Môi trường nhiễu loạn không khí làm biến dạng xung quang lan truyền, giả sử rằng dạng sóng đ ầu vào là xung Gauss. Sự biến dạng này gây ra sự thay đổi về các kho ảng thời gian tới của xung quang đến máy thu, điều này làm cho xung bị giãn rộng ra. Do đó, tốc độ bit mong muốn của đường truyền quang bị suy giảm. Hiện tượng giãn xung này cũng gây ra sự xuyên nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) của các xung gần kề nhau, do đó làm tăng tỉ số lỗi bit (BER) của hệ thống.
41
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
2.4.3. Sự lệch hƣớng thu - phát.
Lỗi định hướng (sự lệch hướng) là tổng độ dịch giữa tâm chùm tia và tâm khẩu độ thu. Sự lệch hướng được tổng quát gồm 2 yếu tố: sự lệch hướng cố định và sự lệch hướng ngẫu nhiên.
Trong đường truyền thẳng của hệ thống FSO, độ chính xác định hướng là một vấn đề quan trọng trong việc xác định hiệu năng đường truyền và độ tin cậy. Tuy nhiên, nhiễu loạn không khí, gió, sự dãn do nhiệt độ hay sự rung lắc của tòa nhà, dẫn đến sự lệch hướng ngẫu nhiên tại phái máy thu.
42
2.5. Kết Luận Chƣơng 2.
Trong chương này, các mô hình về nhiễu loạn khác nhau đã được đưa ra để ứng dụng cho các điều kiện nhiễu loạn khác nhau từ yếu đến mạnh và cho các kho ảng cách truyền dẫn khác nhau từ ngắn tới dài. Và thấy được các tác động của nhiễu loạn không khí tới chất lượng đường truyền FSO.
Mô hình log-normal gồm những phương trình toán học dễ xử lý, tuy nhiên l ại chỉ áp dụng tốt cho điều kiện nhiễu lo ạn yếu, khoảng cách truyền dẫn ngắn. Khi điều kiện nhiễu loạn mạnh lên, nhiều tán xạ xảy ra cùng lúc, mô hình Gamma Gamma sẽ phù hợp hơp để sử dụng, tuy nhiên mô hình này l ại phức tạp hơn log- normal rất nhiều. Mô hình Gamma Gamma có thể sự dụng cho cả điều kiện nhiễu loạn yếu, trung bình, và mạnh với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau. Tùy vào điều kiện khác nhau của hệ thống mà ta sẽ quyết định nên sử dụng mô hình nào cho phù hợp.
43
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)
3.1 Giới thiệu về các kỹ thuật điều chế trong FSO.
Trong công nghệ truyền thông tin vô tuyến quang, hiệu quả của một kỹ thuật điều chế được đánh giá dựa trên phương diện công suất quang thu được cần thiết để có thể đạt tỷ lệ lỗi mong muốn với tốc độ dữ liệu nhất định. Hiệu suất công suất càng cao thì kỹ thuật điều chế đó càng tốt nhưng công suất quang phát trung bình tại bộ phát luôn luôn có giới hạn vì vậy không thể tăng công suất phát lên mãi được. Tuy nhiên đó không phải là yếu tố duy nhất quyết định việc chọn dùng loại điều chế nào trong hệ thống FSO. Những yếu tố khác như độ phức tạp trong thiết kế máy thu phát và băng thông yêu cầu của kỹ thuật điều chế cũng rất quan trọng. Và những hạn chế về mặt băng thông của các thiết bị quang điện là một ví dụ điển hình, nó làm giới hạn băng thông khiến cho nguồn băng thông cực kì lớn từ các bức xạ quang không được sử dụng hết.
Trong chương này sẽ trình bày về kỹ thuật điều chế được sử dụng trong hệ thống FSO qua kênh truyền chịu tác động của nhiễu loạn không khí. Có rất nhiều phương thức điều chế khác nhau thích hợp cho thông tin vô tuyến quang được thể hiện trên Hình 3.1. Các phương thức điều chế số được sử dụng rộng rãi như: điều chế khóa đóng mở (OOK), điều chế vị trí xung (PPM), điều chế khóa dịch pha sóng mang kết hợp điều chế cường độ quang (SC-PSK), điều chế biên độ cầu phương sóng mang kết hợp điều chế cường độ quang (SC-QAM).
44
Hình 3.1: Các kỹ thuật điều chế quang.
Và kỹ thuật điều chế được sử dụng lâu đời nhất trong công nghệ FSO là kỹ thuật điều chế khóa đóng mở ( On Off Key – OOK ). Nguyên nhân là do sự đơn giản trong thiết kế và triển khai khi sử dụng kỹ thuật điều chế này. Chính vì vậy mà trong hầu hết các nghiên cứu về FSO chủ yếu nghiên cứu về hệ thống sử dụng điều chế OOK và được sử dụng nhiều cho các mục đích thương mại. OOK có thể sử dụng xung không trở về 0 (NRZ) và các xung trở về 0 (RZ). Trong điều chế OOK sử dụng xung NRZ, một xung quang với công suất đỉnh αePT thể hiện ký tự „0‟,
trong khi đó, việc truyền đi một xung quang với công suất đỉnh PT thể hiện ký tự „1‟
(0≤αe<1). Với OOK sử dụng xung RZ, chu kỳ của xung quang nhỏ hơn chu kỳ của
1 bit. Điều này dẫn đến hiệu suất công suất được cải thiện đáng kể so với OOK sử dung NRZ, tuy nhiên nó lại yêu cầu băng thông nhiều hơn (Hình 3.2). Thêm nữa, việc sử dụng các ngưỡng đóng mở cố định của OOK trong môi trường nhiễu loạn không khí là không tối ưu do tác động của kênh truyền, gây tỷ lệ lỗi lớn. Để khắc phục điều này, có thể sử dụng ngưỡng đóng mở thích ứng, tức là ngưỡng có thể
45
thay đổi tùy điều kiện nhiễu loạn và nhiễu. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai hệ thống FSO sử dụng OOK với ngưỡng thích ứng lại quá phức tạp.
Để khắc phục nhược điểm về xác định mức ngưỡng trong kỹ thuật điều chế OOK, kỹ thuật điều chế vị trí xung PPM được đưa vào nghiên c ứu, sử dụng và là một trong số các kỹ thuật điều chế xung (Hình 3.1). Kỹ thuật điều chế PPM cải thiện một cách đáng kể về hiệu quả công suất so với kỹ thuật OOK và không yêu cầu ngưỡng thích ứng cho các hệ thố ng FSO. Tuy nhiên nhược điểm của nó là phức tạp về thiết kế máy thu phát, yêu cầu sự đồng bộ không gian thu phát r ất chặt chẽ và yêu cầu băng thông lớn hơn so với OOK.
Hình 3.2: Dạng sóng thời gian của 4-bits OOK và 16-PPM
Trong kỹ thuật PPM, mỗi khối gồm log2M bit dữ liệu sẽ tương ứng với một
trong M ký tự. Tức là trong mỗi chu kì sẽ chia thành M khe thời gian. Mỗi ký tự bao gồm 1 xung với công suất phát cố định, PT, sẽ chiếm một khe thời gian cùng với M-1 khe còn lại trống. Vị trí c ủa xung sẽ tương ứng với giá trị thập phân của
log2M bit dữ liệu. Vì vậy mà thông tin được mã hóa bởi vị trí của xung trong ký tự.
Ở phía máy thu sẽ yêu cầu đồng bộ cả về đồng bộ ký tự và đồng bộ về các khe thời gian để có thể giải điều chế thông tin được mã hóa ở vị trí xung. Tuy nhiên, vì hiệu suất công suất cao, nên kỹ thuật điều chế PPM ngày càng được sử dụng nhiều cho
46
các hệ thống thông tin quang không dây, đặc biệt là các ứng dụng trong không gian vũ trụ.
Điều chế cường độ sóng mang (Subcarrier Intensity Modulation-SIM) là một kỹ thuật điều chế đã được sử dụng rất thành công trong thông tin vô tuyến đa sóng mang. Kỹ thuật này cũng đã được sử dụng rộ ng rãi trong thông tin cáp quang ở nhiều ứng dụng khác nhau. Gần đây, kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang mới được chú ý và nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống FSO. Chính vì các mạng hiện tại và tương lai đều đã và sẽ sử dụng kỹ thuật điều chế này, nên việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều chế vào các hệ thống FSO để có thể tích hợp chúng với các mạng hiện tại và tương lai đang ngày càng trở nên cấp thiết. Bên cạnh đó, có nhiều lý do khác dẫn đến việc nghiên cứu kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang trong hệ FSO như:
- Tận dụng được các nghiên c ứu phát triển cho điều chế cường độ sóng mang trong các hệ thống thông tin vô tuyến trước đây.
- Không yêu cầu phải có ngưỡng thích ứng như của OOK. - Yêu cầu băng thông thấp hơn so với PPM.
Tuy nhiên còn khá nhiều thách thức trong việc triển khai hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang như:
- Yêu cầu công suất phát tương đối cao.
- Khả năng méo tín hiệu cao hơn bởi vì tín hiệu laser vố n là không tuyến tính và việc tín hiệu bị cắt do điều chế quá mức.
- Yêu cầu đồng bộ rất nghiêm ngặt ở phía máy thu
Như vậy việc lựa chọn kỹ thuật điều chế được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng thực tế, điều đó đòi hỏi có sự cân bằng giữa các tiêu chí như: Tính đơn giản trong nghiên cứu - triển khai, Hiệu suất công suất và hiệu quả băng thông, cũng như tốc độ xử lý dữ liệu. Lấy ví dụ, khi muốn sử dụng một hệ thống đơn giản, hiệu suất công suất ở mức trung bình, không yêu cầu đồng bộ thu phát thì hệ thống sử dụng
47
kỹ thuật điều chế OOK là sự lựa chọ n tốt. Nhưng nếu muốn có một một hệ thống có Thông lượng cao, tốc độ xử lý dữ liệu lớn mà không yêu cầu hiệu suất công suất cao thì các kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang là sự lựa chọn tối ưu.
3.2 . Hệ Thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM.
Kỹ thuật điều chế QAM được sử dụng rộng rãi trong các modem được thiết kế cho các kênh điện thoại. Các chuẩn modem mạng điện thoại theo CCITT đều dựa trên các trình tự điều chế QAM khác nhau, từ 16-QAM không mã hóa tới 128-QAM mã hóa trellis. Việc nghiên cứu các ứng dụng của QAM trong các hệ thống vệ tinh, các hệ thống không dây điểm-điểm (point-to-point wireless systems), và trong các hệ thống điện thoại tế bào di động cũng đã rất tích cực.
Như ta đã biết, đối với các hệ thống có dung lượng lớn và vừa, đòi hỏi hiệu quả sử dụng cao thì M-PSK là lựa chọn tốt nhất. Tuy nhiên, khi tăng số trạng thái điều chế nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ mà vẫn đảm bảo khoảng cách đủ lớn giữa các ký hiệu để duy trì xác suất thu lỗi cho trước thì buộc phải tăng công suất phát. Để khắc phục khó khăn này, người ta sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương (QAM: Quadrature Amplitude Modulated ).
48
Trong kỹ thuật điều chế QAM, hàng loạt chòm sao được hiện thực hóa. Với Type I và Type 2 các điểm tín hiệu được được phân bố đều đặn trên một trong N đường tròn, với N là số mức biên độ. Như ta đã biết, xác suất thu lỗi của hệ thông không phụ thuộc vào khuôn dạng tín hiệu mà phụ thuộc vào biểu đồ sao tín hiệu, tức là phụ thuộc vào kho ảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định gần nhất, trong kiểu chòm sao Type I các điểm ở vòng phía trong là gần nhau nhất về khoảng cách và dễ bị ảnh hưởng nhất bởi lỗi . Để khắc phục vấn đề này, kiểu chòm sao II đã được đề xuất. Trong kiểu chòm sao II, Các điểm tín hiệu vẫn nằm trên các đường tròn, nhưng số điểm ở vòng phía trong ít hơn số điểm ở vòng phía ngoài, khiến cho kho ảng cách giữa hai điểm liền kề trên vòng phía trong gần xấp xỉ bằng kho ảng cách giữa hai điểm liền kề trên vòng phía ngoài. Kiểu chòm sao III là chòm sao QAM vuông được thể hiện trong hình được đề xuất năm 1962. Qua phân tích cho thấy hệ thống kiểu III cho cải tiến rất ít về chất lượng so với hệ thống dạng II, nhưng việc thực thi của nó đơn giản hơn đáng kể so với kiểu I và II. Ngoài ra chòm sao vuông (square) (loại III) là lựa chọn thích hợp nhất cho các kênh nhiễu trắng cộng (AWGN). Nó có thể được phát ra một cách dễ dàng bằng hai tín hiệu điều chế biên độ (M-array Amplitude Modulation - MAM) nén trên hai sóng mang vuông pha. Nó có thể dễ dàng được giải điều chế tạo ra hai thành phần trực giao. Mỗi thành phần có thể được dò một cách riêng biệt bằng cách so sánh với một tập các ngưỡng. Một vài chòm sao khác có hiệu suất lỗi tốt hơn một chút, nhưng việc thực thi hệ thống lại phức tạp hơn rất nhiều. Vì lý do này, chòm sao dạng III trở thành hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất. Và trong khuôn khổ luận luận văn này sẽ tập trung vào kỹ thuật điều chế QAM có đặc tính chòm sao dạng hình vuông.
49
Hình 3.4: Biểu đồ sao tín hiệu Rectangular QAM
Đối với các hệ thống yêu cầu dung lượng lớn như hệ thống thông tin quang , và để tiết kiệm cả phổ tần và công suất tín hiệu người ta thường dùng điều chế M- QAM. Công nghệ hiện nay cho phép kỹ thuật điều chế M-QAM đạt số trạng thái đến M=1024 và có thể tăng hơn nữa. Tuy nhiên, điều chế QAM làm cho bộ khuếch đại công suất phát trở nên phức tạp hơn vì phải đảm bảo tính tuyến tính để có thể khuếch đại được tín hiệu điều chế biên độ. Khi số trạng thái lớn, do khoảng cách giữa các ký hiệu quá gần nên để giảm lỗi người ta phải tăng công suất phát.
Sơ đồ khối hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM được thể hiện trên Hình 3.5:
50
Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống FSO/SC-QAM
Một hệ thống FSO sử dụng kỹ thuật điều chế QAM tiêu biểu được vẽ như hình trên. Tại máy phát, mỗi khối tín hiệu gồm log2M bit từ nguồn dữ liệu đ ầu vào sẽ
được điều chế trước tiên bởi bộ điều chế MI×MQ QAM, trong đó MI ,MQlần lượt là
chiều của tín hiệu đồng pha và tín hiệu cầu phương, và M =MI ×MQ. Ta có tín hiệu
e(t) tại đầu ra của bộ điều chế điện QAM như sau:
( ) I( ) cos(2 c ) - Q( ) sin(2 c ). e t =s t p f t s t p f t (3.1) Trong đó: - - ( ) ( - ) I j s j s t a g t iT +¥ = ¥ = å và - ( ) ( - ) Q j s j s t b g t jT ¥ = ¥
= å lần lượt là tín hiệu đồng pha
51
- aj, bj lần lượt là thành phần đồng pha và thành phần cầu phương của ký tự
thứ j.
- g(t) là hàm cắt xung. - Ts là chu kỳ ký tự.
- fc là tần số sóng mang con.
Tín hiệu e(t) tại đầu ra bộ điều chế điện QAM sẽ được sử dụng để điều chế cường độ bức xạ quang mang tin. Ta có tín hiệu s(t) ở đầu ra bộ điều chế cường độ quang là:
( ) s{1 [ I( )cos(2 c ) - Q( )sin(2 c )]}.
s t =P +k s t pf t s t p f t (3.2)
Trong đó:
- Ps là công suất phát trên một ký tự.
- k là hệ số điều chế thỏa mãn 0 < k ≤ 1.
Thành phần một chiều đã được cộng thêm vào để đảm bảo tín hiệu điện dùng
cho điều chế cường độ quang là không âm. Tín hiệu s(t) sẽ được phát đi bởi thấu
kính phát và sau khi chịu suy hao trên đường truyền do nhiễu loạn không khí và suy
giảm tín hiệu do lỗi không đồng bộ không gian thu phát, ta thu được tín hiệu r(t) ở
phía máy thu là:
( ) . {1s [ I( )cos(2 c ) - Q( )sin(2 c )]}.
r t =X P +k s t pf t s t pf t (3.3)
Trong phương trình trên, X là trạng thái kênh là một quá trình ngẫu nhiên c ủa
sự nhấp nháy tín hiệu gây ra bởi sự suy hao khí quyển, nhiễu loạn không khí và lỗi
không đồng bộ không gian thu phát. Thành phần một chiều {X.Ps} trong r(t) sẽ bị
lọc bởi sau khi đi qua bộ lọc thông dải. Do đó ta có tín hiệu điện re(t) tại đầu ra bộ
tách sóng quang là:
( ) . . . . ( ) ( ).
e s
r t =ÂX Pk e t +n t (3.4) Trong đó:
52
- n(t) là hàm nhiễu tổng cộng ở máy thu, có thể được mô hình hóa như là một
quá trình nhiễu trắng Gauss với mật độ phổ công suất là N0 .
Tín hiệu điện sau đó qua bộ giải điều chế QAM và lấy mẫu để phục hồi dữ