L ỜI NÓI ĐẦU
2.3.3. Mô Hình Mũ Âm
Trong khi đó, hệ ố s nhấp nháy được tính bởi:
2 2 2 12/5 7/6 12/5 5/6 0.49 0.51 exp 1 (1 1.11 ) (1 0.68 ) l l S l l Scin s s s s s é ù ê ú = = ê + ú- + + ë û (2.39)
Mô hình nhiễu loạn gamma-gamma có thể ự ụ s d ng cho mọi điều kiện nhiễu loạn không khí t yừ ếu đến m nh và giá tr c a các thông s ạ ị ủ ố α, β cho bât kỳđiều kiện nhiễu loạn nào có th ể được tính theo phương trình (2. 38).
Như vậy hàm mật độ xác suất của s ự biến đổi cường độ ứ b c xạ quang X gây ra bởi nhi u lo n ễ ạ không khí được cho bởi công thức:
-2 ( )/2 2 - 2( ) ( ) (2 ). ( ) ( ) X f X X K X a b a b a b ab ab a b + + = G G (2.40)
Cần lưu ý là trong điều ki n nhi u lo n yệ ễ ạ ếu, ta có α ≫ 1, β ≫1. Điều này có nghĩa là mô hình Gamma Gamma không phải là mô hình t t nhố ất đề ể bi u th s ị ựbiến đổi cường độ ứ b c x ạ trong điều kiện nhiễu lo n yạ ếu. Tương tự ới điề v u ki n bệ ức x ạ bão hòa, lúc này, mô hình được s dử ụng phổ ến đó là mô hình mũ âm. bi
2.3.3. Mô Hình Mũ Âm.
H n chạ ế ớ l n nhất c a biủ ến động bức xạ mạnh ( trong điều kiện nhiễu lo n bão ạ hòa và mạnh hơn) là khi khoảng cách truyền dẫn kho ng vài km, s ả ố lượng hiện tượng tán x c l p tr nên r t l n. Sạ độ ậ ở ấ ớ ự biến đổi về biên độ ủ c a b c x quang trong ứ ạ
điều ki n bão hòa tuân theo phân bệ ố Rayleigh trong đó hàm mũ âm được s d ng ử ụ để ể bi u th s biị ự ến đổ ủi c a b c x quang. Hàm mứ ạ ật độ xác suất c a củ ủa cường độ bức xạ quang: 0 0 0 1 ( ) exp( I ) ; 0 p I I I I = - > (2.41) Ở đây, E[I] = I0 là bức xạ thu trung bình. Trong điều ki n bão hòa, giá tr cệ ị ủa chỉ ố s nhấp nháy Scin > 1.
Như vậy hàm mật độ xác suất của s ự biến đổi cường độ bức x quang vạ X ới phân bố mũ âm gây ra bởi nhi u loễ ạn không khí được cho bởi:
/ [ ] 1 ( ) [ ] X E X X f X e E X - = (2.42) Trong đó E X[ ] là kỳ vọng của X, để đơn giản, ta coi như E X[ ]=1. Khi đó phương trình trở thành:
( ) X
X
f X =e- (2.43)
2.4. Tác động của nhiễu lo n không khí t i hạ ớ ệ thống FSO.
Nhi u lo n không khí d n t i sễ ạ ẫ ớ ựthay đổi ng u nhiên c a ch s khúc xẫ ủ ỉ ố ạ không khí, d c theo tuyọ ến đường truy n d n c a bề ẫ ủ ức xạ quang qua môi trường không khí. Những s ự thay đổi ng u nhiên vẫ ề m t chi t suặ ế ất là m t hàm cộ ủa áp suất khí quyển, độ cao so v i mớ ặt nước bi n, và tể ốc độ gió. Mức độ nhỏ nhất và l n nh t c a các ớ ấ ủ xoáy lốc trong không khí, tương ứng được gọi là t l trong (inner scale), , và t l ỷ ệ l0 ỷ ệ ngoài (outer scale), L0, của s nhi u lo n. ự ễ ạ l0 thường n m trong khoằ ảng m t vài ộ milimet trong khi L0 có thể lên t i vài mét. Các xoáy l c dớ ố ạng thấu kính được mô t ả như trong hình 2.3, gây ra tác động xuyên nhi u ng u nhiên gi a các vùng khác ễ ẫ ữ nhau của búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng b ị biến dạng.
Hình 2.4: Kênh truy n không khí v i các l c xoáy ề ớ ố nhiễu lo n ạ 2.4.1. Sự thăng giáng cƣờng độ.
Sự nhi u loễ ạn c a khí quy n phủ ể ụ thuộc vào áp suất khí quyển, tốc độ gió và s ự thay đổ ủi c a ch s khúc xỉ ố ạ. Y u t ế ố này làm cho biên độ và pha c a tín hi u bên thu ủ ệ thăng giáng liên tục (nh p nháy), k t quấ ế ả là cho ta hình ảnh “nhảy múa” trên màn hình máy thu.
2.4.2. Sự giãn xung .
Môi trường nhi u lo n không khí làm bi n dễ ạ ế ạng xung quang lan truy n, gi s ề ả ử r ng dằ ạng sóng đầu vào là xung Gauss. S ự biến d ng này gây ra s ạ ự thay đổi về các khoảng th i gian t i cờ ớ ủa xung quang đến máy thu, điều này làm cho xung b giãn ị rộng ra. Do đó, tốc độ bit mong mu n cố ủa đường truyền quang b suy giị ảm. Hiện tượng giãn xung này cũng gây ra sự xuyên nhi u gi a các ký hi u (ISI) cễ ữ ệ ủa các xung gần kề nhau, do đó làm tăng tỉ s l i bit (BER) cố ỗ ủa h ệ thống.
Hình 2.5: (a) Xung quang lan truy n qua môi ề trường nhi u lo n khí quy n b ễ ạ ể ị biến d ng; (b) S ạ ự giãn xung làm tăng lỗi bit
2.4.3. Sự ệch hƣớ l ng thu - phát.
Lỗi định hướng (s lự ệch hướng) là tổng độ ị dch gi a tâm chùm tia và tâm ữ khẩu độ thu. S lự ệch hướng đượ ổc t ng quát g m 2 yồ ếu t : s lố ự ệch hướng c ố định và sự lệch hướng ngẫu nhiên.
Trong đường truy n th ng c a hề ẳ ủ ệ thống FSO, độ chính xác định hướng là m t ộ vấn đề quan tr ng trong viọ ệc xác định hiệu năng đường truyền và độ tin c y. Tuy ậ nhiên, nhi u lo n không khí, gió, s dãn do nhiễ ạ ự ệt độ hay s rung lự ắc c a tòa nhà, ủ dẫn đến s lự ệch hướng ngẫu nhiên tại phái máy thu.
2.5. Kết Luận Chƣơng 2.
Trong chương này, các mô hình về nhi u lo n ễ ạ khác nhau đã được đưa ra để ứng dụng cho các điều kiện nhi u lo n khác nhau t yễ ạ ừ ếu đến m nh và cho các ạ khoảng cách truy n d n khác nhau t ề ẫ ừ ngắn t i dài. Và thớ ấy được các tác động của nhiễu loạn không khí t i chớ ất lượng đường truy n FSO. ề
Mô hình log-normal g m nhồ ững phương trình toán học dễ ử x lý, tuy nhiên lại chỉ áp d ng tụ ốt cho điều kiện nhi u loễ ạn yếu, kho ng cách truyả ền dẫn ngắn. Khi điều kiện nhi u lo n m nh lên, nhi u tán x x y ra cùng lúc, mô hình Gamma ễ ạ ạ ề ạ ả Gamma s phù hẽ ợp hơp để ử s d ng, tuy nhiên mô hình này lụ ại phức tạp hơn log- normal rất nhi u. Mô hình Gamma Gamma có th s d ng cho c ề ể ự ụ ả điều kiện nhiễu loạn y u, trung bình, và mế ạnh với các kho ng cách truyả ền dẫn khác nhau. Tùy vào điều ki n khác nhau c a hệ ủ ệ thống mà ta s ẽ quyết định nên s d ng mô hình nào cho ử ụ phù hợp.
CHƢƠNG III
NGHIÊN C U VÀ NG DỨ Ứ ỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ Ầ C U
PHƢƠNG SÓNG MANG ( SC-QAM) TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN QUANG (FSO)
3.1 Gi i thi u vớ ệ ề các kỹ thuật điều ch trong FSO. ế
Trong công ngh truy n thông tin vô tuyệ ề ến quang, hi u quệ ả c a m t k thuủ ộ ỹ ật điều chế được đánh giá dựa trên phương diện công suất quang thu được c n thiầ ết để có thể đạ ỷ ệ ỗ t t l l i mong muốn v i tớ ốc độ ữ d u nhliệ ất định. Hi u suệ ất 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 gi i h n vì v y không th ớ ạ ậ ể tăng công suất phát lên mãi được. Tuy nhiên đó không phải là y u t duy nhế ố ất quyết định vi c chệ ọn dùng loại điều ch ế nào trong h ệ thống FSO. Nh ng y u t ữ ế ố khác như độ phứ ạc t p trong thi t kế ế máy thu phát và băng thông yêu cầu c a kủ ỹ thuật điều chế cũng ấ r t quan tr ng. Và nhọ ững hạn chế về mặt băng thông của các thi t b ế ị quang điện là m t ví dộ ụđiển hình, nó làm gi i hớ ạn băng thông khiến cho nguồn băng thông cực kì l n t các b c x ớ ừ ứ ạ quang không được s dử ụng hết.
Trong chương này sẽ trình bày về ỹ k thuật điều chế được s d ng trong h ử ụ ệ thống FSO qua kênh truy n chề ịu tác động c a nhi u lo n không khí. Có rủ ễ ạ ất nhi u ề phương thức điều chế khác nhau thích h p cho thông tin vô tuy n quang ợ ế được th ể hiện trên Hình 3.1. Các phương thức điều ch s ế ố được s d ng r ng rãi ử ụ ộ như: điều chế khóa đóng mở (OOK), điều chế vị trí xung (PPM), điều chế khóa d ch pha sóng ị mang k t hế ợp điều ch ế cường độ quang (SC-PSK), điều chế biên độ ầu phương c sóng mang kết hợp điều chế cường độ quang (SC-QAM).
Hình 3.1: Các k thuỹ ật điều ch ế quang.
Và k thuỹ ật điều chế được s dử ụng lâu đời nh t trong công ngh FSO là k ấ ệ ỹ thuật điều chế khóa đóng mở ( On Off Key OOK ). Nguyên nhân là do s – ự đơn giản trong thi t k và tri n khai khi s dế ế ể ử ụng k thuỹ ật điều chế này. Chính vì v y mà ậ trong h u hầ ết các nghiên c u v FSO ứ ề chủ yếu nghiên c u vứ ề hệ thống s dử ụng điều chế OOK và được s d ng nhi u cho các mử ụ ề ục đích thương mại. OOK có th s ể ử dụng xung không tr vở ề 0 (NRZ) và các xung tr vở ề 0 (RZ). Trong điều ch OOK ế sử d ng xung NRZ, m t xung quang v i công suụ ộ ớ ất đỉnh αePT thể hi n ký t ệ ự „0‟, trong khi đó, việc truyền đi một xung quang v i công suớ ất đỉnh PT thể ệ hi n ký t ự „1‟ (0≤αe<1). Với OOK s d ng xung RZ, chu k c a xung quang nh ử ụ ỳ ủ ỏ hơn chu kỳ của 1 bit. Điều này dẫn đến hi u suệ ất công suất được cải thiện đáng kể so với OOK s ử dung NRZ, tuy nhiên nó lại yêu cầu băng thông nhiều hơn (Hình 3.2) Thêm n. ữa, việc s d ng các ử ụ ngưỡng đóng mở ố đị c nh của OOK trong môi trường nhiễu loạn không khí là không tối ưu do tác động c a kênh truy n, gây t l l i lủ ề ỷ ệ ỗ ớn. Để khắc phục điều này, có th s dể ử ụng ngưỡng đóng mở thích ng, tứ ức là ngưỡng có thể
thay đổi tùy điều kiện nhi u lo n và nễ ạ hiễu. Tuy nhiên, vi c thi t k và tri n khai hệ ế ế ể ệ thống FSO s dử ụng OOK với ngưỡng thích ng lứ ại quá phức t p. ạ
Để khắc phục nhược điểm về xác định mức ngưỡng trong kỹ thuật điều chế OOK, k thuỹ ật điều ch v ế ị trí xung PPM được đưa vào nghiên c ứu, s dử ụng và là m t trong s các k thuộ ố ỹ ật điều chế xung (Hình 3.1) K thu. ỹ ật điều ch PPM cế ải thi n mệ ột cách đáng kể về hi u qu công su t so v i kệ ả ấ ớ ỹ thu t OOK và không yêu ậ cầu ngưỡng thích ng cho các hứ ệ thống FSO. Tuy nhiên nhược điểm c a nó là phủ ức t p vạ ề thi t kế ế máy thu phát, yêu c u s ng bầ ự đồ ộ không gian thu phát rất chặt chẽ và yêu cầu băng thông lớn hơn so với OOK.
Hình 3.2: D ng sóng ạ thời gian của 4-bits OOK và 16-PPM
Trong k thuỹ ật PPM, m i kh i g m logỗ ố ồ 2M bit dữ u s liệ ẽ tương ứng v i mớ ột trong M ký tự. Tức là trong m i chu kì s chia thành M khe thỗ ẽ ời gian. M i ký t ỗ ự bao gồm 1 xung v i công suớ ất phát c nh, ố đị PT, s chi m m khe thẽ ế ột ời gian cùng với M- khe còn l1 ại tr ng. Vố ị trí c a xung s ủ ẽ tương ứng v i giá tr ớ ị thập phân của log2M bit d u. Vì vữliệ ậy mà thông tin được mã hóa b i v trí c a xung trong ký tở ị ủ ự. Ở phía máy thu s yêu cẽ ầu đồng b c vộ ả ề đồ ng bộ ký t ự và đồng bộ về các khe thời gian có th để ể giải điều chế thông tin được mã hóa vở ị trí xung. Tuy nhiên, vì hiệu
các hệ thống thông tin quang không dây, đặc bi t là các ng dệ ứ ụng trong không gian vũ trụ.
Điều ch ế cường độ sóng mang (Subcarrier Intensity Modulation-SIM là m) ột kỹ thuật điều ch ế đã được s d ng rử ụ ất thành công trong thông tin vô tuyến đa sóng mang. Kỹ thuật này cũng đã được s dử ụng r ng rãi trong thông tin cáp quang ộ ở nhi u ề ứng dụng khác nhau. Gần đây, kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang mới được chú ý và nghiên cứu ứng d ng trong các hụ ệ thống FSO. Chính vì các mạng hiện tại và tương lai đều đã và sẽ ử ụ s d ng kỹ thuật điều ch này, nên vi c nghiên ế ệ cứu ứng dụng k thuỹ ật điều ch vào các h ế ệthống FSO để có th tích hể ợp chúng với các m ng hi n tạ ệ ại và tương lai đang ngày càng trở nên c p thi t. Bên cấ ế ạnh đó, có nhiều lý do khác dẫn đến vi c nghiên c u kệ ứ ỹ thuật điều chế cường độ sóng mang trong h ệ FSO như:
- Tận dụng được các nghiên c u phát triứ ển cho điều ch ế cường độ sóng mang trong các hệ thống thông tin vô tuyến trước đây.
- Không yêu c u phầ ải có ngưỡng thích ứng như của OOK. - Yêu cầu băng thông thấp hơn so với PPM.
Tuy nhiên còn khá nhi u thách th c trong vi c tri n khai h ề ứ ệ ể ệ thống FSO s ử dụng kỹ thuật điều ch ế cường độ sóng mang như:
- Yêu c u công suầ ất phát tương đối cao.
- Khả năng méo tín hiệu cao hơn bởi vì tín hi u laser vệ ốn là không tuyến tính và vi c tín hi u b cệ ệ ị ắt do điều ch quá mế ức.
- Yêu cầu đồng bộ ấ r t nghiêm ngặt ở phía máy thu
Như vậy vi c l a ch n kệ ự ọ ỹ thuật điều ch ế được s d ng tùy thuử ụ ộc vào ng ứ dụng thực tế, điều đó đòi hỏi có s cân b ng giự ằ ữa các tiêu chí như: Tính đơn giản trong nghiên cứu - tri n khai, Hi u suể ệ ất công suất và hi u qu ệ ả băng thông, cũng như tốc độ ử x lý d u L y ví dữliệ . ấ ụ, khi muốn s dử ụng một h ệ thống đơn giản, hi u suệ ất công suất ở m c trung bình, không yêu cứ ầu đồng b thu phát thì h ộ ệ thống s dử ụng
kỹ thuật điều chế OOK là s l a chự ự ọn tốt. Nhưng nếu muốn có m t mộ ột hệ thống có Thông lượng cao, tốc độ ử x lý dữ u l n mà không yêu c u hi u suliệ ớ ầ ệ ất công suất cao thì các kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang là s l a chự ự ọn tối ưu.
3.2 H . ệThống FSO s dử ụng kỹ thuật điều chế QAM.
K thuỹ ật điều chế QAM được s d ng rử ụ ộng rãi trong các modem được thi t kế ế cho các kênh điện tho i. Các chu n modem mạ ẩ ạng điện thoại theo CCITT đều dựa trên các trình tựđiều chế QAM khác nhau, t ừ16-QAM không mã hóa t i 128-QAM ớ mã hóa trellis. Vi c nghiên c u các ng d ng cệ ứ ứ ụ ủa QAM trong các h ệ thống vệ tinh, các h ệ thống không dây điểm-điểm (point- -point wireless systems), và trong các to hệ thống điện thoại t ế bào di động cũng đã rất tích cực.
Như ta đã biết, đối với các hệ thống có dung lượng l n và vớ ừa, đòi hỏi hiệu quả ử ụ s d ng cao thì M-PSK là l a ch n t t nhự ọ ố ất. Tuy nhiên, khi tăng số ạ tr ng thái điều chế nhằm tăng hiệu qu s d ng phả ử ụ ổ mà vẫn đảm bảo khoảng cách đủ l n giớ ữa các ký hiệu để duy trì xác su t thu lấ ỗi cho trước thì bu c phộ ải tăng công suất phát. Để kh c phắ ục khó khăn này, người ta s dử ụng phương pháp điều chế biên độ ầ c u phương (QAM: Quadrature Amplitude Modulated ).
Trong k thuỹ ật điều chế QAM, hàng loạt chòm sao được hi n thệ ực hóa. Với Type I và Type 2 các điểm tín hiệu được được phân b ố đều đặn trên m t trong N ộ