Các hệ thống thông tin quang - Phần 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

209
lượt xem 60
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống TTQ IMDD ra đời đầu tiên, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 ¸ 10 Gb/s (STM4, STM16) 2/26/2007 Optic Communication Systems 3 Những nội dung chính I. II. I.1 Nguyên lý hệ thống IMDD Hệ thống thông tin quang IMDD

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các hệ thống thông tin quang - Phần 1

I. Giới thiệu Hệ thống TTQ IMDD Hệ thống TTQ IMDD là gì? C¸c HÖ Thèng Th«ng Tin Quang sử dụng điều biến cường độ (IMIntensity Modulation), và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector) thông tin về pha của tín hiệu không đóng vai trò quan trọng (khác biệt với hệ thống TTQ Co herent) Msc.Eng. Nghiêm Xuân Anh Hệ thống TTQ IMDD ra đời đầu tiên, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 ¸ 10 Gb/s (STM4, STM16) 2/26/2007 Optic Communication Systems 3 I.1 Nguyên lý hệ thống IMDD Những nội dung chính Hệ thống thông tin quang IMDD I. Hệ thống thông tin quang coherent II. 2/26/2007 Optic Communication Systems 2 2/26/2007 Optic Communication Systems 4
I.1.2. Truyền tin trên sợi quang I.1.1. Phía Máy Phát Phía phát thực hiện biến đổi tín hiệu điện đầu vào Công suất tín hiệu bị tổn hao trong quá trình truyền thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu ánh sáng dọc theo chiều dài của sợi (do hấp thụ của tạp chất, của bản thân vật liệu, hấp thụ điện tử, suy quang này vào sợi quang để thực hiện v iệc truyền hao do uốn cong, tán xạ vv…) Þ Length limitted! thông tin. Suy hao công suất (suy hao xen) do các phần tử trên [Máy phát thực hiện điều chế nguồn quang (LED tuyến (bộ nối, mối nối, mối hàn, các bộ ghép/xen rẽ hoặc LD) bằng dòng tín hiệu điện (digital hoặc kênh, các bộ chuyển đổi…) Þ Length limitted! analog) cần truyền]. Tức là, công suất quang ra tỷ lệ Méo (dãn xung) tín hiệu do tán sắc (tán s ắc giữa các tuyến tính với dòng điều biến Þ Kiểu điều chế này mode, tán sắc mode (tán sắc vận tốc nhóm), tán sắc gọi là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation). dẫn sóng, tán sắc vật liệu, tán sắc phân cực mode vv... Þ Bit rate limitted!. 2/26/2007 Optic Communication Systems 5 2/26/2007 Optic Communication Systems 7 I.1.3. Phía Máy Thu Intensity modulation Sóng tín hiệu quang được phát đi từ phía phát sau khi tới bộ thu quang được biến đổi thành tín hiệu điện (nhờ photodiode), được khuếch đại và khôi phục thành tín hiệu có dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang. Photodiode (O/E) thực hiện tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo) tại đầu ra của nó. Þ bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp (DD). Các photodiode có thể là pin hoặc APD. Tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang, tín hiệu được tách ra trực tiếp ở băng gốc mà không có bất kỳ xử lý hoặc biến đổi nào. 2/26/2007 Optic Communication Systems 6 2/26/2007 Optic Communication Systems 8
I.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR SNR (continued.) Trong giới hạn nhiễu nhiệt (ss > sT ) thì Sau khi tín hiệu quang lan truyền qua một cự ly dài, h P RP công suất của nó rất thấp. Do đó cần có bộ thu in in SNR pin = = (*) quang tốt, bộ tách sóng quang v à các mạch điện 2eB 2 nB h e e khuếch đại sau nó phải kết hợp tối ưu để cho ra SNR Note: Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng tách cao. Tức là: sóng pin, nhiễu trội là nhiễu nhiệt (do bộ tách sóng Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát có điện trở tải tách sóng nên nó sinh ra dòng nhiễu ra công suất tín hi ệu lớn, và nhiệt khá lớn để tạo ra nhiễu nhiệt.) 2/26/2007 Optic Communication Systems 9 2/26/2007 Optic Communication Systems 11 SNR (continued …) SNR (continued.) Nhiễu của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại điện phải Trong nhiều bộ thu quang, dòng nhiễu nhiệt hiệu càng thấp càng tốt. dụng lớn gấp khoảng 20 lần dòng nhiễu lượng tử Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của photodiode được xác định hiệu dụng v à khoảng 100 lần dòng tối hiệu dụng. là Tương tự, tỷ số SNR của bộ thu quang dùng APD là 2 I p ( MRP ) 2 C«ng suÊt tÝn hiÖu tõ dßng photo SN R = = 2 in SNR APD = C«ng suÊt nhiÔu bé t¸ch sãng + C«ng suÊt nhiÔu bé khuÕch đ ¹i s 2 2 e ( RP + I d ) F + 2eBe I l + ( B T / R ) F B eB M A 4 k in L n e Trong giới hạn nhiễu nhiệt (ss
Độ nhạy thu – sơ đồ tham chiếu SNR (continued.) Ngược lại, trong giới hạn nhiễu lượng tử, (ss >> sT), lúc Trong thông tin quang số, độ nhạy thu l uôn bị ràng này ta có buộc bởi tỷ số lỗi bit BER. Độ nhạy được thể hiện h in RPin P SNR APD = = bằng một công suất quang tối thiểu có thể có thể 2eBe FA 2 nBe FA h đảm bảo tỷ số lỗi bit BER đã cho. (Thường được xác Và trong trường hợp này, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR định tại một điểm tham chiếu trước bộ nối thu R) của bộ thu dùng photodiode APD lại bị giảm đi bởi hệ số nhiễu trội F so với bộ thu photodiode pin. Khối máy phát Khối máy thu A C X (Bộ nối phát) Sợi quang Trong đó FA được xác định bằng thực nghiệm xấp xỉ là CRX (bộ nối thu) T S FA » M x Với x là phân tử gam, = 0.3 với photodiode thác Silic, = 0.7 đ/v InGaAs, = 1 với Germanium. R 2/26/2007 Optic Communication Systems 13 2/26/2007 Optic Communication Systems 15 I.3. Độ nhạy của bộ thu quang Độ nhạy thu – các điểm tham chiếu Độ nhạy thu là tham số quan trọng nhất đánh giá S là điểm tham chiếu trên sợi quang ngay sau bộ nối khả năng và chất lượng của HTTTQ. phát C X , còn R là điểm tham chiếu trên sợi quang ở T Độ nhạy cao thể hiện khả năng thu được mức công ngay trước bộ nối thu C . RX suất quang rất thấp. Các thông số tại các điểm tham chiếu xác định có liên quan tới mục tiêu thiết kế đoạn truyền dẫn quang Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế được các HTTTQ có tỷ số lỗi bit BER. có tốc độ cao và cự ly xa. Nó bị tác động trực tiếp bởi tỷ số SNR của bộ tách sóng quang. Tức là SNR BER thường nằm trong dải 10 ¸ 10126 càng cao thì độ nhạy càng cao. eSNR chỉ đủ để đánh giá chất lượng tín hiệu thu trong truyền dẫn analog có đáp ứng tiêu chuẩn đề ra hay không, còn 2/26/2007 Optic Communication Systems 14 2/26/2007 Optic Communication Systems 16
Độ nhạy thu – các khuyến nghị BER (continued.) Do tín hiệu sau tách sóng rất yếu nên nó cần phải Như vậy độ nhạy của bộ thu quang là công suất được khuếch đại, được lọc, sau đó được so sánh với trung bình nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm mức ngưỡng tại mạch quyết định để thu được xung R để đạt được tỷ số lỗi bit BER (Khuyến nghị của mong muốn (bit 1 hoặc 0) trong khe thời gian của nó. ITUT) như sau: Trong trường hợp không lỗi thì khi “1” được thu thì 106 ¸ 109 đối với các hệ thống PDH, đầu ra V ut (t) phải cao hơn điện áp ngưỡng, và khi o 1010 đối với các hệ thống SDH STM1, STM4 và “0” được thu th ì V ut (t) phải nhỏ hơn ngưỡng. o STM16 mà không có khuếch đại quang, Trong thực tế, do tác động của các loại nhiễu khác và 1012 đối với hệ thống đơn kênh quang v à nhiều nhau và sự giao thoa giữa các xung lân cận có thể kênh quang có sử dụng khuếch đại quang tại STM64 gây ra sự trệch khỏi giá trị trung bình của V ut (t) và o gây ra lỗi. 2/26/2007 Optic Communication Systems 17 2/26/2007 Optic Communication Systems 19 I.4. Tỷ số bít lỗi (BER) trong bộ thu quang BER Bộ thu quang trong hệ thống thông tin quang số IM Để xác định tỷ lệ lỗi xảy ra ta có thể dùng cách chia DD gồm một bộ tách sóng quang, bộ tiền khuếch đại, các xung lỗi N cho tổng số các xung N trong e t bộ khuếch đại điện, mạch cân bằng (lọc) và quyết khoảng thời gian t đã cho. Nó được gọi là tỷ số lỗi bit định. BER và được viết nh ư sau: N e BER = N t Để xác định BER tại bộ thu, sự phân bố xác suất tín hiệu đầu ra của mạch cân bằng là rất quan trọng v ì điều đó quyết định xem bit “1” hay “0” được phát đến. Do đó, ta xét vấn đề này thông qua hệ thống thông tin số với các xung “0” và “1”. 2/26/2007 Optic Communication Systems 18 2/26/2007 Optic Communication Systems 20
BER (continued.) BER (continued.) Lỗi xảy ra khi I I cho bit “0”. D Cả hai kiểu lỗi trên có thể gộp lại bằng việc định nghĩa xác suất lỗi bit như sau BER = p ) P 1 / 0 + p 1 P / 1 (0 ( ) ( ) (0 ) Trong đó P(1/0) là xác suất quyết định nhầm bit “1” khi bit “0” được gửi đến. P(0/1) là xác suất quyết định nhầm bit “0” khi bit “1” được gửi đến. p(0) và p(1) là xác suất nhận đúng các bit “0” và “1” Mật độ xác s uất p( I) tương ứng. 2/26/2007 Optic Communication Systems 21 2/26/2007 Optic Communication Systems 23 BER (continued.) BER(continued.) Hình trên chỉ ra tín hiệu dao động nhận được bởi Trong trường hợp số bit N trong luồng bit là lớn (>215) thì mạch quyết định, mạch này lấy mẫu tại thời điểm p(0) » p(1) » 0,5. Khi đó quyết định t xác định thông qua sự khôi phục xung P 1 / 0 + P / 1 ( ) (0 ) D (*) BER = đồng hồ. 2 Giá trị lấy mẫu I biến động từ bit sang bit quanh giá Hình trên cho thấy P(0/1) v à P(1/0) phụ thuộc v ào hàm trị trung bình I hoặc I , tùy theo bit đó tương ứng mật độ p(I) của giá trị lấy mẫu I. Dạng hàm p(I) phụ thuộc 1 0 với bit “1” hay bit “0” trong luồng bit. vào thống kê các nguồn nhiễu gây ra các biến động dòng. Nhiễu nhi ệt i và nhiễu bắn được xấp xỉ bằng phân bố Mạch quyết định so sánh giá trị lấy mẫu với mức T Gaussian, do đó tổng của chúng (giá trị được lấy mẫu I) ngưỡng ID và gọi nó là bit “1” nếu I> ID hoặc bit “0” cũng l à biến ngẫu nhiên Gaussian có phương sai là nếu I
BER (continued.) BER (continued.) 4 B TB k 2 Q = Q = Q 2 Với s s = 2 ( p + I ) e còn s T = e I d B e F 0 1 n R Với I - I I - I L Q = 1 D và Q = D 0 1 0 s s 0 Giá trị trung bình và phương sai của bit “1” và bit 1 “0” khác nhau do I tương đương với I hoặc I , tùy s I + s I p 1 0 Như vậy, dòng quyết (*) I D = 1 0 0 1 theo bit nhận được. Nếu s12 và s0 2 là các phương s 1 + s 0 định tối ưu là sai tương ứng thì xác suất có điều kiện trên được Khi s1=s0, thì I =(I +I )/2 tương ứng với ngưỡng quyết cho bởi D 1 0 định nằm ở giữa. Trường hợp này áp dụng cho hầu hết các bộ thu pin do nhiễu của nó chủ yếu là nhiễu nhiệt (sT >>sS) và độc lập với dòng trung bình. Trong các bộ thu APD thì I được đặt theo bt (*). D 2/26/2007 Optic Communication Systems 25 2/26/2007 Optic Communication Systems 27 BER (continued.) BER (continued.) Như vậy BER với giá trị ngưỡng tối ưu (IDopt. ) phụ Trong đó erfc là hàm lỗi bù, được định nghĩa là thuộc vào tham số Q như sau Khi đó (*) Trong đó tham số Q được xác định là (**) Phương trình trên cho thấy BER phụ thuộc vào ngưỡng quyết định I . Trong thực tế, I được tối ưu Hình sau cho thấy sự biến thiên của BER theo Q như D D nhằm tối thiểu BER. BER in. đạt được khi I được thế nào. m D chọn sao cho 2/26/2007 Optic Communication Systems 26 2/26/2007 Optic Communication Systems 28
BER (continued.) I.5. Độ nhạy thu – PIN photodiode Nó được vẽ dựa trên biểu thức gần đúng và khá Giả thiết bit “0” không mang công suất quang để chính xác khi Q>3. sao cho P =0, tức I =0. 0 0 BER cải thiện khi Q tăng và trở nên nhỏ hơn 1012 với Nếu gọi là công suất quang TB thu được thì re Q>7. đó là giá trị trung bình của các bit “1” và “0” và khi Độ nhạy thu tương ứng v ới công suất quang trung đó P + P 1 0 P c = bình có Q»6 sẽ có BER»109…, . re 2 P có liên quan tới I trong bộ tách sóng pin như 1 1 sau I = RP = 2 P (víi P0 = 0) R rec 1 1 2/26/2007 Optic Communication Systems 29 2/26/2007 Optic Communication Systems 31 BER vs. Q PIN độ nhạy thu s1 và s0 bao gồm các thành phần của cả nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt, v ì vậy chúng có thể được viết như sau: s 1 = s s 2 + s T 2 vµ s 0 = s T Bỏ qua thành phần dòng tối, phương sai nhiễu trở thành e R r e s s 2 = 2 (2 P e c )B 4 BTBe k s T 2 = F n R L 2/26/2007 Optic Communication Systems 30 2/26/2007 Optic Communication Systems 32
PIN độ nhạy thu I.6. Độ nhạy thu – APD photodiode Khi đó hệ số Q được v iết như sau Tương tự như đối với trường hợp PIN, giả thiết các bit “0” không mang công suất (P =0 hay I =0). 2 R P I 0 0 rec 1 Q = = Với R D =MR thì công suất ứng với các bit “1” liên s 1 + s 0 AP 2 2 s S + s T + s T quan với I trong bộ thu APD như sau: 1 I = R P = MRP = 2 R P (do P0 = 0) M rec Khi chỉ định BER thì Q được xác định theo bt. BER 1 APD 1 1 (trang 28), rồi từ bt. trên tìm được độ nhạy thu Bỏ qua các thành phần dòng tối, phương sai nhiễu của bộ thu quang như sau: của bộ thu APD trở thành re Q e s s = 2eM 2 RFA (2 P c )B 2 (eBe Q + s T ) Prec = re pin R 4k B TB s T2 = e F n R L 2/26/2007 Optic Communication Systems 33 2/26/2007 Optic Communication Systems 35 PIN độ nhạy thu APD – độ nhạy thu Nhận xét: Độ nhạy thu phụ thuộc vào các tham số Khi đó Q được xác định là bộ thu. Đối với bộ thu quang PIN thì nhiễu nhiệt sT 2 MR P ec I r 1 Q = = thường là trội, v à khi đó có thể được v iết dưới re s 1 + s 0 s S + s T2 + s T 2 s dạng đơn giản như sau: Q T P c = re pin R Với BER đã cho, ta có thể xác định tham số Q dựa Ta thấy sT không chỉ phụ thuộc vào các tham số như vào bt. BER (trang 28), và độ nhạy thu D đối re AP RL và F mà còn phụ thuộc v ào cả tốc độ bit thông với bộ thu APD được xác định từ bt. trên như sau: n qua băng tần điện B của bộ thu quang (Be=B/2). B e sö Q æ 1/2 trong giới là tốc độ bit. Vì thế tăng theo B = ç eQF B + T ÷ P ec re r A e APD hạn nhiễu nhiệt, và điều này có nghĩa là độ nhạy R è M ø thu sẽ giảm khi tốc độ bit tăng ! 2/26/2007 Optic Communication Systems 34 2/26/2007 Optic Communication Systems 36
APD – độ nhạy thu – Remarks BER trong giới hạn lượng tử Nếu gọi N là số photon trung bình trong mỗi bit “1” , xác Nhận xét p suất tạo ra m cặp điện tử lỗ trống được cho bởi phân bố Từ biểu thức trên, độ nhạy thu APD được cải thiện Poisson. với hệ số M so với PIN nếu nhiễu nhiệt là nhiễu trội. - N p m e ( N p ) P = Tuy nhiên nhiễu lượng tử cũng tăng đáng kể trong bộ (*) m m ! thu APD nên công thức trên nên được sử dụng cho cả hai loại nhiễu. BER có thể được tính toán sử dụng (*p.24) và (*). Nhìn chung, độ nhạy của bộ thu quang APD được cải P(1/0) =0 do không có cặp ĐT LT nào được tạo ra khi N =0. p thiện từ 6 – 8 dB. P(0/1) đạt được bằng cách gán m=0 trong (*) do “0” được quyết định trong trường hợp đó mặc dù “1” nhận được. Do PD tăng tuyến tính v ới B, còn IN tăng theo r A r P P(0/1) = e Np nên BER được cho bởi biểu thức s au B1/2 nên độ nhạy của APD giảm nhanh hơn so với - N e p độ nhạy của PIN khi tốc độ bit tăng ! BER = 2 2/26/2007 Optic Communication Systems 37 2/26/2007 Optic Communication Systems 39 I.7 Giới hạn lượng tử của tách sóng Độ nhạy máy thu quang Trong bộ thu quang, h là một tham số quan trọng. Như vậy, với BER 20. Do yêu cầu p Bộ tách sóng lý tưởng có h=1 và Id=0. này là kết quả trực tiếp của những biến động lượng tử Với điều kiện trên, công suất quang thu được nhỏ nhất liên quan tới ánh sáng tới nên nó được gọi là giới hạn @ BER đã cho gọi là giới hạn lượng tử. lượng tử. Với bộ tách sóng lý tưởng, s0=0 v ì nhiễu lượng tử triệt Mỗi bit “1” phải chứa tối thiểu 20 photon để được phát tiêu khi không có công suất quang tới. Do đó, ngưỡng hiện với BER
Advantages of coherent lightwave Số photon trung bình – độ nhạy thu systems thể hiện độ nhạy máy thu theo số photon Ưu điểm của hệ thống TTQ coherent: p trung bình / bit v à quan hệ với N theo =N /2 Cải thiện được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra p p p của mạch tiền khuếch đại, dẫn tới độ nhạy thu cao khi các bit 0 không mang năng lượng. (upto 20 dB so với hệ thống IMDD), cho phép kéo dài Trong giới hạn lượng tử, =10. Công suất có p cự ly truyền dẫn tới 100 km tại bước sóng 1.55 mm; thể được tính từ (*p.40). Sử dụng hiệu quả hơn băng tần của sợi quang bằng Ví dụ: một máy thu 1,55 mm (hn=0,8 eV), =13 cách tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM. re nW hay 48.9 dBm tại B=10 Gb/s. Hầu hết máy thu hoạt động ngoài giới hạn lượng tử khoảng 20 dB hoặc cao hơn. Điều này tương đương với điển p hình vượt 1000 photon trong các m áy thu thực tế. 2/26/2007 Optic Communication Systems 41 2/26/2007 Optic Communication Systems 43 Disadvantages … II. Hệ thống thông tin quang Coherent Nhược điểm của hệ thống IMDD Hệ thống TTQ coherent đòi hỏi nhiều giải pháp kỹ thuật và quá trình công nghệ phức tạp. Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều mắt Không tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang xích cần phải giải quyết bao trùm các vấn đề về phổ, khi m à các hệ thống truyền dẫn IMDD đơn kênh mới chỉ đạt tốc độ 622 Mb/s, 2.5 Mb/s ở cự ly vài chục km độ ổn định tần số, duy trì phân cực vv… nhằm nâng và hệ thống 10 Gb/s chưa phổ biến nhiều. cao độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện hoạt động ở tốc độ Gb/s v ới cự ly hàng trăm km. Độ nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ truyền dẫn cao, tốc độ bit càng cao thì độ nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IMDD không thể vừa tăng cự ly v ừa tăng tốc độ được. 2/26/2007 Optic Communication Systems 42 2/26/2007 Optic Communication Systems 44
II.1. Khái niệm về Thông tin quang Characteristics of coherent systems coherent Hệ thống TT coherent dựa theo nguyên lý truyền Khác với IMDD, các hệ thống coherent có những sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp v ới một sóng đặc điểm sau: ánh sáng khác tại phía thu quang. Thông tin được điều chế ở phía phát với mức yêu cầu cao v ề độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể Tương tự trong các hệ thống thông tin vô tuyếnviba, điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài). truyền ti n bằng việc điều tần hoặc pha của sóng Độ phân cực của ánh sáng được phải được giữ mang quang v à tách tín hiệu nhận được bằng các kỹ nguyên trạng trong quá trình truyền. thuật tách sóng homodyne hoặc heterodyne. Trước khi tách sóng ở máy thu, tín hiệu được trộn với Sự kết hợp về pha của sóng mang quang đóng v ai sóng dao động nội (laser diode). Như vậy ánh sáng đã trò quan trọng trong thực hiện các hệ thống này, do được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang. đó nó được gọi là hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent). 2/26/2007 Optic Communication Systems 45 2/26/2007 Optic Communication Systems 47 Developments II.2. Cấu trúc của HTTTQ coherent Khái niệm về coherent có từ những năm 1970s Đến đầu 1980s, khi công nghệ sợi quang v à laser đạt được những bước tiến nhảy vọt mới tạo đà cho các hệ thống coherent phát triển. (Sợi quang đơn mode G.652 có suy hao thấp » 0.154 dB/km @ 1550nm. Laser bán dẫn có độ ổn định tần số cao, độ rộng phổ hẹp làm cho tán sắc gây dãn xung không đáng kể.) Chỉ trong vòng 67 năm, hệ thống coherent đã được đưa vào sử dụng trong các mạng viễn thông. Các hãng nổi tiếng thế giới như AT&T, NTT, NEC vv… cho đây là hướng mũi nhọn trong việc nâng cao khả năng truyền dẫn và khoảng cách giữa các trạm lặp. 2/26/2007 Optic Communication Systems 46 2/26/2007 Optic Communication Systems 48
System structure – Transmitter side Bộ trộn quang Phần phát gồm mạch điều khiển, laser diode, bộ điều Là một mạng 4 cửa, tương tự như bộ ghép định chế ngoài (ngoài ra còn có thể có thêm bộ KĐ công hướng siêu cao tần. Nó có hai trường quang đầu vào suất, bộ điều khiển công suất tự động). (tín hiệu thông tin v à sóng dao động nội) được trộn với nhau và cộng tuyến tính tại cửa ra. Laser bán dẫn thường là loại đơn mode DFB, độ rộng phổ hẹp » 0.1 nm, laser có bộ cộng hưởng ngoài hoặc Yêu cầu cả hai trường quang cần phải đồng hướng laser cách tử có độ rộng phổ 10 ¸ 100 MHz. trên mặt của photodiode. Do trạng thái phân cực của Các loại LED v à laser đa mode không thích hợp cho tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng nên cần phải sử hệ thống coherent vì độ rộng phổ của nguồn phải
Priciples of operation … Dòng tín hiệu từ đầu ra của bộ tách sóng được đưa Giả sử ta coi trường điện từ của tín hiệu đến từ phía tới tiền khuếch đại, được lọc thông dải để giới hạn độ phát là sóng phẳng có dạng. rộng băng tần nhiễu và sau đó được giải điều chế E = A cos[w s t + fs t ) ( ] tương ứng với dạng điều chế. s s Lưu ý rằng nhiễu pha trong laser rất quan trọng trong A là biên độ trường của tín hiệu quang, ws là tần số s hệ thống coherent v ì nó xác định độ rộng băng tần tín hiệu, fs (t) là pha của tín hiệu quang. của bộ lọc trung tần hay độ rộng băng tần tín hiệu. Để truyền thông tin, ta có thể sử dụng kỹ thuật điều Một phần dòng sau biến đổi O/E được sử dụng để biên, điều tần, hoặc điều pha sóng mang quang. chốt trung tần tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiển tần số tự động AFC. 2/26/2007 Optic Communication Systems 53 2/26/2007 Optic Communication Systems 55 II.3. Nguyên lý hoạt động Transmitter Modulation Methods ASK hay OOK. Trong trường hợp này, fs là hằng số và biên độ tín hiệu A chỉ nhận 1 trong 2 giá trị trong s mỗi chu kỳ bit, tùy theo “0” hay “1” được phát đi. FSK. Biên độ A là hằng số và pha fs nhận giá trị w1 t s hay w2 t, trong đó w1 và w2 biểu thị các giá trị của tín ws hiệu nhị phân. (ws wLO ) wLO PSK. Thông tin được truyền đi qua sự thay đổi pha với sóng hình si n có f s (t ) = b sin w m t , trong đó b là chỉ số điều chế, wm là tần số điều chế. 2/26/2007 Optic Communication Systems 54 2/26/2007 Optic Communication Systems 56
Receiver Two stages of demodulation Tại bộ thu quang, tín hiệu này trước tiên được trộn với f(t)= fs(t) fLO (t) là sự khác pha tương đối giữa tín hiệu sóng quang phát ra từ bộ dao động nội. Tiếp theo, mang tin và tín hiệu dao động nội, còn photodiode tách sóng tín hiệu kết hợp từ hai tín hiệu này. cos q(t) thể hiện sự lệch phân cực giữa trường quang Việc trộn được thực hiện tại bề mặt của bộ photodiode. tín hiệu và trường quang dao động nội: Dao động nội có trường được viết như sau: E E cos q (t ) = r s rLO E O = A O cos[w LO t + fLO ( ) t ] E E s LO L L ws¹wLO , tín Thông thường thì P lớn hơn rất nhiều Ps . Khi LO ALO , wLO và fLO (t) là biên độ, tần số và pha của dao động hiệu quang sẽ được giải điều chế theo hai giai đoạn: nội. Tần số sóng mang trước tiên được biến đổi thành Giả thiết cả trường E và E O có cùng phân cực. Bộ tách trung tần f =wIF /2p (typ. 0.1 ¸ 5 GHz) s L IF sóng phía thu sẽ đáp ứng v ới cường độ quang |Es +E O |2. L 2/26/2007 Optic Communication Systems 57 2/26/2007 Optic Communication Systems 59 Homodyne and Heterodyne Detection P oherent – công suất thu coherent c Sau đó tín hiệu được giải điều chế sang băng cơ sở. Do photodiode đáp ứng v ới cường độ quang nên công suất thu được tại bộ tách sóng được cho bởi Không nhất thiết luôn phải sử dụng trung tần. Trong bộ thu coherent thực tế, có hai kỹ thuật tách sóng 2 P = K E + E s LO Với K là hằng số t ỷ lệ. tuỳ thuộc v ào wIF =0 hay wIF ¹ 0. Như vậy ta sẽ có Nếu wIF =0 thì tách sóng được gọi là homodyne, còn P ( ) = P + P + 2 P P cos (w IF ( ) + f ( ) )] s ( ) [ t t co q t coh t Nếu wIF ¹ 0 thì tách sóng được gọi là heterodyne. s LO s LO Trong đó Sự cải thiện về độ nhạy thu trong tách sóng Coherent được thể hiện bằng các kỹ thuật này. P =KA 2 và PLO =KA O 2 tương ứng là công suất quang s s L tín hiệu và công suất quang dao động nội. Tiêu chí đánh giá, phân tích thông qua việc so sánh f =wIF /2p=(wswLO ) /2p là trung tần, dòng photo trong tách sóng trực tiếp và Coherent. IF 2/26/2007 Optic Communication Systems 58 2/26/2007 Optic Communication Systems 60
II.3.2. Kỹ thuật tách sóng Homodyne Remarks on Homodyne Receiver Vì số hạng cuối trong biểu thức (*p. 61) rõ ràng tồn tại wLO được chọn trùng với tần số tín hiệu ws sao cho pha tín hiệu nên có thể truyền thông tin bằng điều chế wIF =0. pha cho sóng mang quang – Điều mà tách sóng trực Dòng photo trong trường hợp này là tiếp không làm được do toàn bộ thông tin về pha tín hiệu đã bị mất ! I ho ( ) = R Ps + PLO ) + 2 Ps PLO cos[fs ( ) - f LO ( ) t ] t ( R t (*) Tách sóng homodyne là một kỹ thuật tiên tiến nhưng nó cũng có vấn đề do tính nhạy cảm pha của nó. Yêu Thông thường P O>> P nên tổng P O+P »P O. cầu phải có mạch khóa pha quang OPLL để khóa pha L s L S L của bộ dao động nội với sóng mang tín hiệu. Trong biểu thức trên, số hạng cuối cùng mang thông Ngoài ra, có yêu cầu nghiêm ngặt đối v ới sự đồng tần tin phát v à được sử dụng tại mạch quyết định. giữa laser phát và laser dao động nội. Þ Điều này được khắc phục bằng tách sóng heterodyne! 2/26/2007 Optic Communication Systems 61 2/26/2007 Optic Communication Systems 63 Back to p 132 So sánh thu homodyne với tách sóng II.3.2 Tách sóng Heterodyne trực tiếp Xét trường hợp fs(t)= fLO (t). Khi đó dòng tín hiệu wIF¹0 homodyne là Không cần OPLL nên các bộ thu Heterodyne dễ thực I sho (t ) = 2 P P O R s L hiện hơn bộ thu Homodyne. Trong khi đó dòng tín hiệu thu trực tiếp I D (t)=RPs(t) . Dòng photo thu được trong tách sóng Heterodyne là: D I he ( ) = R Ps + PLO ) + 2 Ps PLO cos[w IF ( ) +f s ( ) - fLO ( ) (*) t ] So sánh hai dòng photo trên ta thấy, nếu ký hiệu là t R t t ( s công suất quang trung bình thì công suất điện trung bình Ta quan tâm đến thành phần điều hòa vì dòng này sẽ trong tách sóng homodyne sẽ tăng với hệ số 4PLO P > /< s được lọc ra nhờ bộ lọc. Thành phần này có mang thông so với tách sóng trực tiếp. tin và là: Nhận xét: I she (t ) = 2 P P cos w IF (t ) +f s ( ) - fLO ( ) [ t] R s LO t Do P >>Ps nên tỷ số 4P / >> 1, dẫn tới sự tăng LO LO s công suất có thể vượt 20 dB. Bộ dao động nội đã đóng Heterodyne có thể dùng điều biên, pha và tần số của vai trò b ộ khuếch đại tín hiệu ! sóng mang quang để mang thông tin. 2/26/2007 Optic Communication Systems 62 2/26/2007 Optic Communication Systems 64 Back to p 132
Remarks II.4. SNR của bộ thu quang coherent Bộ dao động nội cũng khuếch đại tín hiệu thu được, do Ưu điểm của tách sóng quang coherent có thể định đó cải thiện được tỷ số SNR. lượng bằng việc xem xét SNR của dòng máy thu. Tuy nhiên, sự cải thiện SNR thấp hơn trường hợp tách Như phần trước đã trình bày, dòng máy thu biến sóng homodyne bởi hệ số 2 (hay 3 dB). động do nhiễu bắn v à nhiễu nhiệt gây ra. Phương sai Nguồn gốc của 3 dB có thể thấy khi xét công suất tín s2 của các biến động dòng đạt được bằng cách lấy hiệu (tỷ lệ với bình phương dòng điện). Do bản chất tổng của hai thành phần, vì vậy của dòng I c, công suất tín hiệu trung bình bị giảm đi a hệ số 2 khi I c 2 được lấy trung bình qua cả chu kỳ tại s 2 = s s2 + s T2 a trung tần (nên nhớ là trung bình của cos2q qua q là ½) Trong đó Sự trả giá cho thiệt thòi 3dB được bù lại bằng việc đơn giản hóa thiết kế máy thu do vòng khóa pha quang 2 2 s s = 2e I + I d ) B , s T = ( B T / R ) F B 4k ( (*) không cần nữa. e L n e 2/26/2007 Optic Communication Systems 65 2/26/2007 Optic Communication Systems 67 Remarks… SNR … Các biến động trong cả fs và fLO vẫn cần được điều Sự khác biệt với các phân tích trước đây nằm ở sự khiển sử dụng các laser bán dẫn vạch phổ hẹp cho hai đóng góp của nhiễu bắn. Dòng I trong biểu thức nguồn quang. (*p.67) là dòng photo tổng được cho bởi bt (*p.61) Tuy nhiên, ta sẽ thấy yêu cầu về vạch phổ không quá hoặc (*p.64) tùy thuộc v ào tách sóng homodyne hay nghiêm ngặt khi phương án giải điều chế không đồng heterodyne được sử dụng. bộ được sử dụng. Điểm này làm cho tách sóng Do thực tế P O>>P nên ta thế I trong (*p.67) bằng L s heterodyne rất phù hợp cho thực hiện các hệ thống I=RPLO cho cả hai trường hợp. thông tin quang coherent trong thực tế. SNR được xác định bằng cách chia công suất tín hiệu trung bình cho công suất nhiễu trung bình. 2/26/2007 Optic Communication Systems 66 2/26/2007 Optic Communication Systems 68
SNR Heterodyne Remarks SNR của bộ thu heterodyne là Tách sóng coherent cho phép đạt được giới hạn lượng tử ngay cả khi bộ thu quang sử dụng PIN (loại 2 2 R 2 P P I sh e s LO thường có nhiễu trội là nhiễu nhiệt). SNR = = s 2 2 2 RP + I d ) B + s T e( LO So sánh SNR trong bt (*p.11) với (*p.70) cho thấy sự e cải thiện SNR trong tách sóng heterodyne so với tách Trong trường hợp homodyne, SNR lớn hơn bởi hệ sóng trực tiếp như thế nào. số 2 nếu ta giả thiết fs=fLO trong biểu thức (*p.61) . Từ bt trên ta có thể thấy được ưu điểm của tách Hữu ích hơn nếu ta biểu diễn SNR theo số photon Np sóng coherent. Do công suất quang dao động nội nhận được trong một bit đơn. Tại tốc độ bit B, công P O có thể được điều khiển tại bộ thu nên nó có thể suất tín hiệu và Be trong (*p.70) quan hệ với N L s p đủ lớn để nhiễu máy thu có nhiễu bắn (shot noise) là theo =N hnB. Điển hình, B =B/2. s p e trội. 2/26/2007 Optic Communication Systems 69 2/26/2007 Optic Communication Systems 71 SNR – Heterodyne SNR – heterodyne và homodyne Sử dụng các giá trị trên của và B trong bt Cụ thể hơn ss2 >>sT 2 khi s e (*p.70) , SNR e được cho bởi một biểu thức đơn giản h PLO >> s T /( eRB ) 2 2 e SNRhe = 2hN p (*) Xét trong cùng điều kiện, đóng góp của dòng tối v ào Trong trường hợp tách sóng homodyne, SNR lớn nhiễu bắn là không đáng kể tức (I
II.5. Các dạng thức điều chế. II.5.1. Điều chế ASK Điện trường kết hợp với một tín hiệu quang có thể được Ưu điểm quan trọng của sử dụng các kỹ thuật tách viết là sóng coherent là ở chỗ cả biên độ và pha của tín [ t ] E (t ) = A ( ) cos w0 t + fs ( ) . s t s hiệu quang thu được có thể được tách ra và đo. Đặc điểm này mở ra kh ả năng gửi thông tin bằng cách Trong trường hợp điều chế ASK, biên độ A được điều s điều chế hoặc biên độ, hoặc pha, hoặc là tần số của chế trong khi duy trì w0 và fs là hằng số. Đối v ới điều chế sóng mang quang. số nhị phân, A nhận một trong hai giá trị cố định trong s Trong các HT thông tin số, 3 khả năng điều chế được mỗi chu kỳ bit, tùy theo bit 1 hay 0 được truyền đi. sử dụng là ASK, PSK và FSK. Các dạng điều chế Trong phần lớn các tình huống thực tế, As = 0 khi truyền này được trình bày cho một mẫu bít đặc biệt trên các bit 0. Khi đó, ASK được gọi là OOK và giống với sơ đồ điều chế thường được sử dụng cho các hệ thông TTQ hình sau. số noncoherent IM/DD. 2/26/2007 Optic Communication Systems 73 2/26/2007 Optic Communication Systems 75 Sự khác biệt giữa ASK cho IM/DD và Modulation Formats ASK cho coherent Thực hiện ASK cho các hệ thống coherent khác với trường hợp các hệ thống tách sóng trực tiếp ở một khía cạnh quan trọng. IM/DD : luồng bit quang cho các hệ thống tách sóng trực tiếp có thể được tạo ra bằng việc điều chế trực tiếp LED hoặc laser diode Coherent: cần điều chế ngoài. Why need an external modulator? Answer: Luôn có sự thay đổi về pha khi biên độ A s thay đổi do bởi dòng điều chế đặt vào laser bán dẫn. 2/26/2007 Optic Communication Systems 74 2/26/2007 Optic Communication Systems 76
ASK for coherent … PSK implementation Với các hệ thống IM/DD những biến đổi pha không cố ý Thực hiện PSK đòi hỏi một bộ điều chế ngoài có khả như vậy không thấy được bởi bộ tách sóng (photodiode năng làm thay đổi pha quang theo điện áp đặt vào. chỉ đáp ứng với công suất quang) và không phải là mối Cơ chế vật lý được sử dụng bởi những bộ điều chế quan tâm chính ngoài sự mất mát công suất do tạo chirp. như vậy được gọi là khúc xạ điện. Khác với IM/DD, đáp ứng của bộ tách sóng trong hệ Sử dụng PSK đòi hỏi pha của sóng mang quang phải thống coherent phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được. duy trì ổn định sao cho thông tin về pha có thể được Thực hiện ASK cho hệ thống cohherent đòi hỏi fs duy trì trích ra tại máy thu mà không có sự nhầm lẫn. Yêu gần như không đổi. Điều này đạt được nhờ vận hành cầu này đặt một yêu cầu nghiêm ngặt lên dung sai v ề laser bán dẫn liên tục bằng m ột dòng điện không đổi và độ rộng vạch phổ của laser phát v à dao động nội. điều chế đầu ra của nó bằng một bộ điều chế ngoài. Tuy nhiên, khi đó sẽ có sự mất mát công suất do suy hao xen. Yêu cầu này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng một biến thể của PSK gọi là DPSK. 2/26/2007 Optic Communication Systems 77 2/26/2007 Optic Communication Systems 79 II.5.2. Điều chế PSK DPSK Luồng bit quang được tao ra bằng việc điều chế pha Trong trường hợp DPSK, thông tin được mã hóa sử fs trong khi giữ nguyên biên độ A và tần số w0 của dụng sự khác pha giữa hai bit lân cận. Chẳng hạn s sóng mang quang. như, nếu fk đại điện cho pha của bit thứ k, độ lệch Với PSK nhị phân, fs nhận hai giá trị, thường được pha Df=fkfk1 bị thay đổi một lượng là p hoặc 0, tùy chọn là 0 và p. theo bit thứ k là bit 1 hay bit 0. Điểm thú vị của PSK là cường độ quang duy trì Ưu điểm c ủa DPSK là tín hiệu phát có thể được giải không đổi trong tất cả các bit v à tín hiệu xem ra c ó điều chế thành công miễn là pha sóng mang duy trì dạng liên tục CW . tương đối ổn định qua một khoảng thời gian 2 bit. Tách sóng coherent là cần thiết cho PSK vì mọi Loại điều chế này thường được sử dụng trong các thông tin sẽ bị mất nếu tín hiệu quang được tách hệ thống thực tế vì không cần các bộ giải điều chế sóng trực tiếp mà không trộn nó với đầu ra của bộ phức tạp mà vẫn cho chất lượng tốt. dao động nội. 2/26/2007 Optic Communication Systems 78 2/26/2007 Optic Communication Systems 80