Đồ án nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp

Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Lời Mở Đầu Trong năm gần với phát triển vượt bậc kinh tế, Vị Việt Nam ngày cao trường quốc tế Với xu hội nhập toàn cầu hoá nhu cầu thông tin liên lạc trở nên vô quan trọng Xã hội ngày phát triển nhu cầu người thông tin liên lạc ngày cao Mà hệ thống thông tin đáp ứng yêu cầu dung lượng tốc độ truyền dẫn Hầu hết, hệ thống thông tin quang khai thác mạng lưới sử dụng hệ thống điều biến cường độ tách sóng trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation – Derect detection) Tuy nhiên kỹ thuật chưa tận dụng hiệu băng tần sợi quang đơn mode Vấn đề đặt ta phải tận dụng băng tần rộng sóng ánh sáng để không bị lãng phí Do người ta đưa hệ thống thông tin quang hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent optical systems) Cho đến nay, hệ thống thông tin quang kết hợp trình nghiên cứu thử nghiệm Tuy nhiên, chứng tỏ ưu điểm vượt trội so với hệ thống IM – DD khả nhạy thu, tốc độ truyền dẫn… Nhiều hãng viễn thông tiếng AT&T, NTT, KDD, Acatel, Intatel… cho áp dụng công nghệ thông tin quang vào mạng viễn thông hướng mạnh nhằm nâng cao khả truyền dẫn kéo dài cự ly trạm lặp Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp cầu trúc, nguyên lý hoạt động, khả áp dụng hệ thống vào mạng lưới viễn thông Nội dung đồ án gồm chương: Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang kết hợp Chương II: Các phương pháp điều chế hệ thống thông tin quang kết hợp Chương III: Máy thu quang coherent yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu Chương IV: Những kĩ thuật viễn thông tiên tiến việc áp dụng vào SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH mạng lưới viễn thông Để hoàn thành đề tài em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn Chu Công Cẩn tận tình giúp đỡ bảo tận tình suốt trình em làm đồ án Trong trình làm đồ án, em cố gắng tìm hiểu công nghệ ứng dụng thực tế Tuy nhiên hạn chế trình độ giới hạn mặt tài liệu nên tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo đóng góp tận tình thầy bạn sinh viên để đồ án em hoàn thiện Sinh viên Lê Duy Tùng SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH MỤC LỤC Lời Mở Đầu .2 MỤC LỤC .4 Danh Mục Các Từ Viết Tắt .6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chương I 10 Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp 10 (Coherent optical systems) 10 I.Giới thiệu chung: .10 Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp: 10 Ưu điểm hệ thống thông tin quang kết hợp: .12 II Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang kết hợp: 14 III Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang kết hợp: 17 Nguyên lý hoạt động hệ thống: 17 Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection): .19 Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection): .20 Kết Luận 23 Chương 2: 24 Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống Coherent 24 I.Điều chế thông tin quang Coherent: 24 Các kỹ thuật điều chế: .24 II Kỹ thuật điều chế laser: .33 1.Giới thiệu chung: 33 Bộ điều chế pha (Phase Modulator): 34 Bộ điều chế cường độ: .36 III Điều chế phân cực: 38 1.Yêu cầu trạng thái phân cực thông tin coherent: .38 Các phương pháp điều khiển phân cực: 39 Kết Luận 44 Chương III : 45 Máy thu quang Coherent yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu 45 I Các nguyên lý tách sóng: .45 II Sơ đồ khối tổng quát thu quang coherent : 46 1.Tách sóng heterodyne đồng 47 2.Tách sóng Heterodyne không đồng .49 Tách sóng Homodyne 50 4.Vòng khóa pha máy thu quang coherent 51 III Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu: 53 1.Nhiễu pha: 54 Nhiễu cường độ: 55 Không tương xứng phân cực: .56 SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Tán sắc sợi quang: 57 Các yếu tố hạn chế khác: 57 IV.So sánh số loại thu coherent 58 So sánh thu trực tiếp thu Coherent: 58 So sánh thu heterodyne thu homodyne: 61 Kết Luận 65 Chương IV .66 Khả ứng dụng hệ thống thông tin quang kết hợp kỹ thuật tiên tiến 66 I Khả áp dụng kỹ thuật thông tin quang coherent vào mạng lưới 66 Khả áp dụng vào mạng lưới: .66 Những tồn trước mắt hệ thống thông tin quang coherent: .69 II Một số kỹ thuật Coherent tiên tiến: 71 Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM: 71 Kỹ thuật truyền dẫn phân cựu đa mức: 72 Ghép kênh quang theo tần số OFDM: .76 III Kỹ thuật hệ thống: 78 1.Tạo hệ thống có lực truyền dẫn cao: 78 Tận dụng băng tần rộng sóng ánh sáng nói chung sợi quang Single mode: .79 Hệ thống Coherent cho phép truyền số lượng lớn kênh: 80 Hệ thống Coherent cho khả lựa chọn độ nhạy thu: 81 IV Tiến Kỹ thuật công nghệ: .82 1.Làm hẹp độ rộng phổ: 83 Ổn định tần số công suất phát: 84 Các thiết bị quang thụ động: 85 V Thực trạng thông tin quang giới: .86 1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa tượng thông tin quang kết hợp thực nghiệm nước: 86 Kết nghiên cứu thử nghiệm: 88 Kết Luận 94 Phụ Lục I: Các tham số sợi đơn mode theo CCITT 95 Phụ Lục II Cấu trúc khuếch đại quang sợi 96 Kết Luận Chung 97 Tài Liệu Tham Khảo .98 SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Danh Mục Các Từ Viết Tắt ACS Average Modulation Điều biên ADC Analog digital converter Chuyển đổi tương tự - số AFC Automatic Control AM Amplitude Modulation Điều biên AMP Amplier Bộ khuếch đại công suất ATT Attenuator Bộ làm giảm công suất ASK Amplitude shift keying Khoá dịch biên BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit CPSK Continous phase shift keying Khoá dịch pha liên tục CD Common drain Cực sóng mang DPSK Differrential Shift Keying Khoá dịch pha vi phân DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố DFB-LD Distributed laserdiode EDFA Erbium Amplier Frequency Bộ điều khiển tần số tự động Feedback- Laser phản hồi phân bố Doped Ferber Khuếch đại quang sợi có pha tạp Erbium ECL Laser cộng hưởng FDM Frequency Multiplexing FTTH Fiber to the house Sợi quang tới tận nhà FM Frequency Modulation Điều tần FET Field effect transistor Transistor hiều ứng trường FWM Four wave mixing Trộn sóng IM-DD Intensity Modulation Derect Detection IF Intermediate Frequency Trung tần HCS Hight Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp cao MSK Minimum Shift Keying Khoá dịch pha tối thiểu SV: Lê Duy Tùng Division Ghép kênh tần số – Điều biến cường độ - tách sóng trực tiếp Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH MAN Metropolitan Area Networks Mạng khu vực nội thị OFDM Optical Frequency Division Ghép kênh quang theo tần số Multiplexing ODEMUX Optical Demultiplexing Giải ghép quang OMUX Optical Multiplexing Ghép quang OTDM Optical Time Multiplexing OOK On – Off keying Khoá đóng mở LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang LD Laser diode Điốt laser LDA Laser diode Amplier Khuếch đại laser LCS Low Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp thấp LAN Local Area Networks Mạng nội hạt PLL Phase Locked Loop Mạch khoá pha PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha PLSK Polarization Shift Keying Khoá dịch phân cực PM Phase Modulation Điều pha PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN QPSK Quadrature Keying QAM Quadrsture Modulation SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích SBS Stimulated Scattering TDM Time Division Multiplexing SV: Lê Duy Tùng Division Ghép kênh quang theo thời gian Phase Shift Khóa dịch pha cầu phương Amplitude Điều biên cầu phương Brillouin Tán xạ Brillouin kích thích Ghép kênh theo thời gian Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền 13 Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền 13 Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp 14 Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống coherent 17 Hình 1.5: Sơ đồ khối máy thu đồng tần 19 Hình 1.6: Sơ đồ khối máy thu đổi tần .21 Hình 1.7: Phổ công suất hệ thống coherent 22 Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK 25 Hình 2.2: Phổ công suất tín hiệu trung tần MSK 26 SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Hình 2.3: Phổ công suất tín hiệu trung tần FSk 27 Hình 2.4: Phổ công suất điều chế tín hiệu PSK .28 Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trục phân cực song song với trạng thái phân cực 30 Hình 2.6: Đồ thị vectơ sơ đồ khoá dịch cực dao động nội nằm góc 450 31 Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trục phân cực song song với trạng thái phân cực 32 Hình 2.8: Đồ vectơ sơ đồ khoá dịch cực dao động nội định hướng theo phương với trạng thái phân cực 33 Hình 2.9: Sơ đồ điều chế pha .35 Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng 37 Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học 38 Hình 2.12 Máy phát trộn phân cực chuyển đổi phân cực 40 Hình 2.13 Vectơ trạng thái phân cực trực giao máy thu để chuyển đổi phân cực 41 Hình 2.9: Máy thu phân cực trực giao 43 Hình 3.1 : Mô hình thu coherent 45 Hình 3.2 : Cấu hình thu quang coherent .47 Hình 3.3 :Các kỹ thuật khôi phục sóng mang sử dụng thu quang Coherent PSK .49 Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne không đồng 50 Hình 3.6:Bộ thu vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường .52 Hình 3.7 :Bộ thu vòng khóa pha quang Costas .53 Hình 3.8 Bộ thu coherent cân hai nửa 55 Hình 3.9: Sự phụ thuộc tỷ số S/N vào công suất thu .59 Hình 3.10 Mẫu thu coherent 62 Hình 4.1 Nguyên lý thiết bị tách quang Kerr 72 Hình 4.2: sơ đồ máy điều biên phân cực .73 Hình 4.3 Sơ đồ khối máy thu .75 Hình 4.4.Cấu hình hệ thống thực nghiệm ghép 100 kênh quang theo nguyên lý OFDM .77 Hình 4.5 mức tín hiệu thực nghiệm OFDM có trạm lặp quang .78 Hình 4.6 Ghép kênh quang TDM 80 Hình 4.7 Ghép kênh quang theo tần số 81 Hình 4.8 cấu trúc laser phản hồi phân bố DFB 83 Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy clock 88 Hình 4.10 lắp đặt truyền QPSK kết hợp 1.4 Gbit/s với coupler 3x3 sử dụng thu 91 Hình 4.11 kết đo BER công suất khuếch đại đầu vào cho truyền dẫn đồng QPSK 1,4Gbit/s 92 SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Chương I Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent optical systems) I.Giới thiệu chung: Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp: Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp dùng để đòi hỏi cao tính kết hợp thời gian nguồn phát quang laser độ kết hợp không gian tách sóng quang trộn tín hiệu quang tín hiệu quang nội Vào năm thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp nhà nghiên cứu đề cập chứng minh sử dụng kĩ thuật đổi tần tín hiệu truyền tin hệ thống sợi quang Nhưng vào thời kì công nghệ quang công nghẹ laser không thoả mãn đáp ứng yêu cầu đặt SV: Lê Duy Tùng 10 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Những năm đầu thập kỉ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đạt thành tựu to lớn Cáp sợi quang single mode có tiêu hao cỡ nhỏ 0,2db/km cửa sổ truyền dẫn với bước sóng 1550nm Cùng với phát triển công nghệ cáp sợi quang công nghệ laser bán dẫn đạt bước tiến dài Các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép có bước sóng ổn định tương thích với sợi quang, độ rộng phổ cho phép tán xạ đường truyền không đáng kể Chính nhờ thành tựu việc nghiên cứu thông tin quang kết hợp thu kết tốt đẹp, Có nhiều công trình thử nghiệm hệ thống thông tin quang kết hợp tiến hành nhiều nước như: Nhật Bản , Mỹ, Châu Âu Nhiều hãng viễn thông tiếng AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel… cho áp dụng công nghệ thông tin quang kết hợp vào mạng viễn thông hướng mạnh nhằm nâng cao khả truyền dẫn kéo dài cự ly trạm lặp Như ta biết hệ thống thông tin quang sử dụng kĩ thuật điều biến giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation – derect detection) có đặc điểm: - Đối với hệ thống thông tin số tương tự, cường độ ánh sáng phát ( LED Laser) điều chế trực tiếp dòng tín hiệu vào - Không sử dụng pha sóng mang để truyền tin Còn khả tách sóng trực tiếp biểu máy thu quang, tín hiệu trực tiếp tách băng tần sở mà xử lý biến đổi Khác với hệ thống IM – DD hệ thống thông tin quang kết hợp có đặc điểm sau: - Tín hiệu thông tin điều chế phía phát với mức độ yêu cầu cao độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể điều chế trực tiếp điều chế ngoài) - Độ phân cực giữ nguyên trình truyền SV: Lê Duy Tùng 11 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH biết tần số dao động công suất phát xạ laser bán dẫn lại phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ dòng điều khiển Do vậy, để laser làm việc ổn định hệ thống có tốc độ cao công việc khó khăn Hiện người ta chế tạo module có phản hồi kép để đảm bảo tính ổn định mạch phản hồi giữ cho công suất ổn định nhờ thay đổi dòng điều khiển Để ổn định nhiệt độ cho laser, người ta đưa ổn định nhiệt độ mạch khuếch đại thuật toán đặc biêt Với tổ hợp module độ ổn định nhiệt độ đạt tới 10-3 đến 10-4 Tuy nhiên, với kỹ thuật việc ổn định nhiệt độ lớp cấu trúc nên laser mà thôi, lớp hoạt tính chưa có hiệu nên tần số dao động nội chưa thật ổn định Để tăng thêm tính ổn định tần số người ta phải sử dụng thêm mạch phản hồi có khả điều chỉnh laser hoạt động có độ ổn định cao Các thiết bị quang thụ động: Đối với hệ thống thông tin quang coherent có nhiều vấn đề phức tạp, hàng loạt thiết bị quang thụ động tạo với công nghệ tinh vi đòi hỏi độ xác cao, ví dụ gương phản xạ chiều, lăng kính, ghép định hướng cho điều chế phân cực, điều biến quang trực tiếp ghép kênh quang OTDM OFDM, trộn quang đầu thu, mắt lọc quang, tách ghép sóng quang, chia công suất quang… Tất thiết bị kể đòi hỏi trình độ công nghệ cao để phát huy hiệu chúng hệ thống Trong hệ thống thông tin quang kết hợp thiết bị đóng vai trò quan trọng phía phát phía thu, nhờ mà kỹ thuật hệ thống thực cách hiệu quả: ví dụ việc tách ghép kênh quang, việc quang hoá hệ thống SV: Lê Duy Tùng 85 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH V Thực trạng thông tin quang giới: 1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa tượng thông tin quang kết hợp thực nghiệm nước: 1.1 Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu băng rộng tốc độ siêu cao: Đó kỹ thuật truyền dẫn tiên tiến hệ thống coherent trình bày phần I: kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, kỹ thuật truyền dẫn phân cực đa mức, kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số OFDM 1.2 Đồng quang: Kỹ thuật tách xung clock để tạo tín hiệu định thời đồng với tốc độ tín hiệu thu trình thiếu hệ thống ghép kênh quang theo tần số Trong hệ thống truyền dẫn quang nay, việc tách xung clock thực mạch khoá pha điện (PLL) sau tín hiệu quang thu được biến đổi xuống thành tín hiệu điện Như vậy, tốc độ xử lý tín hiệu bị hạn chế băng tần biến đổi quang điện mạch cách tử Với hệ thống ghép kênh quang theo tần số, để khắc phục hạn chế trên, việc tách xung clock sử dụng công nghệ quang với tốc độ xử lý nhanh Hình 4.9 biểu diễn sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy xung clock, với khuếch đại laser (LDA) sử dụng mạch tương quang tốc độ cao Khi tín hiệu quang đến xung clock phát xung đưa đến đưa vào LDA, tín hiệu tương quan hai thành phần tạo với tần số thấp, có hai thành phần ∆f (là độ chênh lệch tần số hai tín hiệu này) Sau thực biến đổi tín hiệu tương quan thành tín hiệu điện, lọc lấy tần số ∆f Mạch PLL làm việc so sánh phát chênh lệch thành phần tín hiệu ∆f với tín hiệu ∆f dao động chuẩn phát Điện áp điều khiển đưa tới VCO để SV: Lê Duy Tùng 86 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH điều khiển tần số phát f0 Như , sử dụng phần tử quang để xử lý tốc độ cao, phần tử điện làm việc với tần số thấp Hãng NTT thực thành công mạch trích lấy thời gian tần số 10GHz từ tín hiệu quang điều biến ngẫu nhiên tốc độ 10Gbit/s Ngoài số kỹ thuật xử lý tín hiệu nước tiến hành lấy mẫu, thực nghiệm hệ thống điều biến phân cực đối cực Tất giải pháp xử lý tín hiệu dựa mạnh hệ thống thông tin quang coherent khả công nghệ cao lĩnh vực quang xử lý tín hiệu quang Điều giúp cho hệ thống thông tin quang ngày vượt xa hệ thống thông tin điện bị ràng buộc giới hạn mạch điện tử SV: Lê Duy Tùng 87 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy clock Kết nghiên cứu thử nghiệm: Với kết nghiên cứu thử nghiệm trước nước hãng viễn thông giới, hệ thống thông tin quang coherent thể tham số có nhiều sức thuyết phục là: Cự li tốc độ Điều quan tâm tất hệ thống để làm việc bước sóng 1550nm, tốc độ bit tối thiểu 140Mbit/s Vào năm 90 hãng BRTL thực xây dựng tuyến thông tin quang trường, cách xây dựng hệ thống DPSK cáp sợi quang dài 56,3km nối Cambridge Bedford Các sợi quang nối với để tạo độ dài 176km Hãng KDD xây dựng hệ thống thử nghiệm FSK – ND biển với độ sâu 6000m, cáp dài 45km sợi nối với tạo tuyến dài 90km Vài năm sau, với khả cho mạch số tốc độ cao, quan tâm hệ thống thông tin quang kết hợp Xét riêng độ nhạy thu ta thấy rằng, tăng hiệu trải phổ tốt hiệu tán sắc lặp dung sai tính phi tuyến sợi Hệ thống điều chế cường độ tách sóng trực tiếp IM – DD đạt hiệu trải phổ lớn 1b/s/Hz Các hệ thống kết hợp cho phép sử dụng dạng điều chế cấp QPSK QAM, hệ thống nâng hiệu trải phổ lên vài tăm b/s/Hz Ngày để hướng tới hệ thống truyền thông kết hợp thời gian thực đạt 40Gbit/s Đầu tiên phải kể đến khả công nghệ chứng minh kết từ phòng thí nghiệm coherent Sau thiết bị sử dụng hệ thống thời gian thực Với kết phòng thí nghiệm chứng minh khả hệ thống thông tin quang kết hợp Với ghép kênh phân cực QPSK, liệu truyền với khoảng cách >6400km với cửa sổ quang đơn mode, bù tán sắc tín hiệu điện hoàn toàn Hiện nay, khoảng cách truyền dẫn đạt xa với bù tán sắc khoảng 10Gbaud SV: Lê Duy Tùng 88 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH 2.1 Các thiết bị truyền dẫn kết hợp thời gian thực QPSK: Dưới phận DSP mô tả chủ yếu thực tế thu quang kết hợp thời gian thực: a Bộ chuyển đổi tốc độ cao tương tự →số: Bộ thu kết hợp yêu cầu chuyển đổi tương tự sang số nhanh với tốc độ lấy mẫu tương đương với tốc độ kí tự để số hoá tín hiệu đến Nên bù CD bù PMD Tốc độ lấy mẫu hai lần tốc độ kí tự giới thiệu Một kỹ thuật tốt ADC tốc độ cao mô hình ánh sáng đầy đủ Ở dây, so sánh song song (2N – 1) sử dụng để số hoá tín hiệu với cách giải N bit bước Cách giải giống ADC giới hạn từ 4→6 bit nhận tín hiệu đầu vào đệm N – 1, mà giới hạn đạt băng tần rộng tốc độ lấy mẫu Bảng biểu diễn chuyển đổi ADC đặc biệt với bit kí tự,tốc độ lấy mẫu 10Gs/s phát triển Châu Âu với điều chế đồng QPSK Công nghệ cao cần hoàn thành yêu cầu tốc độ lấy mẫu >10Gs/s Bảng Biểu diễn chuyển đổi ADC đặc biệt với bit kí tự SiGe ADC Công nghệ 0,25µm SiGe: CMOS chip C Công nghệ 120nm CMOS fT=90GHz, VT=0,3V BicMos độ phân giải ft=120GHz,fmax=140GHz 5bit Tín hiệu 2x5bit Tốc độ lấy >15Gs/s vào vi sai Khoá tần 0,5÷5,0GHZ mẫu số bít số vào Tốc độ – 10bit/s SINAD giới hiệu 4,5 @ 15 Gs/s liệu vào tốc độ 100Gbit/s 28,9dB @ 15Gs/s truyền Biên hạn 500mV độ 400mW thước đo Công suất 4,3W vào Công suất ~1,2W @ 10GHz tiêu thụ tiêu thụ SV: Lê Duy Tùng 89 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH điện áp cung -4V, +1,8V điện cấp số truyền dẫn cung cấp Số truyền 5145 Cỡ chíp 3296 6,4mm dẫn cỡ chíp áp 1,2V;1,8V;3,3V 7,2mm2 b Khối liệu tín hiệu số: Mẫu tín hiệu để khôi phục lại sóng mang, điều kiện phân cực bù CD PMD Tính chất công nghệ CMOS tốt có khả tổt hợp cao yêu cầu công suất thấp so với công nghệ lưỡng cực Quay lại thiết kế chuẩn CMOS giới hạn đạt tốc độ liệu Tuy nhiên thiết bị phân chia nhanh phải xây dựng từ khối DSP cho phép giao diện tốc độ cao với tín hiệu đầu vào từ ADC Nó phải thực với mạch phân chia đầy đủ, tổ hợp với chuẩn cell cho đơn chip Bộ chia kênh đầy đủ sử dụng cấu hình mạch vi sai để đạt tốc độ liệu cần thiết cho giao diện tốc độ cao 2.2: Thực nghiệm truyền dẫn kết hợp thời gian thực gần đây: Truyền dẫn đồng QPSK kết hợp thời gian thực bắt đầu nghiên cứu vào năm 1991 Tốc độ truyền QPSK 100Mbit/s thu thu số sử dụng PLL để bù cho khoảng tần số bù pha tín hiệu laser laser dao động nội PLL khoá tỉ lệ tốc độ kí tự so với mạch laser rộng < 0,0001 Hệ thống truyền kết hợp thời gian thực sử dụng loại thu chứng minh vào năm 1992 với tốc độ 565Mbit/s, dạng điều chế PSK Dữ liệu khôi phục đồng thu kết hợp với khôi phục sóng mang tương tự laser DFB chuẩn Vào tháng – 2006 truyền dẫn QPSK thời gian thực với laser DFB chuẩn đưa Thời gian thu kết hợp đồng số với sóng mang khôi phục trở lại sử dụng tốc độ liệu 800Mbit/s Hệ thống thực sử dụng kinh tết với khả nối ADC với FPGA cho xử lý tín hiệu vào tháng 11 – 2006 tốc độ truyền liệu lớn QPSK kết hợp đạt SV: Lê Duy Tùng 90 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH 4,4Gbit/s Sau vào tháng năm 2007 Nortl giới thiệu hệ thống truyền ghép phân cực QPSK với tốc độ 40Gbit/s 2.3 Lắp đặt thử nghiệm: Bộ truyền sử dụng tín hiệu laser DFB với vạch phổ rộng đặc biệt 1MHz điều chế QPSK chạy với tốc độ 1400Mbit/s 80 km với sợi quang đơn mode chuẩn Tín hiệu tiền khuếch đại quang lọc lọc thông dải băng tần 20GHz Đặc điểm thu kết hợp laser DFB giống dao động nội, điều khiển phân cực tín hiệu quang xếp chồng đưa tới coupler 3x3 phân tách với photodiode Kết tín hiệu điện I Q khuếch đại trước lấy mẫu với bit chuyển đổi tương tự sang số Nối ADC với Xilinx Virtex 4FPGA, khôi phục lại sóng mang liệu EPGA tạo dao động tín hiệu sai số khoá pha tín hiệu sai số tần số dao động nội để khôi phục NRZ điều kiện tần số dao động nội Hình 4.10 lắp đặt truyền QPSK kết hợp 1.4 Gbit/s với coupler 3x3 sử dụng thu 2.4 Kết phép đo: Hình 4.11 biểu diễn BER trung bình thu kênh I Q tương phản với công suất đầu vào tiền khuếch đại đầu thu BER = 2.8.10 -5 cho cấu trúc thu với đường truyền cố định Truyền phối hợp kết hợp với phép SV: Lê Duy Tùng 91 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH đo BER tốt 7.3.10 -5 Tất thu PRBS hcia cho tiền khuếch đại với công đầu vào -52dBm Hình 4.11 kết đo BER công suất khuếch đại đầu vào cho truyền dẫn đồng QPSK 1,4Gbit/s SV: Lê Duy Tùng 92 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp dạng hãng Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH tốc Bước Laser Dao BL Độ nhạy độ điều độ sóng phát động (MHz) (dBm) chế Mbps ASK – BRTL 140 1,523 He, Ne Hom* + dài nội trung HeNe - - kế - InGaAsP ASK FSK- AT&T NEC 400 140 1,500 DBF 1,550 DBF DBF DBF 17 (-43) (-52) 243 WD FSK- Bellcore 560 1,550 DBF DBF 50 (-36) - WD FSK- Fujitsu 600 1,550 DBF DBF 40 (-39) 140 WD DPSK AT&T DPSK* BRTL FSK- BRTL 400 565 140 1,530 ECL 1,534 ECL 1,540 ECL ECL ECL ECL 0,01 0,01 0,01 (-56) (-47) (-55) 260 260 200 ND FSK- NTT 400 1,540 ECL ECL 0,5 (-50) 290 ND FSK- AT&T 400 1,550 DBF ECL - (-50) 80 ND FSK- KDD 560 1,560 ECL ECL 0,5 (-42) 150 ND** DPSK DPSK DPSk DPSK FSK- NEC AT&T Fujitsu AT&T Bellcore 1,2 1,2 1540 1530 1540 1530 1550 ECL ECL ECL ECL DBF ECL ECL ECL ECL ECL 1,8 0,01 0,02 (-45) (-45,2 (-43) (-39) (-37) 170 200 190 170 100 ND FSK- NTT 1550 EC ECL (-35) 197 ND FSK- NTT 1550 DBF DBF 12 (-38) 202 SV: Lê Duy Tùng 93 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH ND FSK- NTT 1550 DBF DBF - (-31) 155 ND FSK- NTT 2,5 1540 DBF DBF (-45) 290 ND ECL: laser cộng hưởng Bảng thông số HTTTQKH thử nghiệm với tốc độ trung bình Kết Luận Những ưu điểm có hệ thống coherent so với hệ thống khác, không nhắc đến kỹ thuật coherent tiên tiến là: Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM, kỹ thuật tuyền dẫn phân cực đa mức, kỹ thuật ghép kênh quang theo tần số Với kỹ thuật OFDM tần số ánh sáng phân chia thành nhiều kênh riêng rẽ kênh quang truyền lúc sợi dẫn quang Được mô tả hình 4.4 Việc xử lý thành công tham số quan trọng sóng ánh sáng biên độ SV: Lê Duy Tùng 94 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH tần số, pha, thành phần phân cực tiến vượt bậc hệ thống thông tin quang coherent Nó góp phần tạo hệ thốn có lực truyền dẫn cao, tận dụng băng tần rộng sóng ánh sáng nói chung sợi quang single mode, cho phép truyền số lượng lớn kênh, cho khả lựa chọn độ nhạy thu Những tiế kỹ thuật công nghệ nhằm tạo tham số hệ thống, tham số thiết bị tham số thành phần điện tử quang điện Những tiến kỹ thuật công nghệ kể đến: làm hẹp độ rộng phổ, ổn định tần số, công suất phát, thiết bị quang thụ động Đã có nhiều kết nghiên cứu thử nghiệm hệ thống hãng viễn thông chứng tỏ ưu điểm vượt trội hệ thống thông tin quang kết hợp, ta nghiên cứu hệ thống truyền thông kết hợp thời gian thực đạt 40Gbit/s Hệ thống lắp đặt thử nghiệm với mô hình 4.10 Từ ưu điểm kết nghiên cứu thử nghiệm ta thấy khả lớn lao hệ thống thông tin quang kết hợp mạng thông tin quang tới Đó khả nằng đáp ứng linh hoạt cho tuyến thông tin quang dù đường trục hay thuê bao, đất liền hay biển Tuy nhiên, hệ thống thông tin quang số tồn trước mắt làm cản trở khả áp dụng vào thực tế hệ thống: Công nghệ hệ thống chưa hoàn thiện, hệ thống có cấu trúc phức tạp, hệ thốn đòi hỏi chi phí lớn Phụ Lục I: Các tham số sợi đơn mode theo CCITT G.652 sợi tối ưu G653 sợi tối ưu Các tham số Đường kính Đơn vị trường µm 1,3µm GTchuẩn Sai số 9÷10 ±10% 1,55µm GTchuẩn Sai số 7÷8 ±10% mode SV: Lê Duy Tùng 95 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Đường kính vỏ phản xạ Tính đồng tâm Tính không tròn vỏ bước sóng (chưa Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH µm µm % nm ±3 125 ≤1 125 ≤1 ±3 bọc thành cáp) bước sóng (đã Nm bọc thành cáp) Suy hao uốn cong dB 100 lần với bán kính uốn cong 37,5nm 1550nm Suy hao 1300nm dB/Km Suy hao 1550nm dB/km bước sóng có tán sắc = nm Giá trị tán sắc = Hệ số tán sắc tuyệt đối Ps/(nm.Km) ≤0,095 λ = 1258÷1330nm Ps/(nm.Km) ≤ 3,5 λ = 1270÷1340nm Ps/(nm.Km) ≤ 6,0 λ = 1525÷1575nm Ps/(nm.Km) ≤ 20 ≤0,085 ≤ 3,5 Phụ Lục II Cấu trúc khuếch đại quang sợi SV: Lê Duy Tùng 96 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Kết Luận Chung Qua trình nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp em thấy tính ưu việt hệ thống nâng cao độ nhạy thu tăng khả truyền dẫn… Tuy nhiên cấu trúc phức tạp chi phí thiết bị cao nên hệ thống giai đoạn thử nghiệm chưa áp dụng rộng rãi vào tuyến thông tin liên lạc nước giới tương lai hệ thống áp dụng vào thực tế khắc phục nhược điểm hệ thống trước dung lượng khả truyền dẫn SV: Lê Duy Tùng 97 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Trong trình làm đồ án, em cố gắng tìm hiểu công nghệ ứng dụng thực tế Tuy nhiên hạn chế trình độ giới hạn mặt tài liệu nên tránh khỏi thiếu sót Rất mong bảo đóng góp thầy cô bạn sinh viên để đồ án em hoàn thiện Em xin cảm ơn thầy Chu Công Cẩn tận tình hướng dẫn em hoàn thiện đồ án tốt nghiệp Tài Liệu Tham Khảo Hệ thống thông tin quang kết hợp – TS Vũ Văn San, Nhà xuất bưu điện, Hà Nội – 2003 Hệ Thống Thông Tin Sợi Quang – (Phùng Văn Vận, Trần Hồng Quân, Nguyễn Cảnh Tuấn, Phạm Hồng Ký, Nguyễn Hoài Nam), Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội – 2002 Bài giảng hệ thống thông tin quang – GV Chu Công Cẩn, Hà Nội 2007 Kỹ thuật thông tin quang – Hoàng Ứng Huyền, Ban thông tin kỹ thuật, Tổng cục bưu điện1993 Gerard Lachs, “Fiber Optic Communication” McGraw-Hill,1998 T Pfau, S Hoffmann, O Adamczyk, R Peveling, V Herath, M Porrmann and R Noé SV: Lê Duy Tùng 98 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH University of Paderborn, EIM-E, Warburger Str 100, D-33098 Paderborn, Germany SV: Lê Duy Tùng 99 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 [...]... thu kết hợp, bởi vì trong hệ thống thông tin vô tuyến, các nguồn thu đổi tần và đồng tần đều có đặc điểm giống nhau II 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 + Bộ điều khiển: Driver + Điều chế ngoài: External Modulation + Laser diode + Sợi quang. .. hệ thống thông tin quang Coherent Phổ của tín hiệu trung tần IF bao gồm thành phần băng gốc và thành phần sóng mang của tín hiệu trung tần Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent SV: Lê Duy Tùng 22 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Kết Luận Trong chương này ta tìm hiểu khái niệm, ưu điểm, cấu trúc, nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp, .. .Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH - Trước khi tách sóng ở phía nguồn thu, tín hiệu thông tin được trộn với tín hiệu dao động nội Như vậy, ánh sáng đã được xử lý trước khi tới 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 có sử dụng phương pháp thu homodyne... thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH 2.4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang: Kết hợp thu coherent với kĩ thuật thu khuếch đại quang có thể tạo nên các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và kéo dài khoảng cách giữa hai trạm lặp (có thể đạt tới 10000km) Khả năng này được ứng dụng trong các tuyến thông tin đường trục và tuyến cáp quang biển... đổi tần (heterodyne) và tách sóng đồng tần (homodyne) Trước hết ta thấy rằng khái niệm thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao về tính kết hợp, về thời gian nguồn phát quang laser và độ kết hợp không gian trong bộ tách sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội Hệ thống Coherent ra đời đã chứng tỏ được những ưu điểm vượt trội của nó so với hệ thống IM – DD về khả năng nhạy thu... tính phổ Do đó đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao với các cấu hình mạng phức tạp thì phương pháp này ít được sử dụng Lúc này kĩ thuật điều chế ngoài xuất hiện đã đáp ứng các hệ thống thông tin hiện đại Điều chế ngoài là phương pháp điều chế ánh sáng bên ngoài laser Nó có những ưu điểm sau: SV: Lê Duy Tùng 33 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH + Có thể thực... + Sợi quang + Trộn quang: optical m + Dao động nội: Local osillator + Bộ lọc: fillter + Lọc vòng: Loop fillter + Giải điều chế: Demodulation SV: Lê Duy Tùng 14 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH + Tầng khuếch đại: + AFC Hệ thống thông tin quang kết hợp gồm hai thành phần chính là phần phát và phần thu a Phía phát gồm: Mạch điều khiển, laser bán dẫn, bộ điều chế... Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Chương 2: Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống Coherent I.Điều chế trong thông tin quang Coherent: 1 Các kỹ thuật điều chế: Trong hệ thống thông tin quang coherent, tín hiệu trước khi truyền được điều chế biên độ, tần số, pha, hoặc phân cực Điều chế là quá trình mà sóng mang bị biến đổi về mộ vài tham số dưới tác động của tín hiệu thông tin số và tương tự... tiếp lớp đường, lớp đoạn, lớp ngang Một đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang là băng tần của sợi quang rộng, công suất tín hiệu bé cần sử dụng điều chế tín hiệu nhằm duy trì S/N của băng gốc, đồng thời công suất tín hiệu đưa vào kênh truyền dẫn đạt giá trị tối thiểu SV: Lê Duy Tùng 24 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào... của hệ thống thông tin quang kết hợp - Thông qua hệ số cosθ(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 (ωIF = 0) Được mô tả như hình vẽ 1.5: Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần SV: Lê Duy Tùng 19 Lớp:Kĩ thuật viễn thông ... thống thông tin quang kết hợp: .12 II Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang kết hợp: 14 III Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang kết hợp: 17 Nguyên lý hoạt động hệ thống: ... viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Chương I Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent optical systems) I.Giới thiệu chung: Khái niệm hệ thống thông tin quang. .. tần đồng tần có đặc điểm giống II Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang kết hợp: Cấu trúc tổng quát hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày hình 1.3: Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông