(Luận văn thạc sĩ) khảo sát đặc tính của tuyến MMW rof trong mạng truy cập quang vô tuyến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------------

TRẦN NGỌC PHÚ

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF
TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------------

TRẦN NGỌC PHÚ

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF
TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN

Chuyên ngành :
Mã số
:

Kỹ thuật điện tử
8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN TUẤN

Đà Nẵng - Năm 2019



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lí do lựa chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu luận văn......................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................2
6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RoF....................................................4
1.1. Giới thiệu chương .....................................................................................................4
1.2. Hệ thống thơng tin sợi quang ....................................................................................4
1.3. Kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang .......................................................... 6
1.4. Ưu điểm, nhược điểm của kỹ thuật RoF ...................................................................7
1.4.1. Ưu điểm ........................................................................................................7
1.4.2. Nhược điểm ..................................................................................................9
1.5. Một số ứng dụng RoF ............................................................................................... 9
1.6. Kết luận chương .....................................................................................................10
CHƯƠNG 2. 11HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG VÀ
MÁY THU COHERENCE ......................................................................................... 11
2.1. Giới thiệu chương ...................................................................................................11
2.2. Kỹ thuật RoF sử dụng máy thu Coherence ............................................................ 11

2.3. Cấu trúc hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence ..............................................12
2.3.1.Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 13
2.3.2.Kỹ thuật điều chế ở máy phát ......................................................................15
2.3.3.Kỹ thuật tách sóng ở máy thu Coherence .................................................... 18
2.4. Photodiode PIN ......................................................................................................20
2.5. Bộ khuếch đại EDFA.............................................................................................. 23
2.5.1.Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA ..........................................24
2.5.2.Hệ số khuếch đại của EDFA ........................................................................25
2.5.3.Ưu điểm và nhược điểm của EDFA ............................................................ 25
2.6. Kết luận chương .....................................................................................................26
CHƯƠNG 3. KÊNH TRUYỀN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄUĐẾN TUYẾN
TRUY NHẬP QUANG – VÔ TUYẾN.......................................................................27
3.1. Giới thiệu chương ...................................................................................................27


3.2.Kênh truyền và các hiện tượng xảy ra khi lan truyền sóng trong mơi trường khơng
gian tự do ....................................................................................................................... 27
3.2.1.Phản xạ .........................................................................................................27
3.2.2.Khúc xạ ........................................................................................................27
3.2.3.Nhiễu xạ .......................................................................................................28
3.2.4.Fading ..........................................................................................................28
3.3. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng trong lan truyền sóng ......................... 29
3.3.1.Hiện tượng đa đường (Multipath) ................................................................ 29
3.3.2. u hao trên đường tru ền...........................................................................30
3.3.3.Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) ................................................................ 30
3.4.Các loại nhiễu trong máy thu quang kết hợp với bộ khuếch dại EDFA .................30
3.4.1.Nhiễu bắn .....................................................................................................30
3.4.2.Nhiễu nhiệt ...................................................................................................31
3.4.3.Nhiễu ASE ...................................................................................................32
3.5. Kênh truyền theo phân bố Rayleigh .......................................................................33

3.6. Các khối trong Mobile Host ................................................................................... 34
3.6.1.Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA).................................................................34
3.6.2.Bộ trộn tần (MIX) ........................................................................................ 34
3.6.3.Bộ khuếch đại trung tần(MPA)....................................................................34
3.7.Biểu thức tính NDR và BER dùng trong đường truyền quang-vô tuyến ..............35
3.8.Kết luận chương ......................................................................................................36
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF TRONG
MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN BẰNG MATLAB ............................. 38
4.1.Giới thiệu chương ....................................................................................................38
4.2.Xây dựng mơ hình tính tốn của tuyến MMW/RoF truy cập quang-vô tuyến .......38
4.3.Vẽ đồ thị bằng phần mền Matlab và nhận xét kết quả ............................................40
4.3.1.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo thơng số tán sắc ..........................................40
4.3.2.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo tần số MMW...............................................42
4.3.3.Khảo sát tỉ lệ lỗi bít BER theo khoảng cách truyền không dây (vô tuyến) .45
4.3.4.Khảo sát tỉ lệ lỗi bit BER theo công suất của bộ dao động nội P ...........47
4.4.Kết luận chương ......................................................................................................48
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA TUYẾN MMW/RoF
TRONG MẠNG TRUY CẬP QUANG - VÔ TUYẾN
Học viên: Trần Ngọc Phú. Chu ên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 8520203
Khóa: K35
Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt – Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng
rộng/tốc độ cao và đa phương tiện trong đời sống của từng quốc gia cũng như kết nối toàn
cầu.

Để thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thông tin, mạng truyền thơng cần phải có khả
năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ. Vì lý đó kỹ thuật
Radio over Fiber (RoF) ra đời kết hợp với tần số sóng Milimet nhằm tạo ra một mạng lưới
băng thông lớn và cự ly truyền dẫn xa, sẽ là nền tảng cho mạng truy nhập không dâ băng
thông rộng trong tương lai. Đề tài khảo sát đặc tính của tuyến MMW/RoF kết hợp với sử
dụng bộ khuếch đại quang EDFA và má thu Coherence để tăng khoảng cách truyền dẫn, độ
nhạy máy thu từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu.
Đầu tiên, trình bày tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang
(RoF). au đó mơ tả hệ thống RoF kết hợp sử dụng máy thu Coherence và khuếch đại quang
EDFA. Tiếp theo, đưa ra mơ hình khảo sát và tính tốn các thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ
thống, tính tốn SNR, BER. Cuối cùng, khảo sát đặc tính của tuyến và đánh giá kết quả đạt
được.
Từ khóa – Radio-over-fiber (RoF),millimeter-wave (MMW), Coherence, Broadband
optical/wireless access networks.
SURVEYING MMW / ROF LINK CHARACTERISTICS
IN OPTICAL - WIRELESS ACCESS NETWORKS
Summary – Today, the demand for communication is growing with many new
broadband/high-speed and multimedia services in each country's life as well as global
connectivity.
To promote the development of the information age, communication networks need to be
highly flexible, high transmission rates, broadband, and multi-service. For that reason, Radio
over Fiber (RoF) technology was created in conjunction with the Milet wave frequency to
create a large bandwidth network and long-distance transmission range, which will be the
foundation for future wireless broadband access network. The study investigated the
characteristics of the MMW / RoF route in combination with the use of EDFA optical
amplifiers and Coherence receivers to increase transmission distance and receiver sensitivity,
thereby improving signal quality.
First, present an overview of fiber optic signal transmission techniques (RoF). Then
describe the combined RoF system using Coherence receivers and EDFA optical amplifiers.
Next, provide a survey model and calculate the noise parameters affecting the system,

calculate SNR, BER. Finally, survey the characteristics of the route and evaluate the results
achieved.
Key words – Radio-over-fiber (RoF),millimeter-wave (MMW), Coherence, Broadband
optical/wirelessaccess networks.


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Từ Tiếng Anh

Ý nghĩa

AFC
ASE
ASK

Automatic Frequency Control
Amplified Spontaneous Emission
Amplitude Shift Keying

Bộ tự động điều khiển tần số
Nhiễu phát xạ tự phát
Kỹ thuật điều chế khóa dịch biên độ

BA
BB
BER
BS
BPF

BTS

Booster Amplifier
Baseband
Bit Error Rate
Base Station
Band Pass Filter
Base Transceiver Station

Khuếch đại công suất
Băng cơ sở
Tỷ lệ lỗi bit
Trạm gốc
Bộ lọc thông dải
Trạm thu phát gốc

CS
CNR

Central Station
Carrier Noise Ratio

Trạm trung tâm
Tỉ số sóng mang trên nhiễu

Demultiplexer
Differential Phase Shift Keying
Dispersion Shift Fiber

Bộ tách tín hiệu

Điều chế pha vi phân
ợi dịch chu ển tán sắc

Erbium Doped Fiber

ợi pha tạp Erbium
Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp
Erbium

A

B

C

D
DEMUX
DPSK
DSF
E
EDF
EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

F
FWM

Four Wave Mixing

Trộn bốn bước sóng

IF

Intermediate Frequency
Intensity Modulation – Direct
Detection

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

Line Amplifier
Laser Diode
Local Oscillator
Local Area Network

Khuếch đại đường tru ền
Laser Diode
Bộ dao động nội
Mạng cục bộ

Multimode Fiber
Multiplexer
Mach-Zehnder Modulator

ợi quang đa mode
Bộ ghép kênh
Bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder

Pre-amplifier
Photodiode
Plastic optical fiber

Tiền khuếch đại
Photodiode
ợi quang chất dẻo

I
IM-DD
L
LA
LD
LO
LAN
M
MMF
MUX
MZM
P
PA
PD
POF


PSK

Phase-shift keying

Điều chế khóa dịch pha

RF
RAU

Radio Frequency
Remote Antenna Unit

RoF

Radio over Fiber

Tần số cao tần
Thiết bị anten đầu xa
Kỹ thuật tru ền tín hiệu vơ tu ến
trên sợi quang

SBS
SCM
SMF
SNR
SPM
SRS

Stimulated Brillouin Scattering
Subcarrier Multiplexing
Single Mode Fiber
Signal to Noise Ratio
Self Phase Modulation
Stimulated Raman Scattering

Tán xạ Brillouin kích thích
Ghép sóng mang phụ
ợi quang đơn mode
Tỉ số tí hiệu trên nhiễu
Tự điều chế pha
Tán xạ Raman kích thích

TDM

Time Divison Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

UMTS

Universal Mobile
Telecommunication System

Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G)

Wide Area Network
Wavelength Division
Multiplexing
Wireless Local Area Network

Mạng diện rộng
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
bước sóng
Mạng cục bộ khơng dâ

Cross Phase Modulation

Điều chế pha chéo

R

S

T
U

W
WAN
WDM
WLAN
X
XPM


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng
1.1.

Tên bảng
Các thông số thiết lập cho tuyến MMW/RoF

Trang
39

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

ơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang WDM tiêu biểu

4

1.2.

Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin sợi quang đơn hướng

5

1.3.
2.1.
2.2.

ơ đồ cầu nối không dây sợi quang trong mạng RAN
ơ đồ hệ thống RoF truy cập quang - vô tuyến sử dụng bộ khuếch
đại quang EDFA và máy thu quang Coherence

ơ đồ nguyên lý của hệ thống

6
12
14

2.3.

Kỹ thuật điều chế trực tiếp

16

2.4.

Kỹ thuật điều chế ngoài

16

2.5.

Bộ điều chế ngoài Mach Zenhder

17

2.6.

ơ đồ khối của má thu đổi tần đồng bộ

19

2.7.

ơ đồ khối má thu đổi tần không đồng bộ

19

2.8.
2.9.

ơ đồ nguyên lý hoạt động và sơ đồ vùng năng lượng của
Photođiốt PIN
Hệ số hấp thụ quang tha đổi theo bước sóng đối với Si, Ge,
GaAs và một vài hợp chất khác

20
21

2.10.

Mơ hình tổng qt bộ khuếch đại quang EDFA

23

2.11.

Giản đồ năng lượng của ion Er3+ trong lõi sợi EDFA

24

3.1.

Hiện tượng truyền sóng đa đường

30

3.2.

Mơ hình tính tốn hệ thống truyền dẫn Coherence

30

3.3.

Khối receiver (Mobile Host)

34

4.1.

Mơ hình tuyến MMW/RoF trong truy cập quang - vô tuyến

38

4.2.

Quan hệ giữa BER và công suất phát với các loại sợi khác nhau(LoS)

41

4.3.

Quan hệ giữa BER và công suất phát với các loại sợi khác nhau(NLoS)

42

4.4.

Quan hệ giữa BER và công suất phát với các tần số RF khác
nhau-(LoS)

43

4.5.

Quan hệ giữa BER và công suất phát với các tần số RF khác
nhau-(NLoS)

44

4.6.

Đồ thị BER theo khoảng cách truyền trong không gian của kênh

45


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

truyền LoS
4.7.

Đồ thị BER theo khoảng cách truyền trong không gian của
kênh truyền NloS

46

4.8.

Đồ thị BER và công suất dao động nội tại PLO tương ứng với
công suất phát khác nhau, kênh truyền LoS

47

4.9.

Đồ thị BER và công suất dao động nội tại PLO tương ứng với
công suất phát khác nhau, kênh truyền NloS

48


1
MỞ ĐẦU
1. Lí do lựa chọn đề tài

Ngày nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với nhiều dịch vụ mới băng
rộng/tốc độ cao và đa phương tiện trong đời sống kinh tế – xã hội của từng quốc gia
cũng như kết nối tồn cầu.
Để đáp ứng được vai trị động lực thúc đẩy sự phát triển của kỷ nguyên thơng tin,
mạng truyền thơng cần phải có khả năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng
thông rộng và đa dịch vụ. Các nhà khoa học, các tổ chức viễn thông, các hãng cung
cấp thiết bị…đã và đang nghiên cứu phát triển và áp dụng các giải pháp công nghệ
mới băng rộng/tốc độ cao và đa phương tiện để phát triển mạng viễn thơng. Trong đó,
các giải pháp cơng nghệ mạng truy nhập quang - vô tuyến với ưu điểm về tốc độ cao,
băng thông rộng đang được tập trung nghiên cứu, phát triển.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế và xu hướng nghiên cứu của thế giới, tác giả thực
hiện đề tài: “Khảo sát đặc tính của tuyến MMW/RoF trong mạng truy cập quangvô tuyến”.
2. Mục tiêu nghiên cứu

- Khảo sát đặc tính của tuyến MMW/RoF trong đa tru cập quang - vô tuyến.
- Khảo sát các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của mạng truy cập
MMW/RoF.
- Khảo sát phương pháp tăng khoảng cách truyền dẫn, dung lượng và đảm bảo
chất lượng tín hiệu trên đường truyền.
- Xây dựng mơ hình tính tốn và viết chương trình mơ phỏng bằng Matlab nhằm
đánh giá hiệu năng (BER, NR) của tuyến.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu

- Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF).
- Hệ thống truyền dẫn RoF sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA và máy thu
Coherence.
- Các thành phần và kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của tuyến
MMW/RoF trong đa tru cập quang vô tuyến.
- Các thành phần nhiễu ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền.

- Ứng dụng Matlab để mô phỏng.


2
Phạm vi nghiên cứu
- Khảo sát cơng suất tín hiệu, công suất nhiễu và BER của tuyến MMW/RoF
trong đa tru cập quang - vơ tuyến
- Mơ phỏng bằng chương trình Matlab nhằm đánh giá hiệu năng của tuyến.
4. Phương pháp nghiên cứu luận văn
Phương pháp luận xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
Thu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến đề tài.

- Tìm hiểu và phân tích tuyến MMW/RoF trong đa tru cập quang vô tuyến
băng rộng.
- Nghiên cứu thành phần, kỹ thuật xử lý tín hiệu ở phần phát và phần thu của
mạng truy cập MMW/RoF.
- Sử dụng phần mềm (Matlab) để thực hiện mô phỏng việc truyền dữ liệu qua
tuyến.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên mô phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Chất lượng của mạng truy cập quang-vô tuyến băng thông rộng không những bị
ảnh hưởng bởi các loại nhiễu gây ra trong sợi quang mà còn bị ảnh hưởng bởi các loại
nhiễu Fading do thời tiết và Fading nhiều tia khi truyền trong không gian tự do đến
máy thu của người dùng. Việc khảo sát đặc tính tuyến MMW/RoF trong đa tru cập
quang - vô tuyến cho phép thiết lập giá trị các thông số chủ yếu của tuyến nhằm nâng
cao chất lượng tín hiệu đến đầu vào má thu. Đề tài có ý nghĩa khoa học và có khả
năng ứng dụng vào thực tiễn.
6. Cấu trúc luận văn
Luận văn được trình bày gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống RoF
Chương 2 : Hệ thống RoF sử dụng bộ khuếch đại quang và máy thu Coherence
Chương 3: Kênh truyền cà ảnh hưởng của nhiễu đến tuyến truy nhập quang –
Vơ tuyến
Chương 4: Khảo sát đặc tính của tuyến MMW/RoF trong mạng truy nhập quang
- Vô tuyến bằng Matlab


3
Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS
Nguyễn Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn để tác giả có thể hồn thiện luận văn nà .
Nếu có gì sai sót mong Thầ , Cơ góp ý để luận văn được hồn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RoF
1.1. Giới thiệu chương
Chương nà giới thiệu tổng quan hệ thống truyền sóng vơ tuyến trên sợi quang
(RoF), sự phát triển hệ thống mạng khơng dây hiện nay cũng như phân tích cụ thể các
kỹ thuật điều chế, tách sóng trong RoF.
Chương nà bao gồm các phần chính sau:
 Giới thiệu hệ thống thơng tin quang.
 Khái niệm về kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (RoF).
 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật RoF.
1.2. Hệ thống thông tin sợi quang
Ngày nay, cùng với với sự phát triển của xã hội, nhu cầu trao đổi thông tin liên
lạc của con người là khơng thể thiếu. Cùng với đó là sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, đã tạo ra nhiều loại hình dịch vụ viễn thơng khác nhau như: thoại, truyền hình

hội nghị, trị chơi trực tuyến, các ứng dụng OTT ... Đóng góp vào sự phát triển to lớn
đó phải kể đến sự ra đời của cáp sợi quang.
Các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các
hệ thống thông tin sử dụng cáp kim loại, các ưu điểm chính là kích thước, trọng
lượng nhỏ nên suy hao truyền dẫn rất thấp, băng tần truyền dẫn rất lớn, không bị
ảnh hưởng của nhiễu điện từ, có tính bảo mật thơng tin cao[4],... Nhờ các ưu điểm
trên mà hệ thống thông tin sợi quang được áp dụng rộng rãi trên các mạng lưới để
truyền thơng tin dịch vụ.

Hình 1.1. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin quang WDM tiêu biểu


5
Thông tin sợi quang là một phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin.
Hệ thống thông tin sợi quang bao gồm một đầu phát dùng để mã hóa thơng tin thành
tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo
lại thơng tin từ tín hiệu nhận được. Kênh truyền sử dụng là cáp sợi quang là môi
trường truyền dẫn mang thông tin từ một điểm đến một điểm khác dưới dạng ánh sáng.
Cấu trúc đơn giản của một hệ thống thơng tin quang có thể được mơ tả đơn giản
như sau:
- Bộ phát quang E/O: có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến đổi tín hiệu
điện đó thành tín hiệu quang và đưa tín hiệu quang nà lên đường truyền sợi quang.
Người ta thường gọi khối E/O này là nguồn quang. Hiện nay, linh kiện điện tử được sử
dụng làm nguồn quang là LED và LASER[6].
- Bộ thu quang O/E: khi tín hiệu quang truyền đến đầu thu thì bộ thu quang có
vai trị chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện như ở đầu phát. Các linh
kiện điện tử hiện na thường được sử dụng để làm chức năng nà là PIN và APD và
chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang (photo-detector)[6].
- Mơi trường truyền tin: là cáp sợi quang.

Hình 1.2. Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin sợi quang đơn hướng
Để thực hiện truyền dẫn giữa 2 điểm, cần phải có 2 sợi quang.
Hình 1.2 mơ tả cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin sợi quang đơn hướng.
Nếu cự ly truyền dẫn thông tin quá dài thì trên tuyến có thể lắp thêm một hoặc nhiều
các bộ khuếch đại quang nhằm bù công suất suy hao trên sợi quang
Bộ khuếch đại quang: khi truyền trên sợi quang, cơng suất của tín hiệu quang bị
suy yếu dần (do có suy hao trên sợi quang). Nếu cự ly truyền thơng tin q dài thì tín
hiệu quang nà đến đầu thu với công suất rất thấp và đầu thu khơng nhận dạng được
tín hiệu, lúc này ta phải sử dụng bộ khuếch đại quang ở trên đường truyền. Chức
năng chính của bộ khuếch đại quang học hay khuếch đại tín hiệu quang học là thiết
bị trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang học mà khơng cần phải chuyển đổi nó thành tín
hiệu điện.


6
1.3. Kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang
Mạng vơ tuyến hiện tại có thể chia làm 2 loại vô tuyến di động (3G,4G…) hoặc
cố định (wifi). Bên cạnh đó ở 2 loại trên người ta tập trung vào đó là băng thơng và
tính di động. Mạng quang hiện tại có tốc độ cao, băng thơng rộng nhưng tính di động
và linh hoạt đem lại cho người dùng không cao, cịn mạng di động thì đảm bảo tính di
động nhưng tốc độ lại thấp. Để đảm bảo 2 yếu tố trên, vừa di động lại có tốc độ cao.
Đó chính là xu hướng của các mạng vơ tuyến hiện na đang hướng tới và phát triển
điều đó.
Sự kết hợp giữa tín hiệu sợi quang và vơ tuyến có thể giảm độ phức tạp của mạng
và dung lượng ở các tầng trên như ở các lớp truyền dẫn và ứng dụng. Điều này là do
tập hợp ở các tầng trên địi hỏi một mạng bổ sung có khả năng báo hiệu và quản lý
mạng. Vì thế, tích hợp các liên kết quang và vơ tuyến sẽ đơn giản hóa thiết kế mạng.
Công nghệ liên kết sợi quang - không dây có thể nhận ra khả năng triển khai
nhanh cho các kết nối tới các mạng cáp quang hiện có và có thể triển khai. Cầu nối
khơng dây này cũng hữu ích cho mạng truy cập vơ tuyến dưới cấu hình mạng ở tế bào

cell nhỏ. Một số RAUs trong mạng vô tuyến nhỏ được kết nối bằng dây cáp quang ở
công suất cao. Tuy nhiên, những người khác không thể kết nối vì lý do tốc độ xử lý
thấp. Trong trường hợp này, RAUs thu thập và tổng hợp các tín hiệu từ RAU liên kết
đường cáp quang – khơng dây. Ngoài ra, sự sắp xếp của các cell bởi một số BBP sẽ
tăng cường khả năng kết nối[5].
Ở đâ , các tín hiệu có thể được chuyển qua cầu nối khơng dây

Hình 1.3. Sơ đồ cầu nối khơng dây sợi quang trong mạng RAN


7
Trong hình 1.3 một sự chuyển đổi cơng nghệ giữa dây dẫn quang và vô tuyến
(radio) cần được thực hiện. Ở tần số có khả năng điều chỉnh và linh hoạt trong vơ
tuyến có thể được u cầu trong mạng 5G để loại bỏ các nhiễu sóng vơ tuyến.
Nhờ cơng nghệ RoF, các RAU được đơn giản hóa hơn, chúng chỉ còn chức năng
chuyển đổi quang - điện và khuếch đại. Việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu
RF, cho phép chia sẻ thiết bị, phân bố động tài ngu ên, đơn giản hóa vận hành, bảo
dưỡng hệ thống và có thể đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống. Với
những ưu điểm này giúp làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt
trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ BS cao.
1.4. Ưu điểm, nhược điểm của kỹ thuật RoF
1.4.1. Ưu điểm
 Độ suy hao thấp
Truyền tín hiệu vơ tuyến tại tần số cao trong môi trường không gian tự do hay
trong môi trường có dâ đều bị suy hao lớn và tốn kém. Trong không gian tự do, tổn
hao do hấp thụ và phản xạ tăng theo tần số và trong môi trường có dây thì trở kháng
đường dây cũng dẫn đến tổn hao cao. Nếu truyền trên sợi quang thì suy hao giảm đáng
kể. Sử dụng sợi quang có suy hao thấp kết hợp cơng nghệ RoF vừa có được truyền
sóng Milimet suy hao rất thấp và đơn giản hóa RAU. Các sợi đơn mode ( MF) có su
hao dưới 0.2dB/km và 0.5dB/km tại các cửa sổ 1550nm và 1300nm. Các suy hao này

thấp hơn nhiều so với su hao trong cáp đồng và trong khơng khí. Việc nà đồng nghĩa
với khoảng cách truyền sẽ tăng gấp vài lần và công suất yêu cầu sẽ giảm đáng kể[10].
 Băng thông rộng
Sợi quang có băng thơng cực rộng. Có 3 cửa sổ truyền dẫn chính có suy hao thấp
gồm các bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm. Với sợi quang đơn mode, băng thông
tổng của 3 cửa sổ nà vượt quá 50THz nhưng hiện nay chỉ mới tận dụng được một
phần nhỏ dung lượng này (1.6THz). Và việc khai thác thêm băng thông vẫn đang tiếp
tục. Nhờ khả năng sử dụng các sợi quang tán sắc thấp (bù tán sắc và dịch tán sắc) nên
ta có thể mở rộng băng thơng trên sợi quang, cùng với việc sử dụng khuếch đại quang
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) tại cửa sổ 1550nm.
Băng thông cực rộng của sợi quang cịn có nhiều ưu điểm khác ngồi dung lượng
cao để truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần. Băng tần quang lớn cho phép xử lý tín hiệu tốc
độ cao, cơng việc rất khó hoặc khơng thực hiện trong miền điện. Nói cách khác một số
chức năng lọc, trộn, nâng hạ tần có thể thực hiện trong miền quang[10].


8
 Không bị nhiễu tần số vô tuyến
Đâ là đặc điểm ưu việt của thơng tin quang. Các tín hiệu truyền đi dưới dạng
ánh sáng trong sợi quang, không bị tác động mạnh mẽ bởi vô số nguồn nhiễu điện từ
trong khơng gian, làm tăng chất lượng tín hiệu tại máy thu. Ngồi ra cịn cung cấp khả
năng chống nghe trộm, tăng tính bảo mật cho hệ thống[10].
 Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng
Nhờ hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt tiền đặt tại CS, BS trở nên đơn
giản hơn. Đa số công nghệ RoF không cần bộ dao động nội và các thiết bị liên quan
tại B . Trong các trường hợp này, BS chỉ cần 1 bộ tách sóng quang, 1 bộ khuếch đại
RF và 1 anten. Thiết bị điều chế và chuyển mạch được đặt ở C và được sử dụng bởi
nhiều BS. Sự sắp xếp này làm cho các BS nhỏ và nhẹ hơn, làm giảm giá thành lắp
đặt và bảo dưỡng. Việc lắp đặt dễ dàng và giá thành bảo dưỡng thấp của BS là rất
quan trọng đối với hệ thống sóng Milimet, bởi vì các hệ thống này cần một số lượng

lớn các BS.
 Giảm công suất tiêu thụ
Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng trạm gốc đơn giản và thiết bị
rút gọn. Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tập trung tại trạm trung tâm, làm
giảm số lượng thiết bị tại trạm gốc, dẫn đến giảm công suất tiêu thụ ở mỗi trạm. Năng
lượng tiêu thụ tại trạm trung tâm được chia sẽ cho nhiều trạm gốc. Ngoài ra, trong một
số ứng dụng các trạm gốc hoạt động ở chế độ thụ động. Việc giảm năng lượng tiêu thụ
tại trạm gốc rất quan trọng khi tính đến việc các RAUs được đặt ở nơi xa, những nơi
chưa có mạng lưới điện.
 Linh động phân bố tài nguyên
Các chức năng chu ển mạch, điều chế và các chức năng khác được thực hiện tại
tạm CS nên có thể phân phối dung lượng một cách linh động.
Khi sử dụng mạng phân phối RoF cho hệ thống G M, dung lượng có thể được
phân bố thêm tới khu vực nào đó trong các giờ cao điểm và sau đó phân bố lại cho
các khu vực khác khi qua giờ cao điểm. Những sự phân bố linh động này có thể đạt
được bằng cách cấp phát thêm các bước sóng quang nhờ kỹ thuật ghép kênh phân
chia theo bước sóng (WDM) khi nhu cầu tăng lên. Cấp phát dung lượng động là cần
thiết, vì nó giúp ta tránh được sự lãng phí tài ngu ên do lưu lượng trên mạng biến
đổi thường xuyên.


9
 Hoạt động với đa nhà cung cấp và đa dịch vụ
Trong hệ thống RoF, các kỹ thuật ghép kênh như CM và WDM có thể được sử
dụng để truyền nhiều tín hiệu vơ tuyến trên cùng một sợi cáp quang. Điều này sẽ tiếp
tục được nâng cao khả năng chia sẻ hạ tầng mạng và tăng đáng kể lợi ích về kinh tế[9].
1.4.2. Nhược điểm
Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến trên sợi quang tương tự ARoF liên quan
tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đâ là một hệ thống truyền
dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đâ là hạn chế trong các

hệ thống thông tin tương tự so với hệ thống số DRoF. Chính vì vậ , xu hướng hiện nay
là số hóa tín hiệu RoF tương tự để trở thành hệ thống RoF số (DRoF) làm cho chất
lượng tín hiệu tăng cao nhưng độ phức tạp cao hơn.
Nguồn nhiễu trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm nhiễu cường độ
tương đối của laser, nhiễu pha laser, nhiễu bắn của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của
bộ khuếch đại, tán sắc sợi. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu
giới hạn chiều dài tuyến và cũng là ngu ên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF.
Đối với méo dạng trong hệ thống RoF, thành phần méo dạng chính là dạng phi
tuyến của q trình điều chế và tán sắc của sợi (tán sắc màu đối với SMF và tán sắc
mode với MMF). Ta có thể khắc phục méo dạng này bằng các kỹ thuật ước tính kênh
và cân bằng áp dụng tại bộ phát hoặc bộ thu để tuyến tính hóa các đặc tính điều chế.
1.5. Một số ứng dụng RoF
Mạng tế bào
Với số lượng thuê bao di động không ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày
càng lớn các dịch vụ băng rộng đã gâ áp lực đòi hỏi các mạng di động phải tăng thêm
dung lượng. Bởi vậ , lưu lượng di động (GSM hay UMTS) có thể được truyền dẫn
một cách hiệu quả giữa các CS và BS bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang.
Các chức năng RoF khác như phân bổ dung lượng động cũng đem lại những ích lợi
hoạt động đáng kể trong các mạng tế bào.
Thông tin vệ tinh
Kỹ thuật RoF được ứng dụng trong thông tin vệ tinh, liên quan đến đầu xa của
antenna của các trạm mặt đất. Hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có chiều dài
nhỏ hơn 1km và hoạt động tại tần số từ 1GHz đến 15GHz. Bằng cách đó, các thiết bị
tần số cao có thể được lắp đặt một cách tập trung. Các antenna sẽ không cần đặt trong
vùng điều khiển khi sử dụng kỹ thuật RoF, mà chúng có thể đặt cách xa nhiều km với


10
nhiều mục đích khác nhau. Các thiết bị chuyển mạch cũng có thể được đặt ở những vị
trí thích hợp mà không yêu cầu phải ở trong vùng phụ cận của các anten trạm mặt đất.

Các dịch vụ băng rộng di động
Khái niệm dịch vụ hay hệ thống băng rộng di động (MBS) là nhằm mở rộng
những dịch vụ có sẵn trong mạng số tích hợp dịch vụ băng rộng (B-ISDN) cố định tới
tất cả người sử dụng di động. Các dịch vụ trong tương lai có thể phát triển trên mạng
B-I DN cũng phải được hỗ trợ trên hệ thống MBS. Nếu công nghệ RoF được sử dụng
để tạo ra các sóng mm thì các trạm gốc có thể đơn giản hơn và giảm chi phí, bằng cách
đó làm cho sự triển khai trên quy mô lớn các mạng MBS khá thi về mặt kinh tế.
Mạng cục bộ không dây (WLAN)
Các tín hiệu vơ tuyến của hệ thống thơng tin số liệu ha di động có thể sử dụng
các hệ thống phân phối RoF và các cơ sở hạ tầng sợi quang trong các tịa nhà có thể sử
dụng trong các ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến. Việc sử dụng sợi đa mode MMF hoặc
sợi chất dẻo POF thay vì sợi đơn mode MF cung cấp cho các RAUs có thể giảm hơn
nữa giá thành lắp đặt và bảo dưỡng, đặc biệt với các ứng dụng trong nhà.
1.6. Kết luận chương
Chương nà đã trình bà khái quát các khái niệm, định nghĩa kỹ thuật truyền tín
hiệu vơ tuyến trên đường truyền quang; Đánh giá các ưu thế và lợi ích mà kỹ thuật
này mang lại và chỉ ra những mặt hạn chế mà kỹ thuật RoF còn vấp phải. Sự ra đời
của kỹ thuật truyền sóng vơ tuyến trên sợi quang là thành quả của xu thế hiện nay và
sẽ được tiếp tục phát triển về sau. Với khả năng kết hợp kỹ thuật sợi quang mang ưu
điểm băng thông cực rộng vào các hệ thống truyền thông không dây với ưu thế khả
năng di động cao sẽ mở ra các hướng triển khai hiệu quả các dịch vụ dựa vào nền
tảng công nghệ IoT.
Hệ thống thông tin quang kết hợp vơ tu ến góp phần đáp ứng được êu cầu
băng thơng rộng cho người dùng, hồn thiện hơn hệ thống thơng tin hiện na . Xử lí
được phần nào việc triển khai hệ thống tin còn gặp nhiều khó khăn trong việc giới
hạn về tốc độ, chi phí cũng như cơ sở hạ tầng hiện na . Từ đó làm cơ sở nền đi vào
tìm hiểu nghiên cứu chi tiết hơn các chuẩn mới và hướng phát triển mạng vô tu ến
và không dây.

11
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG VÀ MÁY THU
COHERENCE
2.1. Giới thiệu chương
Hệ thống thu phát quang từ trước đến na đều sử dụng kỹ thuật điều chế cường
độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD). Tín hiệu tại đầu phát được điều chế trực tiếp bằng
tín hiệu điện và tại đầu thu sẽ biến đổi trực tiếp tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ
bộ tách sóng photodiode. Kỹ thuật này cịn một số hạn chế như chưa sử dụng hiệu quả
băng thông vô cùng lớn của sợi quang, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu tương đối
thấp, độ nhạy máy thu không cao và khơng có khả năng ứng dụng các kỹ thuật đa kênh
dung lượng lớn. Do đó, kỹ thuật thơng tin quang Coherence ra đời đã khắc phục được
rất nhiều hạn chế và cho phép truyền các tuyến thông tin cự l xa và dung lượng lớn.
Vì vậ trong chương 2 sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống thông tin Coherence
và khuếch đại quang EDFA, bao gồm:
- Hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence (khái niệm, cấu trúc,
nguyên lí, kỹ thuật điều chế ở máy phát, kỹ thuật tách sóng ở má thu Coherence, ưu
nhược điểm của hệ thống).
- Bộ khuếch đại quang EDFA (giới thiệu, cấu trúc, nguyên lý, EDFA trong hệ
thống WDM, ưu nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA).
2.2. Kỹ thuật RoF sử dụng máy thu Coherence
Máy thu quang Coherence với bộ trộn quang đặt trước ngay bộ tách sóng kết hợp
ánh sáng mang tín hiệu truyền dẫn với ánh sáng phát ra từ nguồn dao động nội dùng
diode laser thành tín hiệu quang tổng hợp trước khi tiến hành tách sóng. Bước sóng
trong khoảng 1300nm - 1600nm thì khi má thu lý tưởng hoạt động trong khoảng này
cần năng lượng chỉ từ 10÷20 photon/bit. Máy thu quang Coherence có thể đạt BER tối
ưu từ 10-14 đến 10-9, và cải thiện được tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra của mạch
tiền khuếch đại, dẫn đến độ nhạy máy thu cao (lớn hơn IM-DD khoảng 10÷20 dB),
nâng cao khả năng tru ền dẫn đến vài trăm km[2].

12
2.3. Cấu trúc hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống RoF truy cập quang-vơ tuyến sử dụng bộ khuếch đại
quang EDFA và máy thu quang Coherence
Khối phát trong hệ thống này bao gồm các thiết bị: Bộ điều khiển, laser bán dẫn,
bộ điều chế ngồi, ngồi ra cịn có bộ điều khiển và khuếch đại công suất khi cần thiết.
Đặc điểm của từng thiết bị như sau:
- Bộ điều khiển cơng suất quang có nhiệm vụ tự động bù đắp sự suy giảm công
suất phát. Một phần tín hiệu thơng tin hồi tiếp từ máy phát về bộ điều khiển công suất
để xử lý và điều khiển dòng laser sao cho phù hợp.
- Laser bán dẫn thường là loại DFB, có độ rộng phổ hẹp  0.1nm, hoặc các loại
laser có bộ cộng hưởng ngồi, hay laser cách tử có độ rộng đường  10 MHz đến
100MHz. Khối này nhằm ổn định nhiệt để đảm bảo ổn định tần số.
- Bộ điều chế có thể thực hiện bằng một trong hai cách sau:
Điều chế trực tiếp, bộ điều chế điều khiển trực tiếp dòng nội xạ của laser hoặc
điều chế ngoài, sử dụng các thiết bị thích hợp điều khiển trường ánh sáng phát ra với
các kỹ thuật điều chế tương ứng. Ngoài ra cịn phải có bộ cách ly giữa nguồn quang và
sợi quang để ngăn ngừa các thành phần ánh sáng phản xạ về, gây bất ổn định cho sóng
mang quang và độ rộng phổ của laser.
- Bộ khuếch đại công suất quang có vai trị nâng mức cơng suất quang sau khi
điều chế lên mức cần thiết do su hao trên đường truyền. Số bộ khuếch đại bị giới hạn
bởi các nhiễu phi tuyến, nên sử dụng nó như thế nào, với bộ khuếch đại bao nhiêu cần
phải được khảo sát kỹ.


13
Khối thu là phần quan trọng nhất và đặc trưng cho hệ thống thông tin quang
Coherence. Gồm các thiết bị: laser dao động nội, photodiode tách sóng, bộ khuếch đại

tín hiệu điện.
- Laser dao động nội có cấu trúc gần giống với laser phát, chỉ có một điểm khác
biệt là ở khả năng điều chỉnh tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín
hiệu sau khi trộn luôn ổn định. Tần số của laser dao động nội và laser phát có thể
giống nhau trong trường hợp thu đồng tần, hoặc khác nhau trong trường hợp thu đổi
tần và hiệu của hai tần số trên bằng tần số trung tần.
- Bộ trộn quang có hai ngõ vào, một dành cho tín hiệu quang mang thơng tin
được truyền đến, ngõ vào cịn lại cho tín hiệu quang từ laser dao động nội, chúng được
trộn với nhau và cộng tuyến tính tại đầu ra. Vì trạng thái phân cực của trường tín hiệu
dọc theo sợi quang bị biến đổi nên cần có bộ điều khiển phân cực đặc biệt ở tuyến cuối
sợi quang. Độ lệch các trạng thái phân cực của tín hiệu đến và laser dao động nội gây
ảnh hưởng đến q trình tách sóng.
- Photodiode tách sóng cùng với bộ trộn hoạt động như một chuyển đổi tần số
thấp trong trường hợp thu đổi tần, hoặc như một bộ tách pha khi thu đồng tần.
- Bộ khuếch đại tín hiệu điện có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau khi ra khỏi
photodiode tách sóng, đảm bảo đủ cơng suất cho q trình xử lý ở các thiết bị phía sau
và được giới hạn băng tần nhiễu bằng bộ lọc thông dải.
- Bộ lọc thông dải dùng để lọc nhiễu, chỉ cho những tín hiệu trong băng thơng
của bộ lọc đi qua, các thành phần khác bị loại bỏ.
- Bộ giải điều chế tiến hành với phương pháp giống như trong bộ điều chế ở máy
phát, để khôi phục lại tín hiệu gốc.
2.3.1. Nguyên lý hoạt động
Trong hệ thống Coherence, ánh sáng như một dạng sóng điện từ trường tại tần số
siêu cao tần (vài trăm ngàn GHz) và được xử lý như một sóng mang vơ tuyến nghĩa là
có thể điều chế biên độ, tần số hoặc điều chế pha.
Hình 2.2 mơ tả sơ đồ ngun lý hoạt động của hệ thống thông tin quang
Coherence.


14

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Ánh sáng phát từ laser có tần số S tha đổi theo qu luật của tín hiệu hoặc điều
chế ngồi theo các phương thức làm ES hay S(t) tha đổi. Tín hiệu nà sẽ được tru ền
đến má thu. Tín hiệu quang tru ền vào má thu có biên độ E S, pha S, và tần số góc
S được biểu diễn bằng phương trình[1]:
]

(2.1)

Es ở đâ là tín hiệu đã điều chế biên độ RF
Tín hiệu dao động nội tại má thu có biên độ ELO, tần số góc LO và pha LO
được biểu diễn dưới dạng[1]:
(2.2)
(t) = S(t) - LO(t)

Ta có:

(2.3)

(t) biểu diễn mối quan hệ về pha giữa 2 tín hiệu, nó chứa thơng tin được tru ền
đi trong trường hợp ở má phát sử dụng kiểu điều chế F K hoặc P K. Tu nhiên, với
ASK thì (t) là hằng số.
Q trình trộn giữa tín hiệu quang đến và tín hiệu quang từ bộ dao động nội được
tiến hành trên bề mặt của photodiode tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là IP(t), gọi là dòng
photo. Dòng IP(t) tỉ lệ với công suất quang P(t) theo công thức[1]:
R . P(t)

(2.4)

Trong đó: P(t) là cơng suất quang
là hệ số chu ển đổi quang điện, cho biết khả năng biến đổi cơng suất
thành dịng điện.
Với:

 là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện tích electron
hv là năng lượng photo