ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CỦA RADIO OVER FIBER BẰNG VIỆC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHẾ MACH ZEHNDER DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADP Avalanche photodiode ASK Amplitude Shift Keying BER Bit Error Ratio BPF Band Pass Filter BS Base Station CATV Community Access Television - Community Antenna Television CDM Code Division Multiplexing CO Central Office CS Central Station CW Continuous Wave DCA Digital Communications Analyzer DEMUX Demultiplexer DPSK Differential Phase Shift Keying DR Dynamic Range DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing E/O Electrical/Optical EAM Electro Absorption Modulator EOM Electro Optic Modulator ER Extinction Ratio FSO Free Space Optical FTTx Fiber To The x GSM Global System for Mobile communications HFR Hybrid Fiber Radio HPA High Power Amplifier IF Intermediate Frequency IM Intensity Modulation IMDD Intensity Modulation with Direct Detection LAN Local Area Network LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LD Laser Diode LED Light Emitting Diode LNA Low Noise Amplifier LiNbO3 Lithium Niobate LO Local Oscillator MAN Metropolitan Area Network MUX Multiplexer MZ Mach Zehnder MZM Mach Zehnder Modulation MZI Mach Zehnder Interferometer NF Noise Figure OOK On - Off Keying OTDM Optical Time Division Multiplexing PD Photodiode PIN Personal Identification Number PON Passive Optical Network RAP Radio Access Point RAUs Radio Access Unit / Remote Antenna Unit RF Radio Frequency RIN Relative Intensity Noise RoF Radio over Fiber SCM Sub-Carrier Multiplexing SDH Synchronous Digital Hierarchy SONET Synchronous Optical Networking SNR Signal to Noise Ratio TDM Time Division Multiplexing UWB Ultra-wideband WAN Wide Area Network WDM Wavelength Division Multiplexing WLAN Wireless Local Area Network ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/63 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu Ngày nay, với phát triển xã hội nhu cầu thông tin liên lạc người điều thiết yếu Bên cạnh phát triển khoa học kỹ thuật, tạo nhiều loại dịch vụ viễn thơng như: thoại, truyền hình, trò chơi trực tuyến… Để có thành tựu phát triển to lớn phải kể đến đời cáp sợi quang kỹ thuật thông tin sợi quang Thông tin quang phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm đầu phát sử dụng để mã hóa thơng tin thành tín hiệu ánh sáng thơng qua kênh truyền để truyền tín hiệu đến đích, đích có đầu thu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu ánh sáng nhận Kênh truyền nói đến cáp sợi quang mơi trường mang thông tin từ điểm đến điểm khác dạng ánh sáng Hình 1-1: Hệ thống thơng tin quang [8] Hình 1-1 biểu thị hệ thống thông tin quang Dữ liệu đầu vào tín hiệu số gửi tới biến đổi ngõ vào, tín hiệu chuyển đổi từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang, nhờ vào phát mà tín hiệu truyền vào mơi trường truyền tin cáp sợi quang sau tín hiệu gửi tới đầu thu biến đổi ngõ Phân tích hiệu suất Radio over Fiber điều chế Mach Zehnder ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/63 từ tín hiệu quang chuyển đổi thành tín hiệu điện khơi phục lại giống với tín hiệu ban đầu Cấu trúc đơn giản hệ thống thơng tin quang mơ tả đơn giản gồm: - Bộ phát quang E/O: có chức chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang sau phát vào sợi quang Khối E/O thường gọi nguồn quang Linh kiện điện tử sử dụng làm nguồn quang LED - LASER Bộ thu quang O/E: có cơng dụng chuyển đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện gốc giống với tín hiệu phát Hiện nay, linh kiện điện tử thường sử dụng để làm chức thu PIN APD chúng - thường gọi linh kiện tách sóng quang Môi trường truyền tin cáp sợi quang Tín hiệu điện ngõ vào Bộ phát quang (E/O) Cáp sợi quang Tín hiệu điện ngõ Bộ thu quang (O/E) Hình 1-2: Cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin quang Để thực truyền dẫn điểm, cần phải có sợi quang Hình 1-2 mơ tả cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin quang đơn hướng Nếu cự ly truyền thông tin dài tuyến lắp thêm nhiều lặp tín hiệu Cấu trúc đơn giản lặp tín hiệu minh họa hình 1-3 Phân tích hiệu suất Radio over Fiber điều chế Mach Zehnder ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/63 Hình 1-3: Cấu trúc đơn giản lặp tín hiệu đơn hướng [1] Trạm lặp: cơng suất tín hiệu quang bị yếu dần truyền sợi quang có suy hao sợi quang Nếu khoảng cách truyền thông tin dài tín hiệu quang khơng đến đầu thu đến đầu thu với công suất thấp đầu thu khơng thể nhận dạng tín hiệu, lúc ta phải sử dụng trạm lặp đường truyền Chức trạm lặp thu nhận tín hiệu quang bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau sửa dạng tín hiệu điện, tín hiệu điện khuếch đại, sau chuyển đổi thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để truyền tới đầu thu Như tín hiệu ngõ vào ngõ trạm lặp tín hiệu quang trạm lặp có khối chuyển đổi quang thành điện điện thành quang Các cửa sổ truyền dẫn: Truyền dẫn sợi quang sử dụng bước sóng có phổ điện từ gần vùng hồng ngoại, phía vùng ánh sáng nhìn thấy khơng thể nhìn thấy mắt Các bước sóng sử dụng truyền dẫn quang điển hình 850 nm, 1310 nm, 1550 nm 1625 nm Laser thường dùng cho bước sóng 1310 nm 1550 nm ứng dụng sợi quang đơn mode LED dùng cho bước sóng 850 nm 1310 nm ứng dụng sợi quang đa mode Dải bước sóng hiểu cửa sổ làm việc mà làm việc tốt Mỗi cửa sổ vị trí trung tâm bước sóng hoạt động bình thường 1.2 Bộ phát quang Bộ phát quang có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu quang đưa tín hiệu quang vào sợi quang để truyền dẫn Sơ đồ khối tổng quát phát quang gồm có nguồn quang, điều chế ghép nối với sợi quang Phân tích hiệu suất Radio over Fiber điều chế Mach Zehnder ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/63 Hình 1-4: Sơ đồ khối thu quang Các nguồn laser bán dẫn (LD) diode phát quang (LED) dùng nguồn quang Tín hiệu quang tạo việc điều biến sóng mang quang Có hai phương thức điều biến: điều biến trực tiếp điều biến Ở phương thức điều biến trực tiếp tín hiệu điện đưa vào để biến đổi dòng bơm trực tiếp nguồn quang thơng qua mạch kích thích mà khơng cần sử dụng điều biến Phương thức điều chế thường hay sử dụng cho hệ thống tốc độ cao Ở nguồn quang thường sử dụng laser diode phát ánh sáng liên tục, tín hiệu điện điều biến sóng mang quang thơng qua điều biến ngồi Có loại nguồn phát ánh sáng sử dụng cho sợi quang: LD LED Mỗi loại có ưu điểm nhược điểm riêng liệt kê bảng sau: Bảng 1-1: Bảng so sánh LED Laser [3] Đặc điểm LED Laser Công suất đầu Thấp Cao Độ rộng phổ Rộng Hẹp Khẩu độ số Lớn Nhỏ Tốc độ Chậm Nhanh Giá Rẻ Đắt Hoạt động dễ dàng Dễ Khó LED thường dùng bước sóng 850 nm 1310 nm, laser dùng chủ yếu bước sóng 1310 nm 1550 nm LED: thường dùng hệ thống có tốc độ liệu thấp hơn, hệ thống sợi đa mode khoảng cách ngắn giới hạn băng thơng vốn có cơng suất đầu thấp Được dùng nhiều ứng dụng có tốc độ liệu cỡ hàng trăm MHz trái ngược với tốc độ liệu laser GHz Phân tích hiệu suất Radio over Fiber điều chế Mach Zehnder ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/63 LD (Laser diode): dùng ứng dụng có khoảng cách truyền dài tốc độ liệu cao Bởi LD có cơng suất đầu lớn LED, có khả truyền thơng tin cự ly xa Do đó, thực tế LD có độ rộng phổ hẹp hơn, đáp ứng truyền đạt băng thông cáp quang khoảng cách dài Truyền dẫn tốc độ cao sử dụng LD mang lại hiệu nhiều nhược điểm đồng thời chi phí đắt theo 1.3 Sợi quang Cấu tạo sợi quang: Hình 1-5: Cấu trúc sợi quang [1] Sợi quang chế tạo gồm có lớp sau: - Lớp lõi có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm - thủy tinh có chiết suất n1 gọi lõi sợi (core) Lớp thứ bên ngồi có dạng hình trụ bao quanh lõi nên gọi lớp vỏ bọc (cladding) có đường kính D = 2b, làm thủy tinh nhựa plastic, có chiết suất n2 < n1 Ánh sáng truyền từ đầu bên đến đầu bên sợi quang cách phản xạ toàn phần mặt ngăn cách lõi lớp vỏ bọc, định hướng lõi Hình 1-6: Cơ chế ánh sáng lan truyền sợi quang [1] Vai trò kênh thơng tin để truyền tải tín hiệu quang từ phát tới thu mà tránh làm méo dạng tín hiệu Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang kênh thơng tin sợi quang thủy tinh truyền dẫn ánh sáng với suy hao nhỏ cỡ 0,2 dB/km Vấn đề nghiêm trọng việc trải rộng xung Phân tích hiệu suất Radio over Fiber điều chế Mach Zehnder ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/63 quang truyền dẫn trường hợp sợi đa mode mức độ dãn xung cỡ xấp xỉ 10 ns/km Do hầu hết hệ thống thông tin quang ngày sử dụng sợi đơn mode có mức độ dãn xung nhỏ nhiều (< 0,1 ns/km) Có loại cáp sợi quang sử dụng hệ thống thông tin quang: - Sợi đa mode chiết suất bậc: có chiết suất khúc xạ biến đổi từ thấp đến cao xuống thấp tính từ lớp vỏ tới lõi quay ngược lại vỏ Thuật ngữ “đa mode” dùng ý nói có nhiều mode làm việc sợi quang Sợi đa mode chiết suất bậc sử dụng ứng dụng yêu cầu tốc độ bit thấp băng rộng (< 1GHz) khoảng cách ngắn (