1
LỜI MỞ ĐẦU
Kỹ thuật quang vô tuyến ra đời từ những thập niên đầu của thế
kỷ XX đến hiện nay đã phát triển mạnh ở một số quốc gia trên thế
giới như Mỹ, Na Uy, Thuỵ Điển, Pháp... nó đã mang lại hiệu quả to
lớn trong việc hoàn thiện hệ thống thông tin quốc gia vì những ưu
điểm nổi trội của nó như khả năng truyền tải thông tin băng rộng,
tính tiện ích, giá thành thấp. Chính vì vậy mặc dù ra đời sau nhưng
rất phù hợp với mạng thông tin thế hệ mới hiện đại truyền tải dữ liệu
tốc độ cao, nên nó đã được nhanh chóng đưa vào ứng dụng như một
mạng xương sống trong đô thị của ngành viễn thông. Việc nghiên
cứu, tìm hiểu kỹ thuật quang vô tuyến là một vấn đề cấp thiết nhằm
hiểu rõ chức năng các khối, nguyên lý hoạt động, cách tổ chức thành
mạng thông tin và đặc biệt là tính ứng dụng vào điều kiện thời tiết,
địa hình, kinh tế của nước ta vì không có mạng last mile bằng quang
vô tuyến thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn cho mạng thông tin băng
thông rộng khi phải kéo cáp quang cho mọi điều kiện địa hình, phải
treo cáp lên cột điện trên phố điều mà các cơ quan chức năng đang
muốn loại bỏ vì nó làm mất mỹ quan thành phố, hay phải đào đường
phố để chôn cáp là một việc làm vừa ảnh hưởng tới cảnh quan đô thị
vừa ảnh hưởng tới cuộc sống của người dân do vấn đề ách tắc giao
thông, vừa tốn kém. Các ứng dụng cụ thể của mạng thông tin quang
vô tuyến có thể được trình bày tổng quan như sau:
- Tổ chức mạng Last mile trong thành phố (mạng thông tin đến
người tiêu dùng) truyền tải được dữ liệu của mạng thông tin băng
thông rộng.
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các khu vực biên giới,
hải đảo những nơi có địa hình phức tạp.
2
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt
động dưới nước phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại
dương, tìm kiếm cứu nạn….
- Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các vệ tinh vũ trụ.
Xuất phát từ những vẫn đề trên, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp
của mình là “Nghiên cứu kỹ thuật thông tin quang vô tuyến. Thiết kế
tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà Nẵng”.
Luận văn gồm 4 chương với nội dung tóm tắt như sau.
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang vô tuyến
Chương 2: Hệ thống thu phát quang vô tuyến
Chương 3: Suy hao tín hiệu trong môi trƣờng truyền sóng
Chương 4: Thiết kế tuyến thông tin quang vô tuyến tại Đà
Nẵng và mô phỏng bằng phần mềm Optiwave
3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN
QUANG VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chƣơng
Nhiệm vụ của chương là giới thiệu lịch sử ra đời và phát triển
của các hệ thống thông tin vô tuyến, đặc điểm của các hệ thống
thông tin, mục đích đối tượng phục vụ của từng hệ thống, tính
chuyên dụng và khả năng ứng dụng của hệ thống. Độ đảm bảo an
toàn của dữ liệu, tính vững chắc của hệ thống. Độ suy hao tín hiệu
trên đường truyền, giá thành của một mạng thông tin làm ảnh hưởng
đến giá thành của một cuộc đàm thoại. Qua đặc điểm của các hệ
thống thông tin từ đó làm nổi bật lên ưu điểm nổi trội của hệ thống
thông tin quang vô tuyến.
Chương này giới thiệu về kỹ thuật quang vô tuyến, ứng dụng
của quang vô tuyến, so sánh ưu nhược điểm của quang vô tuyến và
các hệ thống thông tin khác như hệ thống thông tin sợi quang và các
hệ thống thông tin vô tuyến.
1.2 Giới thiệu về kỹ thuật quang vô tuyến
1.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển của các hệ thống thông tin vô
tuyến
Hệ thống thông tin vô tuyến ra đời và phát triển rực rở nhất là
trong thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX khi xã hội ngày càng phát triển
nhu cầu sử dụng thông tin ngày càng tăng và yếu tố thúc đẩy nữa là
cuộc chiến tranh thế giới hai nổ ra (1941) yêu cầu thông tin phục vụ
cho chiến tranh rất cao, lần lượt các hệ thống thông tin ra đời và
hoàn thiện như sóng dài, sóng trung, FM, vi ba, ra đa, vệ tinh, thông
tin quang là những đỉnh cao của khoa học công nghệ, mỗi mạng
thông tin có những đặc điểm khác nhau, có tác dụng ở một lĩnh vực
4
khác nhau nhưng tất cả đều đảm bảo tính vững chắc của một mạng
thông tin cần thiết. Đến những thập niên giữa thế kỷ XX hệ thống
thông tin quang vô tuyến mới ra đời với những ưu điểm vượt trội
như băng thông rộng, tính linh hoạt của hệ thống.v.v. đã nhanh
chống được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống nhằm phục vụ nhu
cầu sữ dụng thông tin băng thông rộng của người tiêu dùng.
1.2.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin quang vô tuyến
Hệ thống thông tin quang vô tuyến Free Space Optics (FSO) ra
đời là sự thay thế sóng điện từ Electro Magnetic (EM) bằng sóng ánh
sáng. Với bước sóng trong khoảng từ 780 - 1580 nm tương ứng với
tần số khoảng từ 200 - 300 THz chính vì có tần số cao nên khả năng
mang một lượng tin lớn, tốc độ truyền 1,25Gbps, băng thông cực
rộng là một ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến.
Làm việc ở tần số ánh sáng nên vượt ra ngoài phạm vi của quản
lý tần số chính vậy không cần đăng ký và phân chia vùng tần số.
Nhược điểm không mong muốn là tín hiệu bị suy hao nhiều
trong môi trường truyền đặc biệt là trong môi trường có mưa, sương
mù, khói bụi..v.v.
Quang vô tuyến mang lại một giải pháp hấp dẫn cho vấn đề
“last mile”, đặc biệt cho nhưng vùng đô thị mật độ dân đông. Dịch
vụ quang vô tuyến cung cấp nhu cầu băng rộng mà không cần mở
rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng cơ sở đắt tiền.
Công nghệ tầm nhìn thẳng này tránh sự lãng phí cả miền tần số
và không gian tồn tại trong công nghệ quảng bá. Quang vô tuyến
cung cấp 1 kênh với bảo mật dữ liệu cao dành riêng cho sự trao đổi
thông tin giữa hai đầu cuối. Không có sự cấp phát tần số kéo theo
5
không có sự can nhiễu quan trọng giữa những kênh khác nhau thậm
chí giữa những người dùng sử dụng một tần số sóng mang.
Đường cáp quang chính 2.5 – 10 Gbps
Hình 1.1 Mô hình kỹ thuật quang vô tuyến
1.3 Ứng dụng của quang vô tuyến
1.3.1 Tổ chức mạng Last mile
“Last mile” là kết nối cuối phân phối từ nhà cung cấp thông tin
tới khách hàng, thuật ngữ này được dùng trong ngành viễn thông. Nó
được xem như là một thách thức lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ
bởi vì việc triển khai rộng khắp dây và cáp dẫn là nhiệm vụ khó
khăn.
Để giải quyết vấn đề này nhằm mang lại những dịch vụ tốt nhất
đến khách hàng ở vùng “last mile” thì hệ thống thông tin quang vô
6
tuyến mang lại một giải pháp hấp dẫn cho đặc biệt cho nhưng vùng
đô thị mật độ dân đông. Dịch vụ quang vô tuyến cung cấp băng rộng
mà không cần mở rộng việc xây dựng cấu trúc hạ tầng cơ sở đắt tiền.
Sự kết nối mềm mại giữa các khu vực có địa hình phức tạp, triển
khai hệ thống thông tin cơ động nhanh, chính xác. Tóm lại vấn đề
last mile là cách để phục vụ một khối lượng khổng lồ người dùng
nhu cầu thông tin một cách kinh tế nhất. Vậy những phương tiện
truyền dẫn “last mile” hiệu quả phải:
Phân phát được công suất tín hiệu, tức kênh truyền phải thích -
hợp với mức công suất tín hiệu.
Suy hao thấp (ít xảy ra sự biến đổi sang các dạng năng lượng -
không mong muốn).
Hỗ trợ băng thông rộng. -
Truyền dẫn với tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR cao, công suất -
nhiễu thấp.
Cung cấp các kết nối linh hoạt. -
Ngoài những nhân tố này, một giải pháp tốt cho vấn đề last
mile phải mang lại cho người dùng:
Khả năng sẵn sàng sử dụng và độ tin cậy cao. -
Dung lượng trên một người dùng -
1.3.2 Tổ chức mạng MAN thành phố, LAN to LAN trong các tổ
chức doanh nghiệp lớn.
FSO có thể cung cấp 1 giao diện Ethernet trong môi trường
LAN to LAN. Điều này làm giảm bớt vấn đề kinh tế trong việc thiết
lập các kết nối, giao diện giữa các khu vực, và việc hổ trợ đơn giản.
7
Vì vậy người quản lí mạng có thể xây dựng 1 mạng Fast Ethenet
trong khu vực nhà trường, kí túc xá, với các kết nối điểm tới điểm
đơn giản, với sự tối thiểu về kinh tế và nguy cơ phá vỡ mạng.
1.3.3 Ứng dụng mạng GSM và 3G
Các mạng di động tế bào hiện tại có yêu cầu băng thông tăng
trên các cấu trúc được sử dụng để kết nối các trạm thu phát sóng.
Đặc biệt các dịch vụ băng rộng của thế hệ mạng 3G làm vấn đề càng
thêm cấp thiết. Kích thước của các vùng phủ (cell), đặc biệt trong
thành phố đang co lại. FSO cung cấp 1 băng thông lớn, không yêu
cầu sự cấp phép nào, cho phép nhà điều hành mạng triển khai mạng
nhanh chóng và giá thành thấp. Trong tương lai mạng điện thoại 4G;
4,5G sẽ đưa vào ứng dụng thì mạng quang vô tuyến lại càng quan
trọng hơn trong công tác tổ chức mạng thông tin băng thông rộng
phục phụ nhu cầu người tiêu dùng
1.3.4 Tổ chức mạng thông tin băng rộng tốc độ cao cho các hoạt
động dưới nước
Phục vụ cho tàu biển, tàu ngầm, nghiên cứu đại dương, tìm
kiếm cứu nạn…Là một nhu cầu công việc rất thiết thực phục phụ tốt
cho những hoạt động trên biển kể cả quân sự và dân sự.
1.3.5 Tổ chức mạng thông tin băng rộng cho các vệ tinh vũ trụ.
Việc tổ chức mạng thông tin cho các vệ tinh vũ trụ liên lạc với
nhau liên lạc với máy bay và liên lạc với các trạm mặt đất là hoàn
toàn có thể vì càng cao thì không khí lại có ít thành phần làm cản trở
hoặc phản xạ sóng hơn, độ ẩm trong không khí cũng ít hơn chính vì
vậy độ suy hao tín hiệu thấp hơn so với tầng không khí gần dưới mặt
đất nên cùng một công suất phát thì cự li liên lạc sẻ được xa hơn
8
1.4 So sánh ƣu nhƣợc điểm của quang vô tuyến và các hệ thống
thông tin khác
1.4.1 Hệ thống thông tin hữu tuyến dùng cáp đồng trục.
Ưu điểm của hệ thống thông tin dùng cáp đồng nói chung và cáp
đồng trục nói riêng là, hệ thống chắc chắn, truyền tải được tín hiệu
trong dải âm tần, chủ động trong thời gian đàm thoại.
Nhược điểm là băng thông truyền dẫn thông tin hẹp chỉ trong
phạm vi từ 0,3 đến 3,4 kHz là chủ yếu, tín hiệu bị suy hao trên đường
truyền rất lớn khoảng 13 đến 20 dB trên 1Km, khoảng cách đặt các
trạm lặp rất nhỏ khoảng 1Km/ trạm, độ trể tín hiệu lớn, kinh phí triển
khai một mạng thông tin lớn vì dây cáp đồng rất đắt và thời gian
triển khai một mạng thông tin rất dài.
1.4.2 CATV (cáp truyền hình)
Các chương trình đài FM, Internet tốc độ cao, thoại và các dịch
vụ phi hình cũng được cung cấp. Hệ thống truyền hình cáp đã được
mở rộng để cung cấp thông tin hai chiều trên đường cáp vật lý sẵn
có. Nhưng băng thông cho hướng thông tin từ khách đến mạng và tỉ
số S/N đạt được là bị giới hạn nên người dùng gặp khó khăn khi chia
sẻ cáp truyền hình với các người dùng khác.
1.4.3 Những hệ thống thông tin vô tuyến
. Hệ thống AM thu phát ở tần số sóng dài khoảng 300 - 900 kHz
phản xạ qua tầng điện ly nên cự ly liên lạc xa suy hao tín hiệu trong
môi trường truyền nhỏ nhưng băng thông rất hẹp chỉ dùng cho phát
thanh.
Hệ thống thông tin FM hệ thống này có tần số phát cao trong
khoảng từ 30 – 300 MHz đây là hệ thống thu phát điểm - điểm tín
hiệu được phát thẳng từ anten phát đến anten thu, do tần số thu phát
9
cao băng thông rộng nên khả năng mang tin lớn hơn rất nhiều so với
hệ thống AM. Nhược điểm là tín hiệu suy hao nhiều trên đường
truyền nên cự ly liên lạc gần..
Truyền hình, phát thanh mặt đất hoạt động dải 50 MHz đến 1000
MHz chỉ đáp ứng yêu cầu băng thông cho dịch vụ truyền hình, không
thích hợp với việc truyền song công. Truyền tin không dây song
công, hệ thống song công dung lượng cao giới hạn ở tần số UHF
hoặc siêu cao tần và ở đường truyền điểm - điểm.
Hệ thống dung lượng cao hơn như hệ thống di động tế bào thế
hệ 3G yêu cầu cơ sở hạ tầng lớn hơn, những địa điểm cell đặt gần
nhau, nơi suy hao đường truyền lớn hơn trong không gian tự do, nơi
truy cập nhiều hướng từ người dùng. Đặc biệt tốc độ không cao, độ
an toàn và phí sử dụng không phù hợp với các khách hàng lớn, các
doanh nghiệp, tổ chức kinh tế xã hội.
Hệ thống vệ tinh có vùng phủ sóng rộng do đó phục vụ được
nhiều người dùng cùng chia sẻ thông tin. Nhưng đường truyền vệ
tinh địa tĩnh rất dài nên không thích hợp cho những ứng dụng thời
gian thực, tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng trừ khi sử dụng anten
trạm mặt đất định hướng cao và tiết diện lớn. Vệ tinh phải có dung
lượng cao để đảm bảo nhu cầu của nhiều người dùng cùng chia sẻ và
mỗi người dùng có anten lớn, với yêu cầu về độ định hướng cao để
thu được tín hiệu. Yêu cầu về hệ thống vệ tinh dung lượng cao và
truyền tin hai hướng không kinh tế (do chi phí lắp đặt hệ thống vệ
tinh).
1.4.4 Hệ thống thông tin cáp quang
Cáp quang là phương tiện trội hơn vì cung cấp dung lượng
thông tin lớn, độ suy hao tín hiệu nhỏ. Những công nghệ mới FTTx
10
(dịch vụ cung cấp cáp quang trực tiếp đến người dùng) và mạng
PON (mạng quang thụ động) có khả năng thỏa mãn nhu cầu băng
thông rộng nhưng không phố biến cho hầu hết người dùng do chi phí
lắp đặt cao và đôi khi không khả thi do địa hình và thời gian thi công
mạng tương đối lớn.
1.4.5 Hệ thống thông tin quang vô tuyến
Free Space Optics (FSO) là 1 kỹ thuật viễn thông sử dụng
phương pháp truyền ánh sáng trong môi trường không gian tự do để
truyền dữ liệu giữa 2 điểm. Đó là kỹ thuật truyền băng rộng tầm nhìn
thẳng sử dụng tín hiệu được điều chế bằng xung ánh sáng để truyền
dữ liệu. Thay vì các xung ánh sáng được truyền trong sợi quang,
chúng được truyền trong các luồng áng sáng hẹp xuyên qua không
khí.
Ưu điểm nổi trội của hệ thống thông tin quang vô tuyến là
băng thông cực rộng, dung lượng cực lớn do truyền tải tần số cao
hơn nhiều các hệ thống thông tin vô tuyến khác. Băng thông (BW)
gấp khoảng 10.000 lần so với thông tin vi ba (khoảng 200THz, tần số
vi ba khoảng 20 GHz). Triển khai hệ thống nhanh chính xác giá
thành của hệ thống thấp nên giá thành của mỗi cuộc đàm thoại giảm
xuống. Băng thông rộng ghép được nhiều kênh đó cũng là một ưu
điểm nổi trội.
Nhược điểm hệ thống thông tin vô tuyến này là tín hiệu bị suy
hao rất lớn trong môi trường truyền có mưa, sương mù, khói bụi…
Chính vậy việc dự trữ công suất phát để bù suy hao trong môi trường
truyền là vấn đề cần thiết để đảm bảo công suất thu với giá trị BER
trong phạm vi cho phép.
11
1.4.6 Xác định chất lượng của hệ thống quang vô tuyến
Phép đo chủ yếu giá trị của bất kì hệ thống thông tin là nó có
thể truyền dữ liệu băng rộng hiệu quả cao qua một tuyến với tỉ lệ lỗi bit BER chấp nhận được hay không, thường là 10-9 hoặc tốt hơn. Thách thức có ý nghĩa nhất đối với những hệ thống quang vô tuyến
là sự suy hao do không khí, đặc biệt là sương mù. Trong điều kiện
sương mù nhẹ hoặc khói mờ, sự suy giảm chỉ xảy ra ở những bước
sóng dài.
1.5 Kết luận chƣơng
Với sự phát triển nhanh chóng nhu cầu truy cập băng rộng, sự ra
đời các công nghệ băng rộng là cấp thiết hơn bao giờ hết thì các công
nghệ hiện tại không đáp ứng được yêu cầu. Trong khi đó công nghệ
quang không gian là một giải pháp lý tưởng.
Vấn đề lớn nhất là sự ảnh hưởng và phụ thuộc rất lớn vào điều
kiện thời tiết môi trường. Điều này xuất phát từ đặc trưng hệ thống
dùng ánh sáng có bước sóng trong phạm vi suy hao và tán xạ lớn do
các hạt lơ lững trong không khí như sương, mưa phùn, hơi ẩm, khói
bụi.
12
CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG THU PHÁT QUANG VÔ TUYẾN
2.1 Giới thiệu chƣơng
Hệ thống thu phát quang vô tuyến một trong những yếu tố quan
trọng quyết định đến sự thành công của mạng thông tin quang vô
tuyến. Từ mã hoá tin tức, điều chế tín hiệu, chuyển đổi E/O, khuếch
đại quang, Laser phát, Laser thu, chuyển đổi O/E, giải điều chế, kỹ
thuật ghép kênh…Tất cả các khối sẽ hợp thành hệ thống thu phát
quang Laser việc hiểu rõ về kỹ thuật từng khối, nguyên lý làm việc
để từ đó tính toán mức công suất phát, độ nhạy máy thu, tỉ số tín hiệu
trên nhiễu (SNR) sao cho đảm bảo tỷ lệ lỗi bít (BER) trong phạm vi
cho phép.
2.2 Phần phát
2.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống
Kỹ thuật FSO là kết nối mạng vô tuyến dùng ánh sáng thay cho
sóng radio, là kết nối quang dựa trên cơ sở Laser mà không dùng sợi
quang. Nó dựa trên kết nối giữa các thiết bị quang vô tuyến, mỗi
thiết bị bao gồm các bộ thu phát quang để truyền và nhận tín hiệu
quang để tạo ra kết nối song công. Tại mỗi điểm kết nối sử dụng một
nguồn quang và một thấu kính để truyền ánh sáng xuyên qua không
khí tới thấu kính bên thu nhận thông tin. Tại đây, thấu kính được kết
nối tới một bộ thu có độ nhạy cao qua sợi quang.
Xử lý tín hiệu theo mô hình sơ đồ thu phát quang vô tuyến theo
quy trình là. Tín hiệu tin tức cần gửi đi được mã hoá dưới dạng tín
hiệu điện sau đó được đưa vào khối chuyển đổi O/E thành tín hiệu
quang mang tin, qua khuếch đại quang, đảm bảo công suất phát sau
đó đưa tới Laser phát để thực hiện bức xạ tín hiệu quang ra môi
13
trường. Phía thu nhận được tín hiệu quang từ phía phát đưa tín hiệu
qua khuếch đại quang đủ lớn đưa vào khối chuyển đổi E/O thành tín
hiệu điện và xữ lý tin tức trên cơ sở tín hiệu điện. Việc xử lý tín hiệu
để có được một hệ thống thu phát quang vô tuyến hoàn thiện còn qua
nhiều công đoạn khác nhau như lọc, nén, ghép kênh tín hiệu…ở đây
chỉ nêu những bước cơ bản của hệ thống thu phát quang vô tuyến.
2.2.2 Các đặc điểm của bộ phát
Thiết bị phát phải có công suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt
người. Thường sử dụng theo chuẩn phân loại sau:
Bảng 2.1 Phân loại độ an toàn laser của bộ phát nguồn
880 nm 1310 nm 1550 nm
Nhóm 1 0,5 mW 8,8 mW 10 mW
Nhóm 2 13 mW 15 mW 16 mW
Nhóm 3A 0,5 – 2,5 mW 8,8 – 45 mW 10 – 50 mW
Nhóm 3B 2,5 – 500 mW 45 – 500 mW 50 – 500 mW
Các hệ thống hoạt động ngoài trời thường sử dụng các Laser
công suất cao trong nhóm 3B để đạt độ dự trữ công suất tốt. Tiêu
chuẩn an toàn đề nghị rằng những hệ thống này nên đặt ở nơi mà
luồng ánh sáng không bị gián đoạn, hay ảnh hưởng trực tiếp tới mắt
người. Bộ phát thường sử dụng laser diode vì nó phổ biến trên thị
trường và đáp ứng những bước sóng mong muốn. Có 2 cửa sổ tần số
mà thường được dùng trong LASER có bước sóng 780 - 925 nm và
1525 - 1580 nm.
Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau:
Khả năng hoạt động ở tần số cao -
14
Sự điều chế tốc độ cao -
Vùng phủ nhỏ và công suất tiêu thụ nhỏ -
Có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn mà không -
giảm hệ suất đáng kể
Thời gian trung bình giữa 2 lần bị sự cố là hơn 10 năm. -
2.2.3 Laser Diode bán dẫn LD
Cấu tạo của diode laser (LD).
Gồm các lớp bán dẫn p và lớp n của miền hoạt tính và lớp hoạt
chất. Lớp hoạt chất này là một cặp phiến phẳng - là gương phản xạ
được đặt qua vào nhau để phản xạ ánh sáng bức xạ hay còn gọi là
hốc cộng hưởng (Fabry-Frot).
Nguyên lý hoạt động của LD
Khi có một lớp điện áp phân cực được đặt vào lớp tiếp giáp thì
các electron sẽ được bơm vào, lớp hoạt chất được kích thích, sau đó
tái hợp với các lỗ trống có điện tích dương tại đó, đồng thời sinh ra
năng lượng dưới dạng quang và nhiệt. Hốc cộng hưởng (Fabry-Frot)
tạo ra sự tương tác giữa photon và electron diễn ra nhiều lần và có
thể tạo ra công suất quang lớn.
2.2.4 Điều khiển công suất laser
Độ tin cậy của laser là điều đáng quan tâm đối với hệ thống
quang không dây. Laser cần có thời gian giữa hai lần sai hỏng là 8
năm hoặc hơn. Hai yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sống của laser
diode bán dẫn là:
Nhiệt độ hoạt động trung bình của diode. -
Nhân tố thứ hai là công suất ra trung bình của laser. -
15
Xét thấy yếu tố nhiệt độ là không thể điều khiển trong hệ thống
ngoài trời nên để tăng thời gian sống cho thiết bị phát ta cần điều
khiển công suất ra tự động.
2.2.5 Điều chế tín hiệu
Trong kỹ thuật quang có những phương pháp điều chế tín hiệu
cơ bản như sau. Điều chế khoá dịch biên độ ASK hay điều chế đóng
mở OOK, điều chế khoá dịch tần FSK, điều chế khoá dịch pha PSK,
điều chế khoá dịch pha vi phân DPSK, điều chế phân cực PoLSK.
Trong hệ thống thông tin quang, có hai phương pháp điều chế
tín hiệu là điều chế trong và điều chế ngoài.
2.2.6 Nguồn khuếch đại
Nguồn khuếch đại, như EDFAs và các bộ khuếch đại bán dẫn
SOAs, được sử dụng để nâng công suất của các nguồn Laser công
suất thấp.
2.2.7 Hệ thống bám đuổi
Trong hệ thống thông tin quang không dây thì cần thiết có hệ
thống bám đuổi quang. Nhằm khắc phục ảnh hưởng lệch chùm tia ở
phía thu.
Các thiết bị có diện tích bề mặt tương đối lớn sẽ dễ dàng định
hướng thẳng hàng tới bộ thu quang hệ thống bám đuổi. Đối với
những hệ thống quang gắn trên tòa nhà thì băng thông cho hệ thống
bám đuổi thấp ,với hệ thống gắn trên tháp hoặc trụ thì băng thông
bám đuổi cao hơn để chống lại tác động của gió.
2.3 Phần thu
Chức năng chính là biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện,
thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, nhiễu
thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậy cao. Trong lĩnh vực thông
16
tin quang ta sẽ nghiên cứu vấn đề thu quang theo hiệu ứng quang
điện.
2.3.1 Cơ chế thu quang
Khi ánh sáng đập vào vùng p sẽ bị hấp thụ trong quá trình lan
truyền đến vùng N. Trong quá trình đó, các điện tử và lỗ trống đã
được tạo ra và tại vùng nghèo do hấp thụ photon sẽ chuyển động về
hai hướng đối ngược nhau dưới tác động của điện trường nên chúng
tách rời nhau. Vì không có điện trường ở bên ngoài vùng nghèo nên
các điện tử và lỗ trống được tạo ra do hiệu ứng quang điện và sẽ tái
hợp trong quá trình chuyển động của chúng. Tuy nhiên, sẽ có một vài
điện tử di chuyển vào điện trường trong quá trình chuyển động và có
khả năng thâm nhập vào mỗi vùng, do đó có một điện thế sẽ được
tạo ra giữa các miền P và N. Nếu hai đầu của miền đó được nối với
mạch điện ngoài thì các điện tử và lỗ trống sẽ được tái hợp ở mạch
ngoài và sẽ có dòng điện chạy qua.
2.3.2 Thiết bị thu, tách sóng
So với thiết bị phát ánh sáng, bộ phận thu có nhiều giới hạn
hơn. Hai hệ thống tách sóng thông thường nhất dùng trong phạm vi
phổ gần hồng ngoại dựa trên công nghệ silicon hay InGaAs.
Giải điều chế bước sóng hồng ngoại 1330 nm sử dụng vật liệu
silicon.
Giải điều chế bước sóng hồng ngoại 1550 nm sử dụng InGaAs
cho việc tách sóng các bước sóng này.
Có 2 bộ tách sóng thông dụng PIN silicon (Si-PIN) và APD
(Si-APD).
Si-PIN với bộ khuếch đại đổi tần tích hợp cũng rất thông dụng.
Trong các bộ tách sóng này, thì độ nhạy là 1 hàm của băng thông tín
17
hiệu điều chế, và độ nhạy sẽ giảm khi băng thông tách sóng tăng lên.
Giá trị độ nhạy thông thường của Si-PIN là khoảng -34 dB ở tốc độ
155 Mbps.
Si-APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại (thác lũ)
bên trong. Vì vậy bộ tách sóng Si-APD là hữu ích hơn trong FSO.
Độ nhạy cho các ứng dụng băng thông rộng, có thể thấp hơn -55
dBm ở tốc độ vài Mbps, -52 dBm ở tốc độ 155 Mbps, -46 dBm ở 622
Mbps.
2.3.3 Độ nhạy quang và Tạp âm của tách sóng quang
Độ nhạy quang cho biết khả năng biển đổi công suất quang
thành dòng điện.
Đối với các bộ tách sóng quang, bộ thu quang cần phải có độ
nhạy thu rất cao, điều đó đòi hỏi các photođiôt phải tách được tín
hiệu quang rất yếu từ phía đường truyền tới. Để thực hiện thu được
các tín hiệu rất yếu này, cần phải tối ưu hoá được bộ tách sóng quang
và cả các mạch khuếch đại tín hiệu đi kèm theo đó, điều này cho
phép ta nhận được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR
Để đạt được tỷ lệ SNR cao thì phải hội đủ các điều kiện sau:
Sử dụng các bộ tách sóng quang có hiệu suất lượng tử cao -
nhằm tạo ra công suất tín hiệu lớn.
Phải hạn chế được các tạp âm của bộ tách sóng quang và bộ -
khuếch đại tín hiệu trong bộ thu quang càng nhiều càng tốt.
Tạp âm của các bộ khuếch đại quang là tạp âm của bộ tiền -
khuyếch đại và của các bộ khuyếch đại phía sau. Nhưng trong thực
tế, phần lớn tạp âm là do các bộ tách sóng và các bộ tiền khuyếch đại
quyết định.
18
2.3.4 Thiết bị thu phát quang cụ thể
Nguyên lý hoạt động
Khi phát tín hiệu quang được đưa tới từ cáp quang sau khi đi
vào bộ phát, tín hiệu được được đưa tới bộ xử lý dữ liệu dẫn tới bộ
nguồn phát laser sau đó tín hiệu quang được đưa tới kính phát và bộ
điều chỉnh hội tụ tia sáng và phát ra không gian. Khi thu tín hiệu
quang trong không gian được hội tụ và đưa tới bộ xữ lý dữ liệu và
đưa tín hiệu quang cần thu vào cáp quang. Bộ định hướng có tác
dụng định hướng thẳng hàng giữa máy thu và máy phát mục đích cho
tia sáng tập trung năng lượng tốt nhất cho máy thu.
2.3.5 Sự an toàn với mắt người
Khi lắp đặt hệ thống thông tin quang vô tuyến, thiết bị phát tạo
ra những chùm laser vào những khu vực có người sinh sống nên đảm
bảo an toàn cho mắt người trở nên quan trọng.
Những hệ thống chúng ta hoạt động ở hai bước sóng 800 nm và
1550 nm. Những chùm laser ở 800 nm nằm gần vùng hồng ngoại, nó
vượt qua vùng giác mạc và thủy tinh thể và được hội tụ thành một
vết nhỏ trên võng mạc nên võng mạc có thể bị hủy hoại trước khi nạn
nhân nhận thức được. Tương phản với trường hợp trên chùm laser
1550 nm bị hấp thụ bởi giác mạc và thủy tinh thể nên nó không hội
tụ trên võng mạc.
2.4 Kết luận chƣơng
Hệ thống FSO ra đời hoàn toàn dựa trên những luận chứng
khoa học như lý thuyết bức xạ ánh sáng. hiệu ứng ánh sáng, truyền
đẫn tín hiệu trong không gian, các kỹ thuật điều chế tin tức, giải điều
chế tin tức, khuếch đại tín hiệu tất cả các yếu tố này đã tạo nên một
mạng thông tin quang vô tuyến băng thông rộng phục vụ cho nhu cầu
19
sử dụng thông tin của người tiêu dùng. Laser phát được dùng thông
dụng như laser điode LD nhưng do đặc điểm đường truyền có suy
hao lớn nên công suất phát của các loại laser này thường lớn hơn,
chính vậy nhiệt độ của laser tăng cao nên tuổi thọ của laser giảm
xuống so với các laser dùng trong thông tin sợi quang. Các bộ
khuếch đại quang trong FSO có cấu trúc đặc biệt hơn so với trong
thông tin sợi quang. Hệ thống bám đuổi trong mạng FSO là một khâu
quan trọng nhằm giữ được mạng thông tin thông suốt vì nó có tác
dụng tự động điều chỉnh sự định hướng của tia sáng giữa phát và thu
sao cho năng lượng tập trung tại điểm thu lớn nhất. Do các yếu tố an
toàn về mắt người và sự lựa chọn cửa sổ tần số tối ưu nên ta thường
chọn ánh sáng có bước sóng trong dải 780 - 1560 nm Vấn đề nhiễu
trong đường truyền FSO cũng phải tính đến, nếu trong quá trình thu
phát mà thời tiết có nhiều thay đổi như giông tố, sấm sét thì tỉ lệ lỗi bít BER sẻ lớn hơn 10-12 chính vì vậy khi thực hiện thu phát cần sử dụng các bảng mã có sửa sai lớn và ở phần thu cần có những bộ lọc
tích cực nhằm đảm bảo độ chọn lọc của tín hiệu.
20
CHƢƠNG 3: SUY HAO TÍN HIỆU TRONG MÔI TRƢỜNG
TRUYỀN SÓNG
3.1 Giới thiệu chƣơng
Việc tính toán suy hao tín hiệu trên đường truyền, cự ly liên lạc
để từ đó tính toán công suất dự trữ, kinh phí xây dựng, tỷ lệ lổi bít
BER trong điều kiện thời tiết cụ thể là điều bắt buộc đối với nhà thiết
kế một mạng thông tin quang vô tuyến. Chương này nêu đặc điểm
đường truyền tín hiệu quang vô tuyến, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng
tới chất lượng tuyến quang vô tuyến, đánh giá điều kiện thời tiết và
các yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền của tuyến quang vô tuyến.
3.2 Đặc điểm đƣờng truyền tín hiệu quang vô tuyến
3.2.1 Truyền ánh sáng
Tuyến FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi
khí quyển trái đất. Điều này dẫn đến sự biến mất của các photon
truyền tới, suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh. Có
những vùng bước sóng mà sự truyền gần như trong suốt (không có
hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số.
Tán xạ môi trường không khí là kết quả tương tác 1 phần ánh
sáng và các phần tử (bụi, các dạng hạt nước trong không khí) trong
môi trường truyền sóng. Nó chỉ thay đổi hướng bức xạ của thành
phần tương tác mà không có thay đổi bước sóng. Tán xạ xảy ra khi
kích thước của các hạt trong không khí có kích thước tương đương
với bước sóng của ánh sáng được truyền. Trong điều kiện thực tế thì
chủ yếu tạo ra do sương mù, mưa phùn.
Dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ bên trong môi
trường truyền, sự phân bố ngẫu nhiên của các lớp không khí tạo ra
các hệ số khúc xạ khác nhau là nguyên nhân sinh ra sự tán xạ, đa
21
đường, biến đổi góc tới. Mặt sóng thay đổi tạo ra sự hội tụ và phân
kỳ của chùm ánh sáng. Những sự thay đổi của tín hiệu là hiện tượng
chập chờn trong FSO.
Ngoài ra, các tác động khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến đường
tryền như các vật chắn phát sinh trong khi sử dụng..
3.2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi không khí đến chất lượng tín
hiệu
Sự thay đổi tính chất của không khí gây ra sự biến thiên cường
độ tín hiệu theo không gian và thời gian ở đầu thu. Sự thay đổi này
làm cho chỉ số khúc xạ bị thay đổi và không khí giống như những
thấu kính làm lệch chùm tia so với hướng chính đến phía thu. Thời
gian thay đổi này chính là thời gian chùm tia được truyền qua không
gian và nó phụ thuộc vào tốc độ gió.
3.3 Đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng tuyến quang
vô tuyến
3.3.1 Xét các hiện tượng cơ bản theo lí thuyết truyền bức xạ điện từ
Trong nghiên cứu truyền bức xạ trong môi trường hấp thụ, tán
xạ, phát xạ, có hai yếu tố quan trọng.
- Đầu tiên, sự hấp thụ không chỉ xảy ra tại biên của tuyến mà còn
tại mọi điểm trong môi trường. Điều này cũng đúng với hiện tượng
tán xạ.
- Thứ hai, đặc tính phổ của môi trường khí loãng có nhiều thay
đổi hình dạng hơn so với môi trường lỏng và rắn.
3.3.2 Hoạt động của tán xạ
Nếu môi trường bao gồm những hạt nhỏ không đồng nhất, thì
bức xạ khi xuyên qua đường truyền sẽ bị phân tán ra mọi hướng.
Những hạt này có thể là hạt bụi, giọt nước.
22
Phân biệt hai loại tán xạ. Tán xạ được gọi là tương quan nếu tần
số trường tán xạ giống với tần số sóng đến. Ngược lại gọi là không
tương quan do sự di chuyển hoãn loạn tức thì của các hạt trong
không khí.
3.3.3 Đánh giá chất lượng của tuyến
Khả năng sử dụng tuyến là yếu tố then chốt được xem xét khi
lắp đặt hệ thống. Chịu sự ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố:
- Độ tin cậy của thiết bị. Yếu tố này có thể đảm bảo chắc chắn
bằng lựa chọn, tính toán, thiết kế được nêu ở phần trên.
- Số liệu thống kê độ suy giảm không khí là yếu tố chưa biết. Nó
được thu thập thông qua những thiết bị chuyên dụng như thiết bị đo
tầm nhìn, lượng mưa…
- Hiệu suất công tác của tuyến kể cả công suất phát và khả năng
truy cập mạng dẫn tới giá thành xây dựng mạng, giá cước truy cập
trong điều kiện đảm bảo chất lượng thông tin như tỷ lệ lỗi bít BER,
độ trể tín hiệu…
3.4 Kết luận chƣơng
Chương 3 là cơ sở lý thuyết để xây dựng một mạng thông tin
quang vô tuyến. Nhà thiết kế mạng phải biết được độ suy hao tín
hiệu trong khoảng cách thiết kế để bù công suất, lựa chọn bước sóng
sao cho phù hợp. Sự tán xạ tín hiệu do các hạt lơ lững trong không
khí xét các hàm truyền đạt trong điều kiện thời tiết cụ thể. Từ đó giải
quyết bài toán thuận là cho tín hiệu vào, đặc điểm và đánh giá kênh
truyền không gian suy ra được tín hiệu ra.
23
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG VÔ
TUYẾN TẠI ĐÀ NẴNG VÀ MÔ PHỎNG BẰNG OPTIWAVE
4.1 Giới thiệu chƣơng
Việc xây dựng một hệ thống thông tin quang vô tuyến trong điều
kiện thời tiết nước ta nói chung và thành phố Đà Nẵng nói riêng là
một việc làm yêu cầu có độ chình xác cao vì nó liên quan đến độ
vững chắc của hệ thống và kinh phí để thiết kế hệ thống. Chương
này đi sâu vào xây dựng một mạng thông tin quang vô tuyến có
những yêu cầu như tỉ lệ lỗi bít (BER), tốc độ bít... Với điều kiện thời
tiết thành phố Đà Nẵng và các yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền
của tuyến quang vô tuyến đẫn đến suy hao tín hiệu tổng. Các thông
số cụ thể của tuyến thông tin từ Green Plaza – Đà Nẵng số 233 –
Trần Phú đến Trung tâm Thông tin di động khu vực III - MobiFone
số 263 Nguyễn Văn Linh – TP Đà Nẵng. Thực hiện mô phỏng bằng
phần mềm Optiwave.
4.2 Các thông số cụ thể từ Green Plaza đến Trung tâm Thông tin
di động khu vực III - MobiFone
4.2.1 Các tham số của mạng quang vô tuyến
Các thông số của hệ thống
* Khoảng cách tuyến FSO : 1 km
Các yếu tố thực nghiệm cho đường truyền quang vô tuyến là
* Công suất phát 25 dBm
* Tốc độ truyền
* Bước sóng : 830 nm – 1550 nm
4.2.2 Xây dựng hình ảnh
Green Plaza – Đà Nẵng tại số 233 – Trần Phú đến Trung tâm
Thông tin di động khu vực III - MobiFone số 263 Nguyễn Văn Linh
24
– TP Đà Nẵng có khoảng cách đo được nếu tính theo đường thẳng
chim bay thì khoảng 1 km. Với điều kiện thời cụ thể suy hao tổng
của tín hiệu trên đường truyền là 35 dB/km.
4.3 Mô phỏng bằng phần mềm Optiwave
4.3.1 Xây dựng hệ thống thu phát trên phần mềm Optiwave
4.3.1.1 Khối Transmitter
4.3.1.2 FSO Channel
4.3.1.3 Khối Optical Receiver
4.3.1.4 Các khối Optical Power Meter Visualizer/ Optical Time
Domain Visualizer
4.3.1.5 Khối BER Analyzer
4.3.2 Kết quả chương trình trên phần mềm Optiwave
25
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Nhu cầu cấp thiết về yêu cầu băng thông của người dùng càng
tăng, và tốc độ đường trục ngày càng cao. Tuy thế để đáp ứng được
nhu cầu của người dùng là 1 điều khó khăn của các nhà cung cấp
dịch vụ mạng nói chung. Vì nhiều lí do, nhưng nỗi trội hơn cả là sự
khó khăn trong thi công mạng phân phối tại những nơi dân cư tập
trung đông và kiến trúc hạ tầng cơ sở phức tạp. Nhận thấy tình trạng
đó và qua nghiên cứu công nghệ quang vô tuyến FSO, thấy rằng đây
là 1 giải pháp thay thế hữu hiệu trong các trường hợp không thể thi
công đường cáp quang do (địa hình phức tạp, cơ sở hạ tầng vướng
bận, kinh phí lắp đặt ít...) trong khoảng cách gần, cho các yêu cầu
dịch vụ băng thông rộng, tốc độ cao của khách hàng. Ưu thế về tốc
độ, tiện ích trong lắp đặt tính linh hoạt khi triển khai mạng, là những
điểm nỗi trội của 1 tuyến quang vô tuyến. Ngoài ra điều kiện thời tiết
tại thành phố Đà Nẵng nhiều nắng, ít mưa, ít sương mù, hàm lượng
bụi tổng thấp, thì trở ngại việc suy hao tín hiệu trong kênh truyền có
thể giải quyết được để đảm bảo tính vững chắc của mạng thông tin,
vậy nên khả năng ứng dụng của 1 tuyến FSO tại thành phố Đà Nẵng
là rất cao.
Để có được các kết luận trên, luận văn đã nghiên cứu kĩ các vấn
đề thời tiết ảnh hưởng đến đường truyền vô tuyến của 1 tuyến FSO.
Sau đó vận dụng những công thức thực nghiệm đã được chứng minh
tính toán các giá trị cụ thể để xây dựng một mạng thông tin vô tuyến
hoàn thiện. Tuy rằng luận văn chỉ thực hiện được ở việc mô phỏng
bằng phần mềm Optisystem 7.0, nhưng với kết quả đạt được, tin rằng
đây là 1 công nghệ phù hợp với điều kiện thành phố Đà Nẵng nói
riêng và các thành phố của nước ta nói chung trong thời gian tới đây.
26
Hướng phát triển đề tài, tiếp tục thực hiện khảo sát yêu cầu của
khách hàng tiềm năng để xác định khả năng ứng dụng thực tế của
tuyến FSO. Sau đó hoàn thiện chương trình Matlab để hổ trợ việc lựa
chọn thiết bị và thiết lập thông số kỹ thuật phù hợp điều kiện thời tiết
các vùng miền khác nhau. Ứng dụng phần mềm Optisystem tính toán
ghép kênh đáp ứng yêu cầu của người sử dụng, đưa ra các giải pháp
kỹ thuật nâng cao chất lượng mạng thông tin. Ứng dụng được kết
quả đo độ lớn hạt bụi từ nguồn tin có độ tin tưởng cao, sau đó tính
toán được lượng tán xạ khi sóng truyền qua là bao nhiêu phần trăm.
Tiến hành lắp đặt thiết bị thực tế ứng dụng mạng LAN trong một đơn
vị cụ thể, làm bằng chứng thực nghiệm cho việc tính toán lý thuyết
cụ thể. Thực hiện ghép nhiều kênh truyền trong hệ thống, thay đổi
các tốc độ bít khác nhau nhàm phục vụ tốt hơn nhu cầu người tiêu
dùng. Từ đó làm cơ sở thực tế cho việc đưa công nghệ quang vô
tuyến vào ứng dụng rộng rãi tại thành phố Đà Nẵng nói riêng và
nước ta nói chung.
