Ứng dụng kỹ thuật rof cho hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng

Từ các ưu điểm của truyền dẫn quang, một trong những giải pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng t

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT RoF CHO HỆ THỐNG THÔNG

TIN VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG

Người hướng dẫn : KS Lê Văn Chương Sinh viên thực hiện : Phan Đình Hùng

Mã số sinh viên : 0751082281

NGHỆ AN, 01-2012

Họ và tên sinh viên: Phan Đình Hùng Mã sinh viên: 0751082281 Khoá học: 48 Khoa: Điện tử Viễn thông Ngành: Điện tử Viễn thông

1 Đầu đề đồ án:

Ứng dụng kỹ thuật RoF cho hệ thống thông tin vô tuyến băng thông rộng

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Tổng quan về RoF Các kỹ thuật điều chế và ghép kênh trong hệ thống RoF Ứng dụng của kỹ thuật RoF Phần mô phỏng 4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Họ tên giảng viên hướng dẫn: KS Lê Văn Chương 1 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ./ /20

2 Ngày hoàn thành đồ án: / /20

Ngày tháng năm 2012

TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2012

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

phần tất yêu của mạng Hiện nay, mạng truy nhập đang ngày càng phát triển không ngừng với nhiều loại hình khác nhau như mạng truy nhập cáp đồng, mạng truy nhập sợi quang, mạng truy nhập vô 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, hay xa hơn nữa đó là mạng truy nhập vô tuyến WiMax đang được phát triển và hậu thuẫn bởi Intel, Nokia, Motorola,… mà cạnh tranh với nó có thể là công nghệ HSPA (High-Speed Packet Access) dựa trên nền 3G được sự hỗ trợ của AT&T Hay thậm chí các mạng NGN ngày nay cũng được phát triển theo chiều hướng hỗ trợ wireless Đó là nhờ những ưu điểm vượt trội của kỹ thuật không dây mang lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật truy nhập hữu tuyến không thể có được Tuy nhiên, với sự phát triển của mạng truy nhập băng thông rộng thì mạng truy nhập vô tuyến gần 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

Hiện nay, trong các hệ thống truyền dẫn, sợi quang 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 băng thông lớn của sợi quang thì không có một môi 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, FTTx,… các ứng dụng trên sợi quang ngày càng nhiều

Từ các ưu điểm của truyền dẫn quang, một trong những giải pháp để đạt được mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng là kết hợp với kỹ thuật truy nhập bằng sợi quang, với ưu điểm là băng thông lớn và cự ly xa Một trong những sự kết

các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai

Trong đồ án này, em trình bày 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:

- Tổng quan kỹ thuật radio over fiber

- Các kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

- Phân tích hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể

- Xu hướng phát triển của mạng RoF

Kỹ thuật RoF là một kỹ thuật khá mới mẻ, chưa được áp dụng trên thực tế một cách rộng rãi tại Việt Nam, các tài liệu tham khảo còn nhiều hạn chế, do đó trong khi thực hiện đề tài này chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo, sự góp ý và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo KS Lê Văn Chương cũng như các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông trong thời gian thực hiện đề tài này

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Phan Đình Hùng

CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 11

1.1 Radio over Fiber – Định nghĩa 11

1.2 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần Milimet 12

1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại 12

1.2.2 Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến 13

1.2.3 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF 14

1.3 Kỹ thuật RoF – Mở đầu 15

1.3.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF 15

1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF 15

1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang 16

1.4 Cấu hình tuyến RoF 16

1.5 Ưu điểm của RoF 19

1.5.1 Suy hao thấp 19

1.5.2 Băng thông lớn 20

1.5.3 Khử cảm ứng điện tử 21

1.5.4 Dễ dàng cài đặt và bảo trì 21

1.5.5 Tiết kiệm năng lượng 21

1.5.6 Đa dịch vụ 22

1.5.7 Cấp phát tài nguyên động 22

1.6 Những hạn chế trong kỹ thuật RoF 22

1.7 Các ứng dụng của kỹ thuật RoF 23

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG 25

2.1 Giới thiệu 25

2.2 Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ IM-DD 26

2.2.1 Ưu điểm khi dùng IM-DD 27

2.2.2 Các hạn chế của IM-DD 27

2.3 Tạo tín hiệu RF bằng bộ tách sóng từ xa Hererodyne 28

2.3.1 Nguyên lý của sự Heterodyne 28

2.3.2 Hệ thống lọc FM quang học 31

2.3.3 Vòng khóa pha/ tần số quang (OFLL/OPLL) 33

2.3.4 Khóa phun quang 35

2.3.5 Vòng khóa pha phát quang (OIPLL) 37

2.3.6 Laser chế độ kép 38

2.4 Kỹ thuật dựa trên tạo sóng hài 38

2.4.1 Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM 38

2.4.2 Kỹ thuật điều chế dải biên 40

2.5 Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF 41

2.5.1 Ghép kênh sóng mang phụ trong hệ thống RoF 41

2.5.2 Ghép kênh theo bước sóng trong hệ thống RoF 43

2.6 Kết luận 46

CHƯƠNG 3: HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG RoF DÙNG 2 BỘ ĐIỀU CHẾ DUAL-MACH-ZEHNDER 47

3.1 Giới thiệu 47

3.2 Một tuyến RoF cụ thể 48

3.2.1 Cấu hình hệ thống 48

3.2.2 Các thành phần của hệ thống 48

3.2.3 Hoạt động của hệ thống 49

3.3 Phân tích hoạt động tuyến downlink 49

3.3.1 Bộ điều chế “dual Mach-Zehnder” - Kỹ thuật điều chế OSSBC 49

3.3.2 Tác động sợi quang 53

3.3.3 Tách sóng tại BS - các sản phẩm RF 54

3.4 Tuyến downlink 55

3.5 Mô phỏng tuyến downlink 56

3.5.1 Giới thiệu 56

3.5.2 Mô hình hóa và các thông số 56

3.5.3 Các kết quả mô phỏng và phân tích 58

3.6 Phân tích BER của tuyến 63

3.7 Kết luận 63

CHƯƠNG 4: XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT RoF 64

4.1 Giới thiệu 64

4.2 Hệ thống RoF song công với OFM 65

4.3 Hệ thống OFM điểm - đa điểm 66

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF 12 Hình 1.2 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang 15 Hình 1.3 Các cấu hình tuyến trong RoF 18 Hình 1.4 Sơ đồ các thành phần của 1 mạng truy cập không dây băng hẹp 19 Hình 1.5 Cấu trúc hạ tầng cho hệ thống tích hợp vô tuyến và hữu tuyến 23 Hình 2.1 Tạo tín hiệu RF bằng điều chế trực tiếp (a), dùng 1 bộ điều chế

ngoài (b)

26

Hình 2.2 Tính chất của bộ kết hợp quang dựa trên laser FM 31 Hình 2.3 Heterodyning từ xa bằng cách sử dụng bộ lọc để chọn dải biên 32 Hình 2.4 Nguyên lý bộ vòng khóa pha / tần số 33 Hình 2.5 Nguyên lý của khóa phun quang 36 Hình 2.6 OPCG cho bộ tạo sóng mang dùng heterodyning 36 Hình 2.7 Nguyên lý của vòng khóa pha phun quang (OIPLL) 37 Hình 2.8 Bộ ghép kênh sóng mang phụ và các tín hiệu tương tự 41 Hình 2.9 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF 44 Hình 2.10 DWDM trong RoF a Điều chế hai dải biên, b Điều chế

triệt một dải biên

bộ điều chế, c ngõ ra bộ điều chế

53

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng tuyến downlink 57 Hình 3.6 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh trên 59 Hình 3.74 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh dưới 59

Hình 3.8 Sản phẩm ngõ ra của tuyến downlink 59 Hình 3.9 BS với bộ lọc thông dải để lấy tín hiệu dữ liệu ở tần số

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AM Amplitude Modulation Điều biên

BBoF Baseband-over-Fibre Truyền tín hiệu

băng tần cơ sở qua sợi quang

BPF Bandpass Filter Bộ lọc dải thông BPSK binary phase-shift keying Khóa dịch pha nhị

A

Code Division Multiple Access Truy cập phân chia

theo mã CNR Carrier noise rate Tỷ lệ sóng mang

trên nhiễu

CS Central Station Trạm trung tâm DAS Distributed Antenna System Hệ thống ăng-ten

phân phối DFB

LD

Distributed Feedback laser diode Laser DFB

DMO

D

EDF Eribium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại

A quang sợi pha tạp

Erbium EMI Immunity to ElectroMagnetic Interference Nhiễu cảm ứng

điện từ

FFPI Fabry Perot Interferometer Bộ giao thoa Fabry

Perot

FM Frequency Modulation Điều tần FSR Free Spectral Range Dải phổ tự do

FWA Fixed Wireless Access Truy cập vô tuyến

cố định

GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống truyền

thông di động IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ sư điện và

Intensity Modulation with Direct Detection Điều chế cường độ

LAN Local Area Network Mạng cục bộ LED light-emitting diode Đi-ốt phát quang

MAC medium access control Điều khiển truy

nhập môi trường

MZI Mach Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach

Zehnder

quang OIL Optical Injection Locking Khóa phun quang OPLL Optical Phase Locked Loop Vòng phóa pha

quang học OSSB

C

Optical single-side-band modulation Điều chế quang

đơn biên OTD

M

Optical Time Division Multiplexing Ghép kênh phân

chia theo thời gian

PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha POF Polymer Optical Fibre Sợi quang Polymer PSK phase shift keying Kỹ thuật khóa

chuyển pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biến biên độ

vuông góc RAU Radio Access Unit / Remote Antenna Unit Đơn vị truy cập vô

tuyến / Đơn vị điều khiển ăng-ten

từ xa

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFoF Radio Frequency-over-Fibre Truyền sóng vô

tuyến qua sợi quang

RG Residential Gateway Cổng mạng khu

dân cư RHD Remote Heterodyne Detection Kĩ thuật tách

Heterodyne đầu xa RIN Relative Intensity Noise Tạp âm có cường

độ tương đối RoF Radio over Fiber Truyền vô tuyến

trên sợi quang SCM Sub-Carrier Multiplexing Sóng mang con

phụ SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải nhiễu động tự

do SMF Single Mode Fibre Sợi đơn mode UMT

S

Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn

thông di động toàn cầu

UTC-PD

Uni-Travelling-Carrier Photodiode

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân

chia theo bước sóng

WiFi The standard for Wireless Fidelity Chuẩn cho không

dây trung thực WiMa

N

Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân vô

tuyến WTU Wireless Terminal Unit

CHƯƠNG 1:

Đơn vị đầu cuối vô tuyến

TỔNG QUAN KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER

mạng đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối Các MH có thể

là điện thoại đi động, máy tính xách tay có tích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây

nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS Mỗi BS sẽ phục vụ một microcell BS không 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 không có thành phần)

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

dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau

Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 1.1

1.1.3 Tuyến RoF

Một tuyến RoF có kiến trúc như trên hình sẽ bao gồm

ít nhất là thành phần biến đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một tuyến quang (song hướng hay đơn hướng) Các thành phần thuộc kiến trúc RoF không có chức năng quang như ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến, chức năng xử lý giao tiếp của CS thuộc phần mạng ta không xét ở đây

Kỹ thuật RoF được khảo sát ở đây bao gồm tất cả các

kỹ thuật phát và truyền dẫn sóng radio từ CS tới BS trên sợi quang và ngược lại

Hình 1.1 CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF

1.2 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet

1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại

Mạng truy nhập vô 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 thông và tính di động So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn nhưng bù lại thì băng thông 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 ta thấy rằng xu hướng của các mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông 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 cellular, tăng tính di động cho các thiết bị trong mạng Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹ thuật truy nhập tiên tiến hơn như CDMA,

OFDM,… và có xu hướng, a giảm kích thước các cell lại

để tăng số user lên do số lượng trạm thu phát tăng lên theo, b chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh sự chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông hơn nữa 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 không gian rất lớn Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thức sau:

d f

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 Ta thử làm 1 bài toán tính số lượng trạm thu phát trong một bán kính phục vụ 10km với giả sử một trạm thu phát phục vụ một microcell:

2 2

2

000.300

000 000 300

đã tìm hiểu ở chương 1 thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phát sóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lý tín hiệu (giải điều chế rồi truyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến)

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 thông 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 vô tuyên từ CS tới

BS và ngược lại được gọi là kỹ thuật RoF Còn mạng truy nhập vô 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 đặc điểm quan trọng của mạng RoF

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

hình tài nguyên và cấp băng thông động (thành phần này

có thể sử dụng băng thông thành phần khác nếu băng thông đó thực sự rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn Hơn nữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn

và quản lý số BS này trở nên đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn

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

CS có thể phục vụ được các BS ở rất xa, tăng bán kính phục vụ của CS

1.3 Kỹ thuật RoF – Mở đầu 1.3.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF

Không giống với mạng truyền dẫn quang thông

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 BB Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB thì có thêm các thành phần mới để đưa từ tần số BB 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 yêu cầu về độ chính xác là cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số Đây là những khó khăn trong triển khai kỹ thuật RoF mà phần này sẽ đề cập đến

1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF

OPTICAL SOURCE

Hình 1.2 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang

quang

Hình vẽ 1.2 giới thiệu một trong những cách truyền sóng vô tuyến trên sợi quang đơn giản nhất Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF Tín hiệu ở tần số RF này được đưa vào điều chế (cường độ)

sang dạng quang để truyền đi Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản nhất là điều chế trực tiếp Như vậy, sóng vô tuyến được điều chế lên tần số quang, sử dụng tần số quang để truyền đi trong sợi quang

Tại phía thu, ta sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp, tách thành phần sóng mang quang, đưa tín hiệu quang trở lại dạng điện dưới tần số RF Một bộ lọc thông thấp ở phía cuối đầu thu nhằm lọc những nhiễu gây ra trên đường truyền

Cường độ trường điện từ E(t) trên sợi quang được

biểu diễn bởi công thức sau đây:



RF t e S t

hiệu quang

1.3.3 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 đô 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) Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng 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 không 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 không 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 Hai phương pháp này sẽ được thảo luận ở các phần sau

1.4 Cấu hình tuyến RoF

Như ta đã biết, mục tiêu của mạng RoF là làm sao để cấu trúc của các BS càng đơn giản càng tốt Các thành phần của mạng có thể chia sẻ được tập trung ở CS Vì vậy

mà cấu hình của một tuyến RoF quyết định sự thành công của mạng RoF Ở đây, có 4 cấu hình tuyến thường được sử dụng như hình 1.3 Trên thực tế có rất nhiều cải tiến để hoàn thiện mỗi cấu hình và phù hợp với yêu cầu thực tế

Điểm chung nhất của 4 cấu hình này là ta thấy rằng cấu trúc BS không có một bộ điều chế hay giải điều chế nào

cả Chỉ có CS mới có các thiết bị đó, nằm trong Radio modem BS chỉ có những chức năng đơn giản để có cấu trúc đơn giản nhất

EOM LD

R A D I O M O D E M

IF Signal

IF Signal DOWNLINK

PD

IF Signal

(a)

EOM LD

R A D I O M D E M

IF Signal

IF Signal DOWNLINK

PD

IF Signal

(b)

PD EOM

LD

PD

R A D I O M O D E M

IF signal

IF signal Downlink

Uplink

PSTN Internet Other CS

(c)

PD LD

PD

R A D I O M O E M

EOM LD

IF signal

IF signal Downlink

Uplink

PSTN Internet Other CS

(d)

Hình 1.3 Các cấu hình tuyến trong RoF

Ở tuyến downlink từ CS tới BS, thông tin được điều chế bởi thiết bị “Radio modem” lên tần số RF, IF hay giữ nguyên ở BB (base band) Sau đó chúng mới được điều

chế lên miền quang bởi LD và truyền đi Nếu sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp thì ta chỉ truyền được tín hiệu ở tần số IF hay BB Còn nếu truyền ở tần số RF ở băng tần mm thì một bộ điều chế ngoài được sử dụng Tín hiệu quang được điều chế truyền qua sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp tới BS Ở BS, tín hiệu ở băng tần

RF, IF hay BB sẽ được khôi phục lại bằng PD (tách sóng trực tiếp) Tín hiệu được khôi phục sẽ được đẩy lên miền tần số RF và bức xạ ra không gian bởi anten tại BS tới các

MH Chức năng giải điều chế và khôi phục thông tin sẽ được thực hiện tại các MH này

Ở cấu hình a, các bộ chuyển đổi tần số nằm ở CS nên cấu trúc của BS rất đơn giản, chỉ bao gồm bộ chuyển đổi điện/quang, quang/điện Tuy nhiên sóng quang truyền

từ CS đến BS có tần số cao (tần số RF) nên chịu ảnh hưởng của tán sắc lớn vì thế khoảng cách từ CS đến BS ngắn, chỉ khoảng vài km Tương tự cho cấu hình b,c thì cấu trúc BS tuy phức tạp hơn vì có thêm bộ chuyển đổi tần

số BB/IF/RF nhưng bù lại khoảng cách từ CS đến BS lại

xa hơn so với cấu hình a rất nhiều

Cấu hình d chỉ sử dụng cho các trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) trong cấu hình IF over Fiber truyền đi trên sợi quang Với tần số thấp nên bộ điều chế ngoài không cần được sử dụng Điều này chỉ giúp làm giảm giá thành của CS đi nhưng BS vẫn có cấu trúc tương đối phức tạp Cấu hình này chỉ sử dụng truyền sóng IF với phương pháp điều chế trực tiếp

1.5 Ưu điểm của RoF

Một vài thuận lợi của công nghệ ROF so với tín hiệu điện được đưa ra ở dưới:

tăng theo tần số Trong dây dẫn, trở kháng cũng tăng theo tần số, dẫn tới suy hao rất cao Bởi vậy, truyền tín hiệu vô tuyến cao tần với khoảng cách lớn yêu cầu cầu chi phí cho các thiết bị lớn Với băng tần mm, việc truyền dẫn bằng dây dẫn là không khả thi, thậm chí với khoảng cách ngắn Giải pháp thay thế để giải quyết vấn đề là phân phối băng tần tín hiệu hoặc là tín hiệu ở mức trung tần thấp từ trung tâm chuyển mạch tới BS Băng tần hoặc tín hiệu trung tần được chuyển đổi lên yêu cầu sóng cực ngắn hoặc sóng ở băng tần mm ở mỗi BS, khuếch đại, và sau đó phát đi

Cấu hình hệ thống này tương tự như một trong những cách được sử dụng trong hệ thống thông tin di động băng hẹp, được biểu diễn ở hình 1.4 Từ đây, các bộ dao động nội hiệu suất cao có thể được yêu cầu cho chuyển đổi lên ở mỗi BS, sự sắp xếp này dẫn tới một BS phức tạp yêu cầu hiệu suất cao Tuy vậy, với sợi quang, kỹ thuật RoF có thể được dùng để thỏa mãn cả suy hao thấp và băng tần mm,

và đơn giản hóa RAUs ở cùng thời điểm

Hình 1.4: Sơ đồ các thành phần của 1 mạng truy cập

không dây băng hẹp

Xuất hiện chuẩn sợi đơn mode (SMFs) tạo từ thủy tinh có suy hao thấp 0.2dB/km và 0.5 dB/Km tương ứng với 1550nm và 1300nm Sợi quang polimer (POFs), vừa

mới đây, một loại sợi quang có suy hao thấp ở dải 10 – 40 dB/km trong vùng 500 – 1300 Những suy hao này thấp hơn các loại khác đã được công bố Về cáp đồng trục, suy hao rất cao ở tần số cao

Ngay khi đó, suy hao của ½ inch cáp đồng trục > 500 dB/km cho tần số cao hơn 5Ghz Bởi vậy, truyền sóng ngắn bằng cáp quang, khoảng cách truyền được tăng lên vài lần và yêu cầu truyền tải điện năng giảm đáng kể

1.5.2 Băng thông lớn

Cáp quang có một băng thông cực lớn Có 3 cửa sổ truyền chính, với suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850nm, 1310 nm, và 1550 nm Cho một cáp quang đơn mode, kết hợp băng thông của 3 cửa sổ vượt qua giới hạn 50THz Tuy nhiên, những hệ thống tiên tiến nhất chỉ sử dụng một phần nhỏ khả năng (1.6Thz) Nhưng sự phát triển để khai thác nhiều hơn khả năng của sợi quang cho mỗi sợi đơn vẫn tiếp tục Nhân tố chính hướng về mở khóa nhiều hơn băng thông của sợi quang bao gồm khả năng tán sắc thấp, Eribium Doped Fiber Amplifier (EDFA) cho cửa sổ 1550 nm, và sử dụng thuận lợi các công nghệ phức tạp cụ thể là OTDM kết hợp với kỹ thuật DWDM

Băng thông lớn của cáp quang có nhiều lợi ích từ khả năng mang dữ liệu lớn cho truyền dẫn tín hiệu sóng ngắn Băng thông lớn của sợi quang tạo khả năng xử lý tín hiệu tốc độ cao mà có thể khó khăn hơn nhiều hoặc không thể khi dùng hệ thống điện Nói cách khác, một vài yêu cầu của sóng ngắn như là bộ lọc, trộn, chuyển đổi lên, xuống, có thể thực hiện trong các thiết bị quang Chẳng hạn, có thể đạt được sóng mm bằng lần chuyển đổi đầu tiên với các thiết bị quang học như giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) hoặc Fibre Bragg Grating (FBG), và sau đó chuyển đổi tín hiệu được lọc quay lại đạng tín hiệu điện Hơn nữa, xử lý trong các vùng quang làm nó có thể được sử dụng các thiết

bị quang băng thấp rẻ hơn như là laser diode và bộ điều

chế, và vẫn có thể sử dụng tín hiệu băng thông rộng

Việc sử dụng băng thông lớn của sợi quang cũng

có đôi chút trở ngại do băng thông hạn chế của hệ thống điện, là nơi điểm thu phát chính của việc truyền dữ liệu Vấn đề ở đây là hiện tượng nghẽn cổ chai Giải pháp cho việc nghẽn cổ chai nằm ở (effective multiplexing) Trong

hệ thống quang tương tự bao gồm kỹ thuật RoF, sóng mang con phụ (SCM) được sử dụng để tăng băng thông sợi quang Trong SCM, mộ vài sóng mang phụ, được điều chế với dữ liệu số hoặc tương tự, được kết hợp và sử dụng

để điều chế tín hiệu quang, sau đó mang trên một sợi đơn Điều này mang lại hiệu quả về giá thành trong hệ thống RoF

1.5.3 Khử cảm ứng điện tử

Khử nhiễu cảm ứng điện từ (EMI) là một đặc tính rất nổi bật của thông tin quang, đặc biệt trong truyền dẫn sóng ngắn Bởi vì có thể khử nhiễu, cáp quang được thích hơn cả cho kết nối ngắn ở sóng mm

Liên quan tới khử nhiễu EMI là ngăn chặn nghe trộm, là một đặc tính quan trọng của thông tin quang, nó cung cấp tính riêng tư và bảo mật

1.5.4 Dễ dàng cài đặt và bảo trì

Trong hệ thống RoF, thiết bị phức tạp và đắt đỏ được giữ ở phần đầu, bởi vậy nó tạo ra bộ RAUs đơn giản

Ví dụ, đa số hệ thống RoF loại bỏ sự cần thiết cho một LO

và liên quan đến thiết bị ở RAU Cũng như trường hợp một bộ tách sóng quang, một bộ khuếch đại RF và một antenna đặt ở RAU Bộ điều chế và thiết bị chuyển mạch giữ ở đầu và được chia sẻ cho vài bộ RAU Sự sắp xếp này dẫn tới những bộ RAU có kích thước nhỏ hơn, giảm chi phí cài đặt và bảo trì hệ thống Cài đặt đơn giản và chi phí bảo trì thấp của cho các bộ RAU là một yêu cầu rất quan trọng cho hệ thống sóng mm, bởi vì nó yêu cầu một số lượng lớn RAU Trong các ứng dụng, truy cập RAU khá là

khó, nên giảm thiểu được sự bảo dưỡng là tiêu chí để hạ giá thành RAU nhỏ hơn cũng giảm tác động tới môi trường

1.5.5 Tiết kiệm năng lượng:

Tiết kiệm năng lượng là một kết quả của những RAU đơn giản Đa số các thiết bị phức tạp tập trung ở headend Trong một số ứng dụng, RAU được hoạt động ở chế độ thụ động Ví dụ, một số hệ thống quang – vô tuyến 5GHz sử dụng pico-cells có thể có RAU hoạt động ở chế

độ thụ động Tiết kiệm năng lượng ở RAU có vai trò quan trọng bởi vì địa điểm đặt RAU đôi lúc không được cung cấp bằng mạng điện lưới

có thể sử dụng để phân phối cho nhiều nhà mạng và truy

cập đa dịch vụ, kết quả là có lợi ích về kinh tế rất lớn

1.5.7 Cấp phát tài nguyên động

Từ chức năng chuyển mạch, điều chế và các chức năng RF khác thực hiện tập trung ở headend, nó có thể cấp phát công suất động Ví dụ, trong một hệ thống RoF hoạt động với mạng GSM, một khu vực có thể được cấp một lưu lượng lớn hơn (ví dụ ở một trung tâm mua sắm) ở giờ cao điểm và sau đó phân bổ lại tới vùng khác khi trở lại bình thường Điều này có thể đạt được bằng cách cấp phát bước sóng thông qua kỹ thuật WDM nếu cần thiết Hơn

nữa, có tạo được sự tập trung ở headend làm thuận lợi cho việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu khác cũng như tính di động

1.6 Những hạn chế trong kỹ thuật RoF

Từ khi RoF liên quan đến điều chế tương tự, và phát hiện ánh sáng, cơ bản nó là một hệ thống truyền dẫn tương tự, đó là điều rất quan trọng trong một hệ thống thông tin tương tự cũng như là hệ thống RoF Những điều này dẫn đến hạn chế về hệ số tạp âm ( NF) và dải động (DR) của tuyến RoF Dải động cũng là một yếu tố rất quan trọng trong mạng di động tế bào, cũng như là GSM vì dải thu năng lượng ở BS rất đa dạng (vd 80dB) Hiện tượng

đó chính là năng lượng mà RF nhận được từ MU ở gần BS

có thể cao hơn nhiều so với năng lượng RF nhận được từ

MU cách xa vài km, nhưng với điều kiện tất cả chúng đều nằm trong 1 cell

Những nguồn gây nhiễu trong tín hiệu quang tương

tự là tạp âm có cường độ tương đối của Laser, (RIN), nhiễu pha, tạp nhiễu hạt của photodiode, tạp âm nhiệt do khuếch đại, tán sắc sợi quang Trong sợi quang đa mode, các hình thức tán sắc tạo ra một số giới hạn về băng thông

và khoảng cách Nó phải được chú ý đến, mặc dù bản thân

hệ thống truyền tải RoF là một hệ thống tương tự

1.7 Các ứng dụng của kỹ thuật RoF

Kỹ thuật RoF nói chung là không tương thích với các ứng dụng hệ thống, nơi mà dải nhiễu động (SFDR = mức tối đa của tín hiệu ra của sau khi biến điệu bậc 3 bằng với mức nhiễu sàn ) được yêu cầu, vì DR bị giới hạn Điều này rất chính xác khi hệ thống bao phủ rộng như GSM, yêu cầu SFDR > 70dB (ngoài trời) Tuy nhiên, đa số các ứng dụng trong nhà không yêu cầu SFDR cao Ví dụ, yêu cầu SFDR (trong nhà) cho GSM giảm từ >70 dB xuống còn 50 dB cho các ứng dụng trong nhà Bởi vậy, hệ thống phân phối RoF có thể sử dụng trong các ứng dụng trong

nhà dùng tín hiệu vô tuyến, cho cả hệ thống thoại và dữ liệu

Trong trường hợp hệ thống RoF là một hệ thống phân phối bởi antenna (DAS) Cho các ứng dụng cao tần như là WPAN, kích thước cell sẽ trở nên nhỏ do suy hao bởi tường chắn, khi đó các thuận lợi đưa ra ở trên của RoF sẽ phát huy.Trong các cở sở hạ tầng có thể sử dụng cả các ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến (Hình 1.5) Sử dụng MMF hoặc POF thay thế cho sợi SMF để cung cấp cho các RAU có thể giảm được giá thành khi cài đặt và bảo trì

hệ thống, đặc biệt là các ứng dụng trong nhà Mạng LAN thường dựa trên MMF

Hình 1.5: Cấu trúc hạ tầng cho hệ thống tích hợp vô tuyến

hiệu UMTS cả trong nhà và ngoài trời Một lĩnh vực ứng dụng khác là truy cập vô tuyến cố định (FWA), cũng như WiMAX, nơi mà kỹ thuật RoF có thể được sử dụng để truyền tải tín hiệu quang qua khoảng cách lớn, tạo sự đơn giản đáng kể cho RAU tới người dùng, từ nơi mà kết nối

vô tuyến cho phép truy cập băng thông rộng, bằng phương pháp có hiệu quả kinh tế

ở headend trong sự so sánh với tạo tín hiệu ở RAU có thể được phân làm 3 loại Tên

là RF – over – fiber (RFoF), IF – over – Fibre (IFoF) hoặc là Baseband-over-Fibre (BBoF) RFoF liên quan tới truyền tín hiệu RF đúng nghĩa qua sợi quang Tuy nhiên, trong IFoF và BboF, sóng ngắn được tạo ra ở RAU thông qua chuyển đổi lên bằng 1 LO, LO thì được cung cấp một cách riêng rẽ ở RAU, hoặc là đã được đưa từ

xa tới RAU Bởi vậy, tùy thuộc vào cách thức truyền được sử dụng, RAU có thể phức tạp hoặc đơn giản hơn

Hệ thống yêu cầu 1 LO riêng biệt ở RAU có thể đẩy giá thành lên, đặc biệt là các ứng dụng dùng băng tần mm Tuy nhiên, một hệ thống như vậy sẽ cải thiện được độ nhạy của máy thu Một sự so sánh của về độ nhạy của máy thu ở 3 công nghệ truyền dẫn RoF, cụ thể là BBoF, IFoF, RFoF Sử dụng tần số vô tuyến 2GHz,

và 1 tín hiệu LO ở tần số 27GHz, 3 hệ thống đã sử dụng điều chế tạo ra tín hiệu đã được điều chế RF 29 GHz với 155Mbps ở luồng dữ liệu xuống Ta thấy được răng

kỹ thuật BBoF có độ nhạy tốt hơn IFoF 4dB Mặt khác, IFoF nhạy hơn RFoF 2 dB

Truyền tải tín hiệu vô tuyến thông qua RFoF có thuận lợi là RAU đơn giản hơn, vì không bị yêu cầu chuyển đổi lên tần số

Hệ thống RFoF cũng dễ bị ảnh hưởng bởi tán sắc trong RF và nhiễu pha BBoF và IFoF có thể tránh được điều đó, nhưng nó có thể xảy ra khi tăng chi phí cho RAU đắt đỏ

Kỹ thuật RoF có thể phân loại dựa trên các nguyên tắc về điều chế/phát hiện Trong trường hợp này, các kỹ thuật có thể chia làm 3 nhóm, cụ thể là điều chế cường độ (IM-DD), Heterodyne (RHD), và kỹ thuật chuyển đổi lên Harmonic Hệ thống RFoF thuộc loại IM-DD IFoF và BBoF cũng thuộc loại IM-DD Tuy nhiên, trong đa số trường hợp IFoF và BBoF ngụ ý là RHD để tạo tín hiệu RF

Chương này giới thiệu các nguyên lý đằng sau các phương thức đa dạng truyền tín hiệu RF

2.2 Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ IM-DD

Phương thức đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF là điều chế cường độ trực tiếp nguồn quang với chính tín hiệu RF và sau đó sử dụng bộ phát hiện trực tiếp ở bộ tách sóng quang để khôi phục tín hiệu RF Phương thức này thuộc loại IM-DD, cũng như các loại RFoF khác Có 2 cách để điều chế nguồn quang Một các

là điều chế tính hiệu RF trực tiếp từ laser diode Cách thứ 2 tùy chọn để điều khiển laser trong kiển sóng liên tục và sử dụng bộ điều chế ngoài như là MZM, để điều chế cường độ ánh sáng 2 cách tùy chọn được biểu diễn như hình dưới Trong cả 2 trường hợp, tín hiệu điều chế là tín hiệu RF thật đã được phân phối Tín hiệu RF

phải được tiền điều chế một cách thích hợp với dữ liệu trước khi truyền Theo cách

đó, RFoF yêu cầu các thiết bị cao tần quang-điện đắt đỏ ở headend

Hình 2.1: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế trực tiếp (a), dùng 1 bộ điều chế ngoài (b)

Sau khi truyền qua cáp và được phát hiện trực tiếp trong bộ tách sóng quang, dòng quang điện là một bản sao của điều chế tín hiệu RF được áp dụng trực tiếp tới laser hoặc tới bộ điều chế ngoài ở headend Dòng quang điện trải qua các giai đoạn truyền, khuếch đại để trở lại thành điện, rồi lần lượt đưa đến antenna Tín hiệu RF được sử dụng để điều chế nó với dữ liệu, sau đó được phát hiện tín hiệu RF ở máy thu sẽ được mang đi cùng với dữ liệu Các định dạng của dữ liệu được bảo toàn

Đa số hệ thống RoF, bao gồm hệ thống RoF IM-DD, sử dụng SMF để phân phối tín hiệu Tuy nhiên, việc sử dụng kỹ thuật IM-DD để truyền tải tín hiệu RF qua cáp đa mode, bằng cách sử dụng dải thông cao hơn, cũng đã được chứng minh cho tín hiệu WLAN dưới 6GHz

2.2.1 Ưu điểm khi dùng IM-DD

Thuận lợi của phương thức này là nó rất đơn giản Thứ 2, nếu tán sắc sợi quang thấp và được sử dụng với bộ điều chế ngoài, hệ thống trở nên tuyến tính Kết quả là, đường truyền quang chỉ như là một bộ khuếch đại hoặc suy giảm, và do đó trong suốt với định dạng điều chế của tín hiệu RF Điều đó nói lên rằng cả 2 phương thức điều chế AM và định đạng điều chế đa mức như xQAM có thể được truyền tải Cũng như hệ thống cần ít hoặc là không cần nâng cấp khi có thay đổi về định dạng điều chế của tín hiệu RF Sóng mang phụ đa công có thể được sử dụng trong những

hệ thống như thế này Hơn nữa, không giống điều chế laser phân cực trực tiếp, bộ điều chế ngoài cũng như MZM có thể được điều chế với tín hiệu băng tần mm xấp

xỉ 100 GHz

2.2.2 Các hạn chế của IM-DD

Một đặc điểm của RFoF hay là IM-DD là rất khó để sử dụng cho các ứng dụng cao tần ở băng tần mm Điều này là do để tạo tín hiệu có tần số cao hơn cũng như là sóng mm, khi điều chế tín hiệu cũng phải ở cùng mức tần số cao Với điều chế laser trực tiếp, điều này là không thể do còn bị giới hạn băng thông, và laser không tuyến tính, điều này dẫn tới sự biến dạng của sóng điều chế giao thoa Mặt khác, bộ điều chế ngoài như là MZM có thể hỗ trợ tín hiệu RF cao tần Tuy nhiên, chúng yêu cầu điện áp hoạt động cao, điều này khiến cho chi phí hoạt động của bộ khuếch đại rất tốn kém

Một bất lợi lớn hơn của RFoF là nó rất dễ bị tán sắc, điều này khiến cho tần

số hoặc biên độ sẽ bị chi phối bởi cường độ RF nếu tín hiệu của điều chế dải 2 sóng biên được sử dụng Hiệu ứng khử biên độ có thể được trực quan hóa bởi sự chuyển điều chế của hệ thống điều chế ngoài IM-DD, đưa ra ở công thức:

m*cos *cos (2.2.1) Với là tần số điều chế, là đạo hàn bậc 2 của hằng số truyền (ví dụ,

), Lf là chiều dài cáp, và với là vận tốc nhóm Từ công thức, 1 sợi quang ở tần số 60GHz trong hệ thống IM-DD hoạt động ở 1550nm

có thể vị giới hạn ở 1.5km, khi mà tín hiệu bị triệt tiêu Hiệu ứng khử biên độ có thể được khắc phục bằng cách sử dụng kỹ thuật tránh tán sắc cũng như là điều chế quang đơn biên, điều này có thể loại bỏ việc truyền một dải biên thứ 2 Điều này có thể đạt được bằng bộ lọc dải biên hoặc bằng cách sử dụng bộ điều chế cường độ kép Tất cả những điều này làm cho hệ thống RoF OSSB IM-DD thêm phức tạp

2.3 Tạo tín hiệu RF bằng bộ tách sóng từ xa Hererodyne 2.3.1 Nguyên lý của sự Heterodyne

Đa số kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn sóng trong photodiode để tạo tín hiệu RF Nhưng kỹ thuật này thường được gọi là kỹ thuật tách sóng từ xa Heterodyne (Hình 2.2, 2.5) Trong khi thực hiện chuyển đổi O/E, photodiode cũng hoạt động như một bộ trộn, do đó nó là một thành phần quan trọng trong RHD

Nguyên lý về trộn sóng có thể đưa ra như công thức dưới 2 thành phần quang học và được trình bày như sau:

E1=E01cos( ) (2.3.1)

E2=E02cos( ) Nếu cả 2 thành phần tác động đến photodiode PIN, kết quả là dòng quang điện bề mặt sẽ tương ứng với bình phương của các thành phần quang Ta có

iPD= (2.3.2)

iPD =E01E02cos[( )t]+ E01E02cos[( )t]+các thành phần khác Điều cần quan tâm ở đây là E01E02cos[( )t], Nó cho thấy rằng bằng cách kiểm soát sự khác biệt giữa 2 thành phần quang học, tín hiệu vô tuyến ở tần số bất kì có thể được tạo ra Chỉ các giới hạn trên của các tần số tín hiệu có thể được tạo ra bằng cách giới hạn băng thông của chính các photodiode Nếu ta cân nhắc thay thế các tín hiệu điện quang học bằng các thành phần quang, sau dó tạo dòng quang điện đưa ra bởi công thức: (2.6)

ipt(t)=2R cos

(2.3.3)

Với R là độ nhạy của bộ tách sóng quang, t là thời gian, p1(t) và p2(t) là 2 tín hiệu quang tức thời với tần số tức thời, và tương ứng Những pha tức thời của tín hiệu đưa ra bởi ) và tương ứng

Đẳng thức (2.3.3) chỉ ra rằng sự ổn định của tần số tức thời của tín hiệu RHD phụ thuộc vào sự khác nhau của tần số tức thời giữa 2 bộ trộn sóng quang Bởi vậy, trong RHD, nó rất cần thiết để điều khiển tần số tức thời khác nhau một cách chính xác trong việc giữ tần số của tín hiệu ổn định Nói cách khác, dịch chuyển hoàn toàn tần số phát xạ là không quan trọng Bình thường, chỉ một trong 2 sóng mang quang được điều chế cùng với dữ liệu Công thức (2.3.3) chỉ ra rằng nhiễu pha của tín hiệu được tạo ra bị ảnh hưởng bởi độ rộng vạch phổ của 2 sóng mang (Là tổng của độ rộng vạch phổ 2 sóng mang)

Chỉ ra rằng tần số phát xạ của laser có độ nhạy cao với sự sai lệch nhiệt độ, nhiễu pha và các yếu tố khác, các kỹ thuật để duy trì yêu cầu dịch tần và đặc trưng nhiễu pha phải được sử dụng Có vài phương pháp để điều khiển độ dịch pha giữa 2

bộ phát laser Đó là:

Vòng khóa tần số (OFLL) Vòng khóa pha (OPLL)

Khóa phát quang (OIL) Vòng khóa pha phát quang (OIPLL) Một vài kỹ thuật sẽ được phân tích ở các phần dưới đây:

Có một vài cách để tạo ra 2 sóng mang quang cho kỹ thuật heterodyning Một cách là sử dụng bộ điều chế pha quang học để tạo ra vài dải biên quang học, và sau đó lựa chọn thành phần được yêu cầu Cách khác là sử dụng 2 nguồn laser riêng biệt 2 diode laser được tạo ra để phát ra ánh sáng ở tần số khác nhau bằng các tần

số sóng ngắn Các kỹ thuật được đề cập ở trên được sử dụng để duy trì sự dịch tần giữa 2 sóng mang quang ổn định và pha tương quan

2.3.1.1 Ưu điểm khi dùng Heterodying quang học

Sử dụng Heterodyning quang học, một tần số rất cao có thể được tạo ra, và chỉ có thể giới hạn bằng băng thông của bộ tách sóng quang Hơn nữa, hiệu suất heterodyning cao và cao hơn tỉ số nhiễu sóng mang (CNR) Điều này xảy ra vì công suất quang của 2 thành phần quang góp phần tạo tín hiệu sóng ngắn

Kỹ thuật heterodyning có sự thuận lợi trong việc tán sắc Nếu chỉ một của 2 sóng mang quang được điều chế cùng với dữ liệu, sự nhạy cảm của hệ thống về tán sắc ánh sáng giảm một cách rõ rệt Điều này không thể xảy ra khi trong phương thức điều chế cường độ, khi mà cả 2 dải biên quang cùng được điều chế cùng với dữ liệu Giảm hiệu ứng tán sắc ánh sáng rất quan trọng trong nhiễu pha của các định dạng điều chế nhạy cảm cũng như là xQAM, nơi mà tán sắc là nhân tố gây nên bất lợi trong sử dụng năng lượng

Một thuộc tính quan trọng của RHD là nó không yêu cầu các thiết bị điều chế dữ liệu O/E từ tần số cao sang tần số thấp tại các headend Bởi vậy, trái với IM-

DD, bộ điều chế RHD ở headend có thể được điều khiển với dữ liệu ở băng tần cơ

sở hoặc bằng tín hiệu RF hạ tần Những bộ điều chế tần số thấp thường có điện áp nửa sóng V thấp, và do đó yêu cầu mức điện áp điều khiển thấp hơn Hệ quả là, những bộ điều chế tần số thấp dễ dàng hơn để đạt được sự tuyến tính Hơn nữa, bộ khuếch đại điều khiển tuyến tính sẵn có hơn và giá thành thấp hơn cho băng tần cơ

sở hoặc cho các ứng dụng điều chế hạ tần Ở RAU, sự cần thiết đến các bộ lọc tần

số mm được loại bỏ khi dữ liệu băng tần cơ sở được sử dụng

Một lợi thế nữa của heterodyning quang học là nó có thể tạo ra các tín hiệu với độ sâu điều chế cường độ 100% Một lợi ích của RHD cũng được thể hiệ trong

xử lý tín hiệu photon, các chức năng trong hệ thống vô tuyến như là điều khiển pha, lọc và chuyển đổi tần số

2.3.1.2 Các hạn chế của Heterodyning quang học

Hạn chế chính của RHD là nhiễu pha laser mạnh và sự đa dạng tần số quang trong sự tinh khiết và ổn định của tín hiệu sóng mang RF được tạo ra Từ khi laser bán dẫn có độ rộng phổ lớn, tăng cường các biện pháp để giảm độ rộng vạch phổ của tín hiệu RF được tạo ra Các biện pháp này làm hệ thống thêm phức tạp Công nghệ được sử dụng để giảm độ nhạy nhiễu pha bao gồm vòng khóa pha quang học (OPLL), OIL

2.3.2 Hệ thống lọc FM quang học

Kỹ thuật lọc FM quang học là kỹ thuật laser đơn, bao gồm điều chế tần số quang bằng các áp dụng một tín hiệu điện tới một đầu cuối của laser Nó tạo ra một loạt vạch quang phổ (Dải biên) cách đều nhau bởi điều khiển tần số (Hình 2.2) 2 dải biên, riêng biệt nhau bởi các sóng mm và sau đó được lựa chọn Dải biên đã được chọn sau đó ảnh hưởng tới bề mặt của diode quang và kết hợp lại để tạo ra tín hiệu RF mong muốn như đã trình bày ở trên

Hình 2.2: Tính chất của bộ kết hợp quang dựa trên laser FM

2 phương thức thường được sử dụng để lựa chọn dải biên:

 Bộ lọc quang – cũng được đưa vào như bộ tách phổ

 Laser khóa phun

Sử dụng một bộ lọc quang, yêu cầu dải biên được lựa chọn trong lúc phần còn lại bị đẩy ra Các tiếp cận này đã được sử dụng để nhận tín hiệu mm 54GHz, 90 GHz, 126 GHz từ xa tới 1 RAU mà RAU cung cấp bởi đường truyền SMF cách