1) i... tuyến truyền dẫn kéo dài vài km, số lượng các tán xạ độc lập trở nên nhiều hơn Pdf hàm mũ âm được thể hiện trong hình 2.4 H nh 2.4: Pdf hàm mũ âm với các giá trị khác nhau của I 0 15 CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CƢỜNG ĐỘ SÓNG MANG PHỤ 3.1 Đặt vấn đề Có rất nhiều loại sơ đồ điều chế khác nhau thích hợp cho các hệ thống truyền thông quang qua không gian Tuy nhiên,... p  I  dI (3.23) 3.2.3 Sóng mang phụ sử dụng điều chế DPSK Sơ đồ điều chế này thích hợp nhất khi ước lượng pha tuyệt đối cần thiết của các bộ giải điều chế nhất quán sóng mang phụ là không khả thi hoặc quá phức tạp để thực hiện BER có điều kiện của các sóng mang phụ tiền điều chế DPSK được cho bởi: Pec  0.5exp  0.5  I   (3.24) Trong sự hiện diện của nhấp nháy, BER vô điều kiện Pe , được tính...  l2   (3.26) 3.2.4 Phân tích hiệu năng của hệ thống sử dụng đa SIM Giá trị đỉnh của các tín hiệu hỗn hợp m  t  , xảy ra khi tất cả các biên độ sóng mang phụ riêng lẻ được tính toán súc tích như sau: N Aj j 1 i 'B   N    j  N  sc (3.27) j 1 Các tín hiệu sóng mang phụ đã được giả định là có cùng chỉ số điều chế riêng lẻ  sc   / N Tuy nhiên, đa SIM -FSO chỉ được đề nghị khi nào nhu... gian truyền một ký tự, mỗi tín hiệu sóng mang phụ RF thường được đại diện bởi: mi  t   g  t  aic cos ci t  i   g  t  ais cos ci t  i  (3.2) trong đó, g  t  là hàm tạo dạng xung, và các tần số góc được đại diện bởi ci , i iN1 Mỗi sóng mang phụ có thể được điều chế bởi bất kỳ kỹ thuật điều chế số / tương tự RF chuẩn, tín hiệu thu được có thể được điều chế như sau: i  t   I 1... cho một hệ thống OOK -FSO tối ưu trong các kênh nhiễu loạn không khí FSO điều chế khóa dịch phân cực (PolSK) : Hướng nghiên cứu này sẽ trình bày một kênh nhiễu loạn không khí dẫn đến sự thay đổi trạng thái phân cực của một trường ngang Hệ thống truyền thông lai FSO / RF: Việc hệ thống FSO đạt 99,99% độ khả dụng trong điều kiện sương mù dày vẫn còn là một thách thức Trong hướng nghiên cứu này, FSO trở... chỉ sử dụng kỹ thuật đánh giá PET để đo hiệu năng hệ thống dựa trên tỉ số lỗi bit BER Vì vậy, sai số trong mô phỏng là không thể tránh khỏi Cụ thể, độ chính xác lúc này bị giới hạn bởi hai loại sai số là sai số mô hình hóa hệ thống và sai số trong quá trình xử lý (do giới hạn tính toán và bản chất thực của mô phỏng) 4 Đề xuất, kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài, gồm : Radio over FSO (RoFSO):... 3.2 BER của SIM - FSO trong kênh không khí log - normal 3.2.1 Sóng mang phụ sử dụng điều chế BPSK Kết quả của tiểu mục 3.2.1 sẽ dành cho một sóng mang phụ tiền điều chế BPSK đơn m  t   g  t  ac cos  c t    , trên khoảng thời gian truyền một ký tự, trong đó ac   1,1 đại diện các ký tự dữ liệu '0' và '1' Đầu ra bộ giải điều chế nhất quán iD  t  được cho bởi: iD  t   I comp  cos 