a) ASK.
Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để điều chế biên độ tín hiệu quang. Điều chế cường độ đã sử dụng trong hệ thống IM/DD là dạng điều chế ASK và tín hiệu thu được tách sóng theo qui luật bình phương. Do đó tín hiệu ASK có thể tạo ra bằng
cách điều chế trực tiếp dòng kích cho laze. Tuy nhiên kỹ thuật này có vấn đề là không duy trì được sự ổn định tần số ngõ ra khi thay đổi dòng kích, sự thay đổi này khoảng 200MHz/mA.
Ngoài kỹ thuật điều chế trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài để tạo tín hiệu ASK bằng cách sử dụng coupler định hướng DC hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI. Nhược điểm của điều chế ngoài là chúng ta chỉ sử dụng hiệu quả 50% công suất của bộ phát.
Dưới đây xin trình bày chi tiết về điều chế ASK.
Nếu gọi tín hiệu số được điều chế là b(t) và tín hiệu trường phát ra từ laze bán dẫn là e S(t) có tần số góc ωS, ta có: (3.1) e S(t) = b(t)E mcos(ωSt) với b(t)= { ) 0 ( 0 ) 1 ( 1 bit bit
Dạng sóng của biểu thức (3.1) như ở hình (3.2). Với Π Ω = 2 s fS là tần số sóng mang.
B là băng thông của tín hiệu được điều chế b(t).
Tín hiệu eS(t) sau khi lan truyền trên sợi quang và tới đầu thu sẽ lệch pha với tín hiệu phát là φS (giả sử bỏ qua suy hao về biên độ của tín hiệu eS(t)), biểu
thức (3.1) có thể viết lại dưới dạng sau:
(3.3) e(t) = b(t)E mcos(ωSt + φS)
Để khôi phục tín hiệu dải nền, chúng ta có hai cách sau. Cách thứ nhất là ta nhân tín hiệu e S(t) với cos(ωSt +φ S) là tín hiệu được tạo ra từ bộ dao động nội,
ta được:
(3.4) b(t)Em[cos(ωSt + φ S)]2 = ½ b(t)Em[1+cos(2ωSt + 2φS)]
= ½ b(t)Em + ½ b(t)Emcos(2ωSt + 2φS)
Như vậy tín hiệu dải nền b(t) đã xuất hiện. Với cách này đòi hỏi chúng ta phải tạo được tín hiệu dao động nội ở bộ thu có cùng tần số và cùng pha với tín hiệu tới. Còn cách thứ hai là ta bình phương tín hiệu eS(t), biểu thức (3.3) trở thành:
(3.5) [b(t)E cos(ω t +φS]2 = ½ [b(t)E m] [1+cos(2ω St + 2φ S)]
= ½ [b(t)E ] + ½ [b(t)E ] 2 cos(2ω t + 2φS)] Sau đó cho tín hiệu này qua bộ lọc loại bỏ thành phần tần số 2ωS ta sẽ thu được tín
hiệu dải nền b(t).
b) FSK.
Đặc tính thay đổi tần số của điều chế trực tiếp trên laze có thể áp dụng cho hệ thống thông tin quang Coherent FSK băng rộng. Cụ thể là đối với tần số điều chế trên 1MHz thì sự thay đổi tần số là từ 100 đến 500MHz/mA.
Kỹ thuật điều chế ngoài cũng có thể áp dụng cho FSK bằng cách sử dụng cách tử Bragg hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI.
Hình 3.4. Các kiểu điều chế FSK.
Trong dạng điều chế FSK, thông tin được truyền trên sóng mang có tần sốω S theo biểu thức (3.1). Với dạng điều chế này, đường bao sóng mang không thay đổi, còn tần số ωS có hai giá trị là (ωS- ∆ω) và (ωS +∆ω) tùy thuộc tín hiệu phát đi là bit 0 hay bit 1. Do đó biểu thức toán học biểu diễn dạng điều chế FSK có dạng: (3.6) e S(t) = Emcos[ω St + b(t)2π∆f] với (3.7) b(t)= 〈 ) 0 ( 1 ) 1 ( 1 bit bit − ∆f = ∆ω/2π gọi là độ lệch tần.
Nếu gọi 2∆f là độ lệch tần đỉnh - đỉnh thì đại lượng
B f ∆ = 2 β được gọi là hệ số điều chế tần số.
Khi β = 0,5 thì khi này điều chế FSK được gọi là MSK (Minimum Shift-Keying), phổ bị nén chặt nên dạng điều chế này rất hấp dẫn cho các hệ thống tốc độ cao.
Hình 3.5 Dạng phổ công suất FSK hay MSK (Minimum Shift-Keying).
Khi = (0,5+ 0,7) thì dạng điều chế này được gọi là CPFSK (Continuous Phase
Frequency Shift-Keying) hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp. Dạng phổ công suất của nó bị nén rất chặt.
Khiβ >> 1 thì được coi là điều chế FSK lệch tần rộng , phổ của nó được chia làm hai thành phần tập trung xung quanh (fS - ∆f) và (fS +∆f).
Hình 3.6 Dạng phổ công suất FSK lệch tần rộng.
Như vậy độ rộng băng tần tổng rất rộng, do đó kiểu này không phù hợp với hệ thống tốc độ cao. Thực tế chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, rẻ tiền.
Còn trường hợp β ≈ 1 thực tến không quan tâm vì tần số của tín hiệu không là hằng số trong khi điều chế.
c) PSK
Điều chế dịch pha tín hiệu quang cũng được áp dụng cho hệ thống thông tin quang Coherent. Khi tần số của laze được điều chỉnh chính xác với tần số tín hiệu điều chế, lúc này quan hệ pha giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu điều chế là 0. Để có được sự thay đổi quan hệ pha là π/2 thì ta phải điều chỉnh lại tần số của laze.
Trong dạng điều chế PSK, các bit tin 0 và 1 được truyền tải đi thông qua sự thay đổi pha của tín hiệu quang trong khi biên độ và tần số không thay đổi. Biểu thức toán học biểu diễn dạng điều chế PSK như sau:
(3.8) e S(t) = E mcos[ωSt + b(t)π] với (3.9) b(t)= 〈 ) 1 ( 0 ) 0 ( 1 bit bit
Với giá trị của b(t) ta nhận thấy pha của tín hiệu điều chế nhận hai giá trị đó là 0 và π. Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch phổ sóng mang. Có thể sử dụng phương pháp tách sóng Homodyne và Heterodyne. Tuy vậy giải điều chế của nó rất phức tạp nên thực tế ít dùng.
Hình 3.7. Dạng phổ công suất PSK.
Đối với dạng điều chế PSK, tách sóng Coherent cần duy trì cường độ quang không đổi vì toàn bộ thông tin có thể bị mất nếu như tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp mà không trộn nó với tín hiệu dao động nội.