Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Kỹ Thuật Điều Chế QPSK Cho Hệ Thống
Thông Tin Quang Vô Tuyến DWDM
Lê Quốc Cường, Sở Thông tin và Truyền thông TPHCM, email:
Lê Duy Hưng, Học viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn thơng TPHCM, email:
Tóm tắt – Truyền thông quang vô tuyến FSO là công
nghệ truyền dẫn tín hiệu quang qua mơi trường vơ tuyến
(khơng gian tự do). Truyền thông quang vô tuyến đang
được xem như một giải pháp hứa hẹn thay thế cho các kết
nối vơ tuyến băng rộng nhờ các ưu điểm mà nó có được
bao gồm: Triển khai nhanh, trọng lượng thiết bị nhẹ,
truyền thơng dung lượng cao, chi phí thấp, khơng u cầu
cấp phép tần số. Trong truyền dẫn quang vô tuyến việc sử
dụng các kỹ thuật điều chế đã được đưa ra nhằm tăng hiệu
suất kênh truyền, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. FSO sử
dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp IM/DD cho hiệu suất
kênh truyền không cao, bị ảnh hưởng nhiễu loạn do kênh
truyền fading…Khi sử dụng kỹ thuật điều chế coherent thì
có tính linh hoạt hơn có thể sử dụng với bất kỳ loại điều
chế nào như biên độ, tần số hoặc pha. Giải pháp đưa ra ở
đây là ứng dụng cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng
DWDM kết hợp với kỹ thuật điều chế QPSK nhằm để tăng
hiệu suất kênh truyền, với kỹ thuật ghép kênh này cho
phép nhiều bước sóng cùng truyền được qua hệ thống
quang vơ tuyến do đó có thể tăng dung lượng kênh truyền,
đồng thời giải pháp này cũng đáp ứng ứng dụng cho việc
truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ cao.
Từ khóa – Quang vô tuyến (FSO), kỹ thuật điều chế

IM-DD, QPSK, ghép kênh phân chia theo bước sóng mật
độ cao DWDM.
I.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Các công nghệ FSO xuất hiện lần đầu tiên vào những
năm 1960. Đến cuối những năm 1980 những sản phẩm thương
mại đã xuất hiện nhưng khơng thành cơng vì những rào cản
công nghệ, cự ly ngắn, dung lượng thấp. Hiệu suất của hệ
thống FSO bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như mơi trường
truyền sóng, biến động ngẫu nhiên của khơng khí...trong q
trình thiết kế hệ thống FSO việc lựa chọn các kỹ thuật điều
chế thích hợp đóng một vai trị hết sức quan trọng và địi hỏi
phải có khả năng thích nghi tốt cho hiệu suất tối ưu, nhưng
khả năng thích nghi này kỹ thuật khá phức tạp để thực hiện và
trên thực tế là khơng thích hợp[4]. Khi cường độ quang bị ảnh
hưởng bởi các hiệu ứng như nhấp nháy, biến động do môi
trường gây ra, khi sử dụng kỹ thuật điều chế mang thông tin
vào pha hoặc tần số của tín hiệu thì tốt hơn nhiều. Điều chế
khóa dịch pha (PSK) có khả năng thích nghi tốt, do đó nó
cung cấp hiệu suất cao hơn so với kỹ thuật điều chế IM/DD
khi có sự biến động của môi trường[4].
Khi thiết kế hệ thống DWDM 40 Gbps 32 kênh sử dụng
kỹ thuật điều chế IM/DD cho chất lượng dịch vụ chưa cao và
bị ảnh hưởng bởi sự biến động ngẫu nhiên trong môi
trường[1]. Truyền dẫn quang vô tuyến FSO đơn kênh sử dụng
hệ thống coherent DWDM kết hợp với kỹ thuật điều chế
QPSK được đề suất với tốc độ bit từ 1Gbps đến 100 Gbps là

mở rộng của kỹ thuật điều chế IM/DD vấn đề này đã được

ISBN: 978-604-67-0635-9

409
409

nghiên cứu, nó cung cấp chất lượng dịch vụ tương đối cao
cũng như các ứng dụng truyền dẫn cao. Nhưng khi ghép kênh
FSO sử dụng hệ thống coherent DWDM kết hợp với kỹ thuật
điều chế QPSK với tốc độ bit cao lên đến 1.28 Tbps thì vấn đề
này mới được đưa ra và nghiên cứu lần đầu tiên.
II. HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN QUANG VƠ
TUYẾN FSO
A. Mơ hình hệ thống quang vơ tuyến FSO

Hình 1: Mơ hình kênh truyền quang vơ tuyến FSO
định:

Tín hiệu quang tại đầu vào của bộ tách sóng được xác

𝑦𝑦 𝑦 𝑎𝑎𝑎𝑎(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
(1)
Trong đó a, I, 𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋, lần lượt là tổng suy hao đường truyền,
cường độ tín hiệu phát, q trình ngẫu nhiên đại diện cho tín
hiệu nhấp nháy gây ra bởi nhiễu loạn khơng khí và y là tín
hiệu quang nhận được.
Suy hao kênh truyền gây ra bởi hai nguyên nhân chính là
do hấp thụ và tán xạ. Tổng suy hao kênh truyền được xác định
bởi:

𝐴𝐴

𝑎𝑎 𝑎 𝜋𝜋(𝜑𝜑𝜑𝜑/2)2 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒(−𝛽𝛽𝑣𝑣 𝐿𝐿)

(2)

Với A là khẩu độ thu, L khoảng cách truyền, 𝜑𝜑 góc phân kỳ
trong radian và 𝛽𝛽𝑣𝑣 là hệ số dập tắt khí quyển.
B. Mơ hình kênh truyền Log-normal

Khi tín hiệu quang qua kênh truyền khơng gian tự do nó
bị ảnh hưởng bởi các biến động ngẫu nhiên, hiệu ứng nhấp
nháy, nhiễu loạn khơng khí, ngay cả khi truyền ở khoảng cách
ngắn. Những nguyên nhân đó làm tăng tỉ lệ BER và làm giảm
hiệu suất của hệ thống. Khi biến động là yếu thì ảnh hưởng
của nhiễu loạn 𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋 là một q trình ngẫu nhiên có hàm phân
bố là log-normal. Giả sử rằng trung bình của quá trình ngẫu
nhiên 𝑋𝑋 là bình thường thì hàm phân bố mật độ xác suất (pdf)
cho bởi Majumdar được tính như sau[5].
𝑓𝑓𝑋𝑋 (𝑥𝑥𝑥𝑥

1

√2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑠𝑠 𝑥𝑥

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [−

2

(𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠2 ⁄2)

2𝜎𝜎𝑠𝑠2

]

(3)

Với 𝜎𝜎𝑠𝑠2 là phương sai cường độ log mà phụ thuộc vào đặc
tính kênh truyền và được cho như sau:


Thảo
Quốc
Gia
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông
Thông và
Thông
Tin Tin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
2015
vàCông
CôngNghệ

Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

𝜎𝜎𝑠𝑠2 = 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒

0.49𝜎𝜎𝑅𝑅2

12/5 7/6
(1+0.18𝑑𝑑 2 +0.56𝜎𝜎𝑅𝑅 )

+

0.51𝜎𝜎𝑅𝑅2
12/5 5/6
2
(1+0.9𝑑𝑑 +0.62𝜎𝜎𝑅𝑅 )

dụng là chất bán dẫn laser băng thơng rộng có cơng suất lớn,
máy thu được thiết kế sử dụng lượng thông tin truyền kết hợp
đầu vào chẳng hạn như bộ tiền khuếch đại quang (PIN) hoặc
diode quang điện thác (APD) có kích thước khác nhau[16].

] − 1 (4)

Với 𝑑𝑑 𝑑 √𝑘𝑘𝑘𝑘2 /4𝐿𝐿 , 𝑘𝑘 𝑘 𝑘𝑘𝑘⁄𝑘𝑘 là số sóng quang, L khoảng
cách truyền và D là đường kính khẩu độ thu. Tham số 𝜎𝜎𝑅𝑅2 là
phương sai Rytov, giả sử sự lan truyền sóng được cho bởi:
𝜎𝜎𝑅𝑅2 = 1.23𝐶𝐶𝑛𝑛2 𝑘𝑘 7/6 𝐿𝐿11/6


𝐶𝐶𝑛𝑛2

(5)

là chỉ số độ cao phụ thuộc của chiết suất và có giá
Với
trị trong khoảng 10-17 đến 10-12 tùy thuộc độ mạnh, yếu trong
kênh truyền nhiễu loạn khơng khí.

Hình 2: Khoảng cách truyền của IM/DD trong FSO
Tại đầu ra của bộ tách sóng APD có tín hiệu điện là khác
nhau ở trạng thái "on" hoặc "off" và được cho bởi:
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔2𝑃𝑃𝑡𝑡 + 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜"
(13)
𝑟𝑟𝑒𝑒 = {
𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛
Với 𝑔𝑔 độ lợi trung bình, 𝑃𝑃𝑡𝑡 cơng suất phát quang trung bình,
R độ nhạy bộ tách sóng APD. Ngược lại với nhiễu nhiệt, nhiễu
bắn phụ thuộc vào thành phần của bên trong bộ tách sóng
APD nó khác nhau ở trạng thái "on" và "off". Nhiễu bắn có
thể được mơ hình hóa ngẫu nhiên như nhiễu Gaussian
2
(AWGN) với nghĩa 0 và phương sai 𝜎𝜎𝑆𝑆𝑆
2
2𝑞𝑞𝑞𝑞 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑡𝑡 ∆𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑜𝑜𝑜𝑜"
2
𝜎𝜎𝑆𝑆𝑆
={
(14)

0,
"𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
Trong đó q là điện tích electron, 𝐹𝐹𝐴𝐴 biểu thị hệ số nhiễu vượt
quá của APD được cho bởi:
(15)
𝐹𝐹𝐴𝐴 = 𝑘𝑘𝐴𝐴 𝑔𝑔 𝑔 (1 − 𝑘𝑘𝐴𝐴 )(2 − 1⁄𝑔𝑔𝑔
Với 𝑘𝑘𝐴𝐴 là hệ số ion hóa. Phương sai của tổng số lượng nhiễu
APD được cho bởi[16]:

C. Mơ hình kênh truyền Gamma-gamma
Khi kênh truyền nhiễu động mạnh, phân bố log-normal
tạo ra sự khác biệt lớn với các kết quả ở thực nghiệm. Lý do là
hàm pdf log-normal đánh giá thấp sự ảnh hưởng ở những đoạn
cuối so với kết quả thực nghiệm. Trong trường hợp này 𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋𝑋
có thể được mơ hình hóa như một q trình dừng với phân bố
gamma-gamma và được tính bởi[5]:
𝑓𝑓𝑋𝑋 (𝑥𝑥) =

2(𝛼𝛼𝛼𝛼)(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄2
Γ(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼

𝑥𝑥

(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄
2−1 𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (2√𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)

(6)

Với Γ(. ) là hàm gamma, 𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (. ) là hàm sửa đổi Bessel và
có thứ tự 𝛼𝛼 𝛼 𝛼𝛼. 𝛼𝛼 và 𝛽𝛽 là tham số pdf mô tả những biến động

diễn ra của sóng. Trong trường hợp thang đo nội tại là 0
(𝑙𝑙0 = 0) được tính:
2
0.49𝜎𝜎𝑅𝑅

𝛼𝛼 𝛼 𝛼𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [

12/5 7/6

(1+1.11𝜎𝜎𝑅𝑅

)

2
0.51𝜎𝜎𝑅𝑅

𝛽𝛽𝛽𝛽𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [

12/5 5/6
(1+0.69𝜎𝜎𝑅𝑅 )

] − 1}

] − 1}

−1

(7)

−1


𝜎𝜎𝑛𝑛2

(8)

Với

2
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙

𝛽𝛽𝛽𝛽𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [

2
0.51𝜎𝜎𝑃𝑃

12/5 5/6

(1+0.69𝜎𝜎𝑃𝑃

được cho bởi:

2
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
= 0.16𝜎𝜎𝑅𝑅2 (

𝜂𝜂𝑥𝑥 𝑄𝑄

𝜂𝜂𝑥𝑥 +𝑄𝑄

)


7/6

)

× [1 + 1.75 (

𝜂𝜂𝑥𝑥

] − 1}

𝜂𝜂𝑥𝑥 +𝑄𝑄

(10)

1
2

) − 0.25 (

𝜂𝜂𝑥𝑥

𝜂𝜂𝑥𝑥 +𝑄𝑄

Các thông số cần thiết cịn lại có thể tìm thấy như:
𝜂𝜂𝑥𝑥 =

2.61

2 𝑄𝑄 1/6

1+0.45𝜎𝜎𝑅𝑅

11/12

𝜎𝜎𝑃𝑃2 = 3.86𝜎𝜎𝑅𝑅2 {(1 + 1⁄𝑄𝑄2 )
0.27

(1+𝑄𝑄2 )7/24

; 𝑄𝑄 𝑄

5

11

[𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠 6 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 𝑄𝑄𝑄𝑄

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 𝑄𝑄𝑄] − 3.5𝑄𝑄5/6 }
4

1.51

1

(1+𝑄𝑄2 )4

7
12

) ] (11)


4

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 𝑄𝑄𝑄𝑄
3

4𝑘𝑘𝐵𝐵

𝑇𝑇

𝑅𝑅𝐿𝐿

𝐹𝐹𝑛𝑛 ∆𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

(16)
(17)

Trong đó 𝑃𝑃(1), 𝑃𝑃(0) đại diện cho xác suất truyền "on" và
"off" các bit tương ứng. Xác suất phát hiện bit "off" khi bit
"on" được truyền là 𝑃𝑃(0|1) và 𝑃𝑃(1|0) là ngược lại. Với 𝑃𝑃(1)
= 𝑃𝑃(0) = 0.5 khi nhiễu phương sai là khác nhau ở trạng thái
"on" và "off". Xác suất 𝑃𝑃(0|1) và 𝑃𝑃(1|0) là không bằng nhau
và chúng phụ thuộc vào ngưỡng quyết định. Khi điều kiện
𝑃𝑃(0|1) = 𝑃𝑃(1|0) thì BER được tính như sau:
1
𝑄𝑄
(19)
𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒 )
2
√2

Tham số Q được cho bởi:
𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑡𝑡 𝐼𝐼
(20)
𝑄𝑄 𝑄

10.89𝐿𝐿
𝑘𝑘𝑘𝑘0 2

𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓2 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑡𝑡 ∆𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑜𝑜𝑜𝑜"

Trong thực tế hệ thống FSO sử dụng IM/DD với OOK vì nó
có thiết kế đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, cần phải thiết
lập một ngưỡng để phát hiện tỷ lệ lỗi bit của tín hiệu. BER của
hệ thống FSO sử dụng IM/DD được tính như sau [11][16]:
𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵(1)𝑃𝑃(0|1) + 𝑃𝑃(0)𝑃𝑃(1|0)
(18)

(9)

−1

𝑇𝑇
𝐹𝐹 ∆𝑓𝑓
𝑅𝑅𝐿𝐿 𝑛𝑛

2
2
Với: 𝜎𝜎𝑛𝑛2 = 𝜎𝜎𝑆𝑆𝑆
+ 𝜎𝜎𝑇𝑇𝑇


Trong trường hợp thang đo nội tại khác 0 (𝑙𝑙0 ≠ 0). tham số
𝛼𝛼 và 𝛽𝛽 được tính:
2 ]
− 1}−1
𝛼𝛼 𝛼 {𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒[𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙

={

4𝑘𝑘𝐵𝐵

𝜎𝜎𝑛𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜+𝜎𝜎𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛

Giá trị BER trong kênh truyền được tính[13][16]:

(12)

1

∞

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒
2
√2(𝜎𝜎

III. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG QUANG VÔ
TUYẾN FSO

𝑔𝑔𝑔𝑔𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑡𝑡 𝐼𝐼

) 𝑓𝑓𝑋𝑋 (𝑥𝑥)𝑑𝑑𝑑𝑑


𝑛𝑛𝑛𝑜𝑜𝑜𝑜 +𝜎𝜎𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 )

Trong kênh truyền gamma-gamma[5]:
1

∞

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒
2

A. Kỹ thuật điều chế IM/DD
Trong hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO khoảng
cách truyền giữa máy phát và máy thu được kết nối với nhau
dựa trên tầm nhìn thẳng (LOS). Các máy phát thường được sử

410
410

𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑡𝑡 𝐼𝐼

)×

√2(𝜎𝜎 𝑛𝑛 +𝜎𝜎 𝑛𝑛 )
𝑜𝑜𝑜𝑜

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

(21)



Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
𝜆𝜆 : Bước sóng phát của tín hiệu.
𝑧𝑧: Khoảng cách kênh truyền giữa máy phát và máy thu.
𝐺𝐺𝑇𝑇 , 𝐺𝐺𝑅𝑅 : Độ lợi máy phát và máy thu.
𝜋𝜋𝜋𝜋
𝜋𝜋𝜋𝜋
(25)
𝐺𝐺𝑇𝑇 = ( 𝑇𝑇)2 , 𝐺𝐺𝑅𝑅 =( 𝑅𝑅 )2
𝜆𝜆
𝜆𝜆
𝐷𝐷𝑇𝑇 , 𝐷𝐷𝑅𝑅 : Khẩu độ của thấu kính tại máy phát và máy
thu.
𝐿𝐿 𝑇𝑇 , 𝐿𝐿𝑅𝑅 : Hệ số định hướng tại máy phát và máy thu.
𝐿𝐿 𝑇𝑇 = exp(−𝐺𝐺𝑇𝑇 (𝜃𝜃𝑇𝑇 )2 ), 𝐿𝐿𝑅𝑅 = exp(−𝐺𝐺𝑇𝑇 (𝜃𝜃𝑅𝑅 )2 ) (26)
𝜃𝜃𝑇𝑇 , 𝜃𝜃𝑅𝑅 là gốc định hướng giữa máy phát và máy thu.

2(𝛼𝛼𝛼𝛼)(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄2 (𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄ −1
2 𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (2√𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)) 𝑑𝑑𝑑𝑑
×(
𝑥𝑥
Γ(𝛼𝛼)Γ(𝛽𝛽)
∞

= ∫ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
0

𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑡𝑡 𝐼𝐼


𝑇𝑇
𝑇𝑇
√2 (√4𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑅𝑅 𝐹𝐹𝑛𝑛 ∆𝑓𝑓 𝑓 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓2 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑡𝑡 ∆𝑓𝑓 + √4𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑅𝑅 𝐹𝐹𝑛𝑛 ∆𝑓𝑓)
𝐿𝐿
𝐿𝐿
(
)
2(𝛼𝛼𝛼𝛼)(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄2

× (

Γ(𝛼𝛼)Γ(𝛽𝛽)

𝑥𝑥

(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)
⁄2−1
𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (2√𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)) 𝑑𝑑𝑑𝑑

(22)

Trong kênh truyền log-normal[5]:
1

∞

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒
2
[


1

√2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑠𝑠 𝑥𝑥

∞

= ∫0 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒
[

1

√2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑠𝑠 𝑥𝑥

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [−

𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑡𝑡 𝐼𝐼

)×

√2(𝜎𝜎 𝑛𝑛 +𝜎𝜎 𝑛𝑛 )
𝑜𝑜𝑜𝑜

(𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠2 ⁄2)
2𝜎𝜎𝑠𝑠2

2

𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜


2
(𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠2 ⁄2)
2𝜎𝜎𝑠𝑠2

]] 𝑑𝑑𝑑𝑑

∞

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 𝑓𝑓𝑋𝑋 (𝑥𝑥)𝑑𝑑𝑑𝑑
Để tính BER ta phải xem xét trường hợp cụ thể.

]] 𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑡𝑡 𝐼𝐼
𝑇𝑇
𝑇𝑇
√2(√4𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑅𝑅 𝐹𝐹𝑛𝑛 ∆𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓2 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑡𝑡 ∆𝑓𝑓+√4𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑅𝑅 𝐹𝐹𝑛𝑛∆𝑓𝑓)
𝐿𝐿
𝐿𝐿

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [−

Với BER của hệ thống sử dụng bộ tách sóng APD khi
khơng khí nhiễu động có thể được mơ hình hóa như dưới kênh
truyền fading chậm. BER của hệ thống có thể được tính như
sau:

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 ≈

2


𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙2 𝑀𝑀

𝑄𝑄 𝑄√2𝛾𝛾𝛾 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

𝜋𝜋

𝑥𝑥𝑥 𝑥𝑥𝑥𝑥

𝑀𝑀

𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑠𝑠 𝑎𝑎
2𝜎𝜎𝑛𝑛

(26)
𝑥𝑥𝑥 (27)

Với 𝛾𝛾𝛾 là tín hiệu trên nhiễu trung bình thu được. Vì là điều
chế QPSK nên ta có số mức trạng thái là M=4.
Q(.) là Gaussian hàm Q có dạng[5]:

)×
(23)

B. Kỹ thuật điều chế QPSK
Trong môi trường quang vô tuyến FSO kỹ thuật điều
chế QPSK được thể hiện trong hình 3[10]:

−𝑡𝑡 2


∞

1

𝑄𝑄(𝑦𝑦) =
∫ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 ( 2 ) 𝑑𝑑𝑑𝑑
√2𝜋𝜋 𝑦𝑦
Giá trị BER trong kênh truyền được tính[5][13]:
∞
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑠𝑠 𝑎𝑎
𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝑄𝑄 𝑄
𝑥𝑥𝑥 𝑥𝑥𝑋𝑋 (𝑥𝑥)𝑑𝑑𝑑𝑑
2𝜎𝜎𝑛𝑛

(28)
(29)

Trong kênh truyền gamma-gamma[5]:
∞
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑠𝑠 𝑎𝑎
𝑥𝑥𝑥 𝑥
𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵 ∫0 𝑄𝑄 𝑄
×[

∞

= ∫ 𝑄𝑄
0

(


2(𝛼𝛼𝛼𝛼)(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄2
Γ(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼

2𝜎𝜎𝑛𝑛

𝑥𝑥

(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄
2−1 𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (2√𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)]dx

𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑠𝑠 𝑎𝑎

2√2𝑞𝑞𝑞𝑞2 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑃𝑃𝑠𝑠 𝑎𝑎𝑎𝑎∆𝑓𝑓 𝑓 𝑓𝑓𝑓𝐵𝐵
× [

𝑥𝑥
𝑇𝑇
𝐹𝐹𝑛𝑛 ∆𝑓𝑓
𝑅𝑅𝐿𝐿
)

2(𝛼𝛼𝛼𝛼)(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄2 (𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)⁄ −1
2 𝐾𝐾𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 (2√𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼)] 𝑑𝑑𝑑𝑑 (30)
𝑥𝑥
Γ(𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼

Trong kênh truyền log-normal[5]:

Hình 3: Sơ đồ điều chế QPSK trong FSO

Mơ hình trên là tổng quan về kỹ thuật điều chế QPSK
trong FSO. Phương pháp điều chế quang có thể được phân loại
thành hai nhóm chính đó là điều chế trực tiếp và điều chế
ngoài. Điều chế trực tiếp là một kỹ thuật đơn giản nó trực tiếp
điều chỉnh các biên độ của chùm tia laser nhưng lại bị ảnh
hưởng bởi hiệu ứng chirp làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến
hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên điều này có thể được loại bỏ
bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài để điều chỉnh pha
của sóng mang quang. Do đó hệ thống có thể đáp ứng được
các yêu cầu trong tương lai của các dịch vụ truyền dữ liệu tốc
độ cao.
Công suất thu tại bộ tách sóng quang được cho bởi cơng
thức như sau[11]:
𝜆𝜆
(24)
𝑃𝑃𝑅𝑅 = 𝑃𝑃𝑇𝑇 𝜂𝜂 𝑇𝑇 𝜂𝜂𝑅𝑅 ( )2 𝐺𝐺𝑇𝑇 𝐺𝐺𝑅𝑅 𝐿𝐿 𝑇𝑇 𝐿𝐿𝑅𝑅
4𝜋𝜋𝜋𝜋
𝑃𝑃𝑅𝑅 : Là cơng suất của tín hiệu tại máy thu.
𝑃𝑃𝑇𝑇 : Là công suất phát của tín hiệu tại máy phát.
𝜂𝜂 𝑇𝑇 ,𝜂𝜂𝑅𝑅 : Hiệu suất lượng tử của photodiode máy phát
và máy thu.

411
411

∞
(𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠2 ⁄2)2
𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑃𝑃𝑠𝑠 𝑎𝑎
1
𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵𝐵

𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒
]] 𝑑𝑑𝑑𝑑
2𝜎𝜎𝑛𝑛
2𝜎𝜎𝑠𝑠2
√2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑠𝑠 𝑥𝑥
0

∞

=∫0 𝑄𝑄 𝑄

𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑠𝑠 𝑎𝑎

2√2𝑞𝑞𝑞𝑞2 𝐹𝐹𝐴𝐴 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑃𝑃𝑠𝑠 𝑎𝑎𝑎𝑎∆𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝐵𝐵

[

1

√2𝜋𝜋𝜎𝜎𝑠𝑠 𝑥𝑥

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 [−

𝑇𝑇
𝐹𝐹 ∆𝑓𝑓
𝑅𝑅𝐿𝐿 𝑛𝑛
2

(𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑠𝑠2 ⁄2)

2𝜎𝜎𝑠𝑠2

𝑥𝑥𝑥𝑥

]] 𝑑𝑑𝑑𝑑

(31)

IV. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
A. Mơ hình điều chế
Mơ hình điều chế QPSK trong DWDM FSO được mô tả
như sau:


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo
Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

B. Mô phỏng và đánh giá kết quả
 Sử dụng thu phát sóng trực tiếp IM/DD dùng kiểu
điều chế RZ:

Hình 4: Sơ đồ khối điều chế QPSK trong DWDM FSO
Kỹ thuật điều chế QPSK trong DWDM kênh truyền
quang vô tuyến được thiết kế gồm các khối: Bộ phát gồm có
32 khối điều chế QPSK với cơng suất phát từ 0 đến 10dBm.
Bộ tách/ghép kênh (Mux/DeMux) kênh truyền vô truyến FSO
với tần số kênh truyền là 193.1THz, băng thông kênh truyền là
40Gbps, tín hiệu thu sẽ được kết nối tới bộ giải ghép 32 kênh
và sau đó mỗi kênh tín hiệu sẽ được cho qua bộ giải điều chế

QPSK quang.
Các tham số của hệ thống quang vơ tuyến DWDM FSO:

Hình 5: Kết quả mô phỏng BER RZ dùng 32 kênh sử dụng
PIN thu

Bảng 1: Tham số của hệ thống DWDM trong FSO
Các Tham Số

Giá Trị

Cấu hình FSO

Tầm nhìn thẳng (LOS)

Dung lượng

32 kênh, 40Gbps

Điều chế

RZ,

NRZ

và

QPSK

quang coherent

Tần số kênh truyền trung

193.1 THz

tâm của hệ thống DWDM.
Công suất phát

0 dBm đến 10 dBm

Công suất dao động nội tại

Giống công suất tại máy

máy thu

phát.

Chiều dài chuỗi

64

Mẫu mỗi bit

256

Độ rộng dòng laser

0.1MHz

Dòng tối


10 nAmp

Độ nhạy của APD

1 A/W

Đường kính khẩu độ phát

150 mm

Đường kính khẩu độ thu

150 mm

Hiệu suất máy phát quang

0.8

Hiệu suất máy thu quang

0.8

Sai số định hướng phát

1.1

Sai số định hướng thu

1.1


Các suy hao thêm vào như

1dB

Hình 6: Kết quả mơ phỏng BER RZ dùng 32 kênh sử dụng
APD thu
Với điều chế RZ có cơng suất ngõ vào 10dBm thì
khoảng cách đạt được khoảng 614 km. Với giá trị hàm Qfactor nhận được trên có kết hợp với thuật tốn sữa lỗi
(FEC) thì giá trị nhận được 6.8 (BER<10 -12). Khi sử dụng
PIN thu và APD thu ta nhận thấy rằng ở tín hiệu nhận
được khi sử dụng PIN thu có chất lượng tốt hơn nhưng khả
năng khuếch đại dòng điện lại thấp hơn so với APD thu.
Nên khi sử dụng PIN thu cho hệ thống ta phải sử dụng
thêm bộ tiền khuếch đại cho dòng điện nhằm nâng cao
thêm chất lượng độ nhạy của máy thu.
 Sử dụng thu phát sóng trực tiếp IM/DD dùng kiểu
điều chế NRZ:

(suy giảm tầm nhìn, mất

Hình 7: Kết quả mô phỏng BER NRZ dùng 32 kênh sử
dụng PIN thu

đồng bộ...)

412
412



Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hình 8: Kết quả mơ phỏng BER NRZ dùng 32 kênh sử
dụng APD thu
Với công suất ngõ vào 10dBm thì khoảng cách đạt được
khoảng 798 km. Tương tự như điều chế RZ khi sử dụng PIN
thu và APD thu ta nhận thấy rằng ở tín hiệu nhận được khi sử
dụng PIN thu có chất lượng tốt hơn nhưng khả năng khuếch
đại dòng điện lại thấp hơn so với APD thu.
 Sử dụng điều chế quang coherent QPSK: Với cơng
suất ngõ vào 10dBm
 Hình 9 chỉ quang phổ của nguồn phát quang điều chế
QPSK trên một kênh của hệ thống với cơng suất phát khoảng
-6.8dBm ở bước sóng 1550nm ( 193.1 THz).

Hình 9: Phổ của tín hiệu sử dụng điều chế QPSK trên một
kênh
 Hình 10 chỉ phổ của tín hiệu quang 32 kênh sau khi
đi qua bộ ghép kênh để truyền tín hiệu đi với cơng suất phát
khoảng -6.8dBm ở bước sóng 1550nm ( 193.1 THz).

Hình 11: Phổ tín hiệu thu sử dụng điều chế QPSK dùng 32
kênh
Hệ thống được mô phỏng từ kỹ thuật điều chế quang
coherent QPSK từ cơng suất nguồn phát là 10dBm. Hình 10
thể hiện phổ quang của điều chế QPSK nguồn phát với 32
kênh truyền từ mơ hình cài đặt trên. Trong hình 11 là kết hợp
của nhiều tín hiệu quang thu được qua kênh truyền vô tuyến

phổ quang thu được sau khi kết hợp tại bộ thu. Mức công suất
nhận tại bộ thu bị giảm đi một khoảng là -52dBm tại khoảng
cách 1360km.
 Kết quả mô phỏng Q-factor và giản đồ mắt tín hiệu
điều chế QPSK dùng 32 kênh tại khoảng cách 1360km.

Hình 12: Sơ đồ mơ phỏng Q-factor và giản đồ mắt tín hiệu
điều chế QPSK dùng 32 kênh tại khoảng cách 1360km
 Từ hình 12 quan sát thấy hàm Q-factor đạt kết quả
như mong đợi. Đây là giá trị cao nhất của hàm Q-factor quan
sát được trong khoảng thời gian được mơ phỏng tại phía bộ
thu mà khi tín hiệu méo dạng nhận được.
V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này chúng ta có thể kết luận rằng so với
kỹ thuật điều chế trực tiếp IM/DD (RZ và NRZ) thì kỹ thuật
điều chế quang coherent QPSK khoảng cách truyền đi xa hơn
khi ứng dụng trong hệ thống DWDM quang vô tuyến FSO.
Bởi vì, thơng tin truyền đi của nó được chứa trong pha của
sóng mang từ kỹ thuật điều chế quang coherent QPSK tạo ra
và do đó nó có khả năng chịu những biến động từ mơi trường
khí quyển tốt hơn so với kỹ thuật điều chế trực tiếp IM/DD.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] E.Ciaramella, Y. Arimoto, G. Contestabile, M. Presi, A. D. Errico,V.

Hình 10: Phổ tín hiệu phát sử dụng điều chế QPSK dùng 32
kênh
 Hình 11 chỉ phổ của tín hiệu quang thu được ở
khoảng cách đường truyền khoảng 1360 km thì cơng suất nhận
được giảm xuống khoảng -52 dBm.


413
413

Guarino, and

M. Matsumoto, "1.28 Terabitls (32x40 Gbitls) WDM

Transmission System for Free Space Optical Communications," IEEE
Journal on selected Areas

in Communications, Vol. 27, No. 9,

pp. 1639-1645, December 2009.


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
[2] Bach T. Vu, Ngoc T. Dang, Truong C. Thang, and Anh T. Pham, " Bit
Error Rate Analysis of Rectangular QAM/FSO Systems Using an APD
Receiver Over Atmospheric Turbulence Channels," Optical Society of
America, Vol. 5, No. 5/ May 2013
[3] B. Patnaik and P. K. Sahu, "Design and study of high bit-rate freespace
optical communication system employing QPSK modulation," Int. J.
Signal and
Imaging Systems Engineering (in press).
[4] S. M. Haas and 1. H. Shapiro, "Capacity of wireless optical
communications," IEEE Journal on Selected Areas in Communications,
Vol. 21, October, pp.1346-13 57, 2003.
[5] D.A. Luong, T.C. Thang, A.T. Pham "Effect of Avalanche Photodiode and

Thermal

Noises

on

the

Performance

of

Binary

Phase-shift

Keyingsubcarrier-intensity Modulation/free-space Optical Systems over
Turbulence Channels", IET Communications, Vol. 7, No. 8, May 2013,
pp. 738 – 744.
[6] Bach T. Vu, Ngoc T. Dang, Truong C. Thang, and Anh T. Pham "Bit Error
Rate Analysis of Rectangular QAM/FSO Systems Using an APD
Receiver Over Atmospheric Turbulence Channels," Optical Society of
America, Vol. 5, No. 5/May 2013.
[7] A. Belmonte and 1. M. Kahn, "Capacity of coherent free-space optical
links using diversity-combining techniques," Opt. Express, vol. 17, no.
15, pp. 12601-12611, July 2009.
[8]

Ghassemloogy,


Popoola(2010),Terrestrial

Free-Space

Optical

Communications, OpticalCommunications Research Group, NCRlab,
Northumbria University, Newcastle upon Tyne, UK.
[9] Murat Uysal, Jing Li (Tiffany) "Achievable Information Rate for Outdoor
Free Space Optical Communication with Intensity Modulation and Direct
Detection," Dept. of Electrical & Computer Engineering Lehigh
University, University of Waterloo.
[10] Nataraju, Laxmiprasad "Design And Simulation Of QPSK Modulator For
Optic Inter Satellite Communication," International Journal of Scientific
& Technology Research, Vol3 August 2014.
[11] Karim Kemih, Yacine Yaiche,"Optimization of Transmitter Aperture by
Genetic Algorithm in Optical Satellite," International Journal of
Electrical, Robotics, Electronics and Communications Engineering Vol:1
No:9, 2007
[12] Govind P. Agrawal , Fiber-Optic Communications Systems, Third
Edition, Vol 10, pp. 478- 510, 2002.
[13] Vincent W. S. Chan, Fellow, “Free-Space Optical Communications,”.
IEEE, Fellow, OSA.
[14] Tejbir Singh Hanzra, Gurpartap Singh " Performance of Free Space
Optical Communication System with BPSK and QPSK Modulation,"
IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering, Vol 1, pp.
38- 43, May 2012.
[15] Sushank Chaudhary, Preety Bansal, Manisha Lumb " Effect of Beam
Divergence on WDM-FSO Transmission System," International Journal
of Computer Applications, Vol 93 – No 1, May 2014

[16] Milica I. Petković1, Goran T. Đorđević1, Dejan N. Milić1, Bata V.
Vasić1, " BER Analysis of IM/DD FSO System with APD Receiver Over
Gamma-Gamma Turbulence," Serbian Journal of Electrical Engineering,
Vol. 11, No. 1, February 2014.

414
414