Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ TUẤN LÂM

HÀ NỘI - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Nghiêm Xuân Hùng

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh

sự nỗ lực cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Vũ Tuấn Lâm, Thầy đã trực

tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, chu đáo và có những nhận xét, góp ý quý báu giúp

em trong suốt quá trình thực hiện luận văn cho đến khi luận văn được hoàn thiện

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô giáo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, những người đã luôn chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi

để em được nghiên cứu và học tập trong môi trường tốt nhất

Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình cùng tất cả bạn bè

đã luôn động viên, khích lệ em trong cuộc sống cũng như trong quá trình học tập, thực hiện luận văn thạc sĩ này

Hà Nội, tháng năm 2016

Học viên

Nghiêm Xuân Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2

1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin quang 3

1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang 5

1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD 6

1.2.2 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp 9

1.3 Các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao 13

1.3.1 Dung lượng và khoảng cách 13

1.3.2 Giới hạn trong khai thác băng tần 16

1.4 Kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang 19

1.5 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 : MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 21

2.1 Điều chế dùng phương pháp tách sóng trực tiếp 21

2.1.1 Kỹ thuật điều chế NRZ-OOK 21

2.1.2 Kỹ thuật điều chế RZ-OOK 23

2.1.3 Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK 25

2.1.4 Kỹ thuật điều chế RZ-DPSK 28

2.1.5 Kỹ thuật điều chế CS-RZ 29

2.2 Điều chế dùng phương pháp tách sóng kết hợp 31

2.2.1 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch biên (ASK) 31

2.2.2 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch tần (FSK) 33

2.2.3 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch pha (PSK) và khóa dịch pha vi phân (DPSK) 36

2.3 Đánh giá hiệu năng các phương pháp điều chế 38

2.3.1 Phương pháp tách sóng trực tiếp 38

2.3.2 Phương pháp tách sóng kết hợp 52

2.4 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 64

3.1 Mô hình hệ thống 65

3.2 Mô hình mô phỏng 66

3.2.1 Các thông số của mô hình mô phỏng hệ thống 66

3.2.2 Các mô hình mô phỏng 68

3.3 Nhận xét và đánh giá 74

KẾT LUẬN 82

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi [1] 3

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [2] 6

Hình 1.3 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng cho photodiode PIN 9

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin quang kết hợp [2] 12

Hình 1.5: Sự phát triển của thiết bị hiển thị CxD, biểu đồ quy luật về dung lượng và khoảng cách 15

Hình 1.6 Dung lượng ISD ngược với tổng công suất WDM: (a) hoàn toàn phi tuyến, (b) hoàn toàn không phi tuyến, (c) trường hợp với một hệ thống khuếch đại 5x100 km 19

Hình 2.1 Sơ đồ khối của truyền dẫn NRZ 23

Hình 2.2 Quang phổ của tín hiệu NRZ với tốc độ bít 10 Gbps 23

Hình 2.4 Quang phổ của tín hiệu RZ với tốc độ bít 10 Gbps 25

Hình 2.5 Sơ đồ khối của truyền dẫn NRZ-DPSK 27

Hình 2.6 Quang phổ của tín hiệu NRZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps 27

Hình 2.7 Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ-DPSK 29

Hình 2.8 Quang phổ của tín hiệu RZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps 29

Hình 2.9 Truyền dẫn CS-RZ: (a) Sơ đồ khối, (b) Sự tạo tín hiệu 30

Hình 2.10 Quang phổ của tín hiệu CS-RZ với tốc độ bít 10 Gbps 31

Hình 2.11 Phương pháp điều chế ASK 33

Hình 2.12: Cấu hình bộ phát sử dụng điều chế FSK 33

Hình 2.13 Phổ công suất các tín hiệu điều chế số MSK 34

Hình 2.14 Kỹ thuật điều chế FSK 36

Hình 2.13 Kỹ thuật điều chế PSK 37

Hình 2.15 Quản lý tán sắc trong mô phỏng 40

Hình 2.16 Giá trị EOP của tín hiệu biến thiên trên khoảng cách truyền dẫn, với công suất đầu vào trung bình 12dBm và dùng định dạng điều chế NRZ 41 Hình 2.17 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang

sử dụng ở tốc độ dữ liệu 10Gb/s [13] 43

Ghi chú: Các điểm rời rạc: kết quả của các tính toán mô phỏng Đường liền mạch: nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1 43

Hình 2.19 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang áp dụng với tốc độ dữ liệu 10Gb/s [13] 46

Ghi chú: Các điểm rời rạc: các kết quả tính toán mô phỏng.Các đường liền: nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1.Các đường nét đứt: Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM từ biểu thức giải tích 46

Hình 2.20 Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM theo công suất quang áp dụng với tốc độ dữ liệu 40Gb/s [13] 46

Ghi chú: Các điểm rời rạc: các kết quả tính toán mô phỏng.Các đường liền: nối tuyến tính giữa log (LSPM) và P(dB) với độ dốc -1.Các đường nét đứt: Khoảng cách truyền dẫn giới hạn bởi SPM từ biểu thức giải tích 47

Hình 2.21 Tín hiệu dao động được phát ra tại bộ thu và mật độ xác suất 49

Hình 2.22 Tỷ lệ lỗi BER là một hàm của hệ số Q 52

Hình 2.23 Tỷ lệ lỗi BER với các dạng điều chế khác nhau 57

Hình 3.1 Sơ đồ thiết lập hệ thống WDM 65

Hình 3.2 Mô hình hệ thống sử dụng điều chế NRZ-OOK 68

Hình 3.3 Đầu phát của kỹ thuật điều chế NRZ-OOK 69

Hình 3.4 Tuyến truyền dẫn 69

Hình 3.5: Đầu thu của kỹ thuật điều chế NRZ-OOK 69

Hình 3.6 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế RZ-DPSK 70

Hình 3.7 Cấu trúc phía phát của hệ thống sử dụng điều chế RZ-DPSK 70

Hình 3.8 Mô hình phía thu tín hiệu điều chế RZ-DPSK 70

Hình 3.9 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK 71

Hình 3.10 Mô hình phát của hệ thống sử dụng điều chế RZ-DQPSK 71

Hình 3.11 mô hình thu tín hiệu điều chế RZ-DQPSK 71

Hình 3.12 Phổ 4 bước sóng 74

Hình 3.13 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu được của điều chế NRZ 75

Hình 3.14 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu được của điều chế DPSK 75

Hình 3.15 Biểu đồ mắt tín hiệu BER thu được của điều chế DQPSK 76

Hình 3.16 Phổ 4 kênh bước sóng 77

Hình 3.17: Quan hệ giữa BER và Công suất thu 77

Hình 3.18 Quan hệ giữa BER và Công suất thu khi tăng tốc độ lên 78

Hình 3.19: Quan hệ giữa BER theo Số khoảng lặp 79

Hình 3.20 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tích Công suất với LSPM, C, với các phương pháp điều chế khác nhau, đơn vị [mW.km] 42 Bảng 2.2 Độ nhạy thu của các bộ thu Coherent đồng bộ 57

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác

ASE Amplified Spontaneous Emission Khuếch đại phát xạ tự

phát ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

AWGN Additive White Gaussion Noise Tạp âm Gaussian trắng

cộng

BERT Bit Error Test Set Bộ thử nghiệm tỷ lệ lỗi

bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CS-RZ Carri Suppressed Return-to-zero Điều chế khử sóng mang

trở về không

DEMUX Demultiplexer Bộ giải ghép (tách) kênh

DLI Delay Line Interferometer Đường dây trễ đối với

thiết bị đo giao thoa DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi phân

DQPSK Differential Quadrature Phase

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt

EDF Erbium Deped Fiber Sợi pha tạp chất Erbium

EDFA Erbium Deped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi có

pha tạp chất Erbium FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số

IM-DD Intensity Modution-Direct

Detection

Điều chế cường độ-Tách sóng trực tiếp

pha ISD Information Spectival Density Mật độ phổ thông tin ISI Intersymbol Interference Nhiễu giữa các ký tự

LED Light Emiting Diode Diode phát quang

MGF Moment Generating Functions Các hàm tái tạo thời gian

ngắn

MQWW Multiple Quantum Well Hố lượng tử

Mach-Zehnder

NRZ Non-Return-to-Zero Điều chế không trở về

không

NRZ-DPSK Non-Return-to-Zero Differential

Phase Shift Keying

Điều chế không trở về không khóa dịch pha vi

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt

phân

NRZ-OOK Non-Return-to-Zero On Off

Keying

Điều chế không trở về không khóa đóng mở

OSNR Optial Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

quang PDH Plesiochronous Digital Hỉearchy Phân cấp số cận đồng bộ

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu

RZ-OOK Return-to-Zero On Off Keying Điều chế trở về không

khóa đóng mở SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ

SNR Sign-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt

SSMF Standard Single Mode Fiber Sợi đơn mode chuẩn

WDM

Wavelength Division Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc truyền dẫn thông tin sợi quang được ứng dụng rất nhiều trong trong nhiều lĩnh vực thực tế, bởi nó có nhiều ưu điểm so với các truyền dẫn khác như: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, tính bảo mật thông tin cao… Hệ thống thông tin quang được thiết

kế cho các tuyến đường trục Bắc Nam, các tuyến quốc tế, các tuyến trung kế, hiện nay còn được sử dụng rộng rãi trong các mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy

và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai [2], [4].Tuy có nhiều ưu điểm so với các truyền dẫn khác nhưng vấn đề năng lực truyền dẫn của một hệ thống trên sợi quang là một vấn đề đáng quan tâm như: dung lượng hay tốc độ của kênh quang và khoảng cách truyền của hệ thống [6]

Trong tất cả các phần tử của hệ thống truyền dẫn quang, kỹ thuật điều chế tín hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống Do vậy việc nghiên cứu về công nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để nâng cao năng lực của mạng lưới truyền dẫn và có thể đưa ra

đề xuất ứng dụng công nghệ mới thích hợp trong tương lai

Vì vậy, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu

năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang” làm đề tài tốt nghiệp của mình

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang

Chương 2: Một số kỹ thuật điều chế hiệu năng cao trong hệ thống thông tin sợi quang

Chương 3: Mô phỏng đánh giá kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho các hệ

thống thông tin sợi quang

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Ngay từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại Trong vòng khoảng mười năm trở lại đây, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, cung cấp cho hệ thống các nguồn quang cần thiết với cường độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi trường… các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp… Ngoài ra, các công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi trường truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hưởng can nhiễu, băng thông rộng… để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin khác, đó là [4], [6]:

- Suy hao truyền dẫn nhỏ;

- Băng tần truyền dẫn rất lớn;

- Không ảnh hưởng của nhiễu điện từ;

- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao;

- Có kích thước và trọng lượng nhỏ;

- Sợi có tính cách điện tốt;

- Độ tin cậy cao;

- Sợi được chế tạo từ vật liệu phi kim loại rất sẵn có nên rất kinh tế;

Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang có sức hấp dẫn mạnh mẽ tới các nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến quốc tế, tuyến đường trục và tuyến trung kế mà còn có tiềm

năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy

và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai

1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Mô hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang như Hình 1.1 sau:

Hình 1.1: Mô hình cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi [4]

Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang gồm phần phát quang, cáp sợi quang, phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động của môi trường bên ngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các thành phần khác như: các mối hàn, bộ tách/ ghép quang và các trạm lặp; hay các bộ khuếch đại… tất cả tạo nên một hệ thống thông tin quang sợi hoàn chỉnh,

Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bước sóng 850nm, 1300nm và 1550nm Ba vùng nước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất được sử dụng Nhưng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba

Đặc tuyến tán sắc của sợi quang, khi ánh sang lan truyền trong sợi quang sẽ xảy ra hiện tượng dãn nở xung và méo dạng xung tín hiệu (tán sắc) Do hiệu ứng tán sắc nên xảy ra hện tượng méo dạng tín hiệu khi thu, các loại tán sắc của sợi quang: tán sắc vật liệu, tán sắc đường truyền và tán sắc mode Do tán sắc vật liệu cũng như tán sắc đường truyền sinh ra bởi sự khác nhau về vận tốc truyền của các thành phần phổ riêng biệt, bởi vậy người ta gọi chung cả hai loại này là tán sắc màu Tùy thuộc vào các loại sợi quang mà ảnh hưởng của các tán sắc đến sợi quang khác nhau Với loại sợi quang đơn mode (SM) thì tán sắc màu sẽ chiếm đa số, còn với sợi đa mode (MM) thì tán sắc mode sẽ chiếm đa số

Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự Thiết bị phát sẽ thực hiện đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tương ứng có tham số quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của tín hiệu điện điều khiển Bước sóng là việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới thu quang Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường hay suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán

xạ, tán sắc gây nên

Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu

từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang được biến đổi trở thành tín hiệu điện Các photodiode PIN và diode quang thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đoạn sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống

Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, với một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến Cấu trúc của thiết bị trạm lặp điện quang gồm có thiết bị phát quang và thiết bị thu tín hiệu thu quang ghép quay phần điện vào nhau Thiết bị thu quang trạm lặp sẽ thu tín hiệu điện sau đó khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đưa vào thiết bị phát quang Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đường truyền Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo thì các bộ khuếch đại quang đã được sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp điện quang

1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang

Việc phân loại hệ thống thông tin quang dựa theo nhiều tiêu chí để phân loại, trong luận văn này dựa theo dạng điều chế và tách sóng quang, các hệ thống thông tin sợi quang được chia thành:

- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD;

- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang Coherent

1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD

Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD có sơ đồ khối như hình 1.2, là hệ thống dùng kỹ thuật điều chế cường độ (Intensity Modulation) ở máy phát quang và tách sóng trưc tiếp (Direct Detection) ở máy thu

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [4]

Hệ thống thông tin sợi quang gồm có 4 thánh phần chính, đó là: thiết bị đầu cuối phát quang, sợi quang, khuếch đại quang và thiết bị đầu cuối thu quang

Thiết bị đầu cuối phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của

hệ thống thông tin quang, nó có chức năng biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu quang này vào trong sợi quang để thực hiện truyền dẫn thông tin Thiết bị đầu cuối phát quang bao gồm:

- Bộ ghép kênh số: Thực hiện chức năng ghép các tín hiệu số (tín hiệu điện) kiểu điều chế xung mã PCM các cấp khác nhau theo phương thức PDH hoặc SDH

- Bộ biến đổi lưỡng cực-đơn cực: Thực hiện chức năng biến đổi các tín hiệu lưỡng cực đầu vào (các xung dương và âm luân phiên nhau) thành các tín hiệu đơn cực, chúng làm cho quá trình xử lý tại thiết bị dễ dàng hơn

- Bộ xử lý mã gửi đi: Tại bộ xử lý mã gửi đi, một số quy ước đặc biệt được cộng thêm vào các tín hiệu đơn thực này để mang các thông tin giám sát, giúp cho việc kiểm tra sự hoạt động bình thường giữa các thiết bị trên hệ thống, sau đó các

tín hiệu một lần nữa được biến đổi thành mã đường truyền (line coding) xác định phù hợp với môi trường truyền dẫn là sợi quang Có hai loại mã điển hình thường được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang thực tế, là mã CMI (Mã đảo dấu)

và mã mB1C (mã bù m bit “1”)

- Bộ biến đổi điện quang: Mạch điều khiển thực hiện kích thích tạo ra dòng điện đủ phù hợp điều chế trực tiếp cường độ (công suất) quang phát ra của LED hoặc diode lazer (LD) LED hoặc LD thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang bằng điều chế trực tiếp cường độ thông qua dòng thiên áp thuận của nó, tín hiệu quang này được đưa vào sợi quang

- Bộ ghép kênh quang: Bộ ghép kênh quang thực hiện việc ghép nhiều luồng tín hiệu quang khác nhau để truyền trên cùng một sợi quang nhằm tận dụng băng tần rất lớn của sợi quang (trong hệ thống thông tin quang đơn kênh thì không cần dùng bộ ghép kênh quang)

- Bộ lặp đường dây: Tại bộ lặp đường dây loại điện quang, quá trình biến đổi quang điện sẽ được thực hiện trước tiên Do các tín hiệu quang đến bộ lặp đường dây thường có công suất thấp, bị méo dạng dẫn đến các tín hiệu điện sau khi biến đổi quang – điện cũng bị méo và suy giảm Chính vì điều này nên trước hết các tín hiệu điện phải được cân bằng và khuếch đại (quá trình sửa để cải thiện về mặt công suất mà không gây méo dạng sóng), trong phần này mạch thực hiện việc tự điều khiển khuếch đại để giữ mức tín hiệu không đổi sau khi đã cân bằng và khuếch đại tín hiệu Ngoài ra, còn lấy ra các thông tin về mặt thời gian và khoảng thời gian của các tín hiệu xung gốc (“1” hoặc “0”) từ các tín hiệu đã được sửa và khuếch đại Tại mạch xác định và tái tạo, có/không xung (“1” hoặc “0”) được xác định tại các vị trí của tín hiệu định thời theo trục thời gian và các tín hiệu xung gốc được phục hồi (được gọi là quyết định và tái tạo) ở dạng tín hiệu điện Các tín hiệu này tới bộ biến đổi tín hiệu điện – quang và tại đây, một lần nữa, các xung tín hiệu điện “1” và “0” được biến đổi thành tín hiệu điện quang bật/tắt và được đưa vào sợi quang giống như ở thiết bị đầu cuối phía phát

Ngày nay, trên các hệ thống thông tin sợi quang người ta đã dùng các bộ khuếch đại quang thay dần cho các bộ lặp điện quang

Thiết bị đầu cuối thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong

hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi

mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống truyền dẫn Chức năng chính của thiết bị này là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và đảm bảo có độ tin cậy cao Thiết bị đầu cuối thu quang bao gồm:

- Bộ tách kênh quang: Bộ tách kênh quang thực hiện việc tách các kênh từ luồng tín hiệu quang đa kênh từ sợi quang đưa đến các nguồn quang khác nhau

- Bộ biến đổi quang - điện: Nguồn thu quang làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang về dạng tín hiệu điện Thành phần thực hiện tách sóng trong bộ thu quang thường là các photodiode PIN hoặc điốt quang thác APD Ở đây việc tách sóng quang được thực hiện trực tiếp qua photodiode biến công suất quang tới về dòng tách sóng điện quang của diode Do quá trình truyền dẫn có những tác động của tán

xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi quang nên việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ phức tạp hơn nhiều so với thiết kế thiết bị phát quang

Bộ tách sóng quang được sử dụng thông dụng nhất là bộ tách sóng photodiode PIN: gồm các vùng P và N cách nhau bởi một vùng I Để thiết bị hoạt động thì phải cấp một thiên áp ngược cho nó Trong chế độ hoạt động bình thường, thiên áp ngược đủ lớn được đặt cắt ngang thiết bị để cho vùng bên trong bảo đảm hoàn toàn trôi được các hạt mang Khi có một photon đi tới mà mang một năng lượng lớn hơn (hoặc bằng) với năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo photodiode, photon này có thể bỏ ra năng lượng của nó và kích thích một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn Quá trình này sẽ phát ra các cặp điện tử-lỗ trống tự do, các cặp này chủ yếu được phát ra trong vùng trôi và được gọi là các hạt mang photon hoặc các điện tử photo

Hình 1.3 Mạch điện và sơ đồ vùng năng lượng cho photodiode PIN

Khối tuyến tính, thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau tách sóng quang đến mước độ đủ lớn, sau bằng và lọc để giảm tạp giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) nâng cao tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở mạch phục hồi

Mạch phục hồi gồm mạch quyết định và mạch khôi phục đồng hồ Nó tái tạo

ra xung tín hiệu và định thời xung đồng hồ

- Bộ xử lý mã nhận được

- Bộ biến đổi đơn cực – lưỡng cực

- Bộ tách kênh

1.2.2 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp

Cho đến nay, phần lớn các hệ thống thông tin quang đang khai thác trên mạng lưới của nhiều nước là các hệ thống sử dụng điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp (IM/DD) Tuy đã đóng vai trò quan trọng trong các mạng lưới viễn thông, từ đường trục cho tới thuê bao, từ các tuyến trên đất liền cho tới các tuyến vượt biển

và đã mang lại lợi ích về kinh tế, song kỹ thuật này còn chưa tận dụng có hiệu quả tính chất của sóng ánh sáng và băng tần của sợi dẫn quang đơn mode hiện nay Các sợi quang thông thường có thể đáp ứng băng tần 200 THz, trong khi các hệ thống truyền dẫn quang IM-DD đơn kênh quang mới chỉ đạt tốc độ 622 Mbps, 2,5 Gbps ở

cự ly vài chục km và số ít hệ thống 10 Gbps chưa được phổ biến nhiều Mặt khác độ

nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ bit truyền dẫn cao, tốc độ bit càng cao thì độ nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IM-DD không thể cùng một lúc vừa tăng cự ly vừa tăng tốc độ được

Nguyên lý của hệ thống thông tin quang kết hợp là sử dụng việc điều biến gián tiếp nguồn quang tại đầu phát: luồng tín hiệu điện và luồng ánh sáng đơn sắc được đưa vào điều biến trong bộ điều chế quang Tại đầu thu cũng cần có một nguồn quang đơn sắc hoàn toàn độc lập với nguồn quang tại đầu phát Luồng tín hiệu quang thu được từ sợi quang cùng với luồng quang đơn sắc của bộ phát quang đưa vào bộ trộn là một diode quang để đưa ra một tần số trung gian sau đó đưa đến mạch tách sóng quang để lấy ra tín hiệu điện ban đầu Tần số trung gian cần lớn khoảng 10 GHz để đủ tải mang một tín hiệu điều biến ban đầu có độ rộng băng lớn, song cũng không được quá lớn để đảm bảo khả năng khuếch đại của mạch điện tử Trong hệ thống thông tin quang kết hợp, những ưu điểm trội lên hàng đầu so với hệ thống thông tin quang IM-DD thông thường là có độ nhạy thu cao và cho phép kéo dài thêm cự ly truyền dẫn tới 100km tại bước sóng 1,55m: băng tần của

hệ thống khá lớn và đặc biệt có thể điều chỉnh lựa chọn các kênh quang Tất cả tạo nên một hệ thống thông tin hoàn chỉnh nhằm khai thác triệt để băng tần của sóng ánh sáng trên sợi quang

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD tại phía phát, luồng bít được đưa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang và tại đầu thu, tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp bằng các photodiode để lấy ra các tín hiệu điện băng gốc,

đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin số đơn hướng.Với hệ thống truyền dẫn hai chiều, người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu giữa phía phát và phía thu Do đó hiệu suất sử dụng của hệ thống này không cao tuy nhiên có giá thành thấp và thiết lập hệ thống đơn giản nên nó vẫn được sử dụng cho đến thời điểm hiện nay và trong

cả tương lai

Với hệ thống này thì việc đổi tần sóng mang quang được thực hiện ở phần máy thu quang bằng cách trộn trường quang của bộ dao động nội với tín hiệu quang thu được Do vậy hệ thống này có một số ưu điểm so với hệ thống IM/DD, cụ thể:

- Nâng cao độ nhạy của máy thu: Trong hệ thống IM/DD thì độ nhạy của máy thu bị hạn chế bởi tập âm nhiệt trội, còn hệ thống Coherent do dùng biện pháp đổi tần quang để làm tăng độ nhạy của máy thu nên nó cho phép tăng khoảng cách giữa hai trạm lặp đồng thời tăng tốc độ truyền dẫn trong các tuyến thông tin đường trục

So với máy thu tách sóng trực tiếp thì độ nhạy của máy thu trong hệ thống Coherent nâng lên từ 15 đến 20 dB

- Nâng cao khả năng truyền dẫn: Với việc sử dụng phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM) thì các hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent có dung lượng truyền dẫn rất lớn, ví dụ như trong vùng cửa sổ quang 1,55 µm có thể đạt tới

200 THz và nếu chọn độ rộng phổ của mỗi kênh quang để truyền là 1,47nm – 1,57nm thì ta có thể truyền được 109 kênh thoại tương đương

- Nâng cao khả năng lựa chọn kênh: Tại phía thu trong hệ thống Coherent người ta có thể lựa chọn được kênh theo mong muốn nhờ khả năng điều chỉnh được tín hiệu tới của nguồn thu

Ngoài những ưu điểm trên, hệ thống thông tin quang kết hợp còn có thể kết hợp với bộ khuếch đại quang để tạo nên các tuyến thông tin quang có dung lượng lớn và tăng đáng kể khoảng giữa hai trạm lặp (Có thể vài trăm km ở bước sóng λ = 1,55µm) Khả năng này được áp dụng trong các tuyến thông tin quang đường trục

và tuyến thông tin quang xuyên quốc gia

Tuy nhiên hệ thống thông tin quang kết hợp cũng có một số nhược điểm, đó là:

Sơ đồ cấu trúc nguồn thu khá phức tạp kéo theo phần tử dùng nguồn phát tín hiệu cũng như nguồn dao động nội phải có ổn định rất cao, do đó đòi hỏi rất nghiêm ngặt

về nhiệt độ, nguồn nuôi, nhiễu pha, độ phân cực,… Từ đó dẫn đến giá thành của hệ thống cao Song với những ưu điểm mà hệ thống thông tin quang kết hợp có được thì hệ thống này vẫn chiếm một vị trí then chốt trong mạng viễn thông hiện nay và trong tương lai

Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp có sơ đồ hình khối như hình

1.4

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin quang kết hợp [5]

- Thiết bị đầu cuối phát quang: gồm có mạch điều khiển, lazer bán dẫn, bộ điều

chế tín hiệu, ngoài ra còn có thể thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công

suất tự động khi cần thiết Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode có độ rộng

phổ hẹp, thường là loại laser DFB có độ rộng phổ < 0.1 nm, loại laser có bộ cộng

hưởng ngoài hoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10-100MHz Bộ điều chế

ngoài dùng để điều chế trường quang do Lazer nguồn phát ra với các dạng điều chế

mong muốn, như: ASK, PSK, DPSK Các bộ điều chế ngoài thường dùng như giao

kế Mach-Zehnder hoặc bộ điều chế hấp thụ điện EA Riêng điều tần dạng FSK được

tiến hành thực tiến bởi dòng bơm của Laser Để giảm thiểu ánh sáng phản xạ từ sợi

quang về máy phát thì ta cần phải đặt bộ cách ly quang ở giữa nguồn và sợi Bộ

cách ly chỉ cho phép ánh sáng truyền từ nguồn vào sợi, còn ánh sáng phản xạ từ sợi

về nguồn sẽ bị nó hấp thụ

- Thiết bị đầu cuối thu quang: Máy thu của hệ thống thông tin quang kết hợp

phức tạp hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang IM/DD Nó bao gồm các bộ

phận chính như sau: Bộ trộn quang, bộ tách quang, laser dao động nội, bộ khuếch

đại, bộ lọc dải, bộ giải điều chế và bộ chỉnh tự động tần số laser dao động nội

Bộ trộn quang là phần tử đặc trưng nhất của máy thu quang kết hợp, là thiết bị bốn cửa tương tự như một bộ ghép hướng siêu cao tần, tại đây có hai trường quang đầu vào (từ tín hiệu thông tin và từ bộ dao động nội) được trộn với nhau và cộng tuyến tính ở đầu ra, nó có thể là một gương bán phản xạ hoặc một bộ ghép sợi nóng chảy Yêu cầu cầu với hai trường quang và bộ trộn là phải cùng hướng Vì trạng thái phân cực của trường quang tín hiệu truyền dọc sợi bị thay đổi nên cần phải dùng các phương pháp đặc biệt để giảm sự mất phối hợp phân cực giữa hai trường quang tín hiệu

Tín hiệu ở đầu ra của bộ trộn sẽ được đưa tới bộ tách sóng, dùng photodiode PIN hoặc APD, tín hiệu này được đưa đến bộ tiền khuếch đại, rồi được lọc thông dải để giới hạn độ rộng băng tần nhiễu và sau đó được giải điều chế tương ứng với dạng điều chế Ở đây, chúng ta cần phải lưu ý rằng nhiều pha trong laser là một vấn

đề quan trọng trong hệ thống quang hết hợp vì nó xác định độ rộng băng tần của bộ lọc tần số trung gian (trung tần) Sau đó chúng được đưa qua bộ khuếch đại trung tần và sau đó được đưa qua bộ lọc thông dải nhằm hạn chế băng tần nhiễu Bộ giải điều chế sẽ giải điều chế dạng tương ứng với máy phát để lấy ra được tín hiệu đã phát đi Bộ tự động điều chỉnh tần số AFC nhằm mục đích đảm bảo tần số trung tần của máy thu luôn giữ ở một giá trị mong muốn Tín hiệu từ ra từ mạch AFC đưa qua mạch thích hợp để điều chỉnh tần số của laser dao động nội

1.3 Các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao

Trong hệ thống thông tin quang, ngoài suy hao quang, có nhiều tham số tương tác với tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống và làm mất đi đáng kể lượng công suất tín hiệu, đó là các tham số: dung lượng, cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc

độ bít của hệ thống và phổ nguồn phát

1.3.1 Dung lượng và khoảng cách

Trong hệ thống thông tin quang, khi thực hiện việc truyền dẫn cần có sự lựa chọn về dung lượng (là Gigabits hay Terabits) hoặc khoảng cách (là 100, 1.000 hay

10.000 km) để không có lỗi tại đầu thu, tức là, với tỉ lệ lỗi bit (BER) sau khi đã hiệu chỉnh quá trình giải mã tốt hơn 10-8

- 10-9 Trên thực tế, không phải dung lượng hay khoảng cách đều đạt được mong muốn, vì chúng có sự giàn buộc lẫn nhau Bởi vì,

có thể đạt được dung lượng ở mức cao thì khoảng cách truyền ngắn và khoảng cách truyền luôn lớn thì đi với dung lượng thấp Thông qua một số chỉ thị dung lượng hoặc khoảng cách, được mô tả như sau [9]

Thứ nhất, thông số chỉ thị dung lượng (C) là tốc độ kênh B sử dụng ghép kênh theo bước sóng (WDM), chẳng hạn, B = 2.5, 10, 40 hoặc 160 Gb/s ( dung lượng C

= BxN, với N là số kênh của WDM) Tốc độ kênh B yêu cầu cao hơn, rất khó để giữ được dung lượng C cũng như khoảng cách D mong muốn

Thứ hai, thông số chỉ thị cho cả C và D là khoảng cách khuếch đại đường quang, chẳng hạn, Z = 50 km (đối với các hệ thống vượt biển), 100- 120km (đối với các hệ thống trên mặt đất), hoặc 0 – 600 km (đối với các hệ thống lặp) Để đạt được khoảng khuếch đại lớn hơn, rất khó để giữ được dung lượng C cũng như khoảng cách D mong muốn

Thứ ba, thông số chỉ thị cho cả C và D là loại sợi, chẳng hạn, sợi đơn mode với tán sắc thấp nhất là 1,3 µm, sợi thay đổi tán sắc với tán sắc thấp nhất là 1,55 µm, các sợi đặc biệt có vùng ảnh hưởng lớn của tán sắc phẳng và nhiều sự biến đổi Cuối cùng là kỹ thuật phục hồi toàn bộ quang cho tuyến có thể giữ được khoảng các truyền dẫn gần như là vô tận, tại tốc độ kênh WDM đạt tới mức 40Gb/s Ở các hệ thống phục hồi toàn bộ quang, khoảng cách đạt được tới mức như vậy không đúng trên thiết bị đo như ở trên hệ thống cơ sở giữa hai bộ khuếch đại đường quang Thứ tư, thông số hiển thị cho cả C và D là khả năng của băng tần, cần phù hợp với ISD

Mật độ phổ thông tin (ISD) là đặc thù kênh khoảng cách kênh WDM (chẳng hạn, s = 25-50 GHz đối với các kênh 10 Gbps) Băng tần được giữ NxS, hiệu suất 

= 1b/s/Hz

Hình 1.5: Sự phát triển của thiết bị hiển thị CxD, biểu đồ quy luật về dung lƣợng và

khoảng cách

Nhƣ đã phân tích ở trên và các thông số gần nhƣ không thể so sánh chính xác hay là công bằng giữa các hệ thống khác nhau, nhƣ là dung lƣợng hay khoảng cách Mặc dù rất khó để thiết bị hiển thị kết quả dung lƣợng-khoảng cách CxD, nhƣ là việc thể hiện bits-km/giây

Trên Hình 1.5 thể hiện rất nhiều thiết bị hiển thị CxD qua một thời kỳ trên 30 năm [9]

Các điểm thể hiện các thời kỳ khác nhau nhƣ mô phỏng ở trên, gồm 5 thời kỳ phát triển của các hệ thống sóng quang:

- Nguồn laser 0,8µm và các sợi đa mode;

- 1,3µm sợi đơn mốt SMF và laser;

- 1,5µm sợi thay đổi tán sắc DSF và các nguồn laser;

sau này là 1,55µm Thời kỳ thứ tư là ra đời hệ thống kết hợp, lúc đầu xuất hiện nó như là một đột phá về độ nhậy máy thu và như vậy nó tăng đáng kể về khoảng cách truyền dẫn Vào năm 1990, thông số CxD đã vươn xa đạt 1.000 Gbit-km/s, ta hình dung như truyền dẫn đạt mức tối đa với 1Gbps trên khoảng dẫn 500-1.000 km [9] Thời kỳ thứ năm ra đời, nó nhanh chóng phát triển tới nguồn bơm laser-diode, khuếch đại sợi quang có pha tạp chất erbium (EDFA), nó thật sự là khác với các thế

hệ trước nó Thực vậy, thời kỳ khuếch đại EDFA kết hợp với một số công nghệ:

- WDM: sử dụng khuếch đại/băng tần có lợi,

- Quản lý phân tán: Các công nghệ cho bù trừ tán sắc sợi mầu trên ghép băng tần,

- Sửa sai hướng đi: Tín hiệu điện được biến đổi và được bù lại những suy hao cũng như tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ khuếch đại EDFA;

- Sự khuếch đại C+L: Bù gấp đôi về tần số tại bộ khuếch đại EDFA;

- Raman hay khuếch đại phân bố theo Raman: khuếch đại EDFA cải thiện được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và làm lợi băng tần

1.3.2 Giới hạn trong khai thác băng tần

Công cụ khác để phân tích giới hạn truyền dẫn trong các hệ thống thông tin sử dụng lý thuyết thông tin của Shannon

Ngoài ra còn sử dụng định lý Shannon-Hartley Theorem (SHT), nó là sự kết hợp của hai định lý của Shannon (đó là định lý về dung lượng kênh và mã kênh) Định lý SHT có thể được hiểu dễ dàng qua công thức cụ thể là: Giữ một kênh thông tin với mức độ mã hóa là B (Hz), với năng lượng tín hiệu trung bình S năng lượng nhiễu Gaussian thêm vào là N, dung lượng tối đa có thể đạt được (đối với định lý dung lượng kênh) được thể hiện bởi biểu thức sau [9]:

Cbit/s/Hz = BHz log2 (1+SNR) (1.1) Sau những phép đại số, có thể nói việc tính toán bù lại cho phù hợp với nhiễu băng tần, biểu thức (1.1) được biểu hiện như ISD tối đa:

Cbit/s/Hz = BHz log2 (1+SNR Cbit/s/Hz) (1.2)

Với SNR là tỷ số tín hiệu trên nhiễu, ngược lại (1-2) còn được viết như sau: SNR = 2 1

C

C



(1.3) Một hệ quả quan trọng từ trên định nghĩa như sau: đã tồn tại mã phối hợp được sắp xếp một cách hợp lý cho thông tin mà nó có thể được tryền ở tốc độ thấp trên dung lượng kênh với tỷ lỗi nhỏ tùy ý Bởi “mã phối hợp”, định lý đưa ra với mỗi phương pháp điều chế với thuật toán hiệu chỉnh lỗi, thuật toán đó thực hiện hiệu chỉnh gần như là tối ưu phương pháp điều chế đó

Từ (1.3), ta có thể thấy rằng C[Bit/s/Hz] có thể được thay thế, khi đó SNRmin=log1020.693=-1,6dB

Khi giá trị CxD gần như không bị giới hạn, ISD Shannon giới hạn CSH giảm tương đương với việc khoảng cách hệ thống truyền dẫn D tăng Đúng thế bởi vì các

hệ thống được khuếch đại, tỷ số hiệu trên nhiễu SNR giảm cũng như việc tích nhiễu trên bộ khuếch đại Tích nhiễu là một hàm của T, và k=D/Z số bộ khuếch đại Cần phải phân biệt giữa hai loại cấu trúc khuếch đại tập trung ( như khuếch đại quang sợi có pha tạp erbium) và khuếch đại phân bố Kết quả phân tích, thừa nhận giá trị năng lượng tín hiệu trung bình ở cả hai cấu trúc:

n C

<nin> có thể được dùng làm tín hiệu đầu vào với hệ thống kê Poisson Theo như biểu thức (1.4) và (1.5), giới hạn ISD Shannon như là một hàm của k, đối với giá trị khác nhau của thông số T, như là minh họa ở hình 1.6 cho <nin>=8x105 photon ở bước sóng 1,55µm Trên hình còn đưa ra mối quan hệ giữa các mức dung lượng ISD với khoảng cách của hệ thống, khoảng chừng 50% nó bị suy hao trên một nửa

khoảng truyền dẫn của hệ thống Mức suy giảm là như nhau đối với cả hai cấu hình Với việc lựa chọn năng lượng tín hiệu, với dung lượng 4,5-5.5 b/s/Hz về mặt lý thuyết có thể ở hệ thống vượt biển với chiều dài là 10.000 km và khoảng lặp Z=50-

100 km Trường hợp bước sóng tín hiệu 1,2µm ( khoảng lặp 50km, suy hao 0,4 dB/km), năng lượng giảm 20% đối với thay đổi bước sóng Dung lượng ở biểu thức (1.4) và (1.5) có dạng Cb/s/Hzlog2[f(k, T)]+log2(<nin>)

Điểm xuất phát của phép phân tích mới này tính đến trộn bốn sóng (FWM) bở giảm bới giá trị SNR trong biểu thức (1.1), theo đó:

độ phi tuyến, sự tăng dung lượng ISD như là Loga của năng lượng WDM, như là mong muốn ở biểu thức (1.1)

Một phép phân tích giới hạn dung lượng được giới thiệu bởi chế độ không phi tuyến (Trộn bốn sóng và từ điều chế pha hay SPM) và đánh giá các khả năng trong tương lai của các phương pháp điều chế kết hợp khác nhau

Hình 1.6 Quan hệ giữa dung lượng ISD với tổng công suất WDM: (a) hoàn toàn phi tuyến, (b) hoàn toàn tuyến tính, (c) trường hợp với một hệ thống khuếch đại 5x100

km [17]

1.4 Kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang

Sự ra đời các hệ thống sóng quang, tốc độ dữ liệu cao như 10Gbps hoặc 40Gbps trên một kênh thực sự là hấp dẫn Ngoài ra, một gói rất nhiều kênh trong một sợi đơn, khoảng cách các kênh được giảm từ 200GHz đến 50GHz hoặc thậm trí còn nhỏ hơn Trực tiếp tác động tới tính phi tuyến và tuyến tính làm giảm hiệu quả

có thể là rất lớn trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao Một giải pháp tối ưu

là điều chế nó khắc phục tính phi tuyến và không phi tuyến là rất cần thiết

Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng một trong các kỹ thuật điều chế như:

- Kỹ thuật điều chế không trở về không với khóa đóng mở (NRZ-OOK);

- Kỹ thuật điều chế trở về không với khóa đóng mở (RZ-OOK);

- Kỹ thuật khử sóng mang trở về không (CS-RZ);

- Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK;

- Kỹ thuật điều chế RZ-DPSK

Trước tiên, hệ thống cần thực hiện việc điều chế trước khi truyền đi đối với cả hai hệ thống WDM 10Gbps và 40Gbps

Trong hệ thống thông tin kết hợp Coherent, tín hiệu quang trước lúc truyền đi được sử dụng một số kỹ thuật điều chế như: biên độ, tần số hoặc pha phủ sóng mạng quang Đối với:

- Kỹ thuật điều chế biên độ: Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho các tín hiệu thông tin tác động vào biên độ với sóng mang quang có tần số cao hơn và lọc sang bằng mong muốn để truyền đi;

- Kỹ thuật điều chế tần số: tín hiệu thông tin tác động vào tần số sóng mang quang làm cho tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu;

- Kỹ thuật điều chế pha: Tín hiệu thông tin tác động vào pha của sóng mang quang tạo nên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế

Đó là kỹ thuật điều chế chủ yếu đối với hệ thống thông tin quang tốc độ cao dùng phương pháp tách sóng trực tiếp và hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent dùng phương pháp tách sóng kết hợp

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày cơ bản về tổng quan hệ thống thông tin quang, giới thiệu được các hệ thống thông tin quang đang được sử dụng rộng rãi trong nước và thế giới, so sánh ưu nhược điểm của các hệ thống thông tin quang như: suy hao truyền dẫn nhỏ, tính bảo mật cao, kích thước và trọng lượng nhỏ… Trong chương 1 cũng nêu ra được các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin quang tốc độ dữ liệu cao trong quá trình hoạt động như vấn đề về dung lượng và khoảng cách, giới hạn

về băng tần… Để khắc phục và cải thiện các hạn chế đó thì trong chương 2 đề cập tới các kỹ thuật điều chế nâng cao cho hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Hiện nay, việc truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, cự ly xa dùng phương pháp điều chế OOK (On-Off Keying) gặp nhiều thách thức do giới hạn về băng thông của bộ điều chế và bộ khuếch đại điện tại phía thu, ảnh hưởng của phi tuyến

và tán sắc sợi, băng thông không tương thích với khoảng cách kênh 100GHz hoặc

50 GHz,… Một trong các giải pháp được đưa ra để truyền dẫn tín hiệu quang ở tốc

độ cao, cự ly xa là dùng phương pháp điều chế nâng cao

Trong những năm gần đây, đã có nhiều phương pháp điều chế được phát triển

và ứng dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang tách sóng trực tiếp như OOK, CSRZ-OOK, BPSK, DPSK, DQPSK [11], [12] Việc nghiên cứu về kỹ thuật điều chế hiệu năng cao tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để vừa có thể nâng cao năng lực của mạng lưới truyền dẫn vừa có thể sử dụng hiệu quả hạ tầng quang sẵn có đồng thời có thể đưa ra đề xuất ứng dụng kỹ thuật mới thích hợp, hiệu quả cho các thiết bị truyền dẫn Do vậy, mục tiêu của Chương 2 là nghiên cứu

NRZ-về các phương pháp điều chế nâng cao

2.1 Điều chế dùng phương pháp tách sóng trực tiếp

Trong hệ thống thông tin quang, điều chế trước lúc truyền dẫn nhằm mục đích

để đạt thêm một số vấn đề cần mong muốn: thứ nhất nhằm dịch chuyển băng tần tín hiệu sang những vùng mong muốn để tạo điều kiện cho quá trình ghép kênh; thứ hai

để tạo nên những tín hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớp đoạn hoặc lớp ngang

2.1.1 Kỹ thuật điều chế NRZ-OOK

Qua một thời gian dài, phương pháp điều chế NRZ-OOK (Non-return-to-zero on-off-keying) không trở về không với khóa đóng mở vẫn chiếm ưu thế trên hệ thống truyền dẫn cáp quang [11], [12] Phương pháp điều chế NRZ-OOK về cơ bản như phương pháp điều chế NRZ Sử dụng phương pháp điều chế NRZ dễ dàng trên

hệ thống truyền dẫn cáp quang ở một số điểm như: Thứ nhất, nó sử dụng băng thông cho tín hiệu điện là thấp đối với thiết bị thu và phát so với phương pháp điều chế RZ (trở về không); Thứ hai, nó không bị ảnh hưởng bởi nhiễu laser so với phương pháp điều chế PSK (khóa dịch pha), cuối cùng, máy thu của phương pháp điều chế này còn có cấu hình đơn giản

Trong những năm gần đây, truyền dẫn thông tin quang được chú trọng và phát triển tiến tới tốc độ dữ liệu cao nhất, với công nghệ ghép kênh theo bước sóng (DWDM) và khoảng cách truyền dẫn được tăng lên với việc sử dụng các bộ khuếch đại quang, điều chế NRZ không phải lựa chọn tốt nhất cho các hệ thống quang dung lượng cao Tuy nhiên, do sự đơn giản và quá trình phát triển của phương pháp điều chế NRZ, NRZ được đưa ra lựa chọn và so sánh với các phương pháp điều chế khác

Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn NRZ được đưa ra trên Hình 2.1 [11], [17], [19] Khi tín hiệu điện được điều chế với bộ điều chế cường độ bên ngoài về 0 Các

bộ điều chế cường độ có thể là loại Mach-Zehnder hoặc là loại điều chế hấp thụ điện, nó có chức năng chuyển đổi một tín hiệu điện ở OOK (khóa đóng mở) với tốc

độ dữ liệu Rb thành tín hiệu quang ở OOK với tốc độ dữ liệu không thay đổi Khi sử dụng bộ điều chế cường độ Mach-Zehnder, điều chế thường chếch so với điểm vuông góc của xung và nó được điều chuyển từ điểm truyền dẫn thấp nhất đến cao nhất của điện áp chuyển mạch Vπ Mỗi một photodiode được sử dụng tại đầu thu để nhận biết tín hiệu quang NRZ, nó cũng chuyển đổi công suất quang của tín hiệu thành dòng điện Độ rộng xung quang ở mỗi tín hiệu số “1” bằng nghịch đảo tốc độ

dữ liệu Để phát hiện một tín hiệu quang ở NRZ, một diode đơn giản được sử dụng

ở phía thu, nó chuyển đổi năng lượng quang của tín hiệu thành dòng điện Nó còn được gọi là phát hiện trực tiếp Nếu ở đây không đề cập đến như việc phát hiện trực tiếp đó thì phải sử dụng phương pháp điều chế khác

Hình 2.1 Sơ đồ khối của truyền dẫn NRZ

gf

Hình 2.2 Quang phổ của tín hiệu NRZ với tốc độ bít 10 Gbps

2.1.2 Kỹ thuật điều chế RZ-OOK

RZ có nghĩa là “trở về không”, phương pháp điều chế NR-OOK (Non-return on-off-keying) có nghĩa là “trở về không với khóa đóng mở”, do đó độ rộng của tín hiệu quang nhỏ hơn khoảng thời gian bit của nó Thường tín hiệu đồng hồ có tốc độ

dữ liệu bằng tín hiệu điện được sử dụng tốc độ cơ bản RZ có dạng tín hiệu quang Hình 2.3 là sơ đồ khối của truyền dẫn RZ [11], [17] Trước hết, tín hiệu quang NRZ

là điều chế với bộ điều chế cường độ ở bên ngoài như ở Mục 2.1.1 Sau đó, nó còn được điều chế bởi dãy xung đồng bộ với tốc độ dữ liệu bằng tín hiệu điện sử dụng

bộ điều chế cường độ Tín hiệu quang dùng phương pháp điều chế RZ thấy rằng dễ dàng hơn tín hiệu quang dùng phương pháp điều chế RZ thấy rằng dễ dàng hơn tín hiệu quang dùng phương pháp điều chế NRZ Do tính phi tuyến của nó hơn phương pháp điều chế NRZ, với dữ liệu của tín hiệu quang Do đặc tính của “trở về không” của phương pháp điều chế tín hiệu quang dùng phương pháp điều chế tín hiệu quang RZ, một bit “1” được chọn và được tiếp tục tối ưu hóa dữ liệu số “1” Vì vậy việc phân tán tối ưu trong hệ thống, phương pháp điều chế RZ có tính phi tuyến hơn phương pháp điều chế NRZ

Quang phổ của phương pháp điều chế RZ như ở Hình 2.4 So với phương pháp điều chế NRZ, bề rộng quang phổ của nó rộng hơn bởi vì xung của nó hẹp hơn bề rộng Hiệu suất sử dụng quang phổ của phương pháp điều chế RZ phù hợp với một

hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Hình 2.3 Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ [19]

Hình 2.4 Quang phổ của tín hiệu RZ với tốc độ bít 10 Gbps

2.1.3 Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK

Với điều chế cường độ quang, tín hiệu số được mô phỏng bởi mức nguồn quang tức thời Tương tự như vậy, tín hiệu số có thể được mô phỏng bởi pha của truyền tải quang và nó được chuyển tới khóa dịch pha quang (PSK) Thông tin quang ngày nay, do bán dẫn của nguồn Laser còn hạn chế, pha quang không đủ khả năng phối hợp để điều chế pha cơ bản Gần đây việc cải tiến nhanh chóng của nguồn Laser tần số đơn và sử dụng khóa pha quang một cách linh hoạt có thể thực hiện được khóa dịch pha PSK trong hệ thống thông tin quang Hay cụ thể hơn, khóa dịch pha vi phân (DPSK) thường được sử dụng hơn khóa dịch pha

Hình 2.5 (a) là sơ đồ hệ thống truyền dẫn loại NRZ-DSPK [11], [17], [19] Trước đó, khai thác sử dụng điều chế pha bên ngoài, tín hiệu điện NRZ được mã hóa thứ cấp bởi một bộ mã hóa DPSK Tại bộ mã hóa DPSK, dữ liệu NRZ trước tiên được chuyển đổi bởi một cổng NOR và sau đó nó được phối hợp với bit 1 để dịch trễ bởi một cổng XOR Tín hiệu điện được mã hóa DPSK này sau đó được sử dụng đưa đến điều chế pha điện – quang để phát ra một tín hiệu điện quang DPSK Một xung số “1” được điều chế bởi một pha , nó thay đổi liên tục giữa các bit dữ

liệu trong truyền tải quang (carrier), trong khi đó pha không thay đổi giữa các bit dữ liệu trong truyền tải quang đối với xung số “0” Một vấn đề rất quan trọng cấu thành NRZ-DPSK là nguồn tín hiệu quang luôn không thay đổi

Như ở hình 2.5(b), một bit được làm trễ ở bộ điều chế MZI thường được sử dụng như một DPSK phía thu quang MZI thường được sử dụng tương quan mỗi bit với một số bit lân cận và tạo nên sự chuyển đổi pha thành cường độ Bộ điều chế MZI có hai đầu ra, được gọi là cổng xây dựng hay cổng phá hủy theo thứ tự định sẵn Đối với cổng xây dựng, khi hai bit liên tục là pha đầu vào, chúng được thêm vào có tính xây dựng trong bộ điều chế MZI và kết quả tạo thành mức tín hiệu cao, mặt khác, nếu có một pha  khác giữa hai bit, chúng sẽ hủy bỏ nhau trong bộ điều chế MZI và kết quả tạo thành mức tín hiệu thấp Đối với cổng phá hủy, nó là ngược lại Ở đầu thu DPSK thực hiện, cả hai cổng xây dựng và phá hủy của bộ điều chế MZI đều được sử dụng, nó được gọi là phía thu cân bằng Ở đầu thu cân bằng DPSK, một photodiode được sử dụng ở mỗi đầu ra bộ điều chế MZI và khi đó hai dòng quang điện được ghép lại tạo thành mức tín hiệu gấp đôi Ở trong cấu hình này, đầu thu cường độ được cải tiến so với 3dB để chỉ sử dụng cho photodiode tín hiệu đơn ở cổng xây dựng hay chỉ ở cổng phá hủy Ở một đầu vào nào đó mức tín hiệu quang, được tăng thêm trung bình là 1,5dB ở đầu thu Q Trong hệ thống DPSK, vì biên độ tín hiệu chuyển từ “1” thành “-1”, ở trường hợp lý tưởng, khi có

sự lựa chọn tách sóng và một sợi quang phù hợp được sử dụng, đầu thu cường độ là 3dB tốt hơn một hệ thống NRZ-OOK thông thường, khi mà tín hiệu chỉ chuyển đổi

từ “0” thành “1”

Đối với mã NRZ-DPSK, nguồn quang là không thay đổi Mặc dù, dải quang thay đổi giữa “1” và “-1” ( hoặc pha thay đổi giữa “0” và “”) và trung bình giải quang là 0 Kết quả là, không cấu thành contenơ quang trong phổ quang như ở hình 2.6 Đây là sự khác biệt ở quang phổ của NRZ-OOK như ở hình 2.2, khi cấu thành contenơ cỡ lớn