Các hệ thống thông tin quang Nghiem Xuan Anh

Các hệ thống thông tin quang thầy Nghiem Xuan Anh

Hệ  thống  TTQ  IM­DD  ra  đời  đầu  tiên,  đã  và  đang được  sử  dụng  rộng  rãi  trong  mạng  quang  tại  Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 ¸

10 Gb/s (STM­4, STM­16) 

I.1 Nguyên lý hệ thống IM­DD

2/26/2007  Optic Communication Systems  5 

I.1.1. Phía Máy Phát 

Phía  phát  thực  hiện  biến  đổi  tín  hiệu  điện  đầu  vào 

thành  tín  hiệu  quang  tương  ứng  và  phát  tín  hiệu 

quang  này  vào  sợi  quang  để  thực  hiện  việc  truyền 

thông tin. 

[Máy  phát  thực  hiện  điều  chế  nguồn  quang  (LED 

hoặc  LD)  bằng  dòng  tín  hiệu  điện  (digital  hoặc 

Méo (dãn xung) tín hiệu do tán sắc (tán sắc giữa các mode, tán sắc mode (tán sắc vận tốc nhóm), tán sắc dẫn  sóng,  tán  sắc  vật  liệu,  tán  sắc  phân  cực  mode vv Þ Bit rate limitted!. 

phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo) tại đầu ra của nó Þ

bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp 

(DD). Các photodiode có thể là p­i­n hoặc APD.  Tách  sóng trực tiếp được biểu hiện là ở  máy thu quang, tín 

hiệu  được  tách  ra  trực  tiếp  ở  băng  gốc  mà  không có bất kỳ xử lý hoặc biến đổi nào

2/26/2007  Optic Communication Systems  9 

I.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR 

Tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) là tham số rất quan trọng 

trong  bộ  tách  sóng  quang.  Nó  xác  định  chất  lượng 

của  bộ  thu  quang  tương  tự  và  là  yếu  tố  chủ  yếu 

quyết định độ nhạy của bộ thu quang số. 

Sau khi tín hiệu quang  lan truyền  qua một cự ly dài, 

công  suất  của  nó  rất  thấp.  Do  đó  cần  có  bộ  thu 

quang  tốt,  bộ  tách  sóng  quang  và  các  mạch  điện 

bé nhiÔu suÊt C«ng sãng

t¸ch

bé nhiÔu suÊt C«ng

photo dßng

tõ hiÖu tÝn suÊt

)  / 

4  (  )  ( 

2 

2 

2 + + +

)  / 

4  ( 

2  ) 

( 

2 

)  ( 

2 

2 + +

eSNR  chỉ  đủ  để  đánh  giá  chất  lượng  tín  hiệu  thu 

trong  truyền  dẫn  analog  có  đáp  ứng  tiêu  chuẩn  đề 

ra hay không, còn 

Độ nhạy thu – sơ đồ tham chiếu 

Trong  thông  tin  quang  số,  độ  nhạy  thu  luôn  bị  ràng 

buộc  bởi  tỷ  số  lỗi  bit  BER.  Độ  nhạy  được  thể  hiện 

bằng  một  công  suất  quang  tối  thiểu  có  thể  có  thể đảm bảo tỷ số lỗi bit BER đã cho. (Thường được xác định tại một điểm tham chiếu trước bộ nối thu ­ R) 

Các  thông  số  tại  các  điểm  tham  chiếu  xác  định  có liên quan tới mục tiêu thiết kế đoạn truyền dẫn quang 

có tỷ số lỗi bit BER. 

BER thường nằm trong dải 10 ­6 ¸ 10 ­12

mong muốn (bit 1 hoặc 0) trong khe thời gian của nó.  Trong  trường  hợp  không  lỗi  thì  khi  “1”  được  thu  thì 

đầu  ra  V out (t)  phải  cao  hơn  điện  áp  ngưỡng,  và  khi 

“0” được thu thì V out (t) phải nhỏ hơn ngưỡng. 

Trong thực tế, do tác động của các  loại  nhiễu khác  nhau và sự giao thoa giữa các xung lân cận có thể 

gây  ra  sự  trệch  khỏi  giá  trị  trung  bình  của  V out (t)  và gây ra lỗi. 

điều  đó  quyết  định  xem  bit  “1”  hay  “0”  được  phát 

đến.  Do  đó,  ta  xét  vấn  đề  này  thông  qua  hệ  thống 

2/26/2007  Optic Communication Systems  21 

BER (continued.) 

Mật độ xác suất p(I) 

BER (continued.) 

Hình  trên  chỉ  ra  tín  hiệu  dao  động  nhận  được  bởi 

mạch  quyết  định,  mạch  này  lấy  mẫu  tại  thời  điểm 

Mạch  quyết  định  so  sánh  giá  trị  lấy  mẫu  với  mức 

ngưỡng  I  D  và gọi nó là bit  “1” nếu  I>  I  D  hoặc  bit  “0” 

nếu I<I  D . 

BER (continued.) 

Lỗi xảy ra khi I< I  D  cho bit “1” do nhiễu máy thu. Một lỗi  cũng có thể xảy ra nếu I> I  D  cho bit “0”. 

Cả hai kiểu lỗi trên có thể gộp lại bằng việc định nghĩa 

xác suất lỗi bit như sau 

Trong đó P(1/0) là xác suất quyết định nhầm bit “1” khi  bit  “0”  được  gửi  đến.  P(0/1)  là  xác  suất  quyết  định  nhầm bit “0” khi bit “1” được gửi đến. 

p(0)  và  p(1)  là  xác  suất  nhận  đúng  các  bit  “0”  và  “1”  tương ứng. 

) 

1  / 

0  (  ) 

1  (  ) 

0  / 

1  (  ) 

Nhiễu  nhiệt  i  T  và  nhiễu  bắn  được  xấp  xỉ  bằng  phân  bố 

Gaussian, do  đó  tổng  của  chúng  (giá  trị  được  lấy  mẫu  ­  I) 

cũng là biến ngẫu nhiên Gaussian có phương sai là 

2 

) 

1  / 

0  (  ) 

0  / 

1 

(  P 

P  BER =  +

2/26/2007  Optic Communication Systems  25 

BER (continued.) 

Giá trị trung bình và phương sai của bit “1” và bit 

“0” khác nhau do I  p  tương đương với I  1  hoặc I  0 , tùy 

theo  bit  nhận  được.  Nếu s 1 2 và s 0 2 là  các phương 

sai  tương  ứng  thì  xác suất  có  điều kiện  trên  được 

Phương  trình  trên  cho  thấy  BER  phụ  thuộc  vào 

ngưỡng  quyết định  I  D    Trong thực  tế,  I  D được  tối  ưu 

nhằm  tối  thiểu  BER.  BER  min.  đạt  được  khi  I  D  được 

s

s

s s

(*) 

(**)

Bỏ  qua  thành  phần  dòng  tối,  phương  sai  nhiễu  trở 

Nhận  xét:  Độ  nhạy  thu  phụ  thuộc vào  các tham  số 

bộ  thu.  Đối với  bộ  thu  quang  PIN  thì  nhiễu  nhiệt s T 

thường là trội, và khi đó <P rec > có thể được viết dưới 

dạng đơn giản như sau: 

Ta thấy s T không chỉ phụ thuộc vào các tham số như 

R L và  F n mà  còn  phụ  thuộc vào  cả  tốc  độ  bit  thông 

qua băng tần điện  B e của bộ  thu  quang  (B e =B/2).  B 

là  tốc  độ  bit.  Vì  thế  <P rec >  tăng  theo  B 1/2 trong  giới 

hạn  nhiễu  nhiệt,  và  điều  này  có  nghĩa  là  độ  nhạy 

rec

s

B  1/2 nên  độ nhạy của APD giảm nhanh hơn  so với 

Với  bộ tách sóng lý tưởng, s 0 =0 vì  nhiễu  lượng tử  triệt 

tiêu  khi  không  có  công suất  quang  tới.  Do  đó,  ngưỡng 

quyết  định  có  thể  đặt  gần  mức  0.  Khi  đó,  ngay  cả  1 

Cải thiện được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra  của  mạch  tiền  khuếch  đại,  dẫn  tới  độ  nhạy  thu  cao  (upto 20 dB so với hệ thống IM­DD), cho phép kéo dài 

2/26/2007  Optic Communication Systems  45 

II.1. Khái niệm về Thông tin quang 

coherent 

Hệ  thống  TT  coherent  dựa  theo  nguyên  lý  truyền 

sóng  ánh  sáng  mang  tín  hiệu  kết  hợp với  một  sóng 

Đến  đầu  1980s,  khi  công  nghệ  sợi  quang  và  laser  đạt 

được  những  bước  tiến  nhảy vọt  mới  tạo  đà  cho các  hệ 

thống  coherent  phát  triển.  (Sợi  quang  đơn  mode  G.652 

có  suy  hao  thấp » 0.154  dB/km  @  1550nm.  Laser  bán 

dẫn có độ ổn  định  tần số cao, độ  rộng phổ hẹp  làm cho 

tán sắc gây dãn xung không đáng kể.) 

Chỉ trong vòng 6­7 năm, hệ thống coherent đã được đưa 

vào  sử  dụng  trong  các  mạng  viễn  thông.  Các  hãng  nổi 

tiếng  thế  giới  như  AT&T,  NTT,  NEC  vv…  cho  đây  là 

hướng  mũi  nhọn  trong  việc  nâng  cao  khả  năng  truyền 

Độ  phân  cực  của  ánh  sáng  được  phải  được  giữ  nguyên trạng trong quá trình truyền. 

Trước khi tách sóng ở máy thu, tín hiệu được trộn với  sóng dao động nội (laser diode). Như vậy ánh sáng đã  được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang. 

II.2. Cấu trúc của HTTTQ coherent

Yêu  cầu  cả  hai  trường  quang cần  phải  đồng  hướng trên mặt của photodiode. Do trạng thái phân cực của tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng nên cần phải sử dụng  bộ  điều  khiển  phân  cực  tín  hiệu  và  dao  động nội ở đầu cuối của tuyến sợi quang. Độ lệch giữa các trạng  thái phân cực của  tín  hiệu và  dao  động  nội có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. 

Homodyne và Heterodyne Receivers 

Nếu tần số của sóng dao động nội và tín hiệu giống nhau thì máy thu gọi là Homodyne, còn 

nếu  tần  số  của  sóng  dao  động  nội  và  tín  hiệu  khác nhau (Df= f IM ) thì máy thu gọi là Heterodyne. 

Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phía phát 

về cơ bản là giống nhau, tuy nhiên có một điểm khác là:  trong  laser dao  động  nội  có  khả  năng  điều  chỉnh từng tần số phát trong một dải rộng để đảm bảo tần 

số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định. 

Bộ trộn + photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (heterodyne) hoặc tách pha (homodyne)

Một  phần  dòng  sau  biến  đổi  O/E  được  sử  dụng  để 

chốt  trung  tần  tại  một  giá  trị  mong  muốn  thông  qua 

vòng điều khiển tần số tự động AFC. 

II.3. Nguyên lý hoạt động

w s

w LO (w s ­ w LO ) 

Priciples of operation … 

Giả sử ta coi trường điện từ của tín hiệu đến từ phía phát là sóng phẳng có dạng. 

A s là biên độ trường của tín hiệu quang, w s là tần số tín hiệu, f s (t) là pha của tín hiệu quang. 

Để truyền  thông  tin,  ta  có  thể  sử dụng kỹ thuật điều biên, điều tần, hoặc điều pha sóng mang quang

FSK. Biên độ A  s là hằng số và pha f s nhận giá trị w 1  t 

hay w 2  t, trong đó w 1 và w 2 biểu thị  các giá trị của tín hiệu nhị phân. 

PSK.  Thông  tin  được  truyền  đi  qua  sự  thay  đổi  pha với sóng hình sin có  , trong đó b là chỉ 

2/26/2007  Optic Communication Systems  57 

Receiver 

Tại  bộ  thu  quang,  tín  hiệu  này  trước  tiên  được  trộn  với 

sóng  quang  phát  ra  từ  bộ  dao  động  nội.  Tiếp  theo, 

Giả thiết cả trường E s và E LO có cùng phân cực. Bộ tách 

sóng phía thu sẽ đáp ứng với cường độ quang |E  s  +E  LO |  2 

Do  photodiode  đáp  ứng  với  cường  độ  quang  nên 

công  suất  thu  được  tại  bộ  tách  sóng  được  cho  bởi 

2  ) 

Thông  thường  thì P LO lớn hơn rất nhiều  P s . Khi w s¹w LO ,  tín hiệu quang sẽ được giải điều chế theo hai giai đoạn: Tần  số  sóng  mang  trước  tiên  được  biến  đổi  thành  trung tần f IF =w IF /2p (typ. 0.1 ¸ 5 GHz) 

Homodyne and Heterodyne Detection 

Sau đó tín hiệu được giải điều chế sang băng cơ sở. Không nhất thiết luôn  phải sử dụng trung  tần. Trong 

bộ  thu  coherent  thực  tế,  có  hai  kỹ  thuật  tách  sóng 

tuỳ thuộc vào w IF =0 hay w IF ¹ 0. 

Nếu w IF =0 thì tách sóng được gọi là homodyne, còn  Nếu w IF ¹ 0 thì tách sóng được gọi là heterodyne. 

Sự cải thiện về độ nhạy thu trong tách sóng Coherent được thể hiện bằng các kỹ thuật này. 

Tiêu chí  đánh giá, phân  tích  thông qua  việc so sánh 

dòng photo trong tách sóng trực tiếp và Coherent.

Do  P LO >>P s nên  tỷ  số  4P LO /<P s >    >>  1,  dẫn  tới  sự  tăng 

công  suất  có  thể vượt  20  dB.  Bộ  dao  động  nội  đã  đóng 

tiếp không làm được do toàn bộ thông tin về pha tín  hiệu đã bị mất ! 

Tách  sóng  homodyne là  một  kỹ  thuật  tiên  tiến nhưng 

nó cũng có vấn đề do tính nhạy cảm pha của nó. Yêu  cầu phải có mạch khóa pha quang OPLL để khóa pha  của bộ dao động nội với sóng mang tín hiệu. 

Ngoài ra, có yêu cầu nghiêm ngặt đối với sự đồng tần  giữa laser phát và laser dao động nội

Þ Điều  này  được  khắc  phục  bằng  tách  sóng  heterodyne! 

II.3.2 Tách sóng Heterodyne

w IF ¹0  Không  cần  OPLL  nên  các  bộ  thu  Heterodyne  dễ  thực  hiện hơn bộ thu Homodyne. 

Dòng photo thu được trong tách sóng Heterodyne là: 

Ta  quan  tâm  đến  thành  phần  điều  hòa  vì  dòng  này  sẽ  được lọc ra nhờ bộ lọc. Thành phần này có mang thông  tin và là: 

Heterodyne  có  thể  dùng  điều  biên,  pha  và  tần  số  của  sóng mang quang để mang thông tin

[ (  )  (  )  (  ) ] cos 

2  )  ( 

I  she = s  LO  wIF  + f s  - f LO 

(*) 

hiệu  (tỷ  lệ  với  bình  phương  dòng  điện).  Do  bản  chất 

của dòng  I  ac , công suất  tín  hiệu  trung  bình bị  giảm  đi 

hệ số 2 khi I  ac  2 được  lấy trung bình qua cả chu kỳ tại 

bộ  được  sử  dụng.  Điểm  này  làm  cho  tách  sóng 

heterodyne  rất  phù  hợp  cho  thực  hiện  các  hệ  thống 

s 2 của  các  biến  động  dòng  đạt  được  bằng  cách  lấy tổng của hai thành phần, vì vậy 

Sự  khác biệt với các  phân tích  trước  đây  nằm ở  sự 

đóng  góp  của  nhiễu  bắn.  Dòng  I  trong  biểu  thức 

(*p.67) là  dòng  photo  tổng  được  cho  bởi  bt (*p.61) 

hoặc (*p.64) tùy thuộc vào tách sóng homodyne  hay heterodyne được sử dụng. 

Do  thực  tế  P LO >>P s nên  ta  thế  I  trong (*p.67) bằng  I=RP  LO cho cả hai trường hợp. 

SNR  được  xác  định  bằng  cách  chia  công  suất  tín hiệu trung bình cho công suất nhiễu trung bình

2/26/2007  Optic Communication Systems  69 

SNR ­  Heterodyne 

SNR của bộ thu heterodyne là 

Trong trường hợp homodyne, SNR  lớn  hơn bởi hệ 

số 2 nếu ta giả thiết f s =f LO trong biểu thức (*p.61)   

Từ  bt  trên  ta  có  thể  thấy  được  ưu  điểm  của  tách 

sóng  coherent.    Do  công  suất  quang  dao  động  nội 

So sánh SNR trong bt (*p.11) với (*p.70) cho thấy sự cải thiện SNR trong tách sóng heterodyne so với tách sóng trực tiếp như thế nào. 

Hữu ích hơn nếu ta biểu diễn SNR theo số photon N  p  nhận được  trong một  bit  đơn.  Tại  tốc  độ  bit  B, công  suất tín hiệu <P  s  > và B  e trong (*p.70) quan hệ với N  p  theo <P  s  >=N  p  hnB. Điển hình, B  e  =B/2. 

2/26/2007  Optic Communication Systems  73 

II.5. Các dạng thức điều chế. 

Ưu  điểm  quan  trọng  của  sử  dụng  các  kỹ  thuật  tách 

sóng  coherent  là  ở  chỗ  cả  biên  độ  và  pha  của  tín 

Trong  trường  hợp  điều  chế  ASK,  biên  độ  A s được  điều  chế trong khi duy trì w 0 và f s là hằng số. Đối với điều chế 

số  nhị  phân,  A s nhận  một  trong  hai  giá  trị  cố  định trong  mỗi chu kỳ bit, tùy theo bit 1 hay 0 được truyền đi. 

Trong phần lớn các tình huống thực tế, A s = 0 khi truyền  các bit 0. Khi đó, ASK được gọi  là OOK và giống với sơ 

đồ điều chế thường được sử dụng cho các hệ thông TTQ 

số noncoherent IM/DD

[ (  )  ]   cos 

)  (  ) 

E s = s  w + f s 

Sự khác biệt giữa ASK cho IM/DD và  ASK cho coherent 

Thực hiện  ASK  cho  các  hệ  thống  coherent khác với trường  hợp  các  hệ  thống  tách  sóng  trực  tiếp  ở  một khía cạnh quan trọng. 

IM/DD  :  luồng  bit  quang  cho  các  hệ  thống  tách  sóng  trực  tiếp  có  thể  được  tạo  ra  bằng việc  điều  chế  trực  tiếp LED hoặc laser diode 

Coherent: cần điều chế ngoài. 

Why need an external modulator? 

Answer:  Luôn  có  sự  thay  đổi  về  pha  khi  biên  độ  A s thay đổi do bởi dòng điều chế đặt vào laser bán dẫn

2/26/2007  Optic Communication Systems  77 

ASK for coherent … 

Với các hệ thống IM/DD những biến đổi pha không cố ý 

như  vậy không thấy được bởi  bộ  tách sóng (photodiode 

chỉ  đáp  ứng với  công  suất quang) và  không phải  là mối 

quan tâm chính ngoài sự mất mát công suất do tạo chirp. 

Khác  với  IM/DD,  đáp  ứng  của  bộ  tách  sóng  trong  hệ 

thống coherent phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được. 

Thực hiện ASK cho hệ thống cohherent đòi hỏi f s duy trì 

gần  như  không  đổi.  Điều  này  đạt  được  nhờ  vận  hành 

laser bán dẫn  liên  tục bằng một dòng  điện không  đổi và 

Điểm  thú  vị  của  PSK  là  cường  độ  quang  duy  trì 

không  đổi  trong  tất  cả  các  bit  và  tín  hiệu  xem ra  có 

dạng liên tục CW. 

Tách  sóng  coherent  là  cần  thiết  cho  PSK  vì  mọi 

thông  tin  sẽ  bị  mất  nếu  tín  hiệu  quang  được  tách 

sóng  trực  tiếp  mà  không  trộn  nó  với  đầu  ra  của  bộ 

dao động nội. 

PSK implementation 

Thực hiện PSK đòi hỏi một bộ điều chế ngoài có khả năng  làm  thay  đổi  pha  quang  theo  điện  áp  đặt  vào. 

Cơ chế vật lý  được sử dụng  bởi những  bộ điều chế 

như vậy được gọi là khúc xạ điện. 

Sử dụng PSK đòi hỏi pha của sóng mang quang phải duy trì ổn định sao cho thông tin về pha có thể được trích  ra  tại  máy  thu  mà  không  có  sự  nhầm  lẫn.  Yêu cầu này đặt một yêu cầu nghiêm ngặt lên dung sai về 

độ rộng vạch phổ của laser phát và dao động nội. Yêu  cầu  này  có  thể  được  giảm  bớt  bằng  cách  sử dụng một biến thể của PSK gọi là DPSK. 

DPSK 

Trong trường hợp DPSK,  thông tin được mã hóa sử dụng  sự  khác  pha  giữa  hai  bit  lân  cận.  Chẳng  hạn như,  nếu f k đại  điện  cho  pha  của  bit  thứ  k,  độ  lệch pha Df=f k ­f k­1 bị thay đổi một lượng là p hoặc 0, tùy theo bit thứ k là bit 1 hay bit 0. 

Ưu điểm của DPSK là tín hiệu phát có thể được giải điều chế  thành  công  miễn  là  pha sóng  mang  duy  trì tương đối ổn định qua một khoảng thời gian 2 bit. Loại  điều  chế  này  thường  được  sử  dụng  trong  các 

hệ  thống  thực  tế  vì  không  cần  các  bộ  giải  điều  chế phức tạp mà vẫn cho chất lượng tốt