Hình 3. 4 Sơ đồ khối của kênh truyền sóng vô tuyến trong hệ thống MMW/RoF
Trong phần này, hiệu năng hệ thống sẽ được thể hiện tại máy thu MS của người dùng. Đầu tiên, tỉ số tín hiệu trên méo dạng (SDR) được tính toán. Tiếp theo, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng (SDNR), thể hiện ảnh hưởng của cả hai: nhiễu và méo dạng được xem xét và thể hiện như sau:
1 SNDR= 1 SNR+ 1 SDR (3.7)
Từ đó, BER được thể hiện trong mối quan hệ với tỉ số SDNR theo hàm sai số bù (erfc) cho trường hợp dữ liệu được điều chế QPSK như sau:
BER=1
2erfc(√SNDR2 ) (3.8)
Trong đó erfc là hàm sai số bù.
- Hai sóng mang quang có tần số ánh sáng 𝜔1 và 𝜔2 được điều chế bằng tín hiệu trung tần QPSK có hệ số điều chế m, tạo tín hiệu ở ngõ ra của máy phát (CO) được biểu diễn như sau:[5]
E(t)=¿ (3.9)
- Trong đó Ps công suất tín hiệu quang ở phần phát được đưa vào sợi. S(t) là tín hiệu QPSK. Sau khi qua sợi quang, tín hiệu quang bị tổn hao trên đường truyền và được
RRH CO QPSK Data LD RAU MPA MIX LNA QPSK Data PA APD OC LNA hCD LD
bộ khuếch đại quang EDFA khuếch đại để bù tổn hao. Ngoài ra, tín hiệu bị méo dạng do hiện tượng tán sắc trên đường truyền. Do đó, công suất của tín hiệu quang nhận được tại đầu vào khối RAU được biểu diễn dưới dạng:[5]
Er(t)=√Pr¿ (3.10)
- Trong đó Pr là công suất quang nhận được tại RAU, trong đó Pr = 𝐺𝑃𝑠exp(−𝛼L)h𝐶𝐷, trong đó G [lần] là hệ số khuếch đại của EDFA; α [lần/km] là hệ số suy hao trên sợi quang và L [km] là chiều dài của sợi quang giữa CO và RAU; h𝐶𝐷 là sự suy giảm công suất tín hiệu do tán sắc trên sợi quang, được biểu diễn bởi biểu thức:
hcd=exp(−2π ∆ vm∆τ) (3.11)
Trong đó ∆𝑣𝑚 [m] là độ rộng phổ công suất của laser (FWHM), ∆τ là độ trễ lan truyền vi sai của hai tín hiệu quang do tán sắc màu, được cho bởi:
∆τ=DL λ
2
c fMMW (3.12)
Trong đó D [ps/km.nm] hệ số tán sắc của sợi quang; C[m/s] là vận tốc ánh sáng trong chân không; 𝜆 [m] là bước sóng ánh sáng và fMMW [Hz] hiệu hai tần số fMMW=f1−f2. Do đó, dòng điện qua Photodiode PIN có thể được trình bày như sau:
¿I(t)=¿Er(t)∨¿2¿
¿RPr¿ (3.13)
¿R Pr¿
- Trong đó R [A/w] là hệ số chuyển đổi quang điện của Photodiode PIN. Các thành phần tương ứng với tần số ánh sáng 2𝜔1 , 2𝜔1 , 𝜔1 + 𝜔2 sẽ triệt tiêu do đáp tương ứng tần số thấp của Photodiode. Sau đó, tín hiệu được đưa vào mạch lọc băng thông để lọc lấy tần số fMMW=f1−f2 (được chọn bằng khoảng vài chục GHz) và được biểu diễn như sau:
IMMW(t)=R Pr¿ (3.14)
- Tiếp theo, tín hiệu vô tuyến có tần số fMMW=f1−f2được khuếch đại công suất (PA), đưa đến anten để phát sóng truyền tín hiệu đến các máy thu MS. Tại máy thu, tín hiệu được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và đưa qua mạch trộn (MIX) để nhân với tín hiệu từ bộ dao động nội có cùng tần số của tín hiệu vô tuyến (fMMW) theo phương pháp tách sóng đồng bộ (sử dụng vòng khóa pha PLL để thực hiện đồng pha, đồng tần số giữa 2 tín hiệu), để tạo ra tín hiệu được biểu diễn như biểu thức:
IMIX(t)= R Pr√GpGTxGRxGL PLLI 2 ¿ (3.15)
Trong đó GTx và GRx là tương ứng hệ số khuếch đại của anten phát và anten thu.
Gp và GL là tương ứng là hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất PA và bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA.
LI là tổn hao công suất trong anten;
PL là tổng tổn hao công suất trên đường truyền vô tuyến PL=Pfs+Pat+Prain=20 log 4πd fmm
c +(γox+γwv+γrain)d (3.16)
- Tín hiệu đầu ra của mạch trộn được đưa vào khối MPA để khuếch đại và lọc băng thông, kết quả là thành phần một chiều và thành phần tương ứng với tần số 2(𝜔1−𝜔2) bị triệt tiêu, tín hiệu QPSK, được biểu diễn như biểu thức:
Irec(t)= R pr√GpGTxGRxGLGM PLLI 2 ¿ (3.17) ¿a1S(t)+a1S2 (t)
- Trong đó GM là hệ số khuếch đại của MPA. Từ (3.17) ta thấy thành phần thứ nhất
a1S(t) là thành phần tuyến tính trong khi thành phần thứ hai a2S2(t) là thành phần phi tuyến gây méo dạng.
- Tiếp theo, luận văn sẽ tính toán tổng phương sai nhiễu (σN2 ): gồm phương sai nhiễu cường độ (RIN) của Laser (2RIN R2Pr2Bn); nhiễu nhiệt (σth2); nhiễu bắn do tín hiệu quang và nhiễu phát xạ tự phát (ASE) do bộ khuếch đại EDFA tác động lên máy thu (σshot2 ), nhiễu phách do kết hợp giữa tín hiệu quang đến và nhiễu ASE (σsig2 ASE
); nhiễu phách giữa các thành phần ASE với nhau (σASE2 ASE ) nhiễu pha, nhiễu khuếch đại và nhiễu của máy thu (bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn và nhiễu dòng tối của photodiode PIN). Phương sai nhiễu (bỏ qua nhiễu pha) được cho bởi:
σN2=2RIN R2Pr2Bn+σshot2 +σth2+σsig2 ASE+σ2ASEASE (3.18)
Trong đó: Bn là băng thông nhiễu của máy thu, RIN là nhiễu cường độ tương đối của Laser:
- Dưới tác dụng của tán sắc vận tốc nhóm (còn được gọi là tán sắc màu), hai tín hiệu quang bị trễ lan truyền vi sai khi truyền qua sợi quang. Sự chậm trễ dẫn đến sự gia tăng nhiễu pha trong tín hiệu vô tuyến tại cuối đường truyền. Nhiễu pha là được trình bày dưới dạng phương sai pha được viết:
σCD2 =∫
0
Bn 2∆ vm
π f2 {1−cos¿ ¿ (3.19)
- Do đó, tổng phương sai nhiễu có thể được viết như sau:
σTN2 =σ2N+σCD2 (3.20)
- Tại máy thu, hệ số nhiễu tổng của bộ khuếch đại được biểu diễn như sau: NFAmp=N FLNA+(N FMPA−1
GL ) (3.21)
- Trong đó:
NFAmp là hệ số nhiễu tổng của bộ khuếch đại;
N FLNA và NFAmp là hệ số nhiễu của LNA và MPA, tương ứng.
- Dựa vào các biểu thức (3.17), (3.18), (3.19), và (3.20), SNR đường xuống được trình bày dưới như sau: [5]
SNR=Psig
PN=¿ ¿ (3.22)
- Trong đó:
N FRx là hệ số nhiễu của anten thu
σd2
là phương sai nhiễu của tín hiệu dữ liệu chuẩn hóa.
- Dựa vào thành phần thứ 2 của biểu thức (3.17) ta tính được tỉ số công suất tín hiệu hữu ích trên công suất tín hiệu bị méo dạng như sau:
SDR= a12σd2 19 8 a2 2σd2 = 8a12 19a22σd2= 32 19m2σd2 (3.23)
- Từ đó chất lượng của tín hiệu được truyền trong hệ thống truy cập quang vô tuyến này được biểu thị bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng (được ký hiệu là SNDR) liên quan đến 2 tỉ số SNR và SDR theo biểu thức: [5]
1 SNDR= 1 SNR+ 1 SDR (3.24) - Trong đó:
SNDR: tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng.
SNR: tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
SDR: tỉ số tín hiệu trên méo dạng.
- Vì vậy BER là một hàm theo SNDR đối với trường hợp tín hiệu đã được điều chế QPSK và kênh truyền theo phân bố Rayleigh như sau: [5]
3.8 Kết luận chương
Trong chương này đồ án đã tìm hiểu về nội dung truyền sóng trong không gian tự do gồm các vấn đề liên quan đến suy hao trong môi trường không gian tự do, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền như là hiện tượng đa đường, phản xạ, nhiễu xạ…. Đồng thời chúng ta cũng đã trình bày các biểu thức toán học tính toán hiệu năng của hệ thống được thể hiện qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng (SNDR) và tỉ lệ lỗi bit (BER).
Chất lượng của mạng truy cập quang - vô tuyến băng thông rộng không những bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu gây ra trong sợi quang, bộ khuếch đại quang, máy thu quang mà còn bị ảnh hưởng bởi các loại nhiễu pha đinh do thời tiết và pha đinh nhiều tia khi truyền trong không gian đến máy thu của người dùng. Việc khảo sát đặc tính hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến cho phép thiết lập giá trị của các thông số chủ yếu của hệ thống nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu đến đầu vào máy thu. Trên cơ sở đó, chúng ta sẽ tiến hành khảo sát các đặc tuyến của hệ thống trong chương 4 tiếp theo.
CHƯƠNG 4 :
KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. Giới thiệu chương
Chương này tập trung khảo sát đặc tính của tuyến MMW/RoF trong mạng truy cập quang - vô tuyến sử dụng bộ khuếch đại EDFA và máy thu quang tách sóng trực tiếp bằng phần mềm Matlab. Qua đó phân tích, so sánh, đánh giá hiệu năng của hệ thống MMW/RoF truy cập quang - vô tuyến này. Cụ thể như sau:
- Mối quan hệ giữa BER và công suất phát tương ứng với hệ số tán sắc của sợi quang khác nhau khi đường truyền vô tuyến có tầm nhìn thẳng (LoS) và bị che chắn (NLoS).
- Mối quan hệ giữa BER và công suất phát tương ứng với các tần số sóng vô tuyến khác nhau khi đường truyền vô tuyến có tầm nhìn thẳng (LoS) và bị che chắn (NLoS).
- Mối quan hệ giữa BER và khoảng cách truyền dẫn tín hiệu vô tuyến với hệ số tán sắc của sợi quang khác nhau khi đường truyền vô tuyến có tầm nhìn thẳng (LoS) và bị che chắn (NLoS).