Các hệ thống thông tin quang Nghiem Xuan Anh

C¸c HÖ Thèng Th«ng Tin Quang
Msc.Eng.NghiêmXuânAnh
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 2
Nhữngnộidungchính
I. HệthốngthôngtinquangIMDD
II. Hệthốngthôngtinquangcoherent
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 3
I.GiớithiệuHệthốngTTQIMDD
HệthốngTTQIMDDlàgì?
sử dụng điều biến cường độ (IMIntensity
Modulation),và
táchsóngtrựctiếpDD(DirectDetector)
thôngtinvềphacủatínhiệukhôngđóngvaitròquan
trọng(khácbiệtvớihệthốngTTQCoherent)
Hệ thống TTQ IMDD ra đời đầu tiên, đã và đang
đượcsử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt
namvànhiềunướckhác.Tốcđộhiệnnayđạt(2,5 ¸
10Gb/s(STM4,STM16)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 4
I.1NguyênlýhệthốngIMDD
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 5
I.1.1.PhíaMáyPhát
Phíaphátthựchiện biếnđổitínhiệu điện đầuvào
thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu
quang nàyvàosợiquang để thựchiệnviệctruyền
thôngtin.
[Máy phát thực hiện điều chế nguồn quang (LED
hoặc LD) bằng dòng tín hiệu điện (digital hoặc
analog)cầntruyền].Tứclà,côngsuấtquangratỷlệ
tuyếntínhvớidòngđiềubiến Þ Kiểuđiềuchếnày
gọilàđiềuchếcườngđộIM(IntensityModulation).

2/26/2007 OpticCommunicationSystems 6
Intensitymodulation
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 7
I.1.2.Truyềntintrênsợiquang
Côngsuấttínhiệubịtổnhaotrongquátrìnhtruyền
ánhsángdọctheochiềudàicủasợi(dohấpthụcủa
tạpchất,củabảnthânvậtliệu,hấpthụđiệntử,suy
haodouốncong,tánxạvv…) Þ Lengthlimitted!
Suyhaocôngsuất(suyhaoxen)docácphầntửtrên
tuyến(bộnối,mốinối,mốihàn,cácbộghép/xenrẽ
kênh,cácbộchuyểnđổi…) Þ Lengthlimitted!
Méo(dãnxung)tínhiệudotánsắc(tánsắcgiữacác
mode,tánsắcmode(tánsắcvậntốcnhóm),tánsắc
dẫnsóng,tánsắcvật liệu,tánsắc phân cựcmode
vv Þ Bitratelimitted!.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 8
I.1.3.PhíaMáyThu
Sóngtínhiệuquangđượcphátđitừphíaphátsaukhi
tới bộ thu quang được biến đổi thành tín hiệu điện
(nhờphotodiode),đượckhuếchđạivàkhôiphụcthành
tínhiệucódạngnhưởđầuvàothiếtbịphátquang.
Photodiode(O/E)thựchiện táchsóngtheoluật bình
phươngvìnóbiếnđổicôngsuấtquangthuđượctrực
tiếpthànhdòngđiện(dòngphoto)tạiđầuracủanó. Þ
bộthukiểunàyđượcgọilàbộthutáchsóngtrựctiếp
(DD).CácphotodiodecóthểlàpinhoặcAPD. Tách
sóngtrựctiếpđượcbiểuhiệnlàởmáythuquang,tín
hiệuđượctách ratrực tiếp ởbăng gốcmà khôngcó
bấtkỳxửlýhoặcbiếnđổinào.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 9

I.2.TỷsốtínhiệutrênnhiễuSNR
Tỷsốtínhiệu/nhiễu(SNR)làthamsốrấtquantrọng
trong bộ tách sóng quang.Nó xác định chất lượng
của bộ thu quang tương tự và là yếu tố chủ yếu
quyếtđịnhđộnhạycủabộthuquangsố.
Saukhitínhiệuquanglantruyềnquamộtcựlydài,
công suất của nó rất thấp. Do đó cần có bộ thu
quang tốt, bộ tách sóng quang và các mạch điện
khuếchđạisaunóphảikếthợptốiưuđểchoraSNR
cao.Tứclà:
Bộtáchsóngquangcầncóhiệusuấtlượngtửcaođểphát
racôngsuấttínhiệulớn,và
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 10
SNR(continued…)
Nhiễucủabộtáchsóngquangvàbộkhuếchđạiđiệnphải
càngthấpcàngtốt.
Tỷ sốtínhiệutrênnhiễucủaphotodiodeđượcxácđịnh
là
Tỷ sốSNRcủabộthuphotodiodepinđượcviếtlà:
2
2
đ
s

p
I
SNR =
+
=
¹i khuÕch bé nhiÔu suÊt C«ng sãng t¸ch bé nhiÔu suÊt C«ng

photo dßng tõ hiÖu tÝn suÊt C«ng
enLBldine
in
pin
BFRTkIIRPeB
PR
SNR
)/4()(2
2
2
+ + +
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 11
SNR(continued.)
Tronggiớihạnnhiễunhiệt(s
s
<< s
T
)khiđó
Còntronggiớihạnnhiễulượngtử(s
s
>> s
T
)thì
Note: Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng tách
sóngpin,nhiễutrộilànhiễunhiệt(dobộtáchsóng
cóđiệntrởtảitáchsóngnênnósinhradòngnhiễu
nhiệtkhálớnđểtạoranhiễunhiệt.)
neB
L

inpin
FTBk
R
PRSNR
4
2
2
=
e
in
e
in
pin
Bh
P
eB
RP
SNR

n
h
22
= =
F
n
:HệsốnhiễucủabộKĐ
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 12
SNR(continued.)
Trong nhiều bộ thu quang, dòng nhiễu nhiệt hiệu

dụng lớn gấp khoảng 20 lần dòng nhiễu lượng tử
hiệudụngvàkhoảng100lầndòngtốihiệudụng.
Tươngtự,tỷsốSNRcủabộthuquangdùngAPDlà
Tronggiớihạnnhiễunhiệt(s
s
<< s
T
)thìSNR
APD
là:
vớihyvọngcóthểcảithiệnM
2
sovớibộthupin.
enLBleAdine
in
APD
BFRTkIeBFMIRPeB
MRP
SNR
)/4(2)(2
)(
2
2
+ + +
=
neB
L
inAPD
FTBk
R

PMRSNR
4
2
22
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 13
SNR(continued.)
Ngượclại,tronggiớihạnnhiễulượngtử,(s
s
>> s
T
),lúc
nàytacó
Vàtrongtrườnghợpnày,tỷsốtínhiệutrênnhiễuSNR
củabộthudùngphotodiodeAPDlạibịgiảmđibởihệ
sốnhiễutrộiF
A
sovớibộthuphotodiode pin.
TrongđóFAđượcxácđịnhbằngthựcnghiệmxấpxỉlà
Vớixlàphântửgam,=0.3vớiphotodiodethácSilic,=
0.7đ/vInGaAs,=1vớiGermanium.
Ae
in
Ae
in
APD
FBh
P
FeB
RP

SNR

n
h

22
= =
x
A
MF »
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 14
I.3.Độnhạycủabộthuquang
Độ nhạy thu là tham số quan trọng nhất đánh giá
khảnăngvàchấtlượngcủaHTTTQ.
Độnhạycaothểhiệnkhảnăngthuđượcmứccông
suấtquangrấtthấp.
ĐộnhạythucaochophépthiếtkếđượccácHTTTQ
cótốcđộcaovàcựlyxa.Nóbịtácđộngtrựctiếp
bởitỷsốSNRcủabộtáchsóngquang.TứclàSNR
càngcaothìđộnhạycàngcao.
eSNR chỉ đủ để đánh giá chất lượng tín hiệu thu
trongtruyềndẫnanalogcó đápứngtiêuchuẩnđề
rahaykhông,còn
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 15
Độnhạythu–sơđồthamchiếu
Trong thôngtinquang số, độnhạythuluôn bịràng
buộc bởi tỷ số lỗi bit BER. Độ nhạy được thể hiện
bằng một công suất quang tối thiểu có thể có thể
đảmbảotỷsốlỗibitBERđãcho.(Thườngđượcxác
địnhtạimộtđiểmthamchiếutrướcbộnốithuR)

S
C
TX
(Bộnốiphát)
R
C
RX
(bộnốithu)
Khốimáyphát Khốimáythu
Sợiquang
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 16
Độnhạythu–cácđiểmthamchiếu
Slàđiểmthamchiếutrênsợiquangngaysaubộnối
phátC
TX
,cònRlàđiểmthamchiếutrênsợiquangở
ngaytrướcbộnốithuC
RX
.
Các thông số tại các điểm tham chiếu xác định có
liênquantớimụctiêuthiếtkếđoạntruyềndẫnquang
cótỷsốlỗibitBER.
BERthườngnằmtrongdải10
6
¸ 10
12
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 17
Độnhạythu–cáckhuyếnnghị
Như vậy độ nhạy của bộ thu quang là công suất
trungbìnhnhỏnhấtcóthểchấpnhậnđượctạiđiểm

R để đạt được tỷ số lỗi bit BER (Khuyến nghị của
ITUT)nhưsau:
10
6
¸ 10
9
đốivớicáchệthốngPDH,
10
10
đối với các hệ thống SDH STM1, STM4 và
STM16màkhôngcókhuếch đạiquang,
và 10
12
đối với hệ thống đơn kênh quangvà nhiều
kênhquangcósửdụngkhuếchđạiquangtạiSTM64
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 18
I.4.Tỷsốbítlỗi(BER)trongbộthuquang
BộthuquangtronghệthốngthôngtinquangsốIM
DDgồmmộtbộtáchsóngquang,bộtiềnkhuếchđại,
bộ khuếch đại điện, mạch cân bằng (lọc) và quyết
định.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 19
BER(continued.)
Do tín hiệusau táchsóngrất yếu nên nó cần phải
đượckhuếchđại,đượclọc,sauđóđượcsosánhvới
mứcngưỡngtạimạchquyếtđịnhđểthuđượcxung
mongmuốn(bit1hoặc0)trongkhethờigiancủanó.
Trongtrường hợpkhônglỗithì khi “1”đượcthu thì
đầu raV
out

(t)phải cao hơn điện áp ngưỡng,và khi
“0”đượcthuthìV
out
(t)phảinhỏhơnngưỡng.
Trongthựctế,dotácđộngcủacácloạinhiễukhác
nhauvàsựgiaothoagiữacácxunglâncậncóthể
gâyrasựtrệchkhỏigiátrịtrungbình của V
out
(t)và
gâyralỗi.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 20
BER
Đểxácđịnhtỷlệlỗixảyratacóthểdùngcáchchia
các xung lỗi N
e
cho tổng số các xung N
t
trong
khoảngthờigiantđãcho.Nóđượcgọilàtỷsốlỗibit
BERvàđượcviếtnhưsau:
ĐểxácđịnhBERtạibộthu,sựphânbốxácsuấttín
hiệuđầuracủamạchcânbằnglàrấtquantrọngvì
điều đó quyết định xem bit “1” hay “0” được phát
đến. Dođó,ta xétvấn đề này thôngqua hệ thống
thôngtinsốvớicácxung“0”và“1”.
t
e
N
N
BER =

2/26/2007 OpticCommunicationSystems 21
BER(continued.)
Mậtđộxácsuấtp(I)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 22
BER(continued.)
Hình trên chỉ ra tín hiệu dao động nhận được bởi
mạch quyết định, mạch này lấy mẫu tại thời điểm
quyếtđịnht
D
xácđịnhthôngquasựkhôiphụcxung
đồnghồ.
GiátrịlấymẫuIbiếnđộngtừbitsangbitquanhgiá
trị trung bìnhI
1
hoặcI
0
, tùytheo bitđó tươngứng
vớibit“1”haybit“0”trongluồngbit.
Mạch quyết định so sánh giá trị lấy mẫu với mức
ngưỡngI
D
vàgọinólàbit“1”nếuI>I
D
hoặcbit“0”
nếuI<I
D
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 23
BER(continued.)
LỗixảyrakhiI<I

D
chobit“1”donhiễumáythu.Mộtlỗi
cũngcóthểxảyranếuI>I
D
chobit“0”.
Cảhaikiểulỗitrêncóthểgộplạibằngviệcđịnhnghĩa
xácsuấtlỗibitnhưsau
TrongđóP(1/0)làxácsuấtquyếtđịnhnhầmbit“1”khi
bit “0” được gửi đến. P(0/1) là xác suất quyết định
nhầmbit“0”khibit“1”đượcgửiđến.
p(0) và p(1) là xácsuất nhận đúngcácbit “0” và “1”
tươngứng.
)1/0()1()0/1()0( PpPpBER + =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 24
BER(continued.)
TrongtrườnghợpsốbitNtrongluồngbitlàlớn(>2
15
)thì
p(0)
»
p(1)
»
0,5.Khiđó
Hình trên cho thấyP(0/1)và P(1/0)phụ thuộcvào hàm
mậtđộp(I)củagiátrịlấymẫuI.Dạnghàmp(I)phụthuộc
vàothốngkêcácnguồnnhiễugâyracácbiếnđộngdòng.
Nhiễu nhiệt i
T
và nhiễu bắn được xấp xỉ bằng phân bố
Gaussian,dođótổng củachúng(giá trịđượclấy mẫuI)

cũnglàbiếnngẫunhiênGaussiancóphươngsailà
2
)1/0()0/1( PP
BER
+
=
222
Ts

s s s
+ =
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 25
BER(continued.)
Với còn
Giátrịtrungbìnhvàphươngsaicủabit“1”vàbit
“0”khácnhaudoI
p
tươngđươngvớiI
1
hoặcI
0
,tùy
theobitnhậnđược.Nếu s
1
2
và s
0
2
làcácphương

saitươngứngthìxácsuấtcóđiềukiệntrênđược
chobởi
n
L
eB
T
F
R
TBk4
2
=
s

edps
BIIe )(2
2
+ =
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 26
BER(continued.)
Trongđóerfclàhàmlỗibù,đượcđịnhnghĩalà
Khiđó
Phương trình trên cho thấy BER phụ thuộc vào
ngưỡngquyếtđịnhI
D
.Trongthựctế,I
D
đượctốiưu
nhằm tối thiểu BER. BER
min.

đạt được khi I
D
được
chọnsaocho
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 27
BER(continued.)
Với
Nhưvậy,dòngquyết (*)
địnhtốiưulà
Khi
s
1
=
s
0
,thìI
D
=(I
1
+I
0
)/2tươngứngvớingưỡngquyết
địnhnằmởgiữa.Trườnghợpnàyápdụngchohầuhết
cácbộthupindonhiễucủanóchủyếulànhiễunhiệt
(s
T
>>s
S
)vàđộclậpvớidòngtrungbình.
TrongcácbộthuAPDthìI

D
đượcđặttheobt(*).
0
0
0
1
1
1

s s

II
Qvà
II
Q
D
D
-
=
-
=
01
1001

s s
s s

+
+
=

II
I
D
10
QQQ = =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 28
BER(continued.)
Như vậy BER với giá trị ngưỡng tối ưu (I
Dopt.
) phụ
thuộcvàothamsốQnhưsau
TrongđóthamsốQđượcxácđịnhlà
HìnhsauchothấysựbiếnthiêncủaBERtheoQnhư
thếnào.
(*)
(**)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 29
BER(continued.)
Nó được vẽ dựa trên biểu thức gần đúng và khá
chínhxáckhiQ>3.
BERcảithiệnkhiQtăngvàtrởnênnhỏhơn10
12
với
Q>7.
Độ nhạy thu tương ứng với công suất quang trung
bìnhcóQ»6sẽcóBER»10
9
…,
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 30

BERvs.Q
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 31
I.5.Độnhạythu–PINphotodiode
Giả thiết bit “0” không mang công suất quang để
saochoP
0
=0,tứcI
0
=0.
Nếugọi<P
rec
>làcôngsuấtquangTBthuđượcthì
đólàgiátrịtrungbìnhcủacácbit“1”và“0”vàkhi
đó
P
1
cóliênquantớiI
1
trongbộtáchsóngpinnhư
sau
2
01
PP
P
rec
+
=
0) P (víi
0
= = =

rec
PRRPI 2
11
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 32
PINđộnhạythu
s
1
và s
0
bao gồm các thành phần của cả nhiễu
lượng tửvànhiễunhiệt,vì vậychúngcóthể được
viếtnhưsau:
Bỏ quathành phần dòng tối, phương sai nhiễu trở
thành
TTs

s s s s s
= + =
0
22
1
vµ
( )
n
L
eB
T
erecs
F
R

TBk
BPRe
4
22
2
2
=
=

s
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 33
PINđộnhạythu
KhiđóhệsốQđượcviếtnhưsau
KhichỉđịnhBERthìQđượcxácđịnhtheobt.BER
(trang 28), rồi từ bt. trên tìm được độ nhạy thu
<P
rec
>củabộthuquangnhưsau:
TTS
rec
PR
I
Q

s s s
s s

+ +
=

+
=
22
01
1
2
( )
Te
pin
rec
QeB
R
Q
P
s
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 34
PINđộnhạythu
Nhậnxét:Độnhạythuphụthuộcvàocácthamsố
bộthu.ĐốivớibộthuquangPINthìnhiễunhiệt s
T
thườnglàtrội,vàkhiđó<P
rec
>cóthểđượcviếtdưới
dạngđơngiảnnhưsau:
Tathấy s
T
khôngchỉphụthuộcvàocácthamsốnhư
R
L

vàF
n
màcònphụthuộcvàocảtốcđộbitthông
quabăngtầnđiệnB
e
củabộthuquang(B
e
=B/2).B
làtốcđộ bit. Vìthế<P
rec
>tăngtheo B
1/2
tronggiới
hạn nhiễu nhiệt, và điều này có nghĩa là độ nhạy
thusẽgiảmkhitốcđộbittăng !
R
Q
P
T
pin
rec

s

=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 35
I.6.Độnhạythu–APDphotodiode
TươngtựnhưđốivớitrườnghợpPIN,giảthiếtcác
bit“0”khôngmangcôngsuất(P
0

=0hayI
0
=0).
Với R
APD
=MRthì công suất ứngvới các bit “1” liên
quanvớiI
1
trongbộthuAPDnhưsau:
Bỏquacácthành phần dòng tối,phươngsainhiễu
củabộthuAPDtrởthành
0) P (do
0
= = = =
recAPD
PMRMRPPRI 2
111
( )
n
L
eB
T
erecAs
F
R
TBk
BPRFeM
4
22
2

22
=
=

s
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 36
APD–độnhạythu
KhiđóQđượcxácđịnhlà
VớiBERđãcho,tacóthểxácđịnhthamsốQdựa
vàobt.BER(trang28),vàđộnhạythu<P
rec
>
APD
đối
vớibộthuAPDđượcxácđịnhtừbt.trênnhưsau:
TTS
rec
PMR
I
Q

s s s
s s

+ +
=
+
=
22

01
1
2
÷
ø
ö
ç
è
æ
+ =
M
BeQF
R
Q
P
T
eA
APD
rec

s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 37
APD–độnhạythu–Remarks
Nhậnxét
Từ biểu thức trên, độ nhạy thuAPD đượccải thiện
vớihệsốMsovớiPINnếunhiễunhiệtlànhiễutrội.
Tuynhiênnhiễulượngtửcũngtăngđángkểtrongbộ
thuAPDnêncôngthứctrênnênđượcsửdụngchocả
hailoạinhiễu.
Nhìnchung,độnhạycủabộthuquangAPDđượccải

thiệntừ6–8dB.
<P
rec
>
APD
tăngtuyếntínhvớiB,còn<P
rec
>
PIN
tăngtheo
B
1/2
nênđộnhạycủaAPDgiảmnhanhhơnsovới
độnhạ ycủaPINkhitốcđộbittăng!
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 38
I.7Giớihạnlượngtửcủatáchsóng
quang
Trongbộthuquang, h làmộtthamsốquantrọng.
Bộtáchsónglýtưởngcó h=1vàI
d
=0.
Vớiđiềukiệntrên,côngsuấtquangthuđượcnhỏnhất
@BERđãchogọilàgiớihạnlượngtử.
Vớibộtáchsónglýtưởng, s
0
=0vìnhiễulượngtửtriệt
tiêukhikhôngcócôngsuấtquangtới. Dođó,ngưỡng
quyết định có thể đặt gần mức 0. Khi đó, ngay cả 1
photon(củabit“1”)cũngcóthểđượctáchravàmộtlỗi
xảyranếu1bit“1”khôngtạorathậmchí1cặpđiệntử

lỗtrống.
Với số photon và điện tử ít như vậy, thống kê nhiễu
lượngtửkhôngthểlấyxấpxỉbằngphânbốGaussmà
phảisửdụngphânbốPoisson.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 39
BERtronggiớihạnlượngtử
NếugọiN
p
làsốphotontrungbìnhtrongmỗibit“1”,xác
suấttạoramcặpđiệntửlỗtrốngđượcchobởiphânbố
Poisson.
BERcóthểđượctínhtoánsửdụng(*p.24)và(*).
P(1/0)=0dokhôngcócặpĐTLTnàođượctạorakhiN
p
=0.
P(0/1) đạt được bằng cách gán m=0 trong (*) do “0” được
quyết định trong trường hợp đó mặc dù “1” nhận được. Do
P(0/1)=e
Np
nênBERđượcchobởibiểuthứcsau
!
)(
m
Ne
P
m
p
N
m
p

-
=
(*)
2
p
N
e
BER
-
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 40
Độnhạymáythu
Nhưvậy,vớiBER<10
9
thìN
p
phải>20.Doyêucầu
nàylàkếtquảtrựctiếpcủanhữngbiếnđộnglượngtử
liênquantớiánhsángtớinênnóđượcgọilàgiớihạn
lượngtử.
Mỗibit“1”phảichứatốithiểu20photonđểđượcphát
hiệnvớiBER<10
9
.Yêucầunàycóthểchuyểnsang
côngsuấttheoP
1
=N
p
hnB,vớiBlàtốcđộbitvàhn là
năng lượng photon. Độ nhạy máy thu, được định

nghĩalà<P
rec
>=(P
1
+P
0
)/2=P
1
/2,đượcchobởi
hvBNBhNP
pprec
= = 2/
n
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 41
Sốphotontrungbình–độnhạythu
<N
p
>thểhiệnđộnhạymáythutheosốphoton
trungbình/bitvàquanhệvớiN
p
theo<N
p
>=N
p
/2
khicácbit0khôngmangnănglượng.
Tronggiớihạnlượngtử,<N
p
>=10.Côngsuấtcó

thểđượctínhtừ(*p.40).
Vídụ:mộtmáythu1,55 mm(hn=0,8eV),<P
rec
>=13
nWhay48.9dBmtạiB=10Gb/s.Hầuhếtmáythu
hoạt động ngoài giới hạn lượng tử khoảng 20 dB
hoặccaohơn.Điềunàytươngđươngvới<N
p
>điển
hìnhvượt1000photontrongcácmáythuthựctế.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 42
II.HệthốngthôngtinquangCoherent
NhượcđiểmcủahệthốngIMDD
Khôngtậndụngđượcbăngtầnrấtlớncủasợiquang
khimàcáchệthốngtruyềndẫnIMDDđơnkênhmới
chỉđạttốcđộ622Mb/s,2.5Mb/sởcựlyvàichụckm
vàhệthống10Gb/schưaphổbiếnnhiều.
Độnhạythutrựctiếpbịhạnchếởtốcđộtruyềndẫn
cao,tốcđộbitcàngcaothìđộnhạythucóxuhướng
giảmlàmchogiảiphápIMDDkhôngthểvừatăngcự
lyvừatăngtốcđộđược.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 43
Advantagesofcoherentlightwave
systems
ƯuđiểmcủahệthốngTTQcoherent:
CảithiệnđượctỷsốtínhiệutrênnhiễuSNRởđầura
của mạch tiền khuếch đại, dẫn tới độ nhạy thu cao
(upto20dBsovớihệthốngIMDD),chophépkéodài
cựlytruyềndẫntới100kmtạibướcsóng1.55 mm;
Sửdụnghiệuquảhơnbăngtầncủasợiquangbằng

cáchtănghiệusuấtphổcủacáchệthốngWDM.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 44
Disadvantages…
Hệ thống TTQ coherent đòi hỏi nhiều giải pháp kỹ
thuậtvàquátrìnhcôngnghệphứctạp.
Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều mắt
xíchcầnphảigiảiquyếtbaotrùmcácvấnđềvềphổ,
độổnđịnhtầnsố,duytrìphâncựcvv…nhằmnâng
cao độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện hoạt
độngởtốcđộGb/svớicựlyhàngtrămkm.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 45
II.1.KháiniệmvềThôngtinquang
coherent
Hệ thống TT coherent dựa theo nguyên lý truyền
sóngánhsángmangtínhiệukếthợpvớimộtsóng
ánhsángkháctạiphíathuquang.
Tươngtựtrongcáchệthốngthôngtinvôtuyếnviba,
truyền tin bằng việc điều tần hoặc pha của sóng
mangquangvàtáchtínhiệunhậnđượcbằngcáckỹ
thuậttáchsónghomodynehoặcheterodyne.
Sựkếthợpvềphacủasóngmangquangđóngvai
tròquantrọngtrongthựchiệncáchệthốngnày,do
đónóđượcgọilàhệthốngthôngtinquangkếthợp
(coherent).
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 46
Developments
Kháiniệmvềcoherentcótừnhữngnăm1970s
Đến đầu 1980s, khi công nghệ sợi quang và laser đạt
đượcnhữngbướctiếnnhảyvọtmới tạođàchocáchệ
thốngcoherentphát triển. (Sợiquang đơnmode G.652

có suy hao thấp » 0.154 dB/km @1550nm. Laser bán
dẫncóđộổnđịnhtầnsốcao,độrộngphổhẹplàmcho
tánsắcgâydãnxungkhôngđángkể.)
Chỉtrongvòng67năm,hệthốngcoherentđãđượcđưa
vào sử dụng trongcácmạngviễn thông.Các hãngnổi
tiếng thế giới như AT&T, NTT, NEC vv… cho đây là
hướng mũi nhọn trong việc nâng cao khả năng truyền
dẫnvàkhoảngcáchgiữacáctrạmlặp.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 47
Characteristicsofcoherentsystems
Khác với IMDD, các hệ thống coherent có những
đặcđiểmsau:
Thôngtinđượcđiềuchếởphíaphátvớimứcyêucầu
caovềđộrộngphổtínhiệu,độổnđịnhtầnsố(cóthể
điềuchếtrựctiếphoặcđiềuchếngoài).
Độ phân cực của ánh sáng được phải được giữ
nguyêntrạngtrongquátrìnhtruyền.
Trướckhitáchsóngởmáythu,tínhiệuđượctrộnvới
sóngdaođộngnội(laserdiode).Nhưvậyánhsángđã
đượcxửlýtrướckhitớibộtáchsóngquang.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 48
II.2.CấutrúccủaHTTTQcoherent
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 49
Systemstructure–Transmitterside
Phầnphátgồmmạchđiềukhiển,laserdiode,bộđiều
chếngoài(ngoàiracòncóthểcóthêmbộKĐcông
suất,bộđiềukhiểncôngsuấttựđộng).
LaserbándẫnthườnglàloạiđơnmodeDFB,độrộng
phổhẹp » 0.1nm,lasercóbộcộnghưởngngoàihoặc
lasercáchtửcóđộrộngphổ10 ¸ 100MHz.

CácloạiLEDvàlaserđamodekhôngthíchhợpcho
hệthốngcoherentvìđộrộngphổcủanguồnphải<độ
rộngbăngtầntínhiệu.
Nguồnlasercầnphảiđượcổnnhiệtnhằmduytrìđộ
ổnđịnhtầnsố
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 50
Systemstructure–Receiverside
Bộthucủahệthốngcoherentlàphầnphứctạpnhất
củahệ thốngvà cũngđặctrưngnhất củahệthống
coherent.Vềcơbản,nóbaogồm:
Bộtrộnquang,
Laserdaođộngnội,
Photodiode,
Tiềnkhuếchđại,
Giảiđiềuchếtạitrungtầnvà
Mạchquyếtđịnh
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 51
Bộtrộnquang
Là một mạng 4 cửa, tương tự như bộ ghép định
hướngsiêucaotần.Nócóhaitrườngquangđầuvào
(tínhiệuthôngtinvàsóngdaođộngnội)đượctrộn
vớinhauvàcộngtuyếntínhtạicửara.
Yêucầucảhaitrườngquangcầnphảiđồnghướng
trênmặtcủaphotodiode.Dotrạngtháiphâncựccủa
tínhiệudọctheosợibịthănggiángnêncầnphảisử
dụng bộ điềukhiển phâncực tín hiệuvàdao động
nộiởđầucuốicủatuyếnsợiquang.Độlệchgiữacác
trạngtháiphâncựccủatínhiệuvàdaođộngnộicó
thểảnhhưởngđếnchấtlượnghệthống.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 52

HomodynevàHeterodyneReceivers
Nếutầnsốcủasóngdaođộngnộivàtínhiệugiống
nhauthìmáythugọilàHomodyne,còn
nếutầnsốcủasóngdaođộngnộivàtínhiệukhác
nhau(Df=f
IM
)thìmáythugọilàHeterodyne.
Cấutrúccủalaserdaođộngnộivàlaserởphíaphát
vềcơbảnlàgiốngnhau,tuynhiêncómộtđiểmkhác
là:tronglaserdaođộngnộicókhảnăngđiềuchỉnh
từngtầnsốpháttrongmộtdảirộngđểđảmbảotần
sốtínhiệusaukhitrộnluônổnđịnh.
Bộtrộn+photodiodehoạtđộngnhưmộtbộbiến
đổitầnthấp(heterodyne)hoặctáchpha(homodyne)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 53
Dòngtínhiệutừđầuracủabộtáchsóngđượcđưa
tớitiềnkhuếchđại,đượclọcthôngdảiđểgiớihạnđộ
rộng băng tần nhiễu và sau đó được giải điều chế
tươngứngvớidạngđiềuchế.
Lưuýrằngnhiễuphatronglaserrấtquantrọngtrong
hệthốngcoherentvì nó xác định độrộng băng tần
củabộlọctrungtầnhayđộrộngbăngtầntínhiệu.
Một phầndòng saubiến đổiO/Eđược sửdụng để
chốttrungtần tại mộtgiá trịmongmuốnthông qua
vòngđiềukhiểntầnsốtựđộngAFC.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 54
II.3.Nguyênlýhoạtđộng
w
s
w

LO
(w
s
 w
LO
)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 55
Priciplesofoperation…
Giảsửtacoitrườngđiệntừcủatínhiệuđếntừphía
phátlàsóngphẳngcódạng.
A
s
làbiênđộtrườngcủatínhiệuquang, w
s
làtầnsố
tínhiệu, f
s
(t)làphacủatínhiệuquang.
Đểtruyềnthôngtin,tacóthểsửdụngkỹthuậtđiều
biên,điềutần,hoặcđiềuphasóngmangquang.
[ ]
)(cos tstAE
sss

f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 56
TransmitterModulationMethods
ASKhayOOK.Trongtrườnghợpnày, f
s

làhằngsố
vàbiênđộtínhiệuA
s
chỉnhận1trong2giátrịtrong
mỗichukỳbit,tùytheo“0”hay“1”đượcphátđi.
FSK.BiênđộA
s
làhằngsốvàpha f
s
nhậngiátrị
w
1
t
hay
w
2
t,trongđó w
1
và w
2
biểuthịcácgiátrịcủatín
hiệunhịphân.
PSK. Thôngtinđượctruyềnđiquasựthay đổipha
vớisónghìnhsincó ,trongđó
b
làchỉ
sốđiềuchế, w
m
làtầnsốđiềuchế.
tt

ms

w b f
 sin)( =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 57
Receiver
Tại bộ thu quang, tín hiệu này trước tiên được trộnvới
sóng quang phát ra từ bộ dao động nội. Tiếp theo,
photodiodetáchsóngtínhiệukếthợptừhaitínhiệunày.
Việc trộnđượcthựchiện tạibề mặt của bộphotodiode.
Daođộngnộicótrườngđượcviếtnhưsau:
A
LO
, w
LO
và f
LO
(t)làbiênđộ,tầnsốvàphacủadaođộng
nội.
GiảthiếtcảtrườngE
s
vàE
LO
cócùngphâncực.Bộtách
sóngphíathusẽđápứngvớicườngđộquang|E
s
+E
LO
|
2

.
[ ]
)(cos ttAE
LOLOLOLO

f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 58
P
coherent
–côngsuấtthucoherent
Do photodiode đáp ứng với cường độ quang nên
công suất thu được tại bộ tách sóng được cho bởi
VớiKlàhằngsốtỷ lệ.
Nhưvậytasẽcó
Trongđó
P
s
=KA
s
2
vàP
LO
=KA
LO
2
tươngứnglàcôngsuấtquang
tínhiệuvàcôngsuấtquangdaođộngnội.
f
IF

=
w
IF
/2
p
=(
w
s

w
LO
) /2
p
làtrungtần,
2
LOs
EEKP + =
( )
[ ]
)(cos)()(cos2)( tttPPPPtP
IFLOsLOscoh

q f w
+ + + =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 59
Twostagesofdemodulation

f
(t)=
f

s
(t)
f
LO
(t)làsựkhácphatươngđốigiữatínhiệu
mangtinvàtínhiệudaođộngnội,còn
cos q(t)thểhiệnsựlệchphâncựcgiữatrườngquang
tínhiệuvàtrườngquangdaođộngnội:
ThôngthườngthìP
LO
lớnhơnrấtnhiềuP
s
.Khi
w
s

¹w
LO
,tín
hiệuquangsẽđượcgiảiđiềuchếtheohaigiaiđoạn:
Tần số sóng mang trước tiên được biến đổi thành
trungtầnf
IF
=w
IF
/2p (typ.0.1 ¸ 5GHz)
LOs
LOs
EE
EE

t
r r
=)(cos
q
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 60
HomodyneandHeterodyneDetection
Sauđótínhiệuđượcgiảiđiềuchếsangbăngcơsở.
Khôngnhấtthiếtluônphảisửdụngtrungtần.Trong
bộthu coherent thực tế,có haikỹthuật tách sóng
tuỳthuộcvào w
IF
=0hay w
IF
¹ 0.
Nếu w
IF
=0thìtáchsóngđượcgọilàhomodyne,còn
Nếu w
IF
¹ 0thìtáchsóngđượcgọilàheterodyne.
SựcảithiệnvềđộnhạythutrongtáchsóngCoherent
đượcthểhiệnbằngcáckỹthuậtnày.
Tiêuchíđánhgiá,phântíchthôngquaviệcsosánh
dòngphototrongtáchsóngtrựctiếpvàCoherent.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 61
II.3.2.KỹthuậttáchsóngHomodyne
w
LO
đượcchọn trùngvới tầnsố tínhiệu w
s

sao cho
w
IF
=0.
Dòngphototrongtrườnghợpnàylà
ThôngthườngP
LO
>>P
s
nêntổngP
LO
+P
S
»P
LO
.
Trongbiểuthứctrên,sốhạngcuốicùngmangthông
tinphátvàđượcsửdụngtạimạchquyếtđịnh.
[ ]
)()(cos2)()( ttPPRPPRtI
LOsLOsLOsho

f f
- + + =
(*)
Backtop132
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 62
Sosánhthuhomodynevớitáchsóng
trựctiếp
Xét trường hợp

f
s
(t)=
f
LO
(t). Khi đó dòng tín hiệu
homodynelà
TrongkhiđódòngtínhiệuthutrựctiếpI
DD
(t)=RPs(t).
Sosánhhaidòngphototrêntathấy,nếukýhiệu<P
s
>là
côngsuấtquangtrungbìnhthìcôngsuấtđiệntrungbình
trongtáchsónghomodynesẽtăngvớihệsố4P
LO
/<P
s
>
sovớitáchsóngtrựctiếp.
Nhậnxét:
Do P
LO
>>P
s
nên tỷ số 4P
LO
/<P
s
>  >> 1, dẫn tới sự tăng

côngsuấtcóthểvượt20 dB.Bộdaođộng nội đãđóng
vaitròbộkhuếchđạitínhiệu!
LOssho
PPRtI 2)( =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 63
RemarksonHomodyneReceiver
Vìsốhạngcuốitrongbiểuthức(*p.61)rõràngtồntại
phatínhiệunêncóthểtruyềnthôngtinbằngđiềuchế
phachosóngmangquang–Điềumàtáchsóngtrực
tiếpkhônglàmđượcdotoànb ộthôngtinvềphatín
hiệuđãbịmất!
Táchsónghomodynelàmộtkỹthuật tiêntiếnnhưng
nócũngcóvấnđềdotínhnhạycảmphacủanó.Yêu
cầuphảicómạchkhóaphaquangOPLLđểkhóapha
củabộdaođộngnộivớisóngmangtínhiệu.
Ngoàira,cóyêucầunghiêmngặtđốivớisựđồngtần
giữalaserphátvàlaserdaođộngnội.
Þ Điều này  được khắc phục bằng tách sóng
heterodyne!
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 64
II.3.2TáchsóngHeterodyne
w
IF
¹0
Không cần OPLL nên các bộ thu Heterodyne dễ thực
hiệnhơnbộthuHomodyne.
DòngphotothuđượctrongtáchsóngHeterodynelà:
Ta quantâm đến thànhphần điềuhòavì dòngnày sẽ
đượclọcranhờbộlọc.Thànhphầnnàycómangthông
tinvàlà:

Heterodynecó thể dùng điều biên, pha và tần số của
sóngmangquangđểmangthôngtin.
[ ]
)()()(cos2)()( tttPPRPPRtI
LOsIFLOsLOshe

f f w
- + + + =
[ ]
)()()(cos2)( tttPPRtI
LOsIFLOsshe

f f w
- + =
(*)
Backtop132
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 65
Remarks
Bộdaođộngnộicũngkhuếchđạitínhiệuthuđược,do
đócảithiệnđượctỷsốSNR.
Tuynhiên,sựcảithiệnSNRthấphơntrườnghợptách
sónghomodynebởihệsố2(hay3dB).
Nguồngốccủa3dBcóthểthấykhixétcôngsuấttín
hiệu(tỷlệ với bìnhphươngdòng điện). Dobảnchất
củadòngI
ac
,côngsuấttínhiệutrungbìnhbịgiảmđi
hệsố2khiI
ac
2

đượclấytrungbìnhquacảchukỳtại
trungtần(nênnhớlàtrungbìnhcủacos
2
q qua q là½)
Sựtrảgiáchothiệtthòi3dBđượcbùlạibằngviệcđơn
giản hóa thiết kế máy thu do vòng khóa phaquang
khôngcầnnữa.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 66
Remarks…
Cácbiếnđộngtrongcả f
s
và f
LO
vẫncầnđượcđiều
khiểnsửdụngcáclaserbándẫnvạchphổhẹpchohai
nguồnquang.
Tuynhiên,tasẽthấyyêucầuvềvạchphổkhôngquá
nghiêmngặtkhiphươngángiảiđiềuchếkhôngđồng
bộ được sử dụng. Điểm này làm cho tách sóng
heterodynerất phù hợp cho thực hiện các hệ thống
thôngtinquangcoherenttrongthựctế.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 67
II.4.SNRcủabộthuquangcoherent
Ưuđiểmcủatáchsóngquangcoherentcóthểđịnh
lượngbằngviệcxemxétSNRcủadòngmáythu.
Như phần trước đã trình bày, dòng máy thu biến
độngdonhiễubắnvànhiễunhiệtgâyra.Phươngsai
s
2
củacácbiếnđộngdòngđạtđượcbằngcáchlấy

tổngcủahaithànhphần,vìvậy
Trongđó
222
Ts

s s s
+ =
enLBTeds
BFRTkBIIe )/4(,)(2
22
= + =
s s
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 68
SNR…
Sựkhácbiệtvớicácphântíchtrướcđâynằmởsự
đóng góp của nhiễu bắn. Dòng I trong biểu thức
(*p.67) là dòng photo tổng được cho bởi bt (*p.61)
hoặc(*p.64)tùythuộcvàotáchsónghomodynehay
heterodyneđượcsửdụng.
Do thực tế P
LO
>>P
s
nên ta thế I trong (*p.67) bằng
I=RP
LO
chocảhaitrườnghợp.
SNR được xác định bằng cách chia công suất tín
hiệutrungbìnhchocôngsuấtnhiễutrungbình.

2/26/2007 OpticCommunicationSystems 69
SNR Heterodyne
SNRcủabộthuheterodynelà
Trongtrườnghợphomodyne,SNRlớnhơnbởihệ
số2nếutagiảthiết f
s
=f
LO
trongbiểuthức(*p.61).
Từ bt trên ta có thể thấy được ưu điểm của tách
sóngcoherent. Do công suất quang dao động nội
P
LO
cóthểđượcđiềukhiểntạibộthunênnócóthể
đủlớnđểnhiễumáythucónhiễubắn(shotnoise)là
trội.
2
2
2
2
)(2
2
TedLO
LOs
she
BIRPe
PPR
I
SNR

s s
+ +
= =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 70
SNR–Heterodyne
Cụthểhơn s
s
2
>>s
T
2
khi
Xéttrongcùngđiềukiện,đónggópcủadòngtốivào
nhiễu bắn là không đáng kể tức (I
d
<<RP
LO
). Khi đó
SNRđượcchobởi
Trongđó
)2/(
2
eTLO
eRBP
s
>>
e
s
e
s

Bh
P
eB
PR
SNR

n
h

= »
hv
e
R

h

=
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 71
Remarks
Tách sóng coherent cho phép đạt được giới hạn
lượngtửngaycảkhibộthuquangsửdụngPIN(loại
thườngcónhiễutrộilànhiễunhiệt).
SosánhSNRtrongbt(*p.11)với(*p.70)chothấysự
cảithiệnSNRtrongtáchsóngheterodynesovớitách
sóngtrựctiếpnhưthếnào.
HữuíchhơnnếutabiểudiễnSNRtheosốphotonN
p
nhậnđượctrongmộtbitđơn.TạitốcđộbitB,công
suấttínhiệu<P

s
>vàB
e
trong(*p.70)quanhệvớiN
p
theo<P
s
>=N
p
h
n
B.Điểnhình,B
e
=B/2.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 72
SNR–heterodynevàhomodyne
Sử dụng các giá trị trên của <P
s
> và B
e
trong bt
(*p.70),SNR
he
đượcchobởimộtbiểuthứcđơngiản
Trong trường hợp tách sóng homodyne, SNR lớn
hơnbởihệsố2vàđượcchobởi
ĐốivớibộthucoherentcósửdụngAPD,việcphân
tích tương tự như ở trên trong đó R được thế bởi
R
APD

=MR.
phe
NSNR
h
2 =
pho
NSNR
h
4 =
(*)
(**)
Backtop.120
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 73
II.5.Cácdạngthứcđiềuchế.
Ưuđiểmquantrọngcủasửdụngcáckỹthuậttách
sóng coherent là ở chỗ cả biên độ và pha của tín
hiệuquangthuđượccóthểđượctáchravàđo.Đặc
điểm này mở ra khả năng gửi thông tin bằng cách
điềuchếhoặcbiênđộ,hoặcpha,hoặclàtầnsốcủa
sóngmangquang.
TrongcácHTthôngtinsố,3khảnăngđiềuchếđược
sử dụng là ASK, PSK và FSK. Các dạng điều chế
này được trình bày cho một mẫu bít đặc biệt trên
hìnhsau.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 74
ModulationFormats
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 75
II.5.1.ĐiềuchếASK
Điệntrườngkếthợpvớimộttínhiệuquangcóthểđược
viếtlà

Trongtrườnghợp điềuchếASK,biên độA
s
đượcđiều
chếtrongkhiduytrì w
0
và f
s
làhằngsố.Đốivớiđiềuchế
số nhịphân,A
s
nhậnmộttrong haigiátrị cố địnhtrong
mỗichukỳbit,tùytheobit1hay 0đượctruyềnđi.
Trongphầnlớncáctìnhhuốngthựctế,A
s
=0khitruyền
cácbit0.Khiđó,ASKđượcgọilàOOKvàgiốngvớisơ
đồđiềuchếthườngđượcsửdụngchocáchệthôngTTQ
sốnoncoherentIM/DD.
[ ]
.)(co s)()(
0
tttAtE
sss

f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 76
SựkhácbiệtgiữaASKchoIM/DDvà
ASKchocoherent
ThựchiệnASKchocáchệthốngcoherentkhácvới

trườnghợpcáchệthốngtáchsóngtrực tiếpởmột
khíacạnhquantrọng.
IM/DD :luồngbitquangchocác hệthốngtáchsóng
trực tiếpcóthểđược tạorabằngviệc điềuchế trực
tiếpLEDhoặclaserdiode
Coherent:cầnđiềuchếngoài.
Whyneedanexternalmodulator?
Answer:Luôncósự thayđổivề phakhi biênđộA
s
thayđổidobởidòngđiềuchếđặtvàolaserbándẫn.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 77
ASKforcoherent…
VớicáchệthốngIM/DDnhữngbiếnđổiphakhôngcốý
nhưvậykhôngthấyđượcbởibộtáchsóng(photodiode
chỉđápứngvớicôngsuấtquang)vàkhôngphải làmối
quantâmchínhngoàisựmấtmátcôngsuấtdotạochirp.
Khác với IM/DD, đáp ứng của bộ tách sóng trong hệ
thốngcoherentphụthuộcvàophacủatínhiệuthuđược.
ThựchiệnASKchohệthốngcohherentđòihỏi f
s
duytrì
gần như không đổi. Điều này đạt được nhờ vận hành
laserbándẫnliêntụcbằngmộtdòngđiệnkhôngđổivà
điềuchếđầuracủanóbằngmộtbộđiềuchếngoài.Tuy
nhiên,khiđósẽcósựmấtmátcôngsuấtdosuyhaoxen.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 78
II.5.2.ĐiềuchếPSK
Luồngbitquangđượctaorabằngviệcđiềuchếpha
f
s

trongkhigiữnguyênbiênđộA
s
vàtầnsố w
0
của
sóngmangquang.
VớiPSKnhịphân, f
s
nhậnhaigiátrị,thườngđược
chọnlà0và p.
Điểm thú vị của PSK là cường độ quang duy trì
khôngđổitrong tấtcảcácbitvàtínhiệuxemracó
dạngliêntụcCW.
Tách sóng coherent là cần thiết cho PSK vì mọi
thông tin sẽ bị mất nếu tín hiệu quang được tách
sóngtrựctiếp mà khôngtrộn nóvới đầu racủa bộ
daođộngnội.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 79
PSKimplementation
ThựchiệnPSKđòihỏimộtbộđiềuchếngoàicókhả
nănglàmthayđổiphaquangtheođiệnápđặtvào.
Cơchếvậtlýđượcsửdụngbởinhữngbộđiềuchế
nhưvậyđượcgọilàkhúcxạđiện.
SửdụngPSKđòihỏiphacủasóngmangquangphải
duytrìổnđịnhsaochothôngtinvềphacóthểđược
tríchratạimáythumàkhôngcósựnhầmlẫn.Yêu
cầunàyđặtmộtyêucầunghiêmngặtlêndungsaivề
độrộngvạchphổcủalaserphátvàdaođộngnội.
Yêu cầu này có thể được giảm bớt bằng cách sử
dụngmộtbiếnthểcủaPSKgọilàDPSK.

2/26/2007 OpticCommunicationSystems 80
DPSK
TrongtrườnghợpDPSK,thôngtinđượcmãhóasử
dụng sự khác pha giữa hai bit lân cận. Chẳng hạn
như,nếu f
k
đạiđiệnchophacủabitthứk,độlệch
pha Df=f
k
f
k1
bịthayđổimộtlượnglà p hoặc0,tùy
theobitthứklàbit1haybit0.
ƯuđiểmcủaDPSKlàtínhiệuphátcóthểđượcgiải
điềuchếthànhcôngmiễnlàphasóngmangduytrì
tươngđốiổnđịnhquamộtkhoảngthờigian2bit.
Loại điềuchế nàythường được sử dụng trong các
hệthốngthựctế vìkhôngcầncácbộgiải điềuchế
phứctạpmàvẫnchochấtlượngtốt.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 81
II.5.3.ĐiềuchếFSK
Thôngtinđượcmãhóatrênsóngmangquangbằng
cáchdịchchínhtầnsốsóngmang w
0
.
Đốivớimộttínhiệusốnhịphân, w
0
nhậnhaigiátrị,
w
0

+Dw và w
0
Dw,tùytheobit1 haybit0 đượcphát
đi.
Độdịch Df= Dw/2p đượcgọilàđộlệchtần.Đạilượng
2Dfđôikhiđượcgọilàkhoảngcách tonedonóđại
diện cho khoảng cách tần số giữa bit 1 và bit 0.
TrườngquangcủaFSKcóthểđượcviếtlà.
[ ]
sss
tAtE
f w w
+ D ± = )(cos)(
0
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 82
WidebandandnarrowbandFSK
trongđó,dấu+và–tươngứngvớibit1vàbit0.
Để ý rằng đối số của hàm cos có thể được viết là
w
0
t+(f
s
±Dwt),FSKcóthểđượcxemlàmộtkiểuđiềuchế
pha sao cho pha sóng mang tăng hoặc giảm tuyến tính
trongkhoảngthờigianbit.
Việclựachọn Dfphụthuộcvàobăngtầnkhảdụng.Tổng
băngtầncủaFSKxấpxỉlà2Df+2B,trongđóBlàtốcđộ
bit.
Khi Df>>B,băngtần » 2DfvàgầnnhưđộclậpvớiB.Trường
hợpnàyđượcgọilàFSKbăngrộng.

Khi Df<<B,đượcgọilàFSKbănghẹp,băngtần » 2B.
Tỷsố b
FM
= Df/BđượcgọilàchỉsốđiềuchếFMnhằmphân
biệthaitrườnghợptrêntùytheo b
FM
>>1hay b
FM
<<1.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 83
II.6.Cácphépgiảiđiềuchế
Như trên đã thảo luận, tách sóng homodyne hoặc
heterodynecóthểđượcsửdụngđểbiếnđổitínhiệu
quangnhậnđượcsangdạngtínhiệuđiện.
Vớitáchsónghom odyne,tínhiệuquangđượcgiải
điềuchếtrựctiếpsangbăngcơsở.Mặcdùvềkhái
niệm thì đơn giản nhưng tách sóng homodyne khó
thựchiệntrongthựctếdonóđòihỏibộdaođộngnội
có
tầnsốtrùngvớitầnsốsóngmangvà
phađượckhóavàotínhiệutới.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 84
Giảiđiềuchế
Sơđồgiảiđiềuchếnhưvậyđượcgọilàđồngbộvà
cầnthiếtchotáchsónghomodyne.Mặcdùcácmạch
vòng khóaphaquangđãđượcpháttriểnchomục
đíchnàynhưngsửdụngtrongthựctếkháphứctạp.
Tách sóng heterodyne đơn giản hóa thiết kế máy
thu, do không đòi hỏi khóa pha quang cũng như
trùnghợptầnsốcủabộdaođộngnội.Tuynhiên,tín

hiệuđiệndaođộngnhanhởcáctầnsốvibavàphải
đượcgiảiđiềuchếtừbăngIFxuốngbăngcơsởsử
dụngcáckỹthuậttươngtựnhưkỹthuậtđượcphát
triểnchocáchệthốngthôngtinviba.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 85
SynchronousandAsynchronous
Demodulations
Giảiđiềuchếcóthểđượcthựchiệnđồngbộhoặc
khôngđồngbộ.
Giảiđiềuchếkhôngđồngbộcũngđượcgọilàkhông
kếthợptrongtàiliệuthôngtinvôtuyến.
Trong tài liệu thông tin quang, thuật ngữ tách sóng
coherent(kếthợp)đượcsửdụngtheonghĩarộnghơn.
Một hệ thống được gọi là coherent miễn là nó sử
dụngmộtbộdaođộngnộibấtchấpkỹthuậtgiảiđiều
chếđượcsửdụngđểbiếnđổitínhiệuIFsangcáctần
sốbăngcơsở.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 86
II.6.1.GiảiđiềuchếđồngbộHeterodyne
Sơđồmáythuheterodyneđồngbộ
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 87
Synchronousdemodulation
Dòng tạo ra tại photodiode được đưa qua một bộ lọc
thôngdải(BPF)cótầnsốtrungtâmnằmtạitrungtần w
IF
.
Dòngsaulọcvắngbóngnhiễucóthểđượcviếtlà
Trongđó và
f
=

f
LO

f
s
làđộlệchphagiữa
bộdaođộngnộivàtínhiệu.Nhiễucũngđượclọcrabởi
BPF.Sửdụngcácthànhphầnđồngphavàvuôngpha
củanhiễuGaussđãlọc,nhiễumáythuđượcbaohàm
thôngqua
)cos()(
f w
- = tItI
IFpf
LOsp
PPRI 2 =
)sin()sin()cos()cos()( tiItiItI
IFspIFcpf

w f w f
+ + + =
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 88
SynchronousDemodulation
I
c
vài
s
làcácbiếnngẫunhiênGausscótrungbìnhbằng
0vàphươngsai s

2
đượcchobởi(p.67).
Vớigiảiđiềuchếđồngbộ,I
f
(t)đượcnhânvớicos(w
If
t)
vàđượclọcbởimộtbộlọcthôngthấp.Tínhiệubăngcơ
sở(bănggốc)là
ởđâydấungoặcvuôngkýhiệulọcthôngthấpđượcsử
dụngđểloạitrừcácthànhphầnacdaođộngtại2w
IF
.BT
trênchothấychỉthànhphầnnhiễuđồngphaảnhhưởng
tớihoạtđộngcủabộ thuheterodyneđồngbộ.
)cos(
2
1
)cos(
cpIFfd
iItII + = =
f w
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 89
SynchronousDemodulation
Giảiđiềuchếđồngbộđòihỏikhôiphụcsóngmang
viba tại trung tần w
IF
. Một số mạch điện tử có thể
đượcsửdụngchomụcđíchnày,tấtcảyêucầumột

loạivòngkhóaphađiện.
Hai loại vòng khóa pha thường được sử dụng là
vòngsquaringloopvàCostasloop.Vòngsquaring
loopsửdụngmộtlinhkiệntheoluậtbìnhphươngđể
đạtđược1tínhiệucódạngcos
2
(w
If
t)cóthànhphần
tầnsố2w
IF
.Thànhphầnnàycóthểđượcsửdụngđể
tạotínhiệuvibatại w
IF
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 90
II.6.2.Giảiđiềuchếkhông đồngbộ
heterodyne
Sơđồmáythuheterodynekhôngđồngbộ.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 91
Giảiđiềuchế khôngđồngbộheterodyne
Không đòi hỏi phải khôi phục sóng mangviba tại trung
tần,dẫnđếnthiếtkếmáythuđơngiảnhơn.
TínhiệusaulọcI
f
(t)đượcbiếnđổisangbănggốcnhờsử
dụngbộtáchsóngđườngbao,sauđóđượclọcbởimột
bộ lọcthôngthấp. Tín hiệu nhận được bởi mạchquyết
địnhlàI
d

=|I
f
|,trongđóI
f
đượcchobởi(*p.87).
Sựkhácbiệtchínhlàcảthànhphầnđồngphavàvuông
phacủa nhiễumáythu đềuảnhhưởngđếntín hiệu.Vì
vậy,SNRxấuhơnsovớigiảiđiềuchếđồngbộ.
[ ]
2/1
22
)sin()cos(
spcpfd
iIiIII + + + = =
f f
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 92
Giảiđiềuchế khôngđồngbộheterodyne
Phầnsautasẽthấy,sựgiảmđộnhậydogiảmSNR
làkhánhỏ(khoảng0.5dB).
Doyêucầuđộổnđịnhphalàkhônglớntrongtrường
hợp giải điều chế không đồng bộ nên sơ đồ này
thường được sử dụng cho các hệ thống sóng ánh
sángcoherent.
Máythu heterodyne không đồng bộ trong hình trên
đòihỏisửađổikhicácdạng thứcđiềuchếFSKvà
PSKđượcsửdụng(xemsơđồtrangbên)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 93
DualfilterFSKvàDPSKasynchronous
heterodynereceivers.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 94

DualandsinglefilterFSKreceivers
MáythudualfilterFSKsửdụnghainhánhriêngbiệtđể
xử lý các bit “1” và bit “0” mà tần số sóng mang của
chúng(haytrungtần)khácnhau.
Đượcsửdụngbấtcứkhinào b
FM
>>1,đểchophổcủabit1
vàbit0có độchồngchéonhỏ.Haibộlọc BPF cótầnsố
trungtâmnằmcáchnhauchínhxácbằngkhoảngcáchtone
đểchoBPFchoquachỉhoặcbit1hoặcbit0.
Máythudùng1bộlọccóthểđượcsửdụngchogiảiđiều
chếFSKnếubăngtầncủanóđượcchọnđủrộngđểcho
quatoànbộluồngbit.Khiđó,tínhiệuđượcxửlýbởimột
bộphânbiệttầnsốđểnhậndạngcácbit1vàbit0.Sơđồ
nàychỉlàmviệctốtchoFSKđộlệchhẹp( b
FM
<<1).
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 95
DPSK
Giảiđiềuchếkhôngđồngbộ khôngth ểdùngchotrường
hợpPSKdophacủalaserphátvàbộdaođộngnộikhông
đượckhóavàcóthểtrôitheothờigian.
Tuy nhiên, sử dụng điều chế DPSKchophép giải điều
chếkhôngđồngbộbằngviệcsửdụngsơđồcótrễnhư
trênhình(b).Ý tưởnglà nhân luồng bitnhận đượcvới
mộtbảnsaocủanósaukhiđãbịlàmtrễbởichukỳ1bit.
Tínhiệuracó1thànhphầncódạngcos(
f
k


f
k1
)có thể
đượcsửdụngđểkhôiphụcmẫubitdothôngtinđượcmã
hóatrongđộlệchpha
f
k

f
k1
.(ởđây f
k
làphacủabitthứ
k).Mộtsơđồnhưvậyđòihỏiđộổnđịnhphachỉtrongvài
bitvàcóthểđượcthựchiệnbằngcáclaserbándẫnDFB.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 96
II.7.BERtrongbộthuquang
coherent
BER (độ nhạy máy thu) phụ thuộc vào dạng thức
điềuchếcũngnhưsơđồgiảiđiềuchếsửdụngbởi
máythucoherent.Dođó,tasẽxemxetBERvàđộ
nhạythuchotừngtrườnghợpriêngbiệt.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 97
II.7.1.BERcủabộthuASKđồngbộ
Xét trường hợp tách sóng heterodyne. Tín hiệu
được sử dụng bởi mạch quyết định được cho bởi
(*p.88).Pha f nhìnchungbiếnđổingẫunhiêndosự
biếnđộngphaliênquantớilasermáyphátvàbộdao
độngnội.
Ảnhhưởngcủanhữngbiếnđộngvềphacóthểgiảm

nhỏ đáng kể khi sử dụng các laser bán dẫn có độ
rộngphổchỉbằngmộtphầnnhỏcủatốcđộbit.Với
giảthiếtnày,đặt f=0thìtínhiệuquyếtđịnhđượccho
bởi
( )
cpd
iI I + =
2
1
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 98
BERtrongbộthuASKđồngbộ
Trong đó, I
p
=I
sho
(t)
º
2R(P
s
P
LO
)
1/2
nhận các giá trị I
1
hoặcI
0
tùytheobit1hay0đangđượctáchsóng.
Xét trường hợp I

0
=0 trong đó không có công suất
đượctruyềntrongkhoảngthờigiancácbit0.Ngoại
trừ trường hợp hệ số ½ trong (*p.97) còn lại tình
huốnggiốnghệtnhưtrườnghợptáchsóngtrựctiếp
đãthảoluận.
Hệsố½khôngảnhhưởngtớiBERdocảtínhiệuvà
nhiễu đều giảm đi cùng hệ số, dẫn tới SNR không
đổi.Trongthực tế,tacó thểsửdụngcùng kếtquả
nhưtrườnghợptáchsóngtrựctiếp(*p.28)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 99
BER…ASK…đồngbộ
TrongđóQđượcchobởi(**p.28)hay
ởđâytađãsửdụngI
0
=0vàgán s
0
»s
1.
.Sựxấpxỉnày
đúng cho hầu hết bộ thu coherent có nhiễu trội là
nhiễulượngtửsinhradocôngsuấtquangdaođộng
nộivàduytrì không đổibấtchấpcôngsuấttínhiệu
thuđượccómứcnhưthếnào.
÷
ø
ö
ç
è
æ

=
2
2
1 Q
erfcBER
SNR
I
II
Q
2
1
2
1
1
01
01
= »
+
-
=

s s s
(*)
(**)
Backtop.111
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 100
BERcủabộthuASKheterodynevàASK
homodyne–đồngbộ
NếubiểudiễnBERtheosốphotontrong1bit(N
p

)thìBER
củabộthuASKheterodyneđượcviếtnhưsau
ởđâytađãsửdụngkếtquả(*p.72)
CònBERcủabộthuASKhomodynecóSNR đượccải
thiện3dB(**p.72)sovớiheterodyneđượcchonhưsau
(*)+(**)đượcsửdụngđểtính độnhạythucóBERđãcho
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
42
1
p
N
erfcBER

h

÷
÷
ø
ö
ç
ç
è

æ
=
22
1
p
N
erfcBER

h
(*)
(**)
Backtop121