بخشی از مقاله
چکیده
امروزه تقاضا برای افزایش سرعت و پهنای باند در سامانههای مخابراتی برای انتقال حجم بالایی از اطلاعات، منجر به پیشرفت و توسعه دراین تکنولوژی شده است. اگرچه سامانههای مخابرات نوری فضای آزاد یک تکنولوژی به روز نمی باشند، اما به دلیل توانایی افزایش پهنای باند و سرعت انتقال اطلاعات، بطور گسترده در طراحی سامانههای مخابراتی فرکانس رادیویی و نوری مورد توجه قرار گرفتهاند.
در این مقاله یک سامانه مخابرات نوری 1550 nm فضای آزاد با استفاده از دو مدولاسیون پیشرفته نوری طراحی و شبیهسازی شده است. مدولاسیونهای بکار رفته شامل کدینگ غیر بازگشت به صفر - 1 - NRZ و کدینگ قابل بازگشت به صفر - 2 - RZدر نرخ بیت 2/5 Gbps و در فاصله 1km است. نتایج سامانه طراحی شده با استفاده از دو پارامتر نرخ خطای بیت و ماکزیمم ضریب کیفیت مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مقدمه
مخابرات نوری فضای آزاد 3 - FSO - یا مخابرات بیسیم نوری 4 - OWC - به عنوان یک تکنولوژی قابل اطمینان و بادوام برای کاربردهای پهنای باند بالا مورد استفاده قرار گرفته است. از جمله کاربردهای این تکنولوژی میتوان به شبکه های مصافت طولانی و کوتاه، ماهوارهها و کاربردهای درون شهری اشاره نمود. سامانههای مخابرات نوری فضای آزاد با مصافتهای چندین کیلومتر در نرخ بیتهای گیگاهرتز معرفی شده است
تکنولوژی نوری فضای آزاد پتانسیل ارائه یک سامانه مخابراتی ظرفیت و پهنای باند بالا با استفاده از طول موجهای نوری را داراست. اگرچه عوامل محیطی از جمله دما، فشار و شرایط جوی اتمسفر میتواند ضریب شکست متغییر محیط در طول انتقال اطلاعات را بوجود آورد. ضریب شکست متغییر منجر به تغییر فضایی و زمانی شدت نور در دریافت کنندهها میشود. لذا در طراحی سامانههای مخابرات نوری فضای آزاد، تاثیرات جوی اتمسفر میتوانند بر روی عملکرد سامانه با افزایش نرخ خطای بیت و ایجاد تاخیر در انتقال اطلاعات تاثیر منفی بگذارند
در مقاله [3] یک سامانه مخابرات نوری فضای آزاد با استفاده از مدولاتور ماخ زندر مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از نتایج بدست آمده مشخص است که نرخ خطای بیت و ماکزیمم ضریب کیفیت با افزایش نرخ بیت دادههای ارسالی کاهش می-یابد. نتایج، شرایط مطلوب برای سامانه معرفی شده را نشان میدهد. اما در این طرح اثرات منفی جو اتمسفر در طراحی سامانه، در نظر گرفته نشده است.
در حال حاضر، سامانههای مخابرات نوری فضای آزاد یکی از چندین انتخاب طراحان برای ترکیب با محیط اطراف سامانههای مخابراتی مانند Wi-Fi و Wi-Max هستند. با توجه به ویژگیهای مطلوب این سامانه ها مانند نصب آسان، پیچیدگی کم، قابلیت اطمینان بالا، پهنای باند بالا و دامنهی استفاده گسترده مانند مخابرات فضایی، مخابرات مصافت بسیار طولانی و مخابرات زیر دریایی، توجه طراحان را به خود بیش از پیش جلب نمودهاند
یک سامانه مخابرات نوری فضای آزاد با استفاده از مدولاسیونهای نوری و آشکار سازهای PIN و 5 - APD - برای طول موجهای مختلف از جمله nm 1550 و 1310 nm معرفی و نتایج آن با یکدیگر مقایسه شدهاند. نتایج بدست آمده نشان میدهد که عملکرد سامانه تحت طول موج و مدولاسیون بیان شده در آن دارای ماکزیمم ضریب کیفیت تقریبا برابری هستند
مدل اغتشاشات جوی اتمسفر
اتمسفر یک کانال ایدهآل برای انتقال اطلاعات بصورتهای مختلف نمیباشد. اغتشاشات اتمسفر میتواند سطح سیگنال دریافتی را به صورت نوسانی تغییر دهد، که باعث افزایش نرخ خطای بیت در سامانههای مخابرات دیجیتال میشود. بنابراین برای بهینه کردن محدودیت عملکرد سامانه، شناخت اثرات محدود کننده شدت نور بروی سیگنال دریافتی، ضروری است. اغتشاشات یا تلفات اتمسفر شامل تلفات جرقه، جذب و پراکندگی در سامانه مخابرات نوری فضای آزاد است. که این تلفات غیر قابل اجتناب و صرف نظر کردن میباشند
هرگونه اغتشاش کوچک در جو ناهمگن اتمسفر منجر به تغییر در ضریب شکست میشود که به آن تلفات جرقه گویند. برای این تلفات میتوان به برق زدگی ستارگان در فضای اتمسفر اشاره کرد. طول موج های کوتاه در برابر طول موج های بلند بیشتر تجزیه میشوند. لذا تلفات جرقه بر روی طول موجهای کوتاه بیشتر اثر میگذارند. برای فواصل کمتراز یک کیلومتر این اثر نادیده گرفته میشود.
فوتونهای نوری که در درون سامانه مخابرات نوری فضای آزاد در حال انتقال هستند، ممکن است توسط مولکولهایی که در فضای اتمسفر هستند، جذب شوند. برای حل مشکل تلفات جذب در طراحی سامانههای مخابراتی فضای آزاد باید رنج طول موج هایی که در آن کمترین تلفات رخ میدهد را انتخاب کرد. آزمایشات صورت پذیرفته نشان دهندهی این است که در طول موج 1550 nm ، کمترین تلفات جذب وجود دارد .
تلفات پراکندگی از طریق شرایط جوی مانند بارندگی، برف و مه بوجود میآیند. زمان که پرتو لیزر از طریق فضای آزاد انتشار پیدا میکند، در معرض تضعیفی که وابسته به شرایط جوی است، قرار میگیرد . [8 ] معادله انتقال پرتو در فضای آزاد به صورت معادله - 1 - بیان میشود:
که در آن α انتقال در اتمسفر و F1 تضعیف بر حسب dB است. همچنین تضعیف در اتمسفر به صورت بیان شده در معادله - 2 - محاسبه میشود:
که در آن αm ضریب جذب مولکولی، αn ضریب جذب آئروسل - - Aerosol، βm ضریب پراکندگی مولکولی و βn ضریب پراکندگی کلی است. با توجه به مقادیر تجربی αm، αn و βm که ناچیز هستند
