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

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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ TUẤN LÂM

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

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 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,

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

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 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

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:

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 biến đổi quang - điện…

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

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

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

- 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

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

1.4 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 Trong phép cộng, 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 không phi tuyến 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)

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 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NÂNG 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, RZ-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

2.1.1 Điều chế NRZ-OOK

2.1.2 Điều chế RZ-OOK

2.1.3 Điều chế NRZ-DPSK

2.1.4 Điều chế RZ-DPSK

Như phương pháp điều chế NRZ-DPSK, dữ liệu mã hóa nhị phân là “0” hoặc

là “” như độ dịch pha giữa các bit liền kề Nhưng độ rộng của các xung quang là hẹp hơn khe bit và vì thế, năng lượng tín hiệu quang trở về không ở đỉnh của mỗi khe bit Để phát ra tín hiệu quang RZ-DPSK, bộ điều chế cường độ đã được sử dụng để so sánh với sự phát sinh ra của RZ-DPSK Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ-DPSK như ở hình 2.7 [12]

Hình 2.7 Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ-DPSK

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

2.1.5 Điều chế CS-RZ

2.2 Điều chế dùng phương pháp tách sóng kết hợp

Trong hệ thống thông tin quang kết hợp, tín hiệu quang trước lúc truyền đi

được điều chế biên độ, tần số, hoặc pha của sóng mang quang Về nguyên tắc, có

thể thực hiện được điều chế số và điều chế tương tự; nhưng trong thực tế thì việc

điều chế số cho hệ thống thông tin quang là phổ biến, còn điều chế tương tự ít được

áp dụng Quá trình điều chế, lượng tin của nguồn tin được bảo toàn, chỉ thay đổi

mối tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi Trong các hệ thống

thông tin quang số, có ba dạng điều chế chính là: điều chế khóa dịch biên độ ASK,

điều chế khóa dịch tần FSK và điều chế khóa dịch pha PSK

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

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

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

phân (DPSK)

Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân (DPSK)

Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân DPSK cũng giống như điều chế PSK,

như vậy có thể viết:

s

E t  E c  t  m t 

Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã hóa vì trong DPSK, thông tin được mã

hóa theo sự khác pha giữa hai bit kế tiếp nhau Chẳng hạn như nếu zz thể hiện pha

của bit thứ k thì sự khác pha ở đây sẽ là     k  k1 được thay đổi bởi π và 0 tùy

thuộc vào bit thứ k là bit “1” hay bit “0” Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu