bài 3 hệ thống thông tin quang coherent

HỆ THỐNG
THÔNG TIN QUANG COHERENT
Baøi 3:
H TH NG TTQ COHERENTỆ Ố
NOÄI DUNG

Tổng quan về hệ thống TTQ Coherent

Khái niệm về thông tin quang Coherent

Sơ đồ khối tổng quát hệ thống tin quang Coherent

Các dạng điều biến và tách sóng

Các bộ điều biến quang

Các bộ điều biến ASK

Các bộ điều biến PSK

Các bộ điều biến FSK

Máy thu tín hiệu quang Coherent

Sơ đồ khối tổng quát

Máy thu Homodyne

Máy thu Heterodyne

PLL trong máy thu tín hiệu quang Coherent

NOÄI DUNG

BER trong hệ thống tin quang Coherent

Tín hiệu sau tách sóng quang

Các loại nhiếu trong máy thu tín hiệu quang Coherent

SNR và BER trong các trong hệ thống tin quang Coherent

Ảnh hưởng của lỗi pha đến độ nhạy máy thu

Lỗi pha

BER khi có lỗi pha

Ứng dụng thông tin quang Coherent

Các hệ thống truyền dẫn quang Coherent

Các hệ thống WDM tách sóng quang Coherent
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Cấu trúc hệ thống TTQ Coherent
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

DE (Drive Electronic): khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức
phù hợp với các khối phía sau.


CWL (Continuous Wave Laser): laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh
sáng liên tục có bước sóng λ
1
.

LC (laser control): ổn định bước sóng phát ra của bộ dao động quang.

MOD (Modulator): điều chế quang
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

LLO (Laser Local Oscillator): tạo ra tín hiệu quang có bước sóng λ
2
.

DEC (Detector): thực hiện hai tính năng

Cộng tín hiệu thu được (λ
1
) và tín hiệu tại chỗ (λ
2
)

Đưa tín hiệu tổng tới photodiode để thực hiện tách sóng trực triếp.

Homodyne hoặc Heterodyne

LOC (Local Oscillator control): đ/khiển pha và tần số của t/h dao động nội


AMP (Amplifier): Khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang.

DEMOD (Demodulator): cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne.
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Bộ dao động nội (Local Oscillator):

Coherent detection: kết hợp tín hiệu quang với trường quang sóng
liên tục (Continous-Wave) trước khi đưa vào photodetector

Trường quang CW này được tạo ra tại bộ thu sử dụng từ laser có
độ rộng phổ hẹp được gọi là Local Oscillator (LO)

Kết hợp tín hiệu quang và tín hiệu từ LO:

Tín hiệu quang: E
s
= A
s
exp[-i(
ω
0
t +
φ
s
)]

Tín hiệu từ LO: E
LO

= A
LO
exp[-i(
ω
LO
t +
φ
LO
)]
(Giả thiết hai tín hiệu có cùng phân cực)

Công suất quang tới photodetector: P=K /E
s
+ E
LO
/
2
với P
s
=KA
s
2
, P
LO
=KA
LO
2
,
ω
IF

=
ω
0
-
ω
LO

Nếu
ω
IF
= 0

homodyne detection ,
ω
IF

≠
0

heterodyne detection
-tcos( P2 P PP
LOsIFsLOs
)
φφω
+++=
LO
P
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT


Homodyne detection:

Tần số dao động nội bằng với tần số của tín hiệu:
ω
IF
= 0

Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:
(*)

Thông thường, P
LO
> P
s


P
s
+ P
LO

≈
P
LO

Nếu φ
LO
= φ
s
(locked-phase), tín hiệu homodyne được xác định bởi:


So với tách sóng trực tiếp (DD), công suất điện trung bình của tín hiệu
homodyne tăng:

Do P
LO
> P
s
, độ lợi về công suất có thể lớn hơn 20dB  tăng SNR
 Ưu điểm chính của tách sóng homodyne
-cos( P2R )PR(P I(t)
LOssLOs
)
φφ
LO
P++=
LO
P
sp
P2R (t)I =
s
P/4
LO
P
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Homodyne detection (tt):

Biểu thức (*) cho thấy pha của tín hiệu được thể hiện  có thể

truyền thông tin bằng các phương pháp điều chế pha và tần số.

Tín hiệu quang được giải điều chế trực tiếp xuống dải nền
(baseband)

Nhược điểm của tách sóng quang homodyne:

Yêu cầu nghiêm ngặt về tần số của tín hiệu và dao động nội
 yêu cầu cao về chất lượng của hai nguồn quang

Cần sử dụng vòng khóa pha quang (optical phase-locked loop) để đạt
được sự ổn định giữa pha của tín hiệu và dao động nội (thường biến
động một cách ngẫu nhiên theo thời gian)
 giải điều chế đồng bộ (synchronous demodulation)
 Khó khăn trong việc chế tạo bộ thu quang tách sóng homodyne

Tách sóng heterodyne
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Heterodyne detection:

Tần số dao động nội được chọn khác với tần số của tín hiệu sao
cho tần số trung tần nằm trong dãi tần microwave (f
IF
=
ω
IF
/2
π

~
1GHz)

Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:
(**)

Thông thường, P
LO
> P
s


P
s
+ P
LO

≈
P
LO

Tín hiệu heterodyne được xác định bởi:
 Thông tin có thể được phục hồi thông qua biên độ, pha hoặc tần số của tín
hiệu hetereodyne.

LO khuếch đại tín hiệu thu  tăng SNR
)
LOsIFsLOs
-cos( P2R )PR(P I(t)
φφω

+++= tP
LO
)cos(
LOsIFLO
tP
φφω
−+=
sac
P2R (t)I
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Heterodyne detection (tt):

SNR của heterodyne thấp hơn 2 lần (3dB) so với homodyne
(công suất tr/bình P
heterodyne
~ I
2
ac
~ trung bình của hàm cos
2
(
ω
IF
t+
φ
) = ½ )

Thiết kế bộ thu đơn giản hơn so với homodyne detection vì không

cần phải sử dụng optical PLL

Sự biến động của
φ
s
và
φ
LO
vẫn cần được điều khiển bằng cách sử
dụng nguồn laser có độ rộng phổ hẹp

Tín hiệu điện phải được giải điều chế từ IF band xuống baseband
dùng các kỹ thuật tương tự như trong hệ thống truyền dẫn viba

Yêu cầu về chất lượng của laser có thể được giảm đi khi sử dụng
kỹ thuật giải điều chế bất đồng bộ (asynchronous demodulation)
 Heterodyne detection thích hợp hơn khi triển khai thực tế trong
hệ thống TTQ coherent
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Tỷ số SNR:

Nhiễu tại máy thu của hệ thống TTQ coherent có thể được biểu
diễn bởi tương tự như trong hệ thống IM/DD:
với dòng quang điện I
p
được tạo ra tại photodetector sau khi có sự kết
hợp công suất tín hiệu và công suất quang dao động nội.


Do P
LO
>>P
s


I
p

≈
RP
LO
>>I
d

Tỷ số SNR trong tách sóng quang heterodyne:

Bằng cách hiệu chỉnh công suất của LO:

( )
( )
enLBedpTs
BFRTkBIIe /42
222
++=+=
σσσ
( )
2
2
2

2
TdLOe
LOs
heterodyne
IRPeB
PPR
SNR
σ
++
=
)2/(
2
eTLO
eRBP
σ
>>
22
Ts
σσ
>>
TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG TTQ COHERENT

Tỷ số SNR:

Khi , tỷ số SNR đạt được:
 Có thể đạt được giới hạn nhiễu lượng tử trong bộ thu sử dụng PIN
(trong hệ thống IM/DD, thường )
 Có thể đạt được giới hạn nhiễu lượng tử mà không phải tăng thêm
nhiễu do hệ số nhân M như trong bộ thu sử dụng APD (IM/DD)


Gọi N
p
là số photon trong một bit ( ), ta có:
e
s
e
s
heterodyne
Bh
P
eB
PR
SNR
ν
η
=≈
22
Ts
σσ
>>
22
ST
σσ
>>
BhNP
ps
ν
≈
pheterodyne

NSNR
η
2=
podyne
NSNR
η
4
hom
=
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG

ASK (Amplitude Shitf Keying)

FSK (Frequency Shitf Keying)

PSK (Phase Shitf Keying)

PolSK (Polarization Shitf Keying)
1 1 10 0
t
t
t
ASK
FSK
PSK
Bit nhị phân
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying):


Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:
E
s
(t) = E
0
m(t)cos[
ω
0
t +
φ
s
]
Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

On-Off Keying (OOK) tương tự với intensity modulation (IM/DD)

Điều chế trực tiếp dòng kích cho laser: không duy trì được sự ổn định
tần số và pha ở ngõ ra khi thay đổi dòng kích (khoảng 200MHz/mA)
 không thích hợp với hệ thống coherent (cần sự ổn định về pha)

sử dụng điều chế ngòai trong hệ thống coherent



=
)0(0
)1(1
)(
bit
bit

tm
π
ω
2
0
=
s
f
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying):

Điều chế ngoài:

Sử dụng coupler định hướng hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI)

Chỉ sử dụng hiệu quả 50% công suất của bộ phát  không hiệu quả

Suy hao xen của bộ điều chế ngòai

Phổ công suất của tín hiệu ASK:
Biên độ
f
S
- B f
S
+Bf
S
f
S

+2Bf
S
- 2B
f
π
ω
2
S
S
f =
: tần số sóng mang.
B: băng thông của t/hiệu đc điều chế b(t).
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying):

Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:
E
s
(t) = E
0
cos[
ω
0
t + m(t)2
π∆
f +
φ
s
]

Với , là độ lệch tần
là hệ số điều chế tần số

Điều chế trực tiếp có thể áp dụng cho hệ thống thông tin quang
coherent FSK băng rộng: với tần số điều chế trên 1MHz thì sự thay
đổi tần số là từ 100 đến 500MHz/mA.

Điều chế ngoài: sử dụng cách tử Bragg hoặc bộ giao thoa Mach-
Zehnder (MZI)



−
=
)0(1
)1(1
)(
bit
bit
tm


π
ω
2
∆
=∆f
B
f∆
=

2
β
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying):

Độ lệch tần
∆
f được chọn tùy theo băng thông cho phép

Băng thông tổng của tín hiệu FSK ~ 2
∆
f + 2B với B là tốc độ bit

Nếu
∆
f >>B: FSK băng rộng, BW
FSK

≈
2
∆
f

Nếu
∆
f <<B: FSK băng hẹp, BW
FSK

≈

2B
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying):

Khi β = 0,5: MSK (Minimum Shift-Keying)
Phổ bị nén chặt  rất hấp dẫn cho các hệ thống tốc độ cao

Khi β = (0,5 ÷ 0,7): điều chế CPFSK (Continuous Phase
Frequency Shift-Keying) hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp,
dạng phổ công suất bị nén rất chặt.
Biên độ
f
S
– 0,75B f
S
+ 0,75Bf
S
f
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying):

Khi β >> 1: điều chế FSK lệch tần rộng, phổ được chia làm hai
thành phần tập trung xung quanh (f
S
- ∆f) và (f
S
+ ∆f)
Độ rộng băng tần tổng rất rộng  không phù hợp với hệ thống

tốc độ cao. Thực tế chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, rẻ tiền
Biên độ
f
S
- ∆f f
S
+ ∆ff
S
f
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế PSK (Phase Shift-Keying):

Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:
E
s
(t) = E
0
cos[
ω
0
t + m(t)π ]
Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

Pha của tín hiệu điều chế nhận hai giá trị 0 và π.

Khi tần số của laser được điều chỉnh chính xác với tần số tín hiệu
điều chế, lúc này quan hệ pha giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu điều
chế là 0. Để có được sự thay đổi quan hệ pha là π/2 thì ta phải điều
chỉnh lại tần số của laser.




=
)0(
)1(1
)(
bit
bit
tm
0

π
ω
2
0
=
s
f
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế PSK (Phase Shift-Keying):

Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch
phổ sóng mang

Có thể sử dụng phương pháp tách sóng homodyne và heterodyne.

Yêu pha của tín hiệu quang phải ổn định  yêu cầu nghiêm ngặt
về độ lệch băng tầng giữa laser máy phát và LO  phức tạp nên

thực tế ít dùng  điều chế DPSK (Differential PSK)
Biên độ
f
S
- B f
S
+Bf
S
f
S
+2Bf
S
- 2B
f
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế DPSK (Differential PSK):

Là dạng điều chế mà thông tin được mã hoá theo sự chênh lệch về
pha giữa hai bit kế cận

Nếu φ
k
biểu diễn cho pha của bit thứ k thì độ lệch pha ∆φ =φ
k
- φ
k-1

sẽ thay đổi là π hoặc 0 phụ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay bit 0.


Ưu điểm: tín hiệu phát có thể được giải điều chế thành công miễn
sao pha của sóng mang duy trì ổn định trong khoảng thời gian hai
bit

Được dùng trong các hệ thống thực tế vì không cần các bộ giải
điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt
CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế PolSK (Polarization Shitf Keying):

Bộ phát sử dụng bộ điều chế ngoài LiNi tạo ra sự dịch pha π rad
giữa các mod sóng TE và TM, tức là quay phân cực tín hiệu một
góc 90°

Trạng thái phân cực trực giao này được duy trì trong suốt quá lan
truyền trong sợi quang đơn mode

Bộ thu áp dụng kỹ thuật tách sóng Heterodyne
MÁY THU QUANG COHERENT

Nguyên lý tách sóng quang coherent:

Mô hình một bộ thu coherent ASK cơ bản
với E
S
= E
0
.cos(ω
0
t + φ

S
): trường tín hiệu vào
E
L
= E
L
.cos(ω
L
t + φ
L
): trường tín hiệu của bộ dao động nội (E
L
>E
0
)
Coupler
2×2
Bộ dao
động nội
R
L
E
L
E
S