Bài giảng thông tin quang chương 4 một số công nghệ kỹ thuật

Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang - CHƯƠNG IVMỘT SỐ CÔNG NGHỆ, KỸ THUẬT VÀ XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG MẠNG TRUYỀN TẢI QUANG 4.1 CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC Như phân tích chương nhờ khuếch đại quang mà suy hao sợi khơng cịn yếu tố hạn chế chủ yếu hệ thống thông tin quang Đối với hệ thống thông tin quang đại thường bị hạn chế tán sắc hiệu ứng phi tuyến suy hao Các khuếch đại quang khắc phục vấn đề suy hao lại làm tăng tán sắc khơng khơi phục tín hiệu trở dạng gốc Kết tán sắc tích lũy qua khuếch đại nối liên tiếp dọc tuyến Do đó, phải thực quản lí tán sắc kỹ thuật bù tán sắc Như biết ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm (GVD) tối thiểu hóa sử dụng laser phổ hẹp hoạt động vùng bước sóng tán sắc zero ZD sợi quang Tuy nhiên thực tế bước sóng hoạt động () khơng vùng này, thí dụ hệ thống quang hoạt động bước sóng 1550nm sử dụng laser hồi tiếp phân tán (DFB) Các hệ thống lắp đặt từ năm 1980 gồm 50 triệu km sợi đơn mode tiêu chuẩn (SM) có bước sóng tán sắc zero Sơ đồ quản lí tán sắc cố gắng giải ZD=1297nm Vì loại sợi có tham số tán sắc D  16 ps / km.nm bước sóng 1550 nm, tán sắc vận tốc nhóm hạn chế nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống tốc độ bít vượt 2,5 Gbit/s Đối với laser DFB điều chế trực tiếp khoảng cách truyền dẫn cực đại xác định theo biểu thức: L  4 B D s   1 (4.1) Trong s độ rộng hiệu dụng (RMS) xung ánh sáng bị chirp Khi sử dụng D = 16 ps/km.nm s   0,15nm , hệ thống hoạt động 2,5 Gbit/s khoảng cách truyền dẫn bị hạn chế 42 km Hơn hệ thống sử dụng trạm lặp điện có khoảng lặp 40 km khơng có lợi cho sử dụng khuếch đại quang Tuy nhiên, tốc độ bít khơng thể tăng lớn 2,5 Gbit/s khoảng lặp ngắn không kinh tế Chất lượng hệ thống cải thiện nhờ sử dụng điều chế ngồi tránh dãn phổ chirp tần số Sự lựa chọn trở thành thực tế với thượng mại hoá máy phát chứa laser DFB với điều chế Khoảng cách truyền dẫn cực đại xác định theo biểu thức:  L  16  B  1 (4.2) 122 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Trong β2 hệ số GVD Nếu cho β2= - 20 ps2/km 1,55 µm, L< 500 km 2,5 Gbit/s Mặc dù so với trường hợp điều chế trực tiếp laser DFB cải thiện tán sắc hạn chế cự ly thông tin liên quan đến sử dụng khuếch đại đường Nếu tốc độ bít tăng tới 10 Gbit/s cự ly truyền dẫn bị hạn chế GVD giảm tới 30 km, khuếch đại quang sử dụng hệ thống quang Căn vào phương trình (4.2), GVD sợi đơn mode tiêu chuẩn tương đối lớn hạn chế tính hệ thống 1,55 µm thiết kế để sử dụng mạng viễn thông có tốc độ bít 10 Gbit/s lớn Sơ đồ quản lý tán sắc cố gắng giải vấn đề thực tế Ý tưởng hồn tồn đơn giản hiểu sử dụng phương trình truyền xung: A i  A   A   0 z t t (4.3) Trong A biên độ đường bao xung Ảnh hưởng tán sắc bậc ba số hạng β3 Trong thực tế số hạng bỏ qua  lớn 0,1 ps2/km Giải phương trình (4.3), trường hợp riêng β3 = nghiệm là: A z , t   2    ~ i  A0,   exp  z  it d 2  (4.4) ~ Trong A(0,  ) biến đổi Fourier A(0,t) Giảm tán sắc tín hiệu quang nhờ giảm hệ số pha exp i z / 2 tín hiệu quang Các sơ đồ quản lý tán sắc cố gắng xố hệ số pha cho tín hiệu vào khơi phục Giải pháp thực máy phát, máy thu dọc theo sợi quang Dưới xem xét ba trường hợp riêng rẽ 4.1.1 Giải pháp bù trước Giải pháp quản lý tán sắc làm thay đổi đặc tính xung vào máy phát trước truyền vào sợi quang Ý tưởng nhận biết từ phương trình ~ (4.4) Nó làm thay đổi biên độ phổ A0,   xung vào theo cách loại bỏ suy giảm GVD gây Biên độ phổ cần thay đổi theo dạng sau đây: ~ ~ A 0,    A 0,   exp  i  L /   (4.5) Trong L chiều dài sợi, GVD bù cách xác xung giữ nguyên pha đầu sợi Đáng tiếc khơng dễ dàng thực theo phương trình (4.5) thực tế Một giải pháp đơn giản xung vào chirp thích hợp để tối thiểu hố dãn rộng xung GVD Vì chirp tần số áp dụng máy phát trước truyền xung, sơ đồ gọi kỹ thuật chirp trước 123 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang AM FM đồng thời tín hiệu quang không cần thiết bù tán sắc Trong giải pháp khác xem truyền hỗ trợ tán sắc, sử dụng khn dạng khố dịch tần (FSK) cho truyền tín hiệu Tín hiệu FSK tạo nhờ chuyển mạch bước sóng laser lượng  số bít bít cho phép công suất không thay đổi Khi truyền sợi quang, hai bước sóng di chuyển với tốc độ khác chút Trễ thời gian bít xác định dịch bước sóng ∆λ cho T  DL Dịch bước sóng ∆λ chọn cho ∆T = 1/B Do tán sắc nên tín hiệu FSK chuyển thành tín hiệu điều chế biên độ Tín hiệu giải mã máy thu nhờ sử dụng liên kết điện để kết hợp với mạch định 4.1.2 Giải pháp bù sau Sử dụng kỹ thuật điện để bù tán sắc GVD máy thu Ý nghĩa khoa học đằng sau phương pháp tín hiệu quang bị suy giảm GVD, làm phẳng hiệu ứng tán sắc điện tử sợi thực vai trò hệ thống tuyến tính Nó tương đối dễ bù tán sắc, máy thu heterodyne sử dụng để tách tín hiệu Trước tiên, máy thu heterodyne biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu vi ba tần số trung gian  IF trì biên độ pha thơng tin Bộ lọc thơng dải vi ba có đáp ứng xung chi phối hàm truyền đạt:  H ( )  exp  i   IF   L /  (4.6) L chiều dài sợi, phải khơi phục tín hiệu thu thành dạng gốc Kỹ thuật thực tế để bù tán sắc hệ thống quang coherent Tuy nhiên sử dụng máy thu coherent thường không thực tế Bộ bù tán sắc điện tử thực tế nhiều máy thu tách trực tiếp Một số kỹ thuật bù phi tuyến triển khai cho phép khơi phục tín hiệu bị suy biến tán sắc Đối với mạch bù điện tử tuyến tính khơng thể bù GVD tất thông tin pha bị trình tách trực tiếp tách quang đáp ứng theo cường độ quang Kết là, khơng có kỹ thật bù tuyến tính để khơi phục tín hiệu mà bị trải ngồi khe bit phân bổ 4.1.3 Giải pháp bù quang Giải pháp thường sử dụng để bù tán sắc đường truyền dẫn quang Hiện nay, có nhiều kỹ thuật sử dụng như: - Sử dụng sợi quang bù tán sắc (DCF) - Sử dụng lọc quang - Sử dụng cách tử sợi quang - Sử dụng kỹ thuât kết hợp pha quang 124 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Kỹ thuật bù tán sắc sử dụng DCF đề cập phần 1.3.3.2 Trong kỹ thuật có nhược điểm phải sử dụng sợi DCF có chiều dài lớn, làm tăng thêm suy hao đáng kể cho tuyến truyền dẫn Vì vậy, để giảm suy hao tăng thêm bù tán sắc phải sử dụng kỹ thuật bù lọc cách tử sợi phương pháp kết hợp pha quang Trong kỹ thuật bù tán sắc lọc quang, thường lọc quang đặt sau chặng sợi dài L km Giả sử lọc quang có hàm truyền đạt H(), tín hiệu quang lọc từ biểu thức (4.4) biểu diễn biểu thức (4.7) A( L, t )  2  ~ i  A(0,  ) H ( ) exp  L  it  d 2    (4.7) Bằng cách khai triển pha H() chỗi Taylor giữ số hạng bậc hai biểu thức 4.8   H ( )  H ( ) expi ( )  H ( ) exp i    1   2    (4.8) Trong đó, m=dm/d m (m=0,1, ) ước lượng tần số sóng mang quang  Pha số 0 trễ thời gian 1 không ảnh hưởng tới dạng xung bỏ qua Pha phổ sợi sinh bù cách chọn lọc quang cho có 2=- 2L Xung phục hồi hoàn toàn H() số hạng bậc ba bậc cao khai triển Taylor không đáng kể Đối với kỹ thuật bù tán sắc cách tử Bragg sợi, coi lọc quang có tồn “băng dừng”, vùng tần số mà hầu hết ánh sáng tới phản xạ trở lại Băng dừng có bước sóng trung tâm bước sóng Bragg: B=2n, n số mode  chu kỳ cách tử 4.2- CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG Khi công suất sợi quang nhỏ sợi quang xem mơi trường tuyến tính, tính phi tuyến sợi quang bỏ qua Tuy nhiên, công suất ánh sáng sợi quang vượt q mức đó, tính phi tuyến sợi quang ảnh hưởng tới trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang Khi xuất hiệu ứng phi tuyến, nghĩa suy hao chiết suất phụ thuộc cơng suất tín hiệu quang sợi Hiệu ứng phi tuyến gây số tượng như: xuyên âm kênh quang, suy giảm mức tín hiệu kênh dẫn đến suy giảm tỉ số S/N … Đáp ứng vật liệu điện môi ánh sáng trở nên phi tuyến cường độ trường điện từ lớn, sợi quang Vector phân cực P 125 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang tạo từ ngẫu cực điện tử khơng cịn tuyến tính trường E, mà tuân theo quan hệ tổng quát sau:   P    1 E   2  : EE   3  EEE   (4.9) đó: 0 độ thẩm chân không (j) (j=1, 2, ) độ cảm bậc j biểu thức trên, (1) đóng góp phần chủ yếu vào P Các ảnh hưởng tạo thông qua hệ số chiết suất n hệ số suy hao  (2) gây hiệu ứng phi tuyến như: tạo hài bậc 2, tạo tần tố tổng Tuy nhiên với sợi quang (2) = Vì thơng thường sợi quang khơng có hiệu ứng phi tuyến bậc Nhìn chung hiệu ứng phi tuyến sợi quang chia làm loại: - Các hiệu ứng tán xạ kích thích (Raman Brillouin) - Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr, bao gồm hiệu ứng SPM (self phase modulation), XPM (cross phase modulation) FWM (four wave mixing) Đây hiệu ứng liên quan đến phụ thuộc chiết suất sợi quang vào cường độ ánh sáng lan truyền sợi quang ảnh hưởng (3) (còn gọi hiệu ứng Kerr), tức hệ số chiết suất sợi tính theo biểu thức sau: n = n0 + nNL = n0 + n2E2 (4.10) Với: n0 chiết suất tuyến tính (n0  1.5) n2 hệ số chiết suất phi tuyến liên quang đến (3) theo công thức sau: n2  3  Re   8n   (4.11) (n2  2.6  10-20m2/W, sợi Si) E trường quang nNL độ thay đổi chiết suất mơi trường truyền dẫn Hai loại hiệu ứng có điểm khác biệt sau: - Trong hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr, khơng có trao đổi lượng trường điện từ môi trường điện mơi Cịn hiệu ứng tán xạ kích thích, trường quang chuyển phần lượng cho mơi trường phi tuyến 126 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang - Các hiệu ứng tán xạ kích thích gây nên suy hao khuếch đại tín hiệu phụ thuộc vào cường độ ánh sáng lan truyền sợi Còn hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr gây nên dịch pha phụ thuộc vào cường độ tín hiệu - Một điểm khác biệt với hiệu ứng tán xạ kích thích có mức cơng suất ngưỡng mà hiệu ứng phi tuyến xảy ra, tức ngưỡng có có chuyển đổi lớn lượng sóng bơm thành lượng Stokes Còn hiệu ứng Kerr khơng có ngưỡng Trong nội dung xét ảnh hưởng cụ thể loại hiệu ứng phi tuyến chất lượng tính hiệu lan truyền sợi quang 4.2.1 Hiệu ứng tự điều chế pha (SPM) Hiện tượng tạo nên dịch pha phi tuyến  NL trường quang lan truyền sợi quang Giả sử bỏ qua suy hao quang sau khoảng cách L, pha trường quang là:  2nL 2L n  n E       const   NL (4.12) - Đối với trường quang có cường độ khơng đổi hiệu ứng SPM làm quay pha trường quang, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Tuy nhiên trường quang có cường độ thay đổi (như xung hệ thống thơng tin số) pha phi tuyến  NL thay đổi theo thời gian Sự thay đổi theo thời gian có nghĩa xung tín hiệu tồn nhiều tần số quang khác với tần số trung tâm 0 giá trị NL, với: NL = (-1/2) ( NL/t) (4.13) - Hiện tượng gọi tượng dịch tần phi tuyến làm cho sườn sau xung dịch đến tần số 0 Điều có nghĩa phổ tín hiệu bị dãn trình truyền Trong hệ thống WDM, đặc biệt khoảng cách kênh gần nhau, tượng dãn phổ SPM dẫn đến giao thoa gây nhiễu kênh - Hơn nữa, xét đến ảnh hưởng tán sắc thấy dạng xung bị biến đổi theo dọc sợi Nếu gọi D hệ số tán sắc sợi, thì: + Với D0) lan truyền nhanh thành phần tần số thấp (0: thành phần tần số cao (>0) lan truyền chậm thành phần tần số thấp ( 1W (nếu hệ thống không sử dụng khuếch đại quang đường truyền) Tuy nhiên hệ thống WDM mức cơng suất thấp nhiều Theo lý thuyết Chraplyvy, để đảm bảo suy giảm SNR khơng nhỏ 0.5 dB mức công suất kênh phải thoả mãn: P 10,28x10 12 N N  1L eff f (4.21) Trong đó: N số kênh bước sóng; f khoảng cách kênh bước sóng Như hệ thống WDM hiệu ứng hạn chế số kênh bước sóng, khoảng cách kênh, cơng suất kênh tổng chiều dài hệ thống Hơn nữa, bước sóng Stoke tạo lại trùng với kênh tín hiệu hiệu ứng gây xun âm kênh 4.2.5 Hiệu ứng Brillouin (SBS) Hiệu ứng tương tự hiệu ứng SRS, tức có tạo thành bước sóng Stoke dài bước sóng ánh sáng tới Điểm khác hai hiệu ứng là: hiệu ứng SBS liên quan đến photon âm học, hiệu ứng SRS liên quan đến photon quang Chính khác biệt mà hai hiệu ứng có ảnh hưởng khác đến hệ thống WDM Trong hiệu ứng này, phần ánh sáng bị tán xạ photon âm học dịch tới bước sóng dài (tương đương với độ dịch tần khoảng 11 GHz bước sóng 1550 nm) Tuy nhiên có phần ánh sáng bị bị tán xạ theo chiều ngược trở lại (tức ngược với chiều truyền tín hiệu) truyền sợi quang Vì vậy, hệ thống WDM tất kênh truyền theo hướng hiệu ứng SBS khơng gây xun âm kênh Trong tất hiệu ứng phi tuyến ngưỡng cơng suất xảy hiệu ứng SBS thấp nhất, khoảng vài mW Tuy nhiên, hiệu ứng SBS giảm tỉ lệ với B/Laser (B băng tần khuếch đại Brillouin, Laser độ rộng phổ laser) băng tần khuếch đại Brillouin hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng khó xảy Chỉ có nguồn phát có độ rộng phổ hẹp bị ảnh hưởng bới hiệu ứng SBS 131 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Chuẩn IEEE 802.3 Ethernet PON (EPON hay GEPON) hoàn thành năm 2004, phần dự án Ethernet First Mile EPON chuẩn IEEE 802.3 sử dụng khung Ethernet đối xứng 1,24 Gbit/s tốc độ luồng lên luồng xuống EPON ứng dụng cho mạng trung tâm liệu, mạng dịch vụ ba thoại, liệu video Gần đây, năm 2006, tiếp tục thực chuẩn EPON tốc độ cực cao 10Gigabit/s (chuẩn XEPON hay 10- GEPON) Mạng quang thụ động có ba cấu hình là:  Cấu hình Ring  Cấu hình  Cấu hình bus Cấu hình Ring thể hình 4.8 OLT ONU Hình 4.8 Cấu hình Ring Cấu hình thể hình 4.9 Hình 4.9 Cấu hình Cấu hình bus thể hình 4.10 Hình 4.10 Cấu hình Bus PON 138 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang 4.4- QUANG COHERENT 4.4.1 Khái niệm thông tin quang coherent Tách sóng trực tiếp tín hiệu quang điều chế cường độ trình đếm số lượng hạt photon đến thu Quá trình bỏ qua pha phân cực sóng mang tạo từ linh kiện quang Tất trình giới thiệu hệ thống thông tin quang IM/DD Hệ thống IM/DD sử dụng thu tách sóng trực tiếp có nhược điểm nhiễu tạo từ tách sóng quang tiền khuếch đại cao Do độ nhạy hệ thống tách sóng theo qui luật bình phương nhỏ độ nhạy hệ thống sử dụng tách sóng theo giới hạn nhiễu lượng tử từ 10dB đến 20dB Do đó, để tăng độ nhạy thu quang sử dụng kỹ thuật tách quang coherent (như tách sóng heterodyne homodyne) Đối với tách sóng trực tiếp, tín hiệu quang chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện giải điều chế Cịn tách sóng coherent, trước tiên thu quang cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang tạo chỗ, sau tách tín hiệu quang tổng thành tín hiệu điện Như vậy, dòng điện kết dịch tần từ miền quang sang miền vô tuyến, áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu giải điều chế tín hiệu điện lên tín hiệu Bộ thu coherent lý tưởng hoạt động vùng bước sóng 1,3m đến 1,6m cần lượng tín hiệu từ 10 đến 20 photon/bit đạt BER = 10-9 Như tách sóng coherent cho ưu điểm lớn hệ thống tốc độ cao hoạt động vùng bước sóng dài Do độ nhạy thu quang coherent thu tách sóng trực tiếp từ 10dB đến 20dB nên thu coherent cho phép chúng ta: - Tăng khoảng cách trạm lặp cho hệ thống đất liền biển; - Tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần giảm khoảng cách trạm lặp; - Tăng quỹ công suất để bù suy hao coupler thiết bị ghép tách bước sóng; - Cải thiện độ nhạy cho thiết bị đo quang máy OTDR Các dạng điều chế hệ thống thông tin quang coherent giống hệ thống vô tuyến Chẳng hạn truyền dẫn số áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK 4.4.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang coherent Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent minh hoạ hình 4.11 139 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Dữ liệu vào MOD 1 DE Homodyne 1 = 1  Heterodyne 1  2 DEC DE- Dữ liệu MOD AMP Heterodyne 2 LC CWL LLO Bộ phát LOC Bộ thu Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent tổng quát Trong sơ đồ hình 4.11, khối đặt hình chữ nhật có đường đứt nét phần tử để phân biệt sử khác biệt hệ thống coherent hệ thống IM/DD Chức khối: DE (Drive Electronic): khối thực khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với khối phía sau CWL (Continuous Wave Laser): dao động quang sử dụng laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ánh sáng liên tục có bước sóng 1 LC (laser control): khối nhằm ổn định bước sóng phát dao động quang MOD (Modulator): khối điều chế quang, sử dụng kỹ thuật điều chế ngồi để tạo tín hiệu điều chế dạng ASK (Amplitude Shitf Keying), FSK (Frequency Shitf Keying), PSK (Phase Shitf Keying) hay PolSK (Polarization Shitf Keying ) Dạng sóng tín hiệu ASK, FSK PSK minh hoạ hình 4.12 Bit nhị phân 1 ASK t FSK t PSK t Hình 4.12 Dạng sóng dạng điều chế với chuỗi bit nhị phân 10110 140 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang LLO (Laser Local Oscillator): dao động nội thu sử dụng laser bán dẫn tạo tín hiệu quang có bước sóng 2 DEC (Detector): khối thực hai tính năng, sử dụng coupler FBT cộng tín hiệu thu (1) tín hiệu chỗ (2) Sau đưa tín hiệu tổng tới photodiode để thực tách sóng trực triếp theo qui luật bình phương Để thực với nghĩa tách sóng coherent coupler quang phải tổ hợp tín hiệu quang có phân cực giống Khi tần số tín hiệu tới tín hiệu từ dao động nội giống thu hoạt động chế độ Homodyne, tín hiệu điện tái tạo tín hiệu dải Cịn tần số tín hiệu tới tín hiệu từ dao động nội lệch thu hoạt động chế độ Heterodyne, phổ tín hiệu điện ngõ khối DEC dạng trung tần IF (intermediate frequency) IF dạng tín hiệu khác có chứa tín hiệu thơng tin mà muốn truyền (tức tín hiệu dải nền), tín hiệu thơng tin thu cách sử dụng kỹ thuật giải điều chế điện LOC (Local Oscillator control): khối nhằm điều khiển pha tần số tín hiệu dao động nội ổn định AMP (Amplifier): khối khuếch đại tín hiệu điện sau tách sóng quang DEMOD (Demodulator): khối cần thiết thu hoạt động chế độ heterodyne 4.4.3 Bộ thu quang coherent a) Các nguyên lý tách sóng: Mơ hình thu coherent ASK đơn giản minh họa hình 4.13 IS eS Coupler 22 RL eL Bộ dao động nội Hình 4.13 Mơ hình thu coherent 141 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Trong đó: eS = ES.cos( St + S) (4.23) đặc trưng cho trường tín hiệu vào có biên độ nhỏ ES, pha S tần số góc  S Và eL = EL.cos( Lt + L) (4.24) đặc trưng cho trường tín hiệu dao động nội có biên độ lớn EL, pha L tần số góc  L Giả sử hai trường điện từ tạo từ laser bán dẫn có độ lệch pha  = S - L Tổng quát  = (t) thể mối quan hệ pha hai trường chứa thông tin truyền trường hợp FSK hay PSK Nếu (t) số lúc thông tin truyền chứa ES ASK Đối với tách sóng Heterodyne, tần số tín hiệu dao động nội  L chênh lệch với tần số tín hiệu vào  S khoảng  IF, tức là:  S =  L +  IF (4.25)  IF gọi tần số góc tín hiệu trung tần Tín hiệu IF có tần số thường nằm vùng vơ tuyến có giá trị từ vài chục MHz đến hàng trăm MHz Ngược lại, với tách sóng Homodyne khơng có chênh lệch  S  L nên  IF = Trong trường hợp này, tín hiệu khơi phục tín hiệu dải Trong hai trường hợp tách sóng Heterodyne Homodyne, tách sóng quang (photodiode) tạo tín hiệu có giá trị dịng Ip, gọi dòng photon Ip Dòng Ip tỉ lệ với cường độ ánh sáng theo qui luật bình phương cường độ trường tới photodiode: Ip  (eS + eL)2 (4.26) Thay biểu thức (4.23) (4.24) vào biểu thức (4.26) viết lại sau: Ip  [ES.cos( St + S) + EL.cos( Lt + L)]2 (4.27) Triển khai vế phải biểu thức (4.27), loại bỏ thành phần tần số cao 2 S 2 L cuối có: Ip  2 E S  E L  E S E L cos( S t   L t   ) 2 (4.28) Nếu biểu diễn theo cơng suất quang, cơng suất quang tỉ lệ với bình phương cường độ trường, ta có biểu thức (4.29): 142 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Ip  PS  PL  PS PL cos( S t   L t   ) (4.29) với PS công suất ánh sáng tín hiệu vào PL cơng suất ánh sáng tín hiệu dao động nội Theo thơng tin quang 1, tín hiệu quang tới photodiode có cơng suất P0 dịng photon Ip Ip  e P0 hf (4.30)  hiệu suất lượng tử photodiode, e điện tích điện tử, h số Planck, f tần số ánh sáng; P0 cơng suất tới photodiode Do đó, biểu thức (4.29) trở thành: Ip  e [ PS  PL  PS PL cos( S t   L t   )] hf (4.31) Khi tín hiệu dao động nội lớn tín hiệu vào thành phần a.c biểu thức (4.31) quan trọng cả, tín hiệu cần khôi phục tập trung lượng Như không quang tâm thành phần d.c Và ta thay Ip thành IS với: IS  2e PS PL cos( S t   L t   ) hf (4.32) Với tách sóng Heterodyne  S   L  IF =  S - L vào phương trình (4.32), ta được: IS  2e PS PL cos( IF t   ) hf (4.33) Như ngõ tách sóng quang tín hiệu IS tín hiệu trung tần có tần số  IF Tần số IF ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội Thành phần d.c dòng IS lọc trước đưa qua giải điều chế tín hiệu trung tần Đối với tách sóng Homodyne,  S =  L nên phương trình (4.32) trở thành: IS  2e PS PL cos( ) hf (4.34) Hay (4.35) I S  R PS PL cos( ) với R  e đáp ứng photodiode hf 143 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Từ phương trình (4.33) (4.34) thấy dịng điện tín hiệu IS tỉ lệ với PS không tỉ lệ với PS tách sóng trực tiếp Hơn dịng photon khuếch đại với hệ số PL , hệ số độ lợi phụ thuộc vào cường độ trường dao dộng nội Với hệ số khuếch đại tạo từ dao động nội làm tăng mức tín hiệu thu mà khơng cần tiền khuếch đại, khơng bị ảnh hưởng nhiễu nhiệt hay nhiễu dịng tối photodiode Đó lý tách sóng coherent cho độ nhạy thu cao so với tách sóng trực tiếp b) Sơ đồ khối tổng quát thu quang coherent Sơ đồ khối tổng quát thu quang sử dụng tách sóng Heterodyne Homodyne minh họa hình 4.14 Tín hiệu vào Coupler 22 Bộ lọc khuếch đại trung tần Bộ tách sóng quang Bộ dao động nội Bộ giải điều chế Bộ lọc khuếch đại dải Mạch định bit AFC (a) Bộ thu quang Heterodyne Tín hiệu vào Tín hiệu Coupler 22 Coupler 22 Bộ tách sóng quang Bộ lọc khuếch đại dải Bộ dao động nội AFC Mạch định bit Tín hiệu (b) Bộ thu quang Homodyne có khố pha tín hiệu dao động nội tín hiệu vào Hình 4.14 Cấu hình thu quang coherent 144 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Đối với tách sóng Hetorodyne, tín hiệu tổng tín hiệu vào tín hiệu dao động nội qua tách sóng quang (PIN APD) tạo tín hiệu trung tần IF Tín hiệu IF sau giải điều chế thành tín hiệu dải cách sử dụng kỹ thuật tách sóng đồng (synchronous) không đồng (nonsynchronous) Băng thông cần thiết thu quang Heterodyne lớn nhiều lần so với tách sóng trực tiếp tốc độ truyền xác định trước Ngoài chất lượng thu quang Heterodyne giảm tần số tín hiệu trung tần dao động, cần điều khiển tần số tự động AFC để ổn định tần số thông qua lấy tín hiệu hồi tiếp từ ngõ giải điều chế để điều khiển dịng kích laser dao động nội Trong trường hợp tách sóng Homodyne, pha tín hiệu dao động nội khố với tín hiệu vào nên phải sử dụng tách sóng đồng Hơn nữa, kết trình cộng hai tín hiệu đưa đến tách sóng quang tạo tín hiệu thơng tin tín hiệu dải nên khơng cần giải điều chế Vịng hồi tiếp AFC có chức ổn định tần số hai tín hiệu 4.5- RoF Cơng nghệ RoF sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ trạm đầu cuối tới khối anten đầu xa (RAU) Trong hệ thống thông tin băng hẹp WLAN, chức xử lý tín hiệu RF chuyển đổi nâng tần, điều chế sóng mang, ghép kênh thực trạm gốc BS RAP, sau đưa tới anten RoF cho phép khả tập trung chức xử lý tín hiệu RF địa điểm chung - trạm đầu cuối, sau sử dụng sợi quang có suy hao tín hiệu thấp (0.3 dB/km vùng cửa sổ 1550 nm 0.5 dB/km vùng cửa sổ 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới RAU minh họa hình 4.15 Bằng phương thức này, RAU đơn giản hóa, lúc cần thực chức chuyển đổi quang điện khuếch đại Sự tập trung chức xử lý tín hiệu RF cho phép việc chia sẻ thiết bị, phân bổ linh hoạt tài nguyên đơn giản hóa việc vận hành bảo dưỡng hệ thống Những ưu điểm thể việc giảm chi phí vận hành cài đặt, đặc biệt hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng vùng phủ lớn – hệ thống cần thiết có mật độ BS/RAP lớn Hình 4.16 minh họa ứng dụng cụ thể RoF, hệ thống sử dụng để phân phối tín hiệu GSM Tín hiệu RF điều chế trực tiếp laser diode trạm trung tâm Tín hiệu quang sau điều chế theo cường độ truyền tải sợi quang tới trạm gốc BS (RAU) Tại RAU, tín hiệu RF đến 145 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang khơi phục tách sóng trực tiếp tách quang PIN Tín hiệu sau khuếch đại xạ nhờ anten Hình 4.15 Nguyên lý hệ thống RoF Hình 4.16 Hệ thống quang-vơ tuyến 900 Mhz Tín hiệu đường lên từ thiết bị di động MU truyền từ RAU tới trạm trung tâm tương tự Phương pháp truyền dẫn tín hiệu RF thơng qua sợi quang theo cách gọi điều chế cường độ tách sóng trực tiếp IM-DD, coi dạng tuyến RoF 146 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Trong hình 4.12 việc truyền dẫn tín hiệu RF tần số song thực tế lúc cần thiết làm Thí dụ, tín hiệu từ dao động nội LO sử dụng để chuyển đổi hạ tần sóng mang đường lên tới tần số IF RAU Như sử dụng thành phần tần số thấp cho tuyến đường lên RAU, làm tiết kiệm chi phí hệ thống Việc đặt LO riêng rẽ RAU, thay hệ thống RoF để truyền tải từ trạm trung tâm tới RAU Khi có mặt RAU, LO sử dụng để chuyển đổi hạ tần tín hiệu đường lên Kết làm cho RAU đơn giản nhiều Trong cấu hình này, đường xuống thành phần chủ yếu RoF, phải truyền tải tín hiệu tần số cao Việc truyền tải tín hiệu tần số cao gặp nhiều thách thức, đòi hỏi thành phần tần cao, băng thơng liên kết lớn Nghĩa tín hiệu tần cao nhạy cảm máy phát, máy thu hỏng hóc tín hiệu liên kết truyền dẫn Bên cạnh phương pháp điều chế theo cường độ tách sóng trực tiếp IM-DD cịn có phương pháp khác, bao gồm sử dụng chuyển đổi nâng tần để phân phối tín hiệu Các ưu điểm sử dụng công nghệ RoF So với truyền tải tín hiệu điện, cơng nghệ RoF có nhiều ưu điểm: - Suy hao thấp: Việc truyền tải dạng điện tín hiệu vơ tuyến tần cao không gian tự qua đường truyền dẫn gặp nhiều vấn đề khó giải địi hỏi chi phí lớn Đối với khơng gian tự suy hao hấp thụ phản xạ, đường truyền dẫn trở kháng tăng theo tần số, dẫn tới suy hao lớn Vì thế, việc phân phối tín hiệu vơ tuyến tần cao dạng điện qua khoảng cách lớn địi hỏi phải có thiết bị lặp đắt tiền Với sóng mm, đặc tính thông qua sử dụng đường truyền dẫn không khả thi, với khoảng cách ngắn Giải pháp thay phân phối tín hiệu băng tần gốc tín hiệu trung tần (IF) từ trung tâm chuyển mạch (trạm trung tâm) tới BS Các tín hiệu IF băng gốc chuyển đổi nâng tần tới tần số sóng mm hay sóng ngắn yêu cầu BS, khuếch đại sau xạ Cấu hình hệ thống giống sử dụng hệ thống thơng tin di động băng hẹp Bởi vì, dao động nội LO hiệu suất cao yêu cầu để chuyển đổi nâng tần BS làm cho BS trở nên phức tạp Tuy nhiên, sợi quang có suy hao thấp nên cơng nghệ RoF sử dụng sóng mm để đạt suy hao thấp đồng thời làm đơn giản hóa RAU Sợi đơn mode tiêu chuẩn thương mại (SMF) làm từ thủy tinh (silica) có suy hao 0.2 dB/km 0.5 dB/km tương ứng vùng cửa sổ 1550 nm 147 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang 1300 nm Các sợi quang POF (Polymer Optical Fiber), loại thông dụng cho suy hao cao hơn, từ 10-40 dB/km vùng cửa sổ 500-1300 nm Các suy hao thấp nhiều so với cáp đồng trục – có suy hao cáp hàm bậc so với biên độ tần số cao Ví dụ, suy hao cáp đồng trục ½ inch (RG-214) >500 dB/km tần số lớn GHz Vì thế, nhờ việc truyền dẫn sóng siêu cao tần dạng quang, khoảng cách truyền dẫn tăng đáng kể công suất phát yêu cầu giảm rõ rệt - Băng thơng lớn: Các sợi quang có băng thơng cực lớn Có cửa sổ truyền dẫn với suy hao thấp tương ứng 850 nm, 1310 nm 1550 nm Đối với sợi quang, băng thông tổng cộng cửa sổ vào khoảng 50 THz Tuy nhiên, hệ thống thương mại ngày tận dụng phần nhỏ dung lượng (khoảng 1.6 THz) Các thông số hoạt động chủ yếu hướng tới việc mở rộng băng thông cách sử dụng sợi quang tán sắc thấp (hoặc dịch tán sắc), khuếch đại EDFA cửa sổ 1550 nm, sử dụng kĩ thuật ghép kênh tiên tiến ghép kênh phân chia theo thời gian quang OTDM kết hợp với kĩ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM Băng thông khổng lồ mà sợi quang đem lại cịn có nhiều ưu điểm khác bên cạnh dung lượng lớn để truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần Băng thơng quang lớn cho phép xử lý tín hiệu tốc độ cao, điều khó chí khơng thể thực hệ thống điện tử Nói cách khác, số chức vi ba yêu cầu lọc, trộn, chuyển đổi nâng-hạ tần, trang bị miền quang Ví dụ, lọc sóng mm thực trước hết việc chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, sau thực việc lọc việc sử dụng thiết bị quang giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) cách tử Bragg sợi quang (FBG), sau chuyển đổi tín hiệu lọc lại dạng điện Hơn nữa, việc xử lý miền quang cho phép sử dụng thiết bị quang băng thông thấp giá rẻ laser diode điều chế mà xử lý tín hiệu băng thông lớn Tuy nhiên, băng thông khổng lồ sợi quang bị hạn chế giới hạn băng thông hệ thống điện Vấn đề xem “thắt nút cổ chai điện tử” Giải pháp xử khắc phục dựa việc ghép kênh hiệu quả, thông qua kĩ thuật OTDM DWDM sử dụng hệ thống quang số Trong hệ thống quang tương tự sử dụng RoF, SCM sử dụng để tăng cường băng thông sợi quang Trong SCM, nhiều sóng mang vi ba, thành phần điều chế với liệu tương tự số, kết hợp sử dụng để điều chế tín hiệu quang Chính điều tạo nên hiệu kinh tế hệ thống RoF - Không bị ảnh hưởng với nhiễu tần vô tuyến: 148 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang Không bị ảnh hưởng EMI đặc tính tốt thông tin sợi quang, đặc biệt truyền dẫn sóng ngắn Đó tín hiệu truyền dạng ánh sáng sợi Do đó, sợi quang thường sử dụng với cự li ngắn sóng mm Hơn nữa, thơng tin sợi quang có tính bảo mật cao truyền liệu - Lắp đặt bảo trì đơn giản: Trong hệ thống RoF, thường thiết bị đắt tiền phức tạp đặt trạm trung tâm, cấu trúc RAU đơn giản Do đó, hầu hết kĩ thuật RoF, RAU cần dao động nội LO thiết bị liên quan Trong trường hợp cần tách sóng quang, khuếch đại antenna, antenna đủ tạo thành RAU Việc điều chế thiết bị chuyển mạch đặt đầu cuối chia sẻ nhiều RAU Do đó, làm cho RAU đơn giản giảm chi phí cho việc cài đặt bảo trì hệ thống Việc cài đặt đơn giản chi phí bảo trì thấp RAU yêu cầu quan trọng hệ thống sóng mm, hệ thống cần số lượng RAU lớn - Giảm công suất tiêu thụ: Công suất tiêu thụ giảm sử dụng RAU đơn giản cách giảm thiết bị Hầu hết thiết bị phức tạp đặt trạm trung tâm Trong số ứng dụng, RAU hoạt động chế độ thụ động Thí dụ, vài hệ thống FibreRadio GHz sử dụng pico-cell có RAU hoạt động chế độ thụ động Việc giảm công suất tiêu thụ RAU quan trọng RAU đặt nơi xa chưa có mạng điện lưới - Phân bổ tài nguyên linh hoạt: Do việc chuyển mạch, điều chế chức RF thực trạm trung tâm, nên phân bổ dung lượng cách linh hoạt Thí dụ, hệ thống phân phối RoF lưu lượng GSM, dung lượng phân bổ thêm cho vùng (như khu phố buôn bán) suốt vài cao điểm sau phân bổ lại cho khu vực khác qua cao điểm (như khu vực tập trung đông vào buổi tối) Điều thực cách cấp phát thêm bước sóng quang nhờ kĩ thuật WDM Phân bố dung lượng linh hoạt cần thiết so với phân bổ tài nguyền cố định, giúp tránh lãng phí tài nguyên lưu lượng mạng thay đổi thường xuyên Các hạn chế công nghệ RoF Do RoF bao gồm điều chế tương tự tách sóng quang, nên hệ thống truyền dẫn tương tự Vì vậy, tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu méo, ảnh hưởng hệ thống truyền dẫn tương tự hệ 149 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang thống RoF Các suy giảm bao gồm hệ số nhiễu (NF) dải động (DR) tuyến RoF Dải dộng thông số quan trọng hệ thống thơng tin di động GSM cơng suất thu BS từ MU biến đổi lớn (khoảng 80 dB) Vì thế, cơng suất RF nhận từ MU gần BS cao nhiều so với công suất RF nhận từ MU cách xa vài km, ô Các nguồn nhiễu liên kết sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ tách sóng quang, nhiễu nhiệt khuếch đại tán sắc sợi Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến quang gây nên tương quan pha, dẫn tới tăng nhiễu pha sóng mang RF Nếu sử dụng sợi sợi đa mode, tán sắc mode hạn chế băng thông khoảng cách 150 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang 4.6- KẾT LUẬN Trong hệ thống WDM, tán sắc vận tốc nhóm ý đặc biệt Bởi loại tán sắc hạn chế cự ly truyền tải hệ thống Nguyên nhân chủ yếu xuất tán sắc tốc độ nhóm sử dụng sợi quang đơn mốt tiêu chuẩn có tán sắc khác zero miền bước sóng truyền tín hiệu sợi quang sử dụng nhiều khuếch đại quang mắc nối tiếp Để giảm tán sắc tốc độ nhóm cần sử dụng kỹ thuật bù tán sắc Trong kỹ thuật bù quang sử dụng thực tế sử dụng sợi bù tán sắc, sử dụng lọc quang cách tử sợi quang Các hiệu ứng phi tuyến điều chế pha chéo (SPM), trộn sóng (FWM) v.v làm giảm cơng suất kênh tín hiệu hệ thống WDM, giảm SNR gây xuyên nhiễu kênh Để hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng cần lựa chọn số giải pháp thích hợp Mạng truy nhập sợi quang phát triển Tuy nhiên, số vùng không cho phép triển khai mạng truy nhập hồn tồn có dây cần sử dụng kết hợp với mạng khơng dây, điển hình RoF Hệ thống thông tin quang kết hợp khắc phục số nhược điểm hệ thống thông tin quang thông thường (tách trực tiếp) Tuy nhiên cấu trúc hệ thống phức tạp hệ thống thông tin quang thông thường nên chưa triển khai rộng rãi 151 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang CÂU HỎI 1- Trong hệ thống thông tin quang, bù tán sắc thực tại: a Máy phát b Máy thu c Dọc tuyến quang d Tất câu 2- Sợi quang bù tán sắc khác với sợi quang thông thường để truyền thông tin là: a Nồng độ tạp chất thấp b Có hệ số tán sắc âm lớn c Suy hao thấp 3- Dựa vào hiệu ứng FWM sợi quang, tạo ra: a Bộ khuếch đại quang (OA) b Bộ chuyển đổi bước sóng c Bộ lọc quang 4- Mạng quang thụ động (PON) sử dụng: a Bộ chuyển đổi O/E/O b Bộ chia quang thụ động c Bộ lọc quang 5- Kỹ thuật thơng tin quang Coherent đời nhằm mục đích gì? a Thay hệ thống IM/DD kỹ thuật đơn giản b Tăng cự ly thông tin c Tăng chất lượng hệ thống 6- Đặc điểm nhận biết thông tin quang coherent so với hệ thống thông tin quang IM-DD là: a Sử dụng điều chế (external modulation) phía phát b Sử dụng laser dao động nội phía thu c Truyền tín hiệu tương tự 152 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Hình 4. 14 Cấu hình thu quang coherent 144 Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số cơng nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang. .. hình 4. 10 Hình 4. 10 Cấu hình Bus PON 138 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 4- Một số công nghệ, kỹ thuật xu hướng nghiên cứu mạng quang. .. truyền dẫn số áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK 4. 4.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang coherent Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent minh hoạ hình 4. 11 139 Học viện Cơng nghệ Bưu