Hệ thống quang coherent

Tóm tắt nội dung chính: Ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật tách sóng quang Coherence với những nội dung chủ yếu sau: • Tìm hiểu một cách tổng quan về hệ thống quang Coherence • Các kỹ thuật điều chế cơ bản được sử dụng trong hệ thống quang Coherence • Nguyên lý cơ bản của tách sóng Coherence • Hai kiểu tách sóng Coherence cơ bản là: homodyne (tần số trung tần bằng không) và heterodyne (tần số trung tần khác không) • Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu quang Coherence • Ưu và nhược của hệ thống quang sử dụng tách sóng Coherence và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống quang Coherent Mục lục Lới nói đầu I. Giới thiệu chung 1.1 Tiến trình phát triển công nghệ chuyển tải quang 1.2 Giới thiệu về hệ thống Coherent 1.3 Các kỹ thuật điều chế quang II. Hệ thống quang Coherent 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống Coherent 2.2 Máy thu Coherent 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang 2.2.2 Các nguyên lý tách sóng 2.2.3 Tách sóng Heterodyne đồng bộ 2.2.4 Tách sóng Heterodyne không đồng bộ 2.2.5 Tách sóng Homodyne 2.2.6 Vòng khóa pha máy thu quang 2.3 Một số tham số đánh giá hệ thống Coherent 2.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống Coherent III. Mô phỏng Tổng kết 2 3 4 5 9 10 10 11 14 16 17 18 20 27 35 40 1 Lời nói đầu Những năm gần đây, các dịch vụ thông tin tăng trưởng ngày càng nhanh chóng, yêu cầu về dung lượng truyền dẫn ngày càng lớn, đồng thời yêu cầu về chất lượng truyền dẫn cũng ngày càng khắt khe hơn. Để thích ứng với sự tăng trưởng không ngừng đó và thoả mãn yêu cầu tính linh hoạt của mạng, các công nghệ truyền dẫn khác nhau đã được nghiên cứu, triển khai thử nghiệm và đưa vào ứng dụng. Trong đó mạng thông tin quang SDH đã mở ra một giai đoạn mới của công nghệ viễn thông. Tuy nhiên với tốc độ hiện tại của SDH là 10Gbit/s thì vẫn chưa đáp ứng được đầy đủ cho truyền lưu lượng Internet đã đang và sẽ phát triển theo cấp số nhân. Vì vậy công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) đã xuất hiện và đóng vai trò quan trọng trong mạng thông tin quang toàn cầu. Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đựợc triển khai rộng khắp, trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đường dài cũng như mạng đô thị và khu vực. Với những ưu điểm nổi bật như tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa. Tuy nhiên những năm gần đây, lưu lượng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD, lưu trữ trực tuyến, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng lớn lên các mạng WDM. Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đường dài. Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn như Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100Gb/s trên một bước sóng, mở ra triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10Gb/s và 40Gb/s đang sử dụng lên 100Gb/s. Trong đó kỹ thuật Coherent đóng vai trò chủ chốt cho tốc độ 100Gb/s để sử dụng lại hạ tầng quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10Gb/s. Hệ thống thông tin quang Coherent có các kỹ thuật điều chế rất phong phú và đa dạng từ đơn giản như điều chế ASK, FSK, PSK trong Coherent cổ điển. Cho đến các kiểu điều chế phức tạp như DB-PSK, DQPSK, RZ-DQPSK, DP-QPSK … Trong đó DP-QPSK có tốc độ 100Gb/s. Tóm tắt nội dung chính: Ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật tách sóng quang Coherence với những nội dung chủ yếu sau: • Tìm hiểu một cách tổng quan về hệ thống quang Coherence • Các kỹ thuật điều chế cơ bản được sử dụng trong hệ thống quang Coherence • Nguyên lý cơ bản của tách sóng Coherence • Hai kiểu tách sóng Coherence cơ bản là: homodyne (tần số trung tần bằng không) và heterodyne (tần số trung tần khác không) • Các yếu tố ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu quang Coherence 2 • Ưu và nhược của hệ thống quang sử dụng tách sóng Coherence và ứng dụng thực tế của hệ thống CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tiến trình phát triển công nghệ truyền tải quang: Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằng những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quang trong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm 1980. Trong hơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanh chóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần. Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm: - Thế hệ thứ nhất - Công nghệ ghép kênh theo thời gian TDM: được dựa trên kỹ thuật ghép kênh trong miền điện. - Thế hệ thứ hai - Công nghệ khuếch đại quang kết hợp với công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM: đang được ứng dụng rộng khắp trong các mạng truyền tải - Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quá trình nghiên cứu phát triển. Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu của thập kỷ 90. Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian TDM là công nghệ truyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang. Các hệ thống này, các thiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao. Các hệ thống này thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang và có khả năng hỗ trợ truyền tải với dung lượng 10 Gbps. Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ truyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đã góp phần tạo ra sự đột phá trong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang. Tương tự với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớn hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng. Không những thế, công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồng thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultra3 DWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao. Hệ thống truyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắt đầu được triển khai trong một số mạng lõi, và dung lượng truyền dẫn tổng đạt đến 1.6 Tbps. Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là và trong tương lai gần vẫn sẽ là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang. Hình 1.1: Sự phát triển tốc độ và dung lượng của các công nghệ truyền tải quang Tuy nhiên, để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng truyền tải trong tương lai, các công nghệ mới hỗ trợ các hệ thống truyền tải quang 10 Tbit/s dựa trên tốc độ 100 Gbps/kênh đang được hướng đến. Một trong các công nghệ ứng cử viên hấp dẫn cho các hệ thống WDM tốc độ truyền dẫn nối tiếp 100 Gbps là truyền dẫn coherent số quang trong đó kết hợp tách quang coherent và xử lý tín hiệu số quang. 1.2. Giới thiệu hệ thống Coherent: Để tăng độ nhạy của bộ thu quang chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent. Đối với tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector), tín hiệu quang được chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện đã được giải điều chế. Còn tách sóng coherent, trước tiến bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang được tạo ra tại chỗ, sau đó tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện. Như vậy, dòng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, và chúng ta có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế tín hiệu điện lên tín hiệu này. Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng 1,3µm đến 1,6µm cần năng lượng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit 4 cũng có thể đạt BER = 10-9. Như vậy tách sóng coherent cho ưu điểm lớn nhất trong hệ thống tốc độ cao hoạt động trong vùng bước sóng dài. * Ưu điểm: - Độ nhạy của bộ thu quang coherent hơn bộ thu tách sóng trực tiếp từ 10dB đến 20dB. - Tăng khoảng cách trạm lặp cho hệ thống trên đất liền và dưới biển. - Tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần giảm khoảng cách trạm lặp. - Tăng quỹ công suất để bù các suy hao tại coupler và các thiết bị ghép tách bước sóng. - Cải thiện độ nhạy cho thiết bị đo quang như máy OTDR. * Nhược điểm: - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhận được tại đầu ra bộ tách sóng thấp. - Độ nhạy của máy thu không cao làm khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế. - Do đặc điểm thu tín hiệu theo nguyên lý tách sóng trực tiếp (không qua đổi tần) nên tự máy thu không thể lựa chọn các kênh quang tùy ý trong môi trường đa kênh mà phải kết hợp thêm bộ lọc quang, việc này hạn chế khả năng sử dụng chúng trong các mạng truyền dẫn và phân phối đa kênh quang đến trực tiếp các thuê bao trong tương lai. 1.3 Các kỹ thuật điều chế quang coherent 1.3.1 Kỹ thuật điều chế ASK Điều chế khóa dịch biên độ ASK (Ampitude Shift Keying): Sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ băng gốc tín hiệu. Phương pháp này với các bít 0 và 1 làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang, trong đó tốc độ truyền tín hiệu ASK bị giới hạn bởi đặc tính của môi trường. Giả sử điện trường của tín hiệu quang có dạng như sau: (1.1) 5 Khi điều chế ASK, pha và tần số được giữ nguyên, chỉ có thành phần biên độ thay đổi, đối với bít 1, =0 đối với bít 0. Dạng sóng của tín hiệu ASK được biểu diễn trong hình sau: Hình 1.2: Dạng sóng tín hiệu ASK Khác với các hệ thống quang sử dụng kỹ thuật IMDD, hệ thống quang sử dụng kỹ thuật coherent luồng bít quang của hệ thống được tạo thành bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài thay vì được điều chế trực tiếp bằng laser bán dẫn hoặc led. Sự khác biệt này là do trong hệ thống coherent, đáp ứng bộ tách sóng quang phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được trong kho đó hệ thống IMDD thì không có sự thay đổi không mong muốn đó. Để giữ pha không thay đổi thì hệ thống coherent cần sử dụng laser bán dẫn hoạt động liên tục tại một dòng cố định và dùng bộ điều chế ngoại March-Zender. 1.3.2 kỹ thuật điều chế PSK Điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Key) là một dạng điều chế thường thấy trong hệ thống thông tin quang coherent. Trong điều chế PSK, chuỗi bít quang được tạo thành bằng cách điều chế , biên độ As và tần số w0 được giữ nguyên. Tín hiệu điều chế PSK nhị phân được biểu diễn như sau: (1.2) 6 Với b(t)=1 đối với bít 0 và b(t)=0 đối với bít 1 tương ứng các trường hợp pha của tín hiệu bằng và 0. Dạng sóng của tín hiệu PSK được thể hiện trong hình sau: Hình 1.3: tín hiệu điều chế PSK Đối với tín hiệu điều chế PSK, pha của sóng mang quang cần được dữ cố định để thông tin được mang trên đó được lấy ra một cách chính xác tại máy thu. Để làm được điều này thì độ rộng đường của laser phát và laser dao động nội phải đạt một tiêu chuẩn nghiêm ngặt. điều chế DPSK là dạng điều chế mà thông tin được mã hóa theo sự chênh lệch và pha giữa hai bít kế cận. chẳng hạn, nếu �k, �k-1 biểu diễn pha của bít thứ k và k-1 thì độ lệch pha sẽ thay đổi là hoặc 0 phụ thuộc vào bít thứ k là 0 hoặc 1. Ưu điểm của DPSK là tín hiệu phát đi có thể được giải điều chế thành công cho đến khi pha của sóng mang duy trì ổn định trong khoảng thời gian hai bít. 1.3.3 Kỹ thuật điều chế FSK Điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) là kỹ thuật điều chế mà thông tin được mã hóa bằng cách dịch tần số sóng mang. Với tín hiệu nhị phân, tần số góc 0 và 0+ và phụ thuộc vào bít truyền đi là 1 hay 0. Độ dịch tần số được gọi là độ lệch tần số. Như vậy độ dịch tần số giữa bít 0 và 1 là 2. Tín hiệu điều chế FSK được biểu diễ như sau: (1.3) 7 Băng thông của tín hiệu FSK xấp xỉ 2 với B là tốc độ bít và việc lựa chọn đọ dịch tần số phụ thuộc vào băng thông hiện có. Nếu gọi 2 là độ lệch đỉnh thì được gọi là hệ số điều chế tần số. Khi thì điều chế FSK được gọi là điều chế MSK với phổ được nén chặt nên rất thích hợp với hệ thống tốc độ cao. Khi thì dạng điều chế này được gọi là CPFSK hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp với dạng phổ được nén rất chặt. Khi thì được coi là điều chế FSK lệch tần rộng, phổ của nó chia làm hai phần tập trung xung quanh và . Hình 1.4: tín hiệu điều chế PSK 8 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG QUANG COHERENT 2.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống Coherent Hình 2.1 mô tả cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang coherent. Sơ đồ này cho thấy sự khác biệt chính giữa nó với hệ thống IMDD là phần tách sóng sử dụng bộ dao động nội. Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang coherent • DE (Drive Electronic): khối này thực hiện khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với các khối phía sau. • CWL (Continous Wave Laser): đây là bộ dao động quang sử dụng laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục có bước sóng λ1. • LC (laser control): khối này nhắm ổn định bước sóng phát ra của bộ dao động quang. • MOD (Modualator): đây là khối điều chế quang, sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài để tạo ra tín hiệu điều chế dạng ASK, FSK và PSK như trên. • LLO (Laser Local Oscillator): đây là bộ dao động nội tại bộ thu sử dụng laser bán dẫn tạo ra tín hiệu quang có bước sóng λ2. • DEC (Detector): khối này thực hiện 2 chức năng, đầu tiên sử dụng coupler FBT cộng tín hiệu thu được (λ1) và tín hiệu tại chỗ (λ2). Sau đó đưa tín hiệu tới photodiode để thực hiện tách sóng trưc tiếp theo quy luật bình phương. Để thực hiện đúng với nghĩa tách sóng coherent thì coupler quang phải tổ hợp các tín hiệu quang có phân cực giống nhau. Khi tần số của tín hiệu tới và tín hiệu từ bộ dao động nội giống nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ 9 Homodyne, và tín hiệu điện tái tạo được là tín hiệu dải nền. Còn khi tần số của tín hiệu tới và tín hiệu từ bộ dao động nội lệch nhau thì bộ thu hoạt động ở chế độ Heterodyne, và phổ của tín hiệu điện ở ngõ ra của khối DEC là dạng trung tần IF. • LOC (Local Oscillator Control): khối này nhằm điều khiển pha và tần số của tín hiệu dao động nội ổn định • AMP (Amplifier): khối này khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang. • DEMOD (DeModulator): khối này chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne. 2.2. Máy thu quang Coherent 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent: Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang sử dụng tách sóng Hererodyne và Homodyne được minh họa ở hình 2.2. Đối với tách sóng Heterodyne, tín hiệu tổng giữa tín hiệu vào và tín hiệu dao động nội đi qua bộ tách sóng quang (PIN hoặc APD) sẽ tạo ra tín hiệu trung tần IF. Tín hiệu IF sau đó được giải điều chế thành tín hiệu dải nền bằng cách sử dụng kỹ thuật tách sóng đồng bộ synchronious hoặc không đồng bộ nonsynchronious. Băng thông cần thiết của bộ thu quang Heterodyne lớn hơn nhiều lần so với bộ tách sóng trực tiếp ở tốc độ truyền xác định trước. Ngoài ra chất lượng của bộ Heterodyne sẽ giảm khi tần số của tín hiệu trung tần dao động, cho nên cần bộ điều khiển tần số tự động AFC để ổn định tần số này thông qua lấy tín hiệu hồi tiếp từ cửa ngõ ra của bộ giải điều chế để điều khiển dòng kích của laser dao động nội. Trong trường hợp tách song Homodyne, pha của tín hiệu dao động nội được khóa với tín hiệu vào nên phải sử dụng tách sóng đồng bộ. Hơn nữa, kết quả của quá trình cộng 2 tín hiệu và đưa đến bộ tách sóng quang tạo ra tín hiệu dải nền nên không cần bộ giải điều chế. Vòng hồi tiếp AFC có chức năng ổn định tần số giữa 2 tín hiệu. 10 Hình 2.2: Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản 2.2.2 Các nguyên lý tách sóng Mô hình bộ thu coherent ASK đơn giản được minh họa hình 2.3: 11 Hình 2.3: Mô hình bộ tách quang cơ bản Trong đó: Es=Es cos(ωst + Φs)(2.1) Đặc trưng cho trường tín hiệu vào có biên độ nhỏ E s pha Φs và tần số góc ωs. Và EL=EL cos(ωLt + ΦL) (2.2) Đặc trưng cho trường tín hiệu của bộ dao động nội có biên độ nhỏ E L pha ΦL và tần số góc ωL. Giả sử cả hai trường điện từ này được tạo ra từ laser bán dẫn có độ lệch pha là Φ=Φs – ΦL. Tổng quát Φ=Φ(t) thể hiện mối quan hệ pha giữa 2 trường chứa thông tin truyền trong trường hợp FSK hay PSK. Nếu Φ(t) là một hằng số thì lúc này thông tin truyền chứa trong Es đối với ASK . Đối với tách sóng Heterodyne, tần số của tín hiệu dao động nội ω L chênh lệch với tần số của tín hiệu vào ωs một khoảng ωIF tức là: ωs = ωL + ωIF (2.3) ωIF được gọi là tấn số góc của tín hiệu trung tần. TÍn hiệu IF có tần số thường nằm trong vùng có vô tuyến và có giá trị từ vài chục MHz đến hàng trăm 12 MHz. Ngược lại, với tách sóng Homodyne không có sự chênh lệch giữa ω s và ωL tức là ωIF=0. Trong trường hợp này, tín hiệu khôi phục được là tín hiệu dải nền. Trong hai trường hợp tách sóng Heterodyne và Homodyne, bộ tách sóng quang photodiode tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là I p gọi là dòng photon Ip. Dòng Ip này tỉ lệ với cường độ ánh sáng theo quy luật bình phương cường độ trường tới photodiode: Ip~ (es + eL)2 (2.4) Thế biểu thức (2.1) và (2.2) vào biểu thức (2.4) : Ip~ [Es=Es cos(ωst + Φs) + EL=EL cos(ωLt + ΦL)]2 (2.5) Triển khai về phải của biểu thức (2.6), loại bỏ các thành phần tần số cao như 2ωs và 2ωL cuối cùng ta có : Ip~ + EsEL cos(ωst -ωLt + Φ) (2.6) Nếu biểu diễn theo công suất quang, công suất quang tỉ lệ với bình phương cường độ trường, ta có: Ip~ Ps +PL + 2cos(ωst -ωLt + Φ) (2.7) Với Ps là công suất ánh sáng của tín hiệu vào và P L là công suất ánh sáng của tín hiệu dao động nội. Nếu tín hiệu quang tới photodiode có công suất P 0 thì dòng photon Ip được ra sẽ bằng Ip = (2.8) Trong đó η là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là diện tích của điện tử, h là hằng số Planck, và f là tấn số ánh sáng; P 0 là công suất tới photodiode. Do đó ta có Ip = [Ps +PL + 2cos(ωst -ωLt + Φ) ] (2.9) Khi tín hiệu dao động nội lớn hơn tín hiệu vào thì thành phần AC trong biểu thức 2.9 là quan trọng hơn cả, vì tín hiệu cần khôi phục tập trung năng 13 lượng ở đây. Như vậy chúng ta không quan tâm thành phần DC. Và ta thay I P thành IS với: IS = cos(ωst -ωLt + Φ) (2.10) Với tách sóng Heterodyne ωS ≠ ωL và thế ωIF = ωS – ωL vào 2.10 IS = cos(ωIFt + Φ) (2.11) Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu I s là tín hiệu trung tần có tần số ωIF. Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội. Thành phần DC của dòng Is được lọc trước khi qua bộ giải điều chế trung tần này. Đối với tách sóng Homodyne, ωS=ωL nên phương trình 2.10 trở thành: IS = cos(Φ) (2.12) Hay IS =2Rcos(ωIFt + Φ) (2.13) với R= là đáp ứng của photodiode. Từ phương trình 2.11 và 2.12 chúng ta thấy rằng dòng điện tín hiệu I S tỉ lệ với chứ không tỉ lệ với P S như trong tách sóng trực tiếp. Hơn nữa dòng photon này còn được khuếch đại với hệ số , hệ số độ lợi này phụ thuộc vào cường độ trường của bộ dao động nội. Với hệ số khuếch đại tạo ra từ bộ dao động nội làm tăng mức tín hiệu thu được mà không cần tiền khuếch đại, do đó không bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay nhiễu dòng tối của photodiode. Đó là lý do tại sao tách sóng coherent cho độ nhạy của bộ thu cao hơn so với tách sóng trực tiếp. 2.2.3 Tách sóng Heterodyne đồng bộ Tách sóng Heterodyne đồng bộ được sử dụng cho giải điều chế PSK. Do đó với tách sóng này cần phải đánh giá được pha của tín hiệu IF để chuyển tín hiệu này thành tín hiệu dải nền. Do đó kỹ thuật khóa pha được sử dụng ở bộ thu để dò sự dao động pha giữa tín hiệu vào và tín hieu của bộ dao động nội. Vì tín hiệu thông tin sẽ được xử lý trên sóng mang IF nên chúng ta chỉ cần xác định 14 pha của tín hiệu trong miền điện. Do đó có thể sử dụng các kỹ thuật và các cấu hình vòng khóa pha PLL mà đã áp dụng trong thông tin cao tần và viba. Các kỹ thuật đã nghiên cứu cho giải điều chế PSK chủ yếu là xác định pha của tín hiệu vào. Hơn nữa giải điều chế PSK đồng bộ rất nhạy cảm với kỹ thuật tách sóng Heterodyne. Để đo được pha của tín hiệu PSK thì cần phải có pha tham khảo dựa trên pha trung bình của tín hiệu quang ngõ vào trong khoảng thời gian xác định. Do đó mục đích của việc sử dụng vòng khóa pha PLL là cung cấp giá trị tham khảo này với thời gian trung bình được xác định trong băng thông của vòng này. Kỹ thuật vòng khóa pha theo quy luật bình phương ( gọi là vòng bình phương) được minh họa ở hình 2.1 a 15 Hình 2.3 Các kỹ thuật khôi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu quang Coherent PSK a. Vòng bình phương b. Vòng costas 2.2.4 Tách sóng Heterodyne không đồng bộ Kỹ thuật tách sóng không đồng bộ có thể áp dụng cho ASK và FSK với yêu cầu tối thiểu về sự ổn định độ rộng phổ và pha của laser. Tách sóng đường bao Heterodyne của tín hiệu ASK có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc thông dải đẻ nhận được tín hiệu trung tần, sau đó cho tín hiệu này qua bộ tách sóng đỉnh để khai phục tín hiệu dải nền. Sơ đồ khối được minh hóa ở hình 2.4 16 Hình 2.4 Tách sóng Heterodyne không đồng bộ a. Bộ thu sử dụng bộ tách sóng đường bao đơn ASK b. Bộ thu sử dụng bộ lọc đôi FSK Bằng cách sử dụng 2 bộ lọc có tần số trung tâm của các kênh như tần số đã phát mắc song song nhau có thể sử dụng để tách đường bao mỗi kênh cho tín hiệu FSK nhị phân. Cấu hình này được minh hoa hình 2.4b. 2.2.5 Tách sóng Homodyne Tách sóng Homodyne không chỉ tăng được độ nhạy của bộ thu 3 dB mà còn dễ dàng đạt được yêu cầu về băng thông của bộ thu. Hình 2.5 so sánh phổ ngõ ra của bộ tách sóng Homodyne PSK và Heterodyne PSK. Có thể thấy rằng tách sóng Homodyne chỉ yêu cầu băng thông của bộ thu tách sóng trực tiếp trong khi đó tách sóng Heterodyne yêu cầu ít nhất 2 lần băng thông này và thường là 3 hoặc 4 lần. Nhưng tách sóng quang Homodyne sử dụng nguồn phát và laser dao động nội độc lập nhau nên gặp phải một điều cực kỳ khó khăn để 17 điều khiển sự khóa pha của 2 tín hiệu này. Tức là độ lệch pha Φ trong công thức 2.13 phải luôn giữ gần bằng 0 cho các bộ thu độ nhạy cao. Hơn nữa, nếu Φ trôi đến giá trị π/2 thì dòng tín hiệu I S ở ngõ ra sẽ bằng 0 và quá trình tách sóng sẽ kết thúc. Hình 2.5: Sơ đồ tách sóng Homodyne vuông pha với PD cân bằng Hình 2.6: So sánh phổ của tín hiệu PSK ở ngõ ra của bộ tách sóng quang Homodne và Heterodyne 2.2.6 Vòng khóa pha trong máy thu quang coherent Cấu trúc vòng khóa pha quang minh họa ở hình 2.7 áp dụng kỹ thuật sóng mang dẫn đường (pilot carrier) sử dụng cho tách sóng quang homodyne PSK. Sóng mang dẫn đường này được tạo ra từ điều chế pha không hoàn toàn (pha nhỏ hơn 1800). Sóng mang dẫn đường cùng với tín hiệu vào được tổ hợp ở coupler đinh hướng DC 3dB và sau đó được tách sóng bằng bộ thu cân bằng. Tín hiệu ngõ ra của bộ khuếch đại sẽ là hàm chênh lệch pha được sử dụng để khóa pha bộ dao động nội dưới sự điều khiển của bộ VCO sau khi đi qua bộ lọc vòng. Lưu ý rằng công suất của bất kỳ sóng mang nào được sử dụng cho quá trình khóa pha đều trực tiếp làm giảm độ nhạy của bộ thu một lượng tương 18 đương. Hơn nữa công suất của tín hiệu cần thiết để dò pha của sóng mang vào được xác định chính xác phụ thuộc vào nhiễu pha của laser nguồn và laser của bộ dao động nội được tổ hợp cũng như băng thông của PLL. Do đó , băng thông của vòng tối ưu sẽ cho lỗi pha nhỏ nhất và có thể làm tăng chất lượng của bộ thu quang homodyne. Hình 2.7 Bộ thu vòng khóa pha sóng mang dẫn đường (Pilot Carrier) Bộ thu Homodyne sử dụng vòng khóa pha Costas áp dụng cho tín hiệu điều chế PSK được minh họa ở hình 2.8. Tín hiệu tới bộ thu và tín hiệu dao động nội được tổ hợp ở bộ Optical Hybrid sao cho 2 tín hiệu này sẽ lệch pha 90 0 ở 2 ngõ ra của bộ tách sóng quang . Hình 2.8 Bộ thu vòng khóa pha quang Costas Hai tín hiệu ở ngõ ra của 2 bộ tách sóng quang sẽ được khuếch đại, rồi nhân với nhau ở bộ Mixer. Pha của sóng mang sau đó sẽ được xác định ở bộ lọc thông thấp. Hơn nữa, tín hiệu điều khiển cũng được lọc và được sử dụng để điều chỉnh tần số của bộ dao động nội theo cách giống như đã áp dụng cho vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường . Tuy nhiên, sử dụng PLL quang Costas có ưu điểm là tất cả các mạch tín hiệu bé trước khi trộn (mixer) có thể được ghép AC 19 và do đó không bị tiêu tốn công suất truyền như trong linh kiện sóng mang dẫn đường. 2.3 Một số tham số đánh giá hệ thống Coherent: 2.3.1 Nhiễu: a) Nhiễu pha: Nhiễu pha là một trong những yếu tố quan trọng làm giảm độ nhạy máy thu trong hệ thống thông tin quang, thường liên quan đến bộ phát quang và bộ dao động nội. Từ biểu thức: (2.14) ta thấy sự thay đổi về pha giữa tín hiệu tới và tín hiệu của bộ dao động nội sẽ dẫn đến sự thay đổi về dòng ở ngõ ra, phản ánh bản chất kết hợp của tách sóng coherent, từ đó làm giảm hệ số SNR. Do đó, cả pha của tín hiệu tới và bộ dao động nội cần phải được giữ ổn định để tránh suy giảm độ nhạy. Do đó, các hệ thống quang coherent cần phải sử dụng các laser bán dẫn đơn mode có độ rộng phổ hẹp và bước sóng có thể điều chỉnh được để phối hợp tần số sóng mang ωs với tần số bộ dao động nội ωLO sao cho tạo ra tín hiệu trung tần IF có tần số đúng yêu cầu. b) Nhiễu cường độ: Nhiễu cường độ thường không được xét tới trong tách sóng trực tiếp nhưng đối với trường hợp máy thu coherent, nó là một trong những nguyên nhân làm giảm độ nhạy máy thu. Tất cả công suất của tín hiệu tới và của bộ dao động nội được sử dụng một cách có hiệu quả tất cả các bộ thu cân bằng đều sử dụng toàn bộ công suất của tín hiệu và tránh được sự mất mát này. Đồng thời bộ thu cân bằng cũng sử dụng hết công suất của bộ dao động nội nên dễ dàng cho hệ thống hoạt động trong giới hạn của nhiễu lượng tử. Việc sử dụng bộ thu cân bằng với hai bộ tách sóng quang được coi là một giải pháp làm giảm nhiễu cường độ. Sơ đồ bộ thu cân bằng: Hình 2.9: Sơ đồ bộ thu cân bằng 20 Coupler 2x2 là loại ghép 2dB, nó trộn tín hiệu tới với tín hiệu của bộ dao động nội. Ngõ ra của bộ coupler được rẽ nhánh tới hai bộ tách sóng khác nhau, tạo hai dòng Ip(+) và Ip(-) trên hai nhánh tương ứng: (2.15) (2.16) Khi sử dụng sơ đồ trên, có ưu điểm là: + Nhiễu cường độ gần như được loại bỏ. + Thứ hai, tất cả công suất của tín hiệu tới và dao động nội được sử dụng một cách hiệu quả. c) Tán sắc trong sợi quang: Tán sắc trong sợi quang không chỉ ảnh hưởng tới tốc độ bit trong hệ thống IMDD mà còn tới hệ thống coherent. Nguyên nhân là do hệ thống coherent cần sử dụng các laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode dọc với độ rộng phổ hẹp. 2.3.2 Tỉ số BER: 2.3.2.1 Tỉ số SNR: Theo biểu thức và , dòng photon Is tỉ lệ với và được khuếch đại với hệ số . Với hệ số khuếch đại này là được quyết định bởi bộ dao động nội nên bộ thu này không bị ảnh hưởng nhiễu nhiệt của bộ tiền khuếch đại và nhiễu dòng tối của photodiode. Chính điều này làm cho bộ thu tách sóng coherent có độ nhạy cao hơn bộ thu tách sóng trực tiếp. Khi công suất tín hiệu dao động nội lớn hơn công suất tín hiệu tới bộ thu thì nguồn nhiễu chủ yếu trong tách sóng coherent là nhiễu lượng tử của bộ dao động nội. Trong giới hạn này, nhiễu lượng tử có thể được biểu diễn dưới dạng nhiễu bắn, và dòng nhiễu bắn bình phương trung bình của bộ dao động nội có dạng như sau: (2.17) Trong đó, e là điện tích của electron, B băng thông của bộ thu, I PL là dòng photon ở ngõ ra của photodiode ứng với công suất quang tới photodiode là P L và có giá trị như sau: (2.18) thay vào công thức trên ta được: (2.19) Công suất S của tín hiệu tách sóng được là bình phương của dòng tín hiệu trung bình , ta có: (2.20) 21 Ta có tỉ số SNR của bộ thu tách sóng heterodyen lý tưởng có công suát ngõ ra của bộ dao động nội lớn (bỏ qua nhiễu nhiệt của bộ tiền khuếch đại và nhiễu dòng tối của photodiode): (2.21) Phương trình trên cho chúng ta biết giới hạn của nhiễu bắn của tách sóng heterodyne có bộ khuếch đại IF có băng thông là BIF và giả sử là bằng 2B. Cũng dựa vào phương trình trên chúng ta suy ra SNR giới hạn bởi nhiễu bắn của tách sóng homodyne như sau: (2.22) 2.3.2.2 Tách sóng heterodyne ASK Dạng điều chế ASK hay OOK tương tự như truyền dẫn số trong hệ thống thông tin quang IM/DD. Tuy nhiên, việc phân tích tín hiệu và nhiễu trong bộ thu Heterodyne phức tạp hơn trong bộ thu IM/DD bởi vì ở ngõ ra của bộ tách sóng quang Heterodyne xuất hiện tín hiệu IF không phải là tín hiệu dải nền. Dòng điện IF ngõ ra bộ tách sóng quang Is(t) được viết lại dưới dạng: (2.23) với: (2.24) Để xác định nhiễu của tín hiệu IF ta giả sử rằng công suất tín hiệu của bộ dao động nội phải lớn hơn công suất của tín hiệu vào sao cho dòng nhiễu tổng xấp xỉ bằng: (2.25) biểu thức (2.25) áp dụng cho cả bit 1 và bit 0. Giả sử thứ hai là dòng nhiễu N(t) của IF được xem như là nhiễu băng hẹp: (2.26) với x(t) và y(t) là hàm của thời gian có tốc độ thay đổi chậm hơn tín hiệu IF. Giá trị bình phương trung bình của x(t) và y(t) có thể được viết: (2.27) Đối với tách sóng heterodyne đồng bộ, bộ khuếch đại IF nằm ngay sau mạch giải điều chế có pha được đồng bộ với tín hiệu tham khảo cos(ωIFt). Do đó, điện áp Vd(t) ở ngõ ra bộ tách sóng là: (2.28) Hàm mật độ xác suất của Vd(t) của tín hiệu ASK có IS(t) được biểu diễn ở phương trình (2.23) được minh họa bởi hình sau: 22 Hình 2.10: Hàm mật độ xác suất của tách sóng ASK heterodyne đồng bộ Có thể thấy hàm mật độ xác suất này giống như trong hệ thống số IM/DD. Giả sử trường hợp này, mức ngưỡng quyết định tối ưu D nằm giữa dòng zero (trạng thái 0) và dòng tín hiệu đỉnh (trạng thái 1) như sau: (2.29) Biểu thức (2.28), là ngõ ra của bộ tách sóng quang, bây giờ có thể xem như là tín hiệu dải nền và phân bố đều. Do đó, việc phân tích BER có thể theo phương pháp như đã trình bày trong hệ thống IM/DD ở trong thông tin quang 1. Vì vậy xác suất lỗi P(e) của tách sóng ASK heterodyne đồng bộ được viết như sau: (2.30) Thế giá trị ID từ phương trình (2.29) vào (2.30) ta được: (2.31) Cuối cùng thế giá trị của ISH và vào (2.31), và thay B bằng BIF vì tín hiệu chúng ta đang khảo sát là tín hiệu IF có băng thông BIF ta có: (2.32) Gọi RT là tốc độ truyền dẫn của hệ thống có xác suất lỗi (P e), ta có quan hệ giữa RT và BIF là [1]: (2.33) Do đó, biểu thức (2.32) trở thành: (2.34) 23 Biểu thức này được sử dụng để đánh giá chất lượng của hệ thống tách sóng ASK heterodyne đồng bộ bị giới hạn bởi nhiễu bắn (shot noise). Đối với tách sóng ASK heterodyne không đồng bộ, xác suất lỗi bị giới hạn bởi nhiễu bắn được xác định dưới điều kiện tương tự như trên, và được xác định bởi [1]: (2.35) Thế giá trị của ISH và vào hình (2.35), sau đó rút gọn ta được: (2.36) Lưu ý, ta có biểu thức xấp xỉ với điều kiện u lớn, nên biểu thức (2.36) được viết gần đúng như biểu thức (2.34). 2.3.2.3 Tách sóng heterodyne FSK Xác suất lỗi trong tách sóng FSK heterodyne đồng bộ bị giới hạn do nhiễu bắn và nhiễu lượng tử [1]. Hai thành phần tần số để truyền bit 1 và bit 0, giả sử và : (2.37) với ISH được định nghĩa như biểu thức (2.24) và là một hàm theo thời gian, đặc trưng cho nhiễu pha của laser bán dẫn. Giả sử bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu pha, tức là chỉ khảo sát tách sóng chỉ bị giới hạn bởi nhiễu bắn. Giả sử tín hiệu IS(t) thu được từ hai bộ thu có tần số cộng hưởng với và , và điện áp ngõ ra tương ứng của bộ thu 1 và 2 là V 1 và V2. Ngoài ra còn giả sử hai bộ thu sử dụng bộ chọn lọc tần số lý tưởng, tức là không có nhiễu xuyên kênh giữa và , hay nói cách khác điện áp được tạo ra chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiễu bắn. Do đó, hàm mật độ xác suất ở ngõ ra của bộ thu 1 là: (2.38) Giả sử công suất ngõ ra của bộ dao động nội lớn hơn công suất của tín hiệu vào sao cho dòng nhiễu tổng cộng xấp xỉ bằng . Nhiễu ngõ ra bộ thu 2 có thể được viết: (2.39) Lỗi xảy ra khi V2 > V1, khi đó xác suất lỗi P€ tương đương với xác suất trong trường hợp V1 – V2 < 0. Từ đó ta có kết quả [1]: (2.40) Thế các giá trị ISH và vào (2.40) và băng thông B trong trường hợp tách sóng heterodyne là BIF bằng với tốc độ bit R T, ta được biểu thức xác suất lỗi như sau: (2.41) So sánh phương trình (2.41) với (2.34) ta thấy rằng tách sóng FSK heterodyne đồng bộ có độ nhạy cao hơn so với tách sóng ASK heterodyne đồng 24 bộ 3dB. Sự cải thiện độ nhạy này của dạng điều chế FSK là do sử dụng hai tần số [1]. Đối với tách sóng FSK heterodyne không đồng bộ hay tách sóng đường bao thì xác suất lỗi bị giới hạn bởi nhiễu bắn được xác định theo biểu thức sau: (2.42) Và sau khi thế các giá trị cần thiết vào ta được: (2.43) Kết quả này xấp xỉ bằng tách sóng FSK heterodyne đồng bộ. 4.3.4 Tách sóng heterodyne PSK: Ở dạng điều chế này thông tin được truyền đi bằng một sóng mang có hai pha khác nhau, một pha ứng với bit 1 và một pha khác ứng với bit 0. Sự khác pha này thường có giá trị là , và biểu thức minh họa dạng điều chế này như sau: (2.44-a) Hay: (2.44-b) Do đó, tín hiệu IS(t) được tách sóng đồng bộ có giá trị dương đối với bit 1 và có giá trị âm đối với bit 0. Trong trường hợp này, ngưỡng quyết định tối ưu là ID = 0 thay vì trong tách sóng ASK đồng bộ. Lập luận tương tự ta có biểu thức tính xác suất lỗi như sau [1]: (2.45) Hay: (2.46) Như vậy có thể thấy rằng tách sóng PSK heterodyne đồng bộ có độ nhạy cao hơn 3dB so với tách sóng FSK heterodyne đồng bộ và 6dB so với tách sóng ASK heterodyne đồng bộ. Tuy nhiên, đối với hệ thống PSK, thực tế chỉ cần sự dao động pha rất nhỏ ở bộ phát cũng có thể làm giảm đáng kể độ nhạy ở đầu thu. [1] Xác suất lỗi trong hệ thống tách sóng DPSK heterodyne không đồng bộ được xác định như sau: (2.47) Hay: (2.48) 2.3.2.5 Tách sóng Homodyne ASK và PSK: Trong ba dạng điều chế cơ bản, các tín hiệu ASK và PSK có thể sử dụng giải điều chế theo kiểu tách sóng homodyne. Cả tần số và pha của tín hiệu ngõ ra của bộ dao động nội có thể được đồng bộ với tín hiệu sóng mang tới bộ thu. 25 Tách sóng homodyne có thể giảm băng thông yêu cầu nhưng cải thiện được độ nhạy 3dB so với tách sóng heterodyne ASK. Xác suất lỗi của tách sóng homodyne ASK có thể dựa trên biểu thức (2.31). Trong biểu thức này, thành phần giảm đi một nửa vì băng thông trong tách sóng homodyne là bằng thông của tín hiệu dải nền bằng một nửa băng thông IF. Do đó xác suất lỗi của tách sóng homodyne ASK như sau: (2.49) Còn thành phần công suất tín hiệu trong tách sóng homodyne giữ giống như trong tách sóng heterodyne. Do đó, thế các giá trị của I SH và vào (2.49), ta được: (2.50) Trong trường hợp này, tốc độ bit bằng băng thông của tín hiệu dải nền. Đối với tách sóng homodyne PSK, xác suất lỗi có thể dựa trên biểu thức (2.45) và sửa đổi giống như trường hợp của tách sóng homodyne ASK, ta được: (2.51) Và sau khi thế các giá trị của ISH và vào (2.51), ta được kết quả: (2.52) Kết quả theo phương trình (2.52) cho thấy xác suất lỗi là thấp nhất và độ nhạy ở bộ thu là cao nhất trong tất cả các cơ chế tách sóng coherent. 2.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống Coherent 2.4.1. Ưu điểm: a. Nâng cao độ nhạy thu Về mặt lý thuyết, hệ thống thông tin quang Coherent có nhiều đặc điểm hấp dẫn mà mấu chốt là sự cải thiện độ nhạy thu. Do đó nếu hệ thống quang coherent sử dụng phương pháp tách sóng heterodyne hay homodyne sẽ cho phép kéo dài khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền dẫn trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong trong mạng nội hạt hoặc thuê bao. 26 Hình 2.11. Sự phụ thuộc độ nhạy vào tốc độ truyền dẫn b. Nâng cao khả năng truyền dẫn Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quang coherent có dung lượng truyền rất lớn. Ví dụ, nếu trong vùng bước sóng hoạt động 1550nm chọn độ rộng phổ để truyền thì trong vùng này có thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương. Hình 2.12. Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền c. Khả năng kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang 27 Sự kết hợp giữa thu coherent và kỹ thuật khuếch đại quang cố thể tạo nên các tuyến thông tin số có dung lượng truyền dẫn rất lớn và kéo dài khoảng cách trạm lặp (có thể đạt tới 10.000 Km). Khả năng này được ứng dụng trong các tuyến đường trục và cáp quang thả biển. 2.4.2 Nhược điểm: • Tần số của bộ dao động nội và tín hiệu đến cần phải qua bộ điều khiển phân cực để tạo tần số trung tần được yêu cầu, trong khi đó, hệ thống IMDD chỉ quan tâm tới tần số của laser điều chế quang có phù hợp với photodiode được sử dụng hay không. • Trạng thái phân cực của LO và tín hiệu phải giống nhau hoàn toàn tại photodiode. • Độ rộng đường của LO và nguồn quang phải thích hợp với kiểu điều chế được sử dụng, trong khi đối với hệ thống IMDD, độ rộng nguồn quang chỉ được xác định chủ yếu lỗi tán sắc sợi quang. 2.4.3. Ứng dụng trong thực tiễn của hệ thống Coherent 1. Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena WaveLogicTM (mới nhất là WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lưới 10Gb/s đang sử dụng lên 40Gb/s và 100 Gb/s và tương lai lên đến 400Gb/s, một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí. Các giải pháp mạng quang học của Ciena được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, bao gồm mạng siêu đường dài (Ultra-Longhaul), mạng đường dài (Long-haul), mạng vùng (Regional) và mạng đô thị (Metro). Ưu điểm của các giải pháp mạng Ciena là kiến trúc mạng đơn giản, linh hoạt và dễ dàng nâng cấp khi cần. Về công nghệ mạng quang Coherent tốc độ cao, Ciena là hãng cung cấp thiết bị đầu tiên trên thế giới đưa sản phẩm cho ứng dụng 40Gb/s và 100Gb/s vào thương mại hóa. Tính đến ngày 06/09/2012, đã có hơn 100 khách hàng sử 28 dụng công nghệ 40/100 Gb/s của Ciena, với hơn 15 triệu km đã được triển khai trên toàn cầu. Giải pháp 40/100 Gb/s của Ciena dựa trên bộ vi xử lý quang Coherent WaveLogic TM (mới nhất là WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lưới 10Gb/s đang sử dụng lên 40Gb/s và 100Gb/s và tương lai lên đến 400Gb/s, một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí. Giải pháp mạng quang đường dài của Ciena thường được ứng dụng vào mạng đường trục quốc gia. Ưu điểm của nó là ở tính đơn giản, linh hoạt; xây dựng hệ thống mạng theo kiến trúc module cho phép thay đổi, nâng cấp và quản lý dễ dàng. Đặc biệt giải pháp 100Gb/s của Ciena cho phép tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng mạng đã được xây dựng cho hệ thống 10Gb/s, đồng thời giảm bớt một số khối thiết bị như bộ khuếch đại Raman, bộ bù tán sắc trên đường truyền, bộ tái tạo tín hiệu. Một số đặc điểm của giải pháp 100Gb/s:  Hỗ trợ 88 kênh bước sóng 100 Gb/s (khoảng cách kênh 50 GHz).  Có thể ghép hỗn hợp với kênh 10 Gb/s và 40 Gb/s trên cùng một sợi quang.  Phù hợp với lưới ITU 50 GHz và 100 GHz.  Sử dụng hai sóng mang con với khoảng cách 20 GHz, làm cho tốc      độ xử lý giảm được một nữa (xuống còn 14 Gsymbol/s). Hỗ trợ khoảng cách hơn 1000 km (không cần Regenerator). Sử dụng bù tán sắc động điện tử và có thể bù ±32000 ps/nm. Cho phép một lượng tán sắc phân cực mode khoảng 10 ps. Tính miễn nhiễm với PMD cao hơn so với hệ thống 10 Gb/s. Có thể đi qua 10 ROADM (50 GHz). Hình 2.13. Mô tả kiến trúc mạng đường dài 100Gb/s của hãng Ciena 2. FLASHWAVE 9500 cho các mạng Metro 29 FLASHWAVE 9500 được thiết kế và phát triển dựa trên ý tưởng một sản phẩm dành cho mạng quang với chuyển mạch gói, tích hợp một cách hiệu quả các mạng hiện tại với các mạng thế hệ mới. Tùy theo ứng dụng, có thể kết hợp rất đa dạng các khối chức năng với nhau để tạo ra một hệ thống tối ưu cho các mạng IP, SONET/SDH và DWDM hiện có. Điều này không chỉ cho phép nâng cấp mạng hiện tại lên mạng thế hệ tiếp theo với tốc độ cao hơn, dung lượng lớn hơn trong khi vẫn duy trì hoạt động mà còn giúp tiết kiệm không gian và năng lượng bằng việc đơn giản quá trình vận hành phức tạp hiện nay, quản lý xuyên suốt qua các miền IP, SONET/SDH, DWDM và hợp nhất các phần tử cấu thành mạng. Khối chức năng DWDM của hệ thống này, bộ xen rẽ kênh quang (ROADM), hỗ trợ 88 bước sóng, xen rẽ bước sóng tùy ý, có khả năng kết nối tập trung đến 8 hướng, cự ly truyền dẫn lên tới 1200 km với cấu hình lên tới 24 node. Thêm vào đó, nó thực hiện chuyển mạch hỗn hợp, kết hợp giữa chuyển mạch kênh (TDM) trong mạng SONET-SDH và chuyển mạch lớp 2 (Layer 2) trong mạng IP trong cùng một hệ thống, cho phép xây dựng một mạng IP mới trong khi vẫn duy trì mạng SONET-SDH; nó cũng cho cung cấp các dịch vụ Ethernet trên SONET/SDH (EoS) hoặc truyền dẫn DWDM các dịch vụ Ethernet. Do các dịch vụ di động cho các điện thoại thông minh và dịch vụ 3G/LTE ngày càng phổ biến và tăng trưởng về lưu lượng, các nhà khai thác viễn thông sẽ yêu cầu giảm chi phí trên mỗi bit truyền tải và giải pháp tăng dung lượng một cách hiệu quả về mặt kinh tế. Nhiều nhà khai thác đã xây dựng hệ thống truyền dẫn DWDM trên cơ sở các kênh 10 Gb/s. Để đáp ứng sự gia tăng chóng mặt về yêu cầu băng thông, từ năm 2012, nhiều nhà cung cấp thiết bị đã đưa ra các bộ thu phát, tách ghép kênh với tổng băng thông tối đa 100 Gb/s, điều này cho phép mở rộng băng thông mạng gấp 10 lần mà không cần xây dựng thêm các mạng chồng lấn với chi phí đắt đỏ. Công nghệ truyền dẫn quang coherent số mới nhất được sử dụng trong các bộ thu phát và tách ghép kênh 100 Gb/s của FLASHWAVE 9500 đã loại bỏ 30 yêu cầu về thiết kế bù tán sắc, điều thường được yêu cầu trong cấu trúc mạng, và làm cho các mạng hiện tại có thể thích nghi với tín hiệu 100 Gb/s mà không cần thay đổi bất cứ điều gì. Thêm vào đó, ngày nay không cần phải thiết kế bù tán sắc và xác định đặc tính sợi quang của tuyến truyền dẫn nhờ đó làm giảm giá thành xây dựng, bảo trì và vận hành mạng. Bên cạnh công nghệ chuyển mạch hỗn hợp TDM-IP, Fujitsu hiện đang phát triển thiết bị chuyển mạch cho mạng truyền dẫn quang (OTN), được đánh giá là sẽ trở thành thiết bị chủ đạo trong các mạng thế hệ tiếp theo, và nghiên cứu phát triển tăng dung lượng chuyển mạch (960 Gb/s cho TDM, 1,2 Tb/s cho chuyển mạch gói và 2,4 Gb/s cho OTN) giúp giảm hơn nữa các chi phí cho mạng. Hình 2.14 3. FLASHWAVE S660 cho truyền dẫn cáp quang biển FLASHWAVE S660 có các tính năng hữu ích tương tự như FLASHWAVE S650 hiện tại và hơn nữa còn có cự ly truyền dẫn trên 9000km với dung lượng cao. Ngoài ra, FLASHWAVE S660 là thiết bị đầu cuối đáng tin cậy, dễ dàng vận hành và bảo trì. Sử dụng công nghệ coherent số, dung lượng truyền dẫn mỗi sợi quang có thể lên tới 3,6 Tb/s (40 Gb/s×90 bước sóng). Thêm vào đó, các thành phần và chức năng chính, có ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, được cấu hình dự phòng để đạt được độ tin cậy cao. Để truyền dẫn các tín hiệu WDM (90 bước 31 sóng×40 Gb/s) trên cự ly lớn, cần phải bù giá trị tán sắc màu tích lũy (CD) do sợi quang gây ra đối với từng bước sóng. Từ trước đến nay, giá trị tán sắc màu tích lũy tại mỗi bước sóng này được bù bằng cách sử dụng một sợi và/hoặc thiết bị quang. Sử dụng công nghệ coherent số, tại phía máy thu có thể bù giá trị tán sắc tích lũy nhờ quá trình xử lý tín hiệu số tốc độ cao. Nhờ vậy, không cần thiết sử dụng sợi và/hoặc thiết quang để bù từng tán sắc màu riêng lẻ, điều đó giúp cho cấu hình thiết bị trở nên đơn giản, nhỏ gọn, chi phí thấp. Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn cáp quang biển, thiết bị cần thiết ban đầu thường có số lượng bước sóng nhỏ hơn so với dung lượng thiết kế. Để hoạt động ổn định và truyền dẫn tín hiệu với chất lượng cao, thiết bị được cung cấp chức năng nguồn sáng giả, duy trì công suất tín hiệu trên mỗi bước sóng không đổi, không phụ thuộc vào số bước sóng mà thiết bị có, ngay cả khi thiết bị chỉ có cấu hình hoạt động với một bước sóng. Với các hệ thống cáp quang biển có cự ly trên 9000 km, thường sử dụng bằng hoặc hơn 100 bộ lặp để bù suy hao tín hiệu truyền trên sợi quang. Do các bộ khuếch đại trong từng trạm lặp có đường đặc tính khuếch đại với độ nghiêng và độ gợn khác nhau làm cho các tín hiệu WDM sau khi truyền qua hệ thống có độ chênh lệch lớn về công suất trong băng thông khuếch đại tổng thể tại phía thu. Để bù cho độ lệch công suất này, thiết bị phía phát được trang bị chức năng tiền khuếch đại, tinh chỉnh công suất truyền cho từng bước sóng. Giao diện phía khách hàng của thiết bị có cấu trúc đa tốc độ và có khả năng xử lý nhiều loại tín hiệu bao gồm IP và SONET/SDH cùng với OTN. Nhờ tính tương thích cao với FLASHWAVE 9500 đề cập trong phần trước được bảo đảm, chúng ta có thể thiết lập và tích hợp các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển với hệ thống truyền dẫn mặt đất một cách đồng nhất (Hình 2.15). 32 Hơn nữa, thiết bị này cho phép tạo thành hệ thống truyền dẫn có độ trễ thấp, yếu tố được đánh giá là rất quan trọng trong các giao dịch tài chính quốc tế. Hình 2.15 33 IV. Mô phỏng Mô hình hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK Hình 3.1 Mô hình hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK • Máy phát DP-QPSK: Tần số: 193,1 THz, công suất: 0 dBm, bit rate: 100 Gb/s. • Máy thu DP-QPSK: Tần số: 193,1 THz, công suất: 0 dBm, bit rate: 100 Gb/s, photodetector: PIN với R = 0,8 A/W. • Sợi quang : Chiều dài: 100 km (Loop control = 1), hệ số suy hao: 0,2 dB/km, hệ số tán sắc 16,75 ps/(nm.km), độ dốc tán sắc: 0,075 ps/nm2/km. • Khuếch đại EDFA: G = 20 dB, hệ số nhiễu NF = 4 dB. • 4 bộ khuếch tín hiệu điện có độ lợi 20 dB. • 4 bộ lọc thông thấp Bessel • Ngoài ra còn 2 máy phân tích phổ quang (OSA Input và OSA Output), 2 máy quan sát tín hiệu quang trên miền thời gian (OTDV Input và OTDV Output), 2 máy quan sát chòm sao tín hiệu điện trên hai phân cực X và Y (Electrical Constellation Visualizer X và Electrical Constellation Visualizer Y). Phổ tín hiệu sau máy phát 34 Hinh 3.2 Phổ tín hiệu sau máy thu Hình 3.3 Biểu đồ chòm sao tín hiệu điện (10 Gb/s và 100 Gb/s): 35 Hình 3.4 Hình 3.5 36 Ta thấy khi hệ thống hoạt động với tốc độ bit 10 Gb/s thì biểu đồ chòm sao tín hiệu như trên hình 3.4, lúc này hệ thống hoạt động tốt (các ký tự quang “00”, “01”, “11”, “10” nằm trên 4 đỉnh của hình vuông và cách xa tâm, nên xác suất lựa chọn đúng ký tự quang cao, nghĩa là tỉ lệ lỗi bit thấp). Tuy nhiên, khi tăng tốc độ bit lên 100 Gb/s thì biểu đồ chòm sao tín hiệu như trên hình 3.5 và tỉ lệ lỗi bit sẽ lớn hơn rất nhiều, dẫn đến hệ thống không thể hoạt động được nếu như không sử dụng bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao. Rõ ràng sau chặng 100 km, pha của tín hiệu đã bị thay đổi (nhiễu pha), điều này được thể hiện qua kết quả phân tích tín hiệu quang trên miền thời gian được thể hiện ở trên hình (trên phân cực X). Sau máy phát, 4 trạng thái “00”, “01”, “11”, “10” được phân biệt bởi 4 giá trị pha của sóng mang cách nhau 90 độ (hình bên trái). Trước máy thu (sau 100 km), pha của tín hiệu đã bị méo nghiêm trọng (hình bên phải). Hình 3.6 Tín hiệu trong miên thời gian 37 38 Tổng kết Trong hệ thống thông tin quang Coherent, chúng ta có thể áp dụng các kỹ thuật điều chế số quen thuộc như ASK, FSK, PSK. Trong hệ thống thông tin quang Coherent thường sử dụng các tín hiệu nhị phân nên các kỹ thuật điều chế khóa dịch pha và dịch tần số sẽ là BPSK và BFSK. Tùy thuộc vào bộ dao động nội tạo ra tín hiệu quang có tần số như thế nào mà chúng ta có các kỹ thuật tách sóng khác nhau. Nếu tần số ánh sáng phát ra từ bộ dao động nội khác với tấn số tín hiệu quang tới thì chúng ta có kỹ thuật tách sóng Homodyne và tín hiệu sau bộ tách sóng quang là tín hiệu dải nền. Còn nếu tần số ánh sáng phát ra từ bộ dao động nội khác với tần số tín hiệu quang tới thì chúng ta có kỹ thuật tách sóng Heterodyne và tín hiệu thu được sau bộ tách sóng quang là tín hiệu IF. Để khôi phục được tín hiệu dải nền từ tín hiệu IF này, chúng ta phải thực hiện thêm một bước nữa đó là giải điều chế điện có thể áp dụng ở đây. Kỹ thuật tách sóng Homodyne có thể áp dụng kiểu tách sóng đường bao và áp dụng cho dạng tín hiệu ASK và BPSK. Với kỹ thuật tách sóng Heterodyne, chúng ta có thể sử dụng kiểu tách sóng Heterodyne đồng bộ. Kiểu tách sóng Heterodyne đồng bộ có thể áp dụng lên cho dạng tín hiệu ASK, FSK và DPSK. Mỗi kiểu tách sóng khác nhau sẽ cho chúng ta chất lượng hệ thống khác nhau, và chúng ta có thể đánh giá chất lượng hệ thống thông qua xác suất lỗi lỗi P(e) với mỗi kiểu tách sóng như sau: P(e) = P(e) P(e) = P(e) P(e) = P(e) P(e) = (Heterodyne ASK đồng bộ) (Heterodyne ASK không đồng bộ) (Heterodyne FSK đồng bộ) (Heterodyne FSK không đồng bộ) (Heterodyne BPSK đồng bộ) (Heterodyne DPSK không đồng bộ) (Homodyne ASK) 39 P(e) = (Homodyne BPSK) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống tách sóng quang Coherent cũng được xác định như sau: = = Do đó thông qua yêu cầu về chất lượng của hệ thống, chúng ta cũng có thể xác định được SNR tối thiểu cần thiết của bộ thu ứng với mỗi kiểu tách sóng. Như vậy kỹ thuật tách sóng quang coherent có thể cải thiện độ nhạy máy thu so với kỹ thuật sóng quang trực tiếp. Tuy nhiên để có thể đưa kỹ thuật này vào hệ thống viễn thông thực tế thì còn gặp nhiều khó khăn nhất định như cần phải có nguồn quang phát ra tín hiệu có độ ổng định tần số và pha tốt. Từ yêu cầu ngày càng cao về tăng dung lượng truyền tải của mạng lõi, Fujitsu đã phát triển công nghệ coherent số và đưa vào thương mại hóa hệ thống truyền dẫn tốc độ siêu với dung lượng 100 Gb/s cho các mạng đường trục và 40 Gb/s cho các mạng cáp quang biển. Công nghệ coherent số mang đến một cuộc cách mạng được coi là bước tiến về mô hình trong truyền dẫn quang. Cùng với việc biến yêu cầu tăng dung lượng truyền dẫn thành hiện thực, công nghệ này nâng cao hiệu quả khai thác mạng một cách ngoạn mục và giảm chi phí tổng thể. Trong tương lai, để đáp ứng với sự tăng liên tục lưu lượng truyền dẫn, Fujitsu tăng tốc quá trình nghiên cứu phát triển thiết bị tích hợp đa lớp cho các hệ thống truyền dẫn quốc gia và áp dụng hệ thống truyền dẫn tốc độ siêu cao cho mạng cáp quang biển quốc tế. Fujitsu cũng lên kế hoạch phát triển các mạng dung lượng cao tiên tiến, 400 Gb/s và 1 Tb/s, tiếp tục theo đuổi mục tiêu tăng cường hơn nữa hiệu quả sử dụng tần số. Tài liệu tham khảo: • Coherent review optics express 40 • Ky-Thuat-Thong-Tin-Quang-2 • Coherent Optical Communications: Historical Perspectives and Future Directions 41 [...]... hiệu quả c) Tán sắc trong sợi quang: Tán sắc trong sợi quang không chỉ ảnh hưởng tới tốc độ bit trong hệ thống IMDD mà còn tới hệ thống coherent Nguyên nhân là do hệ thống coherent cần sử dụng các laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode dọc với độ rộng phổ hẹp 2.3.2 Tỉ số BER: 2.3.2.1 Tỉ số SNR: Theo biểu thức và , dòng photon Is tỉ lệ với và được khuếch đại với hệ số Với hệ số khuếch đại này là được... là thấp nhất và độ nhạy ở bộ thu là cao nhất trong tất cả các cơ chế tách sóng coherent 2.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống Coherent 2.4.1 Ưu điểm: a Nâng cao độ nhạy thu Về mặt lý thuyết, hệ thống thông tin quang Coherent có nhiều đặc điểm hấp dẫn mà mấu chốt là sự cải thiện độ nhạy thu Do đó nếu hệ thống quang coherent sử dụng phương pháp tách sóng heterodyne hay homodyne sẽ cho phép kéo dài... có thể thiết lập và tích hợp các hệ thống truyền dẫn cáp quang biển với hệ thống truyền dẫn mặt đất một cách đồng nhất (Hình 2.15) 32 Hơn nữa, thiết bị này cho phép tạo thành hệ thống truyền dẫn có độ trễ thấp, yếu tố được đánh giá là rất quan trọng trong các giao dịch tài chính quốc tế Hình 2.15 33 IV Mô phỏng Mô hình hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK Hình 3.1 Mô hình hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK • Máy phát... tần số, các hệ thống thông tin quang coherent có dung lượng truyền rất lớn Ví dụ, nếu trong vùng bước sóng hoạt động 1550nm chọn độ rộng phổ để truyền thì trong vùng này có thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương Hình 2.12 Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền c Khả năng kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang 27 Sự kết hợp giữa thu coherent và kỹ thuật khuếch đại quang cố thể... khi đối với hệ thống IMDD, độ rộng nguồn quang chỉ được xác định chủ yếu lỗi tán sắc sợi quang 2.4.3 Ứng dụng trong thực tiễn của hệ thống Coherent 1 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena WaveLogicTM (mới nhất là WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lưới 10Gb/s đang sử dụng lên 40Gb/s và 100 Gb/s và tương lai lên đến 400Gb/s, một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí Các giải pháp mạng quang học của... đánh giá hệ thống Coherent: 2.3.1 Nhiễu: a) Nhiễu pha: Nhiễu pha là một trong những yếu tố quan trọng làm giảm độ nhạy máy thu trong hệ thống thông tin quang, thường liên quan đến bộ phát quang và bộ dao động nội Từ biểu thức: (2.14) ta thấy sự thay đổi về pha giữa tín hiệu tới và tín hiệu của bộ dao động nội sẽ dẫn đến sự thay đổi về dòng ở ngõ ra, phản ánh bản chất kết hợp của tách sóng coherent, ... cấp khi cần Về công nghệ mạng quang Coherent tốc độ cao, Ciena là hãng cung cấp thiết bị đầu tiên trên thế giới đưa sản phẩm cho ứng dụng 40Gb/s và 100Gb/s vào thương mại hóa Tính đến ngày 06/09/2012, đã có hơn 100 khách hàng sử 28 dụng công nghệ 40/100 Gb/s của Ciena, với hơn 15 triệu km đã được triển khai trên toàn cầu Giải pháp 40/100 Gb/s của Ciena dựa trên bộ vi xử lý quang Coherent WaveLogic TM... thiết bị chỉ có cấu hình hoạt động với một bước sóng Với các hệ thống cáp quang biển có cự ly trên 9000 km, thường sử dụng bằng hoặc hơn 100 bộ lặp để bù suy hao tín hiệu truyền trên sợi quang Do các bộ khuếch đại trong từng trạm lặp có đường đặc tính khuếch đại với độ nghiêng và độ gợn khác nhau làm cho các tín hiệu WDM sau khi truyền qua hệ thống có độ chênh lệch lớn về công suất trong băng thông khuếch... giống như trong hệ thống số IM/DD Giả sử trường hợp này, mức ngưỡng quyết định tối ưu D nằm giữa dòng zero (trạng thái 0) và dòng tín hiệu đỉnh (trạng thái 1) như sau: (2.29) Biểu thức (2.28), là ngõ ra của bộ tách sóng quang, bây giờ có thể xem như là tín hiệu dải nền và phân bố đều Do đó, việc phân tích BER có thể theo phương pháp như đã trình bày trong hệ thống IM/DD ở trong thông tin quang 1 Vì vậy... PIN với R = 0,8 A/W • Sợi quang : Chiều dài: 100 km (Loop control = 1), hệ số suy hao: 0,2 dB/km, hệ số tán sắc 16,75 ps/(nm.km), độ dốc tán sắc: 0,075 ps/nm2/km • Khuếch đại EDFA: G = 20 dB, hệ số nhiễu NF = 4 dB • 4 bộ khuếch tín hiệu điện có độ lợi 20 dB • 4 bộ lọc thông thấp Bessel • Ngoài ra còn 2 máy phân tích phổ quang (OSA Input và OSA Output), 2 máy quan sát tín hiệu quang trên miền thời gian ... điều chế PSK CHƯƠNG II: HỆ THỐNG QUANG COHERENT 2.1 Cấu trúc hệ thống Coherent Hình 2.1 mô tả cấu trúc hệ thống thông tin quang coherent Sơ đồ cho thấy khác biệt với hệ thống IMDD phần tách sóng... sau: Hình 1.2: Dạng sóng tín hiệu ASK Khác với hệ thống quang sử dụng kỹ thuật IMDD, hệ thống quang sử dụng kỹ thuật coherent luồng bít quang hệ thống tạo thành cách sử dụng kỹ thuật điều chế... nội sử dụng cách hiệu c) Tán sắc sợi quang: Tán sắc sợi quang không ảnh hưởng tới tốc độ bit hệ thống IMDD mà tới hệ thống coherent Nguyên nhân hệ thống coherent cần sử dụng laser bán dẫn hoạt