Tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp về cầu trúc, nguyên lý hoạt động, khả năng áp dụng của hệ thống vào mạng lưới viễn thông

Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Lời Mở Đầu
Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế,
Vị thế của Việt Nam ngày càng cao trên trường quốc tế. Với xu thế hội nhập
và toàn cầu hoá thì nhu cầu về thông tin liên lạc trở nên vô cùng quan trọng.
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về thông tin liên
lạc ngày càng cao. Mà các hệ thống thông tin hiện nay không thể đáp ứng
được những yêu cầu về dung lượng và tốc độ truyền dẫn. Hầu hết, các hệ
thống thông tin quang đang khai thác trên mạng lưới hiện nay đều sử dụng
các hệ thống điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM – DD (Intensity
Modulation – Derect detection). Tuy nhiên kỹ thuật này vẫn chưa tận dụng
hiệu quả băng tần của sợi quang đơn mode hiện nay. Vấn đề đặt ra là ta phải
tận dụng được băng tần rộng của sóng ánh sáng để không bị lãng phí. Do vậy
người ta đã đưa ra một hệ thống thông tin quang mới là hệ thống thông tin
quang kết hợp (Coherent optical systems).
Cho đến nay, hệ thống thông tin quang kết hợp vẫn đang ở trong quá
trình nghiên cứu và thử nghiệm. Tuy nhiên, nó đã chứng tỏ những ưu điểm
vượt trội của nó so với hệ thống IM – DD về khả năng nhạy thu, tốc độ truyền
dẫn… Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng như AT&T, NTT, KDD, Acatel,
Intatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ thông tin quang vào mạng viễn
thông là hướng mạnh nhằm nâng cao khả năng truyền dẫn và kéo dài cự ly
giữa các trạm lặp.
Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp về
cầu trúc, nguyên lý hoạt động, khả năng áp dụng của hệ thống vào mạng lưới
viễn thông. Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang kết hợp.
Chương II: Các phương pháp điều chế trong hệ thống thông tin quang
kết hợp.

Chương III: Máy thu quang coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến
độ nhạy máy thu
Chương IV: Những kĩ thuật viễn thông tiên tiến và việc áp dụng vào
SV: Lê Duy Tùng

2

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

mạng lưới viễn thông.
Để hoàn thành đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn
Chu Công Cẩn đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình em
làm đồ án. Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng tìm hiểu công nghệ và
ứng dụng thực tế. Tuy nhiên do hạn chế về trình độ và giới hạn về mặt tài liệu
nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo
đóng góp tận tình của các thầy và các bạn sinh viên để đồ án của em hoàn
thiện hơn.

Sinh viên

Lê Duy Tùng

SV: Lê Duy Tùng

3

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

MỤC LỤC
Lời Mở Đầu.......................................................................................................2
Danh Mục Các Từ Viết Tắt...............................................................................6
Danh Mục Các Hình Vẽ....................................................................................9
Chương I..........................................................................................................11
Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp................................................11
(Coherent optical systems)..............................................................................11
I.Giới thiệu chung:.......................................................................................11
1. Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:.....................................11
2. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp:.................................12
II. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp:.....................15
III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp:................17
1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:.....................................................17
2. Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection):......................................20
3. Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):........................................21
Kết Luận..........................................................................................................24
Chương 2:........................................................................................................25
Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống Coherent.................................25
I.Điều chế trong thông tin quang Coherent:................................................25
1. Các kỹ thuật điều chế:.........................................................................25
II. Kỹ thuật điều chế ngoài laser:................................................................33
1.Giới thiệu chung:..................................................................................33

2. Bộ điều chế pha (Phase Modulator):...................................................34
3. Bộ điều chế cường độ:.........................................................................36
III. Điều chế phân cực:................................................................................38
1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent:......................38
2. Các phương pháp điều khiển phân cực:..............................................39
Kết Luận..........................................................................................................44
Chương III :Máy thu quang Coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy
máy thu............................................................................................................45
I. Các nguyên lý tách sóng:.........................................................................45
II. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent :..............................45
1.Tách sóng heterodyne đồng bộ.............................................................47
2.Tách sóng Heterodyne không đồng bộ.................................................49
3. Tách sóng Homodyne..........................................................................50
4.Vòng khóa pha trong máy thu quang coherent.....................................51
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu:........................................53
1.Nhiễu pha:............................................................................................53
2. Nhiễu cường độ:..................................................................................54
3. Không tương xứng về phân cực:.........................................................56
4. Tán sắc trong sợi quang:......................................................................56
SV: Lê Duy Tùng

4

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

5. Các yếu tố hạn chế khác:.....................................................................56
IV.So sánh một số loại thu coherent............................................................57
1. So sánh thu trực tiếp và thu Coherent:................................................57
2. So sánh thu heterodyne và thu homodyne:..........................................61
Kết Luận..........................................................................................................65
Chương IV.......................................................................................................66
Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin quang kết hợp và những kỹ thuật
tiên tiến............................................................................................................66
I. Khả năng áp dụng của kỹ thuật thông tin quang coherent vào mạng lưới.
.....................................................................................................................66
1. Khả năng áp dụng vào mạng lưới:......................................................66
2. Những tồn tại trước mắt của hệ thống thông tin quang coherent:.......69
II. Một số kỹ thuật Coherent tiên tiến:........................................................71
1. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM:..............................71
2. Kỹ thuật truyền dẫn phân cựu đa mức:...............................................72
3. Ghép kênh quang theo tần số OFDM:.................................................76
III. Kỹ thuật về hệ thống:............................................................................78
1.Tạo ra một hệ thống có năng lực truyền dẫn cao:................................78
2. Tận dụng được băng tần rất rộng của sóng ánh sáng nói chung và sợi
quang Single mode:.................................................................................79
3. Hệ thống Coherent cho phép truyền một số lượng lớn kênh:.............80
4. Hệ thống Coherent cho khả năng lựa chọn độ nhạy thu:....................81
IV. Tiến bộ Kỹ thuật công nghệ:..................................................................82
1.Làm hẹp độ rộng phổ:..........................................................................83
2. Ổn định tần số và công suất phát:........................................................85
3. Các thiết bị quang thụ động:................................................................85
V. Thực trạng thông tin quang trên thế giới:...............................................86
1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa trên các hiện tượng thông tin quang
kết hợp thực nghiệm ở các nước:............................................................86
2. Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm:....................................................88

Kết Luận..........................................................................................................95
Phụ Lục I: Các tham số của sợi đơn mode theo CCITT..................................96
Phụ Lục II. Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi..........................................97
Kết Luận Chung..............................................................................................98
Tài Liệu Tham Khảo.......................................................................................99

SV: Lê Duy Tùng

5

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Danh Mục Các Từ Viết Tắt
ACS

Average Modulation

Điều biên

ADC

Analog digital converter

Chuyển đổi tương tự - số

AFC

Automatic
Control

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

AMP

Amplier

Bộ khuếch đại công suất

ATT

Attenuator

Bộ làm giảm công suất

ASK

Amplitude shift keying

Khoá dịch biên

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

CPSK

Continous phase shift keying

Khoá dịch pha liên tục

CD

Common drain

Cực sóng mang

DPSK

Differrential Shift Keying

Khoá dịch pha vi phân

DFB

Distributed Feedback

Phản hồi phân bố

DFB-LD

Distributed
laserdiode

EDFA

Erbium
Amplier

Frequency Bộ điều khiển tần số tự động

Feedback- Laser phản hồi phân bố
Doped

Ferber Khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium

ECL

Laser cộng hưởng ngoài

FDM

Frequency
Multiplexing

FTTH

Fiber to the house

Sợi quang tới tận nhà

FM

Frequency Modulation

Điều tần

FET

Field effect transistor

Transistor hiều ứng trường

FWM

Four wave mixing

Trộn 4 sóng

IM-DD

Intensity
Modulation
Derect Detection

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

HCS

Hight Coherent Systems

Hệ thống có mức độ kết hợp cao

MSK

Minimum Shift Keying

Khoá dịch pha tối thiểu

SV: Lê Duy Tùng

Division Ghép kênh tần số

– Điều biến cường độ - tách sóng
trực tiếp

6

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

MAN

Metropolitan Area Networks

Mạng khu vực nội thị

OFDM

Optical Frequency Division Ghép kênh quang theo tần số
Multiplexing

ODEMUX Optical Demultiplexing

Giải ghép quang

OMUX

Optical Multiplexing

Ghép quang

OTDM

Optical
Time
Multiplexing

OOK

On – Off keying

Khoá đóng mở

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

LD

Laser diode

Điốt laser

LDA

Laser diode Amplier

Khuếch đại laser

LCS

Low Coherent Systems

Hệ thống có mức độ kết hợp thấp

LAN

Local Area Networks

Mạng nội hạt

PLL

Phase Locked Loop

Mạch khoá pha

PSK

Phase Shift Keying

Khoá dịch pha

PLSK

Polarization Shift Keying

Khoá dịch phân cực

PM

Phase Modulation

Điều pha

PIN

Positive Intrinsic Negative

Cấu trúc PIN

QPSK

Quadrature
Keying

QAM

Quadrsture
Modulation

SMF

Single Mode Fiber

Sợi quang đơn mode

SRS

Stimulated Raman Scattering

Tán xạ Raman kích thích

SBS

Stimulated
Scattering

TDM

Time Division Multiplexing

SV: Lê Duy Tùng

Division Ghép kênh quang theo thời gian

Phase

Shift Khóa dịch pha cầu phương

Amplitude Điều biên cầu phương

Brillouin Tán xạ Brillouin kích thích

7

Ghép kênh theo thời gian

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền.............................13

Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền.............14
Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp....................15
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent....................18
Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần................................................20
Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần...................................................22
Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent..........................................23
Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK..........................................26
Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK................................27
SV: Lê Duy Tùng

8

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Hình 2.3: Phổ công suất của tín hiệu trung tần FSk..................................28
Hình 2.4: Phổ công suất điều chế tín hiệu PSK..........................................29
Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân
cực là song song với các trạng thái phân cực..............................................31
Hình 2.6: Đồ thị vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội nằm ở
góc 450.............................................................................................................31
Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân
cực là song song với các trạng thái phân cực..............................................32
Hình 2.8: Đồ thì vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội được
định hướng theo cùng một phương với một trong các trạng thái phân cực
.........................................................................................................................33

Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha............................................................35
Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng..............................37
Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học.........38
Hình 2.12. Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực................40
Hình 2.13. Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi
phân cực.........................................................................................................41
Hình 2.9: Máy thu phân cực trực giao........................................................43
Hình 3.1 : Mô hình bộ thu coherent cơ bản................................................45
Hình 3.2 : Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản...................................47
Hình 3.3 :Các kỹ thuật khôi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu
quang Coherent PSK.....................................................................................49
Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne không đồng bộ......................................50
Hình 3.6:Bộ thu vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường.................52
Hình 3.7 :Bộ thu vòng khóa pha quang Costas..........................................52
Hình 3.8. Bộ thu coherent cân bằng hai nửa...............................................55
Hình 3.9: Sự phụ thuộc tỷ số S/N vào công suất thu..................................59
Hình 3.10. Mẫu thu coherent........................................................................61
Hình 4.1. Nguyên lý của thiết bị tách quang Kerr......................................72
Hình 4.2: sơ đồ máy điều biên phân cực.....................................................73
Hình 4.3. Sơ đồ khối máy thu.......................................................................75
Hình 4.4.Cấu hình hệ thống thực nghiệm ghép 100 kênh quang theo
nguyên lý OFDM...........................................................................................77
Hình 4.5. mức tín hiệu của thực nghiệm OFDM có trạm lặp quang........78
Hình 4.6. Ghép kênh quang TDM................................................................80
Hình 4.7. Ghép kênh quang theo tần số......................................................81
Hình 4.8. cấu trúc laser phản hồi phân bố DFB.........................................83
Hình 4.9. Sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy clock.........................88
Hình 4.10. lắp đặt truyền QPSK kết hợp 1.4 Gbit/s với coupler 3x3 sử
dụng trong bộ thu..........................................................................................91
Hình 4.11. kết quả đo BER công suất khuếch đại đầu vào cho truyền dẫn

đồng bộ QPSK 1,4Gbit/s...............................................................................92

SV: Lê Duy Tùng

9

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Chương I
Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp
(Coherent optical systems)
I.Giới thiệu chung:
1. Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:
Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao
về tính kết hợp thời gian của nguồn phát quang laser và độ kết hợp về không
gian trong bộ tách sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội.
Vào những năm của thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp đã
được các nhà nghiên cứu đề cập và chứng minh là có thể sử dụng kĩ thuật đổi
tần tín hiệu truyền tin trên hệ thống sợi quang. Nhưng vào thời kì này công
nghệ quang và công nghẹ laser không thoả mãn và đáp ứng được những yêu
cầu đặt ra.

SV: Lê Duy Tùng

10

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Những năm đầu thập kỉ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đã đạt được
những thành tựu to lớn. Cáp sợi quang single mode có tiêu hao cỡ nhỏ hơn
0,2db/km tại cửa sổ truyền dẫn với bước sóng 1550nm. Cùng với sự phát triển
công nghệ cáp sợi quang là công nghệ laser bán dẫn cũng đạt được những
bước tiến dài. Các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép và có bước
sóng ổn định tương thích với sợi quang, độ rộng phổ cho phép tán xạ trên
đường truyền là không đáng kể. Chính nhờ các thành tựu trên việc nghiên cứu
thông tin quang kết hợp đã thu được những kết quả tốt đẹp, Có nhiều công
trình thử nghiệm về hệ thống thông tin quang kết hợp đã được tiến hành ở
nhiều nước như: Nhật Bản , Mỹ, Châu Âu. Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng
như AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ thông
tin quang kết hợp vào mạng viễn thông là hướng mạnh nhằm nâng cao khả
năng truyền dẫn và kéo dài cự ly giữa các trạm lặp.
Như ta đã biết trong các hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng kĩ
thuật điều biến và giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation –
derect detection) có đặc điểm:
- Đối với các hệ thống thông tin số và tương tự, cường độ ánh sáng
phát ra ( LED và Laser) được điều chế trực tiếp đối với dòng tín
hiệu vào.
- Không sử dụng pha của sóng mang để truyền tin.
Còn khả năng tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang,
tín hiệu được trực tiếp tách ra ở băng tần cơ sở mà không có bất kì sự xử lý

hoặc biến đổi nào.
Khác với hệ thống IM – DD các hệ thống thông tin quang kết hợp có
đặc điểm sau:
- Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầu
cao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể điều chế trực
tiếp hoặc điều chế ngoài).
- Độ phân cực được giữ nguyên trong quá trình truyền.

SV: Lê Duy Tùng

11

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

- Trước khi tách sóng ở phía nguồn thu, tín hiệu thông tin được trộn
với tín hiệu dao động nội. Như vậy, ánh sáng đã được xử lý trước
khi tới photodiode.

2. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp:
2.1. Nâng cao độ nhạy thu:
Trong các hệ thống thông tin quang Coherent có sử dụng phương pháp
thu homodyne hoặc heterodyne cho phép kéo dài khoảng cách giữa hai trạm
lặp, tăng tốc độ trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong
mạng hạt hoặc thuê bao. Độ nhạy thu được nâng từ 15 – 20dB so với thu trực
tiếp . Hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc độ nhạy thu và tốc độ truyền trong 2

trường hợp thu trực tiếp và thu kết hợp với các dữ liệu: tỉ lệ lỗi bit 10 -9 cửa sổ
hoạt động 1550nm (với độ suy hao < 0,2dB/km), sử dụng kỹ thuật điều biến
và tách heterodyne với thu trực tiếp.

SV: Lê Duy Tùng

12

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền
Như vậy, khoảng cách giữa hai trạm lặp được nâng lên đến 75 – 100km
thậm chí có thể đạt tới vài trăm km. Trên hình 1.2 biểu diễn sự phụ thuộc giữa
độ dài khoảng lặp và tốc độ truyền đối với thu trực tiếp và thu kết hợp.
VD: với tốc độ truyền là 1,2Tbit/s khoảng lặp giữa thu trực tiếp là
200km và với thu coherent là 280km.

2
Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền
2.2: Nâng cao khả năng truyền dẫn:
Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quang
kết hợp có dung lượng truyền lớn. Điều này có thể thấy rõ ngay qua ví dụ sau:
Nếu trong vùng cửa sổ hoạt động 1550nm (tương ứng với dải tần 200THz)
chọn độ rộng phổ để truyền (chẳng hạn 1,47…1,57µm) thì trong vùng này có
thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương.

2.3: Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:
Khả năng lựa chọn kênh ở phía thu dựa trên khả năng nguồn thu có thể
điều chỉnh tín hiệu bằng cách thay đổi công suất phát dao động nội. Như vậy,
người sử dụng có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh ( các
kênh này được ghép theo tần số).
SV: Lê Duy Tùng

13

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

2.4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang:
Kết hợp thu coherent với kĩ thuật thu khuếch đại quang có thể tạo nên
các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và kéo dài khoảng
cách giữa hai trạm lặp (có thể đạt tới 10000km). Khả năng này được ứng
dụng trong các tuyến thông tin đường trục và tuyến cáp quang biển.
Mặt khác, chúng ta cũng thấy rằng sự khác nhau về độ nhạy thu của hai
kĩ thuật thu heterodyne và thu homodyne là 3dB. Đây cũng là điểm khác biệt
nổi bật của thu kết hợp, bởi vì trong hệ thống thông tin vô tuyến, các nguồn
thu đổi tần và đồng tần đều có đặc điểm giống nhau.

II. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp:
Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày trong
hình 1.3:

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp
+ Bộ điều khiển: Driver
+ Điều chế ngoài: External Modulation.
+ Laser diode.
+ Sợi quang
+ Trộn quang: optical m
+ Dao động nội: Local osillator.
+ Bộ lọc: fillter.
+ Lọc vòng: Loop fillter.
+ Giải điều chế: Demodulation.
SV: Lê Duy Tùng

14

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

+ Tầng khuếch đại:
+ AFC.
Hệ thống thông tin quang kết hợp gồm hai thành phần chính là phần
phát và phần thu.
a. Phía phát gồm: Mạch điều khiển, laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu. Ngoài
ra còn có thể có thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công suất khi
cần thiết.
+ Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode có độ rộng phổ hẹp, thường
là loại laser DFB có độ rộng phổ 0,1nm, loại laser có bộ cộng hưởng ngoài

hoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10 ÷ 100MHZ. Các loại LED và
laser đa mode không thích hợp cho hệ thống Coherent vì độ rộng phổ của
nguồn luôn yêu cầu phải hợp hơn độ rộng băng tần của tín hiệu. Nguồn
laser cần phải đặt trong một bộ ổn nhiệt, nhiệt độ của nó được điều khiển
trong vùng 0,010C để đảm bảo ổn định tần số. Để đền bù sự suy giảm công
suất phát, người ta đưa thêm bộ hiệu chỉnh công suất tự động. Một phần
tín hiệu thông tin được trích từ nguồn phát, qua bộ phận điều chỉnh công
suất tự động, được xử lý và tín hiệu này điều khiển dòng bơm laser ban
đầu.
+ Bộ điều chế ngoài có thể được thực hiện theo hai phương án sau:
- Điều khiển dòng nội xạ của nguồn laser, phương pháp này thường
dùng trong hệ thống điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift
Keying).
- Điều chế trường quang phát từ nguồn laser bằng các thiết bị thích
hợp dùng trong hệ thống ASK (Amplinude Shift Keying), PSK
(Phase Shift Keying), DPSK (Differential Phase Shift Keying).
- Trong bộ điều biến cần có bộ cách ly quang (Optical Isolator) và sợi
quang nhằm ngăn chặn phản xạ quang (optical Reflection) gây mất
ổn định sóng mang quang hoặc độ rộng phổ laser.
b. Phía thu gồm:
Bộ thu là phần phức tạp nhất của hệ thống và là đặc trưng nhất của hệ
thống Coherent.
SV: Lê Duy Tùng

15

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Phần thu gồm: Bộ trộn quang laser dao động nội photodiode, bộ tiền
khuếch đại, bộ giải điều chế ở trung tần và mạch quyết định.
+ Bộ trộn quang là một thiết bị bốn cửa tương tự như ghép hướng siêu
cao tần. Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động
nội) được trộn với nhau và được cộng tuyến tính ở cửa ra của chúng. Nó có
thể cấu tạo từ một gương bán phản xạ (phản xạ một nửa), hai lăng kính lập
phương hoặc bộ ghép sợi nóng chảy. Để đảm bảo phách đúng tín hiệu với bộ
sóng dao động nội, một vấn đề cần thiết cần phải đạt được là cả hai trường
quang cần phải đồng hướng trên mặt của photodiode. Vì trạng thái phân cực
của trường tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng, cho nên cần phải dùng một bộ
điều khiển phân cực đặc biệt ở đầu cuối tuyến sợi quang. Độ lệch giữa các
trạng thái phân cực của tín hiệu dao động nội có thể gây ảnh hưởng đến chất
lượng hệ thống. Tần số của sóng dao động nội và tín hiệu có thể là giống nhau
(đối với thu homodyne) hoặc khác nhau (đối với thu heterodyne) với hiệu số
là bằng trung tần.
+ Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phần phát là cơ bản giống
nhau, chỉ có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng điều
chỉnh từng tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau
khi trộn luôn ổn định.
+ Bộ trộn và photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (khi
thu heterodyne) hoặc một bộ tách pha (khi thu homodyne). Dòng tín hiệu ở
đầu ra bộ tách sóng quang photodiode được đưa đến bộ tiền khuếch đại, rồi
được lọc thông giải để giới hạn độ rộng băng tần nhiễu và sau đó giải điều chế
tương ứng với dạng điều chế.
Ở đây, chúng ta cần phải lưu ý rằng nhiễu phase trong laser là một vấn
đề quan trọng trong hệ thống Coherent vì nó xác định độ rộng băng tần của bộ
lọc tần số trung gian, và rõ ràng nó quyết định độ rộng băng tần của tín hiệu.

Một phần dòng sau lúc biến đổi quang điện (O – E) được sử dụng để chốt tần
số trung tần (trung gian) tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiển
tần số tự động AFC. Tín hiệu sau bộ tiền khuếch đại được đưa đến bộ lọc
vòng và sử dụng điều khiển laser dao động nội bằng một mạch thích hợp.

SV: Lê Duy Tùng

16

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết
hợp:
1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hình 1.4 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent.

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent
Giả sử trường điện từ của tín hiệu truyền đi là sóng phẳng có dạng sau:
Es = As.cos[(wst + φs(t)) ]
(1.1)
Trong đó: As: biên độ của trường tín hiệu quang
s: tần số tín hiệu điện.
Φs(t): pha của tín hiệu.
Để truyền thông tin người ta có thể sử dụng điều chế biên độ, điều chế
tần số, điều chế pha của tín hiệu:

+ Điều chế khoá dịch biên ASK hoặc là khoá đóng mở OOK: Trong
phương pháp này φs là hằng số và biên độ As chỉ nhận một trong 2 giá trị
trong mỗi chu kì bit, phụ thuộc giá trị 0 và 1 của tín hiệu truyền đi.
+ Điều chế khoá dịch tần FSK: Trường hợp này biên độ As là hằng số
còn φs(t) nhận các giá trị 1(t) và 2(t) tương ứng với các giá trị của tín hiệu
nhị phân.
+ Điều chế khoá dịch pha PSK: Với phương pháp này thông tin được
truyền đi thông qua sự thay đổi phase. Với sóng hình sin
Φs(t) = sinm(t). Trong đó  là hệ số điều chế phase và m là tần số điều chế.
SV: Lê Duy Tùng

17

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Đối với các hệ thống thu trực tiếp (Derect Detection), tín hiệu điện tới
bộ phát sẽ điều chế biên độ mức công suất quang của nguồn phát laser. Như
vậy, công suất quang sẽ tỉ lệ với mức biên độ tín hiệu điện. Tại phía thu tín
hiệu quang tới được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện. Dòng được tách
trực tiếp này tỉ lệ với cường độ của tín hiệu quang:
2

*

I DD E s .Es 

As
.1  cos 2mT  2 s  
2

(1.2)

số hạng  2mT  2 s  khi thu sẽ không còn, như vậy với tách sóng trực tiếp thì:
*

I DD E s .Es 

As
2

2

(1.3)

Đối với hệ thống thông tin quang kết hợp tại đầu thu tín hiệu mang tin
tới trộn với tín hiệu dao động nội tại bộ trộn. Tại đầu ra của bộ trộn có tín hiệu
tần số trung tần và sau đó tách sóng tín hiệu trung tần này. Có 4 phương pháp
giải điều chế tuỳ thuộc vào cách trộn tín hiệu như thế nào (là heterodyne hay
homodyne) và cách tách tín hiệu (tách đồng bộ hay tách không đồng bộ). Tín
hiệu sau khi trộn được đưa đến photodiode. Nếu trường dao động quang nội
có dạng:
ELO = ALOcos[LOt + φLO(t) ]

(1.4)

Trong đó, ALO, LO, φLO là biên độ tần số pha của truyền dao động nội.
Ta có dao động sau khi tách sóng:
ICOH = (Es + ELO)2
2

2

A
A
= s  LO  As . ALO . cos s  LO     t   .cos(t)
2
2

(1.5)

Với: φ(t) = [φs(t) – φLO(t) ] là độ lệch pha giữa tín hiệu truyền tin và tín
hiệu dao động nội:
cos 

Es .E LO
Es E LO

Biểu hiện độ phân cực giữa sóng ánh sáng tín hiệu và sóng dao động
nội, ở đây vẫn sử dụng điều kiện là các số hạng chứa tần số cao không còn
sau khi tách sóng.
SV: Lê Duy Tùng

18

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47

Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Khi công suất quang tỷ lệ với cường độ thì tại photodiode có công suất
quang tới là:
P(t) = Ps +PLO +2(Ps.PLO)1/2.cos[(s +LO) + φ(t) ]. cos(t)

(1.6)

Trong đó Ps và PLO là công suất quang của tín hiệu dao động nội.
IF = (s +LO) là tần số trung tần nằm trong dải tần vô tuyến.
Từ các biểu thức tính dòng ICOH và P(t) có thể rút ra một vài nhận xét
sau:
- Phổ công suất trung bình của dòng tín hiệu tại trung tần bằng tổng phổ
công suất của tín hiệu và dao động nội, nhưng của dao động nội là chính.
- Méo tín hiệu là do thành phần phase, và những phase chủ yếu do
nguồn và bộ dao động nội gây ra. Đây là nguồn nhiễu chủ yếu của hệ thống
thông tin quang kết hợp.
- Thông qua hệ số cos(t) nhận thấy phải có yêu cầu nghiêm ngặt về độ
phân cực của tín hiệu và của dao động nội.

2. Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection):
Trường hợp tách sóng đồng tần là khi tần số của tín hiệu và của bộ dao
động nội bằng nhau (IF = 0). Được mô tả như hình vẽ 1.5:

Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần

SV: Lê Duy Tùng

19

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Dòng điện sau khi ra khỏi photodiode được đưa vào bộ lọc thông giải
và tín hiệu được khôi phục trực tiếp tại băng tần cơ sở. Lúc này biểu thức trở
thành:
P (t ) 

Ps  PLO
 Ps .PLO . cos (t ). cos  (t )
2

(1.7).

Ở đây chú ý là PLO > Ps và PLO là một hằng số và giả thiết góc phân cực
giữa sóng tín hiệu đến và sóng của bộ dao động nội (t) = 0 thì thành phần
công suất chứa thông tin truyền đi được biểu diễn dưới dạng:
P (t ) 

Ps  PLO
 Ps .PLO . cos  (t )
2

(1.8)

Trong hệ thống tách sóng đồng tần ta có thể dùng các dạng điều chế
thông tin như ASK < thay đổi mức tín hiệu Ps và giữ nguyên (t ) không đổi.
Mức “0” ứng với khi Ps = 0.
Mức “1” ứng với khi có Ps.
Hay là điều chế PSK thay đổi pha  s (t ) của tín hiệu và giữ nguyên Ps
không đổi:
Mức “0” ứng với  s   LO 
Mức “1” ứng với  s   LO 0 .
Khi tăng công suất của bộ dao động nội PLO thì ta tăng được thành phần
P (t )  Ps .PLO . cos  (t ) (hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu) nên độ nhạy

thu sẽ lớn hơn trong trường hợp tách sóng trực tiếp.
Mặc dù các máy thu đồng tần mang lại độ nhạy thu cao nhất cho hệ
thống thông tin quang kết hợp, nhưng rất khó thực hiện vì trong cả hai trường
hợp tách sóng ASK và PSK ở trên có một yêu cầu khắt khe là hai tần số tín
hiệu đến và dao động nội phải luôn ổn định và bằng nhau.

3. Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):
Khi tần số của tín hiệu đến và tần số dao động nội khác nhau thì ta có
trường hợp tách sóng đổi tần.

SV: Lê Duy Tùng

20

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47

Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Tần số trung tần fIF = fs – fLO được chọn nằm trong giải sóng vô tuyến
khoảng vài trục MHZ đến hàng trăm MHZ.
Giá trị cụ thể fIF tuỳ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế được
sử dụng trong hệ thống đó. Một yêu cầu đặt ra là cần phải ổn định tần số trung
gian trong quá trình hoạt động . Hình vẽ 1.6 mô tả sơ đồ khối của máy thu
Coherent tách sóng đổi tần. Dòng điện ở đầu ra của photodiode được đưa vào
mạch lọc và giải điều chế tái tạo lại thông tin ban đầu.

Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần
Trong hệ thống này có thể sử dụng các phương pháp điều chế ASK,
PSK, FSK. Khi PLO >> Ps ta bỏ qua Ps trong biểu thức (7) và nó trở thành:
P(t ) 

PLO
 Ps .PLO . cos s   LO t   t  . cos   t 
2

(1.9).

Lúc đó thành phần dòng một chiều tại đầu ra của bộ thu được cho bởi
công thức:
idc 

S .P0
2

(1.10).

Và thành phần dòng tín hiệu iIF(t) được biểu diễn như sau:
iIF (t ) S . Ps .PLO . cos  IF (t )   t  . cos   t 

(1.11).

Thông thường thành phần dòng một chiều idc bị lọc bỏ thành phần dòng
tín hiệu khuếch đại và được giải điều chế để khôi phục lại dòng thông tin số
ban đầu:
SV: Lê Duy Tùng

21

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Nếu thay công suât bằng biên độ trường thì ta được công thức:
S
iIF (t )  .ELO .ES . cos  IF (t )   t  . cos   t 
Z

(1.12).

Hình 1.7 biểu thị phổ công suất của tín hiệu điều chế của bộ dao động

nội và của tín hiệu trung tần trong hệ thống thông tin quang Coherent. Phổ
của tín hiệu trung tần IF bao gồm thành phần băng gốc và thành phần sóng
mang của tín hiệu trung tần.

Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent

SV: Lê Duy Tùng

22

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Kết Luận
Trong chương này ta tìm hiểu khái niệm, ưu điểm, cấu trúc, nguyên lý
hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp, và hai kỹ thuật tách sóng đổi
tần (heterodyne) và tách sóng đồng tần (homodyne). Trước hết ta thấy rằng
khái niệm thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao về tính kết hợp,
về thời gian nguồn phát quang laser và độ kết hợp không gian trong bộ tách
sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội. Hệ thống Coherent
ra đời đã chứng tỏ được những ưu điểm vượt trội của nó so với hệ thống IM –
DD về khả năng nhạy thu và tốc độ truyền dẫn. Cấu trúc của hệ thống
Coherent được trình bày trong hình 1.3 với hai phần phát và thu. Trong đó
phía thu là quan trọng nhất và đặc trưng nhất trong hệ thống thông tin quang
kết hợp. Nguyên lý hoạt động được mô tả trong hình 1.4, với tín hiệu truyền
là sóng phẳng và các kĩ thuật điều chế là Ask, FSK, PSK. Các thành phần

dong điện và công suất phụ thuộc vào cos(t) biểu thị độ lệch phân cực giữa
sóng tín hiệu đến và sóng dao động nội, có khả năng gây lỗi trong quá trình
truyền dẫn. Chất lượng của hệ thống và độ nhạy máy thu phụ thuộc vào độ
lệch phân cực này. Do đó việc ổn định độ phân cực là một trong những yêu
cầu nghiêm ngặt đối với hoạt động của hệ thống. Với hai kĩ thuật tách sóng
đổi tần và tách sóng đồng tần ta thấy rằng: mặc dù máy thu đồng tần có độ
nhạy cao nhất nhưng trong hệ thống coherent nhưng khó thực hiện.

SV: Lê Duy Tùng

23

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

Chương 2:
Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống
Coherent
I.Điều chế trong thông tin quang Coherent:
1. Các kỹ thuật điều chế:
Trong hệ thống thông tin quang coherent, tín hiệu trước khi truyền
được điều chế biên độ, tần số, pha, hoặc phân cực. Điều chế là quá trình mà
sóng mang bị biến đổi về mộ vài tham số dưới tác động của tín hiệu thông tin
số và tương tự. Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số lẫn điều
chế tương tự, nhưng thực tế điều chế số rất phổ biến còn điều chế tương tự rất
ít. Quá trình điều chế lượng tin của nguồn tin được bảo toàn chỉ thay đổi mối

tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi.
Trong hệ thống sợi quang, điều chế trước lúc truyền dẫn để đạt thêm
được một số điều mong muốn, chẳng hạn:
+ Dịch chuyển băng tần tín hiệu sang vùng tần số mong muốn để tạo
điều kiện thuận lợi cho việc ghép kênh.
+ Tạo nên những tín hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớp
đoạn, lớp ngang.
Một đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang là băng tần của sợi
quang rộng, công suất tín hiệu bé cần sử dụng điều chế tín hiệu nhằm duy trì

SV: Lê Duy Tùng

24

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

S/N của băng gốc, đồng thời công suất tín hiệu đưa vào kênh truyền dẫn đạt
giá trị tối thiểu.
Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào băng tần của tín hiệu điều
chế và phương pháp ghép sau đó. Còn việc chọn phương pháp điều chế phụ
thuộc vào yêu cầu đạt tỷ số (S/N) tại máy thu và các yếu tố khác như giá
thành và độ phức tạp.
1.1. Điều chế khoá dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) hoặc khoá
đóng mở OOK (On – Off Keying):
Đây là cách điều chế sóng mang quang đơn giản nhất và nó cũng thích

hợp như điều chế cường độ. Sóng mang điều biến được biểu thị:
Es (t ) Es .m(t ). cos( s t )

(2.1).

Ở đây tín hiệu điều chế chỉ có hai giá trị lý tưởng 0 và 1. Dạng phổ
công suất của tín hiệu trung tần ASK được biểu thị trong hình vẽ 2.1:

Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK
Vì một nửa công suất bị lãng phí trong sóng mang cho nên phương
pháp điều chế này không được hiệu quả lắm. Có thể sử dụng nó trong hệ
thống đổi tần (heterodyne) hoặc hệ thống đồng tần (homodyne). Trong hệ
thống đổi tần tín hiệu IF có thể được giải điều đường bao hoặc giải điều đồng
bộ.

SV: Lê Duy Tùng

25

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47


Đồ Án Tốt Nghiệp

Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH

1.2. Khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying):
Ở dạng điều chế này biên độ sóng mang giữ không đổi và sóng mang
điều chế được biểu thị:
Es (t ) Es . cos  s t  m(t ).2f d t 

(2.2).

Ở đây m(t) có thể nhận các giá trị 1, 2fd là độ lệch tần đỉnh đỉnh và
tham số  = 2.fd/B là chỉ số điều chế. Tương ứng với các  khác nhau có các
sơ đồ khác nhau:
+ Ứng với  = 0,5 điều chế được coi là khoá dịch pha tối thiểu MSK
(Minimum Shift Keying) dạng phổ công suất ép rất chặt làm cho các sơ đồ
này rất thích hợp với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm
không  1,5B. Dạng phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK được biểu thị
trong hình 2.2.

Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK
+   0,5  0,7 điều chế được coi là khoá dịch tần pha liên tục
(Continous Phase Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, dạng phổ của nó
cũng rất chặt. Như vậy có thể coi MSK là trương hợp riêng của CPSK. Giải
điều tại khối IF có thể thực hiện được bằng bộ phân biệt tần số đường dây trễ.
Điều chế MSK có nhiều triển vọng trong hệ thống thông tin quang
Coherent. Nó có nhiều ưu điểm so với điều chế QPSK thông dụng trong kỹ
thuật vô tuyến, chẳng hạn như:

SV: Lê Duy Tùng

26

Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47