Chương Hệ thống thông tin quang sợi Hệ thống thông tin quang cấu trúc từ ba thành phần sợi quang, thiết bị phát quang thiết bị thu quang Các thành phần nghiên cứu cách độc lập chương trước Trong chương xem xét xem thành phần sử dụng để tạo nên hệ thống thống tin quang Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế tuyến thông tin quang (đơn kênh) có cấu trúc đơn giản chất lượng hệ thống thông tin quang đề cập đến chương Phần cuối chương giới thiệu hệ thống truyền dẫn quang đa kênh làm sở cho môn học nâng cao 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 5.1.1 Tuyến điểm – điểm Các tuyến điểm - điểm hình thành nên hệ thống thông tin quang sợi đơn giản bao gồm phát quang, thu quang đường truyền dẫn sợi quang cho thấy hình 5-1 Các hệ thống thiết lập sở cho cấu trúc hệ thống phức tạp Nguồn thông tin Bộ phát quang Sợi quang Bộ thu quang Người dùng Hình 5-1 Sơ đồ tuyến kết nối điểm – điểm Tùy thuộc vào đặc tính nguồn tin đầu vào phát quang tương tự hay số mà hệ thống phân loại thành hệ thống thông tin quang tương tự hệ thống thông tin quang số Mặc dù loại hệ thống có tính chất yêu cầu đặc thù riêng việc thiết kế tuyến kết nối điểm – điểm cho hệ thống có quy tắc chung cần xem xét Quá trình thiết kế tuyến thông tin quang điểm – điểm nói chung liên quan đến nhiều tham số đặc tính quan hệ với nên việc phân tích thiết kế tuyến thực tế đòi hỏi trình lặp vài lần trước hoàn thành đảm bảo thỏa mãn yêu cầu đặt ra.Vì ràng buộc hiệu chi phí yếu tố quan trọng tuyến thông tin quang sợi nên kỹ sư thiết kế phải lựa chọn cẩn thận thành phần hệ thống để đảm bảo mức hiệu 195 mong muốn trì suốt tuổi thọ dự kiến hệ thống mà không xác định mức đặc tính thành phần Các yêu cầu hệ thống nói chung cần thiết cho việc phân tích tuyến là: - Khoảng cách truyền dẫn (hoặc mong muốn) - Tốc độ liệu độ rộng băng tần kênh truyền - Tỉ số lỗi bít (BER) tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) yêu cầu Để đáp ứng yêu cầu kỹ sư thiết kế cần phải lựa chọn thành phần xem xét đặc tính liên quan sau: - Sợi quang đa mode đơn mode: tham số cần xem xét bao gồm kích thước lõi, mặt cắt chiết suất, độ rộng băng tần tán sắc, hệ số suy hao, độ số đường kính trường mode - Bộ phát quang sử dụng nguồn quang LED laser diode: tham số cần xem xét bao gồm bước sóng phát, độ rộng phổ, công suất phát xạ, diện tích phát xạ hiệu dụng, mẫu phát xạ số lượng mode phát xạ - Bộ thu quang sử dụng PIN APD: tham số cần xem xét bao gồm độ đáp ứng, bước sóng hoạt động, tốc độ độ nhạy thu Thông thường có hai phân tích quỹ công suất quỹ thời gian lên để đảm bảo hiệu yêu cầu Tùy thuộc vào hệ thống thông tin quang số hay tương tự, yêu cầu hiệu khác Đối với hệ thống thông tin quang số yêu cầu hiệu cần đảm bảo tỉ số lỗi bít, hệ thống thông tin quang tương tự yêu cầu hiệu cần đảm bảo tỉ số sóng mang nhiễu Một số vấn đề thiết kế hệ thống đề cập cụ thể phần sau 5.1.2 Hệ thống thông tin quang số Hệ thống thông tin quang số hệ thống phổ biến sử dụng cấu trúc mạng thông tin Trong hệ thống thông tin quang số, định dạng điều chế có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo thu tách thông tin định thời xác từ tín hiệu quang thu Kiểu điều chế sử dụng phổ biến điều chế cường độ (IM) bít nhị phân đặc trưng thay đổi cường độ quang đầu 196 Để đảm bảo khả tách định thời cho trình đồng hệ thống thông tin quang số, mã đường sử dụng Mục đích việc định thời để đồng luồng liệu số đầu thu cho phép lấy mẫu tín hiệu thời điểm mà tỉ số tín hiệu nhiễu đạt cực đại Việc sử dụng mã đường việc đảm bảo dễ tách tín hiệu định thời có chức giảm thiểu lỗi nhờ đưa thêm bit dư vào chuỗi bít liệu Tuy nhiên việc đưa thêm bít dư đồng nghĩa làm tăng tốc độ truyền dẫn liệu hay độ rộng băng tần tín hiệu Nếu độ rộng băng tần lớn đóng góp nhiễu nhiều Do thường có bù trừ khả tách định thời độ rộng băng tần nhiễu mã đường cụ thể Các mã đường sử dụng thông tin quang thường mã nhị phân (2 mức) mã đa mức sử dụng khả dễ dàng điều chế Các mã đường bao gồm mã NRZ (không trở không), mã RZ (trở không) định dạng mã hóa pha (PE) Mã NRZ đơn giản mã NRZ đơn cực có độ rộng băng tần tiêu chuẩn Đối với mã bít liệu chiếm hết chu kỳ bít với tín hiệu quang điều biến theo định dạng bật tắt (OOK) Một cách cụ thể bít đặc trưng xung chiếm hết chu kì bít, bít xung phát cho thấy hình 5-2 Mặc dù mã NRZ có độ rộng băng tần nhỏ mã công suất trung bình vào thu lại phụ thuộc mẫu dữa liệu Do có chuỗi bit kéo dài xảy tượng trôi đường tích lũy đuôi xung sinh từ đặc tính tần số thấp lọc ghép cặp AC thu quang cho thấy hình 5-3 Hiệu ứng gây lỗi thời gian phục hồi ngưỡng gốc ban đầu bị chậm sau chuỗi dài bít Thêm chuỗi dài bit liên tiếp làm thông tin định thời điểm chuyển tiếp mức Để tránh tượng trình trộn liệu sử dụng để đảm bảo phân bố bít chuỗi liệu Chu kỳ bit Hình 5-2 Định dạng mã NRZ 197 Xung đơn đầu vào thu Xung đơn đầu thu Đuôi xung đầu Chuỗi bit vào thu Chuỗi bit thu Ngưỡng định Trôi đường Hình 5-3 Hiện tượng trôi đường Tín hiệu đồng hồ Các điểm chuyển tiếp Hình 5-4 Một số định dạng mã RZ Đối với mã RZ, bít liệu thường chiếm nửa chu kỳ bít nên coi mã hóa thành hai bít mã đường quang Trong phổ mã có chứa thông tin định thời nên dễ dàng tách so với mã NRZ Trong mã RZ đơn cực bit đặc trưng xung quang chiếm nửa chu kỳ bit, bít xung Do xung quang nhỏ nửa so với xung quang mã NRZ nên độ rộng băng tần tín hiệu tăng gấp tốc độ liệu Nhược điểm 198 mã RZ đơn cực thông tin định thời có chuỗi bít kéo dài liên tiếp Để khắc phục nhược điểm mã lưỡng pha hay mã Manchester quang sử dụng cho thấy hình 5-4 Ngoài ra, hệ thống thông tin quang số thường hay sử dụng mã khối mBnB Trong mã khối m bit chuyển đổi thành n bit (n > m) Việc đưa thêm vào bit dư làm tăng băng tần tín hiệu đổi lại cho phép tăng khả tách định thời khả giám sát lỗi, tín hiệu thu không gặp phải vấn đề trôi đường loại bỏ chuỗi bit kéo dài Thông thường giá trị n chẵn để đảm bảo độ lệch số lượng bit từ mã nhỏ (tốt 0) Các tham số mã mBnB bao gồm: tỉ lệ mã n/m, số lượng ký hiệu giống dài (Nmax), giới hạn độ lệch tích lũy (D) lượng phần trăm từ mã n bit không sử dụng Đặc tính số loại mã mBnB điển hình cho bảng 5-1 Bảng 5-1 So sánh số mã mBnB Mã n/m Nmax D W (%) 3B4B 1,33 3 25 6B8B 1,33 3 75 5B6B 1,2 4 28 7B8B 1,14 7 27 9B10B 1,11 11 8 24 Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao nay, mã sửa lỗi trước (FEC) sử dụng để cải thiện hiệu hệ thống Trong kỹ thuật FEC, thông tin dư phát thông tin gốc, liệu gốc bị lỗi thông tin dư sử dụng để khôi phục lại Có nhiều loại mã sửa lỗi phát triển mã chu trình, mã Hamming, Reed-Solomon, mã xoắn mã turbo Trong mã này, mã Reed-Solomon ý hệ thống thông tin quang sợi Các mã Reed-Solomon (RS) có ký hiệu RS(n,m) n với m bít gốc cộng với bít dư Giá trị n chọn để n = 2k – 1, k số nguyên Mã ReedSolomon khuyến nghị ITU cho hệ thống thông tin quang biển sử dụng k = ký hiệu RS(255,239) Lượng mào đầu hay mức độ dư mã 6,7% Nhiều mã RS khác sử dụng với độ dư mã lớn Sự lựa 199 chọn mã phụ thuộc vào mức độ cải thiện BER đòi hỏi để hệ thống hoạt động tin cậy Mức độ cải thiện đặc trưng đại lượng độ lợi mã hóa (theo dB) tương ứng với mức độ cải thiện hệ số chất lượng Q hay SNR sử dụng FEC so với trường hợp không sử dụng Hình 5-5 cho thấy đặc tính số kiểu mã RS khác Hình 5-5 Độ lợi mã số kiểu mã RS để cải thiện hiệu hệ thống 5.1.3 Hệ thống thông tin quang tương tự Hệ thống thông tin quang tương tự sử dụng mạng truyền hình cáp (CATV) hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang (RoF) Hình 5-6 cho thấy phần tử hệ thống thông tin quang tương tự Bộ phát quang sử dụng nguồn LED LD cần ý xác định điểm định thiên để đảm bảo điểm vùng điều biến tuyến tính Tín hiệu tương tự sau điều biến sử dụng số kỹ thuật kỹ thuật đơn giản điều biến cường độ trực tiếp Như tín hiệu tin phát trực tiếp băng gốc Một phương pháp hiệu phức tạp chuyển dịch tín hiệu băng gốc lên sóng mang điện trước điều biến cường độ nguồn quang Quá trình thực qua số kỹ thuật điều biến biên độ (AM), điều tần (FM) điều pha (PM) Đối với trình điều biến tín hiệu tương tự, số vấn đề cần ý méo phi tuyến điều chế, nhiễu điều biến tương hỗ, nhiễu cường độ tương đối (RIN) laser hiệu ứng xén laser 200 Hình 5-6 Các phần tử hệ thống thông tin quang tương tự Đối với kênh sợi quang, ảnh hưởng tán sắc gây phụ thuộc biên độ, pha độ trễ nhóm vào tần số nên phải đảm bảo băng tần tín hiệu truyền qua sợi có đáp ứng trễ nhóm biên độ phẳng để tránh méo tuyến tính Trong phân tích hiệu hệ thống tương tự, ta thường tính tỉ lệ công suất sóng mang hiệu dụng công suất nhiễu hiệu dụng đầu vào thu RF tiếp sau trình tách sóng quang Tham số gọi ngắn gọn tỉ lệ sóng mang nhiễu (Carrier to noise ratio - CNR) Đối với liệu số sử dụng khóa dịch tần (FSK), biên độ sóng mang trì không đổi pha song mang dịch từ tần số đến tần số khác để đặc trưng cho tín hiệu nhị phân Để đáp ứng yêu cầu BER 10-9 10-15 trường hợp cần giá trị CNR tối thiểu 36 (15.6 dB) 64 (18 dB) tương ứng Đối với liệu tương tự, phân tích phức tạp phụ thuộc vào mức độ cảm nhận chất lượng tín hiệu người sử dụng, ví dụ xem hình ảnh truyền hình Nếu sử dụng điều chế biên độ (AM) đòi hỏi CNR cỡ 56 dB nhu cầu cho hiệu băng thông dẫn đến tỉ lệ CNR cao Nhưng điều chế tần số (FM) yêu cầu CNR cỡ 15 – 18 dB Trong hệ thống có N yếu tố gây suy giảm tín hiệu, tỉ số CNR tổng xác định N 1  CNR i 1 CNRi (5.1) CNRi tỉ số CNR cho yếu tố ảnh hưởng cụ thể Đối với hệ thống đơn kênh, yếu tố suy giảm bao gồm thăng giáng nhiễu cường độ, hiệu ứng cắt xén cường độ laser, nhiễu diode thu quang nhiễu ASE Đối với hệ thống đa kênh hoạt động tần số sóng mang khác nhau, thêm ảnh hưởng méo phi tuyến 201 Hình 5-7 Quá trình điều chế laser tín hiệu tương tự Quá trình điều biến trực tiếp tín hiệu tương tự mô tả hình 5-7 Ở dòng kích thích nguồn quang bao gồm thành phần dòng định thiên chiều IB dòng xoay chiều tín hiệu tương tự 𝐼𝑑 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝑠 Nguồn quang hoạt động linh kiện quy luật bình phương, công suất quang đầu 𝑃(𝑡) có dạng giống dòng kích thích vào điểm định thiên độ lớn dòng tín hiệu xác định thích hợp đảm bảo biến đổi dòng nằm vùng tuyến tính đường đặc tính P-I nguồn quang Nếu giả sử tín hiệu kích thích tương tự ký hiệu 𝑠(𝑡) công suất quang đầu xác định P(t )  PB 1  ms(t ) (5.2) PB công suất quang đầu mức dòng định thiên m số điều chế Theo đại lượng công suất quang, số điều chế xác định m Ppeak PB (5.3) Ppeak giá trị mức công suất quang đỉnh đầu Giá trị điển hình m hệ thống tương tự nằm dải 0,25 đến 0,5 202 Đối với tín hiệu tương tự thu dạng sóng sin, công suất sóng mang C đầu thu (đơn vị A2) C mMP  (5.4)  đáp ứng diode thu quang M = 1, M hệ số khuyeechs đại dòng diode thu quang (M = cho PIN), 𝑃 công suất quang thu trung bình Trong trường hợp hệ thống đơn kênh AM, tỉ số CNR tổng cộng xác định cụ thể từ (5.1)  P2  T2  RIN 1 1       CNR CNRP CNRT CNRRIN C C C (5.5) hay viết lại C C  2 N  P   T2   RIN (5.6) 𝐶𝑁𝑅𝑃 , 𝐶𝑁𝑅𝑇 𝐶𝑁𝑅𝑅𝐼𝑁 tỉ số CNR thành phần bị ảnh hưởng nhiễu diode thu quang (gồm chủ yếu nhiễu nổ nhiễu dòng tối), nhiễu nhiệt tiền khuyếch đại nhiễu RIN tương ứng Phương sai hay độ lớn thành phần nhiễu gồm 2𝑃 , 2𝑇 xác định chương Đối với nhiễu RIN, dòng nhiễu trung bình bình phương 2𝑅𝐼𝑁 xác định  RIN  RIN P B (5.7) RIN tỉ lệ nhiễu công suất tín hiệu đo theo dB/Hz định nghĩa RIN  PL 2 ∆𝑃𝐿 (5.8) PL2 đặc trưng cho độ thăng giáng cường độ trung bình bình phương đầu laser 𝑃𝐿 cường độ ánh sáng laser trung bình Nhiễu giảm tăng cường độ dòng bơm cho laser Từ (5.7) (4.71)-(4.72), tỉ số sóng mang nhiễu (5.6) viết lại thành   C mMP  N RIN P  B  2qI p  I d M FA B  4k BT RL BFn (5.9) 203 Tùy thuộc vào mức công suất quang vào thu, hệ thống hoạt động điều kiện giới hạn khác Khi mức công suất quang thu thấp, tỉ số CNR bị giới hạn nhiễu nhiệt Trong trường hợp công suất quang thu thay đổi dB CNR thay đổi khoảng dB Ở mức công suất quang trung bình nhiễu dòng tối PD nhỏ CNR bị giới hạn nhiễu nổ PD Trong trường hợp này, tỉ số CNR thay đổi dB mức công suất quang biến đổi dB Ở mức công suất quang thu cao tỉ số CNR bị giới hạn RIN, tỉ số CNR cải thiện tăng số điều chế Hình 5-8 cho thấy dạng biến đổi CNR theo mức công suất quang thu Tuy nhiên cần lưu ý yếu tố giới hạn biến đổi nhiều phụ thuộc vào đặc tính phát thu cụ thể Hình 5-8 Sự phụ thuộc tỉ số CNR vào mức công suất quang thu 5.2 Cơ sở thiết kế hệ thống Để thiết kế hệ thống thông tin quang ta cần phải hiểu rõ xác định yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Các yếu tố cần xem xét suy hao, tán sắc tính phi tuyến sợi quang Vì tham số đặc tính sợi quang phụ thuộc vào bước sóng, nên thiết kế ta cần xem xét lựa chọn bước sóng hoạt động hệ thống cho phù hợp Trong hệ thống thông tin quang số, vài tham số hệ thống thường xác định trước thiết kế tốc độ bit B cự ly truyền dẫn L Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin quang phải đảm bảo hệ thống hoạt động 204 Hình 5-11 Công suấ t giảm nhiễu mode Tham số M là tổ ng số mode ̣c mà công suấ t của nó vươ ̣t quá 10% công suấ t đỉnh 5.3.2 Bù công suất nhiễu phần mode Nhiễu phần mode (MPN) sinh từ laser bán dẫn đa mode Hiê ̣n tươ ̣ng này xảy không tương quan că ̣p mode ̣c Mặc dù tổng công suất quang phát không đổi, MNP làm cho cường độ mode bị thăng giáng tương đối lớn Khi tán sắc s ợi quang, MNP không ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống tấ t cả các mode vẫn đươ ̣c trì đồ ng bô ̣ suố t quá trình truyề n dẫn và tách sóng quang Tuy nhiên thực tế , ảnh hưởng tán sắc vận tốc nhóm, mode lan truyền với vận tốc khác trở nên không đồng Điều gây nên thăng giáng dòng quang điện thu dẫn đến suy giảm SNR Để trì chất lượng hệ thống (đạt BER yêu cầu MNP), lượng công suất cần phải bù để tăng SNR hệ thống Ảnh hưởng MPN đến chất lượng hệ thống nghiên cứu nguồn laser bán dẫn đa mode nguồn laser gần đơn mode Trong trường hợp laser bán dẫn đa mode, mức thiệt thòi công suất MNP gây tính theo công thức sau:   mpn  5 log10 1  Q rmpn (5.22) Trong rmpn mức nhiễu tương đối công suất thu có MPN xác định qua mô hình đơn giản sau 213  rmpn  k    exp  BLD    (5.23) với σλ độ rộng RMS mode k hệ số cạnh tranh mode liên hệ với hệ số tương quan chéo γcc theo 𝑘 = − 𝑐𝑐 Giá trị k xác định khoảng 01 Rất khó xác định giá trị k giá trị khác nguồn laser khác Các phép đo thực nghiệm cho thấy giá trị k thường nằm khoảng 0,6-0,8 khác cặp mode Có thể dùng phương trình (5.22) (5.23) để tính toán mức độ thiệt thòi công suất MPN gây Hình 5-12 cho thấy độ thiệt thòi công suất BER 10-9 (Q = 6) hàm tham số tán sắc chuẩn hóa BLDσλ vài giá trị k Quan sát hình 5-12 ta thấy, giá trị cho k, δmpn tăng nhanh theo BLDσλ đạt giá trị vô BLDσλ đạt đến giá trị tới hạn Với k > 0,5, độ thiệt thòi công suất lớn BLDσλ lớn 0,15 Tuy nhiên, độ thiệt thòi giảm xuống tới mức không đáng kể (δmpn < 0,5 dB) hệ thống thông tin quang thiết kế cho BLDσλ < 0,1 Hình 5-12 Độ thiệt thòi công suất MPN gây phụ thuộc BLDσλ nguồn laser bán dẫn đa mode có độ rộng phổ hiệu dụng σλ Các đường cong khác tương ứng với giá trị khác hệ số phân bố mode k 5.3.3 Bù công suất dãn xung tán sắc Hầu hết hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đơn mode có tán sắ c vận tốc nhóm giới hạn tích BL phân tích chương Bên cạnh đó, 214 dãn xung tán sắc gây làm suy giảm độ nhạy thu Sự dãn xung tán sắc ảnh hưởng tới hiệu thu theo hai cách sau: - Thứ nhấ t, mô ̣t phầ n lươ ̣ng xung bị trải rộng khỏi khe bit cấp phát gây giao thoa giữa các ký tự (ISI) - Thứ hai, lươ ̣ng xung khe bit bi ̣giảm xung quang bi ̣dañ rộng Điều làm giảm SNR mạch định Để trì chấ t lươ ̣ng của ̣ thố ng theo yêu cầ u thi SNR cần trì mức xác định, công suấ t trung bin ̀ h thu đòi hởi phải lớn Đây chiń h nguồn gốc thiệt thòi công suấ t giañ xung gây (δd) Việc tính toán xác giá trị d công việc khó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ dạng xung thu Trong trường hợp đơn giản giả sử xung có dạng Gauss, độ thiệt thòi công suất δd (tính theo dB ) đươ ̣c tính theo công thức sau:  d  10 log10 f b (5.24) Trong đó fb hệ số dãn xung Đối với hệ thống thông tin quang sợi thiết kế sử dụng nguồn quang băng rộng fb đươ ̣c xác định theo công thức sau  f b      DL     1/ (5.25) Với σλ độ rộng phổ hiệu dụng (rms) nguồn quang giả định có phân bố Gauss σ0 độ rộng xung hiê ̣u du ̣ng (rms) phát quang liên hệ với chu kỳ độ rộng dc xung RZ 40 = 𝑑𝑐 𝑇𝑏 , 𝑇𝑏 = 1/𝐵 độ rộng khe bit tốc độ B xác định Sử dụng 0 = 𝑑𝑐 (4𝐵) vào (5.25) sử dụng (5.24), độ thiệt thòi công suất   d  log10  4BLD  d c 2  (5.26) Đối với hệ thống khoảng cách lớn thiết kế sử dụng nguồn quang phổ hẹp xung chirp tần, độ thiệt thòi công suất xác định   d  log10  8 B L d c2   (5.27) Hình 5-13 cho thấy độ thiệt thòi công suất hàm tổ hợp tham số  = 2 𝐵2 𝐿 cho ba giá trị dc Mặc dù độ thiệt thòi bỏ qua giá trị 215  < 0,05 dc > 0,5 tăng nhanh theo  lớn dB  = 0,1 dc = 0,5 Do quan trọng để giữ  nhỏ 0,1 Hình 5-13 Độ thiệt thòi công suất tán sắc gây phụ thuộc  = 2 𝐵2 𝐿 ba giá trị chu kỳ độ rộng xung luồng bit RZ 5.3.4 Bù công suất chirp tần Hiện tượng chirp tần xung quang sinh từ điều chế trực tiếp nguồn laser bán dẫn tăng cường dãn xung tán sắc sợi làm suy giảm chất lượng hệ thống đề cập chương Việc tính toán xác độ thiệt thòi công suất chirp gây (δc) không dễ dàng chirp tần số phụ thuộc vào dạng độ rộng xung quang Trong trường hợp xung dạng Gauss chirp tuyến tính, độ thiệt thòi công suất ước tính qua hệ số dãn xung có chirp (5.24) với 𝑇0 = 2𝑑𝑐 (4𝐵) sau   c  log10 1  8C B L d c2   8 B L d c2  2  (5.28) 216 Hình 5-14 Công suất giảm chirp gây hàm B2L vài giá trị tham số chirp C Hình 5-14 cho thấy độ thiệt thòi công suất chirp gây hàm 𝛽2 𝐵2 𝐿 cho vài giá trị hệ số chirp C với dc = Tham số 2 lấy giá trị âm trường hợp hệ thống thông tin quang hoạt động vùng bước sóng 1,55m Đường cong C = tương ứng với trường hợp xung chirp Độ thiệt thòi công suất bỏ qua (