BỘ THU QUANG, hệ thống thông tin quang

Thiết bị thu quang, hay còn gọi là bộ thu quang, là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của nó là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậy cao.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

I GIỚI THIỆU 3

II BỘ THU QUANG 3

1 Cấu hình bộ thu quang 3

2 Các nguồn lỗi trong bộ thu quang 4

III ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG 5

1 Giới thiệu về độ nhạy thu quang 5

2 Độ nhạy thu và tỉ số lỗi bít của bộ thu quang 5

IV CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG 13

1 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao 13

2 Các Bộ Khếch Đại Transistor Lưỡng Cực Trở Kháng Cao 15

3 Bộ Khuếch Đại Hỗ Dẫn Ngược 16

4 Đặc tính bộ thu quang có mạch tích hợp 17

V KHẢO SÁT 17

1 chương trình khảo sát trên optisystem: 17

2.Sơ đồ phổ 18

3 sơ đồ khảo sát trên optisystem khi thay đổi độ nhạy của bộ thu quang: 18

4 công suất bộ thu quang: 20

LỜI CẢM ƠN 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Cấu hình bộ thu quang số 3

Hình 2: Sơ đồ bộ thu quang số 4

Hình 3 : Sự thể hiện giao diện của hệ thống truyền dẫn quang 5

Hình 4: Tín hiệu dao động được phát ra tại bộ thu và mật độ xác suất Gaussian của các bít “1” và “0” 7

Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER là một hàm của hệ số Q 9

Hình6: Độ nhạy thu của bộ thu quang 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt 13

Hình 7: Mạch tiền khếch đại trở kháng cao đơn giản sử dụng FET 14

Hình 8: Bộ tiền khếch đại trở kháng cao sử dụng transistor lưỡng cực 15

Hình 9 : Mạch tương đương của bộ thiết kế hỗ dẫn ngược 16

Hinh 3.1 khảo sát bộ thu quang trên optisystem 17

Hình 3.2 đồ thị trước và sau khi phổ 18

Hình 3.3 đồ thị BER 19

Hình 3.4 công suất bộ thu quang 20

độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậycao.

- Để có được một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quangcần phải thỏa mãn những yêu cầu chính sau đây:

+ Có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn và độ

nhạy thu cao

+ Hoạt động trong điều kiện tín hiệu có băng tần lớn.

II BỘ THU QUANG

1 Cấu hình bộ thu quang

Bộ thu quang trong hệ thống thông tin quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ khếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu

Clock Ext

Pre -

am p

Hình 2: Sơ đồ bộ thu quang số

Front- end

Front-end của bộ thu quang bao gồm một phô tô điot và một bộ tiền khếchđại.Phô tô điot biến đổi luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đổi theo thờigian.Bộ tiền khếch đại điện có vai trò khếch đại tín hiệu điện cho quá trình xửlý

Kênh tuyến tính

Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khếch đại chính và mạchcân bằng.Bộ khếch đại chính thường là bộ khếch đại có độ khếch đại cao.Mạchcân bằng ở ngay sau bộ khếch đại thường là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính

Khôi phục tín hiệu

Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch quyết định vàmạch hồi phục clock.Mạch quyết định so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến tính vớimức ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định bởi mạch hồi phụcclock,và quyết định xem tín hiệu có tương ứng với bit “1” hoặc “0” haykhông.Thời điểm lấy mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí mà trong đó sự khác nhau vềmức tín hiệu giữa các bit “0” và “1” là lớn nhất

2 Các nguồn lỗi trong bộ thu quang

Nhìn chung ,việc thiết kế bộ thu quang là phức tạp hơn nhiều so với thiết kế

bộ phát quang vì bộ thu phải tách sóng các tín hiệu yếu và bị méo dạng,rồi quyếtđịnh xem tín hiệu số nào đã được phát tới từ phía phát.Quá tình tách sóng trong

bộ tách sóng quang của bộ thu quang phải chịu ảnh hưởng từ các nhiễu khácnhau và các tác động khác có liên quan tới tách sóng tín hiệu trong thiết bị

Dòng photon ban đầu được phát từ phô tô điot là một quá trình Poisson biếnđổi theo thời gian có từ sự đến ngẫu nhiên của các photon tại bộ tách sóng.Khi

đó có một công suất tín hiệu quang P(t) tới bộ tách sóng quang, số trung bìnhcác cặp điện tử-lỗ trống <N> được phát trong thời gian τ được cho như sau:

( )

hv

E dt t P hv

=

= ∫0

Với η là hiệu suất lượng tử,hv là năng lượng photon,và E là năng lượng thuđược trong khoảng thời gian τ.Trong bộ tu quang thực tế các cặp điện tử-lỗ trốngthực sự m được phát ra sẽ dao động quanh số trung bình theo phân bố

Poisson.Vì thế xác suất Pr(m) mà m là cặp điện tử-lỗ trống được phát trongkhoảng τ sẽ là:

( )

!

m

e N m P

N m r

−

=

Trên thực tế không thể dự báo chính xác có bao nhiêu cặp điện tử-lỗ trống làđược phát ra từ một công suất quang đã cho đi đến phô tô điot.Đó là nguồn gốccủa nhiễu lượng tử

III ĐỘ NHẠY THU CỦA BỘ THU QUANG

1 Giới thiệu về độ nhạy thu quang

Độ nhạy của bộ thu quang là yếu tố quang trọng nhất đánh giá khả năng vàchất lượng của hệ thống thông tin sợi quang.Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế

hệ thống thông tin quang có tốc dộ cao và cự ly xa.Độ nhạy của bộ thu quang bịtác động trực tiếp từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ tách sóng quang.Tỷ sốtín hiệu trên nhiễu càng cao thì bộ thu quang càng có độ nhạy cao hơn.Trong bộthu quang,độ nhạy thu cao hơn có nghĩa là mức công suất thu được càng nhỏ đivới cùng một chỉ tiêu chất lượng truyền dẫn

Trong thông tin truyền dẫn số các tín hiệu quang được tạo bởi các ký hiệu

“đánh điểm” và “khoảng trống” ,được truyền tải bằng ánh sáng đã điều chế.Các

ký tự này thường được gọi là “1” hoặc “0” tương ứng.Đối với các đặc tính của

hệ thống truyền dẫn quang số,độ nhạy của bộ thu quang luôn luôn bị rang buột bởi tỷ số lỗi bit BER.Độ nhạy phải cần được thể hiện bởi một công suất quang

có thể thu được càng nhỏ càng tốt mà vẫn đảm bảo được tỷ số lỗi bit đã cho

Hình 3 : Sự thể hiện giao diện của hệ thống truyền dẫn quang

Như vậy ta độ nhạy của bộ thu quang được xác định là mức công suất quang trung bình thu được nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm tham chiếu trên sợiquang ở ngay trước bộ nối quang phía thu mà vẫn duy trì được một tỷ lệ lỗi bit BER định trước

2 Độ nhạy thu và tỉ số lỗi bít của bộ thu quang

2.1 Tỷ số lỗi bít trong bộ thu quang

Để xác định được tỷ số xác định xảy ra,ta có thể sử dung cách tiếp cậnchung bằng cách chia số các xung lỗi xảy ra N, trên tổng số các xung

N, trong khoảng thời gian xác định t.Nó được gọi là tỉ số lỗi BER:

BER =

Tỷ số lỗi bít BER phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (hayeSNR).như vậy,với BER=2.10-6 sẽ tương ứng với trung bình có 2 lỗi xảy ra trongmột triệu bit.để xác định BER tại đầu thu ,sự phân bố xác xuất tín hiệu tại đầu racủa mạch cân bằng là rất quang trọng vì điều ấy quyết định rằng bít 1 hay 0 làđược gửi đi Với lý do như vậy ta xem chủ đề này thong qua hệ thống thông tin

số với các xung “1” và “0”.hình 4.13 mô tả cơ chế tín hiệu dao động bất thườngbỡi một mạch quyết định mà nó lấy mâu tại hằng số quyết định tD được xác địnhthông qua sự phục hổi xung đồng hổ.Gía trị lầy mẫu I sẽ dao động từ bit sang bítxung quanh giá trị trung bình <io>)hoặc <i1>tùy thuộc vào bít tương ứng là 1 hay

0 trong trùm bit Mạch quyết định sẽ so sánh giá trị đã lấy mẫu với giá trịngưỡng ID và gọi nó là bít “0” nếu I < ID hoặc là bít “1” nếu I >I D Lỗi xảy ra nếunhư I > ID đối với bít “0” do nhiễu bộ thu sinh ra và lỗi cũng xãy ra với bít “1”nếu như I < ID.Cả hai nguồn nhiễu có thể gọp lại bởi xác suất lỗi gọi là tỉ số lỗibit BER và được xác định như sau:

BER=p(0)P(1/0) + p(1)P(/0/1) (a)

Với p(1/0) thể hiện một xác suất có điều kiện với mạch quyết định điện(tách ra) nhầm ký tự “1”khi “0” được phát từ phía phát tới ,và p(1/0) biểu thị xácsuất có điều kiện đối với mạch quyết định điện phát hiện nhầm ký tự “0” khi

“1”được gủi tới các số hạng P(0) và p(1)biều thị xác suất rằng “0”và “1” làđược phát tương ứng trong trường hợp khi mà số các bít N trong chuỗi tín hiệu

là lớn (n>=2.1015), việc truyền dẫn “0” và “1”được coi là ngang nhaup(0)=p(1)=0.5; khi đó tỉ số lỗi bit BER được viết lại như sau:

N e

N t

P(1/0)+P(0/1)

2

P(0/1) = ( 1 )

1 0

R

TB K

Trong việc phân tích này,nếu <io> và <i1> là các dòng trung bình,σ 0 và σ 1

, là các biến đổi nhiễu tương ứng từ các dòng photo trung bình liên quan tới cácbít “0” và “1”,và ID là mức quyết định ,thì xác suất lỗi có điều kiện p(1/0) vàp(0/1)được xác định như sau :

2 2

1 2

) (

exp 2

1

0

0 0

2 0

1 2

) (

exp 2

1

1

1 1

2 1

I I

4

1

0

0 1

1

σ σ

I I erfc I

i erfc D D Như vậy, ta thấy BER phụ thuộc vào mức độ quyết định ID và ta viết cáctham số:

ID=

0 1

1 0 0 1

σ σ

0 1

i i

= σ

σ mà nó ứng với thiết lập ngưỡng quyết định ở giữa,tỷ

số lỗi bit BER với sự thiết lập tối ưu mức ngưỡng quyết định được viết là

n n

) 1 2 ( )!

1 (

1 2

2

2 2 2 2

exp 2

1

n

n

n n

Q Q

Q Q

Q

π π π

Hình 5: Tỷ lệ lỗi bit BER là một hàm của hệ số Q

2.2 Độ nhạy thu của bộ thu quang

Như đã biết rằng độ nhậy thu công suất quang trung bình thu được nhỏnhất có thể chấp nhận được với BER đã cho.Bộ thu quang hoạt động tin cậy vớimột tỷ số lỗi bit có giá trị xác lập.khi tính toán độ nhạy thu quang, công suấtquang đến photo-diôt là một yếu tố quang trọng Vì thế hệ số Q có quang hệ vớicông suất quang đến bộ tách sóng ,và đây cũng là mục tiêu của phẩn này

Bộ thu quang phôtô-diốt p-i-n

Để đơn giản hóa việc tính toán, trước hết chúng ta hãy xác định trong trườnghợp bộ thu quang phôtô-điốt p-i-n.ta hãy xét trong trường hợp giả thiết rằng bít

“0“ không mang công suất quang để sao cho p0=0,vậy thì

<i0>=0.Nếu gọi <prec> là công suất quang trung bình của cả các bít “1” và”0”,và

có thể viết như sau:

P 1 +P 0

2

<i1>= RP1 =2R<Prec> (với P0=0 )Các biến đổi nhiễu RMS làσ 1va σ 0 bao gồm các thành phần của nhiễu lượng tử

và nhiểu nhiệt.vì vậy chúng có thể được viết như sau:

R

TB K

P R i

σ σ σ σ

>

<

= +

>

<

2 2 0

1

.

Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô-điôt p-i-n được tìm thấy như sau:

<Prec>p-i-n= (eBeQ +σT)

Độ nhạy thu <Prec> phụ thuộc vào các tham số bộ thu khác nhau.như vậy đốivới bộ thu quang p-i-n thì nhiễu nhiệt thường là trội, và khi đó <Prec> có thểđược viết dưới dạng đơn giản như sau:

đó có nghĩa rằng bộ nhạy thu sẽ giảm khi tốc độ bít tăng

Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô–diôt thác APD

Độ nhạy thu của bộ thu quang phôtô–diôt thác APD sẽ được xem xét tương

tự như bộ thu phôtô-điôp p-i-n.như vậy ta cũng xem xét các trường hợp các bit 0

là không mang công suất quang để cho P0=0, vậy thì <i0>=0 Thay RAPD=MR thì

sẽ có công suất tại các bit 1 có liên quang tới i1 trong bộ thu quang APD nhưsau:

<i1>=RAPDP1=MRP1=2MR<Prec> (vì P0=0)

Bỏ qua thành phần dòng tối ,các biến đổi nhiễu trong bộ thu phô tô- điôpthác có thể được thu như sau:

σ 2S = 2eM2RF A( 2 <P rec > )B e

n L

e B

R

TB K

4

σ

R

Tham số Q được viết như là :

Q =

T T S rec

P MR i

σ σ σ σ

>

<

= +

>

<

2 2 0

1

Với giá trị BER đã cho,ta có thể xác dịnh tham số Q và độ nhạy thu <Prec>-

APD đối với bộ thu phô tô –điôp thác APD sẽ được xác định là:

<Prec>APD=

M B eQF R

e A

σ +

(

Nếu như nhiễu nhiệt luôn luôn trội ,công suất thu được nhỏ nhất <Prec>APD

sẽ giảm đi bằng hệ số M,và coi như độ nhạy thu cũng được cải thiện cùng hệ sốM.tuy nhiên,nhiễu lượng tử cũng tăng đáng kể trong bộ thu APD.Nhìn chung,độnhạy của bộ thu quang APD được cải thiện nhiều nhất là từ 6 đến 8 db.sự cảithiện này có thể thu được trong các bộ phôtô-diôp thác APD loại InGaAs mà nóđược coi là loại tốt nhất của bộ thu phôtô–diôp thác

Ta thấy rằng <Prec>APD ở bộ thu phôtô-điôp thác sẽ tăng tuyến tính với tốc độbit B(Be=B/2),ngược với <Prec>p-i-n trong bộ thu phôtô-diôp p-i-n chỉ tăng với B1/2

trong giới hạn nhiễu nhiệt mà trường hợp này là trội.vì thế mà độ nhạy của bộthu quang bị giảm nhanh hơn khi tốc độ bít B tăng Sự giảm này là đặc tínhchung cho các bộ thu có giới hạn nhiễu lượng tử .ngoài ra khuếch đại củaphôtô-điôp thác rất nhạy cảm với nhiệt độ vì các ion hóa điện tử và lỗ trống phụthuộc vào nhiệt độ.đặc tính này là cá biệt tại các điện áp thiên áp cao.sự thay đỗinhỏ về nhiệt độ có thể gây ra sự biến cộng lớn cho khuếch đại APD

2.3 Các tham số có ảnh hưởng tới độ nhạy thu quang.

Giới hạn lượng tử trong tách sóng quang.

Trong các đặc tính của bộ thu quang, hiệu suất lượng tử là một tham số rấtquan trọng Tham số này thường được cân nhắc để có được tỷ số tín hiệu trênnhiễu SRN cao hơn Bộ tách sóng quang lý tưởng là một bộ tách sóng có hiệusuất lượng tử bằng 1 và không có dòng tối Điều đó có nghĩa rằng bộ tách sóngquang này có hiệu suất bằng 100% và không có cặp điện tử-lỗ trống nào là đượcphát ra khi không có mức công suất quang đi tới photodiode Với điều kiện đãcho này, hoàn toàn có thể tìm được công suất quang thu được nhỏ nhất được yêucầu đối với đặc tính tỷ số lỗi bit xác định trong hệ thống truyền dẫn quang.Trong trường hợp này công suất quang thu được nhỏ nhất được gọi là giới hạnlượng tử

Nếu Np là số trung bình các photon trong từng bit “1”, xác suất để phát ra mcặp điện tử -lỗ trống được cho bởi phân bố Poissin là:

Xác suất P(1/0) mà “1” nhận biết khi “0” được thu là bằng “0”, vì không cócặp điện tử-lỗ trống được phát đi khi Np = 0 Xác suất P(0/1) thu được bằng cáchthiết lập m = 0 với phương trình (4-74), vì “0” được quyết định trong trường hợpngay cả “1” được thu Vì vậy, P(1/0) = exp( - Np), và BER được cho bằng dạngdiễn giải đơn giản sau:

( )

exp 2

độ nhạy thu được xác định như là <Prec> = (P1 + P0)/2 = P1/2 được cho bởi biểuthức sau:

Tỷ số phân biệt

Nhìn chung hầu hết các thiết bị thu quang thường phát ra một lượng côngsuất nào đó ngay cả khi ở trạng thái công suất đóng Trong thiết bị phát quang sửdụng laser bán dẫn, công suất đóng (ngắt) P0 sẽ phụ thuộc vào dòng thiên áp Ibe

và dòng ngưỡng Ith Khi Ibe nhỏ hơn Ith, công suất quang vẫn còn phát trong thờigian truyền các bit “0” là do bức xạ tự phát Công suất P0 thường là nhỏ hơnnhiều công suất P1 ở trạng thái mở Trong trường hợp nào đó, công suất P0 có thểlớn đáng kể so với công suất P1 nếu như laser được phân áp chỉ vừa vượt quamức ngưỡng Vì vậy, tỉ số phân biệt được xác định bởi:

1 0

ext

P R P

=

Đối với bộ thu quang photodiode PIN, ta có <i1> = RP1 và <i0> = RP0 Sửdụng <Prec> = (P1+ P0)/2, tham số Q có thể được viết như sau:

0 1

2 1

1

σ

σ + +

Thông thường, σ1 và σ0 phụ thuộc vào <Prec> do có sự phụ thuộc vàothành phần nhiễu lượng tử vào tín hiệu quang thu được Tuy nhiên, cả hai đều cóthể xấp xỉ với nhiễu nhiệt σT khi đặt tính bộ thu là trội do nhiễu nhiệt Khi σ1 ≈

σ0 ≈ σT, độ nhạy thu <Prec> có thể được cho như sau:

R

Q R

R

ext

ext ext

10 log

ext rec ext

R

R P

P P

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

B = 10 Gbps BER = 10 -12

Hình6: Độ nhạy thu của bộ thu quang 10Gbit/s phụ thuộc vào tỷ số phân biệt.

Trong đó <Prec> là độ nhạy thu khi tính đến ảnh hưởng của tỷ số phân biệt.Hình 15 là kết quả tính toán mô phỏng độ nhạy thu quang của bộ thu 10Gbit/sphụ thuộc vào tỷ số phân biệt Khi tỷ số phân biệt lớn tới 20 dB thì hầu nhưkhông ảnh hưởng tới độ nhạy có giá trị bằng -20,6dBm tại

BER=10-12 Nhưng khi tỷ số phân biệt giảm dưới 10dB thì độ nhạy thu giảmđáng kể và làm xuống cấp hệ thống Như vậy mất mát công suất tăng khi Rext

giảm Đền bù 1dB xảy ra với Rext = 8,33 và tăng tới 6 dB cho Rext=1,67 Trongthực tế, các laser được phân áp dưới mức ngưỡng, Rext tiêu biểu là trên 20 và đền

bù công suất tương ứng (<0,4) là không đáng kể Khi tỷ số phân biệt lớn thì độnhạy thu sẽ không bị xuống cấp

IV CẤU TRÚC MẠCH BỘ THU QUANG

1 Các mạch tiền khuếch đại FET trở kháng cao

Trong thiết kế các bộ thu quang ,có thể có các transistor hiệu ứng trườngFET khác nhau.Đối với hệ thống thông tin quang có tốc độ Gbit/s sử dụng mạch tiền khuếch đại GaAs MESFET.Đối với các tốc độ thấp hơn thì dùng mạch MOSFET hoặc JFETsilic thường được sử dụng phổ biến.Mạch điện của bộ tiền khếch đại FET đơn giản được chỉ ra như hình sau: