LỜI MỞ ĐẦU: Bước sang thế kỷ của sự phát triển với tốc độ nhanh chóng của công nghệ thông tin. Sự bùng nổ và phát triển không ngừng của Internet làm gia tăng nhu cầu về lưu lượng mạng, tốc độ truyền tin và tính bảo mật của hệ thống. Điều đó làm cho thông tin xử lý ngày càng nhiều, khối lượng thông tin truyền dẫn cũng tăng lên đáng kể. Cùng với xu thế đó, các công nghệ truyền dẫn cũng phát triển mạnh mẽ: từ việc truyền dẫn tín hiệu điện bằng cáp đồng, đến việc dùng sóng điện từ để truyền tin như các hệ thống viba số, hệ thống thông tin di động, hệ thống thông tin bằng vệ tinh và đến ngày nay đã cho phép sử dụng ánh sáng để truyền thông tin. Đặc biệt truyền thông quang tốc độ cao đã và đang đóng vai trò hết sức quan trọng trong mạng viễn thông, truyền thông quang được chia thành 2 loại: truyền thông quang qua sợi quang và truyền thông quang qua không gian (FSO – Free Space Optics). Các hệ thống truyền thông quang sử dụng sợi quang hiện nay có khả năng truyền tải với dung lượng lớn, kết nối nhiều người dùng và cung cấp nhiều loại dich vụ như thoại, fax, hình ảnh, số liệu… Cùng có khả năng truyền dẫn tốc độ cao, nhưng các hệ thống FSO dễ dàng lắp đặt, di chuyển hoặc thiết lập lại cấu hình mạng khi cần. FSO có độ an toàn cao vì sử dụng thông tin tầm nhìn thẳng (line-of-sight), đồng thời với sự phát triển kinh tế, cơ sở hạ tầng, các công trình giao thông công cộng cũng phát triển, những nơi mà công trình viễn thông khó triển khai thì FSO rất đơn giản, kinh tế và thích hợp hơn. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ FSO Trong phần giới thiệu chúng ta đã đề cập những lợi ích của hệ thống FSO như tính kinh tế,thích hợp với những nơi có cơ sở hạ tầng khó triển khai các hệ thống truyền thông tin khác.Trong chương này ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các đặc điểm,đặc tính của hệ thống. 1.Giới thiệu: Free Space Optics(FSO) hay còn được gọi là Free Space Photonics(FSP) hoặc Optical Wireless là kỹ thuật truyền dẫn điều chế ánh sáng truyền lan trong không khí để trao đổi thông tin giữa hai điểm.Giống với thông tin sợi quang,hệ thống quang không dây sử dụng lasers để truyền dữ liệu nhưng thay vì truyền trong sợi dữ liệu sẽ được truyền qua không khí. 2.Lịch sử: Năm 1880, Alexander Graham Bell (người Mỹ) đã giới thiệu hệ thống Photo phone qua đó tiếng nói có thể truyền đi theo ánh sáng qua môi trường không khí mà không cần dây.Tuy hệ thống chưa được áp dụng trong thực tiễn do có nhiều nguồn nhiễu làm ảnh hưởng chất lượng đường truyền nhưng đó là nền tảng để phát triển hệ thống FSO hay optical wireless sau này. 3. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT: Hệ thống gồm ba phần chính:Phần phát,phần thu và đường truyền.Hệ thống truyền ánh sáng trong dải không thấy được và an toàn với mắt từ một trạm (telescope) tới trạm khác sử dụng nguồn laser công suất thấp có phổ vài TeraHertz.Chùm ánh sáng này đến trạm thu sẽ được trạm thu chuyển đổi thành tín hiệu điện sau đó giải điều chế thành các dữ liệu số như thoại,video….Thông thường tốc độ cơ bản của hệ thống trong khoảng 100Mbps đến 2,5Gbps và có thể lên tới 160Gbps.Hệ thống FSO có thể truyền trên khoảng cách vài kilometer trong điều kiện không khí bình thường,không có chướng ngại vật cũng như đủ công suất phát.Có hai hệ thống quang chính là:hệ thống thông tin quang IM/DD và hệ thống thông tin quang coherent. Hệ thống thông tin quang IM/DD sử dụng điều biến cường độ (IMIntensity Modulation) và tách sóng trực tiếp (Direct Detector).Thông tin về pha không đóng vai trò quan trọng.Đây là hệ thống ra đời đầu tiên,đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt Nam và các nước khác Hệ thống thông tin quang coherent dựa trên nguyên lí truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với một sóng ánh sáng khác tại phía thu quang.Sự kết hợp về pha đóng vai trò quan trọng trong hệ thống này,do đó nó được gọi là hệ thống thông tin quang kết hợp(coherent). Trong đồ án này ta tập trung nghiên cứu hệ thống IM/DD.Ưu điểm của kiểu điều chế IM là đơn giản. Tuy nhiên kỹ thuật này cũng có những hạn chế nhất định: băng thông điều chế bị giới hạn, không áp dụng được trong các hệ thống đòi hỏi công suất phát quang lớn… nhưng những hạn chế này có thể được khắc phục khi sử dụng điều chế ngoài như là bộ giao thoa kế Mach-Zehnder Modulator (MZM). [1] Sơ đồ khối tổng quát: 3.1.1.Phần phát: Phần phát có chức năng chính là điều chế dữ liệu trên sóng mang quang sau đó phát xạ nó qua kênh truyền không khí tới phía thu.Phía phát thực hiện biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu quang này vào sợi quang để thực hiệnviệc truyền thông tin.Máy phát thực hiện điều chế nguồn quang (LED hoặc LD) bằng dòng tín hiệu điện (digital hoặc analog) cần truyền. Tức là, công suất quang ra tỷ lệ tuyến tính với dòng điều biến Kiểu điều chế này gọi là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation) . Modulator: Biến đổi dữ liệu ban đầu về dạng phù hợp (ví dụ như: biến đổi tín hiệu ngõ vào song song về dạng mã thông dụng NRZ dạng nối tiếp và sửa dạng tín hiệu) cung cấp cho khối kích thích điều khiển dòng phân cực cho LASER/LED. Driver circuit: có chức năng biến đổi nguồn ở dạng điện áp từ khối Modulator về dạng dòng điện cung cấp dòng phân cực cho LASER. Optical Source: Thiết bị phát phải có công suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt người Thiết bị thường sử dụng là LED/Laser Diode (LD) có công suất phù hợp với điều kiện cụ thể tránh gây tổn hại đến người sử dụng (thường công suất ngõ ra của Laser thấp hơn 50mW).Trong đó Laser Diode được sử dụng rộng rãi hơn vì so với LED, LASER có góc phát quang nhỏ hơn, đồng thời công suất phát quang lớn hơn, do đó mật độ năng lượng ánh sáng do laser phát ra lớn hơn rất nhiều so với LED và năng lượng ánh sáng được tập trung. LD phát chùm ánh sáng cường độ cao dựa trên dòng ngưỡng đầu vào, hoạt động phụ thuộc nhiệt độ T. Transmit telescope:Thường sử dụng một thấu kính nhỏ và đặt luồng laser ngay tại tiêu điểm của hệ thống. Thấu kính này sẽ thu gọn và phát xạ trực tiếp luồng quang về phía thấu kính đặt ở phía thu. 3.1.2 Phần thu Sóng tín hiệu quang được phát đi từ phía phát sau khi tới bộ thu quang được biến đổi thành tín hiệu điện (nhờ photodiode), được khuếch đại và khôi phục thành tín hiệu có dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang. Photodiode (O/E) thực hiện tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo) tại đầu ra của nó.Bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp (DD). Các photodiode có thể là pin hoặc APD. Tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang, tín hiệu được tách ra trực tiếp ở băng gốc mà không có bất kỳ xử lý hoặc biến đổi nào. Receiver Telescope: Là bộ phận không kém phần quan trọng, giúp xác định góc mở của hệ thống và góp phần làm tăng lượng ánh sáng cho máy thu. Optical filter: Có chức năng loại bỏ các thành phần ánh sáng không mong muốn (như các tia bức xạ nền). Photodetector: Chức năng của detector đơn giản chỉ là chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thu được thành tín hiệu điện dựa trên hiện tượng quang điện. Tín hiệu thu được thường có biên độ nhỏ, vì vậy người ta thường đặt thêm bộ khuếch đại sau bộ detector. Có 2 loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến là photodiode PIN và photodiode thác APD. Post-dectection processer: Là bộ phận cần thiết để khuyếch đại, lọc và xử lý tín hiệu cần thiết để bảo đảm cho việc khôi phục dữ liệu có độ chính xác cao. Đối với kênh truyền dùng để truyền dẫn trong hệ thống FSO là Kênh khí quyển (Atmospheric Channel). Kênh truyền này có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống. Đối với kênh truyền dùng để truyền dẫn trong hệ thống FSO là Kênh khí quyển (Atmospheric Channel). Kênh truyền này có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống và sẽ được xem xét ở chương sau: 1.1.3 Đặc điểm của hệ thống FSO Thực tế nghiên cứu và triển khai FSO đã rút ra được những ưu nhược điểm của công nghệ FSO như sau: 1.1.3.1 Ưu điểm  Hệ thống FSO sử dụng ánh sáng để truyền tin mà tần số ánh sáng là rất lớn (300THz) nên băng thông dùng cho thông tin lớn hơn rất nhiều so với dải RF (105Hz), nên không cần phải lo lắng về quĩ băng thông. Tốc độ của hệ thống trung bình từ 100 Mbps đến 1.25 Gbps và có thể đạt tới 160 Gbps (trong phòng thí nghiệm), điểm này thích hợp cho mạng LAN và WLAN. Chùm sáng hẹp nên công suất phát được tập trung và các tuyến FSO không ảnh hưởng lẫn nhau (không bị ảnh hưởng bởi fading đa đường) [3][4]  Một điều đáng chú ý nữa đối với hệ thống truyền tin không dây là việc đăng kí tần số hoạt động. Việc đăng ký này nhằm mục đích quản lý tần số và tránh gây nhiễu cho các hệ thống khai thác cùng loại. Nhưng đối với FSO, việc đăng kí tần số là không cần thiết, vì vậy tránh được một loạt các thủ tục phức tạp.  Khả năng triển khai và lắp đặt: Ngày nay với sự phát triển không ngừng, ngày càng có nhiều đô thị và thành phố lớn mọc lên. Tại những nơi này có cơ sở hạ tầng phát triển như: đường cao tốc, tàu điện ngầm…thì việc triển khai một mạng cáp trong cự ly tương đối ngắn thật không dễ dàng. Nhưng với FSO thì việc đó tương đối dễ dàng và nhanh chóng, có thể lắp đặt hệ thống trong vòng một giờ với điều kiện điểm thu và phát phải nhìn thấy nhau.  Chi phí cho việc triển khai và lắp đặt: thấp hơn so với các hệ thống khác vì FSO kế thừa các nguồn thu phát của hệ thống thông tin sợi quang, có thể truyền và nhận tín hiệu thông qua cửa sổ, có thể gắn kết các hệ thống FSO bên trong tòa nhà vì vậy giảm bớt không gian và đơn giản hóa dây và cáp [1]  Tính tương thích: FSO tương thích với hầu hết các chuẩn truyền dữ liệu hiện nay như Ethernet, T1, E1, STM-N …cho phép truyền trong suốt các dữ liệu, các ứng dụng. Đối với việc quản lý, bảo dưỡng hệ thống cũng không đòi hỏi tính kỹ thuật cao [4]  Tính bảo mật: hệ thống FSO có tính bảo mật cao do sử dụng ánh sáng để truyền tin nên việc dò tìm, đánh cắp thông tin cũng khó khăn, các kẻ phá hoại không thể dùng các máy dò phát hiện tần số để lấy trộm thông tin. Tia sáng truyền từ máy phát tới máy thu hết sức mảnh, nên việc tách lấy một phần ánh sáng phục vụ cho việc bất chính là nằm ngoài khả năng. Mức độ bảo mật của FSO tương đương với hệ thống sử dụng công nghệ quang sợi.Thực tế, ngoài sự bảo mật ở lớp vật lý của hệ thống, các ứng dụng khai thác nằm ở các lớp trên cũng tạo ra một sự bảo vệ hết sức chắc chắn [5] 1.1.3.2 Nhược điểm  Hệ thống FSO yêu cầu máy phát và máy thu phải nhìn thấy nhau. Đây là điều kiện tối thiểu và cũng là nguyên nhân góp phần làm giảm khả năng ứng dụng của hệ thống.  Nhưng nhược điểm lớn nhất là sự phụ thuộc rất lớn của FSO vào môi trường khí quyển: Do môi trường khí quyển biến đổi phức tạp (các hiện tượng thời tiết bất thường của ngày, sự thay đổi của mùa và của từng vùng khác) và có vô vàn các tác nhân (Sương mù, mưa, các hạt nước li ti, các phân tử khí, các vùng nhiệt độ thay đổi thất thường, các tác nhân vật lý khác…) có thể tác động đến tín hiệu. Nên tín hiệu truyền đi từ máy phát tới máy thu bị suy giảm, không đồng đều, làm cho chất lượng của hệ thống không ổn định. Chính vì vậy làm cho hệ thống này chậm phát triển hơn so với các hệ thống khác. Do đó, vấn đề đặt ra là việc phát triển công nghệ chế tạo laser làm cho máy phát phát công suất hiệu quả; các detector có độ nhạy cao, nhiễu thấp và các mã đường truyền có độ lợi mã cao, khả năng sửa lỗi tốt… cũng là vấn đề được đặt ra nhằm cải tạo và phát triển hệ thống.  Ngoài ra, để cho hệ thống đi vào hoạt động và ổn định thì việc căn chỉnh cho ánh sáng đi từ máy phát tới máy thu được, cần phải căn chỉnh một cách chính xác. Việc căn chỉnh này có thể thực hiện được bằng nhân công hoặc bằng cách tự động, đương nhiên là tự động sẽ hiệu quả hơn nhưng kéo theo giá thành của hệ thống tăng lên. 1.1.3.3 So sánh với các công nghệ khác Mỗi hệ thống truyền dẫn (không dây hoặc có dây) đều có những đặc trưng riêng của mình, kể cả ưu điểm và nhược điểm. Trong nhiều trường hợp, việc đưa ra những so sánh để lựa chọn các hệ thống cho phù hợp với các mục đích sử dụng là điều không dễ dàng và không thể tránh khỏi. Để so sánh các hệ thống truyền dẫn với nhau, ta đánh giá dựa trên các tiêu chí về kỹ thuật cũng như thương mại. Giá cả là điều quan tâm đối với tính thương mại hóa của một hệ thống cũng như một công nghệ nào đó. Về mặt kỹ thuật, ta xét đến tốc độ truyền dẫn, thời gian lắp đặt, trình độ công nhân lắp đặt, quá trình bảo dưỡng, khả năng khai thác trên mạng hiện có, mức độ bảo mật và các ưu khuyết điểm nếu có. Nhiễu trong hệ thống FSO Cũng như các hệ thống thông tin khác, hệ thống FSO cũng tồn tại nhiều loại nhiễu khác nhau. Nhiễu là một trong những yếu tố quan trọng góp phần làm giảm chất lượng của hệ thống, bao gồm: − Nhiễu nền (background noise) − Nhiễu nhiệt (Thermal noise) − Nhiễu bắn (Shot noise): nhiễu dòng tối (Dark current noise) và nhiễu lượng tử (Quantum noise) − Ngoài ra, còn có một số loại nhiễu khác: nhiễu ASE khi hệ thống sử dụng bộ khuếch đại, nhiễu vượt mức (Excess noise) đối với bộ tách sóng là APD… 1.4.1 Nhiễu nền (Background noise) [1] Nhiễu nền là nhiễu do môi trường khí quyển sinh ra. Nó sinh ra do cả hai trường hợp bức xạ bầu trời (là nguồn được mở rộng – Extended source) và bức xạ mặt trời (là nguồn được khoanh vùng – localised source). Bức xạ nền từ các vật thể không gian khác (như các ngôi sao) và các bức xạ nền bị phản xạ được giả định là yếu, không đáng kể đối với tuyến FSO đang xét (tuyến FSO mặt đất), tuy nhiên chúng cũng đóng góp đáng kể vào nhiễu nền trong các hệ thống FSO không gian bên ngoài khí quyển. Độ rọi bức xạ (Irradiance) hay còn được gọi là cường độ (Intensity) là các thuật ngữ đo bức xạ cho công suất trên một đơn vị diện tích của một bức xạ điện từ tại một bề mặt. [10] Trong đó, độ rọi bức xạ cho cả trường hợp nguồn được mở rộng và nguồn được khoanh vùng được cho bởi các biểu thức (1.6) và (1.7) sau: [1] 4 Ω∆ = πλ λ N I sky (1.6) Trong đó: I sky : là cường độ trường hợp nguồn được mở rộng (W/m 2 ) λ N : là phổ bức xạ (spectral radiaton) (W/m 2 .sr.nm) λ ∆ : là độ rộng băng BPF quang tại bộ thu (nm) [1][10] Ω : là FOV bộ thu (rad) λ λ ∆= .WI Sun (1.7) Trong đó: I Sun : là cường độ trường hợp nguồn được khoanh vùng (W/m 2 ) λ W : là phổ độ rọi bức xạ (spectral radiation emittance) (W/m 2 .nm) λ ∆ : là độ rộng băng của bộ BPF quang tại bộ thu (nm) Bằng việc chọn lựa cẩn thận một bộ thu với một FOV và λ ∆ hẹp thì tác động của nhiễu nền có thể được giảm thiểu đáng kể. Bộ BPF quang phía trước bộ thu hoặc thấu kính có λ ∆ < 1nm là giá trị có thể sử dụng thực tế hiện nay. Các giá trị thực nghiệm của λ N và λ W dưới những điều kiện quan sát khác nhau thì cũng có giá trị tham chiếu khác nhau. Trong trường hợp này, giá trị của λ W được cho bởi biểu thức: [11] ( ) 1 / 5 1 2 − = TC e C W λ λ λ (1.8) Trong đó: λ W : là phổ độ rọi bức xạ tại bước sóng λ (W/cm 2 m µ ) T: là nhiệt độ ( o K) λ : là bước sóng được xét ( m µ ) C 1 = 37,418 và C 2 = 14,388 khi diện tích vùng được xét tính theo cm 2 Nhiễu nền (background noise) cũng là một dạng của nhiễu bắn (Shot noise) và được thống kê theo dạng Gaussian có phương sai 2 Bg σ của nó được cho bởi biểu thức: ( ) SunSkyBg IIeBR += 2 2 σ (1.9) Trong đó: I sky : là cường độ trường hợp nguồn được mở rộng (W/m 2 ) I Sun : là cường độ trường hợp nguồn được khoanh vùng (W/m 2 ) B: là băng thông của bộ tách sóng (Hz) e: là điện tích của điện tử, e = 1,6.10 -19 C R: là đáp ứng của bộ tách sóng quang (A/W) Với: hceR / λη = η : là hiệu suất lượng tử λ : bước sóng truyền dẫn (m) h: là hàng số Plank, h = 6,625.10 -34 (Js) c: là vận tốc ánh sáng, c = 3.10 8 (m/s) Đối với hệ thống FSO ta đang xét thì nhiễu do bức xạ mặt trời là nhiễu ta cần xem xét. Khi đó, biểu thức 1.9 có thể được biểu diễn lại bởi biểu thức (1.10): SunBg eBRI2 2 = σ (1.10) 1.4.2 Nhiễu bắn (Shot noise) [12] Nhiễu bắn được xem là tổng hợp của nhiễu lượng tử (Quantum noise) và nhiễu dòng tối (Dark current noise) 1.4.2.1 Nhiễu lượng tử (Quantum noise) Nhiễu lượng tử sinh ra do sự va đập giữa các hạt photon trong quá trình tạo ra dòng photon (dòng điện ở ngõ ra của photodiode ứng với công suất quang tới). Nhiễu lượng tử thường được thống kê dạng Gaussian có trị trung bình bằng 0 và phương sai 2 q σ : ( ) MFMeBI pq 22 2 = σ (1.11) Trong đó: I p : là dòng photon trung bình (dòng điện ở ngõ ra của photodiode) (A) e: là điện tích của điện tử (C) B: là băng thông của bộ thu (Hz) M: là hệ số nhân thác lũ của APD F(M): là hệ số nhiễu của APD và được xác định theo biểu thức: F(M) = M X X thường có giá trị (0,3 – 0,5) đối với APD silicon và (0,7 - 1) đối với APD germanium. Đối với photodiode PIN thì M và F(M) bằng 1 1.4.2.2 Nhiễu dòng tối (Dark current noise) Khi chưa có công suất quang đưa tới photodetector nhưng vẫn có một lượng dòng điện nhỏ chảy trong mạch. Dòng này được gọi là dòng tối. Nó phân phối nhiễu đến toàn hệ thống và cho sự dao động ngẫu nhiên. Nhiễu do dòng tối được xác định như sau: ( ) MFMeBI dd 22 2 = σ (1.12) Trong đó: I d : là dòng tối (A) e: là điện tích của điện tử (C) B: là băng thông của bộ thu (Hz) M: là hệ số nhân thác lũ của APD F(M): là hệ số nhiễu của APD 1.4.3 Nhiễu nhiệt (Thermal noise) Nhiễu nhiệt là nhiễu gây ra do điện trở tải của diode thu quang cũng như trở kháng đầu vào của bộ tiền khuếch đại. L t R KTB4 2 = σ (1.13) Trong đó: K: là hằng số Boltzmann, K = 1,38.10 -23 J/ o K T: là nhiệt độ ( o K), T = o C + 273 R L : điện trở tải ở nhiệt độ T ( Ω ) B: là bề rộng băng (Hz) Thực tế, bộ thu còn chứa nhiều linh kiện điện tử khác, và nó cũng sinh ra nhiễu. ví dụ nhiễu sinh ra trên bộ khuếch đại, lượng nhiễu này thường xuất hiện ở tầng tiền khuếch đại. nếu gọi Fn là hệ số nhiễu của bộ khuếch đại thì nhiễu nhiệt ở công thức (1.13) sẽ được viết lại như sau: L t R KTFnB4 2 = σ (1.14) Trong một số trường hợp thực tế, nhiễu dòng tối thường nhỏ và không đáng kể, phương sai của nhiễu tổng được viết như sau: 2222 tqBg σσσσ ++= CHƯƠNG 2: