Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang (LV thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.36 MB, 100 trang )
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
------------------------------------------
NGHIÊM XUÂN HÙNG
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG
CAO CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hƣớng ứng dụng)
HÀ NỘI – 2016
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-----------------------------------------
NGHIÊM XUÂN HÙNG
NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG
CAO CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60. 52. 02. 08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ TUẤN LÂM
HÀ NỘI - 2016
i
LỜI CAM ĐOAN
Em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2016
Học viên
Nghiêm Xuân Hùng
ii
LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô,
cũng nhƣ sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập
nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Vũ Tuấn Lâm, Thầy đã trực
tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp
em trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn đƣợc hoàn thiện.
Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ
Bƣu chính Viễn thông, những ngƣời đã luôn chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi
để em đƣợc nghiên cứu và học tập trong môi trƣờng tốt nhất.
Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình cùng tất cả bạn bè
đã luôn động viên, khích lệ em trong cuộc sống cũng nhƣ trong quá trình học tập,
thực hiện luận văn thạc sĩ này.
Hà Nội, tháng
năm 2016
Học viên
Nghiêm Xuân Hùng
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ viii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................. ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ..................................... 2
1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin quang ............................................................3
1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang ...................................................................5
1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD.......................................... 6
1.2.2. Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp ........................................ 9
1.3. Các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao .............13
1.3.1 Dung lượng và khoảng cách........................................................................... 13
1.3.2. Giới hạn trong khai thác băng tần ............................................................... 16
1.4. Kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang .........................................19
1.5. Kết luận chƣơng 1 ..........................................................................................20
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ................................... 21
2.1. Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng trực tiếp ............................................21
2.1.1. Kỹ thuật điều chế NRZ-OOK ............................................................................. 21
2.1.2 Kỹ thuật điều chế RZ-OOK ................................................................................. 23
2.1.3. Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK ............................................................................ 25
2.1.4. Kỹ thuật điều chế RZ-DPSK .............................................................................. 28
2.1.5. Kỹ thuật điều chế CS-RZ .................................................................................... 29
2.2 Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng kết hợp ..............................................31
2.2.1 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch biên (ASK) .................................................... 31
iv
2.2.2. Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch tần (FSK) ..................................................... 33
2.2.3. Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch pha (PSK) và khóa dịch pha vi phân (DPSK)
..................................................................................................................................... 36
2.3. Đánh giá hiệu năng các phƣơng pháp điều chế ..............................................38
2.3.1. Phương pháp tách sóng trực tiếp....................................................................... 38
2.3.2. Phương pháp tách sóng kết hợp ........................................................................ 52
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 63
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU
NĂNG CAO CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG ........ 64
3.1. Mô hình hệ thống............................................................................................65
3.2 Mô hình mô phỏng ..........................................................................................66
3.2.1 Các thông số của mô hình mô phỏng hệ thống ............................................ 66
3.2.2 Các mô hình mô phỏng ................................................................................... 68
3.3 Nhận xét và đánh giá .......................................................................................74
KẾT LUẬN...................................................................................................... 82
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................84
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi [1] ...................... 3
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [2]...... 6
Hình 1.3 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lƣợng cho photodiode PIN............... 9
Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin quang kết hợp [2] ......... 12
Hình 1.5: Sự phát triển của thiết bị hiển thị CxD, biểu đồ quy luật về dung
lƣợng và khoảng cách...................................................................................... 15
Hình 1.6. Dung lƣợng ISD ngƣợc với tổng công suất WDM: (a) hoàn toàn phi
tuyến, (b) hoàn toàn không phi tuyến, (c) trƣờng hợp với một hệ thống khuếch
đại 5x100 km ................................................................................................... 19
Hình 2.1. Sơ đồ khối của truyền dẫn NRZ...................................................... 23
Hình 2.2. Quang phổ của tín hiệu NRZ với tốc độ bít 10 Gbps ..................... 23
Hình 2.4. Quang phổ của tín hiệu RZ với tốc độ bít 10 Gbps. ....................... 25
Hình 2.5. Sơ đồ khối của truyền dẫn NRZ-DPSK .......................................... 27
Hình 2.6. Quang phổ của tín hiệu NRZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps .......... 27
Hình 2.7. Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ-DPSK ............................................. 29
Hình 2.8. Quang phổ của tín hiệu RZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps ............. 29
Hình 2.9. Truyền dẫn CS-RZ: (a) Sơ đồ khối, (b) Sự tạo tín hiệu .................. 30
Hình 2.10. Quang phổ của tín hiệu CS-RZ với tốc độ bít 10 Gbps ................ 31
Hình 2.11. Phƣơng pháp điều chế ASK .......................................................... 33
Hình 2.12: Cấu hình bộ phát sử dụng điều chế FSK. ..................................... 33
Hình 2.13 Phổ công suất các tín hiệu điều chế số MSK ................................. 34
Hình 2.14. Kỹ thuật điều chế FSK ................................................................. 36
Hình 2.13. Kỹ thuật điều chế PSK .................................................................. 37
Hình 2.15. Quản lý tán sắc trong mô phỏng ................................................... 40
vi
Hình 2.16. Giá trị EOP của tín hiệu biến thiên trên khoảng cách truyền dẫn,
với công suất đầu vào trung bình 12dBm và dùng định dạng điều chế NRZ . 41
Hình 2.17. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang
sử dụng ở tốc độ dữ liệu 10Gb/s [13].............................................................. 43
Ghi chú: Các điểm rời rạc: kết quả của các tính toán mô phỏng. Đƣờng liền
mạch: nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1. ....................... 43
Hình 2.19. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang
áp dụng với tốc độ dữ liệu 10Gb/s [13]. ......................................................... 46
Ghi chú: Các điểm rời rạc: các kết quả tính toán mô phỏng.Các đƣờng liền:
nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1.Các đƣờng nét đứt:
Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM từ biểu thức giải tích .................. 46
Hình 2.20. Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang
áp dụng với tốc độ dữ liệu 40Gb/s [13]. ......................................................... 46
Ghi chú: Các điểm rời rạc: các kết quả tính toán mô phỏng.Các đƣờng liền:
nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1.Các đƣờng nét đứt:
Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM từ biểu thức giải tích. ................. 47
Hình 2.21. Tín hiệu dao động đƣợc phát ra tại bộ thu và mật độ xác suất ..... 49
Hình 2.22. Tỷ lệ lỗi BER là một hàm của hệ số Q ......................................... 52
Hình 2.23. Tỷ lệ lỗi BER với các dạng điều chế khác nhau ........................... 57
Hình 3.1. Sơ đồ thiết lập hệ thống WDM ....................................................... 65
Hình 3.2 Mô hình hệ thống sử dụng điều chế NRZ-OOK .............................. 68
Hình 3.3 Đầu phát của kỹ thuật điều chế NRZ-OOK ..................................... 69
Hình 3.4 Tuyến truyền dẫn.............................................................................. 69
Hình 3.5: Đầu thu của kỹ thuật điều chế NRZ-OOK ...................................... 69
Hình 3.6 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế RZ-DPSK ................. 70
Hình 3.7 Cấu trúc phía phát của hệ thống sử dụng điều chế RZ-DPSK......... 70
Hình 3.8 Mô hình phía thu tín hiệu điều chế RZ-DPSK................................. 70
vii
Hình 3.9 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK .............. 71
Hình 3.10 Mô hình phát của hệ thống sử dụng điều chế RZ-DQPSK ............ 71
Hình 3.11 mô hình thu tín hiệu điều chế RZ-DQPSK .................................... 71
Hình 3.12 Phổ 4 bƣớc sóng ............................................................................. 74
Hình 3.13 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu đƣợc của điều chế NRZ ................. 75
Hình 3.14 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu đƣợc của điều chế DPSK............... 75
Hình 3.15 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu đƣợc của điều chế DQPSK ............ 76
Hình 3.16 Phổ 4 kênh bƣớc sóng. ................................................................... 77
Hình 3.17: Quan hệ giữa BER và Công suất thu ............................................ 77
Hình 3.18 Quan hệ giữa BER và Công suất thu khi tăng tốc độ lên .............. 78
Hình 3.19: Quan hệ giữa BER theo Số khoảng lặp ........................................ 79
Hình 3.20 Ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến ...................................................... 80
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tích Công suất với LSPM, C, với các phƣơng pháp điều chế khác
nhau, đơn vị [mW.km] .................................................................................... 42
Bảng 2.2. Độ nhạy thu của các bộ thu Coherent đồng bộ............................... 57
ix
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
AM
Amplitude Modulation
Điều chế biên độ
APD
Avalanche Photodiode
Diode tách sóng thác
ASE
Amplified Spontaneous Emission
ASK
Amplitude Shift Keying
AWGN
Additive White Gaussion Noise
BER
Bit Error Rate
BERT
Bit Error Test Set
BPSK
Binary Phase Shift Keying
CS-RZ
Carri Suppressed Return-to-zero
CW
Continuous Wave
Sóng liên tục
DEMUX
Demultiplexer
Bộ giải ghép (tách) kênh
DLI
Delay Line Interferometer
DPSK
Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân
Differential Quadrature Phase
Phép cầu phƣơng khóa
Shift Keying
dịch pha vi phân
Dispersion Shifted Fiber
Sợi bù tán sắc
DQPSK
DSF
Khuếch đại phát xạ tự
phát
Khóa dịch biên độ
Tạp âm Gaussian trắng
cộng
Tỷ lệ lỗi bit
Bộ thử nghiệm tỷ lệ lỗi
bit
Khóa dịch pha nhị phân
Điều chế khử sóng mang
trở về không
Đƣờng dây trễ đối với
thiết bị đo giao thoa
x
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Sợi pha tạp chất Erbium
EDF
Erbium Deped Fiber
EDFA
Erbium Deped Fiber Amplifier
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần số
FWM
Four Wave Mixing
Trộn bốn sóng
Intensity Modution-Direct
Điều chế cƣờng độ-Tách
Detection
sóng trực tiếp
IM-DD
Khuếch đại quang sợi có
pha tạp chất Erbium
Phép cầu phƣơng đồng
IQ
In-phase Quadrature
ISD
Information Spectival Density
Mật độ phổ thông tin
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu giữa các ký tự
LD
Laser Diode
Diode Laser
LED
Light Emiting Diode
Diode phát quang
MGF
Moment Generating Functions
MM
Multi Mode
Sợi quang đa mode
MQWW
Multiple Quantum Well
Hố lƣợng tử
MUX
Multiplexer
Bộ ghép kênh
MZ
Mach Zehnder
NF
Noise Figure
NRZ
Non-Return-to-Zero
NRZ-DPSK
pha
Các hàm tái tạo thời gian
ngắn
Bộ điều chế MachZehnder
Hệ số hình ảnh nhiễu
Điều chế không trở về
không
Non-Return-to-Zero Differential
Điều chế không trở về
Phase Shift Keying
không khóa dịch pha vi
xi
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
phân
Non-Return-to-Zero On Off
Điều chế không trở về
Keying
không khóa đóng mở
OOK
On Off Keying
Khóa đóng mở
OSNR
Optial Signal-to-Noise Ratio
PDH
Plesiochronous Digital Hỉearchy
Phân cấp số cận đồng bộ
PM
Phase Modulation
Điều chế pha
PSD
Power Spectral Density
Mật độ phổ công suất
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RZ
Return-to-Zero
Trở về không
Return-to-Zero Differential Phase
Điều chế trở về không
Shift Keying
khóa dịch pha vi phân
NRZ-OOK
RZ-DPSK
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
quang
Điều chế biên độ cầu
phƣơng
Phép cầu phƣơng khóa
dịch pha
Điều chế trở về không
RZ-OOK
Return-to-Zero On Off Keying
SDH
Synchronous Digital Hierarchy
Phân cấp số đồng bộ
SM
Single Mode
Đơn mode
SMF
Single Mode Fiber
Sợi đơn mode
SNR
Sign-to-Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SPM
Self Phase Modulation
Tự điều chế pha
khóa đóng mở
xii
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Standard Single Mode Fiber
Sợi đơn mode chuẩn
Wavelength Division
Ghép kênh theo bƣớc
WDM
Multiplexing
sóng
XPM
Cross Phase Modulation
Điều chế pha chéo
SSMF
1
MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc truyền dẫn thông tin sợi quang đƣợc ứng dụng rất nhiều trong
trong nhiều lĩnh vực thực tế, bởi nó có nhiều ƣu điểm so với các truyền dẫn khác
nhƣ: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, không bị ảnh hƣởng của
nhiễu điện từ, tính bảo mật thông tin cao… Hệ thống thông tin quang đƣợc thiết
kế cho các tuyến đƣờng trục Bắc Nam, các tuyến quốc tế, các tuyến trung kế,
hiện nay còn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy
và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tƣơng lai [2], [4].Tuy có nhiều ƣu
điểm so với các truyền dẫn khác nhƣng vấn đề năng lực truyền dẫn của một hệ
thống trên sợi quang là một vấn đề đáng quan tâm nhƣ: dung lƣợng hay tốc độ
của kênh quang và khoảng cách truyền của hệ thống [6].
Trong tất cả các phần tử của hệ thống truyền dẫn quang, kỹ thuật điều chế tín
hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Do
vậy việc nghiên cứu về công nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón
đầu công nghệ để nâng cao năng lực của mạng lƣới truyền dẫn và có thể đƣa ra
đề xuất ứng dụng công nghệ mới thích hợp trong tƣơng lai.
Vì vậy, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu
năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang” làm đề tài tốt nghiệp của mình.
Luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang
Chƣơng 2: Một số kỹ thuật điều chế hiệu năng cao trong hệ thống thông tin
sợi quang.
Chƣơng 3: Mô phỏng đánh giá kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho các hệ
thống thông tin sợi quang.
2
CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
Ngay từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang đƣợc chính thức đƣa vào
khai thác trên mạng viễn thông, mọi ngƣời đều thừa nhận rằng phƣơng thức truyền
dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông
ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng khoảng mƣời năm trở
lại đây, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử - viễn thông,
công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vƣợt bậc. Các nhà sản
xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao
0,154 dB/km tại bƣớc sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, cung cấp cho hệ thống các nguồn
quang cần thiết với cƣờng độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi
trƣờng… các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ năng lƣợng
thấp… Ngoài ra, các công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi trƣờng
truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hƣởng can
nhiễu, băng thông rộng… để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ƣu
điểm vƣợt trội hơn so với các hệ thống thông tin khác, đó là [4], [6]:
- Suy hao truyền dẫn nhỏ;
- Băng tần truyền dẫn rất lớn;
- Không ảnh hƣởng của nhiễu điện từ;
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao;
- Có kích thƣớc và trọng lƣợng nhỏ;
- Sợi có tính cách điện tốt;
- Độ tin cậy cao;
- Sợi đƣợc chế tạo từ vật liệu phi kim loại rất sẵn có nên rất kinh tế;
Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang có sức hấp dẫn mạnh mẽ
tới các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ
phù hợp với các tuyến quốc tế, tuyến đƣờng trục và tuyến trung kế mà còn có tiềm
3
năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy
và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tƣơng lai.
1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin quang
Mô hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang nhƣ Hình 1.1 sau:
Hình 1.1: Mô hình cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi [4]
Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang gồm phần phát quang,
cáp sợi quang, phần thu quang. Phần phát quang đƣợc cấu tạo từ nguồn phát tín
quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi
dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động của môi
trƣờng bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại,
tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang
còn có các thành phần khác nhƣ: các mối hàn, bộ tách/ ghép quang và các trạm lặp;
hay các bộ khuếch đại… tất cả tạo nên một hệ thống thông tin quang sợi hoàn
chỉnh,
4
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bƣớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có
suy hao thấp là các vùng xung quanh bƣớc sóng 850nm, 1300nm và 1550nm. Ba
vùng nƣớc sóng này đƣợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các
vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tƣơng ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông
tin quang, cửa sổ thứ nhất đƣợc sử dụng. Nhƣng sau này do công nghệ chế tạo sợi
phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin
quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Đặc tuyến tán sắc của sợi quang, khi ánh sang lan truyền trong sợi quang sẽ
xảy ra hiện tƣợng dãn nở xung và méo dạng xung tín hiệu (tán sắc). Do hiệu ứng tán
sắc nên xảy ra hện tƣợng méo dạng tín hiệu khi thu, các loại tán sắc của sợi quang:
tán sắc vật liệu, tán sắc đƣờng truyền và tán sắc mode. Do tán sắc vật liệu cũng nhƣ
tán sắc đƣờng truyền sinh ra bởi sự khác nhau về vận tốc truyền của các thành phần
phổ riêng biệt, bởi vậy ngƣời ta gọi chung cả hai loại này là tán sắc màu. Tùy thuộc
vào các loại sợi quang mà ảnh hƣởng của các tán sắc đến sợi quang khác nhau. Với
loại sợi quang đơn mode (SM) thì tán sắc màu sẽ chiếm đa số, còn với sợi đa mode
(MM) thì tán sắc mode sẽ chiếm đa số.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống
thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tƣơng ứng với sự
thay đổi của dòng điều biến. tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi
khi có dạng tƣơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện đổi tín hiệu này thành tín hiệu
quang tƣơng ứng có tham số quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của tín hiệu
điện điều khiển. Bƣớc sóng là việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật
liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn
quang đƣợc khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã đƣợc điều chế tại nguồn phát
quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới thu quang. Khi truyền trên sợi
dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thƣờng hay suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán
xạ, tán sắc gây nên.
5
Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu
từ hƣớng phát đƣa tới. Tín hiệu quang đƣợc biến đổi trở thành tín hiệu điện. Các
photodiode PIN và diode quang thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách
sóng quang các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc
cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng
quang sẽ quyết định bƣớc sóng làm việc của chúng và đoạn sợi dẫn quang đƣợc sử
dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy
thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu đƣợc ở một tốc độ truyền
dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, với một cự ly nào đó, tín hiệu quang
trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến.
Cấu trúc của thiết bị trạm lặp điện quang gồm có thiết bị phát quang và thiết bị thu
tín hiệu thu quang ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu quang trạm lặp sẽ thu
tín hiệu điện sau đó khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đƣa vào thiết bị phát
quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi
lại phát tiếp vào đƣờng truyền. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công
nghệ chế tạo thì các bộ khuếch đại quang đã đƣợc sử dụng để thay thế một phần các
thiết bị trạm lặp điện quang.
1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang
Việc phân loại hệ thống thông tin quang dựa theo nhiều tiêu chí để phân loại,
trong luận văn này dựa theo dạng điều chế và tách sóng quang, các hệ thống thông
tin sợi quang đƣợc chia thành:
- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD;
- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang Coherent.
6
1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD
Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD có sơ đồ khối nhƣ hình
1.2, là hệ thống dùng kỹ thuật điều chế cƣờng độ (Intensity Modulation) ở
máy phát quang và tách sóng trƣc tiếp (Direct Detection) ở máy thu.
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [4]
Hệ thống thông tin sợi quang gồm có 4 thánh phần chính, đó là: thiết bị đầu
cuối phát quang, sợi quang, khuếch đại quang và thiết bị đầu cuối thu quang.
Thiết bị đầu cuối phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của
hệ thống thông tin quang, nó có chức năng biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín
hiệu quang tƣơng ứng và phát tín hiệu quang này vào trong sợi quang để thực hiện
truyền dẫn thông tin. Thiết bị đầu cuối phát quang bao gồm:
- Bộ ghép kênh số: Thực hiện chức năng ghép các tín hiệu số (tín hiệu điện)
kiểu điều chế xung mã PCM các cấp khác nhau theo phƣơng thức PDH hoặc SDH.
- Bộ biến đổi lƣỡng cực-đơn cực: Thực hiện chức năng biến đổi các tín hiệu
lƣỡng cực đầu vào (các xung dƣơng và âm luân phiên nhau) thành các tín hiệu đơn
cực, chúng làm cho quá trình xử lý tại thiết bị dễ dàng hơn.
- Bộ xử lý mã gửi đi: Tại bộ xử lý mã gửi đi, một số quy ƣớc đặc biệt đƣợc
cộng thêm vào các tín hiệu đơn thực này để mang các thông tin giám sát, giúp cho
việc kiểm tra sự hoạt động bình thƣờng giữa các thiết bị trên hệ thống, sau đó các
7
tín hiệu một lần nữa đƣợc biến đổi thành mã đƣờng truyền (line coding) xác định
phù hợp với môi trƣờng truyền dẫn là sợi quang. Có hai loại mã điển hình thƣờng
đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang thực tế, là mã CMI (Mã đảo dấu)
và mã mB1C (mã bù m bit “1”).
- Bộ biến đổi điện quang: Mạch điều khiển thực hiện kích thích tạo ra dòng
điện đủ phù hợp điều chế trực tiếp cƣờng độ (công suất) quang phát ra của LED
hoặc diode lazer (LD). LED hoặc LD thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu điện
thành tín hiệu quang bằng điều chế trực tiếp cƣờng độ thông qua dòng thiên áp
thuận của nó, tín hiệu quang này đƣợc đƣa vào sợi quang.
- Bộ ghép kênh quang: Bộ ghép kênh quang thực hiện việc ghép nhiều luồng
tín hiệu quang khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang nhằm tận dụng băng
tần rất lớn của sợi quang (trong hệ thống thông tin quang đơn kênh thì không cần
dùng bộ ghép kênh quang).
- Bộ lặp đƣờng dây: Tại bộ lặp đƣờng dây loại điện quang, quá trình biến đổi
quang điện sẽ đƣợc thực hiện trƣớc tiên. Do các tín hiệu quang đến bộ lặp đƣờng
dây thƣờng có công suất thấp, bị méo dạng dẫn đến các tín hiệu điện sau khi biến
đổi quang – điện cũng bị méo và suy giảm. Chính vì điều này nên trƣớc hết các tín
hiệu điện phải đƣợc cân bằng và khuếch đại (quá trình sửa để cải thiện về mặt công
suất mà không gây méo dạng sóng), trong phần này mạch thực hiện việc tự điều
khiển khuếch đại để giữ mức tín hiệu không đổi sau khi đã cân bằng và khuếch đại
tín hiệu. Ngoài ra, còn lấy ra các thông tin về mặt thời gian và khoảng thời gian của
các tín hiệu xung gốc (“1” hoặc “0”) từ các tín hiệu đã đƣợc sửa và khuếch đại. Tại
mạch xác định và tái tạo, có/không xung (“1” hoặc “0”) đƣợc xác định tại các vị trí
của tín hiệu định thời theo trục thời gian và các tín hiệu xung gốc đƣợc phục hồi
(đƣợc gọi là quyết định và tái tạo) ở dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu này tới bộ biến
đổi tín hiệu điện – quang và tại đây, một lần nữa, các xung tín hiệu điện “1” và “0”
đƣợc biến đổi thành tín hiệu điện quang bật/tắt và đƣợc đƣa vào sợi quang giống
nhƣ ở thiết bị đầu cuối phía phát.
8
Ngày nay, trên các hệ thống thông tin sợi quang ngƣời ta đã dùng các bộ
khuếch đại quang thay dần cho các bộ lặp điện quang.
Thiết bị đầu cuối thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong
hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi
mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đƣa tới, và cũng vì
thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lƣợng toàn bộ hệ thống
truyền dẫn. Chức năng chính của thiết bị này là biến đổi tín hiệu quang thu đƣợc
thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh,
nhiễu thấp, giá thành hạ và đảm bảo có độ tin cậy cao. Thiết bị đầu cuối thu quang
bao gồm:
- Bộ tách kênh quang: Bộ tách kênh quang thực hiện việc tách các kênh từ
luồng tín hiệu quang đa kênh từ sợi quang đƣa đến các nguồn quang khác nhau.
- Bộ biến đổi quang - điện: Nguồn thu quang làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu
quang về dạng tín hiệu điện. Thành phần thực hiện tách sóng trong bộ thu quang
thƣờng là các photodiode PIN hoặc điốt quang thác APD. Ở đây việc tách sóng
quang đƣợc thực hiện trực tiếp qua photodiode biến công suất quang tới về dòng
tách sóng điện quang của diode. Do quá trình truyền dẫn có những tác động của tán
xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi quang nên việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ phức
tạp hơn nhiều so với thiết kế thiết bị phát quang.
Bộ tách sóng quang đƣợc sử dụng thông dụng nhất là bộ tách sóng photodiode PIN:
gồm các vùng P và N cách nhau bởi một vùng I. Để thiết bị hoạt động thì phải cấp
một thiên áp ngƣợc cho nó. Trong chế độ hoạt động bình thƣờng, thiên áp ngƣợc đủ
lớn đƣợc đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong bảo đảm hoàn toàn trôi đƣợc
các hạt mang. Khi có một photon đi tới mà mang một năng lƣợng lớn hơn (hoặc
bằng) với năng lƣợng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode,
photon này có thể bỏ ra năng lƣợng của nó và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị
sang vùng dẫn. Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này
chủ yếu đƣợc phát ra trong vùng trôi và đƣợc gọi là các hạt mang photon hoặc các
điện tử photo
9
Hình 1.3 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lƣợng cho photodiode PIN
Khối tuyến tính, thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau tách sóng quang
đến mƣớc độ đủ lớn, sau bằng và lọc để giảm tạp giao thoa giữa các ký hiệu (ISI)
nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở mạch phục hồi.
Mạch phục hồi gồm mạch quyết định và mạch khôi phục đồng hồ. Nó tái tạo
ra xung tín hiệu và định thời xung đồng hồ.
- Bộ xử lý mã nhận đƣợc
- Bộ biến đổi đơn cực – lƣỡng cực
- Bộ tách kênh
1.2.2. Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp
Cho đến nay, phần lớn các hệ thống thông tin quang đang khai thác trên mạng
lƣới của nhiều nƣớc là các hệ thống sử dụng điều biến cƣờng độ và tách sóng trực
tiếp (IM/DD). Tuy đã đóng vai trò quan trọng trong các mạng lƣới viễn thông, từ
đƣờng trục cho tới thuê bao, từ các tuyến trên đất liền cho tới các tuyến vƣợt biển
và đã mang lại lợi ích về kinh tế, song kỹ thuật này còn chƣa tận dụng có hiệu quả
tính chất của sóng ánh sáng và băng tần của sợi dẫn quang đơn mode hiện nay. Các
sợi quang thông thƣờng có thể đáp ứng băng tần 200 THz, trong khi các hệ thống
truyền dẫn quang IM-DD đơn kênh quang mới chỉ đạt tốc độ 622 Mbps, 2,5 Gbps ở
cự ly vài chục km và số ít hệ thống 10 Gbps chƣa đƣợc phổ biến nhiều. Mặt khác độ
10
nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ bit truyền dẫn cao, tốc độ bit càng cao thì độ
nhạy thu có xu hƣớng giảm làm cho giải pháp IM-DD không thể cùng một lúc vừa
tăng cự ly vừa tăng tốc độ đƣợc.
Nguyên lý của hệ thống thông tin quang kết hợp là sử dụng việc điều biến gián
tiếp nguồn quang tại đầu phát: luồng tín hiệu điện và luồng ánh sáng đơn sắc đƣợc
đƣa vào điều biến trong bộ điều chế quang. Tại đầu thu cũng cần có một nguồn
quang đơn sắc hoàn toàn độc lập với nguồn quang tại đầu phát. Luồng tín hiệu
quang thu đƣợc từ sợi quang cùng với luồng quang đơn sắc của bộ phát quang đƣa
vào bộ trộn là một diode quang để đƣa ra một tần số trung gian sau đó đƣa đến
mạch tách sóng quang để lấy ra tín hiệu điện ban đầu. Tần số trung gian cần lớn
khoảng 10 GHz để đủ tải mang một tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn,
song cũng không đƣợc quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại của mạch điện tử.
Trong hệ thống thông tin quang kết hợp, những ƣu điểm trội lên hàng đầu so
với hệ thống thông tin quang IM-DD thông thƣờng là có độ nhạy thu cao và cho
phép kéo dài thêm cự ly truyền dẫn tới 100km tại bƣớc sóng 1,55 m: băng tần của
hệ thống khá lớn và đặc biệt có thể điều chỉnh lựa chọn các kênh quang. Tất cả tạo
nên một hệ thống thông tin hoàn chỉnh nhằm khai thác triệt để băng tần của sóng
ánh sáng trên sợi quang.
Trong hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD tại phía phát, luồng bít
đƣợc đƣa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang và tại đầu thu, tín hiệu quang
đƣợc tách sóng trực tiếp bằng các photodiode để lấy ra các tín hiệu điện băng gốc,
đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin số đơn hƣớng.Với hệ thống truyền dẫn hai
chiều, ngƣời ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu giữa phía phát và phía thu. Do đó
hiệu suất sử dụng của hệ thống này không cao tuy nhiên có giá thành thấp và thiết
lập hệ thống đơn giản nên nó vẫn đƣợc sử dụng cho đến thời điểm hiện nay và trong
cả tƣơng lai.
11
Với hệ thống này thì việc đổi tần sóng mang quang đƣợc thực hiện ở phần máy
thu quang bằng cách trộn trƣờng quang của bộ dao động nội với tín hiệu quang thu
đƣợc. Do vậy hệ thống này có một số ƣu điểm so với hệ thống IM/DD, cụ thể:
- Nâng cao độ nhạy của máy thu: Trong hệ thống IM/DD thì độ nhạy của máy
thu bị hạn chế bởi tập âm nhiệt trội, còn hệ thống Coherent do dùng biện pháp đổi
tần quang để làm tăng độ nhạy của máy thu nên nó cho phép tăng khoảng cách giữa
hai trạm lặp đồng thời tăng tốc độ truyền dẫn trong các tuyến thông tin đƣờng trục.
So với máy thu tách sóng trực tiếp thì độ nhạy của máy thu trong hệ thống Coherent
nâng lên từ 15 đến 20 dB.
- Nâng cao khả năng truyền dẫn: Với việc sử dụng phƣơng pháp ghép kênh
theo bƣớc sóng (WDM) thì các hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent có dung
lƣợng truyền dẫn rất lớn, ví dụ nhƣ trong vùng cửa sổ quang 1,55 µm có thể đạt tới
200 THz và nếu chọn độ rộng phổ của mỗi kênh quang để truyền là 1,47nm –
1,57nm thì ta có thể truyền đƣợc 109 kênh thoại tƣơng đƣơng.
- Nâng cao khả năng lựa chọn kênh: Tại phía thu trong hệ thống Coherent
ngƣời ta có thể lựa chọn đƣợc kênh theo mong muốn nhờ khả năng điều chỉnh đƣợc
tín hiệu tới của nguồn thu.
Ngoài những ƣu điểm trên, hệ thống thông tin quang kết hợp còn có thể kết
hợp với bộ khuếch đại quang để tạo nên các tuyến thông tin quang có dung lƣợng
lớn và tăng đáng kể khoảng giữa hai trạm lặp (Có thể vài trăm km ở bƣớc sóng λ =
1,55µm). Khả năng này đƣợc áp dụng trong các tuyến thông tin quang đƣờng trục
và tuyến thông tin quang xuyên quốc gia.
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang kết hợp cũng có một số nhƣợc điểm, đó là:
Sơ đồ cấu trúc nguồn thu khá phức tạp kéo theo phần tử dùng nguồn phát tín hiệu
cũng nhƣ nguồn dao động nội phải có ổn định rất cao, do đó đòi hỏi rất nghiêm ngặt
về nhiệt độ, nguồn nuôi, nhiễu pha, độ phân cực,… Từ đó dẫn đến giá thành của hệ
thống cao. Song với những ƣu điểm mà hệ thống thông tin quang kết hợp có đƣợc
thì hệ thống này vẫn chiếm một vị trí then chốt trong mạng viễn thông hiện nay và
trong tƣơng lai.
