Trong công nghệ truyền thông tin vô tuyến quang, hiệu quả của một kỹ thuật điều chế được đánh giá dựa trên phương diệ n 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 nhữnghạn 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).
43
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. Điề u 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 nhiễ u 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
44
thay đổi tùy điều kiệ n 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 cứu, 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 thống 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 rất 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, P T, sẽ chiếm một khe thời gian cùng với M-1 khe còn lại trống. Vị trí của xung sẽ tương ứng với giá trị thập phân của log2 M 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
45
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 rộng 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 cứu 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 vốn 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
46
kỹ thuật điều chế OOK là sự lựa chọn tốt. Nhưng nếu muố n có một một hệ thống có Thông lượng cao, tốc độ xử lý dữ liệu lớn mà không yêu cầu hiệu suất công suấtcao thì các kỹ thuật điều chế cường độ sóng mang là sự lựa chọn tối ưu.