بررسی سیستم های مخابرات نوری فضای آزاد و ارائه روش های جدید مدولاسیون

نیاز روز افزون بشر به پهنای باند بیشتر باعث شده تا تحقیقات وسیعی در زمینه مخابرات نوری صورت گیرد چرا که مخابرات نوری قادر به فراهم سازی پهنای باند بسیار زیاد یا نرخ بالای ارسال می باشد. اما در دهه اخیر توجه چشمگیری به مخابرات نوری در فضای آزاد اختصاص داده شده است. این تکنولوژی بر اساس دید مستقیم بوده و شامل انتقال اطلاعات از یک نقطه به نقطه ای دیگر از طریق ارسال نور در کانال اتمسفر می باشد. مخابرات نوری در فضای آزاد اگرچه قادر به فراهم سازی پهنای باندی در حدود مخابرات نوری با فیبر می باشد ولی مشکلاتی نظیر حفر گودال یا مجوز حق عبور را در پی ندارد. از طرفی پیاده سازی آن به سرعت و با هزینه ای مقرون به صرفه صورت می گیرد. عدم نیاز به مجوز طیف، مخابرات امن، وزن سبک و مصونیت در برابر تداخل های مغناطیسی نیز از دیگر مزیت های این سیستم می باشد. بزرگترین مشکل در تکنولوژی مخابرات نوری در فضای آزاد از کانال انتشارآن ناشی می شود. کانال اتمسفر ناپایدار بوده و ویژگی های آن با تغییر زمان در طول روز، فصل ها و شرایط آب و هوایی تغییر می کند. زمانی که یک اشعه نوری در کانال اتمسفر انتشار می یابد به دلیل وجود ذرات معلق در هوا (مه، دود، ...) و گازها دچار تضعیف می شود. که دربین آنها مه غلیظ سهم زیادی در تضعیف سیگنال نوری دارد. ویژگی دیگر کانال که حتی در آب و هوای صاف نیز عملکرد سیستم را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد اغتشاشات جوی می باشد. اغتشاشات جوی نتیجه مستقیم تغییرات تصادفی دمای اتمسفر می باشد و منجر به نوسانات در دامنه و فاز سیگنال نوری می گردد. اغتشاشات جوی به طور کلی در چهار دسته اغتشاشات ضعیف، متوسط، قوی و اشباع قرار می گیرند. برای توصیف کانال اتمسفر با اغتشاشات جوی چندین مدل ارائه شده است که متداول ترین آنها مدل نرمال لگاریتمی بوده و برای توصیف اغتشاشات ضعیف جوی مورد استفاده قرار می گیرد. به طورکلی برای سیستم مخابرات نوری در فضای آزاد، روش های مدولاسیون مختلفی ارائه شده است که در بین آنها روش های مدولاسیون خاموش –روشن به دلیل سادگی از محبوبیت زیادی برخوردار است ولی برای داشتن عملکرد بهینه در حضور اغتشاشات جوی نیازمند سطح آستانه وفقی می باشد که پیچیدگی های بسیار زیادی را به ساختار گیرنده تحمیل می کند. مدولاسیون موقعیت پالس نیز به دلیل بازدهی توان بالا و عدم نیاز به سطح آستانه وفقی از توجه بسیار زیادی به ویژه در لینک های مخابرات نوری فضای آزاد در خارج از اتمسفر برخوردار است ولی پهنای باند مورد نیاز آن بسیار زیاد می باشد. برای مقابله با این چالش ها، مدولاسیون شدت زیر حامل ارائه شده است اگر چه این مدولاسیون از پهنای باند بیشتری نسبت به مدولاسیون موقعیت پالس برخوردار است و لی به دلیل توان مصرفی زیاد، از بازده توان کمی برخوردار می باشد. در این پایان نامه ضمن معرفی کامل سیستم مخابرات نوری در فضای آزاد (فرستنده،کانال وگیرنده ) ، روش های مدولاسیون مختلف برای اولین بار پیشنهاد شده است. با توجه به تاثیر روش مدولاسیون بر عملکرد این سیستم و محدود بودن توان مصرفی (به دلیل سلامتی چشم و پوست) به منظور بهره مندی از مزایای روش های مدولاسیون موقعیت پالس و شدت زیر حامل، دو روش مدولاسیون به صورت ترکیبی از این دو روش مدولاسیون ارائه شده است. احتمال خطای بیت آن ها محاسبه شده و سپس با نتایج حا صل از شبیه ساز ی این روش ها مقایسه گردیده است. مقایسه روش های ارائه شده در شرایط جوی مختلف با روش های مدولاسیون موقعیت پالس و شدت زیر حامل بیانگر عملکرد مناسب این سیستم نسبت به این دو روش در اغتشاشات قوی می باشد. به منظور افزایش ظرفیت سیستم، زیر حامل های متفاوتی به کار برده شده و احتمال خطای بیت آنها محاسبه شده و علاوه بر مقایسه با نتایج حاصل از شبیه سازی، با روش مدولاسیون شدت زیر حامل با چندین زیرحامل، نیز مقایسه شده است