2.3.1. Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM
Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM là một phương pháp rất đáng quan tâm, nó được xây dựng theo cách khai thác sự tán sắc sợi để làm việc. Sự chuyển đổi từ một tín hiệu điều chế FM đến một tín hiệu điều chế cường độ được thực hiện bởi chính sự tán sắc sợi của sợi. Một laser được điều chế FM quang được kích thích bởi một tín hiệu điều khiển sẽ tạo ra một chuỗi phổ quang bao gồm những vạch phổ đặt cách nhau bằng tần số điều khiển. Do hiệu ứng tán sắc, sự định pha tương đối của các dải biên quang làm biến đổi cường độ của ánh sáng tại những sóng hài của tần số điều khiển. Với trường hợp, một tín hiệu quang được điều chế FM và sợi quang loại SMF tiêu chuẩn, cường độ quang học tức thời thu được sau khi truyền qua sợi được cho bởi:
( ) 0 ( ) 1 2 p p p i t I ∞ I cos p t+ω ζ = = +∑ (2.7)
Trong đó: Ip là thành phần sóng hài thứ p của biến cường độ đã cho bởi phương trình (2.7), I0 là cường độ quang ổn định . Thông số ω
là tần số góc điều chế và ζp là pha của sóng hài thứ p . Cường độ sóng hài Ip được cho bởi:
( )
(2 )
p p
I =J βsin pφ (2.8)
Trong đó Jp(x) là hàm Bessel của loại thứ nhất, β là chỉ số điều chế FM (hoặc chỉ số điều chế pha) và Φ là một tham số đặc trưng cho góc tán sắc sợi đợc cho bởi
2 2 4 D z c ω λ φ π = (2.9)
Trong đó : λ là khoảng bước sóng tự do của laser, c là tốc độ ánh sáng, z là chiều dài sợi quang và D là thông số tác sắc nhóm của sợi.
Nếu độ sâu điều chế là Mp của sóng hài thứ p được xác định bằng tỉ số giữa biên độ của dòng quang điện luân phiên tại sóng hài thứ p với dòng quang điện một chiều (dc), khi đó Mp sẽ được cho Bởi
( )
( )
2 2
p p
M = J βsin pφ (2.10)
Về lý thuyết, độ sâu điều chế có thể đạt cực đại là 60% với sóng hài thứ 10. Tuy nhiên, trong thực tế chỉ đạt được độ sâu điều chế là 13% do xuất hiện điều chế cường độ nhất quán hiện tại đầu ra của laser (tín hiệu quang là không phải FM thuần túy).
(*) Ưu điểm của phương pháp FM-IM
Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM có thể được áp dụng để tạo ra các sóng mm tại những tần số cao rất hiệu quả. Đó là một kỹ thuật thực hiện đơn giản vì nó khai thác sự tán sắc sợi để hoạt động.
(*) Nhược điểm của phương pháp FM-IM
Hạn chế hiển nhiên của kỹ thuật này là sự thay đổi độ sâu điều chế với chiều dài sợi quang. Những laser đáp ứng FM băng rộng tốt không có sẵn. Laser FM phải có khả năng cho độ lệch tần số quang rộng tại các tốc độ sóng viba. Nói chung độ lệch tần số từ đỉnh tới đỉnh (peak - to - peak) phải ít nhất là bằng tần số sóng mm mong muốn. Tuy nhiên có thể giải quyết vấn đề điều chế cường độ vốn có trong laser FM điều chế trực tiếp bằng việc sử dụng một bộ điều chế pha ngoài kết hợp với một laser sóng liên tục (CW).
2.3.2. Các kỹ thuật điều chế dải biên
Có hai kỹ thuật điều chế dải biên được gọi là các phương pháp 2f và 4f . Khác với kỹ thuật FM-IM, kỹ thuật này tạo ra các sóng hài bậc cao không có lợi cho sự tán sắc sợi bằng cách dựa vào đặc tính truyền phi tuyến của bộ điều chế biên độ Mach Zehnder (MZM). Đầu ra của MZM dưới dạng điện trường E có thể được mô tả bởi:
( ) ( ) mod( ) out in V t E t E t cos 2 Vπ π = ÷ (2.11)
Trong đó: Ein(t) : là quang trường cung cấp tại đầu vào của bộ điều chế, Vmod(t) là điện áp điều chế cung cấp cho bộ điều chế, và Vπ
là điện áp điều chế cần triệt hoàn toàn tại đầu ra. Nếu Vmod(t) là hàm sin thì có thể biểu diễn điện trường đầu ra theo dạng:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 2 3 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 1 1 3 2 2 out E J cos cos t 2 J sin cos t t 2 J cos cos t t 2 J sin cos t t 2 π π α ε π π α ε ω π π α ε ω π π α ε ω = ÷ + ÷ Ω − ÷ + ÷ Ω ± + ÷ + ÷ Ω ± − ÷ + ÷ Ω ± +L (2.12)
Trong đó: Ji là hàm Bessel bậc i của loại 1, ε hệ số phân cực thông thường, và α là mức điều khiển. Phương trình (2.12) biểu thị rằng, bằng việc điều chỉnh thế hiệu dịch ε = 0, hoặc ε = 1, ta có thể tạo ra các sóng hài bậc 2 và bậc 4 của tín hiệu điều khiển
Khi bộ MZM được phân cực bởi thế ε = 0 (tại Vπ) thì các sóng mang quang bị triệt tiêu với nhau tại Ω ± 2ω, Ω ± 3ω, ..v..v. còn lại là gồm hai thành phần mạnh phân cách nhau 2ω xung quanh Ω như trong Hình 2.8 và các số hạng lẻ bậc cao hơn, ta có thể giảm được các số hạng bậc cao hơn có các biên độ thấp hơn bằng cách điều chỉnh các điểm phân cực. Tín hiệu quang đã điều chế được chuyển qua sợi tới RAU. Khi hai thành phần mạnh phân cách nhau 2ω tác động lên điốt quang chúng ngoại sai để tạo ra một tín hiệu vi ba với tần số góc bằng 2ω. Nói cách khác tần số điều khiển được nhân đôi, hay fmm = 2fmod.
Điều chế dữ liệu với các sóng mm đã tạo ra được thực hiện bằng việc lọc một trong những thành phần dải biên quang và sau đó điều chế nó với dữ liệu trước khi được kết hợp lại và truyền cả hai dải biên, như biểu diễn trong Hình 2.8.
Hình 2.8: Kỹ thuật 2f đối với việc tạo ra các sóng mm
2.3.2.2. Phương pháp 4f
Phương pháp 4f cũng tương tự như phương pháp 2f đã được xem xét ở trên, ngoại trừ, trong trường hợp này sử dụng ε = 1. Phổ
khi đó gồm sóng mang quang tại tần số trung tâm với các dải biên tần tại 2ω bên này hay bên kia. Bằng việc chọn lựa cẩn thận điện áp điều khiển α sao cho J0(απ/2) = 0, thành phần trung tâm tại Ω có thể cũng bị triệt tiêu. Kết qủa phổ quang bây giờ gồm 2 thành phần chính cách nhau bằng 4 lần tần số điều khiển của bộ điều chế. Ngoại sai (tạo phách) tại điốt quang cho sản phẩm là một tín hiệu tại tần số
fmm = 4fmod vì thế ta gọi là phương pháp 4f.
(*) Ưu điểm của các phương pháp 2f và 4f
Cả hai phương pháp 2f và 4f đều dựa vào kỹ thuật ngoại sai quang, Bởi vậy chúng có khả năng tạo ra các tín hiệu sóng mm tần số cao. Khi cùng một laser tạo ra cả hai trường quang thì tạp âm pha có tương quan với nhau cao dẫn đến các sóng mm có độ rộng vạch phổ rất hẹp. Trong thực tế, hiệu quả của các phương pháp này dưới dạng tạp âm pha có thể so sánh được đối với hệ thống OPLL, các độ sâu điều chế khả thi với kỹ thuật này trong thực tế lớn hơn so với trong kỹ thuật FM- IM.
(*) Nhược điểm của các phương pháp 2f và 4f
Nhược điểm chính của kỹ thuật này là cần phải lọc một trong các dải biên để điều chế dữ liệu. Việc điều chỉnh nhiệt độ là rất quan trọng nhằm mục đích giữ cho bộ lọc sắp thẳng hàng với dải biên quang sẽ được lọc.
2.3.3. Kỹ thuật sử dụng bộ đo giao thoa dựa trên trộn tín hiệu
bằng bộ đo giao thoa Mach Zehnder
Phương pháp chuyển đổi tần lên tần số sóng hài sử dụng một giao thoa kế bằng bộ trộn được minh họa trong Hình 2.9. Trong phương pháp này, một tín hiệu LO và một tín hiệu RF được dùng để điều chế một điốt laser, và sau đó được trộn lẫn trong một cấu hình MZI/điốt quang. Thách thức của phương pháp này là thực tế cả bước sóng laser lẫn đáp tuyến bộ lọc phải được làm ổn định trước các nhiễu loạn môi trường. Ngoài ra, đặc tính hệ thống rất nhạy cảm đối với các nhiễu loạn phân cực.
2.4. Kỹ thuật thu phát quang sử dụng EAT.
Cấu trúc BS đơn giản nhất có thể đạt được với một thiết bị thu phát quang như một bộ thu phát hấp thụ điện từ (EAT). Nó thực hiện cả 2 chức năng cùng một lúc: là một bộ chuyển đổi O/E cho tuyến xuống và là một bộ chuyển đổi E/O cho tuyến lên. Hai bước sóng được truyền qua một sợi quang từ CS đến BS, một cho truyền dẫn tuyến xuống được điều chế bởi dữ liệu người dùng còn bước sóng kia cho truyền dẫn tuyến lên là không được điều chế. Bước sóng không được điều chế sẽ được điều chế bởi dữ liệu tuyến lên tại BS và trở lại CS. Tức là, EAT được sử dụng như một điốt tách quang cho đường truyền dữ liệu và như một bộ điều chế để cung cấp một đường dẫn trở lại cho dữ liệu, do đó nó không cần có một laser ở đầu xa. Thiết bị này đã cho thấy có khả năng hoạt động song công hoàn toàn tại các dải sóng mm. có một điều trở ngại là nó chịu ảnh hưởng bởi vấn đề tán sắc. Hình 2.10 biểu diễn một hệ thống RoF dựa trên việc phát triển EAT.
Hình 2.10: Bộ thu phát hấp thụ điện từ EAT
2.5. Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF2.5.1 Ghép kênh sóng mang con SCM 2.5.1 Ghép kênh sóng mang con SCM
Ghép kênh sóng mang con là một phương pháp hoàn thiện, đơn giản và có hiệu quả chi phí để khai thác băng thông sợi quang trong các hệ thống thông tin quang tương tự nói chung và trong các hệ thống RoF nói riêng.
Hình 2.11 : Ghép kênh sóng mang con SCM của các tín hiệu tương tự và số Trong SCM, tín hiệu RF (sóng mang con) được sử dụng để điều chế một sóng mang quang tại phía máy phát. Kết quả, nó cho một
phổ quang bao gồm tần số sóng mang gốc f0 cộng với 2 tần phụ tại f0
± fSC , trong đó fSC là tần số sóng mang con. Nếu chính sóng mang con được điều chế với dữ liệu (tương tự hoặc số) thì tạo ra các dải biên có tần số trung tâm là f0 ± fSC như minh họa trong Hình 2.11.
Để ghép nhiều kênh trên một sóng mang quang. Đầu tiên, nhiều sóng mang con được kết hợp lại, sau đó điều chế sóng mang quang như biểu diễn trong Hình 2.11. Tại phía thu các sóng mang con được khôi phục qua tách sóng trực tiếp và sau đó được phát đi. Các sơ đồ điều chế khác nhau có thể được sử dụng trên các sóng mang con riêng biệt, một sóng mang con có thể mang dữ liệu số trong khi một sóng khác có thể được điều chế với một tín hiệu tương tự như là lưu lượng Video hay lưu lượng thoại. Với cách này, SCM hỗ trợ ghép các dữ liệu băng rộng pha trộn theo các kiểu khác nhau. Sự điều chế các sóng mang quang có thể thực hiện được bằng cách điều chế trực tiếp laser hoặc bằng sử dụng các bộ điều chế ngoài như là MZM
SCM có thể được dùng trong cả hai kỹ thuật RoF IM - DD và RHD. SCM kết hợp với kỹ thuật IM- DD đã được sử dụng trong các hệ thống RoF dùng sợi đa mode. Tuy nhiên, các hệ thống này đã được sử dụng chủ yếu cho truyền dẫn các tín hiệu WLAN tại các tần số dưới 6 GHz.
(*) Ưu điểm của ghép kênh sóng mang con
Một trong những lợi thế chính của SCM là nó hỗ trợ kiểu lưu lượng dữ liệu hỗn hợp. Mỗi sóng mang con có thể mang một tín hiệu có khuôn dạng điều chế độc lập. Bởi vậy, nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng rộng như là CATV, LAN không dây và các ứng dụng
sóng mm mà mới chỉ có một số mà thôi. Hơn nữa, vì những sóng mang con tại những tần số thấp nên các linh kiện luôn sẵn có. Các bộ điều chế, các bộ trộn và các bộ khuếch đại thực hiện trong TV cáp (CATV) và các hệ thống vệ tính khác có thể vẫn được sử dụng các hệ thống SCM dẫn tới chi phí hệ thống thấp.
(*) Nhược điểm của ghép kênh sóng mang con
Nhược điểm của SCM là bởi nó là một kỹ thuật tương tự nên nhạy cảm hơn với các ảnh hưởng tạp nhiễu và méo dạng do tính phi tuyến. Yêu cầu tính tuyến tính đối với các hoạt động của các thành phần của hệ thống là rát khó, đặc biệt với các ứng dụng như là Video, trong đó nó có thể yêu cầu tỉ số sóng mang trên tạp âm (CNR) > 55 dB. Nguồn quang của của cường độ tạp âm tương đối (RIN) là nguồn tạp âm chính và cần phải giữ càng thấp càng tốt.
2.5.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM.
Ứng dụng WDM vào trong các mạng RoF có rất nhiều ưu điểm bao gồm việc đơn giản hóa của tôpô mạng bằng việc cấp phát những bước sóng khác nhau tới các BS riêng lẻ, cho phép nâng cấp mở rộng dịch vụ và mạng dễ dàng hơn, cung cấp việc quản lý mạng đơn giản hơn. Bởi vậy kết hợp WDM với sự vận chuyển sóng quang mm đã được nghiên cứu rộng rãi.
Hình 2.12: Sơ đồ kết hợp của DWDM và truyền dẫn RoF
Hình 2.12 miêu tả một tuyến truyền dẫn xuống. Tín hiệu quang sóng mm từ nhiều nguồn được ghép lại sau đó khuyếch đại và vận chuyển qua một sợi quang đơn, giải ghép kênh để gửi tới mỗi BS. Mặc dù có nhiều bước sóng có sẵn trong các công nghệ DWDM hiện đại nhưng các mạng RoF dải sóng mm có thể yêu cầu nhiều tài nguyên bước sóng BS hơn nên cần phải sử dụng một cách hiệu quả.
Một thách thức khác nảy sinh là độ rộng phổ quang của một nguồn quang đơn sóng mm có thể bằng hoặc vượt quá khoảng cách kênh WDM. Chẳng hạn, Hình 2.13 cho thấy một phổ quang của các tín hiệu RoF DWDM sóng mm với điều chế DSB quang (a) và điều chế SSB quang (b), ở đây chúng ta giả thiết rằng tần số sóng mang của tín hiệu sóng mm là 60 GHz.
Hình 2.13: Phổ quang của tín các hiệu RoF DWDM sóng mm với (a) điều chế DSB quang, (b) điều chế SSB quang
Hình 2.13 (a) cho thấy để truyền kênh dữ liệu đơn tại băng 60 GHz thì nên sử dụng điều chế DSB hơn là tại băng thông 120 GHz. Ngoài ra, trên quan điểm chi phí nó được ưa dùng hơn là sử dụng phân bố kênh bởi tính sẵn có của các phần tử quang theo khuyến nghị của ITU. Khi ấy, khoảng cách kênh tối thiểu trong điều chế DSB là 200 GHz, trong trường hợp điều chế SSB khoảng cách này là 100 GHz như minh họa trong Hình 2.13 (b). Để tăng hiệu xuất phổ của hệ thống, khái niệm đan xen tần số quang đã được đề xuất.
Một vấn đề khác liên quan đến số lượng bước sóng yêu cầu trên một BS là cần có một bước sóng để hỗ trợ hoạt động song công hoàn toàn. Kỹ thuật tái sử dụng bước sóng đã được đề xuất từ đó dựa trên việc khôi phục sóng mang quang sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tuyến xuống và sử dụng lại cùng bước sóng truyền dẫn tín hiệu tuyến lên.
Hình 2.14: Cấu trúc vòng Ring RoF dựa trên DWDM
Hình 2.14 biểu diễn một cấu trúc Ring quang đơn hướng tiêu biểu có thể sử dụng để cung cấp các dịch vụ không dây băng rộng. Trong CS, tất cả các nguồn quang tuyến lên và xuống đều được ghép và khuếch đại. Những kênh tuyến xuống đã điều chế và những kênh tuyến lên chưa điều chế được đưa vào sợi quang của Ring quang. Tại mỗi BS, cặp bước sóng tuyến lên và xuống được đưa qua một OADM tới EAT để đồng thời tách và điều chế kênh tuyến xuống và tuyến lên tương ứng. Các kênh tuyến lên đã được điều chế được đưa trở lại sợi xương sống và vòng trở lại tới CS thực hiện giải ghép kênh và tách. Lợi thế chính của sơ đồ vòng Ring WDM đa điểm Point - to -