بررسی و شبیه سازی روش های مختلف مدولاسیون و انتقال سیگنال ها در سیستم های رادیو روی فیبر و تراهرتز

STUDENT

DEGREE

YEAR

To respond the increasing demand for broad Bandwidth and high Data rate in communication networks, the available capacity of Wireless and wired networks must be increased. Transfering RF and THz Signals over optical fiber technologies, can be an efficient solution to provide high data rate for users in Wireless networks. Transfering radio signals in different frequency bands, considering the recent advances in manufacturing electro-optic devices and development of optical communication networks, has a bright future. Optical fibers decrease the impact of attenuation and interferece. Although optical fiber can send data in higher rates with low attenuation, light waves in optical fiber suffer from issues like dispertion and non-linear effects. On the other hand, different kinds of modulation, based on expected performance, cost, complexity, acceptable noise, carrier frequency and data rate for transfering signals in the networks, can be used. In radio over fiber networks and THz systems for each modulation type many designs with different transmitters and receivers have been proposed. In this thesis after explaining background and applications of transfering RF and THz signals over optical fiber, main features of basic devices used in this networks, including optical soures, optical fibers, photodetectors, Mach-Zehnders and optical amplifiers, have been explained. After explaining basic devices that can be used in networks, most frequently used modulation types have been investigated. Optical Direct, ODSB, O, OCS, intensity modulations and Phase modulation by using one optical soure and direct detection have been introduced. Optical direct and coherent detection by using two optical soures and their applications in THz systems and enhancing radio over fiber networks have been explained. To compare these modulation types, 5 G data by an OFDM signal in radio over fiber system by Direct intensity, ODSB, O and Phase modulations has been sent. simulation results have shown that Direct intensity modulation is suitable for transferig data in short distances. In higher distances up to 20 Km, ODSB modulation without any optical amplifier in network sends data with low BER. By increasing the distance between optical transmitter and receiver, by using 5dB and 10dB amplifiers very low BER up to 40 and 70 Km has been achieved respectively. In O modulation without optical amplifier and by using 5dB and 10dB amplifiers acceptable BER for 40, 60 and 86 km has been attained respectively. In Phase modulation, BER for system without optical amplifier compared to ODSB and O modulations is not acceptable but by using 5dB and 10dB amplifiers zero BER for 10 and 40 km has been reached respectively. Finally in a Terahertz system by using two optical soures and sending 5 and 10 G data in Baseband, $ 1 imes10 ^{-9} $ BER for 9.8 and 4 km distances, has been achieved respectively.

برای بر آورده کردن نیاز روزافزون به پهنای باند و نرخ ارسال داده‌ی بالاتر در شبکه‌های ارتباطی، نیاز به افزایش ظرفیت موجود در شبکه‌های باسیم و بی‌‍سیم می‌باشد. فناوری‌های انتقال امواج رادیویی و تراهرتز توسط فیبر نوری می‌تواند یک راه‌کار پربازده و مناسب برای فراهم کردن نرخ داده‌ی بالا به منظور برآورده کردن نیاز کاربران شبکه‌های بی‌سیم باشد. با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در زمینه‌ی ساخت افزاره‌های الکترواپتیکی و گسترش استفاده از آن‌ها، چشم‌انداز روشنی در زمینه‌ی استفاده از این افزاره‌ها برای استفاده در ارسال سیگنال‌های رادیویی در باندهای فرکانسی مختلف به نظر می‌‍رسد. سیگنال‌های بی‌سیم از لحاظ طیف فرکانسی محدود و در زمینه‌ی تداخل فرکانسی آسیب‌‌پذیر و در طول موج‌های میلیمتری به سرعت تضعیف شده و امکان عبور از موانع را ندارند. فیبرهای نوری مشکل تداخل و آسیب‌پذیری برای سلامت انسان را ندارند و امکان ارسال داده را در نرخ‌های بسیار بالا و با تضعیف پایین فراهم می‌کنند، اما از طرف دیگر مشکلاتی مانند غیرخطی بودن و پاشندگی دارند. تاکنون طرح‌های بسیاری برای انتخاب مناسب گیرنده و فرستنده‌ی نوری و نوع فیبر نوری برای استفاده در شبکه‌های ارتباطی مورد نظر و همچنین روش پربازده‌ی مدولاسیون برای دستیابی به عملکرد مناسب در فواصل و فرکانس‌های مختلف با در نظر گرفتن ملاحظاتی مثل هزینه، میزان پیچیدگی و میزان نویز قابل قبول، ارائه شده است. در این پایان‌نامه پس از بیان پیش‌زمینه و کاربردهای ارسال سیگنال‌های رادیویی و تراهرتز توسط فیبر نوری و فناوری‌های مرتبط با آن ، اجزا و افزاره‌های اصلی مورد استفاده برای ارسال سیگنال‌های رادیویی و تراهرتز شامل منابع نوری ، فیبرها و آشکارسازهای نوری بررسی و ماخ‌زندرها و تقویت‌کننده‌های نوری با توجه به بهبود قابل توجه در عملکرد سیستم با به کارگیری آن‌ها ، شرح داده شده‌اند. روش‌های ارسال داده برای ارسال سیگنال در شبکه در طول موج‌های رادیویی و تراهرتز از طریق فیبر نوری شامل روش‌های مدولاسیون مستقیم شدت ، مدولاسیون خارجی شدت نور و مدولاسیون فاز و روش‌های همدوس با استفاده از دو منبع نوری در طول‌موج‌های مختلف ارائه شده است. مدولاسیون‌های $ O D SB $ ، $ O $ و $ OCS $ با ماخ‌زندر ، مدولاسیون همزمان فاز و شدت نور و روش‌های همدوس تولید سیگنال و آشکارسازی سیگنال‌ها با استفاده از آرایه‌ای از آشکارسازها به همراه مزایا و معایب اصلی آن‌ها معرفی شده‌اند. پس از آن با استفاده از نرم‌افزار به شبیه‌سازی تعدادی از این روش‌ها در یک شبکه‌ی رادیو روی فیبر و مقایسه و تحلیل آن‌ها پرداخته شده است. با ارسال $ 5 G $ داده توسط یک سیگنال $ OFDM $ با روش‌های مدولاسیون مستقیم شدت نور ، $ O DSB $ ، $ O $ و مدولاسیون فاز پس از اجرای شبیه‌سازی نتایج نشان داد که روش مدولاسیون مستقیم شدت نور تنها در فاصله‌های کوتاه قابل استفاده است. با افزایش فاصله ، روش مدولاسیون $ O DSB $ گزینه‌ی مناسبی برای ارسال داده تا 20 کیلومتر می‌باشد. در مسیرهای طولانی‌تر با استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری $ 5 dB $ و $ 10 dB $ می‌توان به ارسال سیگنال با نرخ خطای بیت نزدیک به صفر تا فاصله‌های به ترتیب 40 و 70 کیلومتری دست یافت. برای مدولاسیون $ O $ برای حالات عدم استفاده از تقویت‌کننده‌ی نوری در شبکه و استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری $ 5 dB $ و $ 10 dB $ نرخ خطای بیت قابل قبول به ترتیب تا فاصله‌های 40 ، 60 و 84 کیلومتری قابل دست‌یابی است. برای مدولاسیون فاز ، $ BER $ برای مدار بدون استفاده از تقویت‌کننده‌ی نوری چندان رضایت بخش نبود اما با استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری $ 5 dB $ و $ 10 dB $ بهبود قابل ملاحظه در عملکرد سیستم با نرخ خطای بیت نزدیک به صفر به ترتیب تا حدود 10 و 40 کیلومتری به دست آمد. در یک سیستم تراهرتز مدولاسیون سیگنال حاصل از تزویج نور دو لیزر با 10 و 5 گیگابیت بر ثانیه داده در باند پایه توسط یک ماخ‌زندر انجام گردید. مشاهده شد که ارسال داده با نرخ خطای بیت $ 1 imes10 ^{-9} $ تا فاصله‌های به ترتیب 4 و 9/8 کیلومتری توسط فیبر نوری در سیستم مورد نظر قابل دست‌یابی است.