Chương 3: KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC TRONG THÔNG TIN QUANG
3.2 Các kỹ thuật bù tán sắc trước
Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý chung là sửa đặc tính xung ngõ vào của bộ phát trước khi đưa vào sợi, đó là thay đổi biên độ phổ của xung ngõ vào A~(0,ω) như sau:
( ) ( ) ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛−
→ 2. . 2
exp 2 . ,
~ 0 ,
~ 0ω ω i β Lω
A
A (3.2-1) trong đó L là chiều dài sợi. Khi đó tán sắc vận tốc nhóm (GVD) sẽ được bù chính xác và xung vẫn giữ nguyên dạng tại ngõ ra.
Nhưng thực tế để biến đổi được như phương trình (3.2-1) không dễ nên ta chỉ làm lệch tần xung ngõ vào để giảm sự mở rộng xung do GVD [1], và nó được thực hiện tại bộ phát trước khi xung được lan truyền. Kỹ thuật như vậy được gọi là kỹ thuật lệch tần trước.
3.2.1 Kỹ thuật lệch tần trước
Biên độ ngõ vào được cho bởi phương trình:
( ) ⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝ + ⎛
−
=
2
0
0 2
. exp 1
,
0 T
t C A i
t
A (3.2-2) trong đó C là hệ số lệch tần (xung Gaussian), nếu β2.C<0 kết quả là xung bị nén lúc đầu, và nếu xung được lệch tần hợp lý thì nó có thể lan truyền qua khoảng cách dài hơn trước khi bị mở rộng vượt quá chu kỳ bít.
Từ phương trình (2.5-17) ta có sự mở rộng xung 2
0 1 = T
T là có thể chấp nhận được.
Khi đó khoảng cách truyền dẫn sẽ là [1]:
LD
C C
L C .
1 . 2 1
2 2
+ +
= + (3.2-3)
trong đó LD =T02/β2 là chiều dài tán sắc. Vậy nếu C=0 thì ta có L=LD, nếu C=1 thì L sẽ tăng lên 36%. Ta cần chú ý là nếu C quá lớn thì L có thể nhỏ hơn LD. Khi C=1/ 2thì L/LD = 2 [1].
Tuy nhiên đối với Lazer bán dẫn điều chế trực tiếp thì C<0 và β2 <0 tại bước sóng μm
55 ,
1 đối với sợi chuẩn, vì thế β2.C>0 dẫn tới xung bị nới rộng, không phù hợp.
Đối với trường hợp điều chế ngoài thì xung quang lệch tần một cách gần như tự do và cung cấp giá trị C > 0 để cho β2.C<0 khi đó xung bị nén lại.
Hình 3.1 sau đây cho ta thấy tần số của Lazer DFB đầu tiên được điều tần. Sau đó ngõ ra của Lazer được đưa vào bộ điều chế ngoài để điều chế biên độ. Cuối cùng ta được tín hiệu quang được điều chế AM và FM.
‐ 30 ‐
‐ 31 ‐
Từ hình 3.1 ta thấy tín hiệu FM được điều chế trước tín hiệu AM, tạo ra tín hiệu xung lệch tần, độ lệch tần được xác định như sau:
Giả sử dạng xung là Gaussian thì tín hiệu quang có thể được biểu diễn như sau [1]:
( ) [ i ( t t
T A t
t
E 0, exp 2 exp 0 1 .sin m.
0 2
0 ⎟⎟⎠ − ω +δ ω
⎜⎜ ⎞
⎝
= ⎛ − ) ] (3.2-4)
trong đó ω0 là tần số sóng mang của xung và được điều chế dạng sine tại tần số ωmvới độ sâu điều chế là δ . Gần trung tâm của xung thì sin(ωm.t)≈ωm.t và phương trình trên trở thành [1]: ( ) ( i t
T t C A i
t
E exp . .
2 . exp 1
,
0 0
2
0
0 − ω
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝ + ⎛
−
≈ ) ( 3.2-5 )
trong đó C là tham số lệch tần và nó được tính theo công thức sau [1]:
2 0 0. . .
2 T
C= δωmω (3.2-6) D
Optical receiver Transmission fiber
Signal generator Clock
generator
External modulator λ/4 shifted
DFB LD
Optical electric field Optical electric field
Intensity mod
Isolator
Hình 3.1: Sơ đồ kỹ thuật lệch tần trước dùng để bù tán sắc: a) Ngõ ra điều tần của DFB Lazer; b) Dạng xung tạo ra bởi bộ điều chế ngoài; c) Xung được lệch tần trước dùng để truyền dẫn.
1 0
Mod drv
S.G ATT
Mod
Time Time
a) b) c)
Từ công thức (3.2-6) ta thấy cả biên độ và dấu của tham số lệch tần (C) có thể điều khiển được nhờ thay đổi δ và ωm.
3.2.2 Kỹ thuật mã hóa Novel
Điều chế FM và AM tín hiệu quang cùng một lúc thì không cần thiết đối với việc bù tán sắc, nên người ta dùng khóa dịch tần (FSK) cho việc truyền tín hiệu. Tín hiệu FSK được thực hiện bằng việc chuyển mạch bước sóng của Lazer lệch nhau một lượng là Δλ giữa bít 0 và bít 1. Hai bước sóng sẽ lan truyền trong sợi với tốc độ hơi khác nhau.
Thời gian trễ giữa bít 1 và bít 0 phụ thuộc vào việc dịch bước sóng Δλ và được tính theo công thức: ΔT =D.L.Δλ và ta chọn Δλ sao cho ΔT =1/B.
Sự trễ này tạo ra tín hiệu quang ba mức tại đầu thu. Hình 3.2 sau đây cho ta thấy sự trì hoãn một bít tạo ra tín hiệu quang ba mức như thế nào. Do tán sắc của sợi nên tín hiệu FSK sẽ chuyển sang tín hiệu có biên độ được điều chế. Và tín hiệu này có thể được giải mã ở đầu thu nhờ sử dụng bộ tích phân điện kết hợp với mạch quyết định bít.
Hình 3.2: Bù tán sắc dùng mã hóa FSK: a) Tần số quang và công suất tín hiệu phát; b) Tần số và công suất tín hiệu thu và dữ liệu điện được giải mã.
Một phương pháp khác là mã hóa cặp nhị phân có thể làm giảm băng thông của tín hiệu còn 50%. Trong phương pháp mã hóa này, hai bít kế tiếp nhau trong chuỗi nhị phân gộp lại hình thành một mã cặp nhị phân ba mức ở tốc độ bít chỉ bằng một nữa. Vì tán sắc vận tốc nhóm (GVD) phụ thuộc vào độ rộng băng của tín hiệu, nên khoảng cách truyền có thể tăng nhờ giảm băng tần của tín hiệu.
‐ 32 ‐
Tốc độ bít 10Gbps sử dụng mã hóa cặp nhị phân thì cự ly truyền dẫn có thể tăng thêm 30 đến 40km so với mã hóa nhị phân [1].
Mã hóa cặp nhị phân có thể kết hợp với kỹ thuật lệch tần trước.
Trong thực tế đã truyền được tín hiệu tốc độ bít 10Gbps qua cự ly 160km sợi thường nhờ kết hợp mã hóa cặp nhị phân với bộ điều chế ngoài có C > 0 [1].