Tìm hiểu một số vấn đề trong Radio over Fiber

Đề tài : Tìm hiểu một số vấn đề trong Radio over Fiber Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần: • Giới thiệu về kỹ thuật Radio over Fiber. • Các phương pháp điều chế trong Radio over Fiber • Giải điều chế ở bộ thu quang

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

RADIO OVER FIBER”

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

-o0o -CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-o0o -ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên : Lê Tuấn Anh

 Tìm hiểu chung về kỹ thuật Radio over Fiber

 Tìm hiểu các phương pháp điều chế trong Radio over Fiber

 Tìm hiểu về giải điều chế ở bộ thu quang

Ngày giao đề tài: 20/09/2012

Ngày nộp đồ án: 10/12/2012

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

RADIO OVER FIBER”

Điểm: (Bằng chữ: )

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

PGS TS Bùi Trung Hiếu

Điểm: (Bằng chữ: )

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Giáo viên phản biện

MỤC LỤCDANH MỤC TỪ VIẾT TẮT i

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 3 1.1 Khái niệm kỹ thuật Radio over Fiber 3

1.2 Cấu trúc và hoạt động của một hệ thống Radio over Fiber 3

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống Radio over Fiber 31.2.2 Hoạt động của hệ thống Radio over Fiber 4

1.3 Phân loại hệ thống Radio over Fiber 4

1.3.1 Phân loại theo hệ thống quang 41.3.2 Phân loại theo tín hiệu băng gốc đầu vào 61.3.3 Phân loại theo tín hiệu vô tuyến 6

1.4 Ưu, nhược điểm của Radio over Fiber 8

1.4.1 Ưu điểm 81.4.2 Nhược điểm 10

1.5 Khả năng ứng dụng của Radio over Fiber 10

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TRONG RADIO OVER FIBER 13

2.1 Điều chế tín hiệu tần số vô tuyến 13

2.1.1 Điều chế biên độ 132.1.2 Điều chế tần số 162.1.3 Điều chế pha 17

2.2 Điều chế quang 18

2.2.1 Điều chế trực tiếp 192.2.2 Điều chế ngoài 20

CHƯƠNG 3: GIẢI ĐIỀU CHẾ Ở BỘ THU QUANG 27

3.1 Bộ thu tín hiệu quang tách sóng trực tiếp 27

3.1.1 Các phần tử chuyển đổi quang/điện 27

3.1.2 Sơ đồ bộ thu tách sóng quang trực tiếp 36

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bộ thu 37

3.2 Bộ tách sóng coherent 45 3.2.1 Khái quát về hệ thống quang coherent 45

3.2.2 Bộ tách sóng quang coherent 47

3.2.3 Tỉ số SNR của bộ thu quang coherent 52

3.2.4 Tỉ số lỗi bit và độ nhạy của bộ thu quang coherent 53

3.2.5 Một số yếu tố làm suy giảm độ nhạy bộ thu quang coherent 55

KẾT LUẬN 57

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 57

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

diode

Laser hồi tiếp phân tán

định

đồng trục

PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch pha

quang

quang

Modulation

Điều chế biên độ đơn biên

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống Radio over Fiber 3

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống quang IM-DD 5

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của hệ thống quang coherent 5

Hình 1.4: Cấu trúc của một hệ thống RFoF 7

Hình 1.5: Cấu trúc của một hệ thống IFoF 8

Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp hữu tuyến kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục 11

Hình 1.7: Minh họa hệ thống Radio over Fiber trong một tòa nhà 11

Hình 1.8: Mô hình Radio over Fiber áp dụng cho mạng di động 12

Hình 2.1: Tín hiệu điều chế biên độ 14

Hình 2.2: Phổ của tín hiệu điều chế biên độ song biên 15

Hình 2.8: Cấu trúc tổng quát của một bộ điều chế ngoài 21

Hình 2.9: Cấu trúc bộ điều chế Mach-Zehnder 22

Hình 2.10: Sự phân cực và dịch pha trong bộ điều chế MZM 23

Hình 2.11: Cấu trúc bộ điều chế EAM 24

Hình 2.12: Nguyên lý hấp thụ electron 25

Hình 2.13: Bộ điều chế pha sử dụng tinh thể Lithium Niobate 26

Hình 3.1: Photodiode được phân cực ngược 28

Hình 3.2: Sơ đồ mức năng lượng khi các điện tử - lỗ trống di chuyển qua vùng hiếm dưới tác động của điện trường phân cực ngược 28

Hình 3.3: Dải động của một linh kiện thu quang31

Hình 3.4: Cấu trúc của photodiode loại PIN 31

Hình 3.5: Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn PIN 32 Hình 3.6: Photodiode loại PIN được phân cực ngược 32

Hình 3.7: Cấu tạo của photodiode APD 33

Hình 3.8: Sự phân bố năng lượng điện trường trong các lớp bán dẫn của APD

34

Hình 3.9: Sự thay đổi của hệ số khuếch đại M theo điện áp phân cực ngược và nhiệt độ 35

Hình 3.10: Cấu trúc của bộ thu quang 36

Hình 3.11: Sơ đồ tương đương của khối tiền khuếch đại 36

Hình 3.12: Giá trị của nhiễu dôi dư theo M và 40

Hình 3.13: Giá trị theo và 41

Hình 3.14: Quan hệ giữa tỉ lệ dập tắt và lỗi công suất 43

Hình 3.15: Quan hệ giữa lỗi công suất và nhiễu cường độ 44

Hình 3.16: Quan hệ giữa lỗi công suất và lệch thời gian lấy mẫu 45

Hình 3.17: Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent tổng quát 46

Hình 3.18: Cấu trúc của một bộ thu homodyne 48

Hình 3.19: Cấu trúc bộ thu sử dụng tách sóng đồng bộ 50

Hình 3.20: Cấu trúc của một vòng khóa pha bình phương 51

Hình 3.21: Cấu trúc của một vòng khóa pha Costas 51

Hình 3.22: Cấu trúc bộ thu sử dụng tách sóng không đồng bộ 52

Bảng 3.1: Công thức tính BER và độ nhạy của một số loại bộ thu khi 54

BER = 9

Hình 3.23: Ảnh hưởng của nhiễu cường độ đối với bộ thu quang coherent 56

Hình 3.24: Ảnh hưởng của tán sắc đối với hệ thống quang coherent 56

LỜI NÓI ĐẦU

Radio over Fiber là kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến trên sợi quang, trong đó ánhsáng truyền trong sợi quang được điều chế theo tín hiệu vô tuyến Nhờ các ưu điểm củasợi quang như suy hao thấp và băng thông lớn, việc áp dụng kỹ thuật Radio over Fibervào mạng truy nhập có thể đem lại một số ưu điểm như tốc độ truyền dẫn cao, truyền dẫn

xa với suy hao thấp, giảm sự phức tạp của hệ thống Kỹ thuật Radio over Fiber có thểđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống, như hệ thống phát quảng bá (mạng truyềnhình cáp CATV), hệ thống thông tin di động, hay các hệ thống truy nhập không dây.Đối với mỗi hệ thống viễn thông, để có thể khai thác được tối ưu hiệu năng của hệthống, cần nắm bắt được các thành phần của hệ thống, tìm hiểu nguyên lý và đặc tínhhoạt động, qua đó tìm ra cách cải thiện các chỉ tiêu chất lượng Vì vậy, trong đồ án này,

em sẽ tìm hiểu về kỹ thuật Radio over Fiber cũng như những phương thức điều chế vàgiải điều chế ứng dụng cho Radio over Fiber Nội dung của đồ án bao gồm 3 phần:

• Giới thiệu về kỹ thuật Radio over Fiber

• Các phương pháp điều chế trong Radio over Fiber

• Giải điều chế ở bộ thu quang

Để thực hiện những yêu cầu đã đề ra của đồ án, các vấn đề trên sẽ lần lượt được trìnhbày trong các chương

Chương 1 giới thiệu về kỹ thuật Radio over Fiber, bao gồm các nội dung như kháiniệm kỹ thuật, cấu trúc và hoạt động của hệ thống, phân loại, ứng dụng và ưu nhược điểmcủa kỹ thuật này

Chương 2 trình bày về các phương pháp điều chế được áp dụng trong Radio overFiber, nêu ra nguyên lý điều chế và các bộ điều chế được ứng dụng trong thực tế

Chương 3 trình bày về quá trình giải điều chế ở bộ thu quang, nêu ra nguyên lý, cấutrúc và các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của bộ thu quang

Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề đã làm được trong đồ án cũng nhưhạn chế và hướng phát triển của đề tài

Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã sử dụng những kiến thức được trang bịkhi còn đang ngồi trên ghế giảng đường và những kiến thức chọn lọc từ các tài liệu củathầy giáo hướng dẫn Ngoài ra đồ án còn sử dụng những tài liệu phổ biến rộng rãi trênInternet

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do hạn chế về thời gian cũng như hiểu biết có hạncủa một sinh viên nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Để đồ án hoàn thiện hơn, em rấtmong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo cũng như các bạn sinhviên.

Sinh viên thực hiện: Lê Tuấn Anh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER.

1.1 Khái niệm kỹ thuật Radio over Fiber

Radio over Fiber (RoF – truyền sóng vô tuyến qua sợi quang) là kỹ thuật truyền dẫn

sợi quang, trong đó ánh sáng được điều chế bằng tín hiệu vô tuyến

Kỹ thuật này từ lâu đã được áp dụng trong thực tế, đặc biệt là trong hệ thống truyềnhình cáp (CATV) Kỹ thuật Radio over Fiber cũng được áp dụng cho mạng thông tin diđộng và các mạng truy nhập

1.2 Cấu trúc và hoạt động của một hệ thống Radio over Fiber

1.2.1 Cấu trúc của hệ thống Radio over Fiber

Hình 1.1: Cấu trúc của hệ thống Radio over Fiber

Một đường truyền dẫn Radio over Fiber bao gồm hai thành phần chính là trạm điềukhiển trung tâm và trạm thu phát Trạm trung tâm là nơi thực hiện các chức năng xử lý,như nhận tín hiệu băng gốc, điều chế tạo tín hiệu tần số vô tuyến, điều chế tạo tín hiệuquang…

Trong trường hợp ứng dụng cho mạng thông tin di động, trạm thu phát chính là trạmgốc (Base Station - BS), nhận tín hiệu từ trạm trung tâm và thực hiện chuyển đổiquang/điện cũng như thu/phát tín hiệu Trong trường hợp ứng dụng cho mạng truyền hình

cáp, trạm thu phát là một đầu thu trung tâm, có nhiệm vụ phân phát tín hiệu tới các hộ giađình.

Trong các hệ thống phát quảng bá, như hệ thống truyền hình cáp, chỉ có các linh kiệncho đường xuống (từ trạm trung tâm tới trạm thu) Trong khi đó các hệ thống mạng truynhập còn được trang bị những bộ phận xử lý đường lên (từ trạm thu tới trạm trung tâm)

1.2.2 Hoạt động của hệ thống Radio over Fiber

Quy trình hoạt động của đường truyền dẫn Radio over Fiber theo đường xuống (từtrạm trung tâm tới trạm gốc):

Đầu tiên tín hiệu băng gốc được điều chế với sóng mang vô tuyến, tạo ra tín hiệu cótần số vô tuyến để đưa vào bộ điều chế quang

Sau đó, tín hiệu vô tuyến được điều chế với sóng mang quang, để tạo thành tín hiệuquang truyền trong sợi quang Đối với hệ thống quang IM-DD, phương thức điều chếquang là điều chế cường độ Đối với hệ thống quang coherent, phương thức điều chếquang có thể là điều chế biên độ, pha hoặc tần số của tín hiệu quang theo tín hiệu vôtuyến

Tại đầu thu, tín hiệu quang sẽ được giải điều chế để lấy ra tín hiệu vô tuyến Trong hệthống quang IM-DD, việc giải điều chế được thực hiện bằng các linh kiện tách sóngquang, tạo ra tín hiệu điện dựa trên công suất của sóng quang đến bộ thu Trong hệ thốngquang coherent, tín hiệu điện được tách dựa trên thông tin của sóng quang

Tại trạm gốc trong hệ thống di động, tùy theo tần số vô tuyến mà có thể có bước nângtần nhằm tạo tần số thích hợp để phát sóng

Quy trình hoạt động ở đường lên tương tự như đường xuống Tín hiệu vô tuyến thuđược ở trạm gốc được điều chế với sóng mang quang, tạo ra tín hiệu quang để truyềntrong sợi quang Tại trạm trung tâm, tín hiệu quang đường lên được giải điều chế thànhtín hiệu vô tuyến, sau đó được giải điều chế trở lại tín hiệu băng gốc

1.3 Phân loại hệ thống Radio over Fiber

1.3.1 Phân loại theo hệ thống quang

quang tạo ra dòng điện dựa trên công suất quang ở đầu vào Cấu trúc của một hệ thốngquang IM-DD được miêu tả trong hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống quang IM-DD

Tín hiệu quang được tạo ra từ quá trình điều chế cường độ chỉ phụ thuộc vào độ lớncủa tín hiệu điện (đối với tín hiệu tương tự) hoặc mức logic (đối với tín hiệu số) màkhông quan tâm tới các thông tin khác của tín hiệu như pha hay tần số

Hệ thống quang IM-DD có ưu điểm là nguyên tắc làm việc đơn giản, giá thành linhkiện và bảo dưỡng rẻ Tuy nhiên hệ thống IM-DD chịu ảnh hưởng từ các vấn đề nhưnguồn quang không ổn định, nhiễu của bộ thu, lệch thời gian ở bộ thu… làm giới hạn độnhạy của đầu thu, khiến cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn so với hệ thống coherentvới các tham số hệ thống tương đương

Hệ thống quang coherent

Hình 1.3: Cấu trúc cơ bản của hệ thống quang coherent

Khác với hệ thống quang IM-DD, ở hệ thống quang coherent thì thông tin về sóngcủa tín hiệu quang được điều chế với thông tin tín hiệu điện Điều này có nghĩa là tín hiệu

về biên độ, pha hoặc tần số của ánh sáng ở đầu phát được thay đổi dựa trên biên độ củatín hiệu điện

Tại đầu thu, sóng quang tới được cộng với sóng quang tạo ra tại bộ dao động nội(Local Oscillator – LO) Tín hiệu quang tổng này sau đó được tách thành tín hiệu điện.Hai chức năng này được tích hợp ở bộ cộng và tách sóng quang trong hình 1.3 Có haichế độ tách sóng là homodyne và heterodyne Trong chế độ homodyne, tần số của tínhiệu tới và tín hiệu tạo ra từ bộ dao động nội là giống nhau; còn trong chế độ heterodynetần số của tín hiệu tới và tín hiệu tạo ra từ bộ dao động nội lệch nhau

Tín hiệu điện ở đầu ra của bộ tách sóng được đưa qua các bộ lọc để lấy được tín hiệuban đầu Trong hệ thống sử dụng tách sóng heterodyne có thể có thêm một bộ giải điềuchế Hoạt động của hệ thống quang coherent được trình bày chi tiết ở chương 3

Hệ thống quang coherent có ưu điểm là độ nhạy cao hơn hệ thống quang IM-DD, vàtận dụng tần số hiệu quả hơn Ngoài ra các hệ thống quang coherent còn có thể áp dụngmột số kỹ thuật xử lý tín hiệu số để khắc phục một số vấn đề như tán sắc, lệch phâncực… Tuy nhiên hệ thống quang coherent có cấu tạo phức tạp hơn hệ thống IM-DD, vàgiá thành cũng cao hơn

1.3.2 Phân loại theo tín hiệu băng gốc đầu vào

Có hai dạng tín hiệu là tín hiệu tương tự và tín hiệu số Hầu hết các hệ thống truyềnhình cáp hiện nay sử dụng tín hiệu đầu vào ở dạng tương tự Đối với tín hiệu tương tự,các phương thức điều chế lên tín hiệu có tần số vô tuyến bao gồm điều chế biên độ(Amplitude Modulation – AM), điều chế pha (Phase Modulation – PM) và điều chế tần

số (Frequency Modulation – FM)

Các hệ thống truy nhập vô tuyến có tín hiệu đầu vào ở dạng số Đối với tín hiệu số,việc điều chế lên tín hiệu tần số vô tuyến có các phương thức như điều chế dịch biên độ(Amplitude Shift Keying – ASK), dịch pha (Phase Shift Keying – PSK), dịch tần số(Frequency Shift Keying – FSK)

1.3.3 Phân loại theo tín hiệu vô tuyến

Dựa vào tín hiệu được truyền, các hệ thống truyền dẫn RoF thường được chia thànhhai loại, là Radio Frequency over Fiber (RFoF – truyền sóng tần số vô tuyến trên sợi

quang), và Intermediate Frequency over Fiber (IFoF – truyền tín hiệu trung tần trên sợiquang)

Hệ thống RFoF

Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật RFoF, tín hiệu gốc được điều chế với tín hiệu có tần

số vô tuyến (trên 10 GHz) trước khi điều chế quang để truyền vào sợi quang Ở kiến trúcnày, tín hiệu được truyền thẳng tới trạm gốc, sau đó được chuyển đổi từ quang sang điện,khuếch đại và phát sóng ở trạm gốc Đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật RFoF, phươngpháp điều chế và giải điều chế quang thường được sử dụng là điều chế cường độ và táchsóng trực tiếp Hình 1.4 mô tả cấu trúc của một mạng di động sử dụng kỹ thuật RFoF.Khi sử dụng kiến trúc này, không cần phải có bước nâng/hạ tần ở trạm gốc, do đó sẽtiết kiệm chi phí cho trạm gốc hơn Tuy nhiên việc xử lý tín hiệu vô tuyến ở trạm gốc yêucầu các thiết bị chuyển đổi quang/điện tốc độ cao

Hình 1.4: Cấu trúc của một hệ thống RFoF

Hệ thống IFoF

Trong hệ thống sử dụng kỹ thuật IFoF, tín hiệu gốc được điều chế với tín hiệu ở tần

số thấp hơn (từ 1-10 GHz), sau đó được truyền vào sợi quang Khi tới trạm gốc, để có thểphát sóng thì tín hiệu này sẽ được nâng tần lên tần số vô tuyến nhờ một bộ nâng tần và bộtạo dao động Khi xử lý tín hiệu đường lên, quá trình hạ tần tương ứng cũng được ápdụng Hình 1.5 mô tả cấu trúc của một mạng di động sử dụng kỹ thuật IFoF

Trong trường hợp sử dụng tín hiệu trung tần, ảnh hưởng của tán sắc sẽ thấp hơn khi

sử dụng tín hiệu vô tuyến Các hệ thống hoạt động ở mức tần số này (ví dụ như mạng cục

bộ không dây WLAN) có thể phát sóng trực tiếp mà không cần phải nâng tần Tuy nhiênvới các mạng hoạt động ở tần số cao hơn, bước nâng tần là cần thiết, khiến cho cấu tạocủa trạm gốc phức tạp hơn.

Hình 1.5: Cấu trúc của một hệ thống IFoF

Trong kiến trúc sử dụng sóng trung tần, tại trạm gốc cần có quá trình nâng tần để cóthể phát đi tần số vô tuyến Do vậy trạm gốc có thêm bộ dao động nội để thực hiện quátrình này Các bộ chuyển đổi quang/điện ở kiến trúc này không yêu cầu khả năng xử lýtốc độ cao, do vậy cũng có chi phí thấp hơn Cấu trúc của trạm gốc trong hệ thống sửdụng sóng trung tần được mô tả trong hình 1.4

1.4 Ưu, nhược điểm của Radio over Fiber

1.4.1 Ưu điểm

Suy hao thấp, khoảng cách truyền dẫn xa

Việc truyền dẫn tín hiệu điện trên không gian tự do và đường truyền dẫn kim loại đều

có suy hao lớn đối với tần số cao Do đó, nếu truyền các tín hiệu cao tần sử dụng nhữngmôi trường truyền dẫn này thì cần phải có nhiều bộ khuếch đại trên đường truyền, dẫn tớichi phí tăng cao Một phương án khác là truyền tín hiệu trung tần hoặc tín hiệu băng tầngốc để giảm suy hao, và thực hiện việc nâng tần ở trạm gốc Tuy nhiên phương án nàycũng khiến cho thiết kế trạm gốc thêm phức tạp

Trong khi đó sợi quang có suy hao rất thấp Các sợi đơn mode (SMF) làm từ thủytinh có suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ 1550 nm và 1300 nm Trongkhi đó, suy hao của cáp đồng trục 0,5 inch (RG-214) lên tới trên 500 dB/km ở tần số trên

5 GHz Như vậy việc truyền sóng cao tần trên sợi quang có thể giúp tăng khoảng cáchtruyền dẫn lên nhiều lần, với suy hao thấp hơn.

Băng thông rộng

Sợi quang có băng thông rất lớn Có ba cửa sổ truyền dẫn chính, với suy hao thấp, ởcác bước sóng 850nm, 1310 nm, 1500 nm Với một sợi quang đơn mode, tổng băngthông của ba cửa sổ này lên tới trên 50 THz Băng thông của các hệ thống thương mạihiện nay chỉ tận dụng được một phần nhỏ dung lượng này (1,6 THz), và các hệ thống tậndụng tận dụng tốt hơn dung lượng trên mỗi sợi quang vẫn đang được phát triển

Bên cạnh dung lượng cao, băng thông lớn còn cho phép xử lý tín hiệu tốc độ cao,công việc rất khó thực hiện trên các hệ thống điện tử Do đó một số chức năng như lọc,trộn, nâng và hạ tần có thể thực hiện trong miền quang

Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ

Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ (EMI) là một đặc tính hấp dẫn của thông tinsợi quang, đặc biệt trong truyền dẫn sóng vô tuyến tần số cao Đó là vì các tín hiệu đượctruyền đi qua sợi quang dưới dạng ánh sáng Đặc điểm này cũng dẫn đến khả năng chốngnghe trộm, rất quan trọng đối với việc bảo mật thông tin

Giảm số lượng thiết bị

Trong hệ thống RoF, các chức năng xử lý tín hiệu được tập trung ở một thiết bị gọi làtrạm đầu cuối, sau đó mới truyền tới khối anten đầu xa (Remote Antenna Unit – RAU).Nhờ vậy các RAU chỉ phải thực hiện chức năng chuyển đổi quang – điện và khuếch đại

Do đó các RAU có giá thành thấp hơn, lắp đặt dễ dàng và giá thành bảo dưỡng cũng thấphơn Nhiều loại tín hiệu (sóng di động, WiFi…) có thể truyền trên cùng một sợi quangcũng giúp giảm bớt giá thành Ngoài ra, các RAU có thiết kế đơn giản cũng giúp tiếtkiệm năng lượng và giảm ảnh hưởng tới môi trường

Phân phối tài nguyên động

Do các chức năng xử lý được tập trung ở trạm đầu cuối tập trung nên có thể phânphối dung lượng động trong mạng RoF Ví dụ đối với một hệ thống RoF với lưu lượngGSM, có thể phân phối dung lượng lớn hơn tới một khu vực đang trong thời gian caođiểm, và sau đó phân phối lại cho các khu vực khác khi hết thời gian cao điểm

Điều này đạt được bằng cách áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóngWDM (Wavelength Division Multiplexing) Việc phân phối lưu lượng động là cần thiếtbởi nó giúp tránh lãng phí tài nguyên khi yêu cầu lưu lượng liên tục thay đổi.

1.4.2 Nhược điểm

RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng, về cơ bản đây là một hệthống truyền dẫn tương tự Do vậy, các hạn chế ở hệ thống thông tin tương tự, như tínhiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, cũng xuất hiện ở hệ thống RoF Các ảnh hưởng này

có xu hướng giới hạn hệ số nhiễu (Noise Figure – NF) và dải động (Dynamic Range –DR) của tuyến RoF

Các nguồn nhiễu trong một tuyến truyền dẫn quang tương tự bao gồm tạp âm cường

độ tương đối (Relative Intensity Noise – RIN) của laser, nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộtách sóng quang, nhiễu nhiệt của bộ khuếch đại, và tán sắc trong sợi quang Trong các hệthống RoF sử dụng sợi quang đơn mode, tán sắc giới hạn chiều dài của tuyến quang và cóthể làm tăng nhiễu pha sóng mang Trong các hệ thống dùng sợi quang đa mode, tán sắcmode làm giới hạn băng thông và khoảng cách truyền

1.5 Khả năng ứng dụng của Radio over Fiber

Việc truyền sóng trên sợi quang đã được áp dụng trong các hệ thống mạng truyềnhình cáp Sóng mang của các kênh truyền hình có tần số rất lớn, lên tới hàng trăm MHz

Do vậy việc truyền dẫn tín hiệu từ một đầu cuối của nhà mạng tới đầu thu dành cho mộtkhu vực thường được thực hiện trên sợi quang, do đặc điểm suy hao rất thấp và băngthông lớn của sợi quang Việc truyền dẫn từ đầu thu của khu vực tới các hộ gia đình đượcthực hiện trên sợi cáp đồng trục Một mạng kết hợp như vậy được gọi là mạng truyềnhình cáp hữu tuyến kết hợp cáp quang và cáp đồng trục (Hybrid Fiber Coaxial – HFC)

Hình 1.6: Mạng truyền hình cáp hữu tuyến kết hợp giữa cáp quang và cáp đồng trục

Hình 1.7: Minh họa hệ thống Radio over Fiber trong một tòa nhà

Ngoài ra các hệ thống phân phối Radio over Fiber còn thích hợp sử dụng cho các ứngdụng trong nhà, do yêu cầu về dải động không cao Các hệ thống Radio over Fiber có thể

phủ sóng toàn bộ văn phòng, sân bay hay các tòa nhà lớn Trong trường hợp này hệ thốngRadio over Fiber trở thành hệ thống anten phân tán (DAS).

Hình 1.8: Mô hình Radio over Fiber áp dụng cho mạng di động

Hệ thống Radio over Fiber cũng có thể ứng dụng đối với mạng di động Ý tưởngchính khi áp dụng Radio over Fiber vào mạng di động là tập trung hầu hết các chức năng

xử lý, như điều chế, giải điều chế, ấn định kênh… vào trạm trung tâm, nhờ vậy đơn giảnhóa cấu trúc của trạm gốc Trong mạng UMTS, các máy di động đòi hỏi khả năng điềukhiển công suất, sao cho mức công suất thu được tại BS là ngang bằng nhau, do vậy các

hệ thống phân phối Radio over Fiber có thể dùng để phân phối tín hiệu UMTS cả trongnhà và ngoài trời

Một ứng dụng khác là các hệ thống truy nhập vô tuyến cố định (FWA), ví dụ nhưWiMax Công nghệ Radio over Fiber được dùng để truyền tín hiệu qua khoảng cách xa,đưa các RAU đã được đơn giản hóa tới gần hơn với người dùng, từ đó các đường truyền

vô tuyến có thể được thiết lập tới thuê bao, với chi phí vừa phải

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TRONG RADIO OVER

FIBER

Như đã đề cập ở chương 1, tín hiệu truyền trong hệ thống Radio over Fiber trải quahai quá trình điều chế Quá trình đầu tiên là điều chế tín hiệu băng gốc với sóng mang vôtuyến, để có tín hiệu mang thông tin ở tần số vô tuyến Quá trình điều chế thứ hai là điềuchế tín hiệu vô tuyến với sóng mang quang, tạo thành tín hiệu quang để truyền trong sợiquang

Chương 2 sẽ tập trung vào hai quá trình điều chế này Trong đó phần đầu tiên củachương nói về quá trình điều chế tín hiệu băng gốc lên tín hiệu tần số vô tuyến Phần saucủa chương nói về quá trình điều chế từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang, với haiphương pháp là điều chế cường độ trực tiếp và điều chế dạng sóng

2.1 Điều chế tín hiệu tần số vô tuyến

Trong hệ thống Radio over Fiber, tín hiệu được dùng để điều chế cho ánh sáng là tínhiệu có tần số vô tuyến Như vậy cần có bước điều chế tín hiệu băng gốc ở đầu vào của

bộ điều khiển với sóng mang vô tuyến, để tạo thành tín hiệu mang thông tin có tần số vôtuyến

Có thể phân loại việc điều chế tín hiệu băng gốc với sóng mang vô tuyến làm ba loại:điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha Đối với mỗi phương pháp điều chế,thông tin về dạng sóng của sóng mang tần số vô tuyến được thay đổi tương ứng với biên

độ của tín hiệu băng gốc

2.1.1 Điều chế biên độ

Như đã nói ở trên, điều chế biên độ (Amplitude Modulation – AM) là làm cho biên

độ của sóng mang vô tuyến thay đổi theo biên độ của tín hiệu băng gốc, được miêu tả nhưhình 2.1

Hình 2.1: Tín hiệu điều chế biên độ

Giả sử tín hiệu băng gốc ( )s t được biểu diễn dưới dạng:

m  là chỉ số điều chế.

Quá trình điều chế như trên gọi là điều chế biên độ song biên Phổ của tín hiệu điềuchế biên độ song biên bao gồm thành phần công suất sóng mang và hai dải biên mangthông tin là dải biên tần dưới (LSB) và dải biên tần trên (USB).

Hình 2.2: Phổ của tín hiệu điều chế biên độ song biên

Công suất của thành phần sóng mang là:

Điều chế biên độ song biên cho tín hiệu với hai dải biên cùng chứa thông tin nhưnhau Vì vậy, có thể loại bỏ một dải biên mà vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu

Phương pháp điều chế này gọi là điều chế biên độ đơn biên Đối với phương pháp này,tín hiệu điều chế chỉ chiếm dụng phổ bằng một nửa, tuy nhiên lại yêu cầu các bộ lọc đểloại bỏ dải biên, nên cấu trúc phía phát và phía thu phức tạp hơn.

2.1.2 Điều chế tần số

Điều chế tần số (Frequency Modulation – FM) và điều chế pha (Phase Modulation –AM) được gọi chung là dạng điều chế góc Phương pháp điều chế góc yêu cầu băngthông phổ của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều lần băng thông tin tức, và mạch điềuchế/giải điều chế phức tạp hơn Tuy nhiên điều chế góc sử dụng công suất hiệu quả hơn Điều chế tần số là biến đổi tần số sóng mang theo biên độ của tín hiệu băng gốc, vớitốc độ tỷ lệ với tần số của tín hiệu băng gốc Tín hiệu điều chế tần số được mô tả tronghình 2.3

Hình 2.3: Tín hiệu điều chế tần số

Với công thức tín hiệu băng gốc và sóng mang được cho như phần 2.1.1, tín hiệuđiều chế tần số có dạng:

là chỉ số điều chế, với f là tần số của tín hiệu băng gốc, còn s  fc là

độ di tần, tức là độ lệch tối đa giữa tần số sóng mang và tần số tức thời ở đầu ra

Khi chỉ số điều chế m 1, độ rộng băng của tín hiệu điều chế là:

Hình 2.4: Tín hiệu điều chế dịch pha

Tín hiệu điều chế pha được tính như sau:

Có thể thấy điều chế pha cũng là một dạng điều chế tần số, trong đó sự thay đổi tần

số được quyết định bởi độ dịch pha của sóng mang

Khi đầu vào là tín hiệu số, các phương thức điều chế tương ứng là điều chế dịch biên

độ (ASK), điều chế dịch tần (FSK) và điều chế dịch pha (PSK) Hình 2.5 mô tả dạng tínhiệu điều chế tương ứng với các phương thức trên

Hình 2.5: Một số dạng tín hiệu điều chế số

2.2 Điều chế quang

Điều chế quang là quá trình tạo ra ánh sáng mang thông tin của tín hiệu điện Thôngtin này được mã hóa và các thành phần của ánh sáng như cường độ ánh sáng, biên độ,pha hay tần số của sóng ánh sáng; và có thể được nhận biết ở bộ thu để tạo lại tín hiệuđiện ban đầu

Có hai phương pháp điều chế quang chính, đó là điều chế bằng cách biến thiên điện

áp điều khiển laser, gọi là điều chế trực tiếp; và sử dụng một bộ điều chế ngoài để biếnđổi ánh sáng liên tục đi qua bộ điều chế

2.2.1 Điều chế trực tiếp

Điều chế cường độ trực tiếp là phương thức đơn giản nhất để tạo tín hiệu quang mangthông tin của tín hiệu điện đầu vào Trong điều chế cường độ, công suất của tín hiệuquang ở đầu ra của bộ phát biến đổi dựa trên biên độ của tín hiệu điện ở đầu vào bộ phátquang

Trong sơ đồ điều chế cường độ trực tiếp, điện áp của tín hiệu vào RF được trực tiếpbiến đổi thành điện áp kích thích để điều khiển laser bật hoặc tắt Sơ đồ một mạch phátquang sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp được biểu diễn trong hình 2.6

Hình 2.6: Sơ đồ mạch phát quang sử dụng laser

Việc điều khiển laser bật hoặc tắt được thực hiện bằng mạch điều chế tín hiệu, đượcminh họa trong hình 2.7 Trong mạch điều chế này, dữ liệu phát được đưa vào cực B củatransistor Q1, cực B của transistor Q2 được cố định bởi nguồn phân cực VBB Khi tín hiệu

ngõ vào lớn hơn VBB, Q1 dẫncòn Q2 tắt, dòng qua laser giảm làm laser ngưng phát sáng.Ngược lại, khi tín hiệu ngõ vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt còn Q2 dẫn, dòng qua laser tăng làmlaser phát sáng.

Hình 2.7 : Mạch điều chế tín hiệu

Có thể thấy nguyên lý điều chế cường độ trực tiếp rất đơn giản Tuy nhiên phươngpháp này cũng có nhiều nhược điểm Nhược điểm đầu tiên là băng thông tín hiệu điềubiên đưa vào bị giới hạn bởi thời gian lên và thời gian xuống của laser diode

Hiện tượng chirp cũng là một vấn đề trong hệ thống điều chế trực tiếp Chirp là hiệntượng độ rộng phổ xung ánh sáng thay đổi ngay sau khi laser bật hoặc tắt Như vậy khilaser liên tục bật và tắt ở hệ thống điều chế trực tiếp, hiện tượng chirp sẽ xảy ra thườngxuyên Hiện tượng này xảy ra đối với laser DFB, và là yếu tố hạn chế nghiêm trọng đốivới các hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao chủ yếu sử dụng DFB làm nguồn quang.Phương pháp điều chế trực tiếp cũng không áp dụng được trong các hệ thống thôngtin quang đòi hỏi công suất quang lớn như mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyềnhình cáp, vì rất khó để chế tạo mạch điều chế trực tiếp hoạt động ổn định khi điều chế tốc

độ cao và dòng điện kích thích lớn

2.2.2 Điều chế ngoài

Đối với các hệ thống có tốc độ cao (trên 10 GB/s), hiện tượng chirp đề cập ở trênkhiến cho phương pháp điều chế cường độ trực tiếp không được áp dụng Do vậy với các

hệ thống tốc độ cao như hệ thống Radio over Fiber, phương pháp điều chế thường được

sử dụng là sử dụng bộ điều chế ngoài

Trong phương pháp này, laser được điều chỉnh để phát liên tục Bộ điều chế ngoàiđược đặt phía sau laser, biến đổi sóng ánh sáng liên tục thành sóng mang thông tin của tínhiệu điện đầu vào

Hình 2.8: Cấu trúc tổng quát của một bộ điều chế ngoài

Bộ điều chế ngoài có thể điều chế các thông tin về dạng sóng của sóng mang quangdựa trên tín hiệu điều khiển, ở đây chính là tín hiệu RF Dựa vào loại thông tin sử dụng

để điều chế, có thể chia điều chế ngoài thành ba phương pháp là điều chế biên độ, điềuchế tần số và điều chế pha của sóng mang quang

Ở bộ điều chế ngoài, người ta cần một nguồn laser rất ổn định, vì vậy một vòng hồitiếp với photodiode được thêm vào Vòng hồi tiếp này sẽ làm cho cường độ laser phát rađược ổn định, đồng thời hiện tượng chirp được giảm thiểu Tuy nhiên vòng hồi tiếp nàykhiến cho hiệu suất làm việc của laser không cao vì một phần được đưa vào điều khiểnhồi tiếp

2.2.2.1 Điều chế biên độ

Điện trường của tín hiệu quang có thể được viết theo công thức sau:

0( ) ( )cos ( )

Ánh sáng liên tục

Photodiode Laser

Diode

Bộ điều khiển ổn định laser

Bộ điều chế

Giao diện điện

Trong hệ thống IM-DD, ánh sáng có thể được điều chế bằng cách điều chỉnh tắt/bậttrực tiếp linh kiện phát quang như laser Tuy nhiên trong hệ thống quang coherent, bộđiều chế ngoài là bắt buộc Nguyên nhân là do khi điều chỉnh dòng điện điều khiển đểđiều chỉnh laser trực tiếp, pha của tín hiệu cũng bị thay đổi Đối với hệ thống IM-DD, sựthay đổi pha này không gây ảnh hưởng tới tín hiệu do linh kiện tách sóng quang chỉ nhậnbiết được sự thay đổi về công suất quang tới Còn trong hệ thống coherent, nếu pha củatín hiệu tới thay đổi thì tín hiệu ở đầu ra của bộ thu cũng thay đổi.

Ngày nay, có 2 loại điều chế biên độ ngoài được sử dụng một cách rộng rãi, đó là bộđiều chế ngoài Mach Zender (MZM) và bộ điều chế ngoài hấp thụ electron (EAM)

Bộ điều chế Mach-Zehnder

Bộ điều chế Mach-Zehnder được chế tạo bằng vật liệu Lithium Niobate (LiNbO3), cócấu trúc như hình 2.10

Hình 2.9: Cấu trúc bộ điều chế Mach-Zehnder

Nguyên lý hoạt động của MZM là dựa cơ sở trên hiệu ứng điện-quang, chúng được

mô tả bởi sự biến đổi của trường điện được đưa vào (V m) gây ra sự thay đổi chỉ số khúc

xạ trong các nhánh được điều chế gây ra sự thay đổi hằng số lan truyền vật liệu  dẫnđến các pha khác nhau trong hai nhánh điều chế Tín hiệu quang đưa vào E0 được phânchia bởi một coupler, chia tín hiệu quang E0 làm hai phần bằng nhau E1 = E2 và lantruyền trong nhánh trên và nhánh dưới của MZM:

Hình 2.10: Sự phân cực và dịch pha trong bộ điều chế MZM

Chiết suất của lớp lithium niobate thay đổi khi ta đặt vào một nhánh của nó một hiệuđiện thế Khi không có hiệu điện thế đặt vào (V m = 0 V) thì 2 nửa của tín hiệu tới không

bị dịch pha, tại ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau và tái tạo tín hiệu ban đầu

Khi V m > 0 V thì tín hiệu trong hai nhánh bị dịch pha khác nhau Giả sử tín hiệu ởnhánh trên bị dịch pha 1, tín hiệu ở nhánh dưới bị dịch pha 2 Vậy tín hiệu ở đầu racủa MZM được xác định như sau:

Phụ thuộc vào sự khác biệt pha   giữa hai nhánh của MZM, có thể có hoặc không

có cấu trúc giao thoa, dẫn đến điều chế biên độ của tín hiệu đầu vào bộ điều chế Côngsuất tại đầu ra của MZM là:

1

1 cos 2

out in

Trong đó   2  1

Mối liên hệ giữa Pout/Pin cho thấy công suất ở đầu ra của MZM phụ thuộc vào sự

khác biệt pha   ở hai nhánh Do vậy   cũng diễn tả các đặc tính hoạt động củaMZM   có thể được xác định như sau:

Trong đó Vm là điện áp được đưa vào điều chế, V là điện áp yêu cầu để đạt được sự

khác biệt pha nội  Bộ điều chế MZM chế tạo bởi LiNbO3 cóV =6.6V.

Bộ điều chế MZM có một số hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện ápđiều chế tương đối cao (lên đến 10 V) Ngoài ra, MZM là một linh kiện quang tách biệt

Do MZM được chế tạo bởi lithium niobate, không phải chất bán dẫn, nên không thể tíchhợp với laser DFB trong một chip

Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron

Hình 2.11: Cấu trúc bộ điều chế EAM

Bộ điều chế hấp thụ electron (Electron Absorption Modulation – EAM) có cấu tạo làmột ống dẫn sóng làm bằng chất bán dẫn Nó có thể được chế tạo trong cùng một quátrình với laser bán dẫn, và có thể được tích hợp cùng khối với laser Cấu trúc của một bộđiều chế EAM được mô tả trong hình 2.12

Các EAM ban đầu còn được gọi là điều chế tổn hao, bởi vì hoạt động của chúng làdựa trên cơ sở hiệu ứng hấp thụ của vật liệu bán dẫn Đặc điểm điều chế của EAM có thểthực hiện bởi hiệu ứng Franz Kaldysh (FKE) và hiệu ứng Quantum-confined Stark(QCSE)