Giới thiệu chung
1 Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:
Hệ thống thông tin quang kết hợp đề cập đến yêu cầu cao về tính kết hợp thời gian của nguồn phát quang laser, cũng như độ kết hợp không gian trong bộ tách sóng quang Điều này là cần thiết khi thực hiện việc trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội.
Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng sử dụng kỹ thuật thông tin quang kết hợp với việc đổi tần tín hiệu trên hệ thống sợi quang Tuy nhiên, vào thời điểm đó, công nghệ quang và laser chưa đáp ứng được các yêu cầu cần thiết.
Vào những năm đầu thập kỷ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đã có những bước tiến vượt bậc, với cáp sợi quang single mode có tiêu hao dưới 0,2db/km tại bước sóng 1550nm Cùng với sự phát triển này, công nghệ laser bán dẫn cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể, với các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép và bước sóng ổn định tương thích với sợi quang Những tiến bộ này đã thúc đẩy nghiên cứu thông tin quang kết hợp, dẫn đến nhiều kết quả khả quan Nhiều thử nghiệm về hệ thống thông tin quang kết hợp đã được thực hiện ở Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu Các công ty viễn thông hàng đầu như AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel đều nhận định rằng việc áp dụng công nghệ thông tin quang kết hợp vào mạng viễn thông là một hướng đi mạnh mẽ nhằm nâng cao khả năng truyền dẫn và kéo dài khoảng cách giữa các trạm lặp.
Trong các hệ thống thông tin quang hiện nay, kỹ thuật điều biến và giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation – Direct Detection) đóng vai trò quan trọng Kỹ thuật này cho phép truyền tải thông tin hiệu quả thông qua việc điều chỉnh cường độ ánh sáng, mang lại nhiều lợi ích cho việc cải thiện chất lượng tín hiệu.
Đối với các hệ thống thông tin số và tương tự, cường độ ánh sáng phát ra từ LED và Laser được điều chế trực tiếp theo dòng tín hiệu vào.
- Không sử dụng pha của sóng mang để truyền tin.
Khả năng tách sóng trực tiếp được thể hiện qua máy thu quang, nơi tín hiệu được tách ra ngay tại băng tần cơ sở mà không cần bất kỳ xử lý hay biến đổi nào.
Khác với hệ thống IM – DD các hệ thống thông tin quang kết hợp có đặc điểm sau:
Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát yêu cầu cao về độ rộng phổ và độ ổn định tần số, có thể thực hiện thông qua điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài.
- Độ phân cực được giữ nguyên trong quá trình truyền.
Trước khi tách sóng từ nguồn thu, tín hiệu thông tin được kết hợp với tín hiệu dao động nội Do đó, ánh sáng đã trải qua quá trình xử lý trước khi đến photodiode.
2 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp:
2.1 Nâng cao độ nhạy thu:
Trong các hệ thống thông tin quang Coherent, phương pháp thu homodyne và heterodyne giúp kéo dài khoảng cách giữa các trạm lặp, tăng tốc độ truyền thông và số kênh trong mạng hạt hoặc thuê bao Độ nhạy thu được cải thiện từ 15 đến 20dB so với phương pháp thu trực tiếp Hình 1.1 minh họa sự phụ thuộc giữa độ nhạy thu và tốc độ truyền trong hai trường hợp: thu trực tiếp và thu kết hợp, với dữ liệu tỉ lệ lỗi bit 10^-9 ở cửa sổ hoạt động 1550nm (độ suy hao < 0,2dB/km), áp dụng kỹ thuật điều biến và tách heterodyne.
Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền
Khoảng cách giữa hai trạm lặp có thể được nâng lên đến 75 – 100km, thậm chí đạt vài trăm km Hình 1.2 minh họa sự phụ thuộc của độ dài khoảng lặp vào tốc độ truyền, đối với cả thu trực tiếp và thu kết hợp.
VD: với tốc độ truyền là 1,2Tbit/s khoảng lặp giữa thu trực tiếp là 200km và với thu coherent là 280km. h
Hình 1.2: Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền
Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền
2.2: Nâng cao khả năng truyền dẫn:
Phương pháp ghép kênh theo tần số trong hệ thống thông tin quang kết hợp cho phép truyền tải với dung lượng lớn Cụ thể, trong vùng cửa sổ hoạt động 1550nm, tương ứng với dải tần 200THz, nếu chọn độ rộng phổ truyền từ 1,47 đến 1,57µm, có thể truyền khoảng 10^9 kênh thoại tương đương.
2.3: Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:
Khả năng lựa chọn kênh thu phát dựa trên khả năng điều chỉnh tín hiệu thông qua việc thay đổi công suất phát dao động nội Điều này cho phép người dùng linh hoạt chọn lựa kênh mong muốn từ nhiều kênh đã được ghép theo tần số.
2.4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang:
Kết hợp thu coherent với kỹ thuật thu khuếch đại quang giúp tạo ra các tuyến thông tin số có dung lượng lớn và khoảng cách truyền dẫn lên tới 10.000 km Ứng dụng này rất hữu ích cho các tuyến thông tin đường trục và cáp quang biển.
Sự khác biệt rõ rệt giữa hai kỹ thuật thu heterodyne và homodyne là độ nhạy thu của chúng chênh lệch 3dB Điều này làm nổi bật tính chất của thu kết hợp trong hệ thống thông tin vô tuyến, nơi mà các nguồn thu đổi tần và đồng tần thường có những đặc điểm tương tự.
Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp
Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày trong hình 1.3:
Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp
+ Điều chế ngoài: External Modulation.
+ Dao động nội: Local osillator.
Hệ thống thông tin quang kết hợp bao gồm hai thành phần chính: phần phát và phần thu Phần phát gồm có mạch điều khiển, laser bán dẫn và bộ điều chế tín hiệu Ngoài ra, có thể bổ sung thêm bộ khuếch đại công suất và bộ điều khiển công suất khi cần thiết.
Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode với độ rộng phổ hẹp, thường là laser DFB có độ rộng phổ 0,1nm, trong khi laser có bộ cộng hưởng ngoài hoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10 ÷ 100MHZ LED và laser đa mode không phù hợp cho hệ thống Coherent do độ rộng phổ của nguồn không đáp ứng yêu cầu về độ rộng băng tần của tín hiệu Để đảm bảo ổn định tần số, nguồn laser cần được đặt trong một bộ ổn nhiệt với nhiệt độ kiểm soát trong khoảng 0,01 0C Để bù đắp sự suy giảm công suất phát, bộ hiệu chỉnh công suất tự động được thêm vào, và một phần tín hiệu thông tin được trích từ nguồn phát, qua bộ điều chỉnh công suất tự động, sẽ được xử lý để điều khiển dòng bơm laser ban đầu.
+ Bộ điều chế ngoài có thể được thực hiện theo hai phương án sau:
- Điều khiển dòng nội xạ của nguồn laser, phương pháp này thường dùng trong hệ thống điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying).
The generation of optical fields from laser sources involves the use of suitable devices within ASK (Amplitude Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying), and DPSK (Differential Phase Shift Keying) systems.
Trong bộ điều biến quang, việc sử dụng bộ cách ly quang (Optical Isolator) và sợi quang là rất quan trọng để ngăn chặn phản xạ quang (optical Reflection), điều này giúp duy trì sự ổn định của sóng mang quang và độ rộng phổ laser Phía thu của hệ thống cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Bộ thu là phần phức tạp nhất của hệ thống và là đặc trưng nhất của hệ thống Coherent.
Phần thu gồm: Bộ trộn quang laser dao động nội photodiode, bộ tiền khuếch đại, bộ giải điều chế ở trung tần và mạch quyết định.
Bộ trộn quang là thiết bị bốn cửa tương tự như ghép hướng siêu cao tần, với hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động h nội) được trộn và cộng tuyến tính ở cửa ra Thiết bị này có thể được cấu tạo từ gương bán phản xạ, lăng kính lập phương hoặc bộ ghép sợi nóng chảy Để đảm bảo tín hiệu chính xác với sóng dao động nội, cả hai trường quang cần đồng hướng trên mặt photodiode Do trạng thái phân cực của trường tín hiệu dọc theo sợi bị thay đổi, cần sử dụng bộ điều khiển phân cực đặc biệt ở đầu cuối tuyến sợi quang Độ lệch giữa các trạng thái phân cực của tín hiệu dao động nội có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, và tần số của sóng dao động nội và tín hiệu có thể giống nhau (thu homodyne) hoặc khác nhau (thu heterodyne) với hiệu số bằng trung tần.
Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phần phát tương tự nhau, nhưng laser dao động nội có khả năng điều chỉnh tần số phát trong khoảng rộng, giúp đảm bảo tần số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định.
Bộ trộn và photodiode hoạt động như bộ biến đổi tần thấp trong thu heterodyne hoặc bộ tách pha trong thu homodyne Dòng tín hiệu từ photodiode được gửi đến bộ tiền khuếch đại, sau đó được lọc thông giải để hạn chế băng tần nhiễu và giải điều chế theo dạng điều chế Nhiễu phase trong laser là vấn đề quan trọng trong hệ thống Coherent, ảnh hưởng đến độ rộng băng tần của bộ lọc tần số trung gian và tín hiệu Một phần dòng sau biến đổi quang điện được sử dụng để chốt tần số trung tần tại giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiển tần số tự động AFC Tín hiệu sau bộ tiền khuếch đại được đưa đến bộ lọc vòng và điều khiển laser dao động nội bằng mạch thích hợp.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp
1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hình 1.4 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent. h
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent
Giả sử trường điện từ của tín hiệu truyền đi là sóng phẳng có dạng sau:
Es = As.cos[(wst + φs(t)) ] (1.1) Trong đó: As: biên độ của trường tín hiệu quang
Tần số tín hiệu điện (s) và pha của tín hiệu (Φs(t)) là hai yếu tố quan trọng trong việc truyền thông tin Để truyền tải thông tin hiệu quả, người ta thường áp dụng các phương pháp điều chế như điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha.
Phương pháp điều chế khoá dịch biên ASK hoặc khoá đóng mở OOK sử dụng hằng số φs, trong đó biên độ As chỉ nhận hai giá trị khác nhau cho mỗi chu kỳ bit, tương ứng với giá trị 0 và 1 của tín hiệu truyền đi.
Điều chế khoá dịch tần FSK là quá trình trong đó biên độ As được giữ hằng số, trong khi pha φs(t) thay đổi giữa hai giá trị 1(t) và 2(t) tương ứng với tín hiệu nhị phân.
Điều chế khoá dịch pha PSK truyền thông tin thông qua sự thay đổi phase, với sóng hình sin được mô tả bởi công thức Φs(t) = βsinωm(t), trong đó β là hệ số điều chế phase và ωm là tần số điều chế Trong các hệ thống thu trực tiếp, tín hiệu điện từ bộ phát điều chế biên độ mức công suất quang của nguồn laser, dẫn đến công suất quang tỷ lệ với mức biên độ tín hiệu điện Tại phía thu, tín hiệu quang được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện, với dòng điện tách ra tỷ lệ với cường độ của tín hiệu quang.
(1.2) số hạng khi thu sẽ không còn, như vậy với tách sóng trực tiếp thì:
Hệ thống thông tin quang kết hợp tại đầu thu tín hiệu sử dụng bộ trộn để kết hợp tín hiệu mang tin với tín hiệu dao động nội tại Tại đầu ra của bộ trộn, tín hiệu tần số trung tần được tạo ra và sau đó được tách sóng Có bốn phương pháp giải điều chế tùy thuộc vào cách trộn tín hiệu (heterodyne hoặc homodyne) và phương pháp tách tín hiệu (tách đồng bộ hoặc tách không đồng bộ) Sau khi trộn, tín hiệu sẽ được chuyển đến photodiode.
ELO = ALOcos[LOt + φLO(t) ] (1.4) Trong đó, ALO, LO, φLO là biên độ tần số pha của truyền dao động nội.
Ta có dao động sau khi tách sóng:
Với: φ(t) = [φs(t) – φLO(t) ] là độ lệch pha giữa tín hiệu truyền tin và tín hiệu dao động nội:
Biểu hiện độ phân cực giữa sóng ánh sáng tín hiệu và sóng dao động nội cho thấy sự tương tác giữa chúng, trong đó các tần số cao bị loại bỏ sau khi tiến hành tách sóng.
Khi công suất quang tỷ lệ với cường độ thì tại photodiode có công suất quang tới là: h
P(t) = Ps +PLO +2(Ps.PLO) 1/2 cos[(s +LO) + φ(t) ] cos(t) (1.6)
Trong đó Ps và PLO là công suất quang của tín hiệu dao động nội.
IF = (s +LO) là tần số trung tần nằm trong dải tần vô tuyến.
Từ các biểu thức tính dòng ICOH và P(t) có thể rút ra một vài nhận xét sau:
Phổ công suất trung bình của dòng tín hiệu tại trung tần được xác định bằng tổng phổ công suất của tín hiệu và dao động nội, trong đó dao động nội đóng vai trò chủ yếu.
Méo tín hiệu trong hệ thống thông tin quang kết hợp chủ yếu xuất phát từ thành phần phase, được tạo ra bởi nguồn và bộ dao động nội Đây là nguồn nhiễu chính ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu.
- Thông qua hệ số cos(t) nhận thấy phải có yêu cầu nghiêm ngặt về độ phân cực của tín hiệu và của dao động nội.
2 Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection):
Trường hợp tách sóng đồng tần là khi tần số của tín hiệu và của bộ dao động nội bằng nhau (IF = 0) Được mô tả như hình vẽ 1.5:
Sau khi dòng điện ra khỏi photodiode, tín hiệu được đưa vào bộ lọc thông giải để khôi phục trực tiếp tại băng tần cơ sở Biểu thức tại thời điểm này được cập nhật.
Chú ý rằng PLO > Ps, với PLO là một hằng số Giả thiết góc phân cực giữa sóng tín hiệu đến và sóng của bộ dao động nội là θ(t) = 0, thì thành phần công suất chứa thông tin truyền đi được biểu diễn dưới dạng.
Trong hệ thống tách sóng đồng tần, có thể sử dụng các dạng điều chế thông tin như ASK, trong đó mức tín hiệu Ps được thay đổi trong khi các yếu tố khác vẫn giữ nguyên không đổi.
Mức “0” ứng với khi Ps = 0.
Mức “1” ứng với khi có Ps. Hay là điều chế PSK thay đổi pha của tín hiệu và giữ nguyên Ps không đổi:
Khi tăng công suất của bộ dao động nội PLO thì ta tăng được thành phần
(hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu) nên độ nhạy thu sẽ lớn hơn trong trường hợp tách sóng trực tiếp.
Mặc dù máy thu đồng tần cung cấp độ nhạy tối ưu cho hệ thống thông tin quang kết hợp, việc thực hiện chúng gặp nhiều khó khăn Điều này là do yêu cầu nghiêm ngặt về sự ổn định và sự tương đương giữa hai tần số tín hiệu đến và dao động nội trong các phương pháp tách sóng ASK và PSK.
3 Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):
Khi tần số của tín hiệu đến và tần số dao động nội khác nhau thì ta có trường hợp tách sóng đổi tần.
Tần số trung tần fIF = fs – fLO được chọn nằm trong giải sóng vô tuyến khoảng vài trục MHZ đến hàng trăm MHZ.
Giá trị cụ thể của fIF phụ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế trong hệ thống Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, cần ổn định tần số trung gian Hình 1.6 minh họa sơ đồ khối của máy thu.
Coherent tách sóng đổi tần Dòng điện ở đầu ra của photodiode được đưa vào mạch lọc và giải điều chế tái tạo lại thông tin ban đầu.
Hệ thống máy thu đổi tần có thể áp dụng các phương pháp điều chế như ASK, PSK và FSK Khi PLO lớn hơn nhiều so với Ps, chúng ta có thể bỏ qua Ps trong biểu thức, dẫn đến sự đơn giản hóa trong phân tích.
Lúc đó thành phần dòng một chiều tại đầu ra của bộ thu được cho bởi công thức:
Và thành phần dòng tín hiệu iIF(t) được biểu diễn như sau:
Thông thường, thành phần dòng một chiều IDC sẽ được lọc bỏ các thành phần dòng tín hiệu khuếch đại và thực hiện quá trình giải điều chế nhằm khôi phục lại dòng thông tin số ban đầu.
Nếu thay công suât bằng biên độ trường thì ta được công thức: