CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (ROF) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG TỈNH VĨNH PHÚC

Đề tài : CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (ROF) VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VIỄN THÔNG TỈNH VĨNH PHÚC Luận văn được tổ chức thành 4 chương qua đó trình bày một cách tổng quan về công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang, một số kỹ thuật hiện đang áp dụng trong kỹ thuật RoF nhằm tạo và vận chuyển sóng vô tuyến trong môi trường quang sợi, đánh giá các phương pháp trên cơ sở tính khả thi của kỹ thuật, qua đó phân tích đánh giá cấu trúc cũng như cấu hình tuyến nhằm làm rõ các ích lợi và hạn chế của công nghệ, các giải pháp và khả năng ứng dụng thực tế trên mạng viễn thông đặc biệt là các ứng dụng tại các khu đô thị, chung cư cao tầng và các khu công nghiệp qui hoạch trọng điểm.

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RoF) 2

1.1 Khái niệm về truyền dẫn tín hiệu vô tuyếnqua sợi quang (RoF) 2

1.2 Cấu trúc hệ thống RoF 4

1.3 Cấu hình tuyến RoF 5

1.4 Ưu điểm của công nghệ RoF 6

1.5 Hạn chế của công nghệ RoF 6

1.6 Ứng dụng của công nghệ RoF 6

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TẠO VÀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG 6

2.1 Kỹ thuật điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM-DD) 6

2.2 Kỹ thuật tách sóng heterodyne đầu xa 6

2.2.1 Nguyên lý kỹ thuật heterodyne quang 6

2.2.2 Phương pháp tạo sóng mang quang sử dụng một laser 6

2.2.3 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OPLL/OFLL 6

2.2.4 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIL 6

2.2.5 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIPLL 6

2.2.6 Các laser hai chế độ 6

2.3 Các kỹ thuật dựa trên sự phát sinh sóng hài 6

2.3.1 Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM 6

2.3.2 Các kỹ thuật điều chế dải biên 6

2.3.3 Kỹ thuật sử dụng bộ đo giao thoa dựa trên trộn tín hiệu 6

2.4 Kỹ thuật thu phát quang sử dụng EAT 6

2.5 Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF 6

2.5.1 Ghép kênh sóng mang con SCM 6

2.5.2 Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM 6

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC VÀ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ RoF TRONG MẠNG VIỄN THÔNG 6

3.1 Hạ tầng mạng truy nhập quang 6

3.2 Mạng cáp quang FTTB/FTTP/FTTx 6

3.2.1 Cấu trúc điểm – điểm (Point - to - Point ): 6

i

3.2.2 Cấu trúc sao tích cực 6

3.2.3 Cấu trúc sao thụ động: 6

3.3 Công nghệ RoF với hệ thống thông tin vô tuyến 6

3.3.1 Mạng RoF với các hệ thống Microcellular 6

3.3.2 ROF đối với các kết nối di động trong tòa nhà 6

3.4 RoF với các mạng LAN không dây Indoor 6

3.5 RoF với các mạng thông tin tế bào HiperLAN2 6

3.6 RoF Với các mạng 3G VÀ 4G 6

3.7 RoF với các hệ thống thông tin cho phương tiện giao thông 6

3.8 Ưu điểm của RoF trong các mạng thông tin tế bào 6

CHƯƠNG 4: KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ROF TRONG MẠNG VIỄN THÔNG VĨNH PHÚC 6

4.1 Khái quát tình hình 6

4.2 Định hướng phát triển công nghệ và dịch vụ của Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam VNPT 6

4.3 Định hướng phát triển công nghệ và dịch vụ của Viễn thông Vĩnh Phúc 6

4.3.1 Hiện trạng mạng Viễn thông tỉnh Vĩnh Phúc 6

4.3.2 Định hướng và nhu cầu phát triển công nghệ và dịch vụ của Viễn thông Vĩnh Phúc 6

4.4 Khả năng ứng dụng công nghệ truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF) trong mạng viễn thông tỉnh Vĩnh Phúc 6

4.4.1 Thực trạng phủ sóng trong các khu vực đô thị, khu công ngiệp, thương mại trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc 6

4.4.2 Giải pháp xây dựng hệ thống anten phân tán (DAS) RoF để mở rộng vùng phủ sóng điện thoại di động cho các khu công nghiệp, đô thị, chung cư cao tầng 6

KẾT LUẬN 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

ii

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮTADC Analog-to-digital converter Bộ chuyển đổi tương tự số

CBS Central Base Station Trạm cơ sở trung tâm

CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DAS Distributed Antenna System Hệ thống anten phân tán

DFB-LD Distributed FeedBack

Laser Diode Điốt laser hồi tiếp phân bố

DSB Double Side Band Biên băng đôi

DWDM Dense Wave Division Ghép kênh theo mật độ bước sóng

Multiplexing

EAT Electroabsorption Transceiver Bộ thu phát hấp thụ điện từ

EDFA Erbium doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi Erbium

EMI Electromagnetic Interference Nhiễu điện từ

EOM External Optical Modulator Bộ điều chế quang ngoài

FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số

FWA Fiber Wireless Access Truy nhập không dây cố định

FTTB/P Fiber To The Building Cáp quang tới tòa nhà

FTTH Fiber To The Home Cáp quang tới nhà

IF Intermediate Frequency Trung tần

ITS Intelligent Transportation System Hệ thống vận tải thông minh

LO Local Oscillator Bộ dao động nội

MH/MU Mobile Host/Mobile Unit Máy/đơn vị di động

MSC Mobile switching center Trung tâm chuyển mạch di động

iii

MZM Mach Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach Zehnder

MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach Zehnder

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ tách xen quang

OFCG Optical Frequency Comb Bộ tạo lược tần số quang

Generator

OFLL Optical Frequency-Locked Loop Vòng lặp khóa tần quang

OFM Optical Frequency Multiplication Nhân tần quang

OIL Optical Injection Locking Bơm khóa quang

OPLL Optical Phase Locked Loop Vòng lặp khóa pha quang

OIPLL Optical Injection Phase Vòng lặp bơm khóa pha quang

Locked Loop

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

RAP Radio Access Point Điểm truy nhập vô tuyến

RAU Remote Antenna Unit Khối anten đầu xa

RBS Radio Base Station Trạm cơ sở vô tuyến

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

RHD Remote Heterodyne Detection Tách sóng ngoại sai đầu xa

RIN Relative Intensity Noise Cường độ tạp âm tương đối

RVC Road Vehicle Communication Thông tin phương tiện đường bộ

SCM SubCarrier Multiplexing Ghép kênh sóng mạng con

SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động tự do không xác thực

SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode

SSB Single Side Band Biên băng đơn

UWB Unltra Wide Band Băng tần siêu rộng

WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

iv

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang 2

Hình 1.2: Hệ thống RoF 900 MHz 3

Hình 1.3: Tuyến quang IM-DD 5

Hình 1.4: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là RF 6

Hình 1.5: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là IF 7

Hình 1.6: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là băng tần BB 7

Hình 1.7: Các tuyến RoF tiêu biểu với điều chế trực tiếp 8

Hình 1.8: Sử dụng hạ tầng mạng sợi quang cho tích hợp các ứng dụng 12

Hình 2.1: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ: (a) trực tiếp laser, (b) Sử dụng bộ điều chế ngoài 15

Hình 2.2: Nguyên lý tạo hai sóng mang quang từ một laser 20

Hình 2.3: Tach sóng heterodyne đầu xa bằng cách sử dụng bộ lọc 21

Hình 2.4: Nguyên lý của mạch vòng khóa pha/tần số quang 22

Hình 2.5: Nguyên lý bơm khóa quang 24

Hình 2.6: Bộ tạo lược tần quang đối với sự tạo sóng mang qua ngoại sai 25

Hình 2.7: Nguyên lý vòng lặp bơm khóa pha quang (OIPLL) 26

Hình 2.8: Kỹ thuật 2f đối với việc tạo ra các sóng mm 31

Hình 2.9: Chuyển đổi tần số bằng bộ đo giao thoa Mach Zehnder 32

Hình 2.10: Bộ thu phát hấp thụ điện từ EAT 33

Hình 2.11: Ghép kênh sóng mang con SCM của các tín hiệu tương tự và số 33

Hình 2.12: Sơ đồ kết hợp của DWDM và truyền dẫn RoF 35

Hình 2.13: Phổ quang tín hiệu RoF DWDM sóng mm 36

Hình 2.14: Cấu trúc vòng Ring RoF dựa trên DWDM 37

Hình 3.1: Cấu hình của mạng truy nhập quang 39

Hình 3.2: Cấu trúc điểm - điểm 40

Hình 3.3: Cấu trúc sao tích cực 41

Hình 3.4: Cấu trúc sao thụ động 41

Hình 3.5: Ứng dụng của RoF hiện nay 42

Hình 3.6: Kết nối mạng an ten đầu xa đối với các hệ thống microcellular RoF 43

Hình 3.7: Mạng microcellular kết nối sợi quang trong các hệ thống di động 44

Hình 3.8: Sơ đồ khối của tuyến Quang - Vô tuyến 45

Hình 3.9: Sơ đồ khái niệm hệ thống phân tán RoF với tái sử dụng tần số 46

Hình 3.10: Kiến trúc của một DAS sợi quang điển hình 47

vi

Hình 3.11: Lựa chọn vùng phủ sóng trong nhà 48

Hình 3.12: Sự khác nhau giữa sóng vô tuyến phân tán và anten phân tán 49

Hình 3.13: RoF đối với truy nhập không dây Indoor 50

Hình 3.14: Tổng quan hệ thống HiperLAN2 51

Hình 3.15: Mô hình so sánh hệ thống HiperLAN2 52

Hình 3.16: Sự phát triển của các mạng vô tuyến khác nhau 53

Hình 3.17: RoF đối với 3G và 4G 53

Hình 3.18: Một hệ thống thông tin trên đường 54

Hình 3.19: Kiến trúc trạm điều khiển và trạm gốc 55

Hình 4.1: Vùng phủ sóng trong tòa nhà từ một BTS outdoor marco 62

Hình 4.2: Thành phần chính của một hệ thống phủ sóng trong nhà 63

Hình 4.3: Hệ thống anten phân phối tín hiệu thụ động 64

Hình 4.4: Hệ thống anten phân phối tín hiệu chủ động 64

Hình 4.5: Hệ thống anten DAS phân bố trong tòa nhà 64

vii

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu về sự bùng nổ truy nhập không dây băngrộng - dung lượng cao, các mạng không dây tế bào đang là mộtkhuynh hướng phát triển, do đó cần số lượng các tế bào tăng liên tục

và việc tận dụng các dải tần cao hơn Điều này dẫn tới việc triển khairất nhiều trạm cơ sở BS; bởi vậy, việc phát triển các trạm cơ sở BSchi phí thấp là một chìa khóa tới thành công trên thị trường Để giảmbớt chi phí hệ thống, công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang

đã được đề xướng từ đó để xây dựng các BS với chức năng đơn giản,kết nối thẳng với một trạm điều khiển trung tâm CS qua sợi quang.Chính điều này đã đáp ứng được khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộngtích hợp (kết hợp các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện vàcác dịch vụ gia tăng khác), đặc biệt hiệu quả với các ứng dụng trong trong tòa nhà, chophép giảm thiểu số lượng các trạm cơ sở mà vẫn đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêucầu của hệ thống

Với mục đích nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ RoF, các kỹ thuật tạo và truyềndẫn tín hiệu cũng như cấu trúc mạng RoF, các giải pháp ứng dụng RoF trong mạngviễn thông, các ưu, nhược điểm và đề xuất khả năng ứng dụng công nghệ này trongmạng viễn thông Vĩnh phúc luận văn được tổ chức thành 4 chương qua đó trình bàymột cách tổng quan về công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang, một số kỹ thuậthiện đang áp dụng trong kỹ thuật RoF nhằm tạo và vận chuyển sóng vô tuyến trongmôi trường quang sợi, đánh giá các phương pháp trên cơ sở tính khả thi của kỹ thuật,qua đó phân tích đánh giá cấu trúc cũng như cấu hình tuyến nhằm làm rõ các ích lợi vàhạn chế của công nghệ, các giải pháp và khả năng ứng dụng thực tế trên mạng viễnthông đặc biệt là các ứng dụng tại các khu đô thị, chung cư cao tầng và các khu côngnghiệp qui hoạch trọng điểm

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN

QUA SỢI QUANG (RoF) 1.1 Khái niệm về truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF)

“Radio over Fiber” là khái niệm liên quan tới việc truyền dẫn tín hiệu vô tuyếntương tự qua một tuyến sợi quang Trong một hệ thống RoF tín hiệu vô tuyến đượcđiều chế sử dụng các kỹ thuật điều chế số như QPSK hay QAM Sóng mang là sóngánh sáng phát ra từ laser Tín hiệu sau điều chế được truyền qua sợi quang tới đơn vịđầu xa

Khối anten đầu xa

Mạng phân phối sợi quang

Trạm đầu cuối

Đầu cuối

di động

Hình 1.1: Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

Công nghệ RoF sử dụng các tuyến sợi quang để phân phối tín hiệu RF từ một vịtrí trung tâm tới các khối an ten đầu xa RAU Trong các hệ thống thông tin vô tuyếnbăng hẹp và các mạng riêng không dây WPAN, các chức năng xử lý tín hiệu như làchuyển đổi tần lên, điều chế sóng mang và ghép kênh được thực hiện tại BS hoặc RAP

và đưa ra anten ngay lập tức RoF cho phép tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF ởmột vị trí dùng chung (trung tâm) và sau đó sử dụng sợi quang để phân phối các tínhiệu tới các RAU, như biểu diễn trong Hình 1.1 Bằng cách như vậy các RAU sẽ đượcđơn giản hóa một cách đáng kể, khi này chúng chỉ cần thực hiện các chức năng chuyểnđổi quang điện tử và khuếch đại Sự tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF chophép dùng chung thiết bị, phân bố tài nguyên động, vận hành và bảo dưỡng hệ thống

đơn giản, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng và phạm vi phục vụrộng với mật độ các BS/RAP cao.

RF vào (đã điều chế)

RF ra (đã điều chế)

Hình 1.2 cho thấy không nhất thiết phải truyền dẫn tín hiệu RF tại tần số của nó

Ví dụ, một tín hiệu của bộ dao động nội nếu sẵn có thì có thể được sử dụng để hạ tầnsóng mang tuyến lên (uplink) xuống băng trung tần IF trong RAU, có thể làm như vậy

kể cả với việc sử dụng các thành phần tần số thấp cho tuyến lên ở RAU thay vì sử dụngmột bộ LO riêng trong RAU, tín hiệu này có thể được đưa đến từ khối trung tâm tớiRAU bằng hệ thống RoF do vậy RAU được đơn giản hơn nhiều Trong cấu hình này,

tuyến xuống trở thành phần quan trọng, chủ yếu của RoF một khi nó phải vận chuyểncác tín hiệu tần số cao và là một thách thức bởi khi đó hệ thống cần các thiết bị tần sốcao bởi băng thông lớn, hơn nữa các tín hiệu tần số cao sẽ dễ bị ảnh hưởng hơn đối vớimáy phát, máy thu, và sự suy giảm tín hiệu truyền dẫn.

Ngoài phương pháp IM-DD còn có các phương pháp khác sẽ được trình bày kỹcàng trong chương 2

1.2 Cấu trúc hệ thống RoF

Có vài kỹ thuật xử lý quang để tạo ra và vận chuyển các tínhiệu cao tần qua sợi quang Bằng việc xem xét tần số của tín hiệu RFtruyền trong các tuyến RoF giữa trạm trung tâm và các trạm đầu xa,

kỹ thuật RoF được có thể được phân thành 3 kiểu kiến trúc sau:

1.Truyền dẫn tín hiệu RF qua sợi quang (RF - over – Fiber (RFoF)) trực tiếp

tại tần số sóng mang vô tuyến (Thông thường trong dải 800- 2200 MHz, Phụ thuộc vào

hệ thống vô tuyến) Đây là kiến trúc đơn giản nhất

2 Truyền dẫn tín hiệu IF qua sợi quang (IF- over- Fibre (IFoF)) Tín hiệu RF

từ trạm cơ sở được hạ tần thành tín hiệu IF và truyền tới các trạm đầu xa, ở đó nó đượcchuyển đổi trở lại tín hiệu RF gốc

3 Truyền dẫn tín hiệu băng tần sơ sở (Baseband - over - Fibre (BBoF)).

RFoF là truyền dẫn trực tiếp tín hiệu RF qua sợi quang Tuynhiên, trong IFoF và BBoF tín hiệu RF mong muốn được tạo ra tại RAUbằng cách nâng tần nhờ một bộ dao động nội LO, tín hiệu LO cũng cóthể được lấy tại RAU hoặc được lấy từ xa tới RAU Các hệ thống cần

có một bộ LO riêng biệt tại RAU ( BBoF hoặc IFoF) có thể sẽ làm tănggiá thành của nó, bù lại các hệ thống này sẽ cải thiện được độ nhạymáy thu

Kỹ thuật RoF có thể cũng được phân loại dưới dạng các nguyên

lý điều chế/tách sóng được sử dụng và có thể nhóm lại thành 3 loạiđược gọi là: Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp IM-DD, Táchsóng heterodyne đầu xa RHD và kỹ thuật nâng tần điều hòa Các hệthống RFoF thường sử dụng kỹ thuật IM-DD, các hệ thống IFoF vàBBoF sử dụng một bộ LO tại RAU cũng có thể tận dụng kỹ thuật IM-

DD để truyền dữ liệu băng tần cơ sở BB hay IF tới RAU Tuy nhiên,trong hầu hết các trường hợp, các sơ đồ IFoF và BBoF thường dùng kỹthuật RHD cho việc tạo ra tín hiệu RF

Chung nhất trong các cấu trúc đó thường là cấu trúc truyền dẫn tín hiệu RF quasợi quang, tuy nhiên nó đặt ra nhiều yêu cầu khắt khe nhất đối với những thành phầnquang vì cần có nhiễu và méo thấp tại các tần số cao

1.3 Cấu hình tuyến RoF

Cấu hình tuyến RoF Tiêu biểu được biểu diễn trong Hình 1.3 sau:

Bộ điều chế RF/Quang

Nguồn quang

Bộ tách sóng quang BDF

f RF

S in

f opt

Điều chế cường độ

f RF

S out

Tách sóng trực tiếp

Sợi quang

BDF Bộ lọc thông dải

Hình 1.3: Tuyến quang IM-DDGiả thiết một BS có một nguồn quang riêng (tuy nhiên BS cũng có thể không cónguồn quang riêng đối với truyền dẫn tuyến lên) Trong tuyến xuống từ CS tới các BS,tín hiệu thông tin từ mạng điện thoại PSTN, Internet, hoặc từ các CS khác được cungcấp cho Modem trong CS Tín hiệu đó có thể là các băng RF, IF hoặc băng cơ sở BB,đưa vào điều chế sóng mang quang từ LD Nếu băng RF thấp chúng ta có thể điều chếtrực tiếp LD bằng tín hiệu của băng RF Nếu băng RF cao (Băng tần sóng mm) thì có

thể sử dụng các bộ điều chế quang ngoài giống như một bộ hấp thụ điện từ (EOM) Tín hiệu quang (sau điều chế) được truyền tới các BS qua sợi quang Tại các BS, tínhiệu băng tần RF/IF/BB được khôi phục bằng cách sử dụng một PD Tín hiệu đã khôiphục (cần chuyển chuyển đổi lên băng tần RF nếu tín hiệu phát là ở băng IF hoặc băngBB) được truyền tới các MH qua những anten của các BS.

Trong cấu hình biểu diễn ở Hình 1.4, Tín hiệu điều chế được tạo tại CS trongmột băng RF và được phát trực tiếp tới các BS Bởi một EOM, được gọi là “RF qua sợiquang” Tại mỗi BS, Tín hiệu đã điều chế được phục hồi bằng việc tách ra tín hiệuquang đã điều chế bởi một PD và truyền trực tiếp tới các MH Với kiểu truyền dẫn tínhiệu RF này thiết kế BS được đơn giản hóa nhưng lại dễ bị ảnh hưởng tới sự tán sắccủa sợi quang điều đó làm hạn chế cự ly truyền dẫn

EOM LD

Hình 1.4: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là RF

Trong cấu hình biển diễn trong Hình 1.5, tín hiệu đã điều chế được tạo tại CS ởbăng tần IF và được truyền tới các BS bởi một EOM, nó được gọi là “IF qua sợiquang” Tại mỗi BS, tín hiệu điều chế được khôi phục bằng việc tách ra tín hiệu quang

đã điều chế bởi một PD, chuyển đổi nó lên băng tần RF và truyền tới các MH Trong

sơ đồ này, ảnh hưởng của tán sắc sợi quang với tín hiệu IF được giảm đi nhiều tuy rằnganten của các BS với kiểu truyền dẫn tín hiệu IF đòi hỏi phải bổ xung thêm thiết bịđiện tử như là bộ LO tạo sóng mang có bước sóng cỡ mm cho việc chuyển đổi tần lên

và xuống

EOM LD

PD

PD

Tín hiệu RF

Hình 1.5: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là IF

Trong cấu hình Hình 1.6, tín hiệu đã điều chế được tạo ra tại CS ở băng tần cơ

sở (BB) và được truyền tới các BS bởi một EOM, nó được gọi là “BB qua sợi quang”.Tại mỗi BS, tín hiệu đã điều chế được khôi phục bằng việc tách ra tín hiệu quang đãđiều chế bởi một PD, chuyển đổi trực tiếp lên băng tần RF hoặc thông qua băng tần IF

và được truyền tới các MH Trong truyền dẫn băng tần cơ sở, ảnh hưởng của hiệu ứngtán sắc sợi quang không đáng kể nhưng cấu hình BS là phức tạp nhất

EOM LD

PD

PD

Tín hiệu RF

Hình 1.6: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là BB

Trong cấu hình biển diễn trong Hình 1.7 Tín hiệu đã điều chế được tạo tại CS ởmột băng tần cơ sở hoặc băng IF và truyền tới các BS bởi điều chế trực tiếp một LD.Tại mỗi BS, tín hiệu đã điều chế được phục hồi bằng việc tách ra tín hiệu quang đãđiều chế bởi một PD, chuyển đổi lên băng RF và truyền tới các MH Điều này khả thiđối với các tần số tương đối thấp (thấp hơn 10 GHz.)

PD

Tín hiệu RF

LD

Hình 1.7: Các tuyến RoF tiêu biểu với điều chế trực tiếp, tín hiệu điều chế băng BBBằng việc giảm tần số tín hiệu được điều chế ra tại CS như là “IF qua sợiquang” hay “BB qua sợi quang”, băng thông yêu cầu cho điều chế quang có thể giảmđược rất nhiều Điều này đặc biệt quan trọng khi RoF tại các dải sóng mm được kếthợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng (DWDM) như sẽ đượcbàn luận trong phần sau Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng số lượng thiết bị tại các BS vì

nó yêu cầu có 2 bộ chuyển đổi tần, một cho đường lên và một đường xuống Trongtruyền dẫn sóng mang con RF, cấu hình BS có thể được đơn giản hóa chỉ khi có một bộđiều chế quang ngoài sóng mm và một PD tần số cao được ứng dụng tương ứng chocác bộ chuyển đổi điện quang (E/O) và quang điện (O/E)

Đối với tuyến lên từ một MH tới CS, quá trình ngược lại sẽ được thực hiện.Trong cấu hình trong Hình 1.4, Những tín hiệu thu được ở một BS được khuyếch đại

và truyền trực tiếp tới CS bởi điều chế một tín hiệu quang từ một LD bằng cách sửdụng một EOM Trong cấu hình Hình 1.5 và Hình 1.6, những tín hiệu thu được ở một

BS được khuyếch đại và chuyển đổi xuống băng tần IF hoặc băng tần cơ sở và đượctruyền tới CS bởi điều chế một tín hiệu quang từ một LD bằng cách sử dụng mộtEOM Trong cấu hình Hình 1.7, Những tín hiệu nhận thu được ở một BS đượckhuyếch đại và chuyển đổi xuống băng tần IF hoặc băng cơ sở và truyền tới CS Bằngviệc điều chế trực tiếp một tín hiệu quang từ một LD

1.4 Ưu điểm của công nghệ RoF

Một số ưu điểm và ích lợi của công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quangRoF so với sự phân phối tín hiệu điện như sau:

1.4.1 Suy hao thấp.

Phân phối về mặt điện của các tín hiệu sóng cực ngắn tần số cao trong khônggian tự do hay thông qua các tuyến truyền dẫn cáp kim loại là khó thực hiện do tổn hao

do sự hấp thụ, phản xạ và trở kháng tăng lên cùng với tần số Bởi vậy đòi hỏi các thiết

bị khôi phục phức tạp Giải pháp đối với vấn đề này là sẽ phân phối những tín hiệu ởbăng tần cơ sở hay ở những tần số trung tần (IF) từ trạm đầu cuối đến BS Các tín hiệubăng tần gốc hay IF được chuyển đổi tần đến tần số cao bước sóng cỡ mm hay sóngviba tại mỗi trạm cơ sở sau đó được khuếch đại và bức xạ bởi anten Cấu hình hệ thốngnày giống như cấu hình trong các hệ thống thông tin di động băng hẹp biểu diễn trongHình 1.3 Từ đó, cần có các bộ LO hiệu suất cao cho việc biến đổi tần lên tại mỗi trạm

cơ sở, sự bố trí này sẽ dẫn tới những trạm cơ sở phức tạp Tuy nhiên, từ đặc trưng tổnhao thấp của sợi quang học công nghệ RoF có thể được sử dụng để cùng một lúc đạtđược tổn hao thấp trong việc phân phối các sóng mm và sự đơn giản của RAU

1.4.2 Băng thông rộng.

Lợi dụng băng thông khổng lồ của sợi quang cho phép xử lý các tín hiệu tốc độcao mà sẽ rất khó hoặc không thể thực hiện được trong các hệ thống điện tử Nói cáchkhác, một vài chức năng sóng vi ba đòi hỏi khắt khe như lọc, trộn, biến đổi tần lên vàxuống có thể được thực hiện trong miền quang học Ví dụ, khi đó thực hiện lọc bằngcách sử dụng các thành phần quang như Giao thoa kế Mach - Zehnder MZI hay cáclưới Bragg sợi quang, và sau đó chuyển đổi tín hiệu đã được lọc ngược lại về dạng điện Hơn nữa, việc xử lý trong miền quang học dùng các điốt laser và các bộ điều chế băngthông thấp vẫn có khả năng để xử lý các tín hiệu băng thông cao

Mặt khác, trong các hệ thống quang tương tự bao gồm cả công nghệ RoF, ghépkênh sóng mang con SCM được ưa dùng để tăng hiệu quả sử dụng băng thông sợi Khi

đó các sóng mang con viba mà đã được điều chế với dữ liệu số hay tương tự được ghéplại và điều chế với tín hiệu quang học truyền trên một sợi quang đơn Điều này sẽ làmnên những hệ thống RoF chi phí thấp

1.4.3 Không có can nhiễu tần số vô tuyến

Loại bỏ được can nhiễu điện từ (EMI) là một thuộc tính rất hấp dẫn của các hệthống thông tin quang đặc biệt cho truyền dẫn viba Đó là vì bởi các tín hiệu đượctruyền dưới dạng ánh sáng xuyên qua sợi, loại bỏ ảnh hưởng của điện từ trường ngoài.Điều này các cáp sợi quang được ưa dùng hơn, thâm chí là đối với cả các kết nối cự lyngắn ở các sóng mm

1.4.4 Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng

Trong những hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và chi phí đắt là được đặt ởkhối trung tâm do đó nó làm cho RAU đơn giản hơn Đa số các kỹ thuật RoF, tại RAUkhông cần LO và thiết bị liên quan như vậy RAU chỉ gồm một bộ tách sóng quang,một bộ khuếch đại cao tần và một anten Thiết bị điều chế và chuyển mạch được đặttrong khối trung tâm và dùng chung cho các RAU dẫn đến các RAU nhẹ và nhỏ hơn,chi phí lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống giảm được một cách đáng kể điều này rất quantrọng đối với các hệ thống sóng mm- sóng, bởi vì số lượng RAU trong các hệ thốngnày lớn, mặt khác các RAU nhỏ hơn cũng làm đi giảm tác động môi trường

1.4.5 Giảm lượng tiêu thụ điện

Tiêu thụ điện giảm là một hệ quả có được do RAU được đơn giản Hầu hết thiết

bị phức tạp được giữ tại khối trung tâm Trong một số ứng dụng, các RAU được vậnhành theo kiểu thụ động Ví dụ, các hệ thống RoF 5GHz với các tế bào picocell có cácRAU có thể hoạt động theo kiểu thụ động này Giảm bớt lượng tiêu thụ điện tại RAU

là rất quan trọng khi tính đến vị trí các RAU vì đôi khi nó được đặt ở xa và không đượccung cấp điện lưới

1.4.6 Đa nhà khai thác và hoạt động đa dịch vụ

RoF yêu cầu tính linh hoạt trong hoạt động của hệ thống Phụ thuộc vào kỹ thuậttạo sóng cực ngắn (viba) mà hệ thống phân phối tín hiệu dạng RoF có tính trong suốt

Kỹ thuật điều chế cường độ và tách sóng trực tiếp (IM-DD) có thể thực hiện và hoạtđộng như một hệ thống tuyến tính và bởi vậy nó như một hệ thống trong suốt khi sửdụng sợi tán sắc thấp kết hợp với các sóng mang con RF được điều chế trước Trongtrường hợp đó, cùng một mạng RoF có thể được dùng để phân phối lưu lượng đa dịch

vụ và đa nhà khai thác, dẫn tới sự tiết kiệm rất lớn về kinh tế

1.4.7 Phân bố tài nguyên động

Các chức năng chuyển mạch, điều chế và các chức năng xử lý RF khác đượcthực hiện tại khối trung tâm nên sẽ rất khả thi trong việc cấp phát dung lượng động.Trong một hệ thống phân phối RoF đối với lưu lượng GSM, việc cấp phát dung lượng

có thể thực hiện được tùy ý bằng cách phân phối các bước sóng quang qua kỹ thuậtghép kênh phân chia theo bước sóng WDM khi nhu cầu nẩy sinh Việc cấp phát dunglượng động khi nhu cầu cho nó xuất hiện đã tránh được thủ tục cấp phát dung lượng cốđịnh mà làm tiêu phí các tài nguyên trong những trường hợp lưu lượng thay đổi thườngxuyên và bởi độ dư thừa lớn Hơn nữa, việc có khối trung tâm sẽ tạo điều kiện thuậnlợi cho việc hợp nhất các chức năng xử lý tín hiệu khác như là các chức năng về tính diđộng, và truyền dẫn phân tập

1.5 Hạn chế của công nghệ RoF

Vì RoF sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự, và tách sóng ánh sáng nên về cănbản nó là một một hệ thống truyền dẫn tương tự Bởi vậy, sự suy giảm tín hiệu do tạp

âm và méo rất quan trọng trong những hệ thống thông tin tương tự thì trong các hệthống RoF cũng vậy Những suy giảm này đều hướng tới giới hạn hệ số tạp âm và dảiđộng DR của tuyến RoF

DR là một tham số rất quan trọng đối với các hệ thống thông tin di động dạng tếbào như GSM bởi vì công suất thu được tại BS từ các MU thay đổi rất rộng (tới 80

dB) Trong các hệ thống RoF sử dụng sợi quang đơn mode SMF hay đa mode MMFtán sắc sợi có thể làm giới hạn chiều dài tuyến sợi, băng thông và cũng có thể lànguyên nhân gây mất tương quan pha dẫn đến làm tăng tạp âm pha sóng mang RF.

1.6 Ứng dụng của công nghệ RoF

Công nghệ RoF nói chung là không thích hợp cho các ứng dụng của hệ thốngyêu cầu có dải động tự do không xác thực cao ( SFDR bằng Công suất tín hiệu đầu racực đại đối với công suất của thành phần điều chế bậc 3 nào bằng mức tạp âm nền).Bởi vậy, những hệ thống phân phối RoF là rất khả thi cho việc phân phối các tín hiệu

vô tuyến của cả hệ thông thông tin di động và thông tin số liệu trong tòa nhà (WLAN)

MU FU

FU: Đầu cuối cố định MU: Đầu cuối di động RG: Cổng mạng dịch vụ Sợi quang SMF/MMF/POF

Hình 1.8: Sử dụng hạ tầng mạng sợi quang cho tích hợp các ứng dụng

Trong trường hợp đó, hệ thống RoF trở thành một hệ thống anten phân tánDAS, với các ứng dụng tần số cao như là WPAN nó có thể sử dụng hạ tầng mạng cápsợi quang trong tòa nhà cho tất cả các ứng dụng như biểu diễn trong Hình 1.8 Các hệthống RoF cũng hấp dẫn đối với các ứng dụng hiện tại và trong tương lai khác khôngđòi hỏi SFDR phải cao (các hệ thống GSM), các hệ thống phân tán RoF đó có thể được

sử dụng cho việc phân phối tín hiệu UMTS cả trong nhà (Indoor) lẫn ngoài trời(Outdoor) Phạm vi ứng dụng khác là trong các hệ thống truy nhập vô tuyến cố định(FWA), như là WiMAX, ở đó công nghệ RoF có thể được sử dụng để vận chuyển các

tín hiệu quang học qua các khoảng cách dài dẫn đến các RAU gần phía người dùngcuối được đơn giản một cách đáng kể, từ đó nó trợ giúp các tuyến thông tin vô tuyến đểđạt được sự truy nhập băng rộng từ đầu đến cuối với một chi phí hiệu quả.

Chương sau ta sẽ xem xét kỹ hơn các kỹ thuật sử dụng trong việc tạo và vậnchuyển tín hiệu vô tuyến qua sợi quang, các ưu điểm và hạn chế của chúng

CHƯƠNG 2CÁC KỸ THUẬT TẠO VÀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

QUA SỢI QUANG

Trong phần này sẽ đưa ra một tổng quan ngắn gọn về việc tạo và vận chuyển tínhiệu vô tuyến qua một sợi quang trong các mạng RoF như thế nào Thực tế tất cả cáctuyến quang phát các tín hiệu sóng mm đều áp dụng phương pháp điều chế cường độánh sáng Về cơ bản, có ba phương pháp khác nhau với điều chế cường độ:

(1) Điều chế cường độ trực tiếp

(2) Điều chế ngoài và

(3) Tách sóng Heterodyne đầu xa

Trong điều chế cường độ trực tiếp, dòng điện cung cấp cho điốt laser được điềuchế bởi tín hiệu RF mang thông tin đây là nguồn ánh sáng của điốt laser Phương phápthứ hai sử dụng một nguồn ánh sáng tạo sóng mang quang và một bộ điều chế cường

độ ánh sáng ngoài, kỹ thuật này được gọi là "Điều chế ngoài" Phương pháp thứ ba, cáctín hiệu RF được đưa vào điều chế sóng mang quang (AM, FM hoặc PM), tại phái thutín hiệu quang đã điều biến này được trộn với sóng mang quang chưa được điều biến

để lấy ra tín hiệu RF (tách sóng heterodyne đầu xa)

2.1 Kỹ thuật điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM-DD)

Phương pháp đơn giản nhất để phân phối các tín hiệu RF là sẽđiều chế trực tiếp cường độ của nguồn quang với chính tín hiệu RF vàsau đó sử dụng tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang PD để khôiphục tín hiệu RF, phương pháp này được gọi là IM – DD và loại RFoF

Có hai cách điều chế nguồn quang Một là cho phép tín hiệu RF điềuchế trực tiếp dòng điện của điốt laser Hai là điều khiển laser ở chế

độ sóng liên tục và sau đó sử dụng một bộ điều chế ngoài như bộđiều chế Mach-Zehnder MZM để điều chế cường độ của ánh sáng Haitrường hợp trên được minh họa trong Hình 2.1 dưới đây Tín hiệu RFphải được điều chế trước thích hợp với dữ liệu trước khi được truyền

Có một hạn chế là băng thông điều chế của laser, một laser tương đối đơn giản

có thể điều chế được tới các tần số vài GHz, có thể tới 5 - 10 GHz, với tần số trên 10GHz phương pháp điều chế ngoài thường được sử dụng hơn là phương pháp điều chếtrực tiếp Mặt khác để tạo băng sóng cỡ mm thì tán sắc sợi và các biên tần trộn kết hợp

có thể là nguyên nhân mất gây mất truyền dẫn, thậm chí cả ở cự ly trung bình do đóphương pháp kích thích quang hay được dùng hơn là truyền dẫn trực tiếp các tín hiệuRF

Trong mạng RoF số lượng BS nhiều nên phải sử dụng các thành phần đơn giản.Bởi vậy, ở tuyến lên của một hệ thống mạng RoF sẽ thuận lợi hơn khi sử dụng điều chếcường độ trực tiếp với các laser rẻ và do cần phải hạ tần đối với các tín hiệu RF thu

được tại BS Trong tuyến xuống cũng có thể sử dụng hoặc các laser hoặc các bộ điềuchế ngoài.

Hầu hết các hệ thống RoF bao gồm cả các hệ thống RoF IM - DDđều sử dụng các sợi đơn mode SMF cho phân phối tín hiệu Tuy nhiênngười ta cũng sử dụng kỹ thuật RoF IM-DD để truyền các tín hiệu RFcủa sợi đa mode bằng việc tận dụng băng thông truyền dẫn bậc caođối với các tín hiệu WLAN dưới 6 GHz

(*) Ưu điểm của kỹ thuật IM-DD

Ưu điểm của phương pháp này là nó đơn giản Thứ hai, nếu sợitán sắc thấp và sử dụng cùng với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính)thì hệ thống trở thành hệ tuyến tính khi đó tuyến quang hoạt độngchỉ như một bộ khuếch đại hay bộ suy giảm và do vậy nó có tínhtrong suốt đối với khuôn dạng của tín hiệu RF điều chế, như vậy cóthể sử dụng cả điều chế biên độ và các phương thức điều chế đa mứckhác như x-QAM Hơn nữa, không giống như điều chế phân cực lasertrực tiếp các bộ điều chế ngoài như là Bộ điều chế Mach Zehnder cóthể điều chế những tín hiệu có tần số tới 100 GHz

(*) Nhược điểm của IM-DD

Một hạn chế của kỹ thuật RFoF IM-DD là khó sử dụng cho cácứng dụng sóng mm tần số cao vì để tạo ra các tín hiệu như vậy thì tínhiệu điều chế cũng phải ở cùng tần số cao, đối với điều chế laser trựctiếp điều này là không khả thi do băng thông giới hạn và tính phituyến của laser gây điều chế tương hỗ và méo Bộ điều chế ngoàinhư là MZM có thể hỗ trợ những tín hiệu RF tần số cao Tuy nhiên,chúng đòi hỏi các điện áp kích thích cao, mà như vậy sẽ phải cần tớicác bộ khuếch đại công suất tốn kém

Một nhược điểm nữa của RFoF là nó dễ bị ảnh hưởng bởi sự tánsắc mà nếu sử dụng điều chế đôi biên băng tín hiệu quang sẽ gây rahiện tượng triệt biên độ công suất RF và phụ thuộc vào tần số hoặcchiều dài Hiệu ứng triệt biên độ độ có thể được biểu diễn trongphương trình (2.1):

m

L i

 ), Lf là chiều dài sợi quang, τ = t- (z/vg) với

vg là vận tốc nhóm Phương trình cho thấy chiều dài tuyến sợi quangcủa hệ thống IM-DD 60 GHz tại cửa sổ bước sóng 1550 nm có thể bịgiới hạn còn 1.5 km Các hiệu ứng triệt biên độ có thể khắc phụcđược bằng cách sử dụng các kỹ thuật tránh tán sắc như kỹ thuật điềuchế đơn biên băng quang hay bằng cách sử dụng các bộ điều chếcường độ điều khiển kép Tất cả điều này sẽ làm cho hệ thống RoFOSSB IM-DD phức tạp hơn

2.2 Kỹ thuật tách sóng heterodyne đầu xa.

2.2.1 Nguyên lý kỹ thuật tách heterodyne quang

Trong kỹ thuật tách heterodyne quang, tín hiệu quang và sóng mang quang đượctruyền đồng thời và được tách sóng heterodyne ở thiết bị thu, một hay nhiều trong sốsản phẩm của quá trình này là tín hiệu RF yêu cầu Tách sóng heterodyne có thể đượcthực hiện bằng PD của chính nó hoặc các tín hiệu quang có thể được tách ra riêng rẽ vàsau đó được chuyển đổi bởi một bộ trộn về mặt điện (RF) Trong một hệ thống songcông, PD có thể được thay thế bởi một thiết bị thu hấp thụ điện

Nhiễu pha là vấn đề then chốt trong truyền dẫn số sóng viba/mm nên chúng phảiđược xử lý để cho một nhiễu pha nhỏ chỉ bằng các tín hiệu ngoại sai Điều này có thểthực hiện được khi có 2 (hay nhiều) tín hiệu quang có pha kết hợp, thông thường chúng

từ một nguồn chung hay được khóa bởi pha của một nguồn chủ Ưu điểm của cách tiếpcận này là: (1) khắc phục được ảnh hưởng của tán sắc và (2) cho một tần số linh hoạt

có thể từ dải MHz đến vùng dải tần THz Tuy nhiên, phải sử dụng một bộ điều chế điệnquang phân cực chuẩn hoặc các laser phức tạp

Hầu hết các kỹ thuật RoF thường dùng nguyên lý trộn Coherent trong bộ táchsóng quang để tạo ra tín hiệu RF, Kỹ thuật này nhìn chung là kỹ thuật tách sóngheterodyne đầu xa (RHD) Trong khi thực hiện chuyển đổi O/E, điốt tách quang (PD)cũng thực hiện vai trò của một bộ trộn do đó làm cho nó trở thành một bộ phận quantrọng trong hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật RHD

Nguyên lý trộn kết hợp có thể minh họa như sau Hai trường quang các tần sốgóc ω1 và ω2 có thể được biểu diễn:

Thành phần cần quan tâm là E E cos01 02 1 2t Cho thấy rằng bằng việcđiều chỉnh sự khác biệt về tần số giữa hai quang trường có thể tạo ra các tín hiệu vôtuyến ở bất kỳ tần số nào Giới hạn trên duy nhất của các tần số vô tuyến được tạo ra làgiới hạn băng thông của chính bộ tách sóng quang Nếu tính toán đến các công suất tínhiệu quang thay cho các quang trường thì dòng tách quang được tính theo phương trình(2.6) sau:

Phương trình (2.6) cho thấy độ ổn định tần số tức thời của tín hiệu được tạo ranhờ RHD phụ thuộc vào độ lệch tần số tức thời giữa hai sóng mang quang được trộn.Bởi vậy, trong RHD cần thiết phải điều chỉnh độ lệch tần số tức thời một cách chínhxác để giữ ổn định tần số của tín hiệu phát ra Thông thường, chỉ một trong hai sóngmang quang là được điều chế với dữ liệu Phương trình (2.6) cho thấy rằng tạp nhiễupha của tín hiệu sinh ra bị ảnh hưởng bởi độ rộng vạch quang của hai sóng mangquang

Tần số phát xạ của laser rất nhạy cảm đối với sự biến đổi nhiệt độ, tạp nhiễu pha

và các hiệu ứng khác do vậy phải sử dụng các kỹ thuật nhằm duy trì độ dịch tần yêucầu và mức tạp âm pha Có vài phương pháp để kiểm soát sự dịch tần số giữa hai laser

đó là:

• Vòng lặp khóa tần quang OFLL

• Vòng lặp khóa pha quang OPLL

• Bơm khóa quang OIL và

• Vòng lặp bơm khóa pha quang OIPLL.

Có một số cách để tạo ra hai sóng mang cho tách sóng heterodyne kết hợp Một

là sử dụng bộ điều biến pha quang để tạo ra nhiều biên tần quang và sau đó sẽ lựa chọnthành phần biên tần cần thiết Hai là sẽ sử dụng hai nguồn laser riêng biệt, hai laserđược chế tạo để phát ra ánh sáng tại các tần số (bước sóng) lệch nhau một khoảng bằngtần số sóng vô tuyến yêu cầu Các kỹ thuật trên được dùng để giữ cho độ dịch tần sốgiữa hai sóng mang quang ổn định và có pha tương quan

(*) Ưu điểm của kỹ thuật tách heterodyne quang.

Sử dụng kỹ thuật heterodyne quang có thể tạo ra các tần số rất cao (chỉ bị giớihạn bởi băng thông của bộ tách sóng quang) Hơn nữa, nó cho công suất tách sóng và tỉ

số sóng mang trên tạp âm cao hơn, công suất của tín hiệu vi ba tạo ra bằng tổng côngsuất quang của cả hai trường quang

Tách sóng heterodyne đầu xa có một lợi thế riêng là nếu chỉ một trong số haisóng mang được điều chế với dữ liệu thì có thể giảm nhiều tính nhạy cảm hệ thống với

sự tán sắc Việc giảm đi các hiệu ứng tán sắc sợi là rất quan trọng với các phương thứcđiều chế nhạy cảm với tạp âm pha như là x-QAM Đặc tính quan trọng khác của RHD

là nó cho phép điều chế dữ liệu tần số thấp tại khối đầu cuối,do đó nó có thể điều khiểnđược với dữ liệu băng cơ sở hoặc tín hiệu RF tần số thấp Các bộ điều chế tần số thấpnói chung có điện áp nửa sóng Vπ thấp và do vậy sẽ dễ dàng để đạt tuyến tính hơn, nó

có khả năng tạo ra các tín hiệu với độ sâu điều chế đạt 100%

(*) Nhược điểm của kỹ thuật tách heterodyne quang

Hạn chế chính của RHD là ảnh hưởng mạnh của tạp âm pha và sự biến đổi tần

số quang đến phẩm chất và tính ổn định của các sóng mang RF tạo ra Các laser bándẫn có độ rộng phổ lớn do đó phải thực hiện thêm các biện pháp để giảm độ rộng phổcủa các tín hiệu RF tạo ra Những biện pháp này thường làm cho hệ thống phức tạphơn Các kỹ thuật được sử dụng để giảm bớt tính nhạy cảm của tạp âm pha bao gồm

vòng khóa pha quang OPLL và khóa bơm quang OIL sẽ được trình bày trong các mụcsau 2.2.3, và 2.2.4.

2.2.2 Phương pháp tạo sóng mang quang sử dụng một laser.

Đây là một phương pháp nhằm tạo ra 2 sóng mang quang từ một laser cho táchsóng heterodyne kết hợp Việc điều chế tấn số quang thực hiện bằng cách sử dụng mộttín hiệu điện để điều khiển laser tạo ra một chuỗi các vạch phổ quang cách nhau một

khoảng chính bằng tần số điều khiển f 0 như trong hình 2.2 Hai vạch phổ quang cách

nhau một khoảng bằng tần số vô tuyến f RF mong muốn sẽ được chọn ra làm sóng mangquang nhờ sử dụng bộ lọc quang Tiếp theo, hai sóng quang này được truyền trên sợiquang đến bộ tách sóng quang và trộn kết hợp để tạo ra tín hiệu RF mong muốn

f0

LAZE FM

Các bộ lọc quang

Phổ quang

Hình 2.2 : Nguyên lý tạo hai sóng mang quang từ một laser

Có hai phương pháp thường sử dụng để lựa chọn vạch phổ yêu cầu là: Lọcquang (Optical filtering) và Bơm khóa laser (Injection-locked lasers)

Phương pháp 1: Lọc quang:

Sử dụng một bộ lọc quang sẽ lựa chọn được những vạch phổ yêu cầu và loại bỏ

đi các vạch phổ khác Với phương pháp này, một bộ điều chế pha quang được điềukhiển bởi tín hiệu IF để tạo ra một loạt các dải biên, như minh họa trong Hình 2.3 Sửdụng máy đo nhiễu sợi Fabry có thể điều hưởng được FFPI để lựa chọn hai dải biênđược phân tách nhau bằng tần số sóng mm mong muốn Tín hiệu quang đã lọc đượcđược khuếch đại truyền qua sợi quang đưa tới bộ trộn quang để tách ra tín hiệu RF Có

hai vấn đề nổi lên với sơ đồ này là độ nhạy phân cực của bộ trộn quang và khoảng điềuhưởng sẽ bị giới hạn.

Laze

cộng hưởng

Ngoài

Bộ điều chế pha quang Bộ lọc điều hưởngSợi Fabry-Perot Bộ trộn quangbăng rộng

(*) Ưu điểm của phương pháp dùng bộ lọc quang.

Khi các dải biên trộn được tạo ra bởi cùng một nguồn laser thì chúng là tươngquan, bởi vậy kỹ thuật dùng Bộ lọc FM có khả năng tạo ra các sóng mm tần số cao với

độ rộng vạch phổ rất hẹp

(*) Nhược điểm của phương pháp dùng bộ lọc quang

Bất lợi chính là trong thực tế hệ thống chọn lọc dải biên phải xác định được mộtcách chính xác sự chuyển dịch vị trí của các dải biên Thêm nữa nó đòi hỏi bộ lọcquang phải có độ chọn lọc rất cao (Q) Những vấn đề này có xu hướng làm tăng độphức tạp của hệ thống RoF và làm hạn chế phạm vi điều hưởng của hệ thống

2.2.3 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OPLL/OFLL

Cấu hình cơ bản của kỹ thuật OPLL và OFLL được biểu diễn trong Hình 2.4

Nó gồm có một laser chủ vận hành tự do, một bộ tách sóng quang PIN, một bộ khuếchđại sóng vi ba, một bộ cảm biến pha hay tần số, một bộ lọc vòng lặp, một laser thứ cấp

và một bộ dao động tham chiếu viba Kết hợp các đầu ra của các laser chủ và thứ cấp

được chia thành hai phần: Một phần tín hiệu quang được sử dụng trong OPLL/ OFLLtại đầu cuối và phần kia được truyền tới RAU

Bộ cảm biến pha/Tần số

Laze chủ

Bộ ghép nối quang

tham chiếu

Bộ lọc vòng lặp

Laze

quang ra (tới RAU)

Hình 2.4: Nguyên lý của mạch vòng khóa pha/tần số quang

Tín hiệu quang tại trạm đầu cuối được tách sóng heterodyne trên một bộ táchsóng quang PIN để tạo ra một tín hiệu sóng mm và được đem so sánh tới tín hiệu thamchiếu Một tín hiệu sai tần trong trường hợp OFLL (và một tín hiệu sai pha số trongtrường hợp OPLL) được đưa trở lại laser thứ cấp Khi đó, laser thứ cấp được cưỡngbức để bám theo laser chủ giữ một độ lệch tần số tương ứng tới tần số của bộ dao độngtham chiếu OFLL cố gắng để duy trì độ dịch tần số trung bình, nó không triệt đi cácbiến thiên tần số tỉ lệ nhỏ gây ra bởi tạp âm pha, mặt khác OPLL cũng có khả năngbám theo các nhiễu loạn pha tỉ lệ nhỏ Một hệ thống OPLL đóng kín dựa trên các laserbán dẫn có khả năng tạo ra các tín hiệu viba lên tới 14 GHz

(*) Ưu điểm của OPLL/OFLL.

Vì đặc điểm của kỹ thuật OPLL là bám theo các sự biến đổi pha nhỏ nên chúng

có khả năng tạo ra các tín hiệu RF chất lượng cao với độ rộng vạch phổ hẹp, các OPLLcũng có khả năng tự hiệu chỉnh nhiệt độ tốt Ngoài ra, OPLL cũng cho thấy một phạm

vi khóa rộng và có lợi thế là có thể được triển khai với các laser DFB tiêu chuẩn

(*) Nhược điểm của OPLL/OFLL.

Bất lợi chính của các kỹ thuật OFLL là nó tạo ra các tín hiệu có độ rộng phổrộng Độ rộng vạch phổ của tín hiệu được tạo ra xấp xỉ bằng tổng của các độ rộng vạchphổ của các laser do OFLL phải duy trì độ dịch tần trung bình Hơn nữa, tần số tức thờicủa tín hiệu viba tạo ra chính bằng tần số tức thời sai khác giữa hai quang trường Dovậy, để tạo ra các tín hiệu viba độ rộng vạch phổ hẹp thì cần có các laser có phổ hẹp vàcác cấu trúc laser phức tạp hơn ví như các laser DFB 3 tiếp giáp Do yêu cầu cần phảibám theo các nhiễu loạn tần số của laser chủ, tốc độ điều hưởng của laser thứ cấp phải

đủ cao hay băng thông hồi tiếp phải sẵn có (nó bằng tổng các độ rộng vạch phổ củalaser) Để đạt được băng thông hồi tiếp rộng thì trễ truyền lan vòng lặp phải nhỏ Ngoài

ra, băng thông đáp ứng của các thành phần sóng cực ngắn cùng với đáp ứng FM củalaser thứ cấp phải rộng và đồng nhất về cả độ lớn và pha Những yêu cầu này là không

dễ dàng đáp ứng và tất cả điều đó tạo nên các thách thức trong việc thiết kế và xâydựng các thành phần của OPLL

2.2.4 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIL.

Bơm khóa quang (OIL) là một kỹ thuật bao gồm việc điều chế laser chủ với một

tín hiệu tần số thấp fREF, do đó phổ của laser chủ có vài dải biên phân cách nhau bằng

tần số hài bậc 3 (hài phụ), fREF tín hiệu điều chế của laser chủ là tín hiệu tham chiếu

Một phần đầu ra của laser chủ được đưa tới laser thứ cấp, khi đó fREF là một hài

con của tần số cộng hưởng của laser thứ cấp và là dải biên thứ n của đầu ra laser chủ đã

được điều chế có tần số trùng với tần số của laser thứ cấp như biểu diễn trong Hình 2.5.Điều này sẽ làm tần số của laser thứ cấp khóa theo tần số dải biên của laser chủ vàcộng hưởng ở đó Độ dịch của tần số phát xạ của laser thứ cấp từ tần số của laser chủ

sẽ thay đổi với cả tần số trung tâm của laser chủ và nếu tín hiệu tham chiếu fREF đượcgiữ không đổi thì tần số phát xạ của laser thứ cấp có khả năng bám theo sự biến đổi tần

số phát xạ của laser chủ giữ cho tần số của tín hiệu sóng mm phát ra không đổi

Laze chủ

Laze thứ cấp

Tín hiệu quang đầu ra

fRef

Bộ dao động tham chiếu sóng hài con

f sóng mm

fRef Laze chủ Laze thứ cấp

Bộ ghép nối quang

f

Hình 2.5: Nguyên lý bơm khóa quang

Cách khác để tạo ra các dải biên là sử dụng một vòng khuếch đại quang sợi, sửdụng bộ tạo lược tần số quang OFCG như minh họa trong Hình 2.6 để tạo ra một lượctần quang rộng, hai dải biên tần mong muốn khác nhau được lựa chọn bằng cách sửdụng hai laser thứ cấp được khóa trên hai tần số phân cách nhau một khoảng bằng tần

số tín hiệu viba mong muốn và sau đó được tách sóng heterodyne để tạo ra tín hiệuviba yêu cầu Bởi vậy kỹ thuật này là một sự kết hợp của các kỹ thuật OFCG và OIL

PM

Laze chủ

Laze thứ cấp

Bộ dao động tham chiếu

(*) Ưu điểm của OIL

Một lợi thế của việc sử dụng OIL là sử dụng các laser có vạch phổ rộng có thểtạo ra các tín hiệu có phổ điện hẹp, ổn định Hai là, OIL loại bỏ được tạp âm pha tốtbởi những dải biên trộn là có pha tương quan Ba là, vì laser thứ cấp khóa lên một hàicon của tần số cộng hưởng của nó nên có thể dùng tín hiệu tham chiếu tần số thấp Bốn

là, kỹ thuật OFCG kiểu khóa tần cho độ nhảy tần nhanh (< 1ns) và dải điều hưởng tần

số rất rộng Những đặc tính này là rất quan trọng trong những hệ thống DWDM

(*) Nhược điểm của OIL

Nhược điểm chính của OIL là nó có một dải mất điều hưởng (độ lệch cộnghưởng) tần số nhỏ Sự loại bỏ tạp âm pha tối ưu chỉ xuất hiện duy nhất tại một điểmmất điều hưởng laser thứ cấp liên quan tới tần số chạy tự do

2.2.5 Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIPLL.

Kỹ thuật OIPLL được minh họa trong Hình 2.7 sử dụng vòng lặp bơm khóa phaquang, nó kết hợp cả hai nguyên lý OPLL lẫn OIL Mục đích để kết hợp những ưuđiểm của cả hai kỹ thuật và khắc phục những nhược điểm của chúng

Bộ trộn

Laze chủ

Hình 2.7: Nguyên lý vòng lặp bơm khóa pha quang (OIPLL)

Trong hệ thống OIPLL, laser chủ được điều chế tại một tần số sóng hài contương tự như trong OIL, một phần tín hiệu đầu ra của laser chủ được bơm vào tronglaser thứ cấp qua bộ xoay vòng quang Laser thứ cấp sau đó sẽ được điều hưởng để

khóa tới dải biên hài thứ n của của laser chủ đã được bơm, đầu ra của cả laser chủ và

thứ cấp sẽ được kết hợp lại

Giống như trong OIL tần số sóng mm yêu cầu là độ lệch giữa hai tần số quang.Một phần tín hiệu quang kết hợp được đưa tới OPLL, tách sóng heterodyne tại bộ táchsóng quang PIN tạo ra tín hiệu vi ba, chúng được khuyếch đại và sau đó so sánh với tínhiệu tham chiếu bằng một bộ trộn cân bằng Đầu ra bộ trộn được chuyển qua bộ lọcvòng, tín hiệu lọc được sau đó cộng thêm vào dòng bơm của laser thứ cấp Như vậy, cơchế điều khiển hai pha OIL và OPLL được kết hợp với nhau

(*) Ưu điểm của OIPLL

Ưu điểm của OIPLL đó là OIL có tạp âm pha thấp trong khi đó OPLL lại chomột dải khóa rộng Ngoài ra, yêu cầu về trễ truyền lan vòng ngắn đối với OPLL trở nênkhông quan trọng nữa Mặt khác, OIPLL không đòi hỏi laser phải có độ rộng vạch phổhẹp vì chúng cũng thực hiện tốt với những laser có độ rộng vạch phổ rộng bình thường

(*) Nhược điểm của OIPLL

Sự bất lợi của OIPLL là nằm ở sự phức tạp của hệ thống của chính nó, nó làmột hệ thống lai của hai kỹ thuật phức tạp

2.2.6 Các laser hai chế độ

Như đã nói trước đây hạn chế chính của kỹ thuật tách sóng heterodyne đầu xa làtính nhạy cảm với tạp âm pha của hai tín hiệu thực hiện heterodyne và sự phụ thuộccủa tín hiệu RF vào các trạng thái phân cực khác nhau của hai sóng mang quang Mộtphương pháp tiếp cận khác để giảm bớt tạp âm pha tín hiệu thực hiện heterodyne làđảm bảo các chế độ quang tương quan nhau Tương quan của các chế độ quang có thểđạt được bằng cách lấy cả hai chế độ quang trong cùng hốc cộng hưởng quang sao cho

không xuất hiện dao động tại tần số Bragg Kết quả này có được khi dùng một thiết bịgọi là Laser hai chế độ DML vì nó phát ra hai mức ở hai phía của tần số Bragg.

Lợi thế chính của phương pháp DML là nó không cần phải có mạch hồi tiếpphức tạp như đối với các phương pháp bơm khóa quang khác Tuy nhiên, phương pháp

có những giới hạn về khả năng có thể điều hưởng được do dải khóa của nó hẹp

2.3 Các kỹ thuật dựa trên sự phát sinh sóng hài.

2.3.1 Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM

Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM là một phương pháp rất đáng quan tâm, nó đượcxây dựng theo cách khai thác sự tán sắc sợi để làm việc Sự chuyển đổi từ một tín hiệuđiều chế FM đến một tín hiệu điều chế cường độ được thực hiện bởi chính sự tán sắcsợi của sợi Một laser được điều chế FM quang được kích thích bởi một tín hiệu điềukhiển sẽ tạo ra một chuỗi phổ quang bao gồm những vạch phổ đặt cách nhau bằng tần

số điều khiển Do hiệu ứng tán sắc, sự định pha tương đối của các dải biên quang làmbiến đổi cường độ của ánh sáng tại những sóng hài của tần số điều khiển Với trườnghợp, một tín hiệu quang được điều chế FM và sợi quang loại SMF tiêu chuẩn, cường

độ quang học tức thời thu được sau khi truyền qua sợi được cho bởi:

là tần số góc điều chế và ζ p là pha của sóng hài thứ p Cường độ

sóng hài Ip được cho bởi:

Trong đó Jp(x) là hàm Bessel của loại thứ nhất, β là chỉ số điều chế

FM (hoặc chỉ số điều chế pha) và Φ là một tham số đặc trưng cho góc tán sắc sợi đợccho bởi

2 2

4

D z c

Nếu độ sâu điều chế là M p của sóng hài thứ p được xác định

bằng tỉ số giữa biên độ của dòng quang điện luân phiên tại sóng hài

thứ p với dòng quang điện một chiều (dc), khi đó M p sẽ được cho Bởi

(*) Ưu điểm của phương pháp FM-IM

Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM có thể được áp dụng để tạo ra cácsóng mm tại những tần số cao rất hiệu quả Đó là một kỹ thuật thựchiện đơn giản vì nó khai thác sự tán sắc sợi để hoạt động

(*) Nhược điểm của phương pháp FM-IM

Hạn chế hiển nhiên của kỹ thuật này là sự thay đổi độ sâu điềuchế với chiều dài sợi quang Những laser đáp ứng FM băng rộng tốtkhông có sẵn Laser FM phải có khả năng cho độ lệch tần số quangrộng tại các tốc độ sóng viba Nói chung độ lệch tần số từ đỉnh tớiđỉnh (peak - to - peak) phải ít nhất là bằng tần số sóng mm mongmuốn Tuy nhiên có thể giải quyết vấn đề điều chế cường độ vốn cótrong laser FM điều chế trực tiếp bằng việc sử dụng một bộ điều chếpha ngoài kết hợp với một laser sóng liên tục (CW)

2.3.2 Các kỹ thuật điều chế dải biên

Có hai kỹ thuật điều chế dải biên được gọi là các phương pháp2f và 4f Khác với kỹ thuật FM-IM, kỹ thuật này tạo ra các sóng hàibậc cao không có lợi cho sự tán sắc sợi bằng cách dựa vào đặc tínhtruyền phi tuyến của bộ điều chế biên độ Mach Zehnder (MZM) Đầu

ra của MZM dưới dạng điện trường E có thể được mô tả bởi:

là điện áp điều chế cần triệt hoàn toàn tại đầu ra Nếu Vmod(t) là hàm

sin thì có thể biểu diễn điện trường đầu ra theo dạng:

Trong đó: J i là hàm Bessel bậc i của loại 1, ε hệ số phân cực

thông thường, và α là mức điều khiển Phương trình (2.12) biểu thị rằng, bằng việc điều chỉnh thế hiệu dịch ε = 0, hoặc ε = 1, ta có thể

tạo ra các sóng hài bậc 2 và bậc 4 của tín hiệu điều khiển

2.3.2.1 Phương pháp 2f

Khi bộ MZM được phân cực bởi thế ε = 0 (tại Vπ) thì các sóngmang quang bị triệt tiêu với nhau tại Ω ± 2ω, Ω ± 3ω, v v còn lại là gồmhai thành phần mạnh phân cách nhau 2ω xung quanh Ω như trong Hình 2.8

và các số hạng lẻ bậc cao hơn, ta có thể giảm được các số hạng bậccao hơn có các biên độ thấp hơn bằng cách điều chỉnh các điểm phâncực Tín hiệu quang đã điều chế được chuyển qua sợi tới RAU Khi haithành phần mạnh phân cách nhau 2ω tác động lên điốt quang chúngngoại sai để tạo ra một tín hiệu vi ba với tần số góc bằng 2ω Nói

cách khác tần số điều khiển được nhân đôi, hay fmm = 2fmod

Điều chế dữ liệu với các sóng mm đã tạo ra được thực hiệnbằng việc lọc một trong những thành phần dải biên quang và sau đóđiều chế nó với dữ liệu trước khi được kết hợp lại và truyền cả hai dảibiên, như biểu diễn trong Hình 2.8

Hình 2.8: Kỹ thuật 2f đối với việc tạo ra các sóng mm

2.3.2.2 Phương pháp 4f

Phương pháp 4f cũng tương tự như phương pháp 2f đã được

xem xét ở trên, ngoại trừ, trong trường hợp này sử dụng ε = 1 Phổ