PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT của RADIO OVER FIBER BẰNG VIỆC sử DỤNG bộ điều CHẾ MACH ZEHNDER

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CỦA RADIO
OVER FIBER BẰNG VIỆC SỬ DỤNG
BỘ ĐIỀU CHẾ MACH ZEHNDER


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADP

Avalanche photodiode

ASK

Amplitude Shift Keying

BER

Bit Error Ratio

BPF

Band Pass Filter

BS

Base Station

CATV

Community Access Television - Community Antenna Television

CDM

Code Division Multiplexing

CO

Central Office

CS

Central Station

CW

Continuous Wave

DCA

Digital Communications Analyzer

DEMUX

Demultiplexer

DPSK

Differential Phase Shift Keying

DR

Dynamic Range

DWDM

Dense Wavelength Division Multiplexing

E/O

Electrical/Optical

EAM

Electro Absorption Modulator

EOM

Electro Optic Modulator

ER

Extinction Ratio

FSO

Free Space Optical

FTTx

Fiber To The x

GSM

Global System for Mobile communications

HFR

Hybrid Fiber Radio

HPA

High Power Amplifier

IF

Intermediate Frequency

IM

Intensity Modulation

IMDD

Intensity Modulation with Direct Detection


LAN

Local Area Network

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LD

Laser Diode

LED

Light Emitting Diode

LNA

Low Noise Amplifier

LiNbO3

Lithium Niobate

LO

Local Oscillator

MAN

Metropolitan Area Network

MUX

Multiplexer

MZ

Mach Zehnder

MZM

Mach Zehnder Modulation

MZI

Mach Zehnder Interferometer

NF

Noise Figure

OOK

On - Off Keying

OTDM

Optical Time Division Multiplexing

PD

Photodiode

PIN

Personal Identification Number

PON

Passive Optical Network

RAP

Radio Access Point

RAUs

Radio Access Unit / Remote Antenna Unit

RF

Radio Frequency

RIN

Relative Intensity Noise

RoF

Radio over Fiber

SCM

Sub-Carrier Multiplexing

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

SONET

Synchronous Optical Networking

SNR

Signal to Noise Ratio

TDM

Time Division Multiplexing

UWB

Ultra-wideband


WAN

Wide Area Network

WDM

Wavelength Division Multiplexing

WLAN

Wireless Local Area Network


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/63

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu
Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu thông tin liên lạc của con
người là điều thiết yếu. Bên cạnh đó là sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đã tạo ra
nhiều loại dịch vụ viễn thông như: thoại, truyền hình, trò chơi trực tuyến… Để có
được các thành tựu phát triển to lớn đó phải kể đến sự ra đời của cáp sợi quang và
kỹ thuật thông tin trên sợi quang.
Thông tin quang là một phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin. Hệ
thống thông tin quang bao gồm một đầu phát được sử dụng để mã hóa thông tin
thành tín hiệu ánh sáng thông qua kênh truyền để truyền tín hiệu đến đích, ở đích có
một đầu thu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu ánh sáng nhận được. Kênh
truyền được nói đến ở đây là cáp sợi quang là môi trường mang thông tin từ một
điểm đến một điểm khác dưới dạng ánh sáng.

Hình 1-1: Hệ thống thông tin quang cơ bản [8]

Hình 1-1 biểu thị một hệ thống thông tin quang cơ bản. Dữ liệu đầu vào là các tín
hiệu số được gửi tới bộ biến đổi ngõ vào, ở đây tín hiệu được chuyển đổi từ tín hiệu

điện thành tín hiệu quang, nhờ vào bộ phát mà tín hiệu được truyền vào môi trường
truyền tin là cáp sợi quang sau đó tín hiệu được gửi tới đầu thu và ở bộ biến đổi ngõ

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/63

ra từ tín hiệu quang chuyển đổi thành tín hiệu điện và được khôi phục lại giống với
tín hiệu ban đầu.
Cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể mô tả đơn giản gồm:
-

Bộ phát quang E/O: có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu
quang sau đó phát vào sợi quang. Khối E/O này thường được gọi là nguồn
quang. Linh kiện điện tử được sử dụng làm nguồn quang hiện nay là LED và

-

LASER.
Bộ thu quang O/E: có công dụng chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành
tín hiệu điện gốc giống với tín hiệu ở bộ phát. Hiện nay, các linh kiện điện tử
thường được sử dụng để làm chức năng thu này là PIN và APD và chúng

-

thường được gọi là linh kiện tách sóng quang.
Môi trường truyền tin ở đây là cáp sợi quang.

Tín hiệu điện
ngõ vào

Bộ phát
quang (E/O)

Cáp sợi
quang

Tín hiệu điện
ngõ ra

Bộ thu quang
(O/E)

Hình 1-2: Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang

Để thực hiện truyền dẫn giữa 2 điểm, cần phải có 2 sợi quang. Hình 1-2 mô tả cấu
trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang đơn hướng.
Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì trên tuyến có thể lắp thêm một hoặc nhiều các
bộ lặp tín hiệu. Cấu trúc đơn giản của một bộ lặp tín hiệu được minh họa ở hình 1-3

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/63

Hình 1-3: Cấu trúc đơn giản của bộ lặp tín hiệu đơn hướng [1]

Trạm lặp: công suất của tín hiệu quang bị yếu dần khi truyền trên sợi quang cũng
bởi vì có suy hao trên sợi quang. Nếu khoảng cách truyền thông tin đi quá dài thì tín
hiệu quang có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất rất thấp
và đầu thu không thể nhận dạng được tín hiệu, thì lúc đó ta phải sử dụng các trạm
lặp ở trên đường truyền. Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang
đã bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu
điện, tín hiệu điện này được khuếch đại, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu quang. Và
cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tới đầu thu. Như vậy
tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều là tín hiệu quang và trong trạm lặp có
cả khối chuyển đổi quang thành điện và điện thành quang.
Các cửa sổ truyền dẫn: Truyền dẫn trong sợi quang sử dụng các bước sóng có phổ
điện từ gần vùng hồng ngoại, phía trên vùng ánh sáng nhìn thấy và không thể nhìn
thấy được bằng mắt. Các bước sóng được sử dụng trong truyền dẫn quang điển hình
là 850 nm, 1310 nm, 1550 nm và 1625 nm. Laser thường được dùng cho các bước
sóng 1310 nm hoặc 1550 nm trong ứng dụng sợi quang đơn mode. LED được dùng
cho bước sóng 850 nm hoặc 1310 nm trong ứng dụng sợi quang đa mode. Dải của
các bước sóng được hiểu là một cửa sổ làm việc mà ở đó nó làm việc tốt nhất. Mỗi
cửa sổ là vị trí trung tâm khi bước sóng hoạt động bình thường.
1.2 Bộ phát quang
Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang và đưa
tín hiệu quang vào sợi quang để truyền dẫn. Sơ đồ khối tổng quát của một bộ phát
quang gồm có một nguồn quang, một bộ điều chế và một bộ ghép nối với sợi quang.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/63

Hình 1-4: Sơ đồ khối bộ thu quang

Các nguồn laser bán dẫn (LD) hoặc diode phát quang (LED) được dùng như những
nguồn quang. Tín hiệu quang được tạo ra bằng việc điều biến sóng mang quang. Có
hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp và điều biến ngoài. Ở phương thức
điều biến trực tiếp tín hiệu điện được đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn
quang thông qua mạch kích thích mà không cần sử dụng bộ điều biến ngoài.
Phương thức điều chế ngoài thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao. Ở đây
nguồn quang thường sử dụng là laser diode phát ra ánh sáng liên tục, còn tín hiệu
điện điều biến sóng mang quang thông qua bộ điều biến ngoài.
Có 2 loại nguồn phát ánh sáng chính được sử dụng cho sợi quang: LD và LED. Mỗi
loại sẽ có những ưu điểm và nhược điểm của riêng nó được liệt kê trong bảng sau:
Bảng 1-1: Bảng so sánh LED và Laser [3]

Đặc điểm
LED
Laser
Công suất đầu ra
Thấp hơn
Cao hơn
Độ rộng phổ
Rộng hơn
Hẹp hơn
Khẩu độ số
Lớn hơn
Nhỏ hơn
Tốc độ
Chậm hơn

Nhanh hơn
Giá
Rẻ
Đắt
Hoạt động dễ dàng
Dễ hơn
Khó hơn
LED thường được dùng ở các bước sóng 850 nm và 1310 nm, trong khi laser được
dùng chủ yếu ở bước sóng 1310 nm và 1550 nm.
LED: thường được dùng trong các hệ thống có tốc độ dữ liệu thấp hơn, hệ thống sợi
đa mode khoảng cách ngắn hơn bởi vì giới hạn băng thông vốn có của nó và công
suất đầu ra thấp hơn. Được dùng nhiều trong các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cỡ
hàng trăm MHz trái ngược với tốc độ dữ liệu của laser là GHz.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/63

LD (Laser diode): được dùng trong các ứng dụng có khoảng cách truyền dài hơn và
tốc độ dữ liệu cao hơn. Bởi vì LD có công suất đầu ra lớn hơn LED, nó có khả năng
truyền thông tin trên cự ly xa. Do đó, thực tế LD có độ rộng phổ hẹp hơn, nó có thể
đáp ứng truyền đạt băng thông cáp quang trên khoảng cách dài. Truyền dẫn tốc độ
cao sử dụng LD mang lại hiệu quả hơn nhiều hơn những nhược điểm đồng thời chi
phí cũng đắt theo.
1.3 Sợi quang
Cấu tạo cơ bản của sợi quang:

Hình 1-5: Cấu trúc cơ bản của sợi quang [1]

Sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có 2 lớp như sau:
-

Lớp trong cùng là lõi có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng

-

thủy tinh có chiết suất n1 được gọi là lõi sợi (core).
Lớp thứ bên ngoài cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp
vỏ bọc (cladding) có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc nhựa
plastic, có chiết suất n2 < n1.

Ánh sáng truyền từ đầu bên này đến đầu bên kia của sợi quang bằng cách phản xạ
toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi và lớp vỏ bọc, và được định hướng trong lõi.

Hình 1-6: Cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang [1]

Vai trò của một kênh thông tin là để truyền tải tín hiệu quang từ bộ phát tới bộ thu
mà tránh làm méo dạng tín hiệu. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sử dụng sợi
quang như là kênh thông tin vì các sợi quang thủy tinh có thể truyền dẫn ánh sáng
với suy hao nhỏ chỉ cỡ 0,2 dB/km. Vấn đề nghiêm trọng là việc trải rộng các xung
Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/63

quang khi truyền dẫn nhất là trong trường hợp các sợi đa mode do mức độ dãn xung
cỡ xấp xỉ 10 ns/km. Do vậy hầu hết các hệ thống thông tin quang ngày nay sử dụng
sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ hơn nhiều (< 0,1 ns/km).
Có 3 loại cáp sợi quang cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin quang:
-

Sợi đa mode chiết suất bậc: có chiết suất khúc xạ biến đổi từ thấp đến cao rồi
xuống thấp khi được tính từ lớp vỏ tới lõi quay ngược lại vỏ. Thuật ngữ “đa
mode” được dùng ý nói là có nhiều mode làm việc trong sợi quang. Sợi đa
mode chiết suất bậc được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit thấp
và băng rộng (< 1GHz) trong khoảng cách ngắn (<3 km) như mạng nội bộ

-

(LAN) hoặc mạng đường trục cỡ nhỏ.
Sợi đơn mode chiết suất bậc cho phép chỉ một đường, hoặc cho 1 mode ánh
sáng đi qua sợi quang. Các sợi đơn mode được dùng trong các ứng dụng mà
trong đó yêu cầu suy hao tín hiệu thấp và tốc độ dữ liệu cao. Vì sợi đơn
mode cho phép chỉ một mode hay tia sáng để truyền nên thường dùng trong
các tuyến đường dài mà ở đó khoảng cách lặp hay là khuếch đại đạt tối đa.
Hạn chế chính của sợi đơn mode là tương đối khó khăn để làm việc vì kích

-

thước lõi của nó nhỏ. Chỉ dùng nguồn phát lazer là chủ yếu.
Sợi chiết suất giảm dần có băng rộng cao hơn của sợi đơn mode. Với sự tạo
thành của lõi mà chiết suất khúc xạ giảm xuống theo hình parabol từ trung
tâm lõi đến vỏ, ánh sáng truyền qua trung tâm của sợi có chỉ số chiết suất cao
hơn ánh sáng truyền trong các mode cao.

1.4 Bộ thu quang
Bộ thu quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thu được tại đầu ra
tuyến sợi quang thành tín hiệu điện. Hình 1-11 cho thấy sơ đồ khối một bộ thu
quang trong đó bao gồm một bộ ghép nối, một bộ tách sóng quang và một bộ giải
điều chế. Bộ ghép nối để tập trung tín hiệu quang thu được vào bộ tách sóng quang.
Các diode thu quang bán dẫn được sử dụng như là các bộ tách sóng quang để
chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ giải điều chế phụ thuộc vào các
định dạng điều biến được sử dụng mà có cấu trúc một cách cụ thể. Các hệ thống
thông tin quang sợi hiện tại hầu hết sử dụng phương thức điều biến cường độ thu
Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/63

trực tiếp (IM/DD) thì quá trình giải điều chế được thực hiện bởi mạch quyết định để
xác định các bit thông tin thu được là 1 hoặc 0 phụ thuộc vào biên độ tín hiệu điện
thu được.

Hình 1-7: Sơ đồ khối bộ thu quang

Hiệu năng của một hệ thống thông tin quang được xác định qua tỉ số lỗi bit (BER)
như là xác suất trung bình thu sai bit. Hầu hết các hệ thống thông tin quang sợi xác
định BER cỡ 10-9 như là yêu cầu tối thiểu khi hoạt động, một số hệ thống thậm chí
còn yêu cầu BER rất nhỏ chỉ cỡ 10-14.
1.5 Ưu và nhược điểm của hệ thống thông tin quang
Ưu điểm:
-

Suy hao thấp: Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài hơn. Nếu so
sánh cáp đồng thì khoảng cách lớn nhất mà cáp quang có thể truyền là gấp 20
lần (100 m và 2000 m). Cáp đồng sẽ bị tăng suy hao khi tần số tín hiệu tăng

-

nhưng cáp quang thì không.
Dải thông rộng: Sợi quang có băng thông rộng cho phép việc thiết lập hệ
thống truyền dẫn số tốc độ cao. Hiện nay băng tần của sợi quang có thể lên

-

tới hàng THz.
Trọng lượng nhẹ: trọng lượng cáp quang nhỏ hơn so với cáp đồng. Điều này

-

giúp cho cáp quang dễ lắp đặt hơn.
Kích thước nhỏ tạo điều kiện sử dụng trong không gian chật hẹp được tối ưu

-

hơn.
Không bị nhiễu sóng điện từ.
Tính an toàn: Vì là chất điện môi nên không dẫn điện.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/63

-

Tính bảo mật: Sợi quang rất khó trích tín hiệu. Vì nó không bức xạ năng
lượng điện từ và ở dạng tín hiệu quang nên rất khó trích lấy thông tin bằng

-

các phương tiện điện thông thường.
Tính linh hoạt: Các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu hết các
dạng thông tin như số liệu, thoại, video.
Bảng 1-2: Bảng so sánh giữa cáp quang và cáp đồng [1]

Đặc tính
Dải thông
Cự ly truyền dẫn
Xuyên kênh
Trọng lượng
Kích thước
Nhược điểm:

Cáp đồng
100 MHz
100 m
Có
Nặng hơn
Lớn hơn

Cáp quang
Sợi đa mode
1 GHz
2000 m
Không
Nhẹ hơn
Nhỏ hơn

Sợi đơn mode
> 100 GHz
40000 m

-

Vấn đề biến đổi quang – điện: Trước khi đưa tín hiệu vào sợi quang thì cẩn

-

phải biến đổi nó thành sóng ánh sáng.
Giòn, dễ gẫy: Sợi quang sử dụng trong viễn thông được làm từ thủy tinh nên
rất giòn và dễ gẫy. Kích thước nhỏ nên việc hàn nối sợi là khá khó cần dùng

-

thiết bị chuyên dụng.
Vấn đề sửa chữa: Cần có một nhóm kỹ thuật viên có kỹ năng tốt cùng với

-

các thiết bị phù hợp.

Vấn đề an toàn lao động: Khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ
kín để không bị đâm vào tay. Đồng thời không được nhìn trực diện đầu sợi
quang hoặc các khớp nối để hở phòng ngừa có ánh sáng truyền trong sợi
chiếu trực tiếp vào mắt bởi vì ánh sáng trong sợi quang là ánh sáng hồng
ngoại không tốt cho mắt người bình thường.

1.6 Yêu cầu của đề tài
Thông tin quang ngày một phát triển đòi hỏi công nghệ cũng ngày một tương xứng
theo. Bởi thế mà công nghệ Radio over Fiber (quang vô tuyến) đã ra đời. Đồ án tốt
nghiệp này sẽ giúp ta hiểu thêm về công nghệ này thông qua việc sử dụng bộ điều
chế ngoài Mach Zehnder. Nội dung đề tài tốt nghiệp như sau:
-

Tìm hiểu tổng quan về Radio over Fiber và ứng dụng của nó.

-

Tìm hiểu tổng quan và ứng dụng của bộ lọc Mach Zehnder.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/63

-

Ứng dụng bộ lọc Mach Zehnder vào công nghệ Radio over Fiber.

-

Mô phỏng và phân tích các kết quả có được.

1.7 Giải quyết vấn đề
Ta sẽ tìm hiểu về công nghệ quang vô tuyến này đồng thời nắm được nguyên lý
hoạt động của nó khi dùng chung với bộ điều chế ngoài Mach Zehnder. Sau đó, mô
phỏng hệ thống quang vô tuyến Radio over Fiber với hai kênh tần số trên nền tảng
là phần mềm OptiSystem. Từ việc mô phỏng hệ thống quang vô tuyến bằng cách
này ta sẽ thấy được ưu điểm mà kỹ thuật này mang lại.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/63

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA RADIO OVER FIBER

2.1 Giới thiệu chung
Radio over fiber được nói đến là một dạng công nghệ đã được nghiên cứu trong
thập kỷ vừa qua và được tìm thấy nhiều ứng dụng của nó trong việc xử lý tín hiệu
quang (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bộ lọc quang vi sóng, tạo dạng
sóng tùy ý), hệ thống tạo sóng milimet hay liên kết chuyển đổi lên xuống cho các
ứng dụng như mạng truy cập không dây băng thông rộng, xử lý hình ảnh quang phổ
thiên văn vô tuyến. Trong các ứng dụng này thì tín hiệu vô tuyến điển hình xuất
hiện trong dải băng sóng milimet được truyền qua sợi quang sử dụng các nguồn

laser và các thiết bị điện quang. Việc sử dụng các liên kết sợi quang để phân phối
các tiêu chuẩn truyền thông là ứng dụng thành công của công nghệ RoF, thường
được gọi là mạng vô tuyến sợi quang (HFR). Do nhu cầu sử dụng đường truyền cao
nên các mạng HFR đã phát triển và khai thác các dịch vụ như xem phim độ nét cao,
chơi trò chơi trực tuyến, trải nghiệm internet.
Công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF cần thiết vào
một vị trí dùng chung (gọi là Central Office, CO) và sau đó sử dụng sợi quang để
phân phối tín hiệu RF đến các đơn vị truy cập từ xa (RAU). Điều này giúp tiết kiệm
chi phí quan trọng vì RAU có thể được đơn giản hóa đáng kể, vì chúng chỉ cần thực
hiện các chức năng chuyển đổi, lọc và khuếch đại. Có thể sử dụng các kỹ thuật ghép
kênh bước sóng (WDM) để tăng công suất và thực hiện các tính năng mạng tiên tiến
như phân bổ tài nguyên động. Sơ đồ RAU tập trung và đơn giản hóa này cho phép
vận hành và bảo trì hệ thống với chi phí thấp hơn, được phản ánh vào tiết kiệm
OPEX của hệ thống, đặc biệt là trong các hệ thống truyền thông không dây băng
thông rộng, nơi cần mật độ RAU cao.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/63

Hình 2-8: Sơ đồ đơn giản hóa của một hệ thống RoF [10]

Trong hình trên ta có:
-

LD: Diode laser.
BS: Trạm cơ sở.

RAU: Đơn vị truy cập từ xa.
BPF: Bộ lọc thông dải.
Amp: Bộ khuếch đại điện.

CO và RAU thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành quang (E/O) và quang thành
điện (O/E) tương ứng. Chuyển đổi E/O đạt được bằng cách sử dụng nguồn laser
được điều chế trực tiếp hoặc dùng bộ điều biến quang điện ngoài. Chuyển đổi O/E
được thực hiện bằng cách sử dụng bộ tách sóng quang hoặc bộ cảm biến quang. Về
truyền tải RF, khi tín hiệu được truyền trực tiếp ở tần số hoạt động, có những lợi ích
về chi phí, độ phức tạp và khả năng nâng cấp, vì không cần xử lý tín hiệu RF phức
tạp tại RAU bao gồm việc chuyển đổi lên, xuống hoặc hợp kênh, tách kênh ở các
băng tần cơ sở.
Các kỹ thuật RoF và hệ thống truyền dẫn hoàn chỉnh đã được chứng minh cho tần
số lên tới 120 GHz, ứng dụng thành công nhất của công nghệ RoF là truyền các tiêu
chuẩn không dây qua các liên kết sợi quang trong các kiến trúc tập trung cho cả ứng
dụng trong nhà và ngoài trời. Băng thông rộng của sợi quang tạo điều kiện cho hoạt
Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/63

động đa dịch vụ độc lập tiêu chuẩn cho các hệ thống di động, chẳng hạn như GSM,
UMTS, LAN không dây (WiFi 802.11 a/b/g/n) và cũng cho các công nghệ mới nổi
WiMAX và Ultra-wideband (UWB). Hai yếu tố chính hạn chế hiệu suất truyền tổng
thể trong các hệ thống RoF là nguồn quang và kỹ thuật điều chế quang. Về nguồn
laser, các laser bán dẫn được điều chế trực tiếp thì được tin dùng hơn do chi phí
thấp hơn. Đối với các tần số cao hơn bộ phát sử dụng điều chế ngoài.
2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2-9: Sơ đồ khối cơ bản của kỹ thuật RoF [7]

Trong đó:
-

CW: Continuous wave laser (laser phát sóng liên tục).
LO: Local Oscillator (dao động cục bộ).
PD: Photodetector (máy phát quang).
LNA: Low Noise Amplifier (bộ khuếch đại nhiễu thấp).
BPF: Band Pass Filter (bộ lọc thông dải).
HPA: High Power Amplifier (bộ khuếch đại công suất cao).
DCA: Digital Communications Analyzer (máy phân tích truyền thông kỹ
thuật số).

Các chu kỳ dữ liệu điện được chuyển đổi sang miền quang bằng cách điều chế
ngoài trong MZM để tạo ra các chu kỳ dữ liệu quang. Trong hình trên, các chu kỳ
dữ liệu điện được điều chế bằng OOK được tạo ra. Các dao động tần số thấp nhân
với 2 được áp dụng cho MZM thứ hai tại điểm truyền tối thiểu để tạo tín hiệu hai
dải quang với sóng mang bị triệt tiêu (điều chế triệt tiêu sóng mang). Tín hiệu sóng
milimet được chuyển đổi xuống bằng cách phát hiện homodyne điện sử dụng tín

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/63

hiệu LO nhân với 4 và tiếp tục lọc thấp để xác minh hoạt động thích hợp, không

truyền dẫn không khí.
2.3 Ưu điểm của công nghệ quang vô tuyến
Suy hao thấp:
-

Các tín hiệu được truyền trên sợi quang có suy hao thấp hơn các tín hiệu
được truyền trên các đường khác như cáp kim loại hay phương tiện không
dây. Bằng việc sử dụng sợi quang thì tín hiệu vô tuyến có thể truyền với một
khoảng cách xa hơn rất nhiều và giảm được việc sử dụng các bô lặp hay bộ

-

khuếch đại bố sung.
Việc phân phối tín hiệu vi sóng điện tần số cao trong không gian tự do khá là
rắc rối và tốn kém. Trong không gian tự do thì suy hao là do sự hấp thụ và sự
phản xạ tăng theo tần số. Trên đường dây truyền tải thì trở kháng tăng khi tần
số tăng điều này làm cho việc suy hao khá lớn. Do đó việc truyền các tín hiệu
vô tuyến tần số cao trên đường dài đòi hỏi sự tốn kém của thiết bị. Với các
loại sóng có kích thước milimet thì việc truyền qua đường dây là không khả
thi mặc dù truyền với khoảng cách khá ngắn. Giải pháp để thay thế cho vấn
đề này là phân phối tín hiệu gốc và tín hiệu ở tàn số trung gian thấp (IF) từ
trung tâm chuyển mạch đến trạm gốc (BS). Tín hiệu IF hay tín hiệu gốc được
chuyển lên thành tần số vi sóng hay tần số sóng mm theo yêu cầu tại mỗi
trạm gốc sau đó được khuếch đại và bức xạ. Vì sợi quang ít suy hao, công
nghệ RoF có thể được sử dụng cho sự phân bố suy hao thấp của sóng mm và
đồng thời đơn giản hóa bộ RAUs. Các sợi đơn mode chuẩn được làm từ thủy
tinh có tổn thất suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km ở bước sóng 1550 và
1300nm. Sợi quang học Polymer, một loại sợi phổ biến có mức độ suy giảm
cao từ 10 – 40 dB/km trong vùng từ 500 – 1300 nm. Suy hao này thấp hơn
cáp đồng trục khá nhiều, do đó truyền sóng bằng dạng quang thì có thể tăng

khoảng cách và giảm công suất cần truyền đi đáng kể.

Băng thông rộng:

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/63

-

Sợi quang cung cấp băng thông lớn. băng thông khi ghép lại của 3 bước sóng
850 nm, 1310 nm, 1550 nm là 50 THz nhưng ta chỉ sử dụng một lượng khá ít
của băng thông đó là 1.6 THz. Có thể mở rông băng thông bằng việc dùng
các sợi tán sắc thấp hay các kỹ thuật ghép kênh như OTDM và DWDM.
Công nghệ RoF dùng ghép kênh con SCM để tăng băng thông quang học sử
dụng. Trong SCM một vài sóng con điều chế từ dữ liệu số hoặc tương tự
được kết hợp và sử dụng để điều chế tín hiệu quang sau đó được mang trên
một sợi đơn. Điều này giúp hệ thống RoF có hiệu quả về chi phí.

Miễn nhiễm với nhiễu tần số vô tuyến:
-

Đây là đăc điểm đặc trưng của sợi quang đặc biệt là vi sóng. Có được điều
này là do tín hiệu được truyền dưới dạng ánh sáng thông qua sợi quang. Nhờ
sự miễn nhiễm này nên cáp quang được dùng ưu tiên cho các kết ngán ở
bước sóng mm. Đồng thời nó cũng cung cấp được sự riêng tư bảo mật cao
nhờ vào khả năng loại trừ việc nghe trộm.

Dễ cài đặt và bảo trì:
-

Trong hệ thống RoF các thiệt bị phức tạp và đắt tiền là đầu cuối, nên bộ
RAUs sẽ đơn giản hơn. Các thiết bị điều chế và chuyển mạch được giữ ở
thiết bị đầu cuối và được chia sẽ qua RAU. Việc này làm cho RAU giảm chi
phí lắp đặt và bảo trì hệ thống hiệu quả hơn. Chi phí thấp và lắp đặt dễ dàng
là yếu tố quang trong với hệ thống bước sóng mm vì số lượng RAU thường
rất nhiều.

Giảm điện năng tiêu thụ:
-

RAU đơn giản nên việc tiêu thụ điện giảm. Hầu hết thiết bị phức tạp nằm ở
thiết bị đầu cuối, nên đôi khi RAU hoạt động ở chế độ thụ động.

Vận hành đa truy cập và đa dịch vụ:
-

RoF cung cấp tính linh hoạt của hệ thống, tùy thuộc vào từng kỹ thuật tạo
sóng mà dạng tín hiệu tạo ra cũng sẽ khác nhau (dùng sợi tán sắc thấp, điều
chế sóng con). Cùng một mạng RoF có thể phân phối đa dịch vụ và đa truy
cập, làm tiết kiệm kinh tế cao.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 15/63

Phân bố nguồn động:
-

Trong hệ thống phân phối RoF thì lưu lượng GSM có thể phân bố đều ra phụ
thuộc vào nhu cầu tiêu dùng, hoàn cảnh, thời gian.

2.4 Hạn chế của công nghệ RoF
Vì được điều chế từ tín hiệu tương tự và tách sóng ánh sáng. Do đó các hạn chế
không thể tránh trong hệ thông RoF nói riêng và thông tin tương tự nói chung đó là
nhiễu và méo. Những hạn chế này gây ảnh hưởng đến hệ số nhiễu (NF) và dải động
(DR) trong các tuyến liên kết của RoF. Nguồn nhiễu trong đường truyền sợi quang
tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của tia 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 dùng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và
đồng thời là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF. Đối với hệ thống RoF
dùng sợi đa mode, tán sắc mode gây giới hạn băng tần và khoảng cách tuyến truyền
dẫn. Hiện nay thì các hạn chế này vẫn đang tìm cách khắc phục để hệ thống RoF
ngày càng hoàn thiện hơn.
2.5 Ứng dụng công nghệ RoF

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/63

Hình 2-10: Ứng dụng của RoF

Hệ thống phân phối video (VDSs): Băng thông lớn được cung cấp từ hệ thống RoF
là một yếu tố quan trọng cho VD. Ví dụ điển hình là truyền hình cáp đã sử dụng các
kỹ thuật truyền thông. Việc thay thế cáp đồng trục băng thông thấp bằng sợi quang
cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho số lượng người dùng nhiều hơn. Băng
thông cáp đồng trục không quá 1 GHz nhưng băng thông của sợi quang thì hơn giá
trị này khá nhiều.
Điều khiển vệ tinh: Việc điều khiển ăng ten từ xa đặt tại trạm vệ tinh mặt dất có thể
được thực hiện thông qua cáp quang. CO/CS có thể được tập trung tại một điểm cụ
thể để phục vụ cho nhiều trạm mặt đất điều khiển từ xa. Việc lựa chọn triển khai cáp
quang giữa CO/CS và trạm vệ tinh mặt đất là lựa chọn tốt nhất vì các trạm vệ tinh
mặt đất yêu cầu băng thông cao để quản lý hiệu quả hoạt động của các vệ tinh. Và
đồng thời nó tiết kiệm được số lượng CO/CS cần dùng.
Mạng di động: Mạng di động ngày càng trở nên phổ biến và tất cả nhà cung cấp
dịch vụ mạng di động đang triển khai nguồn lực của họ để đối phó với nhu cầu ngày
càng tăng. Nói về công suất thì hệ thống RoF cho sự lựa chọn tốt nhất vì cáp quang

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/63

cung cấp dung lượng lớn cho đường truyền giữa CO/CS với BS. Do đó việc tăng
dung lượng là cần thiết để tăng băng thông cho các dịch vụ.
Truyền thông trong giao thông: Hệ thống RoF có thể kiểm soát lưu thông của xe
bằng cách triển khai số BS dọc tuyến đường. Các BS này giao tiếp với các phương
tiện di chuyển trên đường thông qua tín hiệu vi sóng, trong khi đó thì các BS được
kết nối với CO/CS. Do các phương tiện di chuyển nhanh cho nên tín hiệu tần số cao

là cần thiết để theo dõi các phương tiện ấy. Do đó hệ thống RoF rất phù hợp với hệ
thống này.
Mạng LAN không dây (WLAN): Hiện tại thì WLAN cung cấp dung lượng tối đa là
11 Mbps trên mỗi sóng mang. Dung lượng thế hệ tiếp theo dự kiến sẽ là 54 Mbps
với việc sử dụng sóng tần số cao. Hệ thống RoF xuất hiện như là một giải pháp cho
vấn đề này vì cáp đồng không hiệu quả khi dùng tần số cao.
Dịch vụ băng thông rộng cho di động: Sự phát triển nhanh của các dịch vụ băng
thông rộng cho di động đòi hỏi băng thông phải lớn. Ví dụ điển hình là các dịch vụ
4G sử dụng tốc độ bit vào hàng MB. Do đó hệ thống RoF là lựa chọn tốt nhất trong
việc giải quyết nhu cầu về độ lớn băng thông để hỗ trợ nhiều người dùng hơn.
Không những thế, hệ thống RoF sẽ giúp cung cấp tín hiệu với chất lượng tốt hơn vì
các suy hao, phản xạ và các khuyết điểm khác được giảm đến mức tối thiểu.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/63

CHƯƠNG 3.

TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ ĐIỀU CHẾ
MACH ZEHNDER

3.1 Giới thiệu chung
Trong các hệ thống thông tin quang sợi hiện nay, kỹ thuật điều biến cường độ (IM)
vẫn là kỹ thuật sử dụng phổ biến mà ở đó công suất quang biến đổi theo dạng tín
hiệu điều biến. Kỹ thuật điều biến tín hiệu quang được thực hiện theo 2 cách là điều
biến trực tiếp và điều biến ngoài.

Hình 3-11: Hai loại điều chế cơ bản

3.1.1 Điều chế trực tiếp
Điều biến trực tiếp được thực hiện bằng cách điều chế thông tin dữ liệu trực tiếp lên
dòng bơm cho nguồn quang. Có 2 kiểu tín hiệu điều chế là tín hiệu tương tự và tín
hiệu số.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/63

Hình 3-12: Điều chế trực tiếp

Điều chế tín hiệu tượng tự, yêu cầu cơ bản là phải đảm bảo tín hiệu quang tạo ra
đúng như tín hiệu điều chế và không bị méo. Với nguồn LED thì độ rộng băng tần
điều biến thấp nên giới hạn tốc độ dữ liệu điều biến khi sử dụng LED thường chỉ
khoảng 100 Mb/s. Khi dùng nguồn LD thì có một vài vấn đề gặp phải là trễ bật, dao
động hồi phục và “chirp” tần lớn tốc độ điều biến của LD thưởng ở khoảng 2 Gb/s
trở xuống.

Hình 3-13: Đặc tính ngõ vào và ngõ ra của điều chế trực tiếp [13]

3.1.2 Điều chế ngoài
Điều chế tín hiệu quang không thực hiện bên trong laser mà được thực hiện bởi một
linh kiện quang bên ngoài gọi là điều chế ngoài. Trong điều chế ngoài cho thấy,
nguồn LD được kích thích ở một mức dòng không đổi để phát ra công suất quang

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/63

CW cung cấp cho bộ điều chế ngoài. Tín hiệu điều biến được đặt vào bộ điều chế
ngoài để điều biến sóng mang quang.
Có hai kiểu bộ điều chế ngoài thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang
sợi đó là bộ điều chế hấp thụ điện (EAM) và bộ điều chế điện quang (EOM). Kiểu
đầu tiên dựa vào sự biến đổi hệ số hấp thụ của một vật liệu bán dẫn khi có một điện
trường ngoài đặt vào, còn kiểu thứ hai dựa vào sự thay đổi chiết suất của tinh thể
điện quang dưới tác động của điện trường ngoài.

Hình 3-14: Điều chế ngoài

Như chúng ta đã biết, đối với các hệ thống truyền thông dưới 10 Gbit/s, việc biến
điệu tín hiệu được thực hiện trực tiếp từ việc biến điệu dòng điện bơm của laser bán
dẫn. Tuy nhiên, khi lưu lượng lên đến 10 Gbit/s hay hơn nữa, việc biến điệu trực
tiếp này gây nhiều phiền toái, đặc biệt là hiện tượng “chirp”, làm cho tín hiệu bị
biến dạng sau khi được truyền đi xa (>100 km) trên các sợi quang tiêu chuẩn. Do
đó, để đạt được sự điều biến ổn định ở các lưu lượng cao, chúng ta cần để laser hoạt
động ở chế độ dòng điện không đổi và dùng các bộ điều biến ngoài (external
modulator). Có hai loại điều chế ngoài đó là bộ điều chế Mach Zehnder và bộ điều
chế EA.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/63

Hình 3-15: Đặc tính ngõ vào và ngõ ra của điều chế ngoài [13]

3.1.3 Ưu và nhược điểm của hai bộ điều chế
Bảng 3-3: Ưu điểm và nhược điểm của hai bộ điều chế

Điều chế trực tiếp
Điều chế ngoài
- Đơn giản.
- Băng thông điều chế
- Rẻ vì không cần đến
không bị giới hạn.
mạch phức tạp trong quá - Không xảy ra hiện tượng
Ưu điểm

trình xử lý điều chế.

- Băng thông bị giới hạn
- Hiện tượng “chirp” đối

“chirp”.
- Không bị giới hạn công
suất phát quang.
- Xử lí nhanh hơn.
- Đắt hơn điều chế trực

tiếp.

với tín hiệu quang làm - Mạch điều chế RF tần số

Nhược điểm

tăng độ rộng phổ.
cao sẽ phức tạp hơn.
- Chậm hơn so với điều - Suy hao xen cao.
- Điện áp điều chế tương
chế gián tiếp hoặc điều
đối cao.
chế ngoài.
- Chỉ có thể được sử dụng
dưới 3 GHz.

Hiện nay các bộ biến điệu điện - quang dùng LiNbO3 (bộ điều chế Mach Zehnder)
được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền thông. Nguyên nhân chính là bộ biến
điệu này áp dụng được với rất nhiều phương pháp điều chế (ASK, DPSK...), trong
khi đó EAM chỉ dùng được cho ASK.

Phân tích hiệu suất của Radio over Fiber
bằng bộ điều chế Mach Zehnder