Mô Hình Một Bộ Thu Phát Laser Dùng Trong Hệ Thống Fso

Hình 3.4 Mô hình một bộ thu phát Laser dùng trong hệ thống FSO

3.4 Đặc điểm kênh truyền trong hệ thống FSO

3.4.1. Các loại suy hao trong môi trường truyền dẫn FSO

Kênh truyền của hệ thống FSO bao hàm sự truyền, hấp thụ và tán xạ ánh sáng bởi khí quyển trái đất. Khí quyển tương tác với ánh sáng phụ thuộc vào thành phần không khí, trong điều kiện bình thường, bao gồm nhiều loại phân tử khí và các hạt lơ lửng khác nhau. Sự tương tác tạo ra nhiều hiện tượng quang học khác nhau: hấp thụ chọn lọc, tán xạ, sự chập chờn ánh sáng thu được.

Sự hấp thụ chọn lọc: của những bức xạ được truyền trong các bước sóng ánh sáng được tạo ra từ những tương tác của các photon và các phân tử, nguyên tử (H2O, CO2, N2, O2, H2, O3…). Điều này dẫn đến sự biến mất của các photon truyền tới, suy hao tín hiệu và làm tăng nhiệt độ xung quanh. Hiện tượng này phụ thuộc vào thành phần không khí và bước sóng ánh sáng sử dụng. Có những vùng bước sóng mà sự truyền gần như trong suốt (không có hấp thụ) gọi là cửa sổ tần số.

Hình 3.5 Ảnh hưởng của môi trường đến tuyến FSO

Tán xạ: môi trường không khí là kết quả tương tác một 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. Và trong điều kiện thực tế thì chủ yếu tạo ra do sương mù, mưa phùn.

Hiện tượng chập chờn: trong FSO là những sự thay đổi của tín hiệu 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 trên đường truyền được tạo ra. Các lớp này có khoảng cách biến đổi (10cm – 1km) và có nhiệt độ khác nhau, tạo ra các hệ số khúc xạ khác nhau là nguyên nhân sinh ra sự tán xạ, đa đường, biến đổi góc tới. Tín hiệu thu được thay đổi nhanh với phạm vi tần số 0.01 – 200 Hz. Mặt sóng thay đổi tạo ra sự hội tụ và phân kỳ của chùm ánh sáng.

Ngoài ra, các tác động khác cũng ảnh hưởng rất lớn đến đường tryền như các vật chắn phát sinh trong khi sử dụng: cây cối phát triển, các loài sinh vật biết bay, sự di chuyển của tòa nhà hay cột tháp lắp thiết bị, sự chấn động của mặt đất làm lệch hướng tia sáng. Các loại này xác xuất xảy ra rất thấp và ta cũng có thể loại bỏ được.

Sơ đồ tổng kết ảnh hưởng môi trường tới hệ thống FSO:

Ảnh hưởng của khí quyển trong sự truyền của trường ánh sáng

Ảnh hưởng làm suy giảm tín hiệu

Ảnh hưởng của hệ số phản xạ

Sự nhiễu loạn của không khí ngẫu nhiên làm thay đổi hệ số phản xạ

Mất tia sáng, do sự thay đổi chậm của các hệ số phản xạ

Tán xạ

+ Tán xạ Rayleigh (bởi cộng hưởng electron)

+ Tán xạ Mie (do các hạt phân tử trong không khí)

Hấp thụ

+ Hấp thụ vạch của các phân tử khí

+ Hấp thụ liên tục;

+ Hấp thụ bởi các phần tử đặc. lỏng.

Suy hao trong không gian

Méo mặt sóng

Mở rộng tia sáng

Nhấp nháy

Thay đổi góc tới

3.4.2 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. Nguyên nhân là 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. Thực tế cho thấy, nếu sự thăng giáng yếu thì hàm phân bố cường độ tín hiệu tỉ lệ theo hàm logarit. Đối với quang không gian sử dụng truyền lan theo phương ngang, sự thay đổi này mạnh hơn nên hàm phân bố cường độ thu theo quy luật hàm mũ.

Tham số thường được sử dụng để đo mức độ thay đổi không khí là tham số cấu

trúc khúc xạ . Nó quan hệ trực tiếp với tốc độ gió. Sự thay đổi của có thể được sử dụng để dự đoán sự thay đổi cường độ tín hiệu ở đầu thu.

(3.2)

Trong đó: là phương sai của sự thay đổi cường độ tín hiệu. là tham số cấu trúc khúc xạ ( .

k là hằng số truyền sóng (rad/m). L là khoảng cách (m).

Từ biểu thức ta thấy:

 Cường độ thay đổi không khí tỉ lệ nghịch với bước sóng sử dụng (hệ thống hoạt động ở bước sóng 780 nm có sự thay đổi khoảng hai lần ở 1550 nm).

 Ảnh hưởng sự thay đổi tỉ lệ thuận với khoảng cách.

Ảnh hưởng của sử thay đổi được mô tả trong hình 3.6. Hình vẽ thể hiện miệng máy thu với những đóm màu đen và trắng được phân bố ngẫu nhiên. Kích thước vệt đóm tỉ lệ (λR)1/2.

 Ở bước sóng dài vệt đốm lớn hơn ở miệng máy thu. Điều này không tốt cho hoạt động của hệ thống vì có ít vệt đốm trên miệng thu. Nếu miệng thu chỉ nhận được một vệt thì yêu cầu phía phát phải tăng công suất để đảm bảo BER khi vệt đó là vệt đen.

 Kích thước tỉ lệ với căn bậc hai với khoảng cách. Cự li xa hơn ảnh hưởng xấu đến hệ thống.

Hình 3.6 Vệt đốm và kích thước trung bình miệng thu

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

3.5.1 Tham số ảnh hưởng đến chất lượng của tuyến

3.5.1.1 Phương trình truyền của tuyến

Phương trình truyền của hệ thống quang không gian ở dạng đơn giản (bỏ qua hiệu suất quang máy phát, nhiễu máy thu…):

(3.3)

Trong đó:

là diện tích mặt máy thu (m2)

Div là góc phân kì của chùm tia (radian).

α là hệ số suy giảm không khí .

Ptransmit là công suất máy phát (W).

exp(-α.Range) là hàm mũ cơ số e của tích hệ số suy giảm và khoảng cách.

Công suất thu tỉ lệ thuận với công suất phát và diện tích miệng thu. Tỉ lệ nghịch với bình phương của tích góc phân kì chùm tia và khoảng cách truyền. Tỉ lệ nghịch với hàm mũ của hệ số suy giảm không khí và khoảng cách.

Nhìn vào phương trình những biến có thể thay đổi được là: công suất phát, kích thước miệng thu, góc phân kì chùm tia và khoảng cách. Hệ số suy giảm thì không thể điều khiển được, phụ thuộc điều kiện môi trường bên ngoài và có thể độc lập với bước sóng trong môi suy hao nghiêm trọng.

Nhận thấy công suất thu phụ thuộc rất lớn vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách. Hình 3.7 mô tả điều này.

Điều đó có nghĩa là trong những điều kiện thời tiết xấu, dù người thiết kế có tăng công suất phát, kích thước miệng thu, lắp đặt chùm tia rất hẹp thì công suất thu vẫn không thay đổi. Chỉ có một tham số thay đổi được là khoảng cách, nó phải đủ ngắn để đảm bảo hệ số suy giảm không chiếm chủ yếu trong phương trình.

Hình 3.7 Công suất thu phụ thuộc vào tích hệ số suy giảm và khoảng cách

Trục x thể hiện khoảng cách R (m) của tuyến. Trục y là giá trị của hệ số nhân

exp(-α.Range) (hàm mũ logarit tự nhiên) và hệ số nhân trong biểu thức

(3.3).

Qua phần này ta thấy sự ảnh hưởng lớn của hệ số suy giảm trong môi trường

thời tiết xấu trong phương trình truyền so với các đại lượng khác. Tuy nhiên, ta có thể đạt được những thiết kế hiệu quả, tối ưu, hoạt động tin cậy và kinh tế dưới những ràng buộc này.

3.5.1.2 Độ suy giảm của không khí

Tham số ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền chủ yếu là sự suy hao không khí. Ta đi phân tích ảnh hưởng của tham số này.

Sự suy giảm công suất laser khi qua môi trường không khí được định nghĩa theo định luật Beers-Lambert:

Trong đó:

là hàm truyền ở khoảng cách R. P(R) là công suất ở khoảng cách R. P(0) là công suất ở nguồn phát.

α là hệ số suy giảm (1/Km).

(3.4)

Những hệ số suy giảm thường gặp : không khí khô = 0.1 (0.43dB/Km), bụi mù= 1 (4.3dB/Km) và sương mù =10 (43dB/Km).

Hệ số suy giảm tạo nên từ sự hấp thụ và tán xạ các photon laser của các phân tử khí trong không khí. Vì các bước sóng thường được lựa chọn để sử dụng (785 nm, 850 nm, 1550nm) nằm trong vùng cửa sổ truyền nên ảnh hưởng hệ số hấp thụ nhỏ so với tổng suy hao. Do đó, ảnh hưởng của hệ số suy giảm do tán xạ đường truyền gây ra là chủ yếu.

Loại tán xạ được xác định bởi kích thước hạt cụ thể so với bước sóng truyền.

Nó được mô tả bởi số kích thước gọi là tham số kích thước α :

(3.5)

Trong đó: r là bán kính hạt tán xạ,

λ là bước sóng laser.

Bảng 3.2 bán kính của hạt tán xạ trong không khí và tham số kích thước tương ứng của bước sóng laser 785 nm và 1550 nm.

Loại

Bán kính (µm)	Thông số kích thước α
Bán kính (µm)	785 nm	1550 nm
Phân tử không khí	0.0001	0.0008	0.0004
Sương mù	0.01 – 1	0.08 – 8	0.04 – 4
Hơi nước	1 – 20	8 – 160	4 – 80
Mưa	100 – 10000	800 – 80000	400 – 40000
Tuyết	1000 – 5000	8000 – 40000	4000 – 20000
Mưa đá	5000 – 50000	40000 – 800000	20000 - 400000

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 72 trang tài liệu này.

Tán xạ Rayleigh xảy ra khi những hạt không khí nhỏ hơn bước sóng laser (785 nm và 1550 nm) do những phân tử khí (Cox, Nox…) trong không khí. Hệ số suy giảm thay đổi theo λ-4 . Ảnh hưởng của tán xạ này trong hệ số suy giảm tổng là rất nhỏ.

Khi kích thước hạt tiến tới bước sóng laser, bức xạ của tán xạ hạt theo hướng ngược với hướng truyền. Tán xạ này là tán xạ Mie do hạt sương mù nhỏ gây ra. Với tán xạ Mie thì số mũ bước sóng trong quan hệ với hệ số suy giảm thay đổi từ -1.6 tới 0.

Hình 3.8 Tham số kích thước hạt tán xạ

Hình 3.8 thể hiện tham số kích thước hạt tán xạ trong bảng 3.2 ở bước sóng laser 785nm và 1550nm tương ứng cho tán xạ Rayleigh, Mie và tán xạ không lựa chọn.

Tán xạ thường gặp thứ ba xảy ra khi kích thước hạt lớn hơn bước sóng. Với tham số kích thước lớn hơn 50, tán xạ này gọi là tán xạ hình học hoặc không có lựa chọn (vì không có sự phụ thuộc của hệ số suy giảm vào bước sóng và số mũ của bước sóng trong hệ số suy giảm bằng 0). Những hạt tán xạ này đủ lớn để góc của bức xạ tán xạ có thể mô tả bằng quang hình học. Mưa rơi, tuyết và sương dày sẽ gây tán xạ này.

Lượng tán xạ không khí cho những tuyến thông tin ngắn hoặc là phụ thuộc vào bước sóng (tán xạ Mie) hoặc độc lập với bước sóng (tán xạ hình học hoặc không lựa chọn).

3.5.2 Tham số đánh giá chất lượng của tuyến

3.5.2.1 Khả năng sử dụng 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.

 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… Những thiết bị này thường được lắp đặt cùng hệ thống quang không gian. Từ số liệu của những thiết bị này, ta mới tính toán được hệ số suy giảm không khí. Và ta có thể ước lượng được chính xác khả năng sử dụng tuyến trên một khoảng cách đường truyền.

3.5.2.2 Tỉ lệ lỗi bit BER và tốc độ dữ liệu trên khoảng cách truyền

Ta xét ảnh hưởng của sương mù dựa trên khoảng tầm nhìn. Tòa nhà phía xa cách tòa nhà được chụp ảnh khoảng 300m. Bức hình bên trái thể hiện không khí khô, hệ số suy hao khoảng 6.5dB/Km (tầm nhìn 2000m) được đo thông qua dụng cụ nephelometer (dụng cụ đo độ đục) gắn trên máy chụp ảnh. Suốt quá trình sương mù, hệ số suy hao được đo khoảng 150dB/Km (tầm nhìn khoảng 113m) được thể hiện trong bức hình ở giữa, tòa nhà vẫn còn nhìn thấy. Ở bức hình bên phải, hệ số suy hao là 225dB/Km (tầm nhìn khoảng 75m) và tòa nhà hoàn toàn mất hút.