Phân tích hệ thống RoF ghép kênh sóng mang phụ sử dụng máy thu coherence

Mục lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC..........................................................................................................................1
...........................................................................................................................................1
CÁC TỪ VIẾT TẮT..........................................................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................4
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................87

1


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
A
ASE
B
BB
BS
C
CATV
CS
D
DFB
E
EDFA

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Amplified Spontaneous Emission

Nhiễu phát xạ tự phát

Baseband
Base station
Community Access Television
Central Station
Distributed feedback laser
Erbium Doped Fiber Amplifier

Băng thông cơ sở
Trạm gốc
Mạng truyền hình công cộng
Trạm trung tâm
Laser hồi tiếp phân bố
Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp
Erdium

G
GR

Gain in receiver sensitivity

Độ tăng độ nhạy máy thu

I
IF
IM – DD

Intermediate frequency
Intensity Modulation – Direct
Detection

Tần số trung tần
Điều chế cường độ - Tách sóng trực
tiếp

L
LAN
LD

Local Area Network
Laser Diode

Mạng cục bộ
Laser Diode

MAN
MMF

Metropolitan Area Network
Multimode Fiber

Mạng đô thị
Sợi đa mode

Noise Figure

Hệ số nhiễu

M

N
NF
O
ODSB
OSSB

Optical Double-Side Band
Optical Single-Side Band

Điều chế quang hai biên
Điều chế quang đơn biên


P
PD

Photodiode

Photodiode

R
RAU
RF
RIN

Remote Antenna Unit
Radio Frequency

Relative Intensity Noise

Thiết bị anten ở xa
Tần số cao tần
Nhiễu cường độ tương đối
Kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến trên

RoF

Radio over Fiber

SCM
SMF
SRS

Subcarrier Multiplexing
Single Mode Fiber
Stimulated Raman Scattering

Kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ
Sợi đơn mode
Nhiễu tán xạ Raman kích thích

UMTS

Universal Mobile
Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Wide Area Network
Wavelength-division
multiplexing

Mạng diện rộng
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
bước sóng

sợi quang

S

U

W
WAN
WDM
X
XPM

Cross-phase Modulation

Nhiễu điều chế xuyên pha


LỜI NÓI ĐẦU


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SÓNG VÔ TRUYẾN

TRÊN SỢI QUANG
1.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang là sự kết hợp của kỹ thuật truyền
sóng vô tuyến và kỹ thuật truyền tín hiệu quang. Nó mang đầy đủ các ưu điểm về tính
di động trong mạng vô tuyến cùng băng thông rộng và suy hao thấp của sợi quang.
Chương này sẽ giới thiệu và đưa ra cái nhìn tổng quát về kỹ thuật truyền sóng vô
tuyến trên sợi quang thông qua các nội dung cơ bản sau đây :
-

Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang.

-

Các thành phần cơ bản của tuyến RoF.

-

Những ưu điểm của kỹ thuật RoF.

-

Những hạn chế của kỹ thuật RoF.

-

Ứng dụng của kỹ thuật RoF.

1.2 Xu thế tích hợp mạng vô tuyến và mạng quang
Mạng không dây đã được chú ý phát triển trong những năm vừa qua bởi chính
tính linh động của nó. Con người có thể truy cập vào mạng bằng cách kết nối những

thiết bị như điện thoại di động, máy tính xách tay thông qua tín hiệu vô tuyến tại bất kỳ
đâu mà không cần dây dẫn truyền thống. Sự tăng trưởng số lượng thuê bao di động
nhiều hơn thuê bao cố định. Vào năm 2011, số lượng thuê bao di động toàn cầu là 6 tỷ.
Sự tăng trưởng số lượng thuê bao nhanh chóng, cùng với sự phát triển của xã hội, con
người sẽ càng yêu cầu nhiều dịch vụ đa dạng hơn với lưu lượng cao hơn. Hệ quả là để
đáp ứng cho những nhu cầu băng thông rộng, hệ thống mạng không dây phải nâng cao
dung lượng và tốc độ truyền dẫn.


Với việc tăng tần số hoạt động cho hệ thống mạng không dây, có khả năng cung
ứng một băng thông rộng hơn để phục vụ cho truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn. Tuy
nhiên với việc suy hao trong không gian tự do và cáp kim loại tăng lên đang kể theo sự
tăng tần số, ngay cả cơ thể con người cũng có thể là một vật cản làm suy giảm đáng kể
công suất tại máy thu trong dãi sóng mm. Do đó, việc truyền một tín hiệu điện ở dải
sóng mm trên một cự ly dài với cáp kim loại truyền thống là không ổn định.
Một vài nghiên cứu đã được thực hiện dựa trên những đặc tính ưu việt của sợi
quang so với cáp kim loại. Việc truyền sóng mm trên sợi quang, kết hợp những ưu
điểm của sợi quang và dải sóng mm, đã hình thành nên một hệ thống thông tin băng
thông rộng đủ sức đáp ứng cho những nhu cầu trong hiện tại và cả tương lai, góp phần
hình thành công nghệ truyền sóng vô tuyến trên sợi quang (RoF). Trong đó, để kết nối
CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm không thể thay thế được
đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể truyền được tốc độ hàng trăm
Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km. Các kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vô tuyến
từ CS tới BS trên sợi quang và ngược lại được gọi là kỹ thuật RoF. Còn mạng truy
nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô tuyến RoF mà ta
sẽ gọi tắt là mạng RoF.
1.3 Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang
Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, thường được viết tắt là RoF, là kỹ
thuật truyền tải tín hiệu vô tuyến sử dụng đường truyền là sợi quang nhằm phân phối
tín hiệu vô tuyến từ trạm trung tâm (CS) tới các trạm gốc (BS) và ngược lại. Trong đó,

ánh sáng được điều chế bởi bởi tín hiệu vô tuyến và truyền xuyên suốt qua đường
truyền là sợi quang.
Mặc dù việc truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang đã được ứng dụng trong nhiều
mục đích , như mạng truyền hình cáp và trạm gốc truyền hình vệ tinh, nhưng tên gọi
RoF thường được sử dụng cho các ứng dụng truy cập không dây.


Hình 1.1 là mô hình tiêu biểu của một hệ thống RoF. Tín hiệu vô tuyến được
truyền qua sợi quang từ trạm trung tâm đến hệ thống trạm gốc trước khi phát xạ ra môi
trường không khí. Mỗi trạm gốc có thể liên lạc với nhiều thiết bị di động nằm trong
vùng phủ sóng của nó. Tất cả các thiết bị xử lý tín hiệu được đặt tại trạm trung tâm,
một trạm gốc được kết nối bằng sợi quang có thể phục vụ tất cả các giao thức.

Hình 1.1 Mô hình của một hệ thống RoF tiêu biểu
Các hệ thống RoF có thể được chia thành hai loại chính tùy thuộc vào dãi tần số
của tín hiệu vô tuyến được truyền đi :
-

RF over Fiber : một tín hiệu vô tuyến cao tần (thường lớn hơn 10Ghz) được sử

dụng để điều chế ánh sáng trước khi truyền qua sợi quang. Do đó, tín hiệu không dây
được truyền trực tiếp đến trạm gốc tại tần số cao, và chuyển đổi từ miền quang thành
điện trước khi khuếch đại và phát xạ ra môi trường không khí bằng anten. Trạm gốc
không cần bộ chuyển đổi nâng/hạ tần số, khiến cấu trúc của nó đơn giản và hạ giá
thành.

Hình 1.2 Hệ thống RF over Fiber


Hình 1.2 là mô hình của hệ thống RF over Fiber. Tín hiệu phát ra từ trạm gốc đã

là tín hiệu RF, tại bên trạm gốc chỉ làm nhiệm vụ chuyển đổi quang điện, khuếnh đại
và bức xạ ra môi trường không khí bằng anten.
-

IF over Fiber : một tín hiệu vô tuyến trung tần với tần số thấp hơn (dưới 10 Ghz)

được sử dụng để điều chế ánh sáng trước khi truyền đi qua sợi quang. Do đó, trước khi
được phát xạ ra không khí, tín hiệu phải được nâng tần tại trạm gốc.

Hình 1.3 Hệ thống IF over Fiber
Hình 1.3 là mô hình của hệ thống IF over Fiber. Tín hiệu xuất phát từ trạm gốc là
tín hiệu IF. Bên thu, ngoài các chức năng chuyển đổi quang/điện, khuếnh đại, còn có
chức năng nâng tần , sau đó mới phát xạ ra môi trường không khí bằng anten.
Có thể thấy rằng cấu trúc trạm gốc của hệ thống IF over Fiber phức tạp hơn so với
RF over Fiber. Tuy nhiên khoảng cách truyền giữa trạm gốc và trạm trung tâm trong hệ
thống IF over Fiber lớn hơn vì tần số truyền trong sợi quang là thấp hơn , dẫn đến suy
hao cũng thấp hơn so với hệ thống RF over Fiber. Ngoài ra, còn có một loại nữa là BB
over Fiber, khi truyền tín hiệu dải nền trên sợi quang thì sự suy hao trong sợi cáp quang
có thể bỏ qua. Tuy nhiên, hệ thống này làm tăng tính phức tạp tại trạm gốc do phải có
các chức năng xử lý tín hiệu dải nền và nhân tần; đồng thời không thể sử dụng các kỹ
thuật ghép kênh tại trạm trung tâm, nên hệ thống này thường không được ứng dụng
trong thực tế.
1.4 Các thành phần cơ bản của tuyến RoF


Một tuyến RoF ứng dụng trong thực tế có thể được chia làm các thành phần cơ
bản là trạm trung tâm, sợi quang, trạm gốc và thiết bị di động. Trong đó :
-

Trạm trung tâm : có chức năng xử lý tín hiệu, điều chế, giải điều chế, mã hóa...

Tùy vào khả năng của kỹ thuật RoF mà mỗi trạm trung tâm có thể phục vụ các trạm
gốc ở xa hàng chục km. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định
tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẻ ở trạm trung tâm vì thế có thể
nói nó là thành phần quan trọng nhất và phức tạp nhất trong mạng RoF.
-

Trạm gốc : có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ trạm trung tâm đến

các thuê bao di động, và ngược lại. Trạm gốc không có chức năng xử lý tín hiệu, nó chỉ
đơn thuần biến đổi từ thành phần chuyển đổi điện/quang và ngược lại để chuyển về
hoặc nhận từ trạm trung tâm. Nó gồm 2 thành phần quan trọng nhất là anten và thành
phần chuyển đổi quang điện. Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải càng đơn giản
càng tốt.
-

Thiết bị di động: là các thiết bị đầu cuối, có thể là điện thoại đi động, máy tính

xách tay, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng
không dây.
-

Sợi quang: Là môi trường truyền tải thông tin giữa trạm gốc với trạm trung tâm

dưới dạng ánh sáng truyền trong sợi đơn mode hoặc đa mode.
1.5 Những ưu điểm của kỹ thuật RoF
-

Suy hao thấp
Việc truyền một tín hiệu vô tuyến điện trong cả môi trường không dây hoặc cáp

kim loại đều bị suy hao lớn và tốn kém. Nếu truyền trên sợi quang thì suy hao giảm
đáng kể. Với công nghệ ngày nay, những sợi quang đơn mode với độ suy hao khoảng
0.2 dB/km tại bước sóng 1550nm và 0.5 dB/km tại bước sóng 1300nm đã được thương
mại hóa. Do đó, với việc truyền tín hiệu vô tuyến trên sợi quang sẽ cung cấp khả năng


nâng cao cự ly truyền dẫn, và giảm công suất phát một cách đáng kể với chi phí thấp
hơn nhiều.
-

Băng thông rộng
Sợi quang có khả năng cung ứng băng thông và dung lượng truyền dẫn rất lớn .

Có ba cửa sổ truyền dẫn chính, suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850 nm, 1310
nm, 1500 nm. Với một sợi quang đơn mode, băng thông tổng của 3 cửa sổ này vượt
quá 50 THz. Tuy nhiên các hệ thống thương mại hiện nay mới chỉ tận dụng được một
phần nhỏ dung lượng này (1,6 THz).
-

Không ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ
Đây là đặc điểm ưu việt của thông tin quang. Các tín hiệu truyền đi dưới dạng ánh

sáng trong sợi quang, không bị tác động mạnh mẽ bởi vô số nguồn nhiễu điện từ trong
không gian, làm tăng chất lượng tín hiệu tại máy thu. Ngoài ra còn cung cấp khả năng
chống nghe trộm, tăng tính bảo mật cho hệ thống.
-

Dễ vận hành và bảo dưỡng
Trong hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt tiền được đặt tại trạm điều khiển

trung tâm , khiến cho các trạm gốc trở nên đơn giản hơn. Điều này giúp tiết kiệm được
chi phí lắp đặt, bởi vì hệ thống cần nhiều trạm gốc, càng đơn giản sẽ dễ dàng trong
công việc bảo trì và quản lí thiết bị.
-

Giảm công suất tiêu thụ
Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng trạm gốc đơn giản và thiết bị

rút gọn. Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tập trung tại trạm trung tâm, làm
giảm số lượng thiết bị tại trạm gốc, dẫn đến giảm công suất tiêu thụ ở mỗi trạm. Năng
lượng tiêu thụ tại trạm trung tâm được chia sẻ cho nhiều trạm gốc. Ngoài ra, trong một
số ứng dụng các trạm gốc hoạt động ở chế độ thụ động. Việc giảm năng lượng tiêu thụ
tại trạm gốc rất quan trọng khi tính đến việc các RAU được đặt ở nơi xa, những nơi
chưa có mạng lưới điện.


-

Đa dịch vụ
Trong hệ thống RoF, các kỹ thuật ghép kênh như SCM và WDM có thể được sử

dụng để truyền nhiều tín hiệu vô tuyến trên cùng một sợi cáp quang. Điều này sẽ tiếp
tục được nâng cao về khả năng chia sẻ hạ tầng mạng và tăng đáng kể lợi ích về kinh
tế.

-

Đáp ứng nhu cầu của tương lai
Sợi cáp quang có thể đảm bảo khả năng truyền tín hiệu với tốc độ hàng gigabit,

điều đó giúp nó có khả năng giải quyết vấn đề về tốc độ truyền dẫn cho các thế hệ
mạng sau này trong nhiều năm về sau. Trong đó, kỹ thuật RoF với tính đa dạng về giao
thức và tốc độ truyền dẫn có thể được ứng dụng cho bất kỳ kỹ thuật nào dù ở hiện tại
cũng như tương lai.
-

Phân bổ tài nguyên động
Vì các chức năng chuyển mạch, điều chế, mã hóa và một số chức năng khác trong

miền điện được đặt tập trung tại trạm trung tâm, nên điều này mở ra khả năng phẩn bổ
dung lượng một cách linh hoạt. Nhiều dung lượng hơn sẽ được cấp cho một khu vực
nào đó tại giờ cao điểm, sau khi qua thời gian đó, hệ thống sẽ tiến hành việc tái phân
bổ dung lượng đến các vùng khác nhau một cách phù hợp. Điều này có thể đạt được
bằng cách cấp phát thêm các bước sóng quang nhờ kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM) khi nhu cầu tăng lên. Cấp phát dung lượng động là cần thiết, vì nó
giúp ta tránh được sự lãng phí tài nguyên do lưu lượng trên mạng biến đổi thường
xuyên.
1.6 Những hạn chế của kỹ thuật RoF
Vì RoF sử dụng điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây là một
hệ thống truyền dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là


hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF. Những ảnh
hưởng có xu hướng giới hạn này là hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của các tuyến
RoF.
Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ
tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu bắn của bộ tách sóng quang, nhiễu
nhiệt của bộ khuếch đại, tán sắc của sợi. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode,
tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng

mang RF. Đối với hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode giới hạn nghiêm
trọng băng tần và khoảng cách tuyến truyền dẫn. Các công trình nghiêm cứu khoa học
hiện nay đang cố gắng khắc phục các hạn chế này nhằm nâng cao chất lượng của hệ
thống.
1.7 Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát
1.7.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp
Trong kỹ thuật điều chế trực tiếp, tín hiệu dòng điểu khiển được đưa vào laser
điều chế quang trực tiếp (Direct Modulation - DM) có giá trị biến thiên theo dữ liệu
được phát đi.
Ưu điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp là sự đơn giản và rẻ tiền, được ứng dụng
nhiều trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Khi dùng sợi tán sắc thấp, hệ thống
sẽ trở nên tuyến tính. Tuy nhiên hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp là khả năng đáp
ứng tần số của laser là có giới hạn, laser điều chế trực tiếp chỉ có khả năng hoạt động ở
tần số tầm 10GHz. Có một số laser có thể hoạt động ở tần số 40 GHz nhưng giá thành
rất cao và không phổ biến trên thị trường.


Hình 1.4 Kỹ thuật điều chế trực tiếp
1.7.2 Kỹ thuật điều chế ngoài
Trong kỹ thuật này, sóng laser được cấp một tín hiệu liên tục (Continous Wave CW) để phát ra ánh sáng có năng lượng không đổi theo thời gian.Thành phần thứ hai,
được gọi là bộ điều biến được sử dụng như một công tắc để cho ánh sáng đi qua tương
ứng với tín hiệu điều chế mang thông tin được đưa vào bộ điều biến. Như vậy, laser
không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế tín hiệu mà thông qua một bộ điều chế
quang học bên ngoài với tốc độ bit cao, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa hai trạng
thái (mở và đóng ) đủ nhanh để hoạt động tốt ở tốc độ bit mong muốn.

Hình 1.5 Kỹ thuật điều chế ngoài
Trong kỹ thuật điều chế ngoài, có hai bộ điều chế ngoài thường được sử dụng
trong các hệ thống thông tin quang. Loại thứ nhất dựa trên sự thay đổi sự hấp thụ của
các vật liệu bán dẫn dưới sự điều khiển bởi một điện trường ngoài. Loại thứ hai dựa

trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ của một số tinh thể dưới tác động điều khiển của một
điện trường bên ngoài.
− Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron :


Một laser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục chạy qua các ống dẫn được chế
tạo bằng các vật liệu bán dẫn. Khi không có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng
gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser do tần số cắt λ c ngắn hơn so
với bước sóng tia tới, lúc đó năng lượng tia tới E sẽ nhỏ hơn hiệu ứng bandgap E g .
Khi một hiệu điện thế điều khiển được đặt vào, hiệu ứng bandgap của vật liệu giảm đi,
sóng ánh sáng sẽ bị hấp thụ khi E > E g . Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn sóng,
đặc tính điều chế tín hiệu cũng như bản thân tín hiệu cũng sẽ thay đổi theo.
− Bộ điều chế ngoài Mach – Zenhder
Bộ điều chế ngoài Mach – Zehnder là dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ dưới tác
dụng của điện trường ngoài thông qua hiệu ứng quang điện. Người ta cấy vào ống dẫn
sóng một tinh thể quang điện tử, thường là pin lithium – niobate ( LiNbO3 ), chiết suất
của lớp lithium – niobate này thay đổi khi đặt vào nhánh của nó một hiệu điện thế. Giả
sử nguồn sáng đến được chia làm hai nhánh đi qua ống dẫn sóng. Khi không có hiệu
điện thế đặt vào, cả hai nửa tia tới sẽ không bị dịch pha, tại ngỏ ra chúng sẽ giao thoa
với nhau và tái tạo lại dạng sóng ban đầu. Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì hai tia
tới sẽ bị dịch pha, công suất tại đầu ra bộ điều chế phụ thuộc vào sự sai khác pha của
(1.1)

hai tia. Ta có độ lệch pha :
∆φ = φ ( t ) − φ 0

Công suất sóng ra được tính như sau :
Pout = Pin cos 2

∆φ

2

Trường hợp phổ biến nhất, tia tới thứ nhất sẽ bị dịch pha 90 o bởi chiết suất của ống
dẫn sóng bị thay đổi, trong khi nhánh thứ hai sẽ bị dịch pha – 90 o. Kết quả là tổng hợp
ngõ ra ống dẫn sóng cả hai đều bị triệt tiêu.


Hình 1.6. Bộ điều chế ngoài Mach Zenhder
1.8 Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu
− Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Hình 1.7 : Kỹ thuật tách sóng trực tiếp
Thông tin được giải mã bởi biên độ của tín hiệu quang
− Kỹ thuật tách sóng coherence


Hình 1.8 : Kỹ thuật tách sóng Coherence
Tín hiệu tại đầu thu được trộn với bộ dao động nội do máy thu tạo ra trước khi
sóng tổng hợp được đưa đến photodiode.
1.9 Ứng dụng của kỹ thuật RoF
Các hệ thống sử dụng công nghệ RoF có thể được dùng trong các tòa nhà để phân
phối các tín hiệu vô tuyến của cả hệ thống thông tin số liệu lẫn di động. Trong trường
hợp này hệ thống RoF trở thành hệ thống anten phân tán .Với các ứng dụng tần số cao
như mạng cá nhân WPAN, kích cỡ tế bào nhỏ bởi vì sự tổn hao khi đi qua tường cao
thì RoF thực sự rất hữu ích. Cơ sở hạ tầng sợi quang trong các tòa nhà có thể sử dụng
trong các ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến như minh họa trong hình 1.4. Sử dụng sợi
đa mode MMF hoặc sợi chất dẻo POF thay vì sợi đơn mode SMF cung cấp cho các
RAU có thể giảm hơn nữa giá thành lắp đặt và bảo dưỡng, đặc biệt với các ứng dụng
trong nhà.

Hình 1.9 Ứng dụng của RoF
Hệ thống RoF cũng sẽ có nhiều ứng dụng khác trong hiện tại và tương lai. Ví dụ
các máy di động của UMTS đòi hỏi phải điều khiển công suất máy phát sao cho các
mức công suất thu được tại BS là ngang bằng nhau nên các hệ thống phân phối RoF có
thể dùng phân phối tín hiệu UMTS cả trong nhà lẫn ngoài trời. Một ứng dụng khác là
trong các hệ thống truy nhập vô tuyến cố định như WiMAX, công nghệ RoF được sử
dụng để truyền tín hiệu quang qua khoảng cách xa, đưa những RAU đã đơn giản hóa
đáng kể tới gần người dùng hơn. Từ đó các đường truyền vô tuyến có thể giúp đạt được
khả năng truy nhập băng rộng tới thuê bao với chi phí hiệu quả.
1.10 Kết luận chương
Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu xu thế kết hợp giữa mạng quang và mạng
vô tuyến đáp ứng sự phát triển vượt bậc của các ứng dụng di động. Sự ra đời của kỹ
thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang là thành quả của xu thế này và sẽ còn được
tiếp tục phát triển về sau. Một số điểm đáng lưu ý về kỹ thuật này bao gồm:


− Với các ưu điểm vượt trội như băng thông rộng, suy hao thấp, không ảnh hưởng bởi
nhiễu điện từ, đa dịch vụ, dễ vận hành bảo dưỡng, giảm công suất tiêu thụ, phân bổ tài
nguyên động, hệ thống RoF sẽ dần thay thế các hệ thống sử dụng cáp kim loại trước
đây.
− Với việc truyền tín hiệu qua sợi quang, tính bảo mật được nâng cao đáng kể, khi
không chịu sự quấy nhiễu của các thiết bị phổ thông sử dụng sóng điện từ, nhất là trong
thời đại mà vấn đề bảo mật thông tin đang được chú trọng như hiện nay.
− Toàn bộ các chức năng phức tạp đều được đưa về phía trạm trung tâm, khiến cho
các trạm gốc có cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn, linh hoạt, làm giảm giá thành đầu tư. Các
ứng dụng cho nó cũng được mở rộng đáng kể và ngày càng đa dạng, làm khả năng phát
triển của hệ thống này rất rộng mở trong tương lai.
− Với việc thừa hưởng những thành tựu trong kỹ thuật vô tuyến điện và thông tin
quang như kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ SCM, kỹ thuật ghép kênh theo bước

sóng WDM, cùng những ưu điểm vượt trội của hệ thống thông tin quang Coherence,
các hệ thống RoF có thể sử dụng chúng nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống, đủ sức
đáp ứng các nhu cầu trong hiện tại và tương lai, với tính khả thi rất cao.


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH SÓNG MANG PHỤ
2.1 Giới thiệu chương
Chương này nhằm mục đích giới thiệu về một trong những phương phép ghép
kênh được sử dụng trong thông tin vô tuyến là ghép kênh sóng mang phụ. Nội dung
chương này bao gồm :
-

Giới thiệu về phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

-

Hệ thống SCM tín hiệu tương tự

-

Hệ thống SCM tín hiệu số

-

Hệ thống SCM đa sóng mang

2.2 Giới thiệu phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

Trong một số ứng dụng mạng LAN và MAN, tốc độ bit của mỗi kênh có thể
tương đối thấp nhưng số lượng kênh thì có thể khá nhiều. Mạng CATV là một ví dụ
với tín hiệu trong miền điện. Nền tảng của kỹ thuật ghép kênh sóng mạng phụ, viết tắt
là SCM, xuất phát từ kỹ thuật sóng ngắn (microwave), sử dụng nhiều sóng mang để
truyền nhiều kênh trên cáp đồng trục hoặc trong không gian tự do. Băng thông khi
truyền nhiều tín hiệu như vậy bằng cáp đồng trục bị giới hạn dưới 1GHz. Tuy nhiên,
nếu thay đổi môi trường truyền từ cáp đồng trục bằng cáp quang, thì băng thông có thể
tăng đến 10GHz cho một sóng mang quang. Vì kỹ thuật ghép kênh này sử dụng cho
các sóng mang phụ trong miền điện, chứ không phải cho sóng mang quang nên mô
hình này thường được gọi là ghép kênh sóng mang phụ. May thay, kỹ thuật này đã
được thương mại hóa cùng với mạng CATV từ những năm 1992 , khiến việc ứng dụng
nó rất thuận lợi. Nếu kết hợp SCM và WDM thì băng thông đạt được có thể vượt quá
1THz.


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

Hình 2.1 Máy phát của hệ thống SCM với một sóng mang quang.
Hình 2.1 là mô hình phía máy phát của một hệ thống SCM trong mạng quang với
chỉ một sóng mang. Mỗi luồng tín hiệu đến được trộn với một tần số giao động nội,
được gọi là sóng mang phụ, sau đó chúng được kết hợp lại và sử dụng cho việc điều
chế sóng mang quang.

Hình 2.2 Máy thu của hệ thống SCM với một sóng mang quang
Hình 2.2 là mô hình phía máy thu của một hệ thống SCM trong mạng quang với
một sóng mang. Tại đây, tín hiệu thu được phải chuyển đổi từ quang sang điện. Tín


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

hiệu điện sẽ qua bộ RF splitter để tạo ra N bản sao. Tín hiệu ở kênh nào sẽ được trộn
với chính tần số sóng mang phụ của kênh đó để thực hiện chọn kênh. Từ bộ trộn, tín
hiệu ra phải qua bộ lọc và khuếch đại, chỉ những thành phần nào nằm trong băng thông
của bộ lọc và khuếch đại mới được giữ lại, các thành phần khác sẽ bị loại bỏ.
Ưu điểm chính của hệ thống SCM là tính ổn định và dễ dàng nâng cấp trong các
ứng dụng về mạng băng thông rộng. Nó có thể sử dụng các phương pháp điều chế tín
hiệu tương tự, điều chế tín hiệu số, hoặc kết hợp cả hai để truyền đồng thời giọng nói,
dữ liệu và tín hiệu video cho một số lượng lớn người dùng. Mỗi người dùng có thể
được phục vụ bởi một sóng mang phụ, hoăc một tín hiệu đa kênh sẽ được phát đến tất
cả người dùng như đối với hệ thống mạng CATV. Hơn thế nữa, bởi vì các sóng mang
là các tần số thấp, các thành phần yêu cầu đối với hệ thống dựa trên SCM hầu hết là
khả dụng. Các bộ điều chế, các bộ trộn và các bộ khuếch đại được sử dụng trong
CATV hay các hệ thống vệ tinh khác vẫn có thể được sử dụng trong các hệ thống
SCM, dẫn đến giá thành hệ thống thấp.
Nhược điểm của SCM là một kĩ thuật thông tin tương tự, nó sẽ nhạy cảm đổi với
các tác động nhiễu và méo do các hiệu ứng phi tuyến. Điều này dẫn tới các yêu cầu
tuyến tính nghiêm ngặt trong hoạt động của các thành phần, đặc biệt là đối với các ứng
dụng như video – các ứng dụng có thể đòi hỏi tỉ số sóng mang trên tạp âm
CNR > 55dB. Nhiễu cường độ tương đối RIN của laser phát là nguồn chính của nhiễu
và nên được giữ càng thấp càng tốt.
Với những đặc điểm trên, kỹ thuật SCM đã được nghiên cứu rộng rãi vì khả năng
ứng dụng đa dạng của nó. Tiếp theo sau đây, chúng ta sẽ tìm hiệu về hệ thống SCM tín
hiệu tương tự và tín hiệu số, tập trung vào cấu trúc và hiệu năng của chúng.
2.3 Hệ thống SCM tín hiệu tương tự
Hiện nay, phương pháp điều chế số thường được sử dụng nhiều trong hệ thống
thông tin quang. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng như truyền tín hiệu thoại hoặc
video ngày nay, cụ thể là hệ thống CATV sử dụng phương pháp điều chế tín hiệu


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

tương tự như điều chế theo biên độ AM hoặc tần số FM. Vì dạng sóng truyền đi là tín
hiệu tương tự nên hệ thống SCM yêu cầu một giá trị SNR cao tại phía thu cùng những
quy định về tính tuyến tính nghiêm ngặt đối với nguồn quang và kênh truyền.
Trong hệ thống quang SCM tương tự, mỗi sóng mang phụ được điều chế bởi các
phương pháp điều chế tương tự, sau đó chúng sẽ được ghép lại bởi bộ kết hợp công
suất. Tín hiệu sau khi được đóng gói này sẽ được dùng để điều chế cường độ trực tiếp
một laser bán dẫn được cấp dòng phân cực. Công suất truyền đi được biểu diễn như
sau:
(2.1)

Với

là công suất đầu ra tại mức phân cực của laser và

,

,

,

lần lượt là hệ số

điều chế, biên độ, tần số và pha tương ứng với sóng mang phụ thứ j. Các thông số này
tùy thuộc vào các phương pháp điều chế AM, FM hoặc PM.
Công suất tại đầu thu cũng có thể được viết lại như trên nếu kênh truyền là tuyến
tính hoàn toàn. Trên thực tế thì tín hiệu tương tự sẽ bị biến dạng trên đường truyền do
hiện tượng méo xuyên điều chế IMD. Bất kỳ tính phi tuyến nào tồn tại trong laser bán

dẫn ở máy phát và trong sợi quang đều tạo ra các tần số không mong muốn như

hoặc

nằm trong băng thông tuyền dẫn và làm méo tín hiệu tương tự. Một

vài cơ chế khác như tán sắc sợi quang, tần số chirp có thể gây ra IMD, và ảnh hưởng
của chúng đến hệ thống SCM được nghiên cứu rộng rãi.


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

Hiệu năng của một hệ thống thường được đánh giá bởi thông số SNR liên quan
đến tín hiệu đã được giải điều chế. Trong trường hợp như hệ thống SCM tín hiệu tương
tự, tỷ số CNR được sử dụng thay cho SNR. CNR được định nghĩa là công suất của sóng
mang trên công suất nhiễu tại máy thu, có thể được viết như sau :

Với m là hệ số điều chế, R là độ nhạy thu của photodiode,

bình thu được;

,

,

và

là công suất quang trung

lần lượt là giá trị hiệu dụng dòng nhiễu bắn, nhiễu

nhiệt, nhiễu cường độ, IMD. Giả sử nhiễu cường độ tương đối của laser (RIN) là tuyến
tính trong bằng tần thu, ta có thể viết :

(R )2 (2

)

(2.3)

Giá trị yêu cầu của CNR của hệ thống SCM tùy thuộc vào phương pháp điều chế.
Trong trường hợp điều chế AM, giá trị của CNR thông thường trên 50dB là đạt yêu
cầu. Nhận thấy rằng, để có CNR càng cao thì chỉ có cách tăng giá trị của công suất
quang tại máy thu. Điều này gây ra hai ảnh hưởng. Thứ nhất, quỹ công suất của hệ
thống AM-SCM tương tự cực kỳ hạn hạn chế, trừ khi công suất phát phải trên10mW,
đây là một giá trị không thấp trong thông tin quang. Thứ hai, nhiễu cường độ tại máy
thu sẽ tỷ lệ với bình phương của . Khi nhiễu cường độ lớn hơn nhiều so với các loại
nhiễu khác, CNR sẽ trở nên độc lập so với công suất quang thu được :


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

Ví dụ, với một laser có RIN = 150dB/Hz,

=0.1 và

= 50MHz , thì CNR sẽ có

giá trị là 50dB. Trong trường hợp giá trị RIN càng lớn, để đảm bảo CNR theo yêu cầu,
ta chỉ có thể tăng chỉ số điều chế hoặc giảm băng thông thu. Thực tế thì loại laser DFB
có giá trị RIN thấp đã được sản xuất trong những năm 1990 để phục vụ cho hệ thống

CATV. Tuy nhiên, ngay cả khi đã có một laser với RIN thấp thì nhiễu cường độ vẫn là
một vấn đề quan trọng trong hệ thống. Nguyên nhân là do nhiễu cường độ tương đối
vẫn có thể tăng lên trong suốt quá trình truyền trên sợi quang. Một trong những cơ chế
như vậy là do việc phản xạ nhiều lần giữa các bề mặt phản xạ dọc theo sợi quang, làm
chuyển đổi nhiễu tần số laser thành nhiễu cường độ. Điều này phụ thuộc vào băng
thông của laser và khoảng cách giữa các bề mặt phản xạ, nên ta có thể sử dụng các thiết
bị quang có độ phản xạ không đáng kể hoặc giảm băng thông laser. Một cơ chế nữa
làm tăng giá trị RIN là do chính sự tán sắc trong sợi quang. Do hiện tượng tán sắc vận
tốc nhóm, các thành phần tần số khác nhau sẽ truyền đi với các tốc độ khác nhau. Kết
quả là làm cho những biến động về tần số chuyển đổi sang những biến động về cường
độ, điều này phụ thuộc vào băng thông laser và tỷ lệ với bình phương của chiều dài sợi
quang. Một số kỹ thuật nhằm giảm thiểu sự tác động của hiện tượng tán sắc đối với hệ
thống SCM đã được thực hiện từ những năm 1996.
Giá trị của CNR trong hệ thống SCM có thể trở nên dễ dàng hơn khi chuyển từ
phương pháp điều chế AM sang FM. Băng thông của các sóng mang phụ điều chế FM
thường lớn hơn (30MHz thay cho 4Mhz trong điều chế AM). Tuy nhiên, CNR tại máy
thu lại thấp hơn (khoảng 16dB thay cho 50dB trong điều chế AM). Do đó, công suất
quang yêu cầu tại máy thu có thể giảm còn 10µW. Nhiễu cường độ tương đối sẽ không
là vấn đề đáng lo ngại đối với hệ thống kiểu này nếu như giá trị của nó dưới 135dB/Hz.


Chương 2: Phương pháp ghép kênh sóng mang phụ

Thực tế thì nhiễu tại máy thu trong hệ thống FM-SCM tương tự lại bắt nguồn từ nhiễu
nhiệt là chủ yếu. Tóm lại, cả hai phương pháp điều chế AM và FM đều đã được sử
dụng thành công trong hệ thống quang SCM tương tự.
2.4 Hệ thống SCM tín hiệu số
Vào những năm 1990, hệ thống SCM đã có những bước dịch chuyển từ điều chế
tương tự sang điều chế số. FSK được sử dụng để điều chế sóng mang phụ, kèm theo đó
là kỹ thuật tách sóng kết hợp (coherent) tại máy thu. Một kênh truyền hình số yêu cầu

tốc độ bit phải lớn hơn 100Mb/s cùng băng thông rộng hơn, trái ngược với các kênh
tương tự cần băng thông khoảng 6 MHz. Chính vì lý do đó, một số phương pháp điều
chế khác đã được phát triển như M-QAM, QPSK. Nếu M đại diện cho số mức rời rạc
được sử dụng, thì tín hiệu số không ở dạng nhị phân được gọi là M-ary vì mỗi bit có
thể có M biên độ khác nhau. Tín hiệu này có thể được khôi phục tại máy thu mà không
sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp, đồng thời yêu cầu CNR có giá trị thấp hơn so với
hệ thống AM-SCM tương tự. Dung lượng của một hệ thống SCM vì thế có thể tăng lên
đáng kể bằng cách kết hợp giữa điều chế tín hiệu số và tương tự.
Để tạo ra các tín hiệu QAM từ một chuỗi bit nhị phân, hai hoặc nhiều hơn các bit
liền kề được ghép lại với nhau nhằm tạo ra tín hiệu nhiều mức. Giả sử nếu hai bit liền
kề được ghép nhau thành một cặp, ta sẽ tạo ra một dòng bit với tốc độ bit đã giảm đi
một nữa so với ban đầu, gồm 4 tổ hợp sau : 00 , 01, 10, 11. Để tách biệt giữa 01 và 10,
pha của tín hiệu phải được xét đến. Việc sử dụng hai sóng mang vuôn pha nhau được
xét đến nên mới có tên gọi là điều chế biên độ cầu phương QAM. Cụ thể hơn, phương
trình biểu diễn tổ hợp thứ j như sau :
(2.5)