۳-۷-۵-شبیه سازی مدولاسیون تفاضلی با کلید زنی آشوبی (DCSK)
شکل ۳-۳۴-مدولاسیون آشوب DCSK 
شکل ۳-۳۵-مدولاسیون DCSK الف .سیگنال آشوب ب.سیگنال داده ج.سیگنال خروجی مدولاسیون
شکل ۳-۳۶-طیف فرکانسی خروجی مدولاسیون DCSK
شکل ۳-۳۷-خروجی مدولاسیون DCSK بعد از عبور از محیط نویزی AWGN
شکل ۳-۳۸-سیگنال دیتا الف.دریافت شده از گیرنده مدولاسیون DCSK ب.دیتا فرستنده
۳-۸- جمع بندی
در این بخش اقدام به معرفی مدولاسیون های آشوبی شد و از هر کدام از مدولاسیون ها، شبیه سازی سیمولینک ارائه شد.همه مدولاسیون ها به طور مجزا نتایج مطلوبی در محیط نویز سفید گوسی (awgn) ارائه داد.از میان همه مدولاسیون های آشوب همدوس بحث شده، نتایج مورد نظر بر روی مدولاسیون غیرقطبی سخت تر قابل شناسایی است. لذا برای این پایان نامه از همین نوع مدولاسیون استفاده خواهد شد.از جمله خواص مدولاسیونهای آشوبی میتوان به امنیت بالا، پهنای باند زیاد و سادگی پیاده سازی اشاره کرد. بنابراین مدولاسیونهای آشوبی به دلیل استفاده از سیگنالهای پهن باند آشوبی گزینه مناسبی برای استفاده در محیط های فیبر نوری میباشند و به خصوص اینکه میتوانند علاوه بر افزایش پهنای باند، عملکرد مناسبی در برابر افزایش امنیت داشته باشند. در فصل بعد، محیط انتقال نوری بررسی خواهد شد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

فصل ۴ : طراحی سیستم مخابرات نوری برای انتقال داده با مدولاسیون آشوبی
چکیده
همه مهندسان برق با ماهیت و ساختار فیبر نوری کم و بیش آشنایی دارند در این فصل با تکرار مختصر از مزایا و ساختار فیبر نوری وارد مبحث مخابرات فیبر نوری می شویم که قبل از هر چیزی نیاز است اجزائ انتقال داده با فیبر نوری را تشریح شود، سپس با مدل هایی که برای شبیه سازی فیبر نوری با بهره گرفتن از جعبه ابزار SOFTTDM 2012در محیط سیمولینک نرم افزار MATLAB استفاده شده است می پردازیم و آن را در محیط انتقال مدولاسیون آشوب قرار می گیرد و از نتایج کار آن در فصل آخر ارائه خواهد شد تا هدف اصلی پایان نامه که بررسی اثرات مدولاسیون های آشوب بر روی فیبر نوری است دست بیاید.
۴-۱-مقدمه
در طول سالهای گذشته شکلهای مختلفی از سیستمهای مخابراتی عرضه شده است علت اصلی این حرکت و پیشرفت ، ارسال و انتقال اطلاعات و پیامها به فاصله های دورتر و افزایش سرعت انتقال و حجم بیشتری از اطلاعات در واحد زمان (ظرفیت سیستم) بوده است. از بدو اختراع فیبر های نوری در اوایل سال های ۱۹۷۰ میلادی تاکنون، تحقیقات و پیشرفت های قابل ملاحضه ای در این زمینه انجام گرفته که منجر به ظهور دستاوردهای جدید و کاربردهای وسیعتر فیبر ها گردیده است. بدون شک فیبر بیشترین کاربرد فیبرها در زمینه مخابرات و پزشکی بوده است، که البته استفاده آنان کاملا بستگی به نوع کاربرد دارد. فیبر نوری از تمام محیط های انتقال شناخته شده دارای پهنای باند وسیعتر و افت کمتری می باشد.
۴-۲-فیبر نوری چیست
فیبر نوری رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هایی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری به منظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود. یک کابل فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است :
الف. هسته^[۳] : هسته نازک شیشه ی سیلیسیومی در مرکز فیبر که سیگنا ل های نوری در آن حرکت می نمایند.
ب. روکش^[۴] : . بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد و از جنس شیشه سیلیسیومی ساخته شده و تفاوت آن با هسته از میزان ناخالصی آنها یا دمای پردازشی آنها ناشی می شود.
ج. بافر رویه^[۵] : روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است .
سیگنال در هسته ، در امتداد تار حرکت می کند و غلاف با نگه داشتن توان سیگنال در داخل هسته باعث کاهش تلفات می شود. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند گروه اول فیبرهای تک حالته^[۶] هستند که به منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود( نظیر : تلفن ) و گروه دوم هم فیبرهای چندحالته^[۷] هستند که به منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود( نظیر : شبکه های کامپیوتری).
فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک ( تقریبا” ۹ میکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا” ۵ / ۶۲ میکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند]۷[.شکل ۴-۱ ساختمان طراحی فیبر نوری را نشان می دهد.
شکل ۴-۱ : الف. ساختار یک فیبر نوری ب.روش انتقال پرتو نور در فیبر نوری
فیبر نوری به عنوان موجبری با پهنای باند وسیع عمل می کند. تضعیف کم، نرخ خطای بیت کم و ایمنی در مقابل تداخل امواج الکترومغناطیسی از ویژگی های فیبر نوری است.مطابق شکل ۴-۲ دو دسته فیبر نوری وجود دارد : تک مد و چند مد ، چند مد شامل دو نوع : ضریب شکست پله ای و ضریب شکست تدریجی است.
شکل ۴-۲ : انواع فیبر نوری و نمایه ضریب شکست آنها]۲۰ [
فیبر نوری چند مد اجازه عبور همزمان چندین مد را می دهد. قطر هسته این فیبر ها برابر ۵۰ میکرو متر یا ۶۲٫۵ میکرومتر و قطر غلاف برابر ۱۲۵ میکرومتر است.فیبر های چند مد شامل فیبر های با ضریب شکست پله ای و فیبرهای با ضریب شکست تدریجی هستند.در فیبر های نوری با ضریب شکست پله ای ، ضریب شکست هسته فیبر به صورت تدریجی در حرکت به سمت غلاف،کاهش می یابد.این کاهش تدریجی باعث بالا رفتن نرخ انتقال اطلاعات و پهنای باند مورد استفاده شده می شود.فیبر های تک مد قطر هسته کوچکتری نسبت به فیبر های چند مد دارند (در حدود ۱۰ میکرومتر) و تنها اجازه عبور یک مد نوری را از داخل هسته می دهند.این فیبر ها برای انتقال در مسافت های بیشتر استفاده می شوند و کاربرد زیادتری در سیستم های WDM دارند. میزان پاشندگی که محدود کننده پهنای باند مورد استفاده از فیبر های نوری است در شکل(۴-۳ ) نشان داده شده است.بعضی از اثرات غیرخطی فیبرهای نوری عبارتند از : مدولاسیون خود فازی(SPM)، مدولاسیون فاز متقاطع(XPM)، ترکیب چهار موج (FWM)، پراکندگی رامن برانگیخته(SRS)، پراکندگی بریلیون بر انگیخته(SBS)است. این اثرات کارایی شبکه های WDM را محدود می کند، که مشابه اثرات خازنی و سلفی در محیط های انتقال مسی است.علیرغم این مسایل ویژگی های مثبت فیبرهای نوری بر این مشکلات برتری دارند.
شکل ۴-۳: اثرات غیرخطی باعث پاشندگی در فیبر نوری می شود]۲۰[
۴-۳-مزایای استفاده از فیبر نوری
استفاده از تارهای نوری علاوه بر پهنای باند بزرگ و تلفات کم، مزایای دیگری نیز دارند . ویژگی موج بری در دی الکتریک باعث می شود که تار نوری کمتر در معرض تداخل ناشی از منابع خارجی قرار گیرد چون سیگنال ارسالی نور است و جریان نیست. میدان الکترومغناطیسی وجود ندارد تا همشنوایی و تابش RF ایجاد کند و به طور کلی چیزهایی که باعث تداخل با سیستم های مخابراتی دیگر می شود وجود ندارد.همچنین چون فوتون های متحرک اندرکنش ندارند در داخل تار نوری نویز ایجاد نمی شود. نصب کانال های تار نوری ایمن تر و نگهداری آنها ساده تر است، زیرا با ولتاژ و جریان بالا سر و کار ندارند . همچنین چون سرک گذاری روی تار نوری، به نحوی که کاربر نتواند متوجه شود عملا ممکن نیست، برای کاربرد های نظامی امنیت کافی وجود دارد. تارهای نوری پر دوام و انعطاف پذیرند و نسبت به کابل های فلزی در گستره حرارتی بزرگتری کار می کنند. کوچکی(در حدود قطر موی انسان) و سبکی باعث می شود که فضای انبار داری آنها کم ، حمل و نقل آنها ارزان باشد. سرانجام چون تار نوری از شن ساخته می شود، پیش بینی می شود که در دراز مدت هزینه ساخت آنها کمتر از کابل های فلزی باشد]۷[.
۴-۴-تلفات در فیبر نوری
توان عبوری در فیبرهای نوری از مسائل بسیار با اهمیت به شمار می رود. یک نکته مهم در کاربرد
فیبرهای نوری میزان اتلاف یا تضعیف در آنهاست. چند عامل به اتلاف نور در فیبر نوری کمک می کند که از آن جمله می توان از اثرات جذب نور، پاشندگی یا پراکندگی نور و همچنین خمش فیبر نام برد. جذب نور به دلیل وجود ناخالصی های موجوددر فیبر است.این ناخالصی ها حتی ممکن است قطرات آبی باشند که در هنگام ساخت فیبر در درون شیشه نهفته می شوند و می توانند طول موج های معینی از نور را جذب کنند.جذب به علت بعضی نوسانات ساختاری در بعضی طول موج های خاص رخ می دهد.پراکندگی نور به دلیل تغییر نور در جهت انتشار یک پرتو توسط برخورد با ناهمگونی و بی نظمی در شیشه است.اما عامل سوم به وجود آورنده اتلاف در فیبر نوری خمش های شدید فیبر است که باعث نشت نور به پوسته فیبر و فرار آن می شود، در صورتی که معمولا این پرتو نور باید منعکس شود.شعاع بحرانی که در آن اتلاف نور مشکل ساز می شود حدود ۲ الی ۳ میلی متر در فیبرهای شیشه ای است. این اتلاف در فیبر های نوری باعث می شود که میزان نور خروجی بسیار کم شود. اتلاف در فیبر نوری در جهان در حال بررسی است.
عملا در تمام تار ها چند محل وجود دارد که در آنها تلفات ایجاد می شود، محل اتصال تار به فرستنده و گیرنده، محل اتصال قطعات تار نوری به هم و در درون خود تار نوری. تضعیف داخل تار عمدتا از تلفات جذب ناشی از ناخالصی های شیشه سیلیسیومی و تلفات پراکنش ناشی از عیوب موجبری به وجود می آید. تلفات با فاصله رابطه نمایی دارد و به طول موج هم وابسته است. کمترین تلف در گستره ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۰۰نانومتر رخ می دهد (مثلا نور با طول موج ۸۵۰ نانو متر در هر یک کیلومتر ۶۰ تا ۷۵ در صد تضعیف می شود و نور با طول موج ۱۳۳۰ نانومتر در هر یک کیلومتر ۵۰ تا ۶۰ درصد و نور با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر در بیش از ۵۰ درصد تضعیف دارد) شکل(۴-۴) نمودار تضعیف بر اساس طول موج را نشان می دهد.
برای جبران تلفات در فواصل مشخصی از تکرار کننده استفاده می شود در کاربرد های تجاری تکرار کننده ها به فاصله ۴۰ km از هم نصب می شوند. ولی هر سال با پیشرفت فناوری این فاصله زیادتر می شود. در تکرار کننده های معمولی موج نور به سیگنال الکتریکی تبدیل شده، تقویت می شود و سپس برای انتقال مجدد به نور تبدیل می شود]۷[.
شکل ۴-۴ میزان تضعیف بر حسب طول موج]۲۰[
به طور کلی این خواص محدودیتهایی را در انتقال داده‌ها بوجود می‌آورند که لازم است این اثرات شناسایی شوند و در حین انتقال نور وساخت فیبر نوری این اثرات را لحاظ کنیم. از دید کلی می‌توان گفت هرگاه توان ورودی اپتیکی در فیبر کوچک باشد فیبر شبیه یک محیط خطی عمل می‌کند که درنتیجه اتلاف وضریب شکست محیط مستقل از توان سیگنال می‌شود. اما وقتی توان اپتیکی بالا می‌رود فیبر شبیه یک محیط غیرخطی عمل می‌کند که دراینصورت اتلاف و ضریب شکت وابسته به توان می‌شود. دونوع اثر غیرخطی در فیبر درنظر می‌گیریم: ۱) اثراتی که ناشی از پراکندگی القایی است وشدت وابسته به بهره یا اتلاف را بوجود می‌آورد ( پراکندگی القایی بریلوئن _ پراکندگی القایی رامان ) ۲) اثراتی که ناشی از تغییرات ضریب شکست است که باعث بوجود آمدن مدولاسیون فازی یا ترکیب چند موج وتولید فرکانسهای جدید می‌شود ( مدولاسیون خود فازی _ مدولاسیون فازی متقاطع _ ترکیب چهار موج ) که با آن در ادامه آشنا خواهیم شد.
الف.پراکندگی القایی بریلوئن^[۸]
SBS یک خاصیت غیرخطی در فیبر است که محدودیت زیادی روی مقدار توان اپتیکی که می‌تواند بطور مناسب وارد فیبر شود وارد می‌کند. SBS وقتی بوجود می‌آید که میدان الکتریکی متغیر با زمان درون فیبر می‌تواند با مدهای ارتعاشی_ آکوستیکی(فونون‌ها) ماده فیبر اندرکنش انجام دهد و در اینصورت نور پراکنده می‌شود. به این پراکندگی ، پراکندگی بریلوئن میگویند.توان بالای فیبر نوری درواقع باعث می‌شود ضریب شکست فیبر به صورت پریودیک تغییر کند و باعث برگشت نور شود.
ب.پراکندگی القایی رامان
SRS در نتیجه اندرکنش همدوس بین نور پمپ شده یا فرودی و یک موج فرکانسی منتقل شده( استوکس ) اتفاق می‌افتد.این اندرکنش ناشی از نیرویی است که رزوناتورهای مولکولی ماده را تحریک می‌کند و در نتیجه یک انتقال توان بین دو موج اپتیکی خواهیم داشت. SRS و SBS از سه جهت با هم تفاوت دارند : ۱- بدلیل ضریب رامان پایین، SRS در توانهای بالاتر از SBS بوجود می‌آید که عموما بزرگتر از ۱ وات است. ۲- شیفت رامان در سیلیکا خیلی بزرگتر از شیفت بریلوئن است. ۳- SRS برخلاف SBS یک پرتوی استوکس در جهت و خلاف جهت فیبر تولید می‌کند اگرچه بیشتر بازده در جهت فیبر است.
ج.مدولاسیون خود فازی^[۹]
وقتی نوری با شدت بالا در فیبر منتشر می‌شود به علت اثر اپتیکی کر تغییری در ضریب شکست ماده بوجود می‌آید که این منجر به تغییر در ثابت انتشار می‌شود در نتیجه یک تاخیر فاز غیرخطی در پالس بوجود می‌آید. این تاخیر فاز وابسته به زمان منجر به این می‌شود که پالس خروجی یک چرپ ( یعنی یک فرکانس آنی وابسته به زمان ) بدست آورد. از آنجایی که توان پالس، فاز خود را مدوله می‌کند به این پدیده مدلاسیون خود فازی میگویند. هنگامی که SPM برروی یک پالس اثر می‌کند معمولا بسته به چرپ پالس ، می‌توان طیف پالس را باریکتر یا پهنتر کند ویا اینکه اثری بر آن نداشته باشد.
د.مدلاسیون فازی متقاطع^[۱۰]
وقتی دو سیگنال یا بیشتر با فرکانسهای مختلفی به طور همزمان وارد فیبر می‌شوند فاز غیرخطی در فرکانس w وابسته به توان دیگر سیگنالها می‌شود. این اثر همان CPM است وعلتآن شدت وابسته به ضریب شکست است. CPM وقتی موثر است که سیگنالها در یک زمان روی هم اثر بگذارند. در حضور پاشندگی محدود دو پالس با فرکانسهای مختلف با سرعتهای مختلف حرکت می‌کنند و بنابراین پالسها از یکدیگر دور می‌شوند وهمچنین با پاشندگی زیاد طول این فاصله کم می‌شود و بنابراین CPM اثرگذار خواهد بود. در ارتباطات فیبر نوری مدلاسیون فازی متقاطع درفیبرها می‌تواند به ایجاد خط روی خط افتادن کانال‌ها^[۱۱] منجر شود.
ر.ترکیب چهار موج^[۱۲]
در یک فیبر عموما چندین فرکانس باهم منتقل می‌شوند. تداخل این فرکانسها با یکدیگر باعث تولید مولفه‌های جدیدی می‌شود. این مولفه‌ها ناخواسته اغلب مخرب هستند و روی باندهای مختلف از جمله خود مولفه‌های اصلی ظاهر می‌شوند و موجب خط روی خط افتادن کانالها می‌شوند. مهمترین عوامل در افزایش FWM عبارتند از: افزایش قدرت کانالها_ کم بودن پاشندگی رنگی _ کم بودن فواصل کانالها. نکته جالب تاثیر پاشندگی در کاهش FWM است. به همین علت در سیستمهای انتقال فیبر نوری هرگز پاشندگی را صفر نمی‌کنند]۲۰ [.
۴-۵- اجزای سیستمهای انتقال در مخابرات نوری
شکل ۴-۵ اجزائ یک سیستم انتقال داده در فیبر نوری را نشان می دهد . اکثر سیستم های مخابرات نوری از نوع دیجیتال هستند زیرا به علت محدویت های سیستم امکان دستیابی به مدولاسیون آنالوگ با هزینه کم را ناممکن می کند. این سیستم ها آمیخته ای از اجزای الکتریکی و نوری هستند، زیرا منبع سیگنال و گیرنده نهایی همچنان الکترونیکی است. این سیستم انتقال شامل چهار بخش، منابع نوری(فرستنده های نوری)، فیبر های نوری، آمپلی فایر های نوری و آشکار ساز ها (گیرنده های نوری) هستند.در فرستنده های نوری برای ایجاد پالس های نوری از LED یا لیزرهای حالت جامد استفاده می شود . انتخاب بین این دو بر اساس قیود طراحی صورت می گیرد.LED که نور ناهمدوس(چند طول موجی) به وجود می آورد پر دوام و ارزان است و توان خروجی کمی دارد (حدود ) . لیزر بسیار گرانتر است و عمر کمتری دارد ولی نور همدوس(تک طول موج) ایجاد می کند و توان خروجی اش حدود است.منابع نوری عمدتا از نیمه هادی هایی که از ترکیب آلومینیم(AL)، گالیم(Ga)، آرسنیک (As)، فسفر(P)، ایندیم(In)، آنتی موان(Sb) و سیلیسیم(si) حاصل می شود.البته طول موج منبع نور باید در جایی قرار گیرد که تلفات فیبر نوری بسیار کم و در عین حال اعوجاج آن نیز کمینه باشد. گیرنده ها بسته به طول موج سیگنال ارسالی ، معمولا دیود PIN یا دیود های نوری بهمنی(APD) هستند.تقویت کننده های نوری(O/A) نیز نقش مهمی در یک سیستم انتقال نوری ایفا می کنند]۷[.
شکل ۴-۵- اجزای سیستمهای انتقال در مخابرات نوری]۳۹[
۴-۶- مدولاسیون در فیبر نوری
به کارگیری روشی برای انتقال اطلاعات پیام بر روی یک موج حامل را مدولاسیون می گویند. با به کارگیری فیبر نوری در ارتباطات، نوع مدولاسیون مناسب برای آن مورد توجه قرار گرفته است. در ابتدا مدولاسیون آنالوگ شدت بر روی فیبر نوری مطرح شد. با گسترش سیستم های دیجیتال، مدولاسیون شدت دیجیتال از نوع NRZ مورد توجه قرار گرفت، به طوری که تا به امروز مطرح ترین و گسترده ترین کاربرد را در ارتباطات فیبر نوری دارد.
بالا رفتن تقاضای ظرفیت انتقال اطلاعات، افزایش نرخ بیت هر کانال و همینطور تعداد کانال هم تافتگر (مالتی پلکس) شده بر روی یک رشته فیبر نوری را در پی داشت. محدودیت های هر دو عامل سبب معرفی نسل جدید مدولاسیو نهای نوری در سه دسته: شدت، فاز و قطبش شد. نتیجه استفاده از این نوع مدولاسیونها در ارتباطات نوری، افزایش ظرفیت و برد انتقال اطلاعات بوده است. برخی فرمت های عمومی مدولاسیون نوری را می توان به شکل های زیر تقسیم کرد :۱ -کلیدزنی روشن-خاموش(ook) 2-کلیدزنی شیفت دامنه(ASK) 3-کلیدزنی شیفت فازی (PSK) 4-کلیدزنی شیفت فرکانسی(FSK) 5-کلید زنی قطبی (POLSK)
۴-۷-انواع مدولاسیون فیبر نوری
انواع مدولاسیو نهایی که تا به امروز در ارتباطات نوری مطرح شده اند. به سه دسته شدت، فاز و قطبش تقسیم می شوند. شکل ( ۴-۶) نمودار درختی انواع مدولاسیونهای ارتباطات نوری به همراه زیر مجموعه های آ نها را نشان می دهد.
مدولاسیون شدت یا دامنه شامل سه دسته NRZ ، RZ/CS ، PBST و مدولاسیون فاز نیز شامل سه دسته DPSK، QPSK و DQPSK و مدولاسیون قطبش شامل PM است.