Nâng cao độ nhạy ở bộ thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ DƯƠNG TRẦN NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HP Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số ngành: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH *** Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH Cán chấm nhận xét 1: GS TS ĐẶNG LƯƠNG MÔ Cán chấm nhận xét 2: TS TRẦN XUÂN PHƯỚC Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 08 tháng 11 năm 2003 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ DƯƠNG TRẦN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04 – 08 – 1978 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số ngành: 2.07.01 I TÊN ĐỀ TÀI: NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU QUANG KẾT HP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu vấn đề quang hệ thống thông tin quang • Nghiên cứu khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp • Thực mô hệ thống thông tin quang với kỹ thuật thu quang trực tiếp thu quang kết hợp • So sánh, đánh giá chất lượng qua thông số BER, độ nhạy, … III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương): 24 – 04 – 2003 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận văn): 08 – 11 – 2003 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH (Ký tên ghi rõ họ, tên, học hàm học vị) Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Lời Cảm Ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy VŨ ĐÌNH THÀNH, người thầy tận tình bảo giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo dạy dỗ bảo em năm học vừa qua, đặc biệt thầy cô môn Điện Tử – Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Xin chân thành cảm ơn anh chị, bạn bè giúp đỡ trình thực luận văn Cuối cùng, xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến cha, mẹ người thân gia đình hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Tóm tắt Kỹ thuật thu quang kết hợp mang lại nhiều ưu điểm cho hệ thống thông tin quang nhờ khả kết hợp tín hiệu dao động nội với tín hiệu mang thông tin Sự kết hợp tạo tính ưu việt hệ thống thông tin quang kết hợp như: nâng cao độ nhạy khả lựa chọn độ nhạy thu, tín hiệu có công suất lớn, tận dụng thành phần sóng ánh sáng, … so với kỹ thuật thu quang trực tiếp Luận án nhằm mục đích khảo sát chứng minh tính ưu việt kỹ thuật thu quang kết hợp so với thu quang trực tiếp qua thông số đặc tính thu quang BER, giới hạn lượng tử, độ nhạy, … Luận án bao gồm 06 chương: Chương 1: Tổng quan thông tin quang Chương 2: Truyền tín hiệu sợi quang Chương 3: Hệ thống thông tin quang Chương 4: Thu quang Chương 5: Kỹ thuật thu quang kết hợp Chương 6: Chương trình mô Abstract Coherent optical receive technology has a lot of advantage to optical communication systems by combine a local oscillate signal with a information signal This combination create preeminent of coherent optical communication system as: increase sensitivity and choose receive sensitivity, out signal has large power, use components of the light wave, ect … in comparison with direct optical receive technology Thesis in order to survey and demonstrate the preeminent of coherent optical receive technology against direct optical receive technology through property parameters of optical receiver as: BER, quantum limit, sensitivity, … This thesis contains 06 chapters: Chapter 1: Overview ablout optical communication Chapter 2: Transmit signal in optical fiber Chapter 3: Optical communication system Chapter 4: Optical receive Chapter 5: Coherent optical receive technology Chapter 6: Simulation program Giới thiệu Với tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, kích cỡ trọng lượng nhỏ, tính bảo mật cao, suy hao thấp chịu ảnh hưởng nhiễu bên ngoài, sợi quang phương tiện truyền dẫn tốt Mặc dù có giá thành cao, kỹ thuật xử lý phức tạp chưa sử dụng rộng rãi nước ta, sợi quang dần trở thành môi trường truyền dẫn chủ yếu để chuyển tải hầu hết dung lượng thông tin đường dài nước quốc tế Mạng viễn thông dựa công nghệ sợi quang trở thành hệ thống truyền thông chính, với tuyến sợi quang có dung lượng lớn lắp đặt toàn cầu, đất liền biển Cùng với phát triển hệ thống công nghệ cáp quang, tạo loại laser diode có độ rộng phổ hẹp phù hợp với hệ thống thông tin quang, cải thiện tính ổn định tần số công suất phát laser, tạo thiết bị quang thụ động với công nghệ chế tạo tinh vi độ xác cao, …, việc nghiên cứu, khảo sát để tìm phương pháp, kỹ thuật xử lý truyền dẫn tín hiệu bên cáp quang với mục đích nâng cao chất lượng, độ tin cậy, … vấn đề cần quan tâm Nắm bắt vấn đề này, thực nghiên cứu đề tài: “Nâng cao độ nhạy thu quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp” Trong luận văn trình bày kỹ thuật xử lý gọi Kỹ thuật thu quang kết hợp Đây kỹ thuật mang lại nhiều hiệu tận dụng băng tần rộng ánh sáng sợi quang, truyền số lượng lớn kênh, nâng cao khả lựa chọn độ nhạy thu, … Tuy nhiên, kỹ thuật áp dụng vài lónh vực giới hạn, phạm vi phòng nghiên cứu hạn chế công nghệ tính kinh tế Kỹ thuật thu quang kết hợp tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện, tương lai thay kỹ thuật sử dụng Luận văn gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan thông tin quang Chương giới thiệu tổng quan quang hệ thống thông tin quang, cấu tạo số đặc tính cáp quang Chương 2: Truyền tín hiệu sợi quang Chương trình bày số đặc điểm ánh sáng, chế xử lý ánh sáng quan trọng hệ thống thông tin quang vấn đề suy hao méo tín hiệu sợi quang Chương 3: Hệ thống thông tin quang Chương liệt kê số thành phần linh kiện quan trọng thường có hệ thống thông tin quang, vấn đề ghép công suất quang, điều chế mã hóa tín hiệu, … Chương 4: Thu quang Các vấn đề thông số thể đặc tính thu quang trình bày chương Chương 5: Kỹ thuật thu quang kết hợp Chương phần luận văn, tập trung vào phân tích đặc điểm tính chất kỹ thuật thu quang kết hợp, so sánh, đánh giá kỹ thuật với kỹ thuật thường sử dụng thu quang trực tiếp Chương 6: Chương trình mô Đây phần cuối luận văn nhằm mục đích khảo sát minh họa vấn đề đưa chương Vì vấn đề mới, tài liệu tham khảo hạn chế thời gian có hạn, luận văn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp, dẫn quý thầy cô bạn MỤC LỤC Lời cảm ơn Giới thiệu Mục lục Chương 1: Tổng quan thông tin quang 1.1 Tổng quan 1.1.1 Các loại hệ thống thoâng tin 1.1.2 Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang 1.1.3 Các ứng dụng hệ thống truyền dẫn quang 1.1.4 Các phần tử tuyến truyền dẫn quang 1.2 Sợi quang 1.2.1 Cấu tạo sợi quang 1.2.2 Phân loại sợi quang .10 1.2.3 Suy hao sợi quang 14 1.2.4 Tán sắc ánh sáng băng thông sợi quang 16 Chương 2: Truyền tín hiệu sợi quang 2.1 Các đặc điểm ánh sáng 19 2.2 Khẩu độ số 21 2.3 Biến đổi điện – quang 22 2.3.1 Cơ chế phát xạ aùnh saùng 22 2.3.2 Phát xạ ánh sáng chất bán dẫn 23 2.4 Cơ chế thu quang 24 2.5 Các đặc tính truyền dẫn sợi quang 26 2.5.1 Suy hao tín hiệu 26 2.5.2 Méo tín hiệu 32 2.6 Tín hiệu nhiễu quang 37 Chương 3: Hệ thống thông tin quang 3.1 Các thành phần hệ thống thông tin quang 41 3.1.1 Bộ ghép 41 3.1.2 Boä cách ly truyền 42 3.1.3 Nguồn phát quang 43 3.1.4 Taùch soùng quang 48 3.1.5 Bộ khuếch đại quang 56 3.1.6 Bộ ghép kênh lọc 59 3.1.7 Bộ chuyển mạch 60 3.1.8 Bộ chuyển đổi bước sóng .63 3.2 Ghép công suất quang 64 3.3 Điều chế mã hóa 66 3.3.1 Điều chế 66 3.3.2 Mã hóa 68 Chương 4: Thu quang 4.1 Hoạt động thu quang 70 4.1.1 Cấu hình thu quang 70 4.1.2 Truyền dẫn tín hiệu số 71 4.1.3 Các nguồn gây lỗi 72 4.2 Tính toán chất lượng máy thu số 75 4.2.1 Xác suất lỗi 75 4.2.2 Giới hạn lượng tử 78 4.2.3 Nhieãu 80 4.2.4 Tỉ số tín hiệu nhiễu 83 141 142 ™ Trường hợp FSK có nhiễu 143 144 Nhận xét: Dựa đồ thị biểu diễn tín hiệu trình truyền xử lý tín hiệu, ta có số nhận xét sau: • Tín hiệu sau lọc thông thấp LPF thu trực tiếp thu đồng tần (homodyne) không xác dạng xung vuông Muốn phục hồi lại dạng tín hiệu ban đầu, tín hiệu đưa qua định có mức tách ngưỡng chọn tối ưu để chọn tín hiệu • Độ chênh lệch hai mức tín hiệu thu đồng tần điều chế PSK lớn độ chênh lệch thu trực tiếp thu đồng tần điều chế ASK Như độ xác sau định điều chế PSK cao ASK Do xác suất lỗi bit BER điều chế PSK nhỏ ASK 145 • Với thu sai tần (heterodyne), ta nhận thấy dạng tín hiệu thu sai tần FSK khác biệt với tín hiệu ban đầu nhiều so với ASK PSK Điều cho thấy thu sai tần FSK có BER lớn ASK PSK • So với thu trực tiếp, ảnh hưởng nhiễu lên tín hiệu sau kết hợp thu kết hợp nhỏ Như thường thu đồng tần có độ xác cao thu trực tiếp, với thu sai tần chưa thể nhận định phụ thuộc vào việc giải điều chế tín hiệu điện tần số trung tần Sau số kết mô thực với chiều dài chuỗi liệu vào lớn ™ Điều chế ASK (OOK) Trong kiểu điều chế ASK, phương pháp thu trực tiếp, thu đồng tần (homodyne) thu sai tần (heterodyne) sử dụng Các thông số mô phỏng: Tần số sóng mang: Fc = 10 (GHz) Tần số dao động nội: Fo = (GHz) Tốc độ bit: R = (GHz) Biên độ sóng mang: A = Biên độ dao động nội: B = Số khối liệu: N = 10.000 Số bit/1 khối liệu: block = 10 Kiểu điều chế: ASK Nhiễu: chọn giá trị SNR (dB) khác Bảng kết xác suất lỗi bit BER điều chế ASK: 146 SNR (dB) Theo lý thuyết Thu trực tiếp Thu đồng tần Thu sai tần Inf 0 0 12 0.02327 0.00013 0.02825 11.5 0.03011 0.03652 0.04941 11 0.03803 0.02494 0.02386 10.5 0.04698 0.03815 0 10 0.05692 0.04741 0 9.5 0.06776 0.02489 0.05138 0.07939 0.00356 0.05027 8.5 0.09170 0.07325 0.10293 0.10457 0.06450 0.00026 7.5 0.11787 0.07514 0 0.13149 0.09716 0.09823 6.5 0.14531 0.12537 0.08785 0.12744 0.15923 0.09034 0.08845 5.5 0.17314 0.04572 0.03481 0.05028 0.18696 0.13824 0.08643 0.09971 4.5 0.20062 0.21875 0.03992 0.05076 0.21405 0.14956 0.04670 0.04911 3.5 0.22719 0.25664 0.05106 0.05118 0.24001 0.21058 0.04922 0.20279 2.5 0.25246 0.32971 0.25327 0.17487 0.26452 0.34992 0.27784 0.05662 1.5 0.27617 0.34275 0.13758 0.05217 0.28740 0.37018 0.24196 0.15054 147 0.5 0.29819 0.36192 0.12910 0.05122 0.30854 0.30724 0.17366 0.06323 Đồ thị BER bảng kết điều chế ASK vẽ lên sau: ™ Điều chế PSK Trong điều chế PSK, thu trực tiếp không sử dụng được, có thu kết hợp (coherent) thu đồng tần thu sai tần thực Các thông số mô phỏng: Tần số sóng mang: Fc = 10 (GHz) Tần số dao động nội: Fo = (GHz) Tốc độ bit: R = (GHz) Biên độ sóng mang: A = Biên độ dao động nội: B = 148 Số khối liệu: N = 10.000 Số bit/1 khối liệu: block = 10 Kiểu điều chế: PSK Nhiễu: Mean = 0; thay đổi giá trị Var Bảng kết xác suất lỗi bit BER điều chế PSK: Var SNR (dB) Theo lý thuyết Thu đồng tần Thu sai tần Inf 0 0.05 13.01030 0.01267 0 0.1 10 0.05692 0 0.15 8.23909 0.09835 0 0.2 6.98970 0.13178 0 0.25 6.02060 0.15866 0 0.3 5.22879 0.18066 0 0.35 4.55932 0.19901 0.02274 0.4 3.97940 0.21460 0.12128 45 3.46787 0.22803 0.07425 0.5 3.01030 0.23975 0.07232 0.55 2.59637 0.25010 0.10229 0.6 2.21849 0.25930 0.12263 0.65 1.87087 0.26757 0.07245 0.7 1.54902 0.27505 0.07354 0.25348 0.75 1.24939 0.28185 0.10036 0.31880 0.8 0.96910 0.28808 0.15138 0.27221 0.85 0.70581 0.29380 0.03825 0.32661 0.9 0.45757 0.29908 0.13169 0.30275 149 0.95 0.22276 0.30398 0.27268 0.32847 0.30854 0.30082 0.37036 Đồ thị BER bảng kết điều chế PSK vẽ lên sau: ™ Điều chế FSK Chỉ có thu sai tần sử dụng kiểu điều FSK, thu trực tiếp thu đồng tần không sử dụng trường hợp Các thông số mô phỏng: Tần số sóng mang: Fc = 10 (GHz) Tần số dao động nội: Fo = (GHz) Tốc độ bit: R = (GHz) Biên độ sóng mang: A = Biên độ dao động nội: B = 150 Số khối liệu: N = 10.000 Số bit/1 khối liệu: block = 10 Kiểu điều chế: FSK Nhiễu: chọn giá trị SNR (dB) khác Bảng kết xác suất lỗi bit BER điều chế FSK: SNR (dB) Theo lý thuyết Thu sai tần Inf 0 12 0.02327 0.09974 11 0.03803 0.09892 10 0.05692 0.04875 0.07939 0.14652 0.10457 0.10836 0.13149 0.10247 0.15923 0.19851 0.18696 0.05213 0.21405 0.20674 0.24001 0.25236 0.26452 0.20092 0.28740 0.10158 0.30854 0.20137 Đồ thị bảng kết điều chế FSK vẽ lên sau: 151 Nhận xét: • Từ giá trị bảng kết đồ thị BER ta thấy đường tỉ lệ lỗi bit BER kiểu thu quang kiểu điều chế không tuyến tính Đó nhiễu tác động vào hệ thống có giá trị ngẫu nhiên tác động vào chuỗi bit gây sai bit cách ngẫu nhiên • Tuy đường xác suất lỗi không tuyến tính, đồ thị cho thấy nhiễu tăng lên (SNR giảm xuống hay Var tăng lên) BER có xu hướng tăng lên, có trường hợp nhiễu lớn BER lại nhỏ Tuy nhiên trường hợp không xảy nhiều thực nhiều lần cho kết dự kiến • Từ đồ thị tỉ lệ lỗi bit BER, ta nhận thấy trường hợp thu đồng tần (homodyne) cho kết tốt nhất, thu trực tiếp sau thu sai tần (heterodyne) 151 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Cùng với phát triển vượt bậc công nghệ chế tạo thành phần hệ thống thông tin quang, đời kỹ thuật thu quang kết hợp góp phần thúc đẩy nhanh phát triển ứng dụng thông tin quang vào lónh vực đời sống xã hội Ngoài khả tận dụng thành phần tính chất ánh sáng (biên độ, tần số, pha) việc truyền dẫn liệu, hệ thông thông tin quang sử dụng kỹ thuật thu quang kết hợp mang lại số đặc điểm ưu việt khác: • Hệ thống thông tin quang kết hợp nâng cao độ nhạy thu so với hệ thống thông tin quang khác khả lựa chọn độ nhạy thu cách điều chỉnh dao động nội Độ nhạy thu hệ thống thông tin quang kết hợp gần đạt đến giá trị lý tưởng giới hạn lượng tử • Tất trình xử lý tín hiệu sau tách sóng kết hợp thực dải tần số trung tần Trong dải tần số này, việc xử lý tín hiệu dễ dàng cho độ xác cao • Kỹ thuật thu quang kết hợp cho dòng tín hiệu lớn nhiều so với kỹ thuật thu quang trực tiếp Do hạn chế công nghệ, thiết bị làm cho hệ thống thông tin quang kết hợp trở nên không khả thi thực tế Chi phí cao, cấu trúc phức tạp, việc bảo trì, bảo dưỡng khó khăn, tốn kém, cạnh tranh với hệ thống thông tin quang thu trực tiếp sử dụng Mặc dù có độ nhạy không cao, độ rộng băng thông hạn chế bị giới hạn tốc độ truyền dẫn thông tin, thu quang trực tiếp sử dụng rộng rãi nhờ cấu trúc hệ thống đơn giản giá thành thấp Tuy nhiên với ưu điểm mình, tương lai kỹ thuật thu quang kết hợp dần thay kỹ thuật sử dụng 152 Luận văn nghiên cứu vấn đề hệ thống thông tin quang, trình truyền dẫn xử lý thông tin tuyến truyền dẫn quang, thực việc khảo sát, đánh giá hai phương pháp thu quang trực tiếp thu quang kết hợp Bên cạnh tiến hành mô minh họa trình truyền thu quang hai hệ thống thông tin, thực tính toán thông số đặc trưng hệ thống Tuy nhiên luận văn nhiều thiếu sót Việc phân tích bỏ qua thành phần nhiễu mà điều kiện ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động hệ thống Chương trình mô có cố gắng thể đầy đủ vấn đề truyền dẫn giả thiết môi trường lý tưởng Hướng phát triển luận văn cần tập trung sâu vào khảo sát hệ thống có yếu tố nhiễu nội nhiễu dòng tối thiết bị tách sóng, nhiễu khuếch đại, nhiễu nhiệt, …, đồng thời xét ảnh hưởng qua lại ghép kênh hệ thống 153 TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] Josept C.Palais, “Fiber Optic Communication”, 1984 [2] Henry Zanger, “Fiber Optics”, 1991 [3] Frederick C.Allard, “Fiber Optics Handbook”, 1990 [4] William B.Jones, “Introduction to Optical Fiber Communication Systems”, Holt, 1988 [5] John Gowar, “Optical Communication Systems”, Prentice Hall, 1993 [6] Gerd Keiser, “Optical Fiber Communications”, McGraw-Hill, 1996 [7] VNPT, “Công nghệ truyền dẫn quang”, KH & KT, 1997 [8] Phùng Văn Vận, Trần Hồng Quân, Nguyễn Cảnh Tuấn, Phạm Hồng Ký, Nguyễn Hoài Nam, “Hệ thống thông tin sợi quang”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2002 [9] VNPT, “Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông” [10] Các tài liệu Internet tạp chí khoa học TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÊ DƯƠNG TRẦN Ngày, tháng, năm sinh: 04 – 08 – 1978 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: 101/8 Trần Kế Xương, Phường 07, Quận Phú Nhuận, TP HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO • Từ năm 1996 đến năm 2001: Học Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM • Từ năm 2001 đến nay: Học Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC ... cứu đề tài: ? ?Nâng cao độ nhạy thu quang sử dụng kỹ thu? ??t thu quang kết hợp? ?? Trong luận văn trình bày kỹ thu? ??t xử lý gọi Kỹ thu? ??t thu quang kết hợp Đây kỹ thu? ??t mang lại nhiều hiệu tận dụng băng... NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Ở BỘ THU QUANG SỬ DỤNG KỸ THU? ??T THU QUANG KẾT HP II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu vấn đề quang hệ thống thông tin quang • Nghiên cứu khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng. .. tính thu quang trình bày chương Chương 5: Kỹ thu? ??t thu quang kết hợp Chương phần luận văn, tập trung vào phân tích đặc điểm tính chất kỹ thu? ??t thu quang kết hợp, so sánh, đánh giá kỹ thu? ??t với kỹ