Phục Vụ Các Hoạt Động Của Con Người Trong Không Gian

con sông, qua một đường phố rất đông đúc, qua đường ray xe lửa hoặc nhưng nơi mà đường nối trực tiếp là không thể thực hiện được hoặc quá đắt để thực hiện.

- Truyền hình với độ nét cao (HD): Do yêu cầu khổng lồ về băng thông của máy quay độ nét cao và tín hiệu truyền hình với độ nét cao, công nghệ FSO ngày càng được sử dụng nhiều ở ngành công nghiệp truyền hình dùng để truyền tín hiệu trực tiếp từ máy quay có độ nét cao (HD) ở các trạm di động tới trung tâm truyền hình (Truyền hình trực tiếp).

2.1.3 Ứng dụng trong trao đổi thông tin cá nhân

Truyền thông quang không dây với khoảng cách ngắn đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân trong vòng vài thập kỷ gần đây. Bên cạnh những ưu điểm như băng thông khổng lồ, phổ tần không cần đăng ký thì còn một ưu điểm nữa khiến cho thông tin quang không dây thích hợp cho trao đổi thông tin giữa các thiết bị cá nhân đó là an toàn cho sức khỏe và an toàn thông tin cao.

Nguyên nhân là do khoảng cách ngắn, yêu cầu công suất phát bức xạ quang thấp. Hơn thế nữa, các thiết bị sử dụng công nghệ FSO không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác. Các ứng dụng trong điều khiển, trao đổi thông tin qua giữa các điện thoại…đều có thể ứng dụng được công nghệ truyền thông quang không dây.

2.2 Ứng dụng trong thông tin vệ tinh

Sóng vô tuyến thường được sử dụng để truyền thông tin giữa các vệ tinh và giữa các vệ tinh với trạm mặt đất. Tuy nhiên, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh đang được phát triển gần đây đó là sử dụng bức xạ quang laser làm tín hiệu mang tin thay cho sóng vô tuyến.

Hình 2.3 FSO trong thông tin vệ tinh

Cơ quan vũ trụ Châu âu (ESA) trong dự án SILEX đã sử dụng đường truyền dẫn quang không dây 50 Mbps để trao đổi thông tin hai lần một ngày giữa một vệ tinh tầm thấp (LEO) và một vệ tinh địa tĩnh (GEO) từ năm 2003.

Chương trình thông tin liên quỹ đạo giữa các vệ tinh sử dụng bức xạ quang (OICETS) đã được nghiên cứu và phát triển bởi cơ quan thăm dò vũ trụ Nhật Bản (JAXA) trong năm 2005.

Chính vì thế, xu hướng mới trong thông tin vệ tinh là sử dụng thông tin quang không dây để phục vụ nhiều mục đích trong không gian khác nhau. Dưới đây sẽ trình bày một số hoạt động cần thiết trong không gian sử dụng thông tin quang không dây:

2.2.1 Phục vụ các hoạt động của con người trong không gian

Trong tương lai gần, không chỉ phi hành gia mà những người bình thường cũng sẽ có cơ hội du lịch trên không gian vũ trụ bằng tàu vũ trụ. Du lịch vũ trụ phát triển, điều tất yếu là sẽ yêu cầu có kết nối internet tốc độ cao trên các tàu vũ trụ và các trạm vũ trụ.

Trên các trạm vũ trụ như trạm vũ trụ quốc tế (ISS), các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần có những phương tiện giải trí như ở mặt đất. Ví dụ như, để giải tỏa căng thẳng và giải trí, các phi hành gia và các chuyên gia cũng cần xem các bộ phim nổi tiếng, các bài hát hay…như ở dưới mặt đất. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện nếu sử dụng thông tin quang không dây.

Nếu sử dụng đường truyền quang 1 Gbps, chúng ta có thể gửi lên trên vũ trụ những bộ phim, bản nhạc mới nhất chỉ trong vòng vài phút. Và điều quan trọng hơn,

đó là các nhà khoa học có thể gửi được những số liệu thu thập và kết quả nghiên cứu một cách tức thời từ trên trạm vũ trụ xuống mặt đất và ngược lại.

Truyền thông quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng để thực hiện những mục đích đó.

2.2.2 Truyền dữ liệu từ những vệ tinh quan sát

Rất nhiều vệ tinh quan sát trái đất đã được phát triển phục vụ cho việc dự báo thời tiết và thăm dò trái đất. Để việc đo đạc được chính xác hơn, độ phân giải từ các cảm biến phải càng cao và như vậy tần suất và phạm vi quan sát càng lớn hơn. Vì thế yêu cầu tốc độ truyền dẫn dữ liệu từ vệ tinh đến trạm mặt đất phải lớn hơn. Thông tin quang không dây có thể đáp ứng được điều này.

Hình 2.4 Truyền dẫn quang không dây từ vệ tinh tới trạm mặt đất

2.2.3 Trao đổi thông tin giữa tàu vũ trụ và các vệ tinh

Trong rất nhiều tàu vũ trụ, kết nối internet hoàn toàn có thể thực hiện được. Các tàu vũ trụ sử dụng bằng Ku cho việc kết nối. Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa hiện tại là 20Mpbs khi truyền từ các vệ tinh tới tàu vũ trụ và 1Mbps khi truyền từ các tàu vũ trụ tới vệ tinh. Với tốc độ truyền dẫn như vậy, cản trở rất lớn khi yêu cầu trao đổi thông tin tức thì hoặc khi yêu cầu truyền dẫn dữ liệu dung lượng lớn. Chính vì thế mà công nghệ truyền dẫn quang không dây đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng trong truyền dẫn giữa các vệ tinh, giữa vệ tinh và các tàu vũ trụ…

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG VIỆC THIẾT KẾ TUYẾN QUANG KHÔNG DÂY

3.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu các vấn đề chi tiết hơn trong việc xây dựng vận hành và tối ưu 1 tuyến quang không dây – ứng dụng đặc trưng nhất của hệ thống quang không dây như sau:

 Các phần cần có trong 1 tuyến quang

 Yếu tố ảnh hưởng, đánh giá, nâng cao chất lượng tuyến quang không dây

 Đặc điểm đường truyền trong FSO

 Vấn đề lựa chọn tần số

3.2 Đặc điểm, yêu cầu của bộ phát

Yêu cầu quan trọng của hệ thống là kích thước và phẩm chất.

 Kích thước bề mặt laser xác định công suất ra lớn nhất an toàn có thể giảm những ảnh hưởng khi có vật cản (như chim bay ngang qua).

 Phẩm chất của thiết bị cùng với số F (xác định trường nhìn) và bước sóng, xác định độ phân tán của chùm laser ở phía thu.

Lựa chọn những bộ phát có những tham số gần với những thiết bị phát của mạng cáp quang nhằm giảm giá thành và khâu chuẩn bị thiết bị trong quá trình thiết kế. Thiết bị phát phải có công suất lớn, đảm bảo an toàn với mắt người. Thường sử dụng theo chuẩn phân loại sau:

Bảng 3.1 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	N/A	N/A	N/A
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

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 72 trang tài liệu này.

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 bị nhìn trược tiếp bởi mắt người 1 cách tình cờ.

3.3.1 Nguồn phát

Bộ phát thường sử dụng laser diode vì nó phổ biến trên thị trường và đáp ứng những bước sóng mong muốn.

Những tham số then chốt cần phải xem xét trong quá trình thiết kế: bước sóng λ, công suất P0, thời gian lên tr , thời gian xuống tf .

LD phát chùm ánh sáng cường độ cao dựa trên dòng ngưỡng đầu vào, hoạt

động phụ thuộc nhiệt độ T. Hình 3.1 thể hiện 2 đặc tuyến của cường độ ánh sáng đầu ra trên dòng đầu vào ở hai điều kiện nhiệt độ khác nhau T1 và T2 (T1 < T2). Ta thấy, dòng ngưỡng Ith dịch sang phải ở nhiệt độ T2. Dòng ngưỡng này là hàm của nhiệt độ:

(3.1)

Trong đó I0, K1, T1 là những hằng số cho từng laser cụ thể. Ví dụ, laser DBF có I0=1.8mA, K1=3.85mA và T1=40oC.

Hình 3.1 Dòng laser, điện áp thuần và công suất quang đầu ra

Hình 3.1 cho thấy khi nhiệt độ tăng từ T1 lên T2 thì đặc tuyến của Laser thay đổi. Ở đây ta thấy độ dốc giảm và dòng Ith tăng làm cho hiệu suất của Laser giảm.

Quá trình điều chế làm việc như sau: ta duy trì một dòng phân cực qua LD đủ bằng Ith, khi truyền bit „1‟ dòng phân cực tăng lên (Ith +I0) tạo phát xạ lớn đầu ra. Còn khi truyền bit „0‟ thì dòng vẫn giữ nguyên hoặc có tăng nhưng chưa đủ như ở mức „1‟ thì không có tín hiệu. Có nhiều phương pháp điều chế nhưng phương pháp điều chế cường độ IM hay OOK phù hợp với tính đặc tính này nhất.

Ngoài cách thức điều chế và công suất, thì vấn đề tần số cũng quan trọng cho việc lựa chọn thiết bị. Có 2 cửa sổ tần số mà thường được dùng trong LASER có bước sóng 780-925nm và 1525-1580nm.

Hình 3.2 Điều chế IM ở hai nhiệt độ khác nhau

Hệ thống FSO phải đạt được các chỉ tiêu sau:

 Khả năng hoạt động ở tần số cao (quan trọng đối với hệ thống FSO khoảng cách xa).

 Sự điều chế tốc độ cao (quan trọng đối với hệ thống FSO tốc độ cao).

 Vùng phủ nhỏ và công suất tiêu thụ nhỏ (điều này luôn quan trọng trong tất cả các hệ thống).

 Có khả năng hoạt động trong phạm vi nhiệt độ lớn mà không giảm hiệu suất đáng kể (quan trọng đối với hệ thống ngoài trời).

 Thời gian trung bình giữa 2 lần bị sự cố là hơn 10 năm.

Để thỏa mãn yêu cầu trên, ta thường sử dụng Laser phát xạ mặt với bộ cộng hưởng thẳng đứng (VCSELs) dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại ngắn và Laser FD hay DFB dùng cho phạm vi bước sóng hồng ngoại dài. Các loại Laser khác là không thích hợp cho hệ thống FSO hiệu suất cao.

Hình 3.3 Cấu tạo Laser VCSEL

3.3.2 Bộ 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. Công nghệ EDFAs và SOA cũng có thể khuếch đại 1 bước sóng và đa bước sóng đồng thời, cái mà được biết là ghép kênh phân chia bước sóng (WDM). Với độ lợi có thể lớn hơn 30dB, EDFAs có thể tạo ra công suất ra ở bước sóng 1550nm của 1 hệ thống FSO lên khoảng 1W đến 2W. Ở thời điểm hiện tại EDFAs có thể giá thành còn khá cao, và mục đích sử dụng của chúng ta hướng tới hệ thống hoạt động ở tốc độ 1 Gbps.

3.3 Đặc điểm, yêu cầu của bộ thu

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 nghê silicon hay InGaAs. Tất cả các thiết bị có 1 đáp ứng phổ khá rộng, và không như Laser, chúng không hoạt động ở 1 khoảng bước sóng đặc biệt. Nếu ta cần giải điều chế 1 bước sóng đặc biệt trong hê thống WDM, thì các bộ lọc bước sóng bên trong sẽ kết hợp chặt chẽ vào trong thiết kế.

3.3.1 Bộ tách sóng các bước sóng ngắn (hồng ngoại 1330nm)

Silicon là thường được sử dụng là vật liệu tách sóng trong vùng bước sóng gần hồng ngoại và thấy được. Công nghệ silicon là rất hoàn thiện, và thiết bị thu silicon có thể tách được tín hiệu của các ánh sáng ở mức cực thấp.

Cũng như phần lớn vật liệu tách sóng băng rộng, Silicon có 1 đáp ứng phổ độc lập với bước sóng hoạt động của bộ phát. Bộ tách sóng dựa trên Silicon thường có 1 đáp ứng nhạy cao tại bước sóng 850nm, tạo ra bộ tách sóng lí tưởng sử dụng cùng với bộ phát xạ VCSELs bước sóng ngắn 850nm. Tuy nhiên độ nhạy của nó giảm nhanh khi ở vùng bước sóng 1µm. Như kết quả thực nghiệm, 1100nm đánh dấu bước sóng cắt của bộ tách sóng dùng silicon, và nó không thể hoạt động ngoài vùng này. Bộ tách sóng silicon có thể hoạt động ở băng thông rất lớn, một ứng dụng hiện tại là khoảng 10Gbps. 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 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 -34dB ở tốc độ 155Mbps.

 Si-APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại 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 -55dBm ở tốc độ vài Mbps, -52dBm ở tốc độ 155Mbps, -46dBm ở 622Mbps.

Bộ tách sóng silicon có thể hơi lớn về kich thước (ví dụ: 0.2 x 0.2 mm) và vẫn hoạt động ở tốc độ cao. Đặc tính này sẽ giảm thiểu suy hao khi ánh sáng tập trung vào bộ tách sóng và hoặc là các thấu kính đường kính lớn hay gương parabol phản xạ được dùng.

3.3.2 Bộ tách sóng các bước sóng dài (hồng ngoại 1550nm)

InGaAs là vật liệu thường dùng cho việc tách sóng các bước sóng dài. Tương tự như Silicon, InGaAs là 1 vật liệu tách sóng băng thông rộng, và đáp ứng phổ hay hiệu ứng lượng tử cơ bản là phụ thuộc vào bước sóng giải điều chế.

Các thập niên trước, đặc tính của bộ tách sóng InGaAs về độ nhạy, băng thông hữu dụng và các kỹ thuật sợi quang bước sóng 1550 nm đã liên lục được phát triển. Gần 100% hệ thống sợi quang sử dụng InGaAs là vật liệu tách sóng.

Về mặt kinh tế, bộ tách sóng InGaAs là có thể tối ưu cho bước sóng 1310 nm hoặc 1550 nm. Vì độ nhạy giảm nghiêm trọng ở các bước sóng ngắn nên InGaAs không dùng cho việc tách sóng ở phạm vi bước sóng 850nm.

Lợi ích lớn nhất của bộ tách sóng InGaAs là khả năng hoạt động ở băng thông cực lớn kết hợp với đáp ứng phổ cao ở bước sóng 1550 nm. Hầu hết các bộ thu InGaAs sử dụng công nghệ PIN hay APD. Cũng như slicon, InGaAs APD có độ nhạy cao hơn vì tiến trình khuếch đại bên trong. Giá trị độ nhạy băng thông cao -46dBm ở tốc độ 155Mbps, hay -36dBm cho tốc độ 1,25 Gbps; mặc dù kích thước của bộ tách sóng InGaAs là nhỏ hơn so với thiết bị tương tự cho silicon. Điều này làm cho việc nối kết ánh sáng gặp nhiều khó khăn hơn.