Nhiễu lƣợng tử

Nhiễu chủ yếu đi kèm với bộ tách quang đƣợc gọi là nhiễu lƣợng tử hay nhiễu nổ. Khi một sóng ánh sáng chƣa điều chế đƣợc đo bởi một bộ tách quang, ta thu đƣợc hai thành phần dòng điện ở đầu ra. Phần tử thứ nhất là dòng DC, và phần tử thứ hai là tín hiệu nhiễu lƣợng tử không mong muốn. Nhiễu lƣợng tử phát sinh từ tính chất thống kê tự nhiên của sự sinh ra và tái hợp của các phần tử quang điện riêng biệt khi một tín hiệu quang đi tới một bộ tách sóng quang. Chúng có mật độ công suất bằng nhau tại tất cả các tần số. Nếu mạch điện tử sau bộ tách sóng quang chỉ sử dụng băng thông tần số f , giá trị trung bình bình phƣơng biên độ dòng điện của nhiễu lƣợng tử là:

2 2

SN s

i  ei f (1.1)

Trong đó e là độ lớn của điện tích electron và is là dòng tách quang trung bình nhƣ trong công thức (1.1).

Đối với đi-ốt tách quang APD, còn có một dạng nhiễu liên quan với nhiễu thừa đƣợc tạo ra bởi quá trình nhân thác ngẫu nhiên. Dạng nhiễu F(g) này đƣợc định nghĩa là tỉ số của nhiễu thực tế đƣợc tạo ra trong một đi-ốt tách quang thác với nhiễu tồn tại khi tất cả các cặp sóng mang đƣợc nhân bởi g và đƣợc cho bởi:

  g22 F g

g

 (1.2)

trong đó 2

g là hệ số nhân trung bình bình phƣơng và có thể đƣợc xấp xỉ bằng g2+x với x thay đổi trong khoảng 0 đến 1 tùy thuộc vào vật liệu và cấu trúc. Do đó, trung bình bình phƣơng biên độ dòng điện của nhiễu lƣợng tử đối với APD là:

    2 2 2 2 SN APD s M i  ei g F g  f ei F g f (1.3) 1.3.2 Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu Johnson hoặc nhiễu Nyquist, đƣợc gây ra bởi sự rối loạn nhiệt độ của điện tích các sóng mang đi qua một điện trở. Ở các nhiệt độ trên nhiệt độ 0 tuyệt đối, năng lƣợng nhiệt của các điện tích sóng mang trong bất cứ điện trở nào cũng dẫn tới sự thay đổi trong mật độ điện tích cục bộ. Những điện tích thay đổi này gây ra các gradient điện áp cục bộ mà có thể tạo ra một dòng điện tƣơng ứng trong phần còn lại của mạch điện. Nếu các mạch điện chỉ hoạt động với băng thông f và điện trở RL là hằng số trong băng thông này, khi đó trung bình bình phƣơng biên độ dòng điện của nhiễu Johnson 2

JN i đƣợc cho bởi: 2 4 JN L kT f i R   (1.4)

Trong đó k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối. Một cách để làm giảm loại nhiễu này đó là làm nguội thành phần xuất hiện nhiễu xuống một nhiệt độ thấp hơn.

1.3.3 Nhiễu dòng tối và nhiễu nền

Dòng tối là dòng điện tiếp tục chảy qua mạch định thiên của thiết bị ngay cả khi không có ánh sáng tới đi-ốt tách quang. Nó phát sinh từ các điện tử hoặc lỗ trống đƣợc tạo ra trong lớp tiếp giáp p-n của đi-ốt tách quang. Dòng tối chủ yếu phụ thuộc vào loại vật liệu bán dẫn, nhiệt độ hoạt động, và điện áp định thiên, và đặc trƣng tỉ lệ theo exp(-Eg/kT). Dựa vào các loại vật liệu, các giá trị của dòng tối nằm trong khoảng từ 100 pA đối với Si và lên tới 100 nA đối với Ge. Nhiễu nền đƣợc gây ra bởi ánh sáng mà không phải là thành phần của các tín hiệu đƣợc truyền đi, chẳng hạn nhƣ các ánh sáng ở xung quanh. Nếu đi-ốt tách quang không đƣợc cách biệt với bức xạ nền thì sự xuất hiện của loại nhiễu này là không thể tránh khỏi. Do tính rời rạc và tính ngẫu nhiên của cả dòng tối và bức xạ nền, những loại nguồn nhiễu này đều tƣơng tự nhƣ nhiễu lƣợng tử.

1.3.4 Các yếu tố khác

 Sự lệch chùm sáng – Góc lệch của chùm sáng so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến cho bộ thu không thu đƣợc tín hiệu.

 Sự mở rộng của chùm sáng – Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng do tán xạ. Do đó làm giảm mật độ công suất thu đƣợc.

 Sự nhấp nháy của chùm sáng – Sự thay đổi mật độ công suất trong không trung tại mặt phẳng thu gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong chùm quang.

 Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian – Sự nhiễu loạn của không khí cũng gây ra tổn thất về tính nhất quán (kết hợp) về pha của chùm quang. Điều này đặc biệt ảnh hƣởng mạnh cho các bộ thu làm việc dựa trên nguyên lý trộn photon (ví dụ trong bộ thu nhất quán).

 Sự biến động phân cực – Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực của chùm quang thu đƣợc sau khi đi qua môi trƣờng nhiễu loạn. Tuy nhiên, lƣợng phân cực biến động là không đáng kể khi một bức xạ quang ngang đi qua vùng không khí nhiễu loạn.

1.4 Kết luận chƣơng 1

Nội dung chƣơng 1 đã giới thiệu khái quát về hệ thống truyền thông quang qua không gian tự do cũng nhƣ mô hình của hệ thống FSO, các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu

năng của hệ thống. Tƣơng lai ngày càng đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiệp, tổ chức và cá nhân. Các giải pháp cũng cần phải có chi phí hiệu quả, triển khai nhanh, truyền dẫn thông tin một cách an toàn và tin cậy. FSO có thể đáp ứng các yêu cầu này và sẽ đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong tƣơng lai.

CHƢƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.1 Suy hao trong hệ thống RF và FSO

2.1.1 Suy hao trong hệ thống RF

Chất lƣợng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu đƣợc truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống nhƣ kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán đƣợc, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu đƣợc phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm, các hiện tƣợng này đƣợc gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến.

Hiện tƣợng fading trong một hệ thống thông tin có thể đƣợc phân thành hai loại: fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tƣợng này chịu ảnh hƣởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu. Ngƣời ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về

hiện tƣợng fading tầm rộng cho phép ta ƣớc lƣợng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách.

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bƣớc sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (time- spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đƣờng truyền sóng.

Có ba cơ chế chính ảnh hƣởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thƣớc rất lớn so với bƣớc sóng tín hiệu RF.

- Nhiễu xạ xảy ra khi đƣờng truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thƣớc lớn so với bƣớc sóng. Nhiễu xạ là hiện tƣợng giải thích cho nguyên nhân năng lƣợng RF đƣợc truyền từ phía phát đến phía thu mà không cần đƣờng truyền thẳng. Nó thƣờng đƣợc gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trƣờng tán xạ có thể đến đƣợc bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua.

- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lƣợng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hƣớng. Trong môi trƣờng thành phố, các vật thể thƣờng gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá. 2.1.2 Suy hao trong hệ thống FSO

Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh bề mặt Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn so với mực nƣớc biển. Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất gây ra bởi sự nhiễu loạn là của các ô nhỏ rời rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động nhƣ những lăng kính khúc xạ có các kích cỡ khác nhau và các chỉ số khúc xạ khác nhau. Sự tƣơng tác giữa

búp sóng laser và môi trƣờng nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của búp sóng quang mang thông tin thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm.

Khi một búp sóng laser lan truyền qua môi trƣờng khí quyển, phân bố không gian thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ mà búp sóng laser gặp phải gây ra một số tác động. Bao gồm:

- Cƣờng độ thăng giáng quan sát đƣợc tại một bộ tách quang đặt tại cuối đƣờng truyền. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là sự nhấp nháy (scintillation).

- Mức độ thay đổi của sự thăng giáng so với kích cỡ của bộ tách sóng quang, hoặc với kích cỡ của bộ thu quang dùng để điều khiển ánh sáng đã đƣợc tập hợp tới bộ tách. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là độ mở trung bình.

- Nếu một búp sóng dạng Gaussian đối xứng tròn đƣợc quan sát thấy tại các khoảng cách khác nhau từ một bộ phát, nó bị suy giảm dần với sự tăng lên của khoảng cách và độ mạnh của sự nhiễu loạn. Các sự thay đổi lũy tiến đƣợc quan sát thấy là:

(i) Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian. (ii) Lệch hƣớng trọng tâm của búp sóng.

(iii)Sự tăng lên của độ rộng búp sóng vƣợt quá dự kiến do sự nhiễu xạ.

(iv)Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt của cƣờng độ sáng có hình dạng và vị trí thay đổi theo thời gian.

Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhƣng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser nhƣ sự nhiễu loạn. Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thƣớc thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn. Các túi khí này đóng vai trò nhƣ những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian. Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hƣớng một phần hay lệch hƣớng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thƣớc của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ. Chính vì vậy, ánh sáng khi đi qua vùng khí quyển bị nhiễu loạn sẽ thay đổi một cách ngẫu nhiên (fading) về pha hay biên độ. Ví dụ đơn giản về ảnh hƣởng của sự nhiễu loạn là ánh sáng nhấp nháy của những ngôi sao, hay ánh sáng mờ ảo cuối đƣờng chân trời mà ta nhìn thấy vào những ngày nắng nóng.

Nhiễu loạn không khí thƣờng đƣợc phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất. Các mô hình này là một hàm của khoảng cách truyền dẫn, bức xạ quang qua môi trƣờng khí quyển và đƣợc phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh.

Suy hao khi truyền tín hiệu trong bầu khí quyển của hệ thống FSO là hệ quả của quá trình hấp thụ và tán xạ. Nồng độ của vật chất trong khí quyển gây ra việc suy hao tín hiệu khác nhau theo không gian và thời gian, và sẽ phụ thuộc vào điều kiện thời tiết của từng vùng. Với một tuyến FSO trên mặt đất, cƣờng độ tín hiệu thu đƣợc tại khoảng cách L từ bộ phát có quan hệ với cƣờng độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert nhƣ sau:  ,  R exp   T P L L P         (2.1)

Trong đó    và   ,Ltƣơng ứng là hệ số suy hao (m-1

) và suy hao tổng tại bƣớc sóng . Suy hao của tín hiệu quang trong không khí là do sự hiện diện của các phần tử khí có trong khí quyển và hơi nƣớc. Hệ số suy hao là tổng của hệ số hấp thụ và tán xạ từ hơi nƣớc và các phân tử khí trong khí quyển, đƣợc tính nhƣ sau:

  am  a  m    

          (2.2)

Hai hệ số đầu là hệ số hấp thụ do hơi nƣớc và các phần tử khí trong khí quyển, hai hệ số sau tƣơng ứng là hệ số tán xạ do hơi nƣớc và các phần tử khí.

a) Hấp thụ - xảy ra khi có một sự tƣơng tác giữa các photon và các phần tử khí trong quá trình truyền lan trong khí quyển. Một số photon bị hấp thụ và năng lƣợng của chúng biến thành nhiệt. Hệ số hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các loại khí và mật độ của chúng. Sự hấp thụ phụ thuộc bƣớc sóng và do đó có tính chọn lọc. Điều này dẫn tới bầu không khí có các vùng trong suốt – dải bƣớc sóng có độ hấp thụ tối thiểu – đƣợc xem nhƣ là cửa sổ truyền. Tuy nhiên, các bƣớc sóng sử dụng trong FSO về cơ bản đƣợc chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao đƣợc chi phối bởi sự tán xạ. Do đó    a .

b) Tán xạ - là kết quả của việc phân bố lại góc trƣờng quang khi có và không có sự thay đổi bƣớc sóng. Ảnh hƣởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính r của các hạt (sƣơng mù, hơi nƣớc) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả hiện tƣợng này là xét tham số kích cỡ x0 2 r/ . Nếu x0 =1 thì tán xạ là tán xạ Rayleigh, nếu

0 1

x  là tán xạ Mie và nếu x0 ≥1 thì tán xạ có thể thuộc loại khác (quang hình học). Quá trình tán xạ đối với các hạt khác nhau có mặt trong bầu khí quyển đƣợc tóm tắt trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Bán kính và quá trình tán xạ của các hạt tán xạ điển hình có trong không khí tại = 850 nm

Kiểu Bán kính Kích cỡ tham số x0 Quá trình tán xạ

Phần tử khí 0,0001 0,00074 Rayleigh

Hạt bụi 0,01 – 1 0,074 – 7,4 Rayleigh – Mie Hạt sƣơng 1 – 20 7,4 – 147,8 Mie – hình học

Mƣa 100 – 10000 740 – 74000 Hình học

Tuyết 1000 – 5000 7400 – 37000 Hình học Mƣa đá 5000 – 50000 37000 – 370000 Hình học

Kích thƣớc hạt sƣơng tƣơng đối lớn so với dải bƣớc sóng mà chúng ta xét trong FSO (0,5m - 2m). Do đó, có thể coi sƣơng mù là tán xạ photon chính và nó góp phần vào sự suy giảm công suất quang. Tán xạ Mie sẽ đƣợc mô tả dựa trên các công thức thực nghiệm theo dải tầm nhìn V (km). Tầm nhìn đƣợc đo bằng một dụng cụ gọi là đồng hồ đo truyền dẫn (transmissiometer). Mô hình thực nghiệm phổ biến cho tán xạ Mie đƣợc cho bởi:

  3.91 550 a V    