bài 3 hệ thống thông tin quang coherent

NỘI DUNG Tổng quan về hệ thống TTQ Coherent  Khái niệm về thơng tin quang Coherent  Sơ đồ khối tổng quát hệ thống tin quang Coherent  Các dạng điều biến và tách sĩng  Các bộ điều bi

Trang 1

HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG COHERENT

Bài 3:

H TH NG TTQ COHERENT Ệ THỐNG TTQ COHERENT ỐNG TTQ COHERENT

Trang 2

NỘI DUNG

 Tổng quan về hệ thống TTQ Coherent

 Khái niệm về thơng tin quang Coherent

 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống tin quang Coherent

 Các dạng điều biến và tách sĩng

 Các bộ điều biến quang

 Các bộ điều biến ASK

 Các bộ điều biến PSK

 Các bộ điều biến FSK

 Máy thu tín hiệu quang Coherent

 Sơ đồ khối tổng quát

 Máy thu Heterodyne

 PLL trong máy thu tín hiệu quang Coherent

Trang 3

NỘI DUNG

 BER trong hệ thống tin quang Coherent

 Tín hiệu sau tách sĩng quang

 Các loại nhiếu trong máy thu tín hiệu quang Coherent

 SNR và BER trong các trong hệ thống tin quang Coherent

 Ảnh hưởng của lỗi pha đến độ nhạy máy thu

 Lỗi pha

 BER khi cĩ lỗi pha

 Ứng dụng thơng tin quang Coherent

 Các hệ thống truyền dẫn quang Coherent

 Các hệ thống WDM tách sĩng quang Coherent

Trang 4

TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG TTQ COHERENT

 Cấu trúc hệ thống TTQ Coherent

Trang 5

Dữ liệu

vào

Heterodyne

 DE (Drive Electronic): khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức

phù hợp với các khối phía sau.

 CWL (Continuous Wave Laser): laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh

sáng liên tục có bước sóng 1.

 LC (laser control): ổn định bước sóng phát ra của bộ dao động quang.

 MOD (Modulator): điều chế quang

Trang 6

 LLO (Laser Local Oscillator): tạo ra tín hiệu quang có bước sóng 2.

 DEC (Detector): thực hiện hai tính năng

 Cộng tín hiệu thu được (1) và tín hiệu tại chỗ (2)

 Đưa tín hiệu tổng tới photodiode để thực hiện tách sóng trực triếp

 Homodyne hoặc Heterodyne

 LOC (Local Oscillator control): đ/khiển pha và tần số của t/h dao động nội

 AMP (Amplifier): Khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang

 DEMOD (Demodulator): cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne.

Trang 7

 Bộ dao động nội (Local Oscillator):

 Coherent detection: kết hợp tín hiệu quang với trường quang sóng liên tục (Continous-Wave) trước khi đưa vào photodetector

 Trường quang CW này được tạo ra tại bộ thu sử dụng từ laser có

độ rộng phổ hẹp được gọi là Local Oscillator (LO)

 Kết hợp tín hiệu quang và tín hiệu từ LO:

 Tín hiệu quang: E s = A s exp[-i( 0 t + s )]

 Tín hiệu từ LO: E LO = A LO exp[-i( LO t + LO )]

(Giả thiết hai tín hiệu có cùng phân cực)

 Công suất quang tới photodetector: P=K /E s + E LO /2

với P s =KA s 2 , P LO =KA LO 2 ,  IF =  0 - LO Nếu  IF = 0  homodyne detection ,  IF  0  heterodyne detection

-

t cos(

P 2 P

P

P  s  LO  s P LO IF  s LO)

Trang 8

 Homodyne detection:

 Tần số dao động nội bằng với tần số của tín hiệu: IF = 0

 Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:

(*)

 Thông thường, P LO > P s  P s + P LO  P LO

 Nếu LO= s (locked-phase), tín hiệu homodyne được xác định bởi:

 So với tách sóng trực tiếp (DD), công suất điện trung bình của tín hiệu homodyne tăng:

 Do P LO > P s , độ lợi về công suất có thể lớn hơn 20dB  tăng SNR

 Ưu điểm chính của tách sóng homodyne

-

cos(

P 2R )

P R(P I(t)  s  LO  s P LO s LO)

LO P s

p (t) 2R P

s P

/

4P LO

Trang 9

 Homodyne detection (tt):

 Biểu thức (*) cho thấy pha của tín hiệu được thể hiện  có thể

truyền thông tin bằng các phương pháp điều chế pha và tần số

 Tín hiệu quang được giải điều chế trực tiếp xuống dải nền

(baseband)

 Nhược điểm của tách sóng quang homodyne:

 Yêu cầu nghiêm ngặt về tần số của tín hiệu và dao động nội

 yêu cầu cao về chất lượng của hai nguồn quang

 Cần sử dụng vòng khóa pha quang (optical phase-locked loop) để đạt được sự ổn định giữa pha của tín hiệu và dao động nội (thường biến động một cách ngẫu nhiên theo thời gian)

 giải điều chế đồng bộ (synchronous demodulation)

 Khó khăn trong việc chế tạo bộ thu quang tách sóng homodyne

 Tách sóng heterodyne

Trang 10

 Heterodyne detection:

 Tần số dao động nội được chọn khác với tần số của tín hiệu sao cho

tần số trung tần nằm trong dãi tần microwave (f IF = IF /2 ~ 1GHz)GHz)

 Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:

(**)

 Thông thường, P LO > P s  P s + P LO  P LO

 Tín hiệu heterodyne được xác định bởi:

 Thông tin có thể được phục hồi thông qua biên độ, pha hoặc tần số của tín hiệu hetereodyne.

 LO khuếch đại tín hiệu thu  tăng SNR

)

LO s

IF s

LO

s P ) 2R P cos( R(P

) cos( IF s LO

ac (t) 2R P I

Trang 11

 Heterodyne detection (tt):

 SNR của heterodyne thấp hơn 2 lần (3dB) so với homodyne

(công suất tr/bình P heterodyne ~ I 2

ac ~ trung bình của hàm cos 2 ( IF t+) = ½ )

 Thiết kế bộ thu đơn giản hơn so với homodyne detection vì không cần phải sử dụng optical PLL

 Sự biến động của s và LO vẫn cần được điều khiển bằng cách sử

dụng nguồn laser có độ rộng phổ hẹp

 Tín hiệu điện phải được giải điều chế từ IF band xuống baseband dùng các kỹ thuật tương tự như trong hệ thống truyền dẫn viba

 Yêu cầu về chất lượng của laser có thể được giảm đi khi sử dụng

kỹ thuật giải điều chế bất đồng bộ (asynchronous demodulation)

 Heterodyne detection thích hợp hơn khi triển khai thực tế trong

hệ thống TTQ coherent

Trang 12

 Tỷ số SNR trong tách sóng quang heterodyne:

 Bằng cách hiệu chỉnh công suất của LO:

2

T d

LO e

LO s heterodyne

I RP

eB

P P R SNR

/(

2

e T

Trang 13

B h

P eB

P R SNR

T

 

2 2

S

 

B h N

P s  p 

p heterodyne N

p odyne N SNRhom 4

Trang 14

CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG

 ASK (Amplitude Shitf Keying)

 FSK (Frequency Shitf Keying)

 PSK (Phase Shitf Keying)

 PolSK (Polarization Shitf Keying)

Trang 15

CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

 Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying):

 Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:

E s (t) = E 0 m(t)cos[0 t + s ]

Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

 On-Off Keying (OOK) tương tự với intensity modulation (IM/DD)

 Điều chế trực tiếp dòng kích cho laser: không duy trì được sự ổn định tần số và pha ở ngõ ra khi thay đổi dòng kích (khoảng 200MHz/mA)

 không thích hợp với hệ thống coherent (cần sự ổn định về pha)

 sử dụng điều chế ngòai trong hệ thống coherent

) 1 ( 1 ) (

bit

bit t

Trang 16

 Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying):

 Điều chế ngoài:

 Sử dụng coupler định hướng hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI)

 Chỉ sử dụng hiệu quả 50% công suất của bộ phát  không hiệu quả

 Suy hao xen của bộ điều chế ngòai

 Phổ công suất của tín hiệu ASK:

f 

: tần số sóng mang.

B: băng thông của t/hiệu đc điều chế b(t).

Trang 17

 Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying):

 Điều chế ngoài: sử dụng cách tử Bragg hoặc bộ giao thoa Zehnder (MZI)

) 1 ( 1 )

(

bit

bit t

Trang 18

 Độ lệch tần f được chọn tùy theo băng thông cho phép

 Băng thông tổng của tín hiệu FSK ~ 2f + 2B với B là tốc độ bit

 Nếu f >>B: FSK băng rộng, BW FSK  2f

 Nếu f <<B: FSK băng hẹp, BW FSK  2B

Trang 19

 Khi  = 0,5: MSK (Minimum Shift-Keying)

Phổ bị nén chặt  rất hấp dẫn cho các hệ thống tốc độ cao

 Khi  = (0,5  0,7): điều chế CPFSK (Continuous Phase

Frequency Shift-Keying) hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp, dạng phổ công suất bị nén rất chặt

Biên độ

fS – 0,75B fS fS + 0,75B

f

Trang 20

 Khi  >> 1: điều chế FSK lệch tần rộng, phổ được chia làm hai thành phần tập trung xung quanh (fS - f) và (fS + f)

Độ rộng băng tần tổng rất rộng  không phù hợp với hệ thống tốc độ cao Thực tế chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, rẻ tiền

Biên độ

Trang 21

 Điều chế PSK (Phase Shift-Keying):

E s (t) = E 0 cos[0 t + m(t) ]

Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

 Pha của tín hiệu điều chế nhận hai giá trị 0 và 

 Khi tần số của laser được điều chỉnh chính xác với tần số tín hiệu điều chế, lúc này quan hệ pha giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu điều chế là 0 Để có được sự thay đổi quan hệ pha là /2 thì ta phải điều chỉnh lại tần số của laser

) 1 ( 1 )

(

bit

bit t

m

0 f s 20

Trang 22

 Điều chế PSK (Phase Shift-Keying):

 Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch phổ sóng mang

 Có thể sử dụng phương pháp tách sóng homodyne và heterodyne

 Yêu pha của tín hiệu quang phải ổn định  yêu cầu nghiêm ngặt

về độ lệch băng tầng giữa laser máy phát và LO  phức tạp nên thực tế ít dùng  điều chế DPSK (Differential PSK)

Biên độ

Trang 23

 Điều chế DPSK (Differential PSK):

 Là dạng điều chế mà thông tin được mã hoá theo sự chênh lệch về pha giữa hai bit kế cận

 Nếu k biểu diễn cho pha của bit thứ k thì độ lệch pha  =k- k-1

sẽ thay đổi là  hoặc 0 phụ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay bit 0

 Ưu điểm: tín hiệu phát có thể được giải điều chế thành công miễn sao pha của sóng mang duy trì ổn định trong khoảng thời gian hai bit

 Được dùng trong các hệ thống thực tế vì không cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt

Trang 24

 Điều chế PolSK (Polarization Shitf Keying):

 Bộ phát sử dụng bộ điều chế ngoài LiNi tạo ra sự dịch pha  rad giữa các mod sóng TE và TM, tức là quay phân cực tín hiệu một góc 90

 Trạng thái phân cực trực giao này được duy trì trong suốt quá lan truyền trong sợi quang đơn mode

 Bộ thu áp dụng kỹ thuật tách sóng Heterodyne

Trang 25

MÁY THU QUANG COHERENT

 Nguyên lý tách sóng quang coherent:

 Mô hình một bộ thu coherent ASK cơ bản

với ES= E0.cos(0t + S): trường tín hiệu vào

EL= EL.cos(Lt + L): trường tín hiệu của bộ dao động nội (EL>E0)

Coupler 22

Bộ dao động nội

R L

E L

E S

Trang 26

 Độ lệch pha  = S - L = (t) thể hiện mối quan hệ pha giữa hai trường chứa thông tin truyền trong trường hợp FSK hay PSK.

 Nếu (t)=const  thông tin truyền chứa trong ES đối với ASK.

 Đối với tách sóng Heterodyne, tần số của tín hiệu dao động nội L chênh lệch với tần số của tín hiệu vào S một khoảng IF, tức là: S = L + IF

 IF được gọi là tần số góc của tín hiệu trung tần

 Tín hiệu IF có tần số thường nằm trong vùng vô tuyến và có giá trị từ vài chục MHz đến hàng trăm MHz

 Đối với tách sóng Homodyne: không có sự chênh lệch giữa S và L nên

IF = 0

 tín hiệu khôi phục được là tín hiệu dải nền

Trang 27

 Trong cả hai trường hợp tách sóng Heterodyne và Homodyne, bộ tách sóng quang (photodiode) tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là Ip

tỉ lệ với cường độ ánh sáng theo qui luật bình phương cường độ trường tới photodiode:

2 2

1 2

2    



 P P P t t

Trang 28

 Theo thông tin quang 1, nếu tín hiệu quang tới photodiode có

công suất P0 thì dòng photon Ip được ra sẽ bằng



 trong đó  là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện tích của điện tử, h là hằng số Planck, và f là tần số ánh sáng; P0 là công

suất tới photodiode

 Khi tín hiệu dao động nội lớn hơn tín hiệu vào thì thành phần AC trong biểu thức trên là quan trọng hơn cả, vì tín hiệu cần khôi

phục tập trung năng lượng ở đây

 không quan tâm thành phần DC và thay IP thành I S với:

 Với tách sóng Heterodyne S  L và thế IF = S - L vào phương trình (4.19), ta được:

 Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu IS là tín hiệu trung tần có tần số IF Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội Thành phần d.c của

dòng IS được lọc trước khi đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu trung tần này

 Đối với tách sóng Homodyne, S = L nên phương trình (4.19) trở thành:

 Hay

 với là đáp ứng của photodiode

 Từ phương trình (4.20) và (4.21) chúng ta thấy rằng dòng điện tín

hiệu IS tỉ lệ với chứ không tỉ lệ với PS như trong tách sóng trực

tiếp Hơn nữa dòng photon này còn được khuếch đại với hệ số ,

hệ số độ lợi này phụ thuộc vào cường độ trường của bộ dao dộng nội Với hệ số khuếch đại tạo ra từ bộ dao động nội làm tăng mức tín hiệu thu được mà không cần bộ tiền khuếch đại, do đó không

bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay nhiễu dòng tối của photodiode

Đó là lý do tại sao tách sóng coherent cho độ nhạy của bộ thu cao hơn so với tách sóng trực tiếp

Trang 29

 Với tách sóng Heterodyne S  L và thế IF = S - L vào phương trình (4.19), ta được:

 Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu IS là tín hiệu trung tần

có tần số IF Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội Thành phần d.c của dòng IS được lọc trước khi đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu trung tần này.

 Đối với tách sóng Homodyne, S = L nên phương trình (4.19) trở

thành:

 Hay

với là đáp ứng của photodiode

)cos(

2





L S

hf e

I 

Trang 30

 Hay

với là đáp ứng của photodiode

) cos(

I 

hf e

R  

Trang 31

GIẢI ĐIỀU CHẾ HETERODYNE

 Heterodyne Synchronous Demodulation:

 Cần phục hồi sóng mang viba tại tần số trung tần

 sử dụng các vòng khóa pha (PLL) điện

 Tín hiệu dải nền sau khi được giải điều chế:

 chỉ chịu ảnh hưởng của thành phần nhiễu cùng pha

)

c i

os 

 (I c 

2

1 (t)

Trang 32

GIẢI ĐIỀU CHẾ HETERODYNE

 Heterodyne Asynchronous Demodulation:

 Không đòi hỏi việc khôi phục sóng mang viba tại tần số trung tần

 Sử dụng bộ tách sóng đường bao có bộ lọc thông thấp theo sau

 Tín hiệu dải nền thu được sau khi giải điều chế:

 Nhiễu cùng pha và khác pha đều ảnh hưởng đến tín hiệu

2 / 1 2

Trang 33

ĐỘ NHẠY CỦA BỘ THU QUANG

 Heterodyne Asynchronous Demodulation:

Trang 34

TỶ SỐ BIT LỖI (BER) TRONG BỘ THU QUANG COHERENT

 BER của bộ thu ASK đồng bộ:

Trang 35

 BER của bộ thu PSK đồng bộ:

Trang 36

 BER của bộ thu FSK đồng bộ:

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	473 KB