Đồ án ( kèm mô phỏng + silde) KT radio over fiber và UD cho mạng truy cập không dây

MỤC LỤC

1


DANH MỤC HÌNH VẼ

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AMC

Adaptation Modulation and Coding

Bộ điều chế và mã hoá

AMPS

Advanced Mobile Phone Service

Dịch vụ di động tiên tiến

AP

Access Point

Điểm truy cập

BB

Base Band

Băng tần cơ sở

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc băng thơng

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khố dịch pha nhị phân

Broadband Wireless Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến
băng rộng

CDMA

Code division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
mã

CS

Central Station

Trạm trung tâm

CSPDN

Circuit Switched Data Network

Mạng chuyển mạch dữ liệu

DFB

Distributed Feed Back(laser)

Laser hồi tiếp phân tán

DMOD

DeMODdulator

Bộ giải điều chế

DWDM

Dense Wavelength Division
Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng
mật độ cao

EA

Electro Absorption

Bộ hấp thụ electron

Electro Absorption Modulator

Bộ điều chế hấp thụ
electron

EAT

Electro absorption Transceiver

Bộ thu phát hấp thụ
electron

EDFA

Erbium Droped Fiber Amplifier

Bộ khuyếch đại sợi quang

EOM

External Optical Modulator

Bộ điều chế nguồn quang
ngoài

FDD

Frequency Division Duplexing

Bộ ghép kênh chia tần số

FDM

Frequency Division Multiplexing

Bộ đa công chia tần số

GSM

Global System for Mobile
Communication

Hê. thống thơng tin di động
tồn cầu

HSCSD

High-Speed Circuit-Switched Data

Chuyển mạch dữ liệu tốc
độ cao

IEEE

(Institute of Electrical and Electronics
Engineers).

BWAN

EAM

3

Viện kĩ sư điện và điện tử


IF

Intermediate Frequency

tần số trung tần

ITS

Intelligent Transportation System

Hệ thống giao thông thông
minh

LAN

Local area network

Mạng nội bộ

LO

Laser Ocsillator

Bộ dao động laser

MAC

Medium Access Control

Sự điều khiển truy nhập
môi trường

MH

Mobile Host

Thiết bị di động

MOD

MODulator

Bộ điều chế

MSC

Mobile Switching Center

Trung tâm chuyển mạch di
động

MZM

Mach-Zehnder Modulator

Bộ điều chế Mach-Zehnder

NLOS

Non line of sight

Tia không theo đường
thẳng

OADM

Optical add/drop multiplexer

Bộ xen rẽ sóng quang

OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Ghép kênh theo tần số trực
giao

OFDM
A

Orthogonal Frequency Division
Multiple Access

Đa truy cập theo tấn số trực
giao
Điều chế quang đơn biên

SSBC

Optical Single-Side-Band Modulation
P

PACKET SWITHCHED DATA
NETWORK

Mạng chuyển mạch gói dữ
liệu

Public Switching Telephone Network

Mạng chuyển mạch điện
thoại cơng cộng

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vng
góc

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

Quadrature Phase Shift Keying

Điêu chế khố pha vng
góc

Radio over Fiber

Kĩ thuật truyền sóng vơ
tuyến trên sợi quang

SPDM
P
STN

QPSK
RoF

LỜI NĨI ĐẦU

4

Hiện nay, mạng truy nhập đang ngày càng phát triển khơng ngừng với nhiều
loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợi quang,
mạng truy nhập vơ tuyến,…Mỗi loại hình của mạng đều có những đặc điểm khác
nhau, tuy nhiên mạng truy nhập vô tuyến đang được để ý nhiều nhất và phát triển
một cách nhanh chóng mà chúng ta có thể thấy được chung quanh như mạng
thông tin di động 2G, 3G, mạng LAN không dây cho các kết nối trong nhà với
tên gọi WiFi, đó là nhờ những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật khơng dây mang
lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật truy nhập hữu tuyến khơng thể có được.
Mặt khác, với sự phát triển của mạng truy nhập băng thơng rộng thì mạng truy
nhập vơ tuyến bắt đầu gặp phải những nhược điểm của mình, tốc độ thấp với
vùng phủ sóng hẹp. Vì vậy, ngày càng có nhiều công nghệ và kỹ thuật được
nghiên cứu và phát triển để khắc phục nhược điểm này, mang lại cho người dùng
một mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng.
Bên cạnh đó, sợi quang ngày nay cũng đang được sử dụng trở nên phổ biến
hơn bởi ưu điểm là băng thông rộng. Tuy có những nhược điểm nhất định trong
lắp đặt, bảo dưỡng cũng như giá thành của sợi quang và thiết bị đi kèm còn đắt
hơn so với cáp đồng nhưng với với ưu điểm băng thông lớn của sợi quang thì
khơng có một mơi trường nào có thể so sánh được. Vì vậy, sợi quang được xem
là cơ sở để triển khai các mạng băng thông rộng mà hiện này ta có thấy được như
mạng đường trục.
Để khắc phục được nhược điểm hạn chế về băng thông và tận dụng được ưu
điểm của sợi quang người ta đã đưa ra phương pháp là kết hợp với kỹ thuật truy
nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn và cự ly xa với mạng truy
nhập vô tuyến không dây. Một trong những sự kết hợp đó là kỹ thuật Radio over
Fiber, một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không
dây băng thơng rộng trong tương lai. Vì vậy, trong đồ án này, em sẽ tìm hiểu về
kỹ thuật Radio over Fiber cũng như những ứng dụng của nó trong mạng truy
nhập vô tuyến. Nội dung của đồ án bao gồm 4 phần:
-

Tìm hiểu về nền tảng của kỹ thuật Radio over Fiber.

-

Tìm hiểu về kỹ thuật Radio over Fiber.
5


-

Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập khơng dây

-

Phân tích và mơ phỏng hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể
Chương 1 sẽ giớ thiệu sơ lược về ưu nhược điểm của phương pháp truy
nhập sợi quang có thể áp dụng cho kỹ thuật, các đặc điểm quan trọng của mạng
RoF. Sự kết hợp hài hòa giữa sợi quang và vô tuyến.
Chương 2 sẽ cho chúng ta biết kỹ thuật RoF đó là gì và vì sao có kỹ thuật
này, chương này sẽ tìm hiểu các kỹ thuật để truyền dẫn sóng radio qua mơi
trường là sợi quang. Mỗi kỹ thuật sẽ có những ưu nhược điểm riêng của nó, tùy
vào những ưu nhược điểm riêng mà nó cũng sẽ có những ứng dụng trong từng
mơi trường cụ thế, sự so sánh các ưu nhược điểm của mỗi kỹ thuật sẽ được đưa
ra, đây cũng là chủ trọng tâm của chương.
Các ứng dụng của kỹ thuật Radio over Fiber trong mạng truy nhập vô tuyến
sẽ được trình bày trong chương 3, các ứng dụng đó sẽ được trình bày cụ thể trong
3 mạng cụ thể là mạng wireless LAN dùng ở băng tần mm, mạng truyền thông
RVC cơ sở hạ tầng của mạng ITS, và mạng truy nhập vô tuyến ở vùng ngoại ô và
nông thôn. Qua đó kiến trúc của mạng Radio over Fiber sẽ được mơ tả trong mỗi

phần cũng như những khó khăn và vấn đề cần khắc phục.
Ở chương cuối sẽ trình bày hoạt động của một tuyến Radio over Fiber cụ
thể, trong phần này sẽ thấy được sự kết hợp của các kỹ thuật mô tả ở chương 2 để
tạo nên một tuyến truyền dẫn Radio over Fiber cụ thể, hoạt động của các thành
phần trong tuyến sẽ được mô tả một cách cụ thể. Các kết quả mô phỏng cũng
được trình bày cụ thể trong chương này để so sánh với phần lý thuyết đã mô tả.
Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề đã làm được trong đồ án
cũng như hạn chế và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 1
NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ CỦA KỸ THUẬT RADIO
OVER FIBER

6


1.1.

Các thành phần cơ bản trong hệ thống truyền dẫn sợi quang

1.1.1. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm 1
lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và 1 lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh
có chiết suất n2 với n1> n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ
nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc. Do đó
ánh sáng có thể truyền trong sợi cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong trong giới
hạn cho phép (hình 2.1).

Hình 1.1. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

1.1.2. Cấu tạo của sợi quang
Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc, lõi để dẫn ánh sáng
còn vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi
và lớp bọc.

Hình 1.2. Cấu tạo sợi quang.

Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngồi sợi
quang cịn được bọc thêm vài lớp nữa:

7


- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất: Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang
chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt.
Giảm ảnh hưởng vì uốn cong. Lớp phủ được bọc ngay trong quá trình kéo sợi,
chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng
truyền trong lớp bọc vì khi đó sự phản xạ tồn phần khơng thể xảy ra tại phân các
giữa lớp phủ và lớp bọc.
- Lớp vỏ: Lớp vỏ có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang
trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ.

Hình 1.3. Cấu trúc sợi quang.

1.1.3. Bộ phát quang
Vai trò của các bộ phát quang là biển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang
và đưa tín hiệu quang này vào sợi quang để truyền tới phía thu. Linh kiện
chính trong bộ phát quang là nguồn phát quang, các nguồn quang được sử dụng
là diode phát quang (LED) và laser bán dẫn (LD), ở LED lớp chuyển tiếp p-n
phân cực thuận phát ra ánh sáng thông qua sự phát xạ tự phát, hiện tượng này

được gọi là hiện tượng quang điện, ánh sáng được tạo ra khi các cặp điện tử lỗ
trống tái hợp lại với nhau ở vùng nghèo. Laser bán dẫn phát ra ánh sáng chủ yểu
bởi phát xạ kích thích, phát xạ kích thích có cơng suất phát cao hơn phát xạ tự
phát. Độ mở góc của chùm sáng laser đầu ra hẹp hơn so với LED đem đến khả
năng ghép nối cao hơn với sợi quang đơn mode. Phố ánh sáng phát ra hẹp cho
phép laser hoạt động tại tốc độ cao. Ngoài ra, laser bán dẫn có thể điều chế trực
8


tiếp tại tần số cao do hiện tượng phát xạ kích thích có thời gian tái hợp các cặp
điện tử - lỗ trống ngắn. Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn quang, nguồn
quang thường được sử dụng là laser bán dẫn do hiệu suất của chúng cao
hơn so với LED.
Có 2 phương pháp chính để điều biến ánh sáng trong hệ thống quang:
điều chế trực tiếp và điều chế ngồi. Phương pháp điều biến trực tiếp, các tín hiệu
điện đưa vào bộ phát quang thực hiện điều biến trực tiếp thành tín hiệu quang
nhờ Laser Diode hoặc LED. Một vấn đề cần quan tâm trong điều chế trực tiếp đó
là méo dạng phi tuyến của q trình điều chế do đặc tính điều chế, các méo dạng
phi tuyến bậc hai và bậc ba có thể gây ra sự suy giảm chất lượng của hệ thống
RoF.
Trong kỹ thuật điều chế ngoài, một thiết bị riêng biệt được sử dụng để
điều chế ánh sáng. Điều chế ngoài trở thành phương pháp vượt trội cho các hệ
thống thông tin quang đường dài tốc độ cao. Các bộ điều chế ngồi có thể làm
bằng nhiều loại vật liệu và kiến trúc mặc dù các vật liệu điện - quang thông
thường hằng số điện mơi ảnh hưởng đến hình dạng điện trường
1.1.4. Bộ khuếch đại
Khuếch đại quang chia làm hai loại là khuếch đại tồn quang và bộ lặp
quang điện. Khi tín hiệu quang rất yếu khơng thể truyền đi xa được nữa thì sẽ
được các bộ lặp thu lại và biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó tiến hành khuếch
đại, chuẩn lại thời gian, tái tạo lại dạng tín hiệu điện rồi lại biến đổi về tín hiệu

quang để truyền lên đường truyền. Q trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang
mà khơng cần phải thơng qua q trình biến đổi về tín hiệu điện được gọi là
khuếch đại tồn quang, tùy thuộc vào vị trí lắp đặt mà có bộ khuếch đại sau:
Khuếch đại công suất, khuếch đại thu, khuếch đại đường truyền. Khuếch đại
quang dung nguyên 1ý phát xạ kích thích, giống phương pháp sử dụng trong
laser, có hai dạng khuếch đại quang cơ bản là khuếch đại laser bán dẫn và khuếch
đại quang sợi trong đó khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Erbium được sử
dụng phổ biến.

9


1.1.5. Bộ thu quang
Vai trò của các bộ thu quang là biến đổi tín hiệu quang trở về dạng tín hiệu
điện. Thành phần chính trong bộ thu quang là bộ tách sóng quang, nó chuyển tín
hiệu quang sang tín hiệu điện dựa trên hiệu ứng quang điện. Yêu cầu đối với bộ
tách sóng quang cũng tương tự như với nguồn quang là: độ nhạy cao, thời gian
đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành thấp và độ tin cậy cao có hai kiểu tách sóng
cơ bản đó là tách sóng trực tiếp và tách sóng kết hợp (coherent).
a. Tách sóng trực tiếp
Trong các bộ thu quang tách sóng trực tiếp, bộ tách sóng quang chuyển đổi
luồng photon đến thành dịng điện, dịng điện này Sau đó được khuếch đại và cho
qua một thiết bị ngưỡng. Một bit sẽ là mức logic 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dòng
này trên hoặc dưới giá trịn ngưỡng cho trước trong thời gian một bit. Nói cách
khác, quyết định dựa trên có ánh sáng hay khơng trong thời gian một bit. Thiết bị
tách sóng cơ bản đối với các mạng quang tách sóng trực tiếp là photodiode (PIN)
Và photo diode thác (APD). Trong dạng đơn giản nhất của nó, photodiode là lớp
chuyển tiếp p-n định thiên ngược. Qua hiệu ứng quang điện, ánh sáng tới vùng
lớp chuyển tiếp sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống trong cả miền "n" và "p" của
photodiode. Các điện tử giải phóng ở miền "p" sẽ vượt qua tới miền "n" và các lỗ

trống được tạo ở miền "n" sẽ vượt qua tới miền "p", do đó sinh ra dịng điện.
b. Tách sóng Heterodyne đầu xa (RHD)
Hầu hết các kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn coherent
trong diode phát quang để tạo ra tín hiệu RF. Các kỹ thuật này được gọi
chung là các kỹ thuật tách Heterodyne đầu xa (RHD). Trong khi sử dụng
chuyển đối quang - điện, Diode quang cũng hoạt động như là một bộ trộn, nó
đóng vai trị là một phần tử chỉnh trong các hệ thống RoF dựa trên RHD, trong
kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng thời
và chúng có quan hệ với nhau tới đầu thu. Khi các trường quang tín hiệu và
trường quang của bộ dao động nội được trộn với nhau và qua photodiode chuyển

10


thành tín hiệu RF. Trong kỹ thuật này tần số của bộ dao động nội được lựa chọn
và hiệu chỉnh sao cho tín hiệu RF tạo ra tại tần số mong muốn.
1.1.6. Ưu nhược điểm của sợi quang
-

a. Ưu điểm
Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15THz ở 1550nm) và suy hao thấp (0,2-0,25

-

dB/km ở bước sóng 1550nm).
Sợi quang khơng bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ.
Tính an tồn và tính bảo mật cao do khơng bị dị sóng điện từ như cáp kim loại,
không bị bức xạ năng lượng điện từ nên khơng thể trích lấy trộm thơng tin bằng

-

phương pháp điện.
Sợi quang có kích thước nhỏ, khơng bị ăn mịn bởi mơi trường axit, kiềm, nước...

-

nên có độ bền cao.
Vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên.
Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao hơn

-

bằng cách thay đổi bước sóng cơng tác và kỹ thuật ghép kênh.
Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền xa hơn
b. Nhược điểm
Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối với

-

sợi quang khó khăn.
Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn.
Việc ghép nối sợi quang địi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao. Các khớp

-

của đầu ghép nối khơng tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên

1.2.

Sự kết hợp giữu sợi quang và vô tuyến

1.2.1. Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại
Mạng truy nhập vơ tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến
di động (mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến
cố định (fixed) như WiFi. Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu
tố đó là băng thơng và tính di động. So với mạng cố định thì mạng mobile có tính
di động cao hơn nhưng bù lại thì băng thơng của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có
thể đạt tới tốc độ 108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn
mạng WiMax có thể có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn
trong giai đoạn thử nghiệm nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn. Như vậy

11


ta thấy rằng xu hướng của các mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng
thơng ngày càng tăng để đạt được mạng băng thông rộng.
1.2.2. Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến
Để đạt được mạng băng thông rộng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô
tuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng tế bào (cell), tăng tính di động cho các
thiết bị trong mạng. Trong khi đó để tăng băng thơng thì người ta áp dụng các kỹ
thuật truy nhập tiên tiến hơn như CDMA, OFDM, hai xu hướng trên có tác động
qua lại một cách chặt chẽ. Đối với băng tần mm ngoài những ưu điểm của nó
như: kích thước ănten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở ở tần số mm suy hao của
nó trong khơng gian rất lớn. Suy hao khơng gian được biểu diễn bởi công thức
sau:
LdB = 32 + 20 log f + 20 log d

(1.2.1)

trong đó f là tần số tính bằng MHz cịn d là khoảng cách tính bằng km.

Dựa vào cơng thức trên ta thấy rằng khi tần số tăng lên bao nhiêu lần thì
bán kính phủ sóng của một trạm thu phát cũng bị giảm đi bấy nhiêu lần. Đối với
băng tần mm (26GHz – 100GHz) thì lúc này ta thấy suy hao là rất lớn. Ở băng
tần 60GHz người ta cố gắng để mỗi trạm thu phát (Base Station) có bán kính
phục vụ trong vòng 300m gọi là các microcell. Số lượng microcell này sẽ tăng
nhanh nếu bán kính tăng (tỉ lệ thuận với bình phương bán kính).
Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm
không thể thay thế được đó là băng thơng lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có
thể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km. Các
kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vơ tuyên từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kỹ
thuật RoF. Cịn mạng truy nhập vơ tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng
truy nhập vô tuyến RoF mà ta sẽ gọi tắt là mạng RoF.
1.2.3. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF
-

Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trị là các thiết
bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay có tích hợp
12


chức năng, các PDA hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy
-

nhập vào mạng khơng dây.
Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vơ tuyến nhận được từ CS đến các
MH, nhận sóng vơ tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ phục vụ
một microcell. BS khơng có chức năng xử lý tín hiêu, nó chỉ đơn thuần biến đổi
từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2
thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần
số RF. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng

là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa
chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm các MH. Trong

-

kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do khơng có thành phần xử lý).
Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ thuật
RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thể
nối đến hàng ngàn các BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng
như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở CS vì thế có
thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng

-

đài trong mạng điện thoại), CS được nối đến các tổng đài, server khác.
Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với
nhau, các thành phần của mạng được biểu diễn như (hình 1.4).

13


BS
S

O/E

CS

MH
SOURCE

E/O

E/O

O/E

Am

Hình 1.4. Các thành phần trong một microcell trong kiến trúc RoF.

1.2.4. Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF
-

Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được tập
trung ở CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc của BS. Các BS có chức năng chính đó
là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang.

14


-

Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài ngun và cấp băng
thơng động (thành phần này có thể sử dụng băng thơng thành phần khác nếu
băng thơng đó thực sự rỗi) cho phép sử dụng băng thơng hiệu quả hơn. Hơn nữa

-

nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn.

Cấu trúc BS đơn giản nên sự ổn định cao hơn và quản lý số BS này trở nên đơn
giản, ngoại trừ số lượng lớn. Đặc biệt là kỹ thuật RoF trong suốt với các giao
diện vô tuyến (điều chế, tốc độ bit) và các giao thức vô tuyến nên mạng có khả
năng triển khai đa dịch vụ trong cùng thời điểm.
a. Ưu điểm
-

Suy hao thấp
Băng thông rộng
Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến.
Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng.
Giảm công suất tiêu thụ.
Phân bổ tài nguyên động.

b. Nhược điểm
Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản
đây là một hệ thống truyền dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu
và méo, đây là hạn hế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống
RoF, những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn dải động (DR) của các tuyến
RoF.

1.3.

Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày những vấn đề cơ bản nhất về RoF như: khái niệm,

các thành phần trong hệ thống, các ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của nó
trong các hệ thống: mạng tế bào, thơng tin vệ tinh, mạng WLAN, mạng truyền
thông cho các phương tiện giao thơng,… Trong chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm
hiểu sâu hơn về hệ thống RoF cũng như các phương pháp điều chế được áp dụng

trong hệ thống RoF.

15


CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER
2.1.

Giới thiệu Ky thuật RoF

2.1.1. Khái niệm
RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến đã được điều chế trên sợi
quang, nó sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín
hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát.
2.1.2. Giới thiệu về truyền dẫn RoF
Không giống với mạng truyền dẫn quang thơng thường, các tín hiệu được
truyền đi thường ở dạng số, RoF là một hệ thống truyền tín hiệu tương tự bởi vì
nó chuyển tải các tín hiệu dạng vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại. Thực tế thì
các tín hiệu truyền dẫn có thể ở dạng vô tuyến RF hay tần số trung tần IF hay
băng tần gốc. Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB thì có thêm các thành phần
mới để đưa từ tần số gốc hay IF lên dạng RF ở BS. Trong trường hợp lý tưởng thì
ngõ ra của tuyến RoF sẽ cho ta tín hiệu giống như ban đầu, nhưng trên thực tế thì
dưới sự tác động của các hiện tượng phi tuyến, đáp ứng tần số có hạn của laser và
hiện tượng tán sắc trong sợi quang mà tín hiệu ngõ ra bị sai khác so với ngõ vào
gây ra một số giới hạn trong truyền dẫn như tốc độ, cự ly tuyến. Hiện tượng này
càng nghiêm trọng hơn trong tuyến RoF này vì tín hiệu truyền đi có dạng analog,
do đó các u cầu về độ chính xác là cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số.

2.2.

Các phương pháp điều chế lên tần số quang
Để truyền tín hiều RF trên sợi quang người ta sử dụng phương pháp điều

chế cường độ, tức là sóng quang có cường đơ thay đổi theo cường độ của tín hiệu
RF.
Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang bằng phương
pháp điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp (2) điều chế ngoài (3)
điều chế trộn nhiều ánh sang kết hợp (heterodyne). Phương pháp thứ nhất, công
16


suất nguồn laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dịng điện của tín
hiệu RF. Ưu điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộng
rãi trong các mạch phát laser hiện nay. Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số
RF điều chế bị hạn chế ở tầm 10GHz. Có một số laser có thể hoạt động ở tầm cao
hơn 40Ghz nhưng nó có giá thành khá mắc và khơng phổ biến trên thị trường.
Phương pháp điều chế ngoài là phương pháp sử dụng một nguồn sáng chưa
điều chế kết hợp với một bộ điều chế cường độ nguồn quang ngoài. Ưu điểm của
phương pháp này là cho phép điều chế ở tần số cao hơn so với phương pháp điều
chế trực tiếp. Tuy nhiên do suy hao chèn của phương pháp này lớn nên hiệu suất
của nó khơng cao.
Phương pháp cuối cùng, tín hiệu RF được điều chế sang dạng quang bằng
phương pháp heterodyne, trộn các sóng ánh sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên
miền quang, sau đây sẽ trình bày chi tiết các phương pháp điều chế.
2.2.1. Điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne)
Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được
truyền đồng thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu. Và một trong số
chúng kết hợp với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vơ
tuyến ban đầu. Ví dụ 2 tín hiệu quang được phát ở băng tần ở chung quanh bước

sóng 1550nm có khoảng cách rất nhỏ 0.5nm. Tại đầu thu, sự kết hợp 2 sóng
quang này bằng kỹ thuật heterodyne và tạo ra một tín hiệu điện ở tần số 60Ghz
ban đầu mà ta cần truyền đi. Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mơ tả trong
(hình 2.1).
a. Ngun lý
Cường độ của một tín hiệu quang dưới dạng phức có dạng:
Es = As exp[ − i( ω s t + ϕ s ) ]

(2.2.1)
Trong đó ωs là tần số sóng mang, As là biên độ và φs là pha của tín hiệu.
Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng

17


[

Eref = Aref exp − i (ω ref t + ϕ ref

)]

(2.2.2)

với Aref, ωref, φref lần lượt là biên độ, tần số và pha của tín hiệu tham chiếu.
Trong trường hợp này ta giả sử rằng cả tín hiệu gốc và tín hiệu tham chiếu phân
cực giống nhau để chúng có thể kết hợp tại PD ở đầu thu. Như ta biết rằng, công
2

P = K Es + Eref
suất thu được ở PD có dạng

trong đó K được sgọi là hằng số tỷ

lệ của PD.
Như vậy ta có:
P( t ) = K

As cos( ω s t + ϕ s ) + iAs sin( ω s t + ϕ s )

2

+ As cos(ωref t + ϕ rêf ) + iAref sin(ωref t + ϕ ref

= Ps + Pref + 2 Ps Pref cos(ω0t + ϕ s − ϕ ref

)

)
(2.2.3)

Trong đó: Ps=KAs2, Pref=KAref2, ω0=ωs-ωref. Đôi khi người ta ký hiệu ω0 là ωIF
được gọi là tần số (góc) trung tần. Lý do nó được gọi là tần số trung tần bởi vì
thơng thường ω0 và ωref rất gần nhau nên hiệu của chúng là ωIF thường nhỏ hơn
khá nhiều so với ω0 và ωref, và được gọi là tần số trung tần.
-

Nếu ω0 =0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne.

Từ cơng thức (2.5.3) ta có

P( t ) = Pref + 2 Ps Pref cos(ϕ s − ϕ ref

)
(2.2.4)

vì thơng thường Ps<Dịng điện sau PD có dạng

I ( t ) = RP ( t ) = I ref + 2 R Ps Pref
với φs = φref.

18

(2.2.5)


Do Iref thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín
hiệu homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng:

I hom ( t ) = 2 R Ps Pref
(2.56)
Từ công thức trên ta thấy ưu điểm của phương pháp tách sóng homodyne
đó là: thứ nhất dòng điện ngõ ra lớn nhất nếu ta triệt bỏ pha của sóng tới và sóng
tham chiếu, nên cho tỉ số SNR cao. Thứ hai là thành phần thu được không mang
thông tin tần số và pha, chỉ phụ thuộc vào biên độ, nên nó rất phù hợp với
phương pháp tách sóng trực tiếp thường khơng mang thơng tin về tần số và pha.
Tuy nhiên nhược điểm của nó là phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóng
tín hiệu lẫn sóng tham chiếu. Điều này được thực hiện bằng một vịng khóa pha
quang.
-

Nếu ωs ≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne:

I ( t ) = RP ( t ) = I ref + 2 R Ps Pref cos( ω0t + ∆ϕ )
(1.5.7)
Khi đó thành phần heterodyne là:

I het ( t ) = 2 R Ps Pref cos( ω0t + ∆ϕ )
(1.5.8)
Lúc này thành phần tín hiệu sẽ được đại diện bởi biên độ, tần số và pha của
sóng mang IF. So với kỹ thuật homodyne thì kỹ thuật này có tỉ số SNR nhỏ hơn là
3dB vì chứa thành phần cos. Tuy nhiên kỹ thuật này khơng cần thiết phải có vịng
khóa pha phức tạp nên nó thực hiện đơn giản hơn so với homodyne.
Kỹ thuật heterodyne có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điều
chế ASK, PSK, FSK ở phía phát và sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay
tách sóng đường bao ở phía thu bởi vì thành phần tín hiệu Ihet sau khi tách sóng
mang đầy đủ thông tin về cường độ, tần số và pha.
b. Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF.

19


Hình 2.1 ta thấy 2 ưu điểm của kỹ thuật này. Ưu điểm thứ nhất đó là cấu
trúc BS đơn giản do nguồn tham chiếu RF được tạo ra từ CS, nguồn RF tham
chiếu được khóa pha với Laser phát chính (master laser). Cả nguồn tham chiều
lẫn tín hiệu được truyền đi trong cùng sợi quang. Chú ý rằng, nguồn tham chiếu
được truyền với tần số RF trong khi đó thì tín hiệu được điều chế ở tần số IF. Ưu
điểm thứ hai đó là tín hiệu được truyền đi với tần số IF (unmodutation signal Gọi là tín hiệu chưa điều chế vì vẫn ở tần số trung tần, nhưng thực chất nó đã
được điều chế sang dạng quang).
RF

refence

BS
Refenrence
laser

RF
refence

Signal
laser

Photodetector
Optical
mod
IF
mod

CS

Digital
source

Hình 2.1. Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF.

Điều này giúp cho tín hiệu được truyền đi xa hơn mà ít bị ảnh hưởng đến
hiện tượng tán sắc hơn. Đến BS, nguồn tín hiệu IF này sẽ được điều chế lên tần
số RF bởi nguồn tham chiếu RF tại Photodetector và phát đi, tín hiệu lúc này gọi
là modulation signal vì nó ở tần số RF.
2.2.2. Bộ điều chế ngoài

Phương pháp điều chế trực tiếp có 2 nhược điểm chính sau đây:
•

Băng thông bị hạn chế bởi tần số của laser diode

20


•

Chirp hiện tượng này gây lên sự trải rộng của xung ánh sáng. Chirp là
một trong những vấn đề của laser DFB và nó là nhân tố gây ra giới hạn về tốc độ
truyền tín hiệu.
Để tránh được hai nhược điểm nói trên người ta sử dụng phương pháp điều
chế ngoài sơ đồ tổng quát điều chế ngoài được cho như (hình 2.2).
Ở bộ điều chế ngồi, người ta cần một nguồn laser rất ổn định, vì vậy một
vịng hồi tiếp với photodiode được thêm vào, vòng hồi tiếp này sẽ làm cho cường
độ laser phát ra được ổn định, đồng thời hiện tượng chirp được giảm thiểu. Tuy
nhiên vòng hồi tiếp này khiến cho hiệu suất làm việc của laser khơng cao vì một
phần được đưa vào điều khiển hồi tiếp.
CW light

PD

Laser
Diode

External
Modulator

Laser-driving eclectronic

Interface eclectronic

Modulation light

Information

Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ điều chế ngồi.

-

Băng thơng điều chế: do bộ điều chế ngồi quyết định, vì vậy, khơng bị giới hạn
bởi tần số dao động tắt dần của laser diode. Ánh sáng laser trong trường hợp này

-

đóng vai trị như sóng mang.
Khơng xảy ra hiện tƣợng chirp đối với tín hiệu quang vì laser được kích thích
bởi dịng điện ổn định nên ánh sáng phát là sóng liên tục có tần số và độ rộng phổ
ổn định. Đặc điểm này rất quan trọng đối với hệ thống ghép kênh theo bước sóng

-

WDM vì u cầu về độ ổn định của bước sóng ánh sáng tại các kênh rất cần thiết.
Khơng bị giới hạn bởi cơng suất phát quang vì đặc tính điều chế do bộ điều chế
ngồi quyết định.
Ngày nay, có 2 loại điều chế ngoài được sử dụng một cách rộng rãi đó là
bộ điều chế ngồi Match Zender và bộ điều chế ngoài bức xạ electron.

21


a. Bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM)
Mach-Zehnder Modulator (MZM) hay còn gọi là Lithium Niobate (LiNbO3)
Modulator được chế tạo bằng vật liệu Lithium Niobate có cấu trúc MachZehnder như (hình 2.3). Chiết suất của Lithium Niobate phụ thuộc vào điện áp
phân cực ánh sáng do laser phát ra khi đi vào ống dẫn sóng được chia làm hai
phần bằng nhau. Khi khơng có điện áp phân cực, cả hai nửa sóng ánh sáng tới
khơng bị dịch pha. Vì vậy, ở ngõ ra của bộ điều chế, sóng ánh sáng kết hợp có
dạng của sóng ánh sáng ban đầu. Khi có điện áp phân cực, một nửa của sóng tới
bị dịch pha +90° vì chiết suất của một nhánh của ống dẫn sóng giảm, làm tăng
vận tốc truyền ánh sáng và làm giảm độ trễ. Một nửa kia của sóng tới ở nhánh
cịn lại của ống dẫn sóng bị dịch pha -90° vì chiết suất tăng, làm vận tốc truyền
ánh sáng giảm và làm tăng độ trễ. Kết quả là, hai nửa sóng ánh sáng ở ngõ ra của
MZM bị lệch pha 180° và triệt tiêu lẫn nhau. Qua đó cho thấy, cường độ tín hiệu
ánh sáng ở ngõ ra của MZM có thể đƣợc điều khiển bằng cách hiệu chỉnh điện
áp phân cực. Bằng cách này, bất kỳ độ dịch pha của sóng ánh sáng tới ở hai
nhánh của ống dẫn sóng cũng có thể được hiệu chỉnh.
Điều chế ngồi MZM chủ yếu được sử dụng trong mạng quang truyền
hình.

22


Hình 2.3. a. Có điện áp điều khiển, b. Khơng có điện áp.

MZM có một sơ hạn chế như: suy hao xen cao (lên đến 5dB) và điện áp
điều chế tƣơng đối cao (lên đến 10V), Ngoài ra, sử dụng MZM cịn có một hạn
chế nữa là MZM là một linh kiện quang tách biệt. Do MZM được chế tạo bởi
LiNbO3 khơng phải chất bán dẫn nên khơng thể tích hợp với laser DFB trong

một chip. Những hạn chế này của MZM có thể được khắc phục bởi một loại điều
chế ngoài khác: electron sorption modulator (EAM).
b. Bộ điều chế hấp thụ electron (EAM)
Nhược điểm lớn của các bộ điều chế ngồi đó là tổn hao chèn, thơng
thường tổn hao chèn của một bộ điều chế có thể lên đến 5dB, và điện áp điều chế
cao (10V). Ngồi ra cịn có 1 nhược điểm nữa đó là sự cứng nhắc của nó, khiến
các nhà thiết kế và quản trị mạng quang phải đau đầu. Họ muốn có một bộ phát
tích hợp chức năng điều chế bên trong laser diode có thể phát ra ở nhiều tần số
vào một con chip mà không bị ảnh hưởng của hiện tượng chirp.Người ta sử dụng
bộ điều chế ngoài bức xạ electron. Nguyên tắc hoạt động của nó như sau: Một

23


laser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục, tia sáng này chạy qua ống dẫn sóng
được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn. Khi khơng có điện áp điều khiển đặt vào,
ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser DFB bởi
vì tần số cắt của nó, λC, ngắn hơn bước sóng tia tới, khi một hiệu điện thế điều
khiển đặt vào, một khoảng trống (band gap), Eg của vật liệu ống dẫn sóng tăng
lên. Đó được gọi là hiệu ướng Franz-Keldsysh, khi khoảng năng lượng này tăng
lên, tần số cắt giảm xuống (λC = 1024/Eg) và vật liệu của ống dẫn sóng bắt đầu
bức xạ tia tới. Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn sóng bán dẫn, đặc tính bức
xạ của ống dẫn sóng cũng thay đổi. Điều thú vị là loại bộ điều chế này là vật liệu
bán dẫn làm ống dẫn sóng có thể được sản xuất trên nền của DFB laser.
Đặc điểm của bộ điều chế bức xạ electron này là:
Công suất quang ngõ ra bộ điều chế EA có thể đạt được 0dBm. Thơng
thường, ngõ ra của các bộ phát có cơng suất nhỏ hơn so với trường hợp điều chế
trực tiếp. Tuy nhiên, công suất ngõ ra của bộ điều chế EA không những khơng
nhỏ hơn mà đơi khi cịn lớn hơn.
• Điệp áp điều khiển bộ điều chế nhỏ chỉ khoảng 2V.

• Tỉ số chênh lệch động, Pmax/Pmin, lớn.
2.2.3. Kỹ thuật dịch tần
Truyền tín hiệu có tần số RF trên sợi quang sẽ bị tác động rất lớn của tán
sắc, suy hao, trong kỹ thuật này người ta truyền tín hiệu ở băng tần IF. Tín hiệu
được truyền dẫn ở băng tần IF khi điều chế lên tần số quang sẽ hạn chế rất lớn
ảnh hưởng của tán sắc, tuy nhiên cần phải có một bộ chuyển đổi tần số từ IF lên
RF ở BS khiến làm cho giá thành của BS tăng lên. Điều này khơng có lợi một ưu
điểm khác của kỹ thuật này nữa là cần băng thông rất nhỏ (trên miền quang) nên
nó có ý nghĩa rất lớn khi sử dụng kết hợp với kỹ thuật WDM.

24


IF

Điều chế cân bằng

Lọc thơng dải

RF

RFocs

Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ nâng tần.

Giả sử ta có tín hiệu sIF(t) ở tần số IF:
s IF (t ) = cos(ω IF t + ϕ s )

(2.2.1)

Cường độ điện trường của tín hiệu quang mang tín hiệu trên có dạng:

E (t ) = K .s IF (t ).e

jωopt t +ϕ

(2.2.2)

Với K là hằng số. Giả sử φs = φ = 0.
Re[ E (t )] = KA cos(ω IF t ).(cos ω optt )
=

[

1
KA cos((ω opt + ω IF )t ) + cos((ωopt − ω IF )t )
2

]
(2.2.3)

Như vậy tín hiệu trên sợi quang chiếm băng thơng 2fIF. Trong khi đó ta
truyền tín hiệu ở băng tần IF thì băng thơng của sử dụng là 2fRF=120GHz = 1nm.
Tại BS, giả sử ta tách được tín hiệu sIF(t), ta sẽ đưa lên tần số RF bằng một
bộ nâng tần (hay còn gọi là bộ điều chế cần bằng)
s *RF = A cos(ω IF t ). A′ cos(ω RFocst )
=

1
AA′[ cos((ω RFocs + ω IF )t + cos((ω RFocs − ω IF )t ]

2

(2.2.4)

Sau khi đi qua bộ lọc thơng. Ta có tín hiệu RF mong muốn.

1
s RF = cos( (ω RFocs + ω IF )t )
2

25

(2.2.5)