IV .So sánh một số loại thu coherent
2. So sánh thu heterodyne và thu homodyne:
Để có được đánh giá so sánh độ nhạy thu heterodyne và thu homodyne trong thông tin quang coherent, chúng ta khảo sát giá trị S/N trong từng trường hợp với mức công suất quang tới nguồn thu như nhau.
Từ công thức (3.10) trong trường hợp thu lý tưởng với giới hạn nhiễu lượng tử, người ta chứng minh được rằng trong thu homodyne tỷ số (S/N) được cải thiện 3dB so với thu heterodyne, bởi vì dải tần sau khi tách sóng trong trường hợp thứ nhất lớn gấp hai lần. Tuy nhiên cách đánh giá này chưa cụ thể bởi vì khi nhiễu lượng tử đóng góp nhỏ vào mức tạp âm tín hiệu thì độ nhạy nguồn thu luôn luôn được xác định bằng tạp âm nhiệt, lúc đó thu homodyne chưa cho thấy rõ ưu thế của nó so với thu heterodyne. Để khảo sát chi tiết hơn, chúng ta tiến hành nghiên cứu trên cơ sở mẫu nguồn thu phức tạp hơn trình bày trên hình 3.10:
Hình 3.10. Mẫu thu coherent
Trường điện từ trong thu homodyne và thu heterodyne được điều biến tại nguồn phát và lan truyền trong mơi trường ổn định (tín hiệu khơng bị méo) và được biến đổi ở photodiode sao cho dịng điện lối ra của nó phù hợp với tín hiệu điều chế. Khi đó, do phương trình Maxwell là tuyến tính với trường điện từ nên hệ thống truyền tín hiệu cũng có tính chất tuyến tính. Ngồi ra sự thay đổi theo thời gian của các thông số điện và quang xem như là nhỏ, cho nên có thể giả thiết rằng hệ thống truyền tín hiệu là khơng đổi theo thời gian. Khi đó áp dụng phương pháp tính tốn bán cổ điển, dịng điện lối ra từ photodiode iph
với công suất dao động nội đủ lớn sẽ tỷ lệ tuyến tính với cơng suất quang tối thiểu tới bề mặt photodiode P, tương ứng với giá trị trung bình của nó là:
(3.4).
Và thành phần tạp âm của mật độ công suất là:
(3.5).
Ở đây, R là hệ số chuyển đổi của photodiode, .
Khi phân tích q trình truyền sóng trên sợi quang, sự thay đổi theo thời gian và không gian của trường điện từ thường được giải thích là khơng phụ thuộc nhau, tức là sự thay đổi theo thời gian không gây ảnh hưởng lên sự phân bố khơng gian của trường. Khi đó có thể bỏ qua ảnh hưởng thay đổi không gian. Sự thay đổi trường điện từ theo thời gian của tín hiệu thu Es(t) và
dao động nội ELO(t) có thể được mơ tả dưới dạng sau:
(3.6). (3.7).
Ở đây, s là tần số góc của tín hiệu truyền, s=2fs; Lo là tần số góc của dao động nội, LO = 2fLO; Ps(t), s(t), s(t) là biên độ tần số và pha điều chế của tín hiệu. Tín hiệu này qua bộ trộn quang tới bề mặt của photodiode. Để đơn giản coi tín hiệu và dao động nội là hoàn toàn kết hợp và độ phân cực trùng nhau.
Dịng tín hiệu ở lối ra của photodiode iph sẽ tỷ lệ với theo (3.4,3.6,3.7) ta có:
(3.8).
Ở đây, fIF là trung tần tín hiệu. Từ (3.8) ta có thành phần biến đổi của dịng điện là:
(3.9).
Trong trường hợp thu heterodyne (fIF 0) với bộ lọc tần lý tưởng, công suất của thành phần này ở lối vào bộ giải điều chế:
(3.10).
Trong thu homodyne (fIF = 0):
(3.11).
Nếu giới hạn việc khảo sát trong sơ đồ điều biên hoặc điều tần, người ta thấy rằng trong thu heterodyne dải phổ trung tần BIF lớn gấp hai lần dải tần theo video Bv. Với điều kiện PLO>>Ps từ công thức (3.5) nhận được công suất tạp âm thu heterodyne là:
(3.12).
Và công suất tạp âm thu homodyne là:
(3.13).
Luc đó tỷ số (S/N) ở lối vào bộ giải điều chế được xác định theo tỷ số giữa (3.10) và (3.12), giữa (3.11) và (3.13):
(3.14). (3.15).
Trong thu homodyne giải điều chế khơng có nên: (S/N)2Ho =(S/N)1Ho (3.16).
Để đánh giá tỷ số (S/N) ở lối ra của bộ giải điều tần trong trường hợp thu heterodyne, chúng ta khảo sát sơ đồ điều biên hoặc điều tần hình (3.3b).
trong trường hợp tối ưu. Coi rằng tần số của bộ lọc tần thấp bằng dải tần video Bv. Khi đó ta thấy rằng: Biên độ giải điều chế, cơng suất tín hiệu trên lối ra tăng gấp đôi. Nhưng cơng suất tạp âm vẫn giữ ngun vì độ truyền qua dải tần giảm 2 lần. Do đó ta có:
(3.17).
Từ (3.1) và (3.14) ta thấy rằng tỷ số (S/N) với photodiode lý tưởng sau khi qua biến đổi tần thấp và lọc trong thu heterodyne là tương ứng với tỷ số (S/N) trong giới hạn nhiễu lượng tử. Đối với thu homodyne ta thấy rằng độ nhạy thu được cải thiện 6 dB, tuy nhiên ở lối ra của bộ giải điều chế giảm 3dB. Do đó ta có thể kết luận rằng: Thu homodyne tốt hơn thi heterodyne là 3dB. Và so với thu tách sóng trực tiếp, độ nhạy thu coherent nâng lên từ 10đến 20dB.
Kết Luận
Trong chương này ta nghiên cứu ngun lý tách sóng ,cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản được thể hiện trong hình 3.2. Tách sóng heterodyne đồng bộ sử dụng cho giải điều chế PSK ,tách sóng heterodyne khơng đồng bộ áp dụng cho tách sóng ASK và FSK với yêu cầu tối thiểu về sự ổn định độ rộng phổ và pha của laser.Ngồi ra cịn tách sóng homodyne phải sử dụng tách sóng đồng bộ,có thể thấy rằng tách sóng homodyne chỉ u càu băng thơng của bộ tách sóng trực tiếp trong khi tách sóng heterodyne cần ít nhất 2 lần băng thông này và thường là từ 3 đến 4 lần.So sánh thu heterodyne và homodyne trong hệ thống Coherent ta thấy rằng thu homodyne tốt hơn thu heterodyne là 3dB và so với thu tách sóng trực tiếp độ nhạy thu hệ thống coherent cao hơn từ 15-20dB
Ta thấy rằng máy thu đồng tần PSK cho độ nhạy thu cao nhất,còn hệ thống máy thu đổi tần ASK và FSK cho độ nhạy thu thấp nhất.Tuy nhiên hệ thống máy thu heterodyne ASK và FSK có cấu trúc đơn giản hơn và giảm nhẹ yêu cầu của hệ thống nên thường dùng trong các hệ thống yêu cầu tốc độ và khoảng cách trung bình.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy thu như là: nhiễu pha, nhiễu cường độ, không tương xứng và phân cực, tán sắc trong sợi quang và các yếu tố khác. Người ta phân loại máy thu coherent ra làm 3 loại: Hệ thống có mức độ kết hợp cao, hệ thống có mức độ kết hợp trung bình, hệ thống có mức độ kết hợp thấp. Yêu cầu cơ bản của nó là giảm nhiễu laser dao động nội và ổn định tần số trung gian. Các hệ thống này sử dụng 4 kỹ thuật điều chế cơ bản: ASK, FSK, PSK, điều chế phân cực. Hình 3.4 và 3.5 mơ tả sơ đồ thực nghiệm thu heterodyne FSK và thu homodyne DPSK.
Chương IV
Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin quang kết hợp và những kỹ thuật tiên tiến