C¸c HÖ Thèng Th«ng Tin Quang
Msc.Eng.NghiêmXuânAnh
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 2
Nhữngnộidungchính
I. HệthốngthôngtinquangIMDD
II. Hệthốngthôngtinquangcoherent
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 3
I.GiớithiệuHệthốngTTQIMDD
HệthốngTTQIMDDlàgì?
sử dụng điều biến cường độ (IMIntensity
Modulation),và
táchsóngtrựctiếpDD(DirectDetector)
thôngtinvềphacủatínhiệukhôngđóngvaitròquan
trọng(khácbiệtvớihệthốngTTQCoherent)
Hệ thống TTQ IMDD ra đời đầu tiên, đã và đang
đượcsử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt
namvànhiềunướckhác.Tốcđộhiệnnayđạt(2,5 ¸
10Gb/s(STM4,STM16)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 4
I.1NguyênlýhệthốngIMDD
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 5
I.1.1.PhíaMáyPhát
Phíaphátthựchiện biếnđổitínhiệu điện đầuvào
thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu
quang nàyvàosợiquang để thựchiệnviệctruyền
thôngtin.
[Máy phát thực hiện điều chế nguồn quang (LED
hoặc LD) bằng dòng tín hiệu điện (digital hoặc
analog)cầntruyền].Tứclà,côngsuấtquangratỷlệ
tuyếntínhvớidòngđiềubiến Þ Kiểuđiềuchếnày
gọilàđiềuchếcườngđộIM(IntensityModulation).
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 6
Intensitymodulation
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 7
I.1.2.Truyềntintrênsợiquang
Côngsuấttínhiệubịtổnhaotrongquátrìnhtruyền
ánhsángdọctheochiềudàicủasợi(dohấpthụcủa
tạpchất,củabảnthânvậtliệu,hấpthụđiệntử,suy
haodouốncong,tánxạvv…) Þ Lengthlimitted!
Suyhaocôngsuất(suyhaoxen)docácphầntửtrên
tuyến(bộnối,mốinối,mốihàn,cácbộghép/xenrẽ
kênh,cácbộchuyểnđổi…) Þ Lengthlimitted!
Méo(dãnxung)tínhiệudotánsắc(tánsắcgiữacác
mode,tánsắcmode(tánsắcvậntốcnhóm),tánsắc
dẫnsóng,tánsắcvật liệu,tánsắc phân cựcmode
vv Þ Bitratelimitted!.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 8
I.1.3.PhíaMáyThu
Sóngtínhiệuquangđượcphátđitừphíaphátsaukhi
tới bộ thu quang được biến đổi thành tín hiệu điện
(nhờphotodiode),đượckhuếchđạivàkhôiphụcthành
tínhiệucódạngnhưởđầuvàothiếtbịphátquang.
Photodiode(O/E)thựchiện táchsóngtheoluật bình
phươngvìnóbiếnđổicôngsuấtquangthuđượctrực
tiếpthànhdòngđiện(dòngphoto)tạiđầuracủanó. Þ
bộthukiểunàyđượcgọilàbộthutáchsóngtrựctiếp
(DD).CácphotodiodecóthểlàpinhoặcAPD. Tách
sóngtrựctiếpđượcbiểuhiệnlàởmáythuquang,tín
hiệuđượctách ratrực tiếp ởbăng gốcmà khôngcó
bấtkỳxửlýhoặcbiếnđổinào.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 9
I.2.TỷsốtínhiệutrênnhiễuSNR
Tỷsốtínhiệu/nhiễu(SNR)làthamsốrấtquantrọng
trong bộ tách sóng quang.Nó xác định chất lượng
của bộ thu quang tương tự và là yếu tố chủ yếu
quyếtđịnhđộnhạycủabộthuquangsố.
Saukhitínhiệuquanglantruyềnquamộtcựlydài,
công suất của nó rất thấp. Do đó cần có bộ thu
quang tốt, bộ tách sóng quang và các mạch điện
khuếchđạisaunóphảikếthợptốiưuđểchoraSNR
cao.Tứclà:
Bộtáchsóngquangcầncóhiệusuấtlượngtửcaođểphát
racôngsuấttínhiệulớn,và
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 10
SNR(continued…)
Nhiễucủabộtáchsóngquangvàbộkhuếchđạiđiệnphải
càngthấpcàngtốt.
Tỷ sốtínhiệutrênnhiễucủaphotodiodeđượcxácđịnh
là
Tỷ sốSNRcủabộthuphotodiodepinđượcviếtlà:
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
enLBldine
in
pin
BFRTkIIRPeB
PR
SNR
)/4()(2
2
2
+ + +
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 11
SNR(continued.)
Tronggiớihạnnhiễunhiệt(s
s
<< s
T
)khiđó
Còntronggiớihạnnhiễulượngtử(s
s
>> s
T
)thì
Note: Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng tách
sóngpin,nhiễutrộilànhiễunhiệt(dobộtáchsóng
cóđiệntrởtảitáchsóngnênnósinhradòngnhiễu
nhiệtkhálớnđểtạoranhiễunhiệt.)
neB
L
inpin
FTBk
R
PRSNR
4
2
2
=
e
in
e
in
pin
Bh
P
eB
RP
SNR
n
h
22
= =
F
n
:HệsốnhiễucủabộKĐ
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 12
SNR(continued.)
Trong nhiều bộ thu quang, dòng nhiễu nhiệt hiệu
dụng lớn gấp khoảng 20 lần dòng nhiễu lượng tử
hiệudụngvàkhoảng100lầndòngtốihiệudụng.
Tươngtự,tỷsốSNRcủabộthuquangdùngAPDlà
Tronggiớihạnnhiễunhiệt(s
s
<< s
T
)thìSNR
APD
là:
vớihyvọngcóthểcảithiệnM
2
sovớibộthupin.
enLBleAdine
in
APD
BFRTkIeBFMIRPeB
MRP
SNR
)/4(2)(2
)(
2
2
+ + +
=
neB
L
inAPD
FTBk
R
PMRSNR
4
2
22
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 13
SNR(continued.)
Ngượclại,tronggiớihạnnhiễulượngtử,(s
s
>> s
T
),lúc
nàytacó
Vàtrongtrườnghợpnày,tỷsốtínhiệutrênnhiễuSNR
củabộthudùngphotodiodeAPDlạibịgiảmđibởihệ
sốnhiễutrộiF
A
sovớibộthuphotodiode pin.
TrongđóFAđượcxácđịnhbằngthựcnghiệmxấpxỉlà
Vớixlàphântửgam,=0.3vớiphotodiodethácSilic,=
0.7đ/vInGaAs,=1vớiGermanium.
Ae
in
Ae
in
APD
FBh
P
FeB
RP
SNR
n
h
22
= =
x
A
MF »
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 14
I.3.Độnhạycủabộthuquang
Độ nhạy thu là tham số quan trọng nhất đánh giá
khảnăngvàchấtlượngcủaHTTTQ.
Độnhạycaothểhiệnkhảnăngthuđượcmứccông
suấtquangrấtthấp.
ĐộnhạythucaochophépthiếtkếđượccácHTTTQ
cótốcđộcaovàcựlyxa.Nóbịtácđộngtrựctiếp
bởitỷsốSNRcủabộtáchsóngquang.TứclàSNR
càngcaothìđộnhạycàngcao.
eSNR chỉ đủ để đánh giá chất lượng tín hiệu thu
trongtruyềndẫnanalogcó đápứngtiêuchuẩnđề
rahaykhông,còn
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 15
Độnhạythu–sơđồthamchiếu
Trong thôngtinquang số, độnhạythuluôn bịràng
buộc bởi tỷ số lỗi bit BER. Độ nhạy được thể hiện
bằng một công suất quang tối thiểu có thể có thể
đảmbảotỷsốlỗibitBERđãcho.(Thườngđượcxác
địnhtạimộtđiểmthamchiếutrướcbộnốithuR)
S
C
TX
(Bộnốiphát)
R
C
RX
(bộnốithu)
Khốimáyphát Khốimáythu
Sợiquang
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 16
Độnhạythu–cácđiểmthamchiếu
Slàđiểmthamchiếutrênsợiquangngaysaubộnối
phátC
TX
,cònRlàđiểmthamchiếutrênsợiquangở
ngaytrướcbộnốithuC
RX
.
Các thông số tại các điểm tham chiếu xác định có
liênquantớimụctiêuthiếtkếđoạntruyềndẫnquang
cótỷsốlỗibitBER.
BERthườngnằmtrongdải10
6
¸ 10
12
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 17
Độnhạythu–cáckhuyếnnghị
Như vậy độ nhạy của bộ thu quang là công suất
trungbìnhnhỏnhấtcóthểchấpnhậnđượctạiđiểm
R để đạt được tỷ số lỗi bit BER (Khuyến nghị của
ITUT)nhưsau:
10
6
¸ 10
9
đốivớicáchệthốngPDH,
10
10
đối với các hệ thống SDH STM1, STM4 và
STM16màkhôngcókhuếch đạiquang,
và 10
12
đối với hệ thống đơn kênh quangvà nhiều
kênhquangcósửdụngkhuếchđạiquangtạiSTM64
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 18
I.4.Tỷsốbítlỗi(BER)trongbộthuquang
BộthuquangtronghệthốngthôngtinquangsốIM
DDgồmmộtbộtáchsóngquang,bộtiềnkhuếchđại,
bộ khuếch đại điện, mạch cân bằng (lọc) và quyết
định.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 19
BER(continued.)
Do tín hiệusau táchsóngrất yếu nên nó cần phải
đượckhuếchđại,đượclọc,sauđóđượcsosánhvới
mứcngưỡngtạimạchquyếtđịnhđểthuđượcxung
mongmuốn(bit1hoặc0)trongkhethờigiancủanó.
Trongtrường hợpkhônglỗithì khi “1”đượcthu thì
đầu raV
out
(t)phải cao hơn điện áp ngưỡng,và khi
“0”đượcthuthìV
out
(t)phảinhỏhơnngưỡng.
Trongthựctế,dotácđộngcủacácloạinhiễukhác
nhauvàsựgiaothoagiữacácxunglâncậncóthể
gâyrasựtrệchkhỏigiátrịtrungbình của V
out
(t)và
gâyralỗi.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 20
BER
Đểxácđịnhtỷlệlỗixảyratacóthểdùngcáchchia
các xung lỗi N
e
cho tổng số các xung N
t
trong
khoảngthờigiantđãcho.Nóđượcgọilàtỷsốlỗibit
BERvàđượcviếtnhưsau:
ĐểxácđịnhBERtạibộthu,sựphânbốxácsuấttín
hiệuđầuracủamạchcânbằnglàrấtquantrọngvì
điều đó quyết định xem bit “1” hay “0” được phát
đến. Dođó,ta xétvấn đề này thôngqua hệ thống
thôngtinsốvớicácxung“0”và“1”.
t
e
N
N
BER =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 21
BER(continued.)
Mậtđộxácsuấtp(I)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 22
BER(continued.)
Hình trên chỉ ra tín hiệu dao động nhận được bởi
mạch quyết định, mạch này lấy mẫu tại thời điểm
quyếtđịnht
D
xácđịnhthôngquasựkhôiphụcxung
đồnghồ.
GiátrịlấymẫuIbiếnđộngtừbitsangbitquanhgiá
trị trung bìnhI
1
hoặcI
0
, tùytheo bitđó tươngứng
vớibit“1”haybit“0”trongluồngbit.
Mạch quyết định so sánh giá trị lấy mẫu với mức
ngưỡngI
D
vàgọinólàbit“1”nếuI>I
D
hoặcbit“0”
nếuI<I
D
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 23
BER(continued.)
LỗixảyrakhiI<I
D
chobit“1”donhiễumáythu.Mộtlỗi
cũngcóthểxảyranếuI>I
D
chobit“0”.
Cảhaikiểulỗitrêncóthểgộplạibằngviệcđịnhnghĩa
xácsuấtlỗibitnhưsau
TrongđóP(1/0)làxácsuấtquyếtđịnhnhầmbit“1”khi
bit “0” được gửi đến. P(0/1) là xác suất quyết định
nhầmbit“0”khibit“1”đượcgửiđến.
p(0) và p(1) là xácsuất nhận đúngcácbit “0” và “1”
tươngứng.
)1/0()1()0/1()0( PpPpBER + =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 24
BER(continued.)
TrongtrườnghợpsốbitNtrongluồngbitlàlớn(>2
15
)thì
p(0)
»
p(1)
»
0,5.Khiđó
Hình trên cho thấyP(0/1)và P(1/0)phụ thuộcvào hàm
mậtđộp(I)củagiátrịlấymẫuI.Dạnghàmp(I)phụthuộc
vàothốngkêcácnguồnnhiễugâyracácbiếnđộngdòng.
Nhiễu nhiệt i
T
và nhiễu bắn được xấp xỉ bằng phân bố
Gaussian,dođótổng củachúng(giá trịđượclấy mẫuI)
cũnglàbiếnngẫunhiênGaussiancóphươngsailà
2
)1/0()0/1( PP
BER
+
=
222
Ts
s s s
+ =
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 25
BER(continued.)
Với còn
Giátrịtrungbìnhvàphươngsaicủabit“1”vàbit
“0”khácnhaudoI
p
tươngđươngvớiI
1
hoặcI
0
,tùy
theobitnhậnđược.Nếu s
1
2
và s
0
2
làcácphương
saitươngứngthìxácsuấtcóđiềukiệntrênđược
chobởi
n
L
eB
T
F
R
TBk4
2
=
s
edps
BIIe )(2
2
+ =
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 26
BER(continued.)
Trongđóerfclàhàmlỗibù,đượcđịnhnghĩalà
Khiđó
Phương trình trên cho thấy BER phụ thuộc vào
ngưỡngquyếtđịnhI
D
.Trongthựctế,I
D
đượctốiưu
nhằm tối thiểu BER. BER
min.
đạt được khi I
D
được
chọnsaocho
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 27
BER(continued.)
Với
Nhưvậy,dòngquyết (*)
địnhtốiưulà
Khi
s
1
=
s
0
,thìI
D
=(I
1
+I
0
)/2tươngứngvớingưỡngquyết
địnhnằmởgiữa.Trườnghợpnàyápdụngchohầuhết
cácbộthupindonhiễucủanóchủyếulànhiễunhiệt
(s
T
>>s
S
)vàđộclậpvớidòngtrungbình.
TrongcácbộthuAPDthìI
D
đượcđặttheobt(*).
0
0
0
1
1
1
s s
II
Qvà
II
Q
D
D
-
=
-
=
01
1001
s s
s s
+
+
=
II
I
D
10
QQQ = =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 28
BER(continued.)
Như vậy BER với giá trị ngưỡng tối ưu (I
Dopt.
) phụ
thuộcvàothamsốQnhưsau
TrongđóthamsốQđượcxácđịnhlà
HìnhsauchothấysựbiếnthiêncủaBERtheoQnhư
thếnào.
(*)
(**)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 29
BER(continued.)
Nó được vẽ dựa trên biểu thức gần đúng và khá
chínhxáckhiQ>3.
BERcảithiệnkhiQtăngvàtrởnênnhỏhơn10
12
với
Q>7.
Độ nhạy thu tương ứng với công suất quang trung
bìnhcóQ»6sẽcóBER»10
9
…,
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 30
BERvs.Q
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 31
I.5.Độnhạythu–PINphotodiode
Giả thiết bit “0” không mang công suất quang để
saochoP
0
=0,tứcI
0
=0.
Nếugọi<P
rec
>làcôngsuấtquangTBthuđượcthì
đólàgiátrịtrungbìnhcủacácbit“1”và“0”vàkhi
đó
P
1
cóliênquantớiI
1
trongbộtáchsóngpinnhư
sau
2
01
PP
P
rec
+
=
0) P (víi
0
= = =
rec
PRRPI 2
11
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 32
PINđộnhạythu
s
1
và s
0
bao gồm các thành phần của cả nhiễu
lượng tửvànhiễunhiệt,vì vậychúngcóthể được
viếtnhưsau:
Bỏ quathành phần dòng tối, phương sai nhiễu trở
thành
TTs
s s s s s
= + =
0
22
1
vµ
( )
n
L
eB
T
erecs
F
R
TBk
BPRe
4
22
2
2
=
=
s
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 33
PINđộnhạythu
KhiđóhệsốQđượcviếtnhưsau
KhichỉđịnhBERthìQđượcxácđịnhtheobt.BER
(trang 28), rồi từ bt. trên tìm được độ nhạy thu
<P
rec
>củabộthuquangnhưsau:
TTS
rec
PR
I
Q
s s s
s s
+ +
=
+
=
22
01
1
2
( )
Te
pin
rec
QeB
R
Q
P
s
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 34
PINđộnhạythu
Nhậnxét:Độnhạythuphụthuộcvàocácthamsố
bộthu.ĐốivớibộthuquangPINthìnhiễunhiệt s
T
thườnglàtrội,vàkhiđó<P
rec
>cóthểđượcviếtdưới
dạngđơngiảnnhưsau:
Tathấy s
T
khôngchỉphụthuộcvàocácthamsốnhư
R
L
vàF
n
màcònphụthuộcvàocảtốcđộbitthông
quabăngtầnđiệnB
e
củabộthuquang(B
e
=B/2).B
làtốcđộ bit. Vìthế<P
rec
>tăngtheo B
1/2
tronggiới
hạn nhiễu nhiệt, và điều này có nghĩa là độ nhạy
thusẽgiảmkhitốcđộbittăng !
R
Q
P
T
pin
rec
s
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 35
I.6.Độnhạythu–APDphotodiode
TươngtựnhưđốivớitrườnghợpPIN,giảthiếtcác
bit“0”khôngmangcôngsuất(P
0
=0hayI
0
=0).
Với R
APD
=MRthì công suất ứngvới các bit “1” liên
quanvớiI
1
trongbộthuAPDnhưsau:
Bỏquacácthành phần dòng tối,phươngsainhiễu
củabộthuAPDtrởthành
0) P (do
0
= = = =
recAPD
PMRMRPPRI 2
111
( )
n
L
eB
T
erecAs
F
R
TBk
BPRFeM
4
22
2
22
=
=
s
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 36
APD–độnhạythu
KhiđóQđượcxácđịnhlà
VớiBERđãcho,tacóthểxácđịnhthamsốQdựa
vàobt.BER(trang28),vàđộnhạythu<P
rec
>
APD
đối
vớibộthuAPDđượcxácđịnhtừbt.trênnhưsau:
TTS
rec
PMR
I
Q
s s s
s s
+ +
=
+
=
22
01
1
2
÷
ø
ö
ç
è
æ
+ =
M
BeQF
R
Q
P
T
eA
APD
rec
s
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 37
APD–độnhạythu–Remarks
Nhậnxét
Từ biểu thức trên, độ nhạy thuAPD đượccải thiện
vớihệsốMsovớiPINnếunhiễunhiệtlànhiễutrội.
Tuynhiênnhiễulượngtửcũngtăngđángkểtrongbộ
thuAPDnêncôngthứctrênnênđượcsửdụngchocả
hailoạinhiễu.
Nhìnchung,độnhạycủabộthuquangAPDđượccải
thiệntừ6–8dB.
<P
rec
>
APD
tăngtuyếntínhvớiB,còn<P
rec
>
PIN
tăngtheo
B
1/2
nênđộnhạycủaAPDgiảmnhanhhơnsovới
độnhạ ycủaPINkhitốcđộbittăng!
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 38
I.7Giớihạnlượngtửcủatáchsóng
quang
Trongbộthuquang, h làmộtthamsốquantrọng.
Bộtáchsónglýtưởngcó h=1vàI
d
=0.
Vớiđiềukiệntrên,côngsuấtquangthuđượcnhỏnhất
@BERđãchogọilàgiớihạnlượngtử.
Vớibộtáchsónglýtưởng, s
0
=0vìnhiễulượngtửtriệt
tiêukhikhôngcócôngsuấtquangtới. Dođó,ngưỡng
quyết định có thể đặt gần mức 0. Khi đó, ngay cả 1
photon(củabit“1”)cũngcóthểđượctáchravàmộtlỗi
xảyranếu1bit“1”khôngtạorathậmchí1cặpđiệntử
lỗtrống.
Với số photon và điện tử ít như vậy, thống kê nhiễu
lượngtửkhôngthểlấyxấpxỉbằngphânbốGaussmà
phảisửdụngphânbốPoisson.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 39
BERtronggiớihạnlượngtử
NếugọiN
p
làsốphotontrungbìnhtrongmỗibit“1”,xác
suấttạoramcặpđiệntửlỗtrốngđượcchobởiphânbố
Poisson.
BERcóthểđượctínhtoánsửdụng(*p.24)và(*).
P(1/0)=0dokhôngcócặpĐTLTnàođượctạorakhiN
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
nênBERđượcchobởibiểuthứcsau
!
)(
m
Ne
P
m
p
N
m
p
-
=
(*)
2
p
N
e
BER
-
=
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 40
Độnhạymáythu
Nhưvậy,vớiBER<10
9
thìN
p
phải>20.Doyêucầu
nàylàkếtquảtrựctiếpcủanhữngbiếnđộnglượngtử
liênquantớiánhsángtớinênnóđượcgọilàgiớihạn
lượngtử.
Mỗibit“1”phảichứatốithiểu20photonđểđượcphát
hiệnvớiBER<10
9
.Yêucầunàycóthểchuyểnsang
côngsuấttheoP
1
=N
p
hnB,vớiBlàtốcđộbitvàhn là
năng lượng photon. Độ nhạy máy thu, được định
nghĩalà<P
rec
>=(P
1
+P
0
)/2=P
1
/2,đượcchobởi
hvBNBhNP
pprec
= = 2/
n
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 41
Sốphotontrungbình–độnhạythu
<N
p
>thểhiệnđộnhạymáythutheosốphoton
trungbình/bitvàquanhệvớiN
p
theo<N
p
>=N
p
/2
khicácbit0khôngmangnănglượng.
Tronggiớihạnlượngtử,<N
p
>=10.Côngsuấtcó
thểđượctínhtừ(*p.40).
Vídụ:mộtmáythu1,55 mm(hn=0,8eV),<P
rec
>=13
nWhay48.9dBmtạiB=10Gb/s.Hầuhếtmáythu
hoạt động ngoài giới hạn lượng tử khoảng 20 dB
hoặccaohơn.Điềunàytươngđươngvới<N
p
>điển
hìnhvượt1000photontrongcácmáythuthựctế.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 42
II.HệthốngthôngtinquangCoherent
NhượcđiểmcủahệthốngIMDD
Khôngtậndụngđượcbăngtầnrấtlớncủasợiquang
khimàcáchệthốngtruyềndẫnIMDDđơnkênhmới
chỉđạttốcđộ622Mb/s,2.5Mb/sởcựlyvàichụckm
vàhệthống10Gb/schưaphổbiếnnhiều.
Độnhạythutrựctiếpbịhạnchếởtốcđộtruyềndẫn
cao,tốcđộbitcàngcaothìđộnhạythucóxuhướng
giảmlàmchogiảiphápIMDDkhôngthểvừatăngcự
lyvừatăngtốcđộđược.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 43
Advantagesofcoherentlightwave
systems
ƯuđiểmcủahệthốngTTQcoherent:
CảithiệnđượctỷsốtínhiệutrênnhiễuSNRởđầura
của mạch tiền khuếch đại, dẫn tới độ nhạy thu cao
(upto20dBsovớihệthốngIMDD),chophépkéodài
cựlytruyềndẫntới100kmtạibướcsóng1.55 mm;
Sửdụnghiệuquảhơnbăngtầncủasợiquangbằng
cáchtănghiệusuấtphổcủacáchệthốngWDM.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 44
Disadvantages…
Hệ thống TTQ coherent đòi hỏi nhiều giải pháp kỹ
thuậtvàquátrìnhcôngnghệphứctạp.
Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều mắt
xíchcầnphảigiảiquyếtbaotrùmcácvấnđềvềphổ,
độổnđịnhtầnsố,duytrìphâncựcvv…nhằmnâng
cao độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện hoạt
độngởtốcđộGb/svớicựlyhàngtrămkm.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 45
II.1.KháiniệmvềThôngtinquang
coherent
Hệ thống TT coherent dựa theo nguyên lý truyền
sóngánhsángmangtínhiệukếthợpvớimộtsóng
ánhsángkháctạiphíathuquang.
Tươngtựtrongcáchệthốngthôngtinvôtuyếnviba,
truyền tin bằng việc điều tần hoặc pha của sóng
mangquangvàtáchtínhiệunhậnđượcbằngcáckỹ
thuậttáchsónghomodynehoặcheterodyne.
Sựkếthợpvềphacủasóngmangquangđóngvai
tròquantrọngtrongthựchiệncáchệthốngnày,do
đónóđượcgọilàhệthốngthôngtinquangkếthợp
(coherent).
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 46
Developments
Kháiniệmvềcoherentcótừnhữngnăm1970s
Đến đầu 1980s, khi công nghệ sợi quang và laser đạt
đượcnhữngbướctiếnnhảyvọtmới tạođàchocáchệ
thốngcoherentphát triển. (Sợiquang đơnmode G.652
có suy hao thấp » 0.154 dB/km @1550nm. Laser bán
dẫncóđộổnđịnhtầnsốcao,độrộngphổhẹplàmcho
tánsắcgâydãnxungkhôngđángkể.)
Chỉtrongvòng67năm,hệthốngcoherentđãđượcđưa
vào sử dụng trongcácmạngviễn thông.Các hãngnổi
tiếng thế giới như AT&T, NTT, NEC vv… cho đây là
hướng mũi nhọn trong việc nâng cao khả năng truyền
dẫnvàkhoảngcáchgiữacáctrạmlặp.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 47
Characteristicsofcoherentsystems
Khác với IMDD, các hệ thống coherent có những
đặcđiểmsau:
Thôngtinđượcđiềuchếởphíaphátvớimứcyêucầu
caovềđộrộngphổtínhiệu,độổnđịnhtầnsố(cóthể
điềuchếtrựctiếphoặcđiềuchếngoài).
Độ phân cực của ánh sáng được phải được giữ
nguyêntrạngtrongquátrìnhtruyền.
Trướckhitáchsóngởmáythu,tínhiệuđượctrộnvới
sóngdaođộngnội(laserdiode).Nhưvậyánhsángđã
đượcxửlýtrướckhitớibộtáchsóngquang.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 48
II.2.CấutrúccủaHTTTQcoherent
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 49
Systemstructure–Transmitterside
Phầnphátgồmmạchđiềukhiển,laserdiode,bộđiều
chếngoài(ngoàiracòncóthểcóthêmbộKĐcông
suất,bộđiềukhiểncôngsuấttựđộng).
LaserbándẫnthườnglàloạiđơnmodeDFB,độrộng
phổhẹp » 0.1nm,lasercóbộcộnghưởngngoàihoặc
lasercáchtửcóđộrộngphổ10 ¸ 100MHz.
CácloạiLEDvàlaserđamodekhôngthíchhợpcho
hệthốngcoherentvìđộrộngphổcủanguồnphải<độ
rộngbăngtầntínhiệu.
Nguồnlasercầnphảiđượcổnnhiệtnhằmduytrìđộ
ổnđịnhtầnsố
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 50
Systemstructure–Receiverside
Bộthucủahệthốngcoherentlàphầnphứctạpnhất
củahệ thốngvà cũngđặctrưngnhất củahệthống
coherent.Vềcơbản,nóbaogồm:
Bộtrộnquang,
Laserdaođộngnội,
Photodiode,
Tiềnkhuếchđại,
Giảiđiềuchếtạitrungtầnvà
Mạchquyếtđịnh
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 51
Bộtrộnquang
Là một mạng 4 cửa, tương tự như bộ ghép định
hướngsiêucaotần.Nócóhaitrườngquangđầuvào
(tínhiệuthôngtinvàsóngdaođộngnội)đượctrộn
vớinhauvàcộngtuyếntínhtạicửara.
Yêucầucảhaitrườngquangcầnphảiđồnghướng
trênmặtcủaphotodiode.Dotrạngtháiphâncựccủa
tínhiệudọctheosợibịthănggiángnêncầnphảisử
dụng bộ điềukhiển phâncực tín hiệuvàdao động
nộiởđầucuốicủatuyếnsợiquang.Độlệchgiữacác
trạngtháiphâncựccủatínhiệuvàdaođộngnộicó
thểảnhhưởngđếnchấtlượnghệthống.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 52
HomodynevàHeterodyneReceivers
Nếutầnsốcủasóngdaođộngnộivàtínhiệugiống
nhauthìmáythugọilàHomodyne,còn
nếutầnsốcủasóngdaođộngnộivàtínhiệukhác
nhau(Df=f
IM
)thìmáythugọilàHeterodyne.
Cấutrúccủalaserdaođộngnộivàlaserởphíaphát
vềcơbảnlàgiốngnhau,tuynhiêncómộtđiểmkhác
là:tronglaserdaođộngnộicókhảnăngđiềuchỉnh
từngtầnsốpháttrongmộtdảirộngđểđảmbảotần
sốtínhiệusaukhitrộnluônổnđịnh.
Bộtrộn+photodiodehoạtđộngnhưmộtbộbiến
đổitầnthấp(heterodyne)hoặctáchpha(homodyne)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 53
Dòngtínhiệutừđầuracủabộtáchsóngđượcđưa
tớitiềnkhuếchđại,đượclọcthôngdảiđểgiớihạnđộ
rộng băng tần nhiễu và sau đó được giải điều chế
tươngứngvớidạngđiềuchế.
Lưuýrằngnhiễuphatronglaserrấtquantrọngtrong
hệthốngcoherentvì nó xác định độrộng băng tần
củabộlọctrungtầnhayđộrộngbăngtầntínhiệu.
Một phầndòng saubiến đổiO/Eđược sửdụng để
chốttrungtần tại mộtgiá trịmongmuốnthông qua
vòngđiềukhiểntầnsốtựđộngAFC.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 54
II.3.Nguyênlýhoạtđộng
w
s
w
LO
(w
s
w
LO
)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 55
Priciplesofoperation…
Giảsửtacoitrườngđiệntừcủatínhiệuđếntừphía
phátlàsóngphẳngcódạng.
A
s
làbiênđộtrườngcủatínhiệuquang, w
s
làtầnsố
tínhiệu, f
s
(t)làphacủatínhiệuquang.
Đểtruyềnthôngtin,tacóthểsửdụngkỹthuậtđiều
biên,điềutần,hoặcđiềuphasóngmangquang.
[ ]
)(cos tstAE
sss
f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 56
TransmitterModulationMethods
ASKhayOOK.Trongtrườnghợpnày, f
s
làhằngsố
vàbiênđộtínhiệuA
s
chỉnhận1trong2giátrịtrong
mỗichukỳbit,tùytheo“0”hay“1”đượcphátđi.
FSK.BiênđộA
s
làhằngsốvàpha f
s
nhậngiátrị
w
1
t
hay
w
2
t,trongđó w
1
và w
2
biểuthịcácgiátrịcủatín
hiệunhịphân.
PSK. Thôngtinđượctruyềnđiquasựthay đổipha
vớisónghìnhsincó ,trongđó
b
làchỉ
sốđiềuchế, w
m
làtầnsốđiềuchế.
tt
ms
w b f
sin)( =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 57
Receiver
Tại bộ thu quang, tín hiệu này trước tiên được trộnvới
sóng quang phát ra từ bộ dao động nội. Tiếp theo,
photodiodetáchsóngtínhiệukếthợptừhaitínhiệunày.
Việc trộnđượcthựchiện tạibề mặt của bộphotodiode.
Daođộngnộicótrườngđượcviếtnhưsau:
A
LO
, w
LO
và f
LO
(t)làbiênđộ,tầnsốvàphacủadaođộng
nội.
GiảthiếtcảtrườngE
s
vàE
LO
cócùngphâncực.Bộtách
sóngphíathusẽđápứngvớicườngđộquang|E
s
+E
LO
|
2
.
[ ]
)(cos ttAE
LOLOLOLO
f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 58
P
coherent
–côngsuấtthucoherent
Do photodiode đáp ứng với cường độ quang nên
công suất thu được tại bộ tách sóng được cho bởi
VớiKlàhằngsốtỷ lệ.
Nhưvậytasẽcó
Trongđó
P
s
=KA
s
2
vàP
LO
=KA
LO
2
tươngứnglàcôngsuấtquang
tínhiệuvàcôngsuấtquangdaođộngnội.
f
IF
=
w
IF
/2
p
=(
w
s
w
LO
) /2
p
làtrungtần,
2
LOs
EEKP + =
( )
[ ]
)(cos)()(cos2)( tttPPPPtP
IFLOsLOscoh
q f w
+ + + =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 59
Twostagesofdemodulation
f
(t)=
f
s
(t)
f
LO
(t)làsựkhácphatươngđốigiữatínhiệu
mangtinvàtínhiệudaođộngnội,còn
cos q(t)thểhiệnsựlệchphâncựcgiữatrườngquang
tínhiệuvàtrườngquangdaođộngnội:
ThôngthườngthìP
LO
lớnhơnrấtnhiềuP
s
.Khi
w
s
¹w
LO
,tín
hiệuquangsẽđượcgiảiđiềuchếtheohaigiaiđoạn:
Tần số sóng mang trước tiên được biến đổi thành
trungtầnf
IF
=w
IF
/2p (typ.0.1 ¸ 5GHz)
LOs
LOs
EE
EE
t
r r
=)(cos
q
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 60
HomodyneandHeterodyneDetection
Sauđótínhiệuđượcgiảiđiềuchếsangbăngcơsở.
Khôngnhấtthiếtluônphảisửdụngtrungtần.Trong
bộthu coherent thực tế,có haikỹthuật tách sóng
tuỳthuộcvào w
IF
=0hay w
IF
¹ 0.
Nếu w
IF
=0thìtáchsóngđượcgọilàhomodyne,còn
Nếu w
IF
¹ 0thìtáchsóngđượcgọilàheterodyne.
SựcảithiệnvềđộnhạythutrongtáchsóngCoherent
đượcthểhiệnbằngcáckỹthuậtnày.
Tiêuchíđánhgiá,phântíchthôngquaviệcsosánh
dòngphototrongtáchsóngtrựctiếpvàCoherent.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 61
II.3.2.KỹthuậttáchsóngHomodyne
w
LO
đượcchọn trùngvới tầnsố tínhiệu w
s
sao cho
w
IF
=0.
Dòngphototrongtrườnghợpnàylà
ThôngthườngP
LO
>>P
s
nêntổngP
LO
+P
S
»P
LO
.
Trongbiểuthứctrên,sốhạngcuốicùngmangthông
tinphátvàđượcsửdụngtạimạchquyếtđịnh.
[ ]
)()(cos2)()( ttPPRPPRtI
LOsLOsLOsho
f f
- + + =
(*)
Backtop132
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 62
Sosánhthuhomodynevớitáchsóng
trựctiếp
Xét trường hợp
f
s
(t)=
f
LO
(t). Khi đó dòng tín hiệu
homodynelà
TrongkhiđódòngtínhiệuthutrựctiếpI
DD
(t)=RPs(t).
Sosánhhaidòngphototrêntathấy,nếukýhiệu<P
s
>là
côngsuấtquangtrungbìnhthìcôngsuấtđiệntrungbình
trongtáchsónghomodynesẽtăngvớihệsố4P
LO
/<P
s
>
sovớitáchsóngtrựctiếp.
Nhậnxét:
Do P
LO
>>P
s
nên tỷ số 4P
LO
/<P
s
> >> 1, dẫn tới sự tăng
côngsuấtcóthểvượt20 dB.Bộdaođộng nội đãđóng
vaitròbộkhuếchđạitínhiệu!
LOssho
PPRtI 2)( =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 63
RemarksonHomodyneReceiver
Vìsốhạngcuốitrongbiểuthức(*p.61)rõràngtồntại
phatínhiệunêncóthểtruyềnthôngtinbằngđiềuchế
phachosóngmangquang–Điềumàtáchsóngtrực
tiếpkhônglàmđượcdotoànb ộthôngtinvềphatín
hiệuđãbịmất!
Táchsónghomodynelàmộtkỹthuật tiêntiếnnhưng
nócũngcóvấnđềdotínhnhạycảmphacủanó.Yêu
cầuphảicómạchkhóaphaquangOPLLđểkhóapha
củabộdaođộngnộivớisóngmangtínhiệu.
Ngoàira,cóyêucầunghiêmngặtđốivớisựđồngtần
giữalaserphátvàlaserdaođộngnội.
Þ Điều này được khắc phục bằng tách sóng
heterodyne!
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 64
II.3.2TáchsóngHeterodyne
w
IF
¹0
Không cần OPLL nên các bộ thu Heterodyne dễ thực
hiệnhơnbộthuHomodyne.
DòngphotothuđượctrongtáchsóngHeterodynelà:
Ta quantâm đến thànhphần điềuhòavì dòngnày sẽ
đượclọcranhờbộlọc.Thànhphầnnàycómangthông
tinvàlà:
Heterodynecó thể dùng điều biên, pha và tần số của
sóngmangquangđểmangthôngtin.
[ ]
)()()(cos2)()( tttPPRPPRtI
LOsIFLOsLOshe
f f w
- + + + =
[ ]
)()()(cos2)( tttPPRtI
LOsIFLOsshe
f f w
- + =
(*)
Backtop132
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 65
Remarks
Bộdaođộngnộicũngkhuếchđạitínhiệuthuđược,do
đócảithiệnđượctỷsốSNR.
Tuynhiên,sựcảithiệnSNRthấphơntrườnghợptách
sónghomodynebởihệsố2(hay3dB).
Nguồngốccủa3dBcóthểthấykhixétcôngsuấttín
hiệu(tỷlệ với bìnhphươngdòng điện). Dobảnchất
củadòngI
ac
,côngsuấttínhiệutrungbìnhbịgiảmđi
hệsố2khiI
ac
2
đượclấytrungbìnhquacảchukỳtại
trungtần(nênnhớlàtrungbìnhcủacos
2
q qua q là½)
Sựtrảgiáchothiệtthòi3dBđượcbùlạibằngviệcđơn
giản hóa thiết kế máy thu do vòng khóa phaquang
khôngcầnnữa.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 66
Remarks…
Cácbiếnđộngtrongcả f
s
và f
LO
vẫncầnđượcđiều
khiểnsửdụngcáclaserbándẫnvạchphổhẹpchohai
nguồnquang.
Tuynhiên,tasẽthấyyêucầuvềvạchphổkhôngquá
nghiêmngặtkhiphươngángiảiđiềuchếkhôngđồng
bộ được sử dụng. Điểm này làm cho tách sóng
heterodynerất phù hợp cho thực hiện các hệ thống
thôngtinquangcoherenttrongthựctế.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 67
II.4.SNRcủabộthuquangcoherent
Ưuđiểmcủatáchsóngquangcoherentcóthểđịnh
lượngbằngviệcxemxétSNRcủadòngmáythu.
Như phần trước đã trình bày, dòng máy thu biến
độngdonhiễubắnvànhiễunhiệtgâyra.Phươngsai
s
2
củacácbiếnđộngdòngđạtđượcbằngcáchlấy
tổngcủahaithànhphần,vìvậy
Trongđó
222
Ts
s s s
+ =
enLBTeds
BFRTkBIIe )/4(,)(2
22
= + =
s s
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 68
SNR…
Sựkhácbiệtvớicácphântíchtrướcđâynằmởsự
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)tùythuộcvàotáchsónghomodynehay
heterodyneđượcsửdụng.
Do thực tế P
LO
>>P
s
nên ta thế I trong (*p.67) bằng
I=RP
LO
chocảhaitrườnghợp.
SNR được xác định bằng cách chia công suất tín
hiệutrungbìnhchocôngsuấtnhiễutrungbình.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 69
SNR Heterodyne
SNRcủabộthuheterodynelà
Trongtrườnghợphomodyne,SNRlớnhơnbởihệ
số2nếutagiảthiết f
s
=f
LO
trongbiểuthức(*p.61).
Từ bt trên ta có thể thấy được ưu điểm của tách
sóngcoherent. Do công suất quang dao động nội
P
LO
cóthểđượcđiềukhiểntạibộthunênnócóthể
đủlớnđểnhiễumáythucónhiễubắn(shotnoise)là
trội.
2
2
2
2
)(2
2
TedLO
LOs
she
BIRPe
PPR
I
SNR
s s
+ +
= =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 70
SNR–Heterodyne
Cụthểhơn s
s
2
>>s
T
2
khi
Xéttrongcùngđiềukiện,đónggópcủadòngtốivào
nhiễu bắn là không đáng kể tức (I
d
<<RP
LO
). Khi đó
SNRđượcchobởi
Trongđó
)2/(
2
eTLO
eRBP
s
>>
e
s
e
s
Bh
P
eB
PR
SNR
n
h
= »
hv
e
R
h
=
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 71
Remarks
Tách sóng coherent cho phép đạt được giới hạn
lượngtửngaycảkhibộthuquangsửdụngPIN(loại
thườngcónhiễutrộilànhiễunhiệt).
SosánhSNRtrongbt(*p.11)với(*p.70)chothấysự
cảithiệnSNRtrongtáchsóngheterodynesovớitách
sóngtrựctiếpnhưthếnào.
HữuíchhơnnếutabiểudiễnSNRtheosốphotonN
p
nhậnđượctrongmộtbitđơn.TạitốcđộbitB,công
suấttínhiệu<P
s
>vàB
e
trong(*p.70)quanhệvớiN
p
theo<P
s
>=N
p
h
n
B.Điểnhình,B
e
=B/2.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 72
SNR–heterodynevàhomodyne
Sử dụng các giá trị trên của <P
s
> và B
e
trong bt
(*p.70),SNR
he
đượcchobởimộtbiểuthứcđơngiản
Trong trường hợp tách sóng homodyne, SNR lớn
hơnbởihệsố2vàđượcchobởi
ĐốivớibộthucoherentcósửdụngAPD,việcphân
tích tương tự như ở trên trong đó R được thế bởi
R
APD
=MR.
phe
NSNR
h
2 =
pho
NSNR
h
4 =
(*)
(**)
Backtop.120
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 73
II.5.Cácdạngthứcđiềuchế.
Ưuđiểmquantrọngcủasửdụngcáckỹthuậttách
sóng coherent là ở chỗ cả biên độ và pha của tín
hiệuquangthuđượccóthểđượctáchravàđo.Đặc
điểm này mở ra khả năng gửi thông tin bằng cách
điềuchếhoặcbiênđộ,hoặcpha,hoặclàtầnsốcủa
sóngmangquang.
TrongcácHTthôngtinsố,3khảnăngđiềuchếđược
sử dụng là ASK, PSK và FSK. Các dạng điều chế
này được trình bày cho một mẫu bít đặc biệt trên
hìnhsau.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 74
ModulationFormats
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 75
II.5.1.ĐiềuchếASK
Điệntrườngkếthợpvớimộttínhiệuquangcóthểđược
viếtlà
Trongtrườnghợp điềuchếASK,biên độA
s
đượcđiều
chếtrongkhiduytrì w
0
và f
s
làhằngsố.Đốivớiđiềuchế
số nhịphân,A
s
nhậnmộttrong haigiátrị cố địnhtrong
mỗichukỳbit,tùytheobit1hay 0đượctruyềnđi.
Trongphầnlớncáctìnhhuốngthựctế,A
s
=0khitruyền
cácbit0.Khiđó,ASKđượcgọilàOOKvàgiốngvớisơ
đồđiềuchếthườngđượcsửdụngchocáchệthôngTTQ
sốnoncoherentIM/DD.
[ ]
.)(co s)()(
0
tttAtE
sss
f w
+ =
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 76
SựkhácbiệtgiữaASKchoIM/DDvà
ASKchocoherent
ThựchiệnASKchocáchệthốngcoherentkhácvới
trườnghợpcáchệthốngtáchsóngtrực tiếpởmột
khíacạnhquantrọng.
IM/DD :luồngbitquangchocác hệthốngtáchsóng
trực tiếpcóthểđược tạorabằngviệc điềuchế trực
tiếpLEDhoặclaserdiode
Coherent:cầnđiềuchếngoài.
Whyneedanexternalmodulator?
Answer:Luôncósự thayđổivề phakhi biênđộA
s
thayđổidobởidòngđiềuchếđặtvàolaserbándẫn.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 77
ASKforcoherent…
VớicáchệthốngIM/DDnhữngbiếnđổiphakhôngcốý
nhưvậykhôngthấyđượcbởibộtáchsóng(photodiode
chỉđápứngvớicôngsuấtquang)vàkhôngphải làmối
quantâmchínhngoàisựmấtmátcôngsuấtdotạochirp.
Khác với IM/DD, đáp ứng của bộ tách sóng trong hệ
thốngcoherentphụthuộcvàophacủatínhiệuthuđược.
ThựchiệnASKchohệthốngcohherentđòihỏi f
s
duytrì
gần như không đổi. Điều này đạt được nhờ vận hành
laserbándẫnliêntụcbằngmộtdòngđiệnkhôngđổivà
điềuchếđầuracủanóbằngmộtbộđiềuchếngoài.Tuy
nhiên,khiđósẽcósựmấtmátcôngsuấtdosuyhaoxen.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 78
II.5.2.ĐiềuchếPSK
Luồngbitquangđượctaorabằngviệcđiềuchếpha
f
s
trongkhigiữnguyênbiênđộA
s
vàtầnsố w
0
của
sóngmangquang.
VớiPSKnhịphân, f
s
nhậnhaigiátrị,thườngđược
chọnlà0và p.
Điểm thú vị của PSK là cường độ quang duy trì
khôngđổitrong tấtcảcácbitvàtínhiệuxemracó
dạngliêntụcCW.
Tách sóng coherent là cần thiết cho PSK vì mọi
thông tin sẽ bị mất nếu tín hiệu quang được tách
sóngtrựctiếp mà khôngtrộn nóvới đầu racủa bộ
daođộngnội.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 79
PSKimplementation
ThựchiệnPSKđòihỏimộtbộđiềuchếngoàicókhả
nănglàmthayđổiphaquangtheođiệnápđặtvào.
Cơchếvậtlýđượcsửdụngbởinhữngbộđiềuchế
nhưvậyđượcgọilàkhúcxạđiện.
SửdụngPSKđòihỏiphacủasóngmangquangphải
duytrìổnđịnhsaochothôngtinvềphacóthểđược
tríchratạimáythumàkhôngcósựnhầmlẫn.Yêu
cầunàyđặtmộtyêucầunghiêmngặtlêndungsaivề
độrộngvạchphổcủalaserphátvàdaođộngnội.
Yêu cầu này có thể được giảm bớt bằng cách sử
dụngmộtbiếnthểcủaPSKgọilàDPSK.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 80
DPSK
TrongtrườnghợpDPSK,thôngtinđượcmãhóasử
dụng sự khác pha giữa hai bit lân cận. Chẳng hạn
như,nếu f
k
đạiđiệnchophacủabitthứk,độlệch
pha Df=f
k
f
k1
bịthayđổimộtlượnglà p hoặc0,tùy
theobitthứklàbit1haybit0.
ƯuđiểmcủaDPSKlàtínhiệuphátcóthểđượcgiải
điềuchếthànhcôngmiễnlàphasóngmangduytrì
tươngđốiổnđịnhquamộtkhoảngthờigian2bit.
Loại điềuchế nàythường được sử dụng trong các
hệthốngthựctế vìkhôngcầncácbộgiải điềuchế
phứctạpmàvẫnchochấtlượngtốt.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 81
II.5.3.ĐiềuchếFSK
Thôngtinđượcmãhóatrênsóngmangquangbằng
cáchdịchchínhtầnsốsóngmang w
0
.
Đốivớimộttínhiệusốnhịphân, w
0
nhậnhaigiátrị,
w
0
+Dw và w
0
Dw,tùytheobit1 haybit0 đượcphát
đi.
Độdịch Df= Dw/2p đượcgọilàđộlệchtần.Đạilượng
2Dfđôikhiđượcgọilàkhoảngcách tonedonóđại
diện cho khoảng cách tần số giữa bit 1 và bit 0.
TrườngquangcủaFSKcóthểđượcviếtlà.
[ ]
sss
tAtE
f w w
+ D ± = )(cos)(
0
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 82
WidebandandnarrowbandFSK
trongđó,dấu+và–tươngứngvớibit1vàbit0.
Để ý rằng đối số của hàm cos có thể được viết là
w
0
t+(f
s
±Dwt),FSKcóthểđượcxemlàmộtkiểuđiềuchế
pha sao cho pha sóng mang tăng hoặc giảm tuyến tính
trongkhoảngthờigianbit.
Việclựachọn Dfphụthuộcvàobăngtầnkhảdụng.Tổng
băngtầncủaFSKxấpxỉlà2Df+2B,trongđóBlàtốcđộ
bit.
Khi Df>>B,băngtần » 2DfvàgầnnhưđộclậpvớiB.Trường
hợpnàyđượcgọilàFSKbăngrộng.
Khi Df<<B,đượcgọilàFSKbănghẹp,băngtần » 2B.
Tỷsố b
FM
= Df/BđượcgọilàchỉsốđiềuchếFMnhằmphân
biệthaitrườnghợptrêntùytheo b
FM
>>1hay b
FM
<<1.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 83
II.6.Cácphépgiảiđiềuchế
Như trên đã thảo luận, tách sóng homodyne hoặc
heterodynecóthểđượcsửdụngđểbiếnđổitínhiệu
quangnhậnđượcsangdạngtínhiệuđiện.
Vớitáchsónghom odyne,tínhiệuquangđượcgiải
điềuchếtrựctiếpsangbăngcơsở.Mặcdùvềkhái
niệm thì đơn giản nhưng tách sóng homodyne khó
thựchiệntrongthựctếdonóđòihỏibộdaođộngnội
có
tầnsốtrùngvớitầnsốsóngmangvà
phađượckhóavàotínhiệutới.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 84
Giảiđiềuchế
Sơđồgiảiđiềuchếnhưvậyđượcgọilàđồngbộvà
cầnthiếtchotáchsónghomodyne.Mặcdùcácmạch
vòng khóaphaquangđãđượcpháttriểnchomục
đíchnàynhưngsửdụngtrongthựctếkháphứctạp.
Tách sóng heterodyne đơn giản hóa thiết kế máy
thu, do không đòi hỏi khóa pha quang cũng như
trùnghợptầnsốcủabộdaođộngnội.Tuynhiên,tín
hiệuđiệndaođộngnhanhởcáctầnsốvibavàphải
đượcgiảiđiềuchếtừbăngIFxuốngbăngcơsởsử
dụngcáckỹthuậttươngtựnhưkỹthuậtđượcphát
triểnchocáchệthốngthôngtinviba.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 85
SynchronousandAsynchronous
Demodulations
Giảiđiềuchếcóthểđượcthựchiệnđồngbộhoặc
khôngđồngbộ.
Giảiđiềuchếkhôngđồngbộcũngđượcgọilàkhông
kếthợptrongtàiliệuthôngtinvôtuyến.
Trong tài liệu thông tin quang, thuật ngữ tách sóng
coherent(kếthợp)đượcsửdụngtheonghĩarộnghơn.
Một hệ thống được gọi là coherent miễn là nó sử
dụngmộtbộdaođộngnộibấtchấpkỹthuậtgiảiđiều
chếđượcsửdụngđểbiếnđổitínhiệuIFsangcáctần
sốbăngcơsở.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 86
II.6.1.GiảiđiềuchếđồngbộHeterodyne
Sơđồmáythuheterodyneđồngbộ
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 87
Synchronousdemodulation
Dòng tạo ra tại photodiode được đưa qua một bộ lọc
thôngdải(BPF)cótầnsốtrungtâmnằmtạitrungtần w
IF
.
Dòngsaulọcvắngbóngnhiễucóthểđượcviếtlà
Trongđó và
f
=
f
LO
f
s
làđộlệchphagiữa
bộdaođộngnộivàtínhiệu.Nhiễucũngđượclọcrabởi
BPF.Sửdụngcácthànhphầnđồngphavàvuôngpha
củanhiễuGaussđãlọc,nhiễumáythuđượcbaohàm
thôngqua
)cos()(
f w
- = tItI
IFpf
LOsp
PPRI 2 =
)sin()sin()cos()cos()( tiItiItI
IFspIFcpf
w f w f
+ + + =
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 88
SynchronousDemodulation
I
c
vài
s
làcácbiếnngẫunhiênGausscótrungbìnhbằng
0vàphươngsai s
2
đượcchobởi(p.67).
Vớigiảiđiềuchếđồngbộ,I
f
(t)đượcnhânvớicos(w
If
t)
vàđượclọcbởimộtbộlọcthôngthấp.Tínhiệubăngcơ
sở(bănggốc)là
ởđâydấungoặcvuôngkýhiệulọcthôngthấpđượcsử
dụngđểloạitrừcácthànhphầnacdaođộngtại2w
IF
.BT
trênchothấychỉthànhphầnnhiễuđồngphaảnhhưởng
tớihoạtđộngcủabộ thuheterodyneđồngbộ.
)cos(
2
1
)cos(
cpIFfd
iItII + = =
f w
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 89
SynchronousDemodulation
Giảiđiềuchếđồngbộđòihỏikhôiphụcsóngmang
viba tại trung tần w
IF
. Một số mạch điện tử có thể
đượcsửdụngchomụcđíchnày,tấtcảyêucầumột
loạivòngkhóaphađiện.
Hai loại vòng khóa pha thường được sử dụng là
vòngsquaringloopvàCostasloop.Vòngsquaring
loopsửdụngmộtlinhkiệntheoluậtbìnhphươngđể
đạtđược1tínhiệucódạngcos
2
(w
If
t)cóthànhphần
tầnsố2w
IF
.Thànhphầnnàycóthểđượcsửdụngđể
tạotínhiệuvibatại w
IF
.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 90
II.6.2.Giảiđiềuchếkhông đồngbộ
heterodyne
Sơđồmáythuheterodynekhôngđồngbộ.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 91
Giảiđiềuchế khôngđồngbộheterodyne
Không đòi hỏi phải khôi phục sóng mangviba tại trung
tần,dẫnđếnthiếtkếmáythuđơngiảnhơn.
TínhiệusaulọcI
f
(t)đượcbiếnđổisangbănggốcnhờsử
dụngbộtáchsóngđườngbao,sauđóđượclọcbởimột
bộ lọcthôngthấp. Tín hiệu nhận được bởi mạchquyết
địnhlàI
d
=|I
f
|,trongđóI
f
đượcchobởi(*p.87).
Sựkhácbiệtchínhlàcảthànhphầnđồngphavàvuông
phacủa nhiễumáythu đềuảnhhưởngđếntín hiệu.Vì
vậy,SNRxấuhơnsovớigiảiđiềuchếđồngbộ.
[ ]
2/1
22
)sin()cos(
spcpfd
iIiIII + + + = =
f f
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 92
Giảiđiềuchế khôngđồngbộheterodyne
Phầnsautasẽthấy,sựgiảmđộnhậydogiảmSNR
làkhánhỏ(khoảng0.5dB).
Doyêucầuđộổnđịnhphalàkhônglớntrongtrường
hợp giải điều chế không đồng bộ nên sơ đồ này
thường được sử dụng cho các hệ thống sóng ánh
sángcoherent.
Máythu heterodyne không đồng bộ trong hình trên
đòihỏisửađổikhicácdạng thứcđiềuchếFSKvà
PSKđượcsửdụng(xemsơđồtrangbên)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 93
DualfilterFSKvàDPSKasynchronous
heterodynereceivers.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 94
DualandsinglefilterFSKreceivers
MáythudualfilterFSKsửdụnghainhánhriêngbiệtđể
xử lý các bit “1” và bit “0” mà tần số sóng mang của
chúng(haytrungtần)khácnhau.
Đượcsửdụngbấtcứkhinào b
FM
>>1,đểchophổcủabit1
vàbit0có độchồngchéonhỏ.Haibộlọc BPF cótầnsố
trungtâmnằmcáchnhauchínhxácbằngkhoảngcáchtone
đểchoBPFchoquachỉhoặcbit1hoặcbit0.
Máythudùng1bộlọccóthểđượcsửdụngchogiảiđiều
chếFSKnếubăngtầncủanóđượcchọnđủrộngđểcho
quatoànbộluồngbit.Khiđó,tínhiệuđượcxửlýbởimột
bộphânbiệttầnsốđểnhậndạngcácbit1vàbit0.Sơđồ
nàychỉlàmviệctốtchoFSKđộlệchhẹp( b
FM
<<1).
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 95
DPSK
Giảiđiềuchếkhôngđồngbộ khôngth ểdùngchotrường
hợpPSKdophacủalaserphátvàbộdaođộngnộikhông
đượckhóavàcóthểtrôitheothờigian.
Tuy nhiên, sử dụng điều chế DPSKchophép giải điều
chếkhôngđồngbộbằngviệcsửdụngsơđồcótrễnhư
trênhình(b).Ý tưởnglà nhân luồng bitnhận đượcvới
mộtbảnsaocủanósaukhiđãbịlàmtrễbởichukỳ1bit.
Tínhiệuracó1thànhphầncódạngcos(
f
k
f
k1
)có thể
đượcsửdụngđểkhôiphụcmẫubitdothôngtinđượcmã
hóatrongđộlệchpha
f
k
f
k1
.(ởđây f
k
làphacủabitthứ
k).Mộtsơđồnhưvậyđòihỏiđộổnđịnhphachỉtrongvài
bitvàcóthểđượcthựchiệnbằngcáclaserbándẫnDFB.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 96
II.7.BERtrongbộthuquang
coherent
BER (độ nhạy máy thu) phụ thuộc vào dạng thức
điềuchếcũngnhưsơđồgiảiđiềuchếsửdụngbởi
máythucoherent.Dođó,tasẽxemxetBERvàđộ
nhạythuchotừngtrườnghợpriêngbiệt.
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 97
II.7.1.BERcủabộthuASKđồngbộ
Xét trường hợp tách sóng heterodyne. Tín hiệu
được sử dụng bởi mạch quyết định được cho bởi
(*p.88).Pha f nhìnchungbiếnđổingẫunhiêndosự
biếnđộngphaliênquantớilasermáyphátvàbộdao
độngnội.
Ảnhhưởngcủanhữngbiếnđộngvềphacóthểgiảm
nhỏ đáng kể khi sử dụng các laser bán dẫn có độ
rộngphổchỉbằngmộtphầnnhỏcủatốcđộbit.Với
giảthiếtnày,đặt f=0thìtínhiệuquyếtđịnhđượccho
bởi
( )
cpd
iI I + =
2
1
(*)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 98
BERtrongbộthuASKđồngbộ
Trong đó, I
p
=I
sho
(t)
º
2R(P
s
P
LO
)
1/2
nhận các giá trị I
1
hoặcI
0
tùytheobit1hay0đangđượctáchsóng.
Xét trường hợp I
0
=0 trong đó không có công suất
đượctruyềntrongkhoảngthờigiancácbit0.Ngoại
trừ trường hợp hệ số ½ trong (*p.97) còn lại tình
huốnggiốnghệtnhưtrườnghợptáchsóngtrựctiếp
đãthảoluận.
Hệsố½khôngảnhhưởngtớiBERdocảtínhiệuvà
nhiễu đều giảm đi cùng hệ số, dẫn tới SNR không
đổi.Trongthực tế,tacó thểsửdụngcùng kếtquả
nhưtrườnghợptáchsóngtrựctiếp(*p.28)
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 99
BER…ASK…đồngbộ
TrongđóQđượcchobởi(**p.28)hay
ởđâytađãsửdụngI
0
=0vàgán s
0
»s
1.
.Sựxấpxỉnày
đúng cho hầu hết bộ thu coherent có nhiễu trội là
nhiễulượngtửsinhradocôngsuấtquangdaođộng
nộivàduytrì không đổibấtchấpcôngsuấttínhiệu
thuđượccómứcnhưthếnào.
÷
ø
ö
ç
è
æ
=
2
2
1 Q
erfcBER
SNR
I
II
Q
2
1
2
1
1
01
01
= »
+
-
=
s s s
(*)
(**)
Backtop.111
2/26/2007 OpticCommunicationSystems 100
BERcủabộthuASKheterodynevàASK
homodyne–đồngbộ
NếubiểudiễnBERtheosốphotontrong1bit(N
p
)thìBER
củabộthuASKheterodyneđượcviếtnhưsau
ởđâytađãsửdụngkếtquả(*p.72)
CònBERcủabộthuASKhomodynecóSNR đượccải
thiện3dB(**p.72)sovớiheterodyneđượcchonhưsau
(*)+(**)đượcsửdụngđểtính độnhạythucóBERđãcho
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
42
1
p
N
erfcBER
h
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
=
22
1
p
N
erfcBER
h
(*)
(**)
Backtop121