1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent:
Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang Coherent là các sóng của tín hiệu và của bộ dao động nội đưa đến mặt photodiode phải có cùng phân cực, nếu khơng cùng phân cực sẽ làm ảnh hưởng đến biên độ và pha ở đầu ra. Ở đây nêu một vài kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của sai phân cực đến biên độ và pha, ảnh hưởng đó được thể hiện như sau:
a. Các ảnh hưởng biên độ:
(2.12).
b. Các ảnh hưởng về pha:
(2.13).
Ở đây PAP và PP được biểu thị bằng dB, kSx (kLx), kSy (kLy) là các thành phần của tín hiệu đến và của dao động nội dọc theo trục x và y tương ứng,
là độ lệch pha giữa trường tín hiệu đến và trường daođộng nội. Để khắc
phục vấn đề này người ta đã đưa ra một số phương pháp như dưới đây.
2. Các phương pháp điều khiển phân cực:
2.1 sử dụng các sợi duy trì phân cực:
Thơng thường sợi đơn mode lan truyền theo hai mode HE11 phân cực trực giao nhau, chúng truyền dọc sợi không bị xáo trộn nhưng thực tế các sợi có vật liệu cấu tạo khơng hồn hảo, các nhiễu loạn bên ngồi như ứng suất bề mặt, nhiệt độ, độ uốn, chấn động… làm cho sự phân cực ở đầu ra bị biến đổi. Các sợi bảo toàn phân cực được đặc trưng bởi độ khúc xạ kép mode . = x -
y tức là hiệu các hằng số lan truyền của hai mode trực giao. Độ khúc xạ kép
mode liên quan đến độ dài phách Lp theo công thức: . Độ dài phách
là độ dài của sợi qua đó trạng thái phân cực quay trở lại trạng thái ban đầu khi tín hiệu truyền dọc sợi. Người ta thường áp dụng một số biện pháp để đạt được các sợi bảo toàn phân cực như sau:
Phương pháp thứ nhất: sản xuất các sợi có rất thấp, sợi này rất nhạy đối với các tác động bên ngồi nhưng có thể duy trì trạng thái phân cực trực giao ở đầu vào bất kì.
Phương pháp thứ 2: Tạo ra các sợi có cao nhằm loại bỏ các tác động bên ngồi. Có thể đạt được độ khúc xạ kép bằng cách tạo ra tính bất đối
xứng trong lõi (ví dụ lõi lệch tâm hoặc các sợi lõi elip) hoặc đưa vào ứng suất bằng cách thiết kế vỏ thích hợp.
Một các khác tạo ra sự đơn mode thật sự bằng cách thiết kế sợi trong đó chỉ lan truyền mode chính cịn các mode bị giảm rất thấp, ví dụ như sợi phân cực đơn.
2.2. Sử dụng các kỹ thuật trộn và chuyển đổi phân cực:
Phổ thăng giáng phân cực phụ thuộc vào độ dài sợi (phương sai cuả sự thăng giáng tỉ lệ thuận với độ dài sợi), trạng thái sợi, nhưng băng tần của nó trải rộng xấp xỉ từ 0 100Hz hoặc có thể đến 2KHz. Như vậy, nó nhỏ hơn nhiều so với tần số điều biến (tốc độ bit). Vì lý do này, ảnh hưởng của nhiễu phân cực có thể được đánh giá trong khoảng thời gian kéo dài hàng ngàn bit. Từ những nhận định trên, người ta tiến hành thêm nhiễu phân cực nhân tạo và nhiễu tự nhiên để làm giảm ảnh hưởng của chúng. Nguyên lý hoạt động được trình bày như sau:
Hình 2.12. Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực
quay pha tín hiệu phân cực trực giao một góc 900. Máy thu ở đây là máy thu đổi tần tiêu chuẩn có độ rộng băng tần rộng lớn hơn một ít so với bộ lọc IF. Nếu trạng thái phân cực trực giao đã thu được của tín hiệu quay nhanh giữa hai trạng thái trực giao trong khoảng thời gian một bit thì có thể đảm bảo rằng trung bình một nửa cơng suất của tín hiệu sẽ được khơi phục lại bộ điều chế phân cực. Trong thực tế, trung bình theo thời gian tích vơ hướng của trường giao động nội và trường tín hiệu sẽ khơng bao giờ bằng 0.
Hình 2.13. Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi phân cực
Có hai bổ xung để thực hiện kỹ thuật này:
+ Trộn phân cực: tần số chuyển đổi bộ phân cực lớn hơn nhiều so với tốc độ bit, như vậy không cần đồng hồ để đồng bộ điều chế phân cực, vì có nhiều chuyển tiếp trong khoảng thời gian một bit. Mặt độ rộng băng tần của bộ lọc IF rất rộng và do tần số chuyển đổi cao nên các yêu cầu phần cứng đối với bộ điều chế phân cực trở nên rất nghiêm ngặt.
+ Chuyển đổi phân cực đồng bộ: các chuyển tiếp giữa các trạng thái phân cực trực giao xuất hiện chính xác tại điểm giữa của khe bit. Vì vậy, cần phải đồng bộ với đồng hồ của hệ thống, tuy nhiên cần giảm băng tần của bộ lọc và giảm nhẹ các yêu cầu của phần cứng.
Mặc dù phương pháp trộn và chuyển đổi phân cực làm giảm độ nhạy của hệ thống 3 dB và yêu cầu có một bộ điều chế phân cực. Nhưng cấu trúc
của máy thu đơn giản hơn so với các cấu trúc khác đã nghiên cứu và có thể sử dụng trong hệ thống sợi quang kết hợp giá thành thấp.
2.3. Sử dụng máy thu phân cực trực giao:
Về cơ bản máy thu có thể khơi phục được hai trạng thái phân cực trực giao. Vấn đề cuối cùng là tín hiệu IF cần phải giải điều chế đường bao bằng thiết bị có đặc tính bình phương nhưng cũng có khi bằng một bộ phân biệt đường dây trễ. Nguyên lý được biểu diễn như hình 2.14. Sau bộ trộn quang là bộ phân chia tia phân cực, phân tín hiệu thành hai thành phần phân cực trực giao (chiếu theo trục x, y) sau đó mỗi thành phần được tách sóng lọc trung tần và giải điều. Tiếp theo các đầu ra của chúng được cộng lại với nhau và cho qua bộ lọc tần thấp trong một khung chuẩn đã chọn thích hợp. Giả sử trường của bộ dao động nội được phân đều nhau dọc theo trục x,y.
(2.14).
Các thành phần X,Y của tín hiệu cho bởi:
(2.15).
Ở đây, s(t) là góc giữa trường tín hiệu và trục X. Sau photodiode là bộ lọc IF, dịng tín hiệu trên hai nhánh giả sử là giống nhau và:
(2.16).
Chỉ xét đến thành phần tần số thấp do bộ giải điều tạo ra và sau bộ cộng tín hiệu có dạng.
(2.17).
Điều này rõ ràng không phụ thuộc vào trạng thái phân cực trực giao đã thu được. Cũng có thể, để đạt được kết quả tương tự bằng cách sử dụng điều chế DPSK và 2 bộ giải điều chế đường dây trễ. Trong thực tế, các đầu ra của chúng là tích của tín hiệu với chính nó nhưng bọ trễ đi trong khoảng thời gian
1 bit. Nhưng vì sự thăng giáng phân cực là chậm so với tốc độ truyền bit nên sự hình thành các trường vẫn giữ nguyên sau khi giải điều tín hiệu trên hai nhánh tủ với cos2 và sin2. Nhược điểm của máy thu không phụ thuộc vào
trạng thái phân cực là cần phải có 2 máy thu kênh nhưng trái lại nó khơng cần hệ thống điều khiển tích cực phản hồi.
Kết Luận
Chương II là các phương pháp điều chế trong hệ thống Coherent. Trong hệ thống này tín hiệu trước khi truyền được điều chế tần số, pha, biên độ hoặc phân cực. Trong đó phương pháp điều chế phân cực là loại điều chế đặc trưng riêng cho hệ thống thông tin quang Coherent. Được mô tả trong hình 2.5 và hình 2.7. Dựa trên cơ sở mode cơ bản HE11 lan truyền trong sợi quang với hai trạng thái phân cực trực giao. Kỹ thuật điều chế tín hiệu có thể thực hiện theo hai phương pháp: điều chế trong và điều chế ngoài. Kĩ thuật điều chế trong là kĩ thuật điều chế bơm trực tiếp dịng tín hiệu vào laser diode, thích hợp với các hệ thống thơng tin tốc độ thấp. Kỹ thuật điều chế ngồi thích hợp với các hệ thống thông tin hiện đại tốc độ cao và được điều chế bên ngoài laser. Ở phương pháp điều chế pha người ta sử dụng hiệu ứng quang điện tuyến tính thích hợp trong cả hai trường hợp đồng tần và đổi tần. Bộ điều chế cường độ thực hiện theo hai phương pháp: điều chế cường độ ghép định hướng và điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học. Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống thơng tin quang kết hợp là các sóng của tín hiệu dao động nội đưa đến mặt photodiode phải có cùng phân cực. Nếu khơng cùng phân cực sẽ làm ảnh hưởng đến biên độ và pha ở đầu ra. Để khắc phục điều này người ta thường sử dụng các phương pháp sau: Sử dụng sợi duy trì phân cực, sử dụng các kỹ thuật trộn và chuyển đổi phân cực, sử dụng máy thu phân cực trực giao.
Chương III :
Máy thu quang Coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu
I. Các ngun lý tách sóng:
Mơ hình bộ thu coherent ASK đơn giản được minh họa ở hình 3.1
Hình 3.1 : Mơ hình bộ thu coherent cơ bản.Trong đó : Trong đó :
es = Es cos (st + s )
đặc trưng cho trường tín hiệu vào có biên độ nhỏ Es ,pha s và tần số góc
s.Và eL= ELcos (Lt + L) đặc trưng cho trường tín hiệu của bộ dao động nội có biên độ lớn EL ,pha L và tần số góc L.
II. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent :
Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang sử dụng tách sóng Heterodyne và
Homodyne được minh họa ở hình 3.2 .Đối với tách sóng Heterodyne ,tín hiệu tổng giữa tín hiệu vào và tín hiệu dao động nội đi qua bộ tách sóng quang PIN hoặc APD sẽ tạo ra tín hiệu trung tần IF .Tín hiệu IF sau đó được giải điều chế thành tín hiệu dải nền bằng cách sử dụng kỹ thuật tách sóng đồng bộ hay khơng đồng bộ .Bằng thơng cần thiết của bộ thu quang Heterodyne lớn hơn nhiều so với tách sóng trực tiếp ở tốc độ xác định trước.Ngồi ra chất lượng của bộ thu quang Heterodyne sẽ giảm đi khi tần số của tín hiệu trung tần dao động ,cho nên cần bộ điều khiển tần số tự động AFC để ổn định tần số này thơng qua lấy tín hiệu hồi tiếp từ ngõ ra của bộ giải điều chế để điều khiển dịng kích của laser dao động nội.
Trong trường hợp tách sóng Homodyne ,pha của tín hiệu dao động nội được khóa với pha của tín hiệu vào nên cần phải sử dụng tách sóng đồng bộ .Hơn nữa ,kết quả của q trình cộng hai tín hiệu tới và tín hiệu dao động nội đưa đến bộ tách sóng quang tạo ra tín hiệu thơng tin là tín hiệu dải nền nên khơng cần bộ dải điều chế .Vịng hồi tiếp AFC có chức năng ổn định tần số giữa 2 tín hiệu
b,Bộ thu quang Homodyne có khóa pha giữa tín hiệu dao động nội vào tín hiệu vào.
Hình 3.2 : Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản.
1.Tách sóng heterodyne đồng bộ
Tách sóng heterodyne được sử dụng cho dải điều chế PSK.Do đó với tách sóng này cần phải đánh giá được pha của tín hiệu IF để chuyển tín hiệu này thành tín hiệu dải nền.Do đó kỹ thuật khóa pha được sử dụng ở bộ thu để dị sự dao động pha giữa tín hiệu của bộ dao động nội.Vì tín hiệu thơng tin sẽ được xử lý trên sóng mang IF nên chúng ta chỉ cần xác đình pha của tín hiệu trong miền điện.Do đó có thể sử dụng các kỹ thuật và các cấu hình vịng khóa pha PLL mà đã áp dụng trong thông tin cao tần và viba.Các kỹ thuật đã
nghiên cứu cho giải điều chế PSK chủ yếu là xác định pha của tín hiệu
vào.Hơn nữa giải điều chế PSK đồng bộ rất nhạy cảm với kỹ thuật tách sóng heterodyne .Để đo được pha của tín hiệu PSK thì cần phải có pha tham khảo dựa trên pha trung bình của tín hiệu quang ngõ vào trong khoảng thời gian xác định .Do đó mục tiêu của việc sử dụng vịng khóa pha PLL là cung cấp giá trị tham khảo này với thời gian trung bình được xác định trong băng thơng của vịng này.
Kỹ thuật vịng khóa pha theo qui luật bình phương được minh họa như hình dưới đây :
b,Vịng Costas.
Hình 3.3 :Các kỹ thuật khơi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu quang Coherent PSK.
2.Tách sóng Heterodyne khơng đồng bộ
Kỹ thuật tách sóng khơng đồng bộ có thể được áp dụng cho ASK và FSK với yêu cầu tối thiểu về sự ổn định độ rộng phổ và pha của laser .Tách sóng đường bao Heterodyne của tín hiệu ASK có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc thơng dải để nhận được tín hiệu trung tần ,sau đó cho tín hiệu này qua bộ tách sóng đỉnh để khơi phục tín hiệu dải nền .Sơ đồ khối được minh họa ở hình 3.4 (a)
a,Bộ thu sử dụng bộ tách sóng đường bao đơn ASK.
b,Bộ thu sử dụng bộ lọc đơi FSK.
Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne khơng đồng bộ.
Bằng cách sử dụng 2 bộ lọc có tần số trung tâm của các kênh như tần số đã phát mắc song song nhau có thể sử dụng để tách đường bao mỗi kênh cho tín hiệu FSK nhị phân.Cấu hình này được minh họa ở hình 3.4 (b).
3. Tách sóng Homodyne
Tách sóng Homodyne khơng chỉ tăng được độ nhạy thu của bộ thu 3dB mà còn dễ dàng đạt được yêu cầu về băng thơng của bộ thu .Hình 3.5 so sánh phổ ngõ ra của bộ tách sóng Homodyne PSK và Heterodyne PSK.Có thể thấy rằng tách sóng Homodyne chỉ u cầu băng thơng của bộ thu tách sóng trực tiếp trong khi đó tách sóng Heterodyne u cầu ít nhất 2 lần băng thông này và thường là 3 hoặc 4 lần..Nhưng tách sóng quang Homodyne sử dụng nguồn phát và laser dao động nội độc lập nhau nên gặp phải một điều cực kỳ khó khăn để điều khiển sự khóa pha của hai tín hiệu này.Tức là độ lệch pha
cao .Hơn nữa ,nếu trôi đến giá trị /2 thì dịng tín hiệu Is ở ngõ ra sẽ bằng 0 và q trình tách sóng sẽ kết thúc
Hình 3.5:So sánh phổ tín hiệu FSK ở ngõ ra bộ tách sóng homodyne và Heterodyne.
4.Vịng khóa pha trong máy thu quang coherent
Cấu trúc vịng khóa pha quang minh họa ở hình 3.6 áp dụng kỹ thuật sóng mang dẫn đường sử dụng cho tách sóng quang homodyne PSK .Sóng mang dẫn đường này được tạo ra từ điều chế pha khơng hồn tồn ( pha nhỏ hơn 180 0 .Sóng mang dẫn đường cùng với tín hiệu vào được tổ hợp ở bộ ghép định hướng DC 3dB và sau đó được tách sóng bằng bộ thu cân bằng .Tín hiệu ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai sẽ là hàm chênh lệch pha được sử dụng để khóa pha bộ dao động nội dưới sự điều khiển của bộ VCO sau khi đi qua bộ lọc vòng .Lưu ý rằng cơng suất của bất kỳ sóng mang được xử dụng cho q trình khóa pha đều trực tiếp làm giảm độ nhạy của bộ thu một lượng tương đương .Hơn nữa cơng suất của tín hiệu cần thiết để dị pha của sóng mang và được xác định chính xác phụ thuộc vào nhiễu pha của laser nguồn và laser của bộ dao động nội được tổ hợp cũng như băng thơng của PLL .Do đó,băng thơng của vịng tối ưu sẽ cho lỗi pha nhỏ nhất và có thể làm tăng chất lượng của bộ thu quang homodyne.
Hình 3.6:Bộ thu vịng khóa pha quang sóng mang dẫn đường
Bộ thu Homodyne sử dụng vịng khóa pha Costas áp dụng cho tín hiệu điều chế PSK được minh họa ở hình 3.7.Tín hiệu tới bộ thu và tín hiệu dao động nội được tổ hợp ở bộ Optical Hybrid sao cho hai tín hiệu này sẽ lệch pha 900
Hình 3.7 :Bộ thu vịng khóa pha quang Costas
Hai tín hiệu ở ngõ ra của hai bộ tách sóng quang sẽ được khuếch đại ,rồi nhân với nhau ở bộ Mixer.Pha của sóng mang sau đó sẽ được xác định ở bộ lọc thơng thấp .Hơn nữa, tín hiệu điều khiển cũng được lọc và được sử dụng để điều chỉnh tấn số của bộ dao động nội theo cách giống như đã áp dụng ,cho vịng khóa pha quang sóng mang dẫn đường .Tuy nhiên,sử dụng PLL quang Costas cơ ưu điểm là tất cả các mạch tín hiệu bé hơn trước khi trộn có thể được ghép a.c và do đó khơng bị tiêu tốn cơng suất truyền như trong linh kiên sóng mang dẫn đường.
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu: