Luận văn gồm 4 chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang vô tuyến; Chương 2 Hệ thống thu phát quang vô tuyến; Chương 3: Suy hao tín hiệu trong môi trƣờng truyền sóng; Chương 4 Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà Nẵng và mô phỏng bằng phần mềm Optiwave.
1 LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật quang vô tuyến đời từ thập niên đầu kỷ XX đến phát triển mạnh số quốc gia giới Mỹ, Na Uy, Thuỵ Điển, Pháp mang lại hiệu to lớn việc hồn thiện hệ thống thơng tin quốc gia ưu điểm trội khả truyền tải thơng tin băng rộng, tính tiện ích, giá thành thấp Chính đời sau phù hợp với mạng thông tin hệ đại truyền tải liệu tốc độ cao, nên nhanh chóng đưa vào ứng dụng mạng xương sống đô thị ngành viễn thơng Việc nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật quang vô tuyến vấn đề cấp thiết nhằm hiểu rõ chức khối, nguyên lý hoạt động, cách tổ chức thành mạng thông tin đặc biệt tính ứng dụng vào điều kiện thời tiết, địa hình, kinh tế nước ta khơng có mạng last mile quang vơ tuyến gặp nhiều khó khăn cho mạng thơng tin băng thơng rộng phải kéo cáp quang cho điều kiện địa hình, phải treo cáp lên cột điện phố điều mà quan chức muốn loại bỏ làm mỹ quan thành phố, hay phải đào đường phố để chôn cáp việc làm vừa ảnh hưởng tới cảnh quan đô thị vừa ảnh hưởng tới sống người dân vấn đề ách tắc giao thông, vừa tốn Các ứng dụng cụ thể mạng thông tin quang vô tuyến trình bày tổng quan sau: - Tổ chức mạng Last mile thành phố (mạng thông tin đến người tiêu dùng) truyền tải liệu mạng thông tin băng thông rộng - Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho khu vực biên giới, hải đảo nơi có địa hình phức tạp - Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho hoạt động nước phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu nạn… - Tổ chức mạng thơng tin băng rộng cho vệ tinh vũ trụ Xuất phát từ đề trên, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật thông tin quang vô tuyến Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến Đà Nẵng” Luận văn gồm chương với nội dung tóm tắt sau Chương 1: Tổng quan kỹ thuật thông tin quang vô tuyến Chương 2: Hệ thống thu phát quang vô tuyến Chương 3: Suy hao tín hiệu mơi trƣờng truyền sóng Chương 4: Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến Đà Nẵng mô phần mềm Optiwave CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chƣơng Nhiệm vụ chương giới thiệu lịch sử đời phát triển hệ thống thông tin vô tuyến, đặc điểm hệ thống thơng tin, mục đích đối tượng phục vụ hệ thống, tính chuyên dụng khả ứng dụng hệ thống Độ đảm bảo an tồn liệu, tính vững hệ thống Độ suy hao tín hiệu đường truyền, giá thành mạng thông tin làm ảnh hưởng đến giá thành đàm thoại Qua đặc điểm hệ thống thơng tin từ làm bật lên ưu điểm trội hệ thống thông tin quang vô tuyến Chương giới thiệu kỹ thuật quang vô tuyến, ứng dụng quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm quang vô tuyến hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin sợi quang hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Giới thiệu kỹ thuật quang vô tuyến 1.2.1 Lịch sử đời phát triển hệ thống thông tin vô tuyến Hệ thống thông tin vô tuyến đời phát triển rực rở kỷ XIX đầu kỷ XX xã hội ngày phát triển nhu cầu sử dụng thông tin ngày tăng yếu tố thúc đẩy chiến tranh giới hai nổ (1941) yêu cầu thông tin phục vụ cho chiến tranh cao, hệ thống thông tin đời hồn thiện sóng dài, sóng trung, FM, vi ba, đa, vệ tinh, thông tin quang đỉnh cao khoa học công nghệ, mạng thơng tin có đặc điểm khác nhau, có tác dụng lĩnh vực khác tất đảm bảo tính vững mạng thông tin cần thiết Đến thập niên kỷ XX hệ thống thông tin quang vô tuyến đời với ưu điểm vượt trội băng thơng rộng, tính linh hoạt hệ thống.v.v nhanh chống đưa vào ứng dụng sống nhằm phục vụ nhu cầu sữ dụng thông tin băng thông rộng người tiêu dùng 1.2.2 Đặc điểm hệ thống thông tin quang vô tuyến Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) đời thay sóng điện từ Electro Magnetic (EM) sóng ánh sáng Với bước sóng khoảng từ 780 - 1580 nm tương ứng với tần số khoảng từ 200 - 300 THz có tần số cao nên khả mang lượng tin lớn, tốc độ truyền 1,25Gbps, băng thông cực rộng ưu điểm trội hệ thống thông tin quang vô tuyến Làm việc tần số ánh sáng nên vượt phạm vi quản lý tần số khơng cần đăng ký phân chia vùng tần số Nhược điểm khơng mong muốn tín hiệu bị suy hao nhiều môi trường truyền đặc biệt mơi trường có mưa, sương mù, khói bụi v.v Quang vô tuyến mang lại giải pháp hấp dẫn cho vấn đề “last mile”, đặc biệt cho vùng đô thị mật độ dân đông Dịch vụ quang vô tuyến cung cấp nhu cầu băng rộng mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng sở đắt tiền Cơng nghệ tầm nhìn thẳng tránh lãng phí miền tần số khơng gian tồn công nghệ quảng bá Quang vô tuyến cung cấp kênh với bảo mật liệu cao dành riêng cho trao đổi thông tin hai đầu cuối Khơng có cấp phát tần số kéo theo khơng có can nhiễu quan trọng kênh khác chí người dùng sử dụng tần số sóng mang Đường cáp quang 2.5 – 10 Gbps Hình 1.1 Mơ hình kỹ thuật quang vô tuyến 1.3 Ứng dụng quang vô tuyến 1.3.1 Tổ chức mạng Last mile “Last mile” kết nối cuối phân phối từ nhà cung cấp thông tin tới khách hàng, thuật ngữ dùng ngành viễn thơng Nó xem thách thức lớn cho nhà cung cấp dịch vụ việc triển khai rộng khắp dây cáp dẫn nhiệm vụ khó khăn Để giải vấn đề nhằm mang lại dịch vụ tốt đến khách hàng vùng “last mile” hệ thống thông tin quang vô tuyến mang lại giải pháp hấp dẫn cho đặc biệt cho vùng đô thị mật độ dân đông Dịch vụ quang vô tuyến cung cấp băng rộng mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng sở đắt tiền Sự kết nối mềm mại khu vực có địa hình phức tạp, triển khai hệ thống thơng tin động nhanh, xác Tóm lại vấn đề last mile cách để phục vụ khối lượng khổng lồ người dùng nhu cầu thông tin cách kinh tế Vậy phương tiện truyền dẫn “last mile” hiệu phải: - Phân phát cơng suất tín hiệu, tức kênh truyền phải thích hợp với mức cơng suất tín hiệu - Suy hao thấp (ít xảy biến đổi sang dạng lượng không mong muốn) - Hỗ trợ băng thông rộng - Truyền dẫn với tỉ số tín hiệu nhiễu SNR cao, cơng suất nhiễu thấp - Cung cấp kết nối linh hoạt Ngoài nhân tố này, giải pháp tốt cho vấn đề last mile phải mang lại cho người dùng: - Khả sẵn sàng sử dụng độ tin cậy cao - Dung lượng người dùng 1.3.2 Tổ chức mạng MAN thành phố, LAN to LAN tổ chức doanh nghiệp lớn FSO cung cấp giao diện Ethernet môi trường LAN to LAN Điều làm giảm bớt vấn đề kinh tế việc thiết lập kết nối, giao diện khu vực, việc hổ trợ đơn giản Vì người quản lí mạng xây dựng mạng Fast Ethenet khu vực nhà trường, kí túc xá, với kết nối điểm tới điểm đơn giản, với tối thiểu kinh tế nguy phá vỡ mạng 1.3.3 Ứng dụng mạng GSM 3G Các mạng di động tế bào có u cầu băng thơng tăng cấu trúc sử dụng để kết nối trạm thu phát sóng Đặc biệt dịch vụ băng rộng hệ mạng 3G làm vấn đề thêm cấp thiết Kích thước vùng phủ (cell), đặc biệt thành phố co lại FSO cung cấp băng thông lớn, không yêu cầu cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng nhanh chóng giá thành thấp Trong tương lai mạng điện thoại 4G; 4,5G đưa vào ứng dụng mạng quang vô tuyến lại quan trọng công tác tổ chức mạng thông tin băng thông rộng phục phụ nhu cầu người tiêu dùng 1.3.4 Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho hoạt động nước Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm kiếm cứu nạn…Là nhu cầu công việc thiết thực phục phụ tốt cho hoạt động biển kể quân dân 1.3.5 Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho vệ tinh vũ trụ Việc tổ chức mạng thông tin cho vệ tinh vũ trụ liên lạc với liên lạc với máy bay liên lạc với trạm mặt đất hồn tồn cao khơng khí lại có thành phần làm cản trở phản xạ sóng hơn, độ ẩm khơng khí độ suy hao tín hiệu thấp so với tầng khơng khí gần mặt đất nên cơng suất phát cự li liên lạc sẻ xa 1.4 So sánh ƣu nhƣợc điểm quang vô tuyến hệ thống thông tin khác 1.4.1 Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng trục Ưu điểm hệ thống thông tin dùng cáp đồng nói chung cáp đồng trục nói riêng là, hệ thống chắn, truyền tải tín hiệu dải âm tần, chủ động thời gian đàm thoại Nhược điểm băng thông truyền dẫn thông tin hẹp phạm vi từ 0,3 đến 3,4 kHz chủ yếu, tín hiệu bị suy hao đường truyền lớn khoảng 13 đến 20 dB 1Km, khoảng cách đặt trạm lặp nhỏ khoảng 1Km/ trạm, độ trể tín hiệu lớn, kinh phí triển khai mạng thơng tin lớn dây cáp đồng đắt thời gian triển khai mạng thông tin dài 1.4.2 CATV (cáp truyền hình) Các chương trình đài FM, Internet tốc độ cao, thoại dịch vụ phi hình cung cấp Hệ thống truyền hình cáp mở rộng để cung cấp thông tin hai chiều đường cáp vật lý sẵn có Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách đến mạng tỉ số S/N đạt bị giới hạn nên người dùng gặp khó khăn chia sẻ cáp truyền hình với người dùng khác 1.4.3 Những hệ thống thông tin vô tuyến Hệ thống AM thu phát tần số sóng dài khoảng 300 - 900 kHz phản xạ qua tầng điện ly nên cự ly liên lạc xa suy hao tín hiệu mơi trường truyền nhỏ băng thông hẹp dùng cho phát Hệ thống thơng tin FM hệ thống có tần số phát cao khoảng từ 30 – 300 MHz hệ thống thu phát điểm - điểm tín hiệu phát thẳng từ anten phát đến anten thu, tần số thu phát cao băng thông rộng nên khả mang tin lớn nhiều so với hệ thống AM Nhược điểm tín hiệu suy hao nhiều đường truyền nên cự ly liên lạc gần Truyền hình, phát mặt đất hoạt động dải 50 MHz đến 1000 MHz đáp ứng yêu cầu băng thơng cho dịch vụ truyền hình, khơng thích hợp với việc truyền song công Truyền tin không dây song công, hệ thống song công dung lượng cao giới hạn tần số UHF siêu cao tần đường truyền điểm - điểm Hệ thống dung lượng cao hệ thống di động tế bào hệ 3G yêu cầu sở hạ tầng lớn hơn, địa điểm cell đặt gần nhau, nơi suy hao đường truyền lớn không gian tự do, nơi truy cập nhiều hướng từ người dùng Đặc biệt tốc độ khơng cao, độ an tồn phí sử dụng không phù hợp với khách hàng lớn, doanh nghiệp, tổ chức kinh tế xã hội Hệ thống vệ tinh có vùng phủ sóng rộng phục vụ nhiều người dùng chia sẻ thông tin Nhưng đường truyền vệ tinh địa tĩnh dài nên không thích hợp cho ứng dụng thời gian thực, tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng trừ sử dụng anten trạm mặt đất định hướng cao tiết diện lớn Vệ tinh phải có dung lượng cao để đảm bảo nhu cầu nhiều người dùng chia sẻ người dùng có anten lớn, với yêu cầu độ định hướng cao để thu tín hiệu Yêu cầu hệ thống vệ tinh dung lượng cao truyền tin hai hướng không kinh tế (do chi phí lắp đặt hệ thống vệ tinh) 1.4.4 Hệ thống thông tin cáp quang Cáp quang phương tiện trội cung cấp dung lượng thơng tin lớn, độ suy hao tín hiệu nhỏ Những cơng nghệ FTTx 10 (dịch vụ cung cấp cáp quang trực tiếp đến người dùng) mạng PON (mạng quang thụ động) có khả thỏa mãn nhu cầu băng thông rộng không phố biến cho hầu hết người dùng chi phí lắp đặt cao đơi khơng khả thi địa hình thời gian thi cơng mạng tương đối lớn 1.4.5 Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) kỹ thuật viễn thông sử dụng phương pháp truyền ánh sáng môi trường không gian tự để truyền liệu điểm Đó kỹ thuật truyền băng rộng tầm nhìn thẳng sử dụng tín hiệu điều chế xung ánh sáng để truyền liệu Thay xung ánh sáng truyền sợi quang, chúng truyền luồng sáng hẹp xun qua khơng khí Ưu điểm trội hệ thống thông tin quang vô tuyến băng thông cực rộng, dung lượng cực lớn truyền tải tần số cao nhiều hệ thống thông tin vô tuyến khác Băng thông (BW) gấp khoảng 10.000 lần so với thông tin vi ba (khoảng 200THz, tần số vi ba khoảng 20 GHz) Triển khai hệ thống nhanh xác giá thành hệ thống thấp nên giá thành đàm thoại giảm xuống Băng thơng rộng ghép nhiều kênh ưu điểm trội Nhược điểm hệ thống thơng tin vơ tuyến tín hiệu bị suy hao lớn mơi trường truyền có mưa, sương mù, khói bụi… Chính việc dự trữ cơng suất phát để bù suy hao môi trường truyền vấn đề cần thiết để đảm bảo công suất thu với giá trị BER phạm vi cho phép 12 CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT QUANG VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chƣơng Hệ thống thu phát quang vô tuyến yếu tố quan trọng định đến thành công mạng thông tin quang vơ tuyến Từ mã hố tin tức, điều chế tín hiệu, chuyển đổi E/O, khuếch đại quang, Laser phát, Laser thu, chuyển đổi O/E, giải điều chế, kỹ thuật ghép kênh…Tất khối hợp thành hệ thống thu phát quang Laser việc hiểu rõ kỹ thuật khối, ngun lý làm việc để từ tính tốn mức công suất phát, độ nhạy máy thu, tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) cho đảm bảo tỷ lệ lỗi bít (BER) phạm vi cho phép 2.2 Phần phát 2.2.1 Giới thiệu chung hệ thống Kỹ thuật FSO kết nối mạng vô tuyến dùng ánh sáng thay cho sóng radio, kết nối quang dựa sở Laser mà khơng dùng sợi quang Nó dựa kết nối thiết bị quang vô tuyến, thiết bị bao gồm thu phát quang để truyền nhận tín hiệu quang để tạo kết nối song công Tại điểm kết nối sử dụng nguồn quang thấu kính để truyền ánh sáng xun qua khơng khí tới thấu kính bên thu nhận thơng tin Tại đây, thấu kính kết nối tới thu có độ nhạy cao qua sợi quang Xử lý tín hiệu theo mơ hình sơ đồ thu phát quang vơ tuyến theo quy trình Tín hiệu tin tức cần gửi mã hố dạng tín hiệu điện sau đưa vào khối chuyển đổi O/E thành tín hiệu quang mang tin, qua khuếch đại quang, đảm bảo công suất phát sau đưa tới Laser phát để thực xạ tín hiệu quang mơi 13 trường Phía thu nhận tín hiệu quang từ phía phát đưa tín hiệu qua khuếch đại quang đủ lớn đưa vào khối chuyển đổi E/O thành tín hiệu điện xữ lý tin tức sở tín hiệu điện Việc xử lý tín hiệu để có hệ thống thu phát quang vơ tuyến hồn thiện cịn qua nhiều cơng đoạn khác lọc, nén, ghép kênh tín hiệu…ở nêu bước hệ thống thu phát quang vô tuyến 2.2.2 Các đặc điểm phát Thiết bị phát phải có cơng suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt người Thường sử dụng theo chuẩn phân loại sau: Bảng 2.1 Phân loại độ an toàn laser phát nguồn 880 nm 1310 nm 1550 nm Nhóm 0,5 mW 8,8 mW 10 mW Nhóm 13 mW 15 mW 16 mW Nhóm 3A 0,5 – 2,5 mW 8,8 – 45 mW 10 – 50 mW Nhóm 3B 2,5 – 500 mW 45 – 500 mW 50 – 500 mW Các hệ thống hoạt động trời thường sử dụng Laser cơng suất cao nhóm 3B để đạt độ dự trữ công suất tốt Tiêu chuẩn an toàn đề nghị hệ thống nên đặt nơi mà luồng ánh sáng không bị gián đoạn, hay ảnh hưởng trực tiếp tới mắt người Bộ phát thường sử dụng laser diode phổ biến thị trường đáp ứng bước sóng mong muốn Có cửa sổ tần số mà thường dùng LASER có bước sóng 780 - 925 nm 1525 - 1580 nm Hệ thống FSO phải đạt tiêu sau: - Khả hoạt động tần số cao 14 - Sự điều chế tốc độ cao - Vùng phủ nhỏ công suất tiêu thụ nhỏ - Có khả hoạt động phạm vi nhiệt độ lớn mà không giảm hệ suất đáng kể - Thời gian trung bình lần bị cố 10 năm 2.2.3 Laser Diode bán dẫn LD Cấu tạo diode laser (LD) Gồm lớp bán dẫn p lớp n miền hoạt tính lớp hoạt chất Lớp hoạt chất cặp phiến phẳng - gương phản xạ đặt qua vào để phản xạ ánh sáng xạ hay gọi hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) Nguyên lý hoạt động LD Khi có lớp điện áp phân cực đặt vào lớp tiếp giáp electron bơm vào, lớp hoạt chất kích thích, sau tái hợp với lỗ trống có điện tích dương đó, đồng thời sinh lượng dạng quang nhiệt Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot) tạo tương tác photon electron diễn nhiều lần tạo công suất quang lớn 2.2.4 Điều khiển công suất laser Độ tin cậy laser điều đáng quan tâm hệ thống quang khơng dây Laser cần có thời gian hai lần sai hỏng năm Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống laser diode bán dẫn là: - Nhiệt độ hoạt động trung bình diode - Nhân tố thứ hai cơng suất trung bình laser 15 Xét thấy yếu tố nhiệt độ điều khiển hệ thống trời nên để tăng thời gian sống cho thiết bị phát ta cần điều khiển cơng suất tự động 2.2.5 Điều chế tín hiệu Trong kỹ thuật quang có phương pháp điều chế tín hiệu sau Điều chế khố dịch biên độ ASK hay điều chế đóng mở OOK, điều chế khoá dịch tần FSK, điều chế khoá dịch pha PSK, điều chế khoá dịch pha vi phân DPSK, điều chế phân cực PoLSK Trong hệ thống thông tin quang, có hai phương pháp điều chế tín hiệu điều chế điều chế 2.2.6 Nguồn khuếch đại Nguồn khuếch đại, EDFAs khuếch đại bán dẫn SOAs, sử dụng để nâng công suất nguồn Laser công suất thấp 2.2.7 Hệ thống bám đuổi Trong hệ thống thông tin quang không dây cần thiết có hệ thống bám đuổi quang Nhằm khắc phục ảnh hưởng lệch chùm tia phía thu Các thiết bị có diện tích bề mặt tương đối lớn dễ dàng định hướng thẳng hàng tới thu quang hệ thống bám đuổi Đối với hệ thống quang gắn tịa nhà băng thơng cho hệ thống bám đuổi thấp ,với hệ thống gắn tháp trụ băng thơng bám đuổi cao để chống lại tác động gió 2.3 Phần thu Chức biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ bảo đảm độ tin cậy cao Trong lĩnh vực thông 16 tin quang ta nghiên cứu vấn đề thu quang theo hiệu ứng quang điện 2.3.1 Cơ chế thu quang Khi ánh sáng đập vào vùng p bị hấp thụ trình lan truyền đến vùng N Trong q trình đó, điện tử lỗ trống tạo vùng nghèo hấp thụ photon chuyển động hai hướng đối ngược tác động điện trường nên chúng tách rời Vì khơng có điện trường bên vùng nghèo nên điện tử lỗ trống tạo hiệu ứng quang điện tái hợp trình chuyển động chúng Tuy nhiên, có vài điện tử di chuyển vào điện trường trình chuyển động có khả thâm nhập vào vùng, có điện tạo miền P N Nếu hai đầu miền nối với mạch điện ngồi điện tử lỗ trống tái hợp mạch có dịng điện chạy qua 2.3.2 Thiết bị thu, tách sóng So với thiết bị phát ánh sáng, phận thu có nhiều giới hạn Hai hệ thống tách sóng thơng thường dùng phạm vi phổ gần hồng ngoại dựa công nghệ silicon hay InGaAs Giải điều chế bước sóng hồng ngoại 1330 nm sử dụng vật liệu silicon Giải điều chế bước sóng hồng ngoại 1550 nm sử dụng InGaAs cho việc tách sóng bước sóng Có tách sóng thông dụng PIN silicon (Si-PIN) APD (Si-APD) Si-PIN với khuếch đại đổi tần tích hợp thơng dụng Trong tách sóng này, độ nhạy hàm băng thơng tín 17 hiệu điều chế, độ nhạy giảm băng thông tách sóng tăng lên Giá trị độ nhạy thơng thường Si-PIN khoảng -34 dB tốc độ 155 Mbps Si-APD có độ nhạy cao tiến trình khuếch đại (thác lũ) bên Vì tách sóng Si-APD hữu ích FSO Độ nhạy cho ứng dụng băng thơng rộng, thấp -55 dBm tốc độ vài Mbps, -52 dBm tốc độ 155 Mbps, -46 dBm 622 Mbps 2.3.3 Độ nhạy quang Tạp âm tách sóng quang Độ nhạy quang cho biết khả biển đổi công suất quang thành dòng điện Đối với tách sóng quang, thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, điều địi hỏi photođiơt phải tách tín hiệu quang yếu từ phía đường truyền tới Để thực thu tín hiệu yếu này, cần phải tối ưu hoá tách sóng quang mạch khuếch đại tín hiệu kèm theo đó, điều cho phép ta nhận tỷ lệ tín hiệu nhiễu SNR Để đạt tỷ lệ SNR cao phải hội đủ điều kiện sau: - Sử dụng tách sóng quang có hiệu suất lượng tử cao nhằm tạo cơng suất tín hiệu lớn - Phải hạn chế tạp âm tách sóng quang khuếch đại tín hiệu thu quang nhiều tốt - Tạp âm khuếch đại quang tạp âm tiền khuyếch đại khuyếch đại phía sau Nhưng thực tế, phần lớn tạp âm tách sóng tiền khuyếch đại định 18 2.3.4 Thiết bị thu phát quang cụ thể Nguyên lý hoạt động Khi phát tín hiệu quang đưa tới từ cáp quang sau vào phát, tín hiệu được đưa tới xử lý liệu dẫn tới nguồn phát laser sau tín hiệu quang đưa tới kính phát điều chỉnh hội tụ tia sáng phát không gian Khi thu tín hiệu quang khơng gian hội tụ đưa tới xữ lý liệu đưa tín hiệu quang cần thu vào cáp quang Bộ định hướng có tác dụng định hướng thẳng hàng máy thu máy phát mục đích cho tia sáng tập trung lượng tốt cho máy thu 2.3.5 Sự an toàn với mắt người Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang vô tuyến, thiết bị phát tạo chùm laser vào khu vực có người sinh sống nên đảm bảo an toàn cho mắt người trở nên quan trọng Những hệ thống hoạt động hai bước sóng 800 nm 1550 nm Những chùm laser 800 nm nằm gần vùng hồng ngoại, vượt qua vùng giác mạc thủy tinh thể hội tụ thành vết nhỏ võng mạc nên võng mạc bị hủy hoại trước nạn nhân nhận thức Tương phản với trường hợp chùm laser 1550 nm bị hấp thụ giác mạc thủy tinh thể nên không hội tụ võng mạc 2.4 Kết luận chƣơng Hệ thống FSO đời hoàn toàn dựa luận chứng khoa học lý thuyết xạ ánh sáng hiệu ứng ánh sáng, truyền đẫn tín hiệu không gian, kỹ thuật điều chế tin tức, giải điều chế tin tức, khuếch đại tín hiệu tất yếu tố tạo nên mạng thông tin quang vô tuyến băng thông rộng phục vụ cho nhu cầu 19 sử dụng thông tin người tiêu dùng Laser phát dùng thông dụng laser điode LD đặc điểm đường truyền có suy hao lớn nên công suất phát loại laser thường lớn hơn, nhiệt độ laser tăng cao nên tuổi thọ laser giảm xuống so với laser dùng thông tin sợi quang Các khuếch đại quang FSO có cấu trúc đặc biệt so với thông tin sợi quang Hệ thống bám đuổi mạng FSO khâu quan trọng nhằm giữ mạng thơng tin thơng suốt có tác dụng tự động điều chỉnh định hướng tia sáng phát thu cho lượng tập trung điểm thu lớn Do yếu tố an toàn mắt người lựa chọn cửa sổ tần số tối ưu nên ta thường chọn ánh sáng có bước sóng dải 780 - 1560 nm Vấn đề nhiễu đường truyền FSO phải tính đến, q trình thu phát mà thời tiết có nhiều thay đổi giơng tố, sấm sét tỉ lệ lỗi bít BER sẻ lớn 10-12 thực thu phát cần sử dụng bảng mã có sửa sai lớn phần thu cần có lọc tích cực nhằm đảm bảo độ chọn lọc tín hiệu 20 CHƢƠNG 3: SUY HAO TÍN HIỆU TRONG MƠI TRƢỜNG TRUYỀN SĨNG 3.1 Giới thiệu chƣơng Việc tính tốn suy hao tín hiệu đường truyền, cự ly liên lạc để từ tính tốn cơng suất dự trữ, kinh phí xây dựng, tỷ lệ lổi bít BER điều kiện thời tiết cụ thể điều bắt buộc nhà thiết kế mạng thông tin quang vô tuyến Chương nêu đặc điểm đường truyền tín hiệu quang vô tuyến, đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng tuyến quang vô tuyến, đánh giá điều kiện thời tiết yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền tuyến quang vô tuyến 3.2 Đặc điểm đƣờng truyền tín hiệu quang vơ tuyến 3.2.1 Truyền ánh sáng Tuyến FSO bao hàm truyền, hấp thụ tán xạ ánh sáng khí trái đất Điều dẫn đến biến photon truyền tới, suy hao tín hiệu làm tăng nhiệt độ xung quanh Có vùng bước sóng mà truyền gần suốt (khơng có hấp thụ) gọi cửa sổ tần số Tán xạ mơi trường khơng khí kết tương tác phần ánh sáng phần tử (bụi, dạng hạt nước không khí) mơi trường truyền sóng Nó thay đổi hướng xạ thành phần tương tác mà thay đổi bước sóng Tán xạ xảy kích thước hạt khơng khí có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng truyền Trong điều kiện thực tế chủ yếu tạo sương mù, mưa phùn Dưới ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ bên môi trường truyền, phân bố ngẫu nhiên lớp không khí tạo hệ số khúc xạ khác nguyên nhân sinh tán xạ, đa 21 đường, biến đổi góc tới Mặt sóng thay đổi tạo hội tụ phân kỳ chùm ánh sáng Những thay đổi tín hiệu tượng chập chờn FSO Ngoài ra, tác động khác ảnh hưởng lớn đến đường tryền vật chắn phát sinh sử dụng 3.2.2 Ảnh hưởng thay đổi khơng khí đến chất lượng tín hiệu Sự thay đổi tính chất khơng khí gây biến thiên cường độ tín hiệu theo không gian thời gian đầu thu Sự thay đổi làm cho số khúc xạ bị thay đổi khơng khí giống thấu kính làm lệch chùm tia so với hướng đến phía thu Thời gian thay đổi thời gian chùm tia truyền qua khơng gian phụ thuộc vào tốc độ gió 3.3 Đánh giá yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng tuyến quang vô tuyến 3.3.1 Xét tượng theo lí thuyết truyền xạ điện từ Trong nghiên cứu truyền xạ môi trường hấp thụ, tán xạ, phát xạ, có hai yếu tố quan trọng - Đầu tiên, hấp thụ không xảy biên tuyến mà cịn điểm mơi trường Điều với tượng tán xạ - Thứ hai, đặc tính phổ mơi trường khí lỗng có nhiều thay đổi hình dạng so với mơi trường lỏng rắn 3.3.2 Hoạt động tán xạ Nếu môi trường bao gồm hạt nhỏ khơng đồng nhất, xạ xuyên qua đường truyền bị phân tán hướng Những hạt hạt bụi, giọt nước 22 Phân biệt hai loại tán xạ Tán xạ gọi tương quan tần số trường tán xạ giống với tần số sóng đến Ngược lại gọi không tương quan di chuyển hỗn loạn tức hạt khơng khí 3.3.3 Đánh giá chất lượng tuyến Khả sử dụng tuyến yếu tố then chốt xem xét lắp đặt hệ thống Chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: - Độ tin cậy thiết bị Yếu tố đảm bảo chắn lựa chọn, tính tốn, thiết kế nêu phần - Số liệu thống kê độ suy giảm khơng khí yếu tố chưa biết Nó thu thập thông qua thiết bị chuyên dụng thiết bị đo tầm nhìn, lượng mưa… - Hiệu suất công tác tuyến kể công suất phát khả truy cập mạng dẫn tới giá thành xây dựng mạng, giá cước truy cập điều kiện đảm bảo chất lượng thơng tin tỷ lệ lỗi bít BER, độ trể tín hiệu… 3.4 Kết luận chƣơng Chương sở lý thuyết để xây dựng mạng thông tin quang vô tuyến Nhà thiết kế mạng phải biết độ suy hao tín hiệu khoảng cách thiết kế để bù công suất, lựa chọn bước sóng cho phù hợp Sự tán xạ tín hiệu hạt lơ lững khơng khí xét hàm truyền đạt điều kiện thời tiết cụ thể Từ giải tốn thuận cho tín hiệu vào, đặc điểm đánh giá kênh truyền không gian suy tín hiệu 23 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN TẠI ĐÀ NẴNG VÀ MÔ PHỎNG BẰNG OPTIWAVE 4.1 Giới thiệu chƣơng Việc xây dựng hệ thống thông tin quang vơ tuyến điều kiện thời tiết nước ta nói chung thành phố Đà Nẵng nói riêng việc làm u cầu có độ chình xác cao liên quan đến độ vững hệ thống kinh phí để thiết kế hệ thống Chương sâu vào xây dựng mạng thông tin quang vơ tuyến có u cầu tỉ lệ lỗi bít (BER), tốc độ bít Với điều kiện thời tiết thành phố Đà Nẵng yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền tuyến quang vô tuyến đẫn đến suy hao tín hiệu tổng Các thơng số cụ thể tuyến thông tin từ Green Plaza – Đà Nẵng số 233 – Trần Phú đến Trung tâm Thông tin di động khu vực III - MobiFone số 263 Nguyễn Văn Linh – TP Đà Nẵng Thực mô phần mềm Optiwave 4.2 Các thông số cụ thể từ Green Plaza đến Trung tâm Thông tin di động khu vực III - MobiFone 4.2.1 Các tham số mạng quang vô tuyến Các thông số hệ thống * Khoảng cách tuyến FSO : km Các yếu tố thực nghiệm cho đường truyền quang vô tuyến * Công suất phát 25 dBm * Tốc độ truyền * Bước sóng : 830 nm – 1550 nm 4.2.2 Xây dựng hình ảnh Green Plaza – Đà Nẵng số 233 – Trần Phú đến Trung tâm Thông tin di động khu vực III - MobiFone số 263 Nguyễn Văn Linh 24 – TP Đà Nẵng có khoảng cách đo tính theo đường thẳng chim bay khoảng km Với điều kiện thời cụ thể suy hao tổng tín hiệu đường truyền 35 dB/km 4.3 Mô phần mềm Optiwave 4.3.1 Xây dựng hệ thống thu phát phần mềm Optiwave 4.3.1.1 Khối Transmitter 4.3.1.2 FSO Channel 4.3.1.3 Khối Optical Receiver 4.3.1.4 Các khối Optical Power Meter Visualizer/ Optical Time Domain Visualizer 4.3.1.5 Khối BER Analyzer 4.3.2 Kết chương trình phần mềm Optiwave 25 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Nhu cầu cấp thiết yêu cầu băng thông người dùng tăng, tốc độ đường trục ngày cao Tuy để đáp ứng nhu cầu người dùng điều khó khăn nhà cung cấp dịch vụ mạng nói chung Vì nhiều lí do, nỗi trội khó khăn thi cơng mạng phân phối nơi dân cư tập trung đông kiến trúc hạ tầng sở phức tạp Nhận thấy tình trạng qua nghiên cứu công nghệ quang vô tuyến FSO, thấy giải pháp thay hữu hiệu trường hợp thi công đường cáp quang (địa hình phức tạp, sở hạ tầng vướng bận, kinh phí lắp đặt ) khoảng cách gần, cho yêu cầu dịch vụ băng thông rộng, tốc độ cao khách hàng Ưu tốc độ, tiện ích lắp đặt tính linh hoạt triển khai mạng, điểm nỗi trội tuyến quang vơ tuyến Ngồi điều kiện thời tiết thành phố Đà Nẵng nhiều nắng, mưa, sương mù, hàm lượng bụi tổng thấp, trở ngại việc suy hao tín hiệu kênh truyền giải để đảm bảo tính vững mạng thông tin, nên khả ứng dụng tuyến FSO thành phố Đà Nẵng cao Để có kết luận trên, luận văn nghiên cứu kĩ vấn đề thời tiết ảnh hưởng đến đường truyền vô tuyến tuyến FSO Sau vận dụng cơng thức thực nghiệm chứng minh tính tốn giá trị cụ thể để xây dựng mạng thông tin vô tuyến hoàn thiện Tuy luận văn thực việc mô phần mềm Optisystem 7.0, với kết đạt được, tin công nghệ phù hợp với điều kiện thành phố Đà Nẵng nói riêng thành phố nước ta nói chung thời gian tới 26 Hướng phát triển đề tài, tiếp tục thực khảo sát yêu cầu khách hàng tiềm để xác định khả ứng dụng thực tế tuyến FSO Sau hồn thiện chương trình Matlab để hổ trợ việc lựa chọn thiết bị thiết lập thông số kỹ thuật phù hợp điều kiện thời tiết vùng miền khác Ứng dụng phần mềm Optisystem tính tốn ghép kênh đáp ứng yêu cầu người sử dụng, đưa giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng mạng thông tin Ứng dụng kết đo độ lớn hạt bụi từ nguồn tin có độ tin tưởng cao, sau tính tốn lượng tán xạ sóng truyền qua phần trăm Tiến hành lắp đặt thiết bị thực tế ứng dụng mạng LAN đơn vị cụ thể, làm chứng thực nghiệm cho việc tính tốn lý thuyết cụ thể Thực ghép nhiều kênh truyền hệ thống, thay đổi tốc độ bít khác nhàm phục vụ tốt nhu cầu người tiêu dùng Từ làm sở thực tế cho việc đưa công nghệ quang vô tuyến vào ứng dụng rộng rãi thành phố Đà Nẵng nói riêng nước ta nói chung ... tốt nghiệp ? ?Nghiên cứu kỹ thuật thơng tin quang vô tuyến Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến Đà Nẵng? ?? Luận văn gồm chương với nội dung tóm tắt sau Chương 1: Tổng quan kỹ thuật thông tin quang. .. thuật quang vô tuyến, ứng dụng quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm quang vô tuyến hệ thống thông tin khác hệ thống thông tin sợi quang hệ thống thông tin vô tuyến 1.2 Giới thiệu kỹ thuật quang vô. .. kênh truyền khơng gian suy tín hiệu 23 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG VÔ TUYẾN TẠI ĐÀ NẴNG VÀ MÔ PHỎNG BẰNG OPTIWAVE 4.1 Giới thiệu chƣơng Việc xây dựng hệ thống thông tin quang vô tuyến