Tính toán thiết kế đường truyền thông tin quang RoF kết hợp kỹ thuật Coherence tại đầu thu đối với các chất liệu cáp quang khác nhau sử dụng khuếch đại quang EDFA

Mục lục

MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................................................................3
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................................................6
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROF..............................................................................................................6
1.1.Giới thiệu chương .............................................................................................................................6
1.2.Khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF ......................................................6
1.2.1.Giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn RoF .......................................................................................6
1.2.2.Các thành phần cơ bản của tuyến RoF .......................................................................................6
1.2.3.Phân loại các tuyến RoF .............................................................................................................7
1.2.4.Ưu nhược điểm của công nghệ RoF ...........................................................................................8
1.3.Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát .................................................................................................10
1.3.1.Kỹ thuật điều chế trực tiếp ......................................................................................................10
1.3.2.Điều chế ngoài (External Modulation) .....................................................................................10
1.4.Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu .................................................................................................12
1.4.1.Kỹ thuật tách sóng trực tiếp ....................................................................................................12
1.4.2.Kỹ thuật tách sóng coherent ....................................................................................................12
1.5.Kết luận chương .............................................................................................................................13
CHƯƠNG 2............................................................................................................................................14
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE........................................................................................14
2.1.Giới thiệu chương ...........................................................................................................................14
2.2.Khái niệm và cấu trúc của hệ thống thông tin quang Coherence ...................................................14
2.2.1.Khái niệm về hệ thống thông tin quang Coherent ...................................................................14
2.2.2.Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent ........................................................15
2.3.Các kỹ thuật tách sóng của hệ thống thông tin quang Coherence ..................................................16
2.3.1.Nguyên lý tách sóng .................................................................................................................16
CHƯƠNG 4............................................................................................................................................38
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐƯỜNG TRUYỀN THÔNG TIN QUANG ROF KẾT HỢP KĨ THUẬT COHERENCE TẠI
ĐẦU THU ĐỐI VỚI CÁC CHẤT LIỆU CÁP QUANG KHÁC NHAU SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA....38
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................56

Mục lục

PHỤ LỤC................................................................................................................................................57


Các từ viết tắt

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AFC

Auto Frequency Controller

Bộ tự động điều chỉnh tần số

ASE

Amplified Spontaneous Emission

Phát xạ tự phát được khuếch đại

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BS

Base Station

Trạm cơ sở

CS

Central Station

Trạm trung tâm

DCF

Dispersion Compensation Fiber

Sợi bù tán sắc

DD

Direct Detection

Tách sóng trực tiếp

DM

Direct Modulation

Điều chế trực tiếp

B

C

D

E
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

Khuếch đại quang pha tạp Er

G

Gain

Độ khuếch đại

IM

Intensity Modulation

Điều chế cường độ

G

I


Các từ viết tắt

IF

Intermadiate Frequency

Tần số trung tần

LOC

Local Oscillator Control

Bộ điều khiển dao động nội

MH

Mobile Host

Máy chủ di động

NF

Noise Figure

Hệ số nhiễu

PD

Photo Diode

Photo Diode

PSK

Phase Shift Keying

Dịch khóa pha

ROF

Radio Over Fiber

Truyền dẫn vô tuyến sợi quang

SMF

Single Mode Fiber

Sợi quang đơn mode

SNR

Signal Noise Rate

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

L

M

N

P

R

S


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROF
1.1. Giới thiệu chương
Chương 1 sẽ trình bày khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi
quanh sợi quang (Radio over Fiber) và đánh giá các ưu nhược điểm của kỹ thuật
này. Bên cạnh đó, chương này còn trình bày sơ nét về các kỹ thuật điều chế tại đầu
phát và tách sóng tại đầu thu để tăng chất lượng của hệ thống.
1.2.

Khái quát về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang RoF

1.2.1. Giới thiệu về kỹ thuật truyền dẫn RoF
RoF là công nghệ truyền tải thông tín hiệu vô tuyến sử dụng đường truyền là
sợi quang nhằm phân phối tín hiệu vô tuyến từ trạm đầu cuối trung tâm đến các
trạm gốc và ngược lại. Ở đây, RoF đề cập đến một công nghệ mà theo đó ánh sáng
được điều chế thành một tín hiệu cao tần và truyền qua một đường truyền sợi quang
để tạo điều kiện cho việc phát tín hiệu vô tuyến như 3G và WiFi.
1.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến RoF
Central Station (CS): Là thành phần quan trọng nhất của tuyến RoF do kiến
trúc mạng tập trung nên các chức năng quan trọng như định tuyến, cấp phát kênh,
các kỹ thuật điều chế, ghép kênh….đều được thực hiện và chia rẽ ở CS. Từ CS tín
hiệu quang được truyền đến các trạm phát cơ sở phát tín hiệu cao tần cho các thiết
bị MH.
Base Station (BS): Có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận từ các trạm xử lý
trung tâm. Trong kiến trúc mạng RoF các BS được thiết kế càng đơn giản càng tốt,
do đó BS chỉ có nhiệm vụ đơn thuần là thu tín hiệu cao tần từ CS biến đổi quang –
điện, khuếch đại và phát hoặc biến đổi điện – quang chuyển về CS. BS bao gồm hai
thần phần quan trọng nhất là anten và thiết bị biến đổi quang điện tần số RF. Trong
trường hợp đơn giản thì Base Station chỉ là một đơn vị anten từ xa.
Mobile Host (MH): Các thiết bị di động đòng vai trò là các thiết bị đầu cuối
thu sóng cao tần. Mobile Host có thể là điện thoại di động, máy tính sách tay, các
thiết bị có chức năng truy cập mạng không dây.


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

Sợi quang: Là môi trường truyền tải thông tin giữa các CS và BS dưới dạng
ánh sáng truyền trong sợi quang (sợi đơn mode hoặc đa mode) bằng hiện tượng
phản xạ toàn phần.
O/E

NGUỒN

CS

DI ĐỘNG
BS
E/O

MH

Am tuyến truyền dẫn RoF
Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát
DI ĐỘNG
E/O
O/E
1.2.3. Phân loại các tuyến RoF
Tuyến truyền dẫn qua sợi quang RoF thường được chia làm ba loại chính
• Truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (RFoF).
• Truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang (IFoF).
• Truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang (BBoF).
1.2.3.1. Cấu hình tuyến truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RFoF
Trong cấu hình trên ta thấy tại CS phát tín hiệu ở tần số RF đến các BS, tại
đầu thu ở BS chỉ có nhiệm vụ tách sóng quang, khuếch đại rồi phát ra anten cho các
Mobile Host do vậy cấu hình của các trạm BS là rất đơn giản. Tuy nhiên do phát ở
tần số RF nên chịu ảnh hưởng của suy hao và tán sắc lớn, vì thế khoảng cách từ CS
đến BS là tương đối ngắn, chỉ vài km.

1.2.3.2.

Hình 1.2 : Tuyến truyền sóng vô tuyến qua sợi quang RFoF

Cấu hình tuyến truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang IFoF

Trong cấu hình tuyến loại này, tín hiệu phát đi ở CS là tín hiệu miền trung
tần IF nên ít chịu ảnh hưởng bởi tán sắc và suy hao hơn so với miền RF, do vậy tín
hiệu được phát đi ở khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên ở đầu thu tại các BS yêu cầu
phải có bộ dao động nội tần số RF để điều chế tín hiệu trước khi phát ra anten, điều
này làm cho cấu hình các BS sẽ phức tạp và giá thành sẽ cao hơn.


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

1.2.3.3.

Hình 1.3. Tuyến truyền tín hiệu trung tần qua sợi quang IFoF
Cấu hình tuyến truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang BBoF

Tương tự cấu hình tuyến IFoF, tín hiệu phát đi ở CS là tín hiệu ở băng tần cơ
sở (BB) nên khả năng truyền đi ở một khoảng cách xa nhất mà không chịu ảnh
hưởng của sợi quang. Tuy nhiên cấu hình trạm BS cũng là phức tạp nhất vì phải
dùng hai bộ dao động đưa tín hiệu ở băng tần cơ sở lên trung tần rồi lên cao tần mới
phát đi.

Hình 1.4. Tuyến truyền tín hiệu băng tần cơ sở qua sợi quang BBoF
1.2.4. Ưu nhược điểm của công nghệ RoF
1.2.4.1.

Ưu điểm
• Suy hao thấp

Trong không gian tự do, suy hao do hấp thụ và bức xạ tăng khi tần số truyền

tăng, do đó khi truyền với tần số cao (băng tần mm) trong một khoảng cách truyền
lớn phải yêu cầu thiết bị tái sinh đắt tiền tại đầu thu. Tuy nhiên với việc sử dụng cáp
quang sẽ đem lại mức suy hao rất thấp đối với tín hiệu, kỹ thuật RoF có ưu điểm ở
cả hai mặt đó là cung cấp đường truyền nhiễu thấp ở băng tần milimet (mm) và sử
dụng các thiết bị thu phát đơn giản tại các Base Station (BS).
Với việc sử dụng các sợi quang đơn mode (SMF) trong truyền dẫn cho mức
suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ tần số 1550 nm và 1310 nm.
Sợi quang làm bằng chất dẻo (POFs) mới công bố gần đây có mức suy hao nằm
trong khoảng tử 10 – 40 dB/km trong dãy tần số từ 500 – 1300 nm, mức suy hao


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

này thấp hơn nhiều so với sử dụng cáp đồng trục trước đây (suy hao > 500 dB/km
với loại cáp 0,5 inch ở tần số 5 GHz).
• Băng thông rộng
Sợi quang cung cấp một băng thông khổng lồ, trong 3 cửa sổ tần số cho suy
hao thấp là 850 nm, 1310 nm và 1550 nm. Đối với sợi đơn mode (SMF), băng
thông cực đại ứng với ba cửa sổ trên có thể đạt đến 50 THz. Băng tần lớn cho phép
xử lý tín hiệu tốc độ cao, dễ dàng tích hợp các công nghệ đòi hỏi băng thông rộng
như OTDM (Optical Time Division Multiplexing) và DWDM (Dense Wavelenght
Division Multiplexing), công việc rất khó thực hiện trong hệ thống điện tử.
• Không chịu ảnh hưởng của nhiễu cao tần
Miễn dịch với nhiễu điện từ là một trong những ưu điểm rất thú vị của truyền
thông sợi quang, đặc biệt đối với truyền sóng băng tần milimet. Ưu điểm này có ý
nghĩa quan trọng trong bảo mật và an ninh quốc phòng.
• Dễ dàng lắp đặt và bảo trì
Trong hệ thống RoF, thiết bị đắt tiền và phức tạp nhất được đặt tại đầu cuối
và trạm trung tâm (CS) còn thiết bị tại các trạm gốc (BS) là tương đối đơn giản. Dễ
dàng lắp đặt, bảo trì cũng như giá thành thấp là một trong những yêu cầu quan trọng

đối với hệ thống truyền dẫn băng tần milimet.
• Công suất tiêu thụ thấp
Việc đơn giản hóa các trạm phát cơ sở (BS) đã giảm được công suât tiêu thụ.
Hầu hết các thiết bị phức tạp đều nằm ở đơn vị xử lý trung tâm (CS). Trong một số
trường hợp, các trạm phát cơ sở (BS) còn hoạt động ở chế độ thụ động, sử dụng
năng lượng rất thấp và không được nuôi bằng lưới điện.
1.2.4.2.

Nhược điểm của hệ thống RoF

RoF liên quan đến việc điều chế tín hiệu analog, tách sóng quang, đây là một
hệ thống tương tự điển hình nên chịu ảnh hưởng của méo và nhiễu. Những ảnh
hưởng này có xu hướng giới hạn là hệ số nhiễu NF và dải động của tuyến RoF.


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

Các nguồn nhiễu trong tuyến quang bao gồm nhiễu cường độ tương đối
(RIN), nhiễu pha, nhiễu bắn, nhiễu nhiệt của bộ tách sóng quang và tán sắc sợi
quang.
Khi sử dụng sợi đơn mode trong tuyến, tán sắc màu sẽ giới hạn chiều dài
tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiếu pha sóng mang RF. Khi sử dụng sợi
đa mode, tán sẽ mà là nguyên nhân làm giới hạn nghiêm trọng băng tần và khoảng
cách truyền của tuyến.
1.3.

Các kỹ thuật điều chế tại đầu phát

1.3.1. 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 1.5. Kỹ thuật điều chế trực tiếp
1.3.2. Điều chế ngoài (External Modulation)
Trong kỹ thuật điều chế ngoài, 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


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

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 1.6. 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.

1.3.2.1.

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 ngắn λ c
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 sang 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.
1.3.2.2. 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

(1.1)


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

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 thoai 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 hai tia. Ta có độ lệch pha :
∆φ = φ ( t ) − φ0

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

∆φ
2

(1.2)

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 1.7. Bộ điều chế ngoài Mach Zenhder
1.4.

Các kỹ thuật tách sóng tại đầu thu

1.4.1. Kỹ thuật tách sóng trực tiếp

Hình 1.8 : Kỹ thuật tách sóng trực tiếp
Thông tin được giải mã bởi biên độ của tín hiệu quang
1.4.2. Kỹ thuật tách sóng coherent


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật ROF

Hình 1.9 : Kỹ thuật tách sóng Coherent
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.
1.5.

Kết luận chương
Trong chương này, đồ án đã giúp tìm hiểu và nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn

sóng vô tuyến trên sợi quang và các kỹ thuật điều chế vfa tách sóng. Mỗi kỹ thuật
đều có ưu và nhược điểm riêng mà đồ án đã trình bày. Chính khả năng cung cấp
dịch vụ băng rộng trên cơ sở hạ tần đơn giản với nhiều ưu điểm như giá thành hạ,
triển khai dễ dàng, bảo dưỡng nhanh chóng nên mạng RoF hứa hẹn cho một mạng
không dây trong tương lai.
Ngoài ra, có nhiều thuận lợi trong lĩnh vực di động vì tín hiệu đến trạm BTS
là tín hiệu vô tuyến. Do đó, không cần phải điều chế mà có thể phát trực tiếp đến
các thiết bị di động.


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENCE
2.1.

Giới thiệu chương
Hầu hết các hệ thống thu phát quang từ trước đến nay đều sử dụng kỹ thuật

điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD) tức là tín hiệu tại đầu phát sẽ
được điều biến trực tiếp bằng thông tin điện và đầu thu sẽ biến đổi trực tiếp tín hiệu
quang thành tín hiệu điện nhờ bộ tách sóng photodiode. Song kỹ thuật này vậy còn
một số điểm hạn chế như chưa sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên băng thông vô
cùng lớn của sợi quang, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu tương đối thấp, độ nhạy
máy thu không cao và không có khả năng ứng dụng các kỹ thuật đa kênh dung
lượng lớn. Do đó kỹ thuật thông tin quang Coherence ra đời đã khắc phục được rất

nhiều hạn chế so với kỹ thuật cũ, cho phép truyền các tuyến thông tin cự ly xa và
dung lượng lớn.
Nội dung chương 2 sẽ giới thiệu tổng quan về một hệ thống thông tin quang
coherence bao gồm các khái niệm, cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin
quang Coherence, các nguyên lý tách sóng và phương thức điều chế, tác động của
nhiễu lê hệ thống thông tin quang Coherence.
2.2.

Khái niệm và cấu trúc của hệ thống thông tin quang Coherence

2.2.1. Khái niệm về hệ thống thông tin quang Coherent
Hệ thống thông tin quang Coherence là một hệ thống thông tin quang hoạt
động dựa trên nguyên lý trộn ánh sáng mang tín hiệu với một sóng ánh sáng khác.
Hệ thống này đã kết hợp ánh sáng mang tín hiệu với ánh sáng phát ra từ một bộ dao
động nội dùng diode laser được tích hợp trong máy thu. Với nguyên lý hoạt động
này, hệ thống đã cải thiện được một số nhược điểm của hệ thống IM – DD, cho hiệu
quả rõ rệt trong việc cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở đầu ra. Bộ thu
coherent lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng từ 1,3 µm đến 1,6 µm cần năng
lượng tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/ bit cũng có thể đạt BER = 10 -9. Do độ nhạy
của bộ thu quang coherent cao hơn bộ thu tách sóng trực tiếp từ 10 dB đến 20 dB
nên bộ thu quang coherent cho phép chúng ta :


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

• Tăng khoảng cách trạm lặp cho hệ thống trên đất liền và đưới biển
• Tăng tốc độ truyền dẫn mà không cần giảm khoảng cách trạm lặp.
• Tăng quỹ công suất để bù các loại suy hao tại coupler và các thiết bị
ghép tách bước sóng.
• Cải thiện độ nhạy cho các thiết bị đo quang OTDR.

2.2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherent
Một hệ thống thông tin quang Coherent có sơ đồ khối như hình sau :

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang coherent
Trong đó :
• Driver Electronic : thực hiện khuếch đại tín hiệu ngỏ vào nhằm tạo tín
hiệu có mức phù hợp với các khối phía sau
• Điều chế quang : sử dụng các kỹ thuật điều chế quang ( điều chế ngoài
hoặc điều chế trực tiếp ) tạo ra các tín hiệu điều chế dạng ASK
(Amplitude Shift Keying) đối với điều chế trực tiếp và ASK (Amplitude
Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying)
…đối với điều chế ngoài. Nguồn laser thường loại DFB có độ rộng phổ ≤
0.1 µm được đặt trong một hộp ổn nhiệt trong vòng 0,01 0C để đảm bảo
ổn định tần số.
• Dao động nội : Bộ dao động nội tại đầu thu sử dụng laser bán dẫn tạo ra
tín hiệu quang có bước sóng λ2 . Laser dao động nội có cấu trúc gần
giống laser phát, chỉ có một điểm khác là laser dao động nội có khả năng


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

điều chỉnh tần số phát trong khoảng rộng để đảm tần số tín hiệu sau khi
trộn luôn ổn định.
• AFC (Auto Frequency Controller) : tự động điều chỉnh tần số bộ dao
động nội nhằm ổn định bước sóng phát ra.
• Trộn quang : tín hiệu tại đầu thu được trộn với tín hiệu bộ dao động nội
trước khi tách sóng. Photodiode tách sóng cùng với bộ trộn hoạt động
như một bộ biến đổi tần thấp khi thu đổi tần (Heterodyne) hoặc như một
bộ tách sóng khi thu đồng tần (Homodyne).
• Giải điều chế : thu lại tín hiệu đã phát ban đầu ở băng tần cơ sở, khối này

chỉ cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne.
• Bộ khuếch đại : khuếch đại tín hiệu sau khi ra khỏi photodiode tách sóng
và giới hạn băng thông bởi bộ lọc băng thông.
• LOC (Local Oscillator Control) : khối này dùng để điều khiển pha và tần
số của bộ dao động nội.
2.3.

Các kỹ thuật tách sóng của hệ thống thông tin quang Coherence

2.3.1. Nguyên lý tách sóng
Nguyên lý tách sóng cơ bản của hệ thống thông tin quang Coherence là trộn
tín hiệu nhận được tại đầu thu với một sóng quang do bộ dao động nội tạo ra trước
khi được khi được tách sóng tại photodiode.
Giả sử tín hiệu quang cần truyền đi có dạng :
E S (t ) = E S cos[ω S t + Φ S (t )]

Trong đó :

ES

: biên độ tín hiệu quang

ωS

: tần số sóng mang quang

(2.1)

Φ S (t ) : pha của sóng mang quang

Tại nơi thu, giả sử trường dao động nội có dạng :
E LO (t ) = E LO cos[ω LO (t ) + Φ LO (t )]

Trong đó :

E LO

: Biên độ của tín hiệu dao động nội

ω LO

: tần số của tín hiệu dao động nội

Φ LO (t ) : pha của tín hiệu dao động nội.

(2.2)


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

Biên độ phức E S và E LO liên quan đến công suất tín hiệu PS công suất bộ
dao động nội PLO bằng công thức :

Es2
PS =
2

(2.3)

2

ELO
PLO =
2

(2.4)
Tách sóng coherent tín hiệu quang thường sử dụng phương pháp điều chế
cân bằng, ta có sơ đồ một bộ tách sóng coherent điều chế cân bằng như hình sau :

Hình 2.2. Bộ tách sóng coherent điều chế cân bằng
Phương pháp điều chế cân bằng được giới thiệu tại máy thu coherent như
một phương tiện hạn chế dòng một chiều và cho dòng tín hiệu lớn nhất tại
photodiode. Sử dụng một bộ couple quang 3dB với độ dịch pha 180 0 với ngỏ vào
tương ứng là trường tín hiệu quang hoặc trường tín hiệu dao động nội đồng phân
cực giữa hai port. Tín hiệu điện trên các photodiode trên và dưới được cho bởi công
thức sau :
(2.5)

E1 =

(2.6)

E1 =

1
( Es (t ) + E LO (t ))
2

1
2

( E s (t ) − E LO (t ))


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

Dòng qua photodiode tương ứng là I 1 (t ) và I 2 (t ) được cho bởi công thức :
I 1 (t ) =

(2.7)

hay

[

R
Ps ( t ) + PLO + 2 Ps ( t ) PLO cos{ (ω s − ω LO ) + Φ S (t ) − Φ LO (t )}
2

[

]

[

]

I 1 (t ) =

R
Ps ( t ) + PLO + 2 Ps ( t ) PLO cos{ω IF + Φ S (t ) − Φ LO (t )}

2

I 2 (t ) =

R
Ps ( t ) + PLO − 2 Ps ( t ) PLO cos{ω IF + Φ S (t ) − Φ LO (t )}
2

]

(2.8)

(2.9)

Trong đó :
R=

ηe
hν

: hệ số chuyển đổi quang điện của photodiode

η

: hiệu suất lượng tử của photodiode

hν

: năng lượng photon

Dòng tín hiệu tại đầu ra là hiều hai dòng của photodiode trên và dưới :

[

I ( t ) = I 1 (t ) − I 2 ( t ) = 2 R 2 Ps ( t ) PLO cos{ω IF ( t ) + Φ S (t ) − Φ LO (t )}

]

(2.10)

2.3.2. Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection)
Trong kỹ thuật tách sóng đồng tần, tần số của bộ dao động nội ω LO trùng với
tần số tín hiệu quang ω s , ω IF ( t ) bị triệt tiêu. Dòng photodiode đầu ra của kỹ thuật
tách sóng đồng tần được trở thành :
I ( t ) = I 1 (t ) − I 2 ( t ) = 2 R Ps (t ) PLO cos{ Φ S (t ) − Φ LO (t )}

(2.11)

Công thức trên cho thấy kỹ thuật tách sóng đồng tần chỉ tính các giá trị giữa
pha tín hiệu và pha của bộ dao động nội. Để giải mã chính xác, pha của bộ dao động
nội Φ LO (t ) được giữ không đổi, việc này rất khó rất thực hiện do trên thực tế cả
Φ S (t ) và Φ LO (t ) đều bị dao động ngẫu nhiên theo thời gian do ảnh hưởng của các

tác nhân bên trong và bên ngoài. Tuy nhiên, hiệu số của chúng có thể được giữ hầu
như không đổi nhờ vòng khóa pha quang . Việc bổ sung thêm một vòng khóa pha sẽ


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

làm cho việc thiết kế bộ thu quang đồng tần khá phức tạp. Ngoài ra, công thức

(2.11) chỉ cung cấp thành phần cos ( tương ứng với thành phần pha nội của bộ dao
động), và các thành phần sine không được tách sóng. Do đó, kiểu máy thu đồng tần
không thể tái tạo lại toàn bộ thông tin của tín hiệu biên độ phức. Để khắc phục,
người ta sử dụng một bộ dịch 900 tín hiệu của bộ dao động nội để tạo ra sóng sine
rồi tiến hành điều chế. Sơ đồ mô tả một bộ tách sóng đồng tần như sau :

Hình 2.3. Sơ đồ bộ tách sóng đồng tần homodyne
2.4.

Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection)
Đối với kiểu tách sóng đổi tần, tần số bộ dao động nội ω LO được chọn không

trùng với tấn số tín hiệu quang ω s , độ lệch tần số được chọn sao cho tần số trung
tần ω IF ( t ) nằm trong vùng sóng vô tuyến từ vài GHz đến hàng chục GHz. Dòng ra
của photodiode tại đầu thu được cho như công thức (2.10). Tách sóng đổi tần tạo ra
một tần số trung tần ω IF ( t ) >> ω b / 2 với ω b là băng thông điều chế của sóng mang
quang được xác định bằng tốc độ truyền kí tự. Phổ tín hiệu chuyển đổi từ tần số
quang xuống tần số IF được thể hiện trong hình sau :

Hình 2.4. Phổ tín hiệu quang (a) và tín hiệu đưa xuống tần số trung tần (b)
Pha của tín hiệu thu bao gồm pha của tín hiệu cần truyền và pha nhiễu, trong
trường hợp lý tưởng, ta có thể bỏ qua tác động của nhiễu đến pha của tín hiệu
truyền.
2.5.

Nhiễu trong hệ thống thông tin quang Coherence


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

Ngoài tác động của suy hao, tán sắc lên chất lượng đường truyền, tác động
của nhiễu cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thu phát tín hiệu. Một hệ
thống thông tin quang thông thường có đặc tính truyền dẫn như suy hao, tán sắc,
đặc tính phi tuyến của sợi quang, các loại nhiễu như nhiễu bắn, nhiễu nhiệt, nhiễu
dòng tối. Ngoài ra, hệ thống thông tin quang còn gây ra nhiễu phách, ảnh hưởng đến
chất lượng đường truyền.
2.4.1. Đặc tính truyền dẫn của một hệ thống thông tin quang
2.4.1.1. Suy hao
Suy hao là sự mất một cương độ tín hiệu trong sóng ánh sáng, điện hoặc tín
hiệu cao tần gây ra do khoảng cách truyền. Cần xác định khoảng cách truyền tối đa
giữa đầu phát và đầu thu để đảm bảo tín hiệu có thể giải mã thành công. Ảnh hưởng
của nó có thể được tính bằng công thức :
Pout = Pin e −αL

Trong đó :

(2.12)

α là suy hao sợi quang

Thường thì suy hao được tính theo đơn vị là dB/Km :
α dB =

 P(0) 
10

log
L
 P( z ) 

(2.13)

Các loại suy hao bao gồm :
• Suy hao do hấp thụ : bao gồm hấp thụ của bảng thân vật liệu chế tạo
sợi, còn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do chế tạo sợi không tinh khiết.
Suy hao do hấp thụ bao gồm hấp thụ bởi sự kiếm khuyết các nguyên
tử, hập thụ bởi các tạp chất kim loại và sự hấp thụ của các ion OH- .
• Suy hao do tán xạ tuyến tính : là loại suy hao do tính không đồng đều
rất nhỏ của lõi sợi, có thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính
không đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình
chế tạo sợi. Ngoài ra, do sợi thủy tinh được tạo ra tưc các loại oxit
như: SiO2 , GeO2 nên có thể xảy ra sự thay đổi thành phần giữa chúng.
Hai yếu tố này làm tăng sự thay đổi chiết suất tạo ra tán xạ. Tán xạ
tuyến tính làm cho năng lượng qunag từ một mode lan truyền này


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

sang một mode khác làm suy hao công suất quang được truyền đi.
Một tán xạ gây ảnh hưởng lớn nhất đến đường truyền là tán xạ
Rayleigh xảy ra do sự không đồng nhất có kích thước nhỏ hơn bước
sóng trong sợi quang làm cho tia sáng bị tỏa ra nhiều hương. Hệ số
tán xạ Rayleigh được tính như sau :
γR =

(2.14)

8π 3 8 2
n p β e KTF
3λ4

Trong đó :
γ R : hệ số tán xạ Rayleigh

λ : bước sóng quang được tính bằng m
n : chiết suất môi trường

p : hệ số quang đàn hồi trung bình.

β e : độ nén đẳng nhiệt tại nhiệt độ TF (0K)
K : hằng số Boltzman

• Suy hao do bẻ cong đường truyền : xảy ra khi tuyến cáp bị uốn cong,
bao gồm suy hao do uốn cong vi mô và suy hao do uốn cong vĩ mô.
2.4.1.2. Tán sắc
Hiện tượng trong một sợi quang, theo đó photon ánh sáng đến một điểm theo
nhiều pha khác nhau.
Hiện tượng tán sắc làm méo dạng tín hiệu thu trong một khoảng băng thông
và chiều dài sợi quang khả dụng.
Các nguyên nhân chính gây nên tán sắc bao gồm :
• Tán sắc vật liệu (material dispersion)
• Tán sắc ống dẫn sóng (waveguide dispersion)4
• Tán sắc mode (trong sợi đa mode)
Tán sắc trong sợi quang được cho bởi công thức :
D fibre

1 dTG d 2 n
=
∝ 2
L dλ

dλ

2.4.2. Tác động của nhiễu trong hệ thống thông tin quang Coherence

(2.15)


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

Tổng công suất nhiễu quang, công suất tín hiệu quang kết hợp với công suất
tín hiệu bộ dao động nội cũng tạo ra các thành phần nhiễu bắn, nhiễu phách và
nhiễu nhiệt trong bản thân máy thu.
2.4.2.1. Đặc tính tạp âm nhiễu
Một hệ thống thông tin quang sẽ tạo ra các loại nhiễu : nhiễu bắn, nhiễu nhiệt
máy thu và nhiễu dòng tối. Do ảnh hưởng của nhiễu dòng tối không lớn nên ta chỉ
xét ảnh hưởng của nhiễu nhiệt và nhiễu bắn.
Bản thân các bộ khuếch đại EDFA sẽ tạo ra các tạp âm :
• Tạp âm tán hạt của tín hiệu quang.
• Tạp âm tán hạt bức xạ tự phát bị khuếch đại (ASE)
• Tạp âm phách giữa quang phổ ASE và tín hiệu
• Tạp âm phách giữa các quang phổ ASE
Trong 4 tạp âm trên có 2 loại tạp âm thứ 3 và thứ 4 có ảnh hưởng lớn nhất,
đặc biệt tạp âm thứ 3 là nhân tố quan trọng quyết định tính năng của EDFA.
Công suất tín hiệu quang của bộ dao động nội trong máy thu quang
Coherence cũng tạo ra một số loại nhiễu nhiễu bắn – dao động nội, nhiễu phách –
dao động nội.
2
2.4.2.2. Mật độ công suất nhiễu bắn ( σ SH
)
Nhiễu bắn trong máy thu quang Coherence bao gồm các thành phần nhiễu

sau

• Mật độ công suất nhiễu bắn – tín hiệu :
ηe 2
2
σ SH
=
2
α∑G n PTX Be
−S
hν
• Mật độ công suất nhiễu bắn – dao động nội :
ηe 2
2
σ SH
=
2
PLO Be
−LO
hν
• Mật độ công suất nhiễu bắn – tự phát :

σ

2
SH − ASE

 n −1


ηe 2
=4
α n .n sp hν (G − 1)  ∑ (α G ) n − j + 1 Bo Be
hν
 j =1


Do đó :
2
2
2
2
σ SH
= σ SH
− S + σ SH − LO + σ SH − ASE

(2.16)


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

2
σ SH
=2


 n −1
 
n
n− j

α
G
P
+
P
+
2
α
n
h
ν
(
G
−
1
)
 ∑
 ∑ (α G ) + 1 Bo  Be
TX
LO
n sp

 j =1
 
(2.17)

ηe 2
hν

2

2.4.2.3. Mật độ công suất nhiễu phách ( σ ASE
)

Nhiễu phách trong máy thu quang Coherence bao gồm các loại nhiễu :
• Mật độ phổ công suất tín hiệu - nhiễu phách σ2S-ASE :
σ S2− ASE = 4

 n −1

(ηe) 2
α ∑ G n PTX α n n sp (G − 1) ∑ (αG ) n − j + 1 Be
hν
 j =1


(2.18)

• Mật độ phổ công suất dao động – nhiễu phách σ2LO -ASE :
σ

2
LO − ASE

 n −1

(ηe) 2
=4
PLOα n nsp (G − 1) ∑ (αG ) n − j + 1 Be
hν
 j =1



(2.19)

• Mật độ phổ công suất nhiễu phách – nhiễu phách σ2ASE -ASE :
2

σ

2
ASE − ASE


 n −1



= 4(ηe) α n nsp (G − 1) ∑ (αG ) n − j + 1  Bo Be

 j



2

(2.20)

Do đó :
2
2

2
σ ASE
= σ S2− ASE + σ LO
− ASE + σ ASE − ASE

2.4.2.4. Mật độ công suất nhiễu nhiệt σ 2T
σ T2 =

Trong đó

4 KTBe
RL

PTX

: Công suất máy phát [W]

PLO

: Công suất bộ dao động nội [W]

αf

: Suy hao công suất trên mỗi km sợi quang

d

: Khoảng cách truyền dẫn [km]

di

: Cự ly đoạn truyền dẫn

dn

: Cự ly từ EDFA n đến máy thu [km]

n

: Số bộ khuếch đại cần dùng

G

: Hệ số khuếch đại của EDFA nếu có [lần]

(2.21)


Chương 2 : Hệ thống thông tin quang Coherence

2.5.

RL

: Điện trở tải bộ tách sóng

K

: Hằng số Boltzman ( K = 1,38.10-23 J/ 0K)

T

: Nhiệt độ tuyệt đối (T = 273 + 27 = 300 0K)

Be

: Băng thông tín hiệu

η

: Hiệu suất lượng tử của photodiode

Kết luận chương
Chương 2 cung cấp cho chúng ta kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin

quang Coherence, việc sử dụng phương pháp tách sóng Coherence mang lại nhiều
ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp tách sóng trực tiếp, cho độ nhạy con hơn
từ 10dB đến 20dB, giúp tăng khoảng cách lặp chô hệ thống, tăng tốc độ truyền dẫn
và tăng quỹ công suất để bù lại các suy hao tại coupler và các thiết bị ghép tách
bước sóng.
Về mặt cấu hình, máy thu tách sóng coherence phức tạp hơn so với máy thu
tách sóng trực tiếp do có sử dụng bộ dao động nội, sử dụng vòng khóa pha để bám
đuổi tín hiệu quang thu được, đảm bảo sự đồng pha giữa hai tín hiệu nhằm hạn chế
nhiễu pha trong máy thu quang Coherence. Có hai kiểu tách sóng quang Coherence
phổ biến đó là kỹ thuật tách sóng đồng tần (Homodyne Detection), tín hiệu tại đầu
ra có tần số ở miền baseband (miền cơ sở) và kỹ thuật tách sóng đổi tần
(Heterodyne Detection), tín hiệu tại đầu ra có tần số nằm ở miền trung tần (IF).
Với các ưu điểm nổi bật như tăng độ nhạy máy thu điều này góp phần tăng
chất lượng của hệ thống. Không những thế, với khả năng chọn tần số trong môi
trường đa kênh giúp cho kĩ thuật này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống

thông tin hiện đại. Kĩ thuật RoF với những ưu điểm nổi trội như trên hứa hẹn sẽ
mang đến nhiều ứng dụng có lợi cho hệ thống thông tin sợi quang tương lai.


Chương 3 : Khuếch đại quang sợi EDFA

CHƯƠNG 3
KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
3.1.

Giới thiệu chương
Với các ưu điểm nổi bật, sợi quang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong

các mạng truyền số liệu ngày nay. Nhiều hệ thống truyền dẫn xuyên quốc gia sử
dụng sợi quang như SEA – ME – WE 3, SEA – ME – WE 4 … Tuy nhiên, khi
truyền đi với khoảng cách xa, hệ thống thông tin quang cần có các trạm lặp hoặc
các bộ khuếch đại tín hiệu để bù lại suy hao sinh ra trên đường truyền.
Cùng với sự phát triển của khoa học, người ta đã thực hiện quá trình khuếch
đại trực tiếp tín hiệu quang, thay thế dần các trạm lặp với cấu trúc phức tạp. Khuếch
đại quang thực hiện việc khuếch đại ánh sáng đến thông qua việc phát xạ kích thích,
khắc phục được những hạn chế của trạm lặp. Nhiều năm gần đây, bộ khuếch đại
pha tạp đất hiếm có ảnh hưởng rấ lớn đến việc triển khai và ứng dụng hệ thống
thông tin quang trong cuộc sống. Chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo lại
tín hiệu nếu có mốt kích thích phù hợp.
Trong tất cả các bộ khuếch đại pha tạp đất hiếm, khuếch đại quang sợi kích
thích pha tạp Erbium (Erbium – Doped Fiber Amplifier - EDFA) ngày càng được
sử dụng rộng rãi. EDFA có ưu điểm hơn cả khi áp dụng cho các hệ thống thông tin
quang, cho suy hao ghép nhỏ, mức tạp âm thấp…Trong chương này sẽ trình bày
nguyên lý khuếch đại của khuếch đại quang, cấu trúc hoạt động của EDFA, tối ưu
hóa vị trí đặt các bộ khuếch đại EDFA…

3.2. Tổng quan về khuếch đại quang
3.2.1. Các loại khuếch đại quang
Bảng 3.1 Các loại khuếch đại quang sợi
Loại

Khuếch

Khuếch

Khuếch

Khuếch đại

Khuếch đại

thiết bị

đại laser

đại quang

đại Raman

Brillouin

Laser TW-

FP-LD
Bức xạ từ

sợi
Bức xạ từ

Tán xạ

Tán xạ

LD
Bức xạ từ

nghịch đảo nghịch đảo

Raman

Brillouin

nghịch đảo

Nguyên lý

độ tích lũy

độ tích lũy

được kích

được kích

độ tích lũy

môi

môi

thích

thích

môi trường