Đang tải... (xem toàn văn)
(Ky thuat Radio over fiber)
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Chương KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER 1.1 Radio over Fiber – Định nghĩa 1.1.1 Định nghĩa RoF phương pháp truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến điều chế sợi quang RoF sử dụng tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn tín hiệu RF (analog) đến trạm thu phát 1.1.2 Các thành phần tuyến quang sử dụng RoF • Mobile Host (MH): thiết bị động mạng đóng vai trị thiết bị đầu cuối Các MH điện thoại động, máy tính xách tay có tích hợp chức năng, PDA, hay máy chun dụng khác có tích hợp chức truy nhập vào mạng khơng dây • Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vơ tuyến nhận từ CS đến MH, nhận sóng vơ tuyến nhận từ MH truyền CS Mỗi BS phục vụ microcell BS khơng có chức xử lý tín hiêu, đơn biến đổi từ thành phần điện/quang ngược lại để chuyển nhận từ CS BS gồm thần phần quan trọng antenna thành phần chuyển đổi quang điện tần số RF Tùy bán kính phục vụ BS mà số lượng BS để phủ sóng vùng nhiều hay Bán kính phục vụ BS nhỏ (vài trăm mét thấp vài chục mét) phục vụ số lượng vài chục đến vài trăm MH Trong kiến trúc mạng RoF BS phải đơn giản (do khơng có thành phần) • Central Station (CS): trạm xử lý trung tâm Tùy vào khả kỹ thuật RoF mà CS phục vụ BS xa hàng chục km, nên CS nối đến hàng ngàn BS Do kiến trúc mạng tập trung nên tất chức Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber định tuyến, cấp phát kênh,… thực chia CS nói CS thành phần quan trọng mạng RoF (cũng giống tổng đài mạng điện thoại) CS nối đến tổng đài, server khác • Một tuyến quang nối BS CS nhằm truyền dẫn tín hiệu chúng với Các thành phần mạng biểu diễn hình vẽ 1.1 1.1.3 Tuyến RoF Một tuyến RoF có kiến trúc hình bao gồm thành phần biến đổi sóng vơ tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vơ tuyến, tuyến quang (song hướng hay đơn hướng) Các thành phần thuộc kiến trúc RoF khơng có chức quang ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến, chức xử lý giao tiếp CS thuộc phần mạng ta không xét Kỹ thuật RoF khảo sát bao gồm tất kỹ thuật phát truyền dẫn sóng radio từ CS tới BS sợi quang ngược lại O/E CS MOBILE M H BS SOURCE E/O E/ O Am O/ E MOBILE Hình 1.1 CS – BS – MH microcell kiến trúc RoF Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber 1.2 Xu mạng truy nhập vô tuyến chuyển sang băng tần milimet 1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến Mạng truy nhập vô tuyến chia làm loại vô tuyến di động (mobile) mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… vô tuyến cố định (fixed) WiFi Trong mạng người ta ý đến yếu tố băng thơng tính di động So với mạng cố định mạng mobile có tính di động cao bù lại băng thơng lại thấp ví dụ WiFi đạt tới tốc độ 108Mbps mạng 3G xu hướng đạt 2Mbps cịn mạng WiMax có tốc độ cao hơn, tính di động cao cịn giai đoạn thử nghiệm nhờ sử dụng kỹ thuật tiên tiến Như ta thấy xu hướng mạng vơ tuyến ngày tính di động băng thông ngày tăng để đạt mạng băng thông rộng 1.2.2 Sự kết hợp sợi quang vô tuyến Để đạt mạng băng thông rộng, ngày công nghệ truy nhập vô tuyến hướng dần kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho thiết bị mạng Trong để tăng băng thơng người ta áp dụng kỹ thuật truy nhập tiên tiến CDMA, OFDM,… có xu hướng, a giảm kích thước cell lại để tăng số user lên số lượng trạm thu phát tăng lên theo, b chuyển sang hoạt động băng tần microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh chồng lấn phổ với băng tần sẵn có mở rộng băng thơng Hai xu hướng có tác động qua lại cách chặt chẽ Đối với băng tần mm ngồi ưu điểm như: kích thước ănten nhỏ, băng thơng lớn, nhiên ở tần số mm suy hao khơng gian lớn Suy hao không gian biểu diễn công thức sau: LdB = 32 + 20 log f + 20 log d (1.2.1) f tần số tính MHz cịn d khoảng cách tính km Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Dựa vào công thức ta thấy tần số tăng lên lần bán kính phủ sóng trạm thu phát bị giảm nhiêu lần Đối với băng tần mm (26Ghz – 100Ghz) lúc ta thấy suy hao lớn Ở băng tần 60GHz người ta cố gắng để trạm thu phát (Base Station) có bán kính phục vụ vòng 300m gọi microcell Ta thử làm tốn tính số lượng trạm thu phát bán kính phục vụ 10km với giả sử trạm thu phát phục vụ microcell: Diện tích microcell S microcell ≈ πr = π × 300 ≈ 300.000m Diện tích vùng phủ sóng S = π × 10000 = 300.000.000m Số lượng microcell n = 1000 trạm Số lượng microcell tăng nhanh bán kính tăng (tỉ lệ thuận với bình phương bán kính) Với số lượng BS lớn rõ ràng giá thành BS vấn đề phải giải toán kinh tế Để giảm giá thành cho BS người ta a cấu trúc BS thật đơn giản b đưa kiến trúc mạng tập trung Với kiến trúc mạng tập trung, chức xử lý tín hiệu, định tuyến, chuyển giao, định tuyến,… thực trạm trung tâm CS (Central Station), CS phục vụ nhiều BS tốt, nhờ kiến trúc tập trung rõ ràng BS thật đơn giản, nhiệm vụ chúng cịn phát tín hiệu vơ tuyến nhận từ CS chuyển tín hiệu nhận từ MH (mobile host) CS So với BTS mạng cellular tìm hiểu chương BS có chức đơn giản nhiều ngồi chức thu phát sóng thơng thường BTS có thêm chức xử lý tín hiệu (giải điều chế truyền BSC luồng T1/E1 nối cáp quang hay vô tuyến) Để kết nối CS với BS, người ta sử dụng sợi quang với ưu điểm thay băng thơng lớn suy hao bé, sợi quang truyền tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km Các kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vơ tuyên từ CS tới BS ngược lại gọi kỹ thuật RoF Cịn mạng truy nhập vơ tuyến dựa kỹ thuật RoF gọi mạng truy nhập vô tuyến RoF mà ta gọi tắt mạng RoF Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber 1.2.3 Các đặc điểm quan trọng mạng RoF • Các chức điều khiển ấn định kênh, điều chế, giải điều chế tập trung CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc BS Các BS có chức chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF chuyển đổi điện quang • Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả cấu hình tài nguyên cấp băng thơng động (thành phần sử dụng băng thông thành phần khác băng thông thực rỗi) cho phép sử dụng băng thơng hiệu Hơn nhờ tính tập trung nên khả nâng cấp quản lý mạng đơn giản • Do cấu trúc BS đơn giản nên ổn định cao quản lý số BS trở nên đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn • Đặc biệt kỹ thuật RoF suốt với giao diện vô tuyến (điều chế, tốc độ bit,…) giao thức vơ tuyến nên mạng có khả triển khai đa dịch vụ thời điểm • Nếu khắc phục nhược điểm RoF CS phục vụ BS xa, tăng bán kính phục vụ CS 1.3 Kỹ thuật RoF – Mở đầu 1.3.1 Giới thiệu truyền dẫn RoF Không giống với mạng truyền dẫn quang thông thường, tín hiệu truyền thường dạng số, RoF hệ thống truyền tín hiệu tương chuyển tải tín hiệu dạng vô tuyến từ CS tới BS ngược lại Thực tế tín hiệu truyền dẫn dạng vô tuyến RF hay tần số trung tần IF hay băng tần gốc BB Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB có thêm thành phần để đưa từ tần số BB hay IF lên dạng RF BS Trong trường hợp lý tưởng ngõ tuyến RoF cho ta tín hiệu giống ban đầu Nhưng thực tế tác động tượng phi tuyến, đáp ứng tần số có hạn laser tượng tán sắc sợi quang mà tín hiệu ngõ bị sai khác so với ngõ vào gây số giới hạn truyền dẫn tốc độ, cự ly tuyến Hiện tượng nghiêm trọng Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber tuyến RoF tín hiệu truyền có dạng analog, yêu cầu độ xác cao so với hệ thống truyền dẫn số Đây khó khăn triển khai kỹ thuật RoF mà phần đề cập đến 1.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn RoF Hình 1.2 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang Hình vẽ 1.2 giới thiệu cách truyền sóng vơ tuyến sợi quang đơn giản Đầu tiên, tín hiệu liệu điều chế lên tần số vơ tuyến RF Tín hiệu tần số RF đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền Ở đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản điều chế trực tiếp Như vậy, sóng vô tuyến điều chế lên tần số quang, sử dụng tần số quang để truyền 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 tần số RF Một lọc thơng thấp phía cuối đầu thu nhằm lọc nhiễu gây đường truyền Cường độ trường điện từ E(t) sợi quang biểu diễn công thức sau đây: E (t ) = S RF (t )e jωopt +ϕ (1.3.1) Trong SRF(t) tín hiệu cần truyền tần só vơ tuyến chưa điều chế, ωopt tần số quang φ góc pha tín hiệu quang 1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Để truyền tín hiều RF sợi quang người ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ Tức sóng quang có cường thay đổi theo cường độ tín hiệu RF Có phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF sợi quang phương pháp điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp (2) điều chế (3) điều chế trộn nhiều ánh sang kết hợp(heterodyne) Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn laser phát điều khiển trực tiếp cường độ dòng điện tín hiệu RF Ưu điểm phương pháp đơn giản rẻ tiền ứng dụng rộng rãi mạch phát laser Tuy nhiên, đáp ứng laser, tần số RF điều chế bị hạn chế tầm 10GHz Có số laser hoạt động tầm cao 40Ghz có giá thành mắc khơng phổ biến thị trường Phương pháp điều chế phương pháp sử dụng nguồn sáng chưa điều chế kết hợp với điều chế cường độ nguồn quang Ưu điểm phương pháp cho phép điều chế tần số cao so với phương pháp điều chế trực tiếp Tuy nhiên suy hao chèn phương pháp lớn nên hiệu suất khơng cao Phương pháp cuối cùng, tín hiệu RF điều chế sang dạng quang phương pháp heterodyne, trộn sóng ánh sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên miền quang Hai phương pháp thảo luận phần sau 1.4 Cấu hình tuyến RoF Như ta biết, mục tiêu mạng RoF để cấu trúc BS đơn giản tốt Các thành phần mạng chia sẻ tập trung CS Vì mà cấu hình tuyến RoF định thành cơng mạng RoF Ở đây, có cấu hình tuyến thường sử dụng hình 1.3 Trên thực tế có nhiều cải tiến để hồn thiện cấu hình phù hợp với yêu cầu thực tế Điểm chung cấu hình ta thấy cấu trúc BS khơng có điều chế hay giải điều chế Chỉ có CS có thiết bị đó, nằm Radio modem BS có chức đơn giản để có cấu trúc đơn giản Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Hình 1.3 Các cấu hình tuyến RoF Ở tuyến downlink từ CS tới BS, thông tin điều chế thiết bị “Radio modem” lên tần số RF, IF hay giữ nguyên BB (base band) Sau chúng điều chế lên miền quang LD truyền Nếu sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp ta truyền tín hiệu tần số IF hay BB Cịn truyền tần số Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber RF băng tần mm điều chế ngồi sử dụng Tín hiệu quang điều chế truyền qua sợi quang với suy hao nhỏ nhiễu thấp tới BS Ở BS, tín hiệu băng tần RF, IF hay BB khôi phục lại PD (tách sóng trực tiếp) Tín hiệu khôi phục đẩy lên miền tần số RF xạ không gian anten BS tới MH Chức giải điều chế khôi phục thông tin thực MH Ở cấu hình a, chuyển đổi tần số nằm CS nên cấu trúc BS đơn giản, bao gồm 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 tán sắc lớn khoảng cách từ CS đến BS ngắn, khoảng vài km Tương tự cho cấu hình b,c cấu trúc BS phức tạp có thêm chuyển đổi tần số BB/IF/RF bù lại khoảng cách từ CS đến BS lại xa so với cấu hình a nhiều Cấu hình d sử dụng cho trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) cấu hình IF over Fiber truyền sợi quang Với tần số thấp nên điều chế ngồi khơng cần sử dụng Điều giúp làm giảm giá thành CS BS có cấu trúc tương đối phức tạp Cấu hình sử dụng truyền sóng IF với phương pháp điều chế trực tiếp Hiện có nhiều nghiên cứu kỹ thuật phát truyền sóng mm, bao gồm phát quang điều chế sóng RF với nhiễu pha thấp khả hạn chế tượng tán sắc sợi quang Trong mạng RoF, người ta sử dụng kỹ thuật sau để phát truyền dẫn sóng milimet tuyến quang Điều chế trộn nhiều sóng quang Điều chế Kĩ thuật nâng hạ tần Bộ thu phát quang Ta tìm hiểu kỹ thuật phần 1.5 Kĩ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne) Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang truyền đồng thời chúng có tính quan hệ với tới đầu thu Và số chúng kết hợp với (được gọi tích với nhau) tạo tín hiệu vơ tuyến ban đầu Ví dụ tín hiệu quang phát băng tần chung quanh bước sóng 1550nm có khoảng cách nhỏ 0.5nm Tại đầu thu, kết hợp sóng quang kỹ thuật heterodyne tạo tín hiệu điện tần số 60Ghz ban đầu mà ta cần truyền Sơ đồ khối phía thu kỹ thuật mơ tả hình 1.4 Beam combiner Receiver optical signal Detector Electronics ωLO Electrical bit stream Local oscillator Hình 1.4 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 1.5.1 Nguyên lý Cường độ tín hiệu quang dạng phức có dạng: Es = As exp[ − i ( ω s t + ϕ s ) ] (1.5.1) Trong ωs tần số sóng mang, As biên độ φs pha tín hiệu Tương tự cường độ tín hiệu tham chiếu có dạng [ Eref = Aref exp − i (ωref t + ϕ ref )] (1.5.2) với Aref, ωref, φref biên độ, tần số pha tín hiệu tham chiếu Trong trường hợp ta giả sử tín hiệu gốc tín hiệu tham chiếu phân cực giống để chúng kết hợp PD đầu thu Như ta biết rằng, công suất thu PD có dạng P = K E s + Eref K gọi số tỷ lệ PD 10 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Tuy nhiên nhược điểm phải đồng pha lẫn tần số cho sóng tín hiệu lẫn sóng tham chiếu Điều thực vịng khóa pha quang • Nếu ωs ≠ gọi kỹ thuật heterodyne: I ( t ) = RP( t ) = I ref + R Ps Pref cos( ω0 t + ∆ϕ ) (1.5.7) Khi thành phần heterodyne là: I het ( t ) = R Ps Pref cos( ω 0t + ∆ϕ ) (1.5.8) Lúc thành phần tín hiệu đại diện biên độ, tần số pha sóng mang IF So với kỹ thuật homodyne kỹ thuật có tỉ số SNR nhỏ 3dB chứa thành phần cos Tuy nhiên kỹ thuật không cần thiết phải có vịng khóa pha phức tạp nên thực đơn giản so với homodyne Kỹ thuật heterodyne sử dụng kết hợp với phương pháp điều chế ASK, PSK, FSK phía phát sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay tách sóng đường bao phía thu thành phần tín hiệu Ihet sau tách sóng mang đầy đủ thông tin cường độ, tần số pha 1.5.2 Nhiễu Các công thức viết chương 1.5.1 công thức áp dụng điều kiện lý tưởng Trên thực tế có nhiều tượng, nguyên nhân tuyến truyền dẫn linh kiện khiến cho chất lượng tín hiệu thu khơng mong muốn Trong phần ta tìm hiểu nguyên nhân biện pháp để thiện chúng • Nhiễu pha Một nguồn nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống thơng tin quang cohenrent nhiễu pha gây laser phát hay nguồn dao động nội Nhiễu pha hình thành nhiều nguyên nhân không ổn định tần số phát laser, tượng chirp, pha không ổn định thiết bị phát,… Dựa vào công thức: (1.5.7)→ I ( t ) = I ref + R Ps Pref cos(ϕ s − ϕ ref ) cho homorodyne 12 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber (1.5.8)→ I ( t ) = RP( t ) = I ref + R Ps Pref cos(ω0 t + ϕ s − ϕ ref ) cho heterodyne Ta thấy thay đổi pha nguồn phát φs hay giao động nội φref dẫn tới khơng ổn định dịng điện thu ngõ tách sóng dẫn tới suy giảm SNR Để hạn chế tượng nhiễu pha, người ta cần dùng kỹ thuật để giữ ổn định pha φs nguồn laser pha φref nguồn dao động nội Nhiễu pha gây bề rộng phổ laser Bề rộng phổ Δv nhỏ nhiễu pha hạn chế Vì người ta thường sử dụng laser DFB để làm nguồn phát Vì ngày bề rộng phổ laser DFB nằm mức 1MHz • Mất phối hợp phân cực (polarization mismatch) Trong tách sóng quang trực tiếp (như photodiode) biết phân cực tín hiệu quang khơng đóng vai trị dịng điện thu phụ thuộc vào số photon tia tới Tuy nhiên thu cohenrent, hoạt động chúng phụ thuộc vào phối hợp phân cực dao động tín hiệu thu Xem lại cơng thức 1.5.1 1.5.2 ta thấy rằng, công thức trường Es ELO ta ta giả sử phối hợp phân cực nên ta công thức nêu Gọi ês êLO véctơ đơn vị hướng phân cực tín hiệu Es ELO rõ ràng cơng thức phải nhân thêm thành phần cosθ, θ thành phần góc pha ês êLO Trong trường hợp lý tưởng ta phân tích thành phần θ cho 00, thay đổi góc pha θ tác động đến thu Trong trường hợp đặc biệt góc θ = 900 tín hiệu bị triệt tiêu hồn tồn cosθ = 0, fading hồn tồn (complete fading) Như thay đổi θ dẫn đến suy giảm SNR gây thay đổi BER tín hiệu thu Trạng thái phân cực vectơ êLO tín hiệu phát từ dao động nội phụ thuộc vào laser phát dao động nội thường cố định Tuy nhiên trạng trái phân cực vectơ ês tín hiệu thu khơng vậy, trước bị tác động hiệu ứng sợi quang ví dụ tượng tán sắc phân cực mode (PMD), tượng birefringence fluctuations gây nên thay đổi môi trường (nhiệt độ, không đồng vật lý sợi, …) • Tán sắc (fiber dispersion) 13 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Ta biết tán sắc ảnh hưởng lớn hệ thống thông tin quang khắc phục nhiều phương pháp Đặc biệt, hệ thống thông tin quang cohenrent tượng tán sắc ảnh hưởng cịn nghiêm trọng Nó làm giảm cấp tín hiệu cách nhanh chóng đường truyền Trong thơng tin quang cohenrent người ta hạn chế tượng cách sử dụng laser có bề rộng phổ nhỏ Hạn chế tối đa tượng chirp Và đặc biệt kỹ thuật bù tán sắc cân điện tử tần số IF 1.5.3 Nhận xét Mặc dù kỹ thuật optical homorodyne có nhiều ưu điểm phải trì đồng pha tần số Điều thực vịng khóa pha, nhiên làm tăng giá thành BS chúng phải trang bị laser ổn định phải có vịng khóa pha Điều khơng có lợi mạng RoF nên người ta không sử dụng kỹ thuật để truyền dẫn sóng mm So với homorodyne kỹ thuật heterodyne có tỉ số SNR nhỏ 3dB so với công suất tới (do chứa thành phần cos) Nhưng kỹ thuật yêu cầu đơn giản dao động laser khơng thiết phải tần số với sóng tới pha cần lệch lượng không đổi Nhờ mà BS cấu trúc đơn giản hơn, không cần sử dụng vịng khóa pha quang Tuy nhiên, khơng có nghĩa kỹ thuật hetorodyne đơn giản Yếu quan trọng tác động tới hệ thống sử dụng kỹ thuật heterodyne lệch phân cực Thông thường, nguồn laser khác thường gây tượng khơng ổn định pha Do người ta sử dụng chung nguồn phát hay hai nguồn phát khóa pha với Nhờ làm giảm giao động nội đầu thu, tín hiệu tham chiếu tạo đầu phát truyền song song với tín hiệu sợi quang tới đâu Điều giúp cho cấu trúc BS đơn giản khơng cần phải có dao động Ta tham khảo cấu hình ví dụ sử dụng kỹ thuật điều chế heterodyne hình 1.5 14 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber RF refence BS Refenrence laser RF refence Signal laser CS Photodetector Optical mod IF mod Digital source Hình 1.5 Kỹ thuật Heterodyne mạng RoF Như hình vẽ 2.6 ta thấy ưu điểm kỹ thuật Ưu điểm thứ cấu trúc BS đơn giản nguồn tham chiếu RF tạo từ CS, nguồn RF tham chiếu khóa pha với Laser phát (master laser) Cả nguồn tham chiều lẫn tín hiệu truyền sợi quang Chú ý rằng, nguồn tham chiếu truyền với tần số RF tín hiệu điều chế tần số IF Ưu điểm thứ hai tín hiệu truyền với tần số IF (unmodutation signal – Gọi tín hiệu chưa điều chế tần số trung tần, thực chất điều chế sang dạng quang) Điều giúp cho tín hiệu truyền xa mà bị ảnh hưởng đến tượng tán sắc Đến BS, nguồn tín hiệu IF điều chế lên tần số RF nguồn tham chiếu RF Photodetector phát đi, tín hiệu lúc gọi modulation signal tần số RF 1.6 Bộ điều chế 15 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Như tìm hiểu phương pháp điều chế trực tiếp có nhược điểm sau đây: • Băng thơng bị hạn chế tần số laser diode • Chirp tượng gây lên trải rộng xung ánh sáng Chirp vấn đề laser DFB nhân tố gây giới hạn tốc độ truyền tín hiệu Để tránh hai nhược điểm nói người ta sử dụng phương pháp điều chế Sơ đồ tổng quát điều chế cho hình vẽ PD Laser Diode CW light Modulation External Modulator Interface eclectronic Laser-driving eclectronic Information Hình 1.6 Sơ đồ khối điều chế Ở điều chế ngoài, người ta cần nguồn laser ổn định, vịng hồi tiếp với photodiode thêm vào Vòng hồi tiếp làm cho cường độ laser phát ổn định, đồng thời tượng chirp giảm thiểu Tuy nhiên vòng hồi tiếp khiến cho hiệu suất làm việc laser không cao phần đưa vào điều khiển hồi tiếp 16 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Hình 1.7 a Cấu hình điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế xạ electron bán dẫn Ngày nay, có loại điều chế ngồi sử dụng cách rộng rãi điều chế ngồi Match Zender điều chế xạ electron Hình 1.7 mơ tả cấu tạo điều chế 1.6.1 Bộ điều chế Mach-Zehnder Nguyên lý hoạt động điều chế Mach-Zehnder sau: Chiết suất lớp lithium niobate thay đổi ta đặt vào nhánh hiệu điện Nguồn sáng từ điều chế chia làm nhánh qua ống dẫn sóng Khi khơng có hiệu điện đặt vào, tia tới không bị dịch pha, ngõ chúng giao thoa với vào tái tạo lại dạng sóng tới ban đầu Hình 1.8a Khi có hiệu điện đặt vào tia tới bị dịch pha 900 chiết suất ống dẫn sóng bị thay đổi, nhánh lại bị dịch pha -900 Kết tổng hợp ngõ ống dẫn sóng bị triệt tiêu hình 1.8b Do đó, ngõ điều chế điều khiển điện áp đặt vào đạt tốc độ điều chế hàng Gbps Hình 1.8 a Khơng có điện áp; b Có điện áp điều khiển Như ngõ điều chế Match-Zenhder phụ thuộc vào điện áp điều khiển đặt vào điều chế Trong trường hợp tổng quát, ngõ điều chế theo điện áp đặt vào V cho bởi: 17 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber T (λ ) = 1 V + φb ( λ ) 1 + cos π V (λ) 2 π (1.6.1) đó: φb ( λ ) = 2π ∆ nL V + π b gọi phân cực pha điều chế (modulator λ Vπ phase bias) với ΔnL độ chênh lệch chiều dài nhánh giao thoa cho cơng thức n1L1 – n2L2; λ bước sóng quang Vb điện áp phân cực Vπ ( λ ) = λd (switching voltage of MZ modulator) 2Γ( λ ) n ( λ ) r ( λ ) Lm d độ phân ly điện cực (electrode separation) Lm chiều dài điện cực (electrode length) Γ(λ) hệ số giảm vật liệu n(λ) số chiết suất r(λ) hệ số điện quang (electro optic coeffcient) hay cường độ điện trường tổng hợp ngõ cho bởi: E (t ) = A V cos ωopt t + π + φb Vπ IM (1.6.2) Với A biên độ nguồn quang ngõ vào, IM tổn hao chèn ωopt tần số quang phát nguồn laser Thông thường điều chế Match-Zenhder người ta thường quan tâm thơng số Vπ Bộ điều chế MZ chế tạo LiNbO3 có Vπ=6.6V Tín hiệu điện áp V đặt vào điều chế chia làm loại, loại tín hiệu nhỏ (small signal) loại tín hiệu lớn (large signal) Mỗi điều chế có tính chất riêng nó, nhiên loại tín hiệu nhỏ sử dụng nhiều 1.6.2 Bộ điều chế hấp thụ electron 18 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Nhược điểm lớn điều chế ngồi tổn hao chèn, thông thường tổn hao chèn điều chế lên đến 5dB, điện áp điều chế cao (10V) Ngồi cịn có nhược điểm cứng nhắc nó, khiến nhà thiết kế quản trị mạng quang phải đau đầu Họ muốn có phát tích hợp chức điều chế bên laser diode phát nhiều tần số vào chip mà không bị ảnh hưởng tượng chirp Người ta sử dụng điều chế xạ electro Nguyên tắc hoạt động sau: Một laser DFB phát nguồn sáng liên tục, tia sáng chạy qua ống dẫn sóng chế tạo vật liệu bán dẫn Khi khơng có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần suốt với nguồn sáng phát từ laser DFB tần số cắt nó, λC, ngắn bước sóng tia tới Khi hiệu điện điều khiển đặt vào, khoảng trống (band gap), Eg, vật liệu ống dẫn sóng tăng lên Đó gọi hiệu ướng Franz-Keldsysh Khi khoảng lượng tăng lên, tần số cắt giảm xuống (λC = 1024/Eg) vật liệu ống dẫn sóng bắt đầu xạ tia tới Bằng cách thay đổi điện áp ống dẫn sóng bán dẫn, đặc tính xạ ống dẫn sóng thay đổi Điều thú vị loại điều chế vật liệu bán dẫn làm ống dẫn sóng sản xuất DFB laser Đặc điểm điều chế xạ electron là: Công suất quang ngõ điều chế EA đạt 0dBm Thơng thường, ngõ phát có cơng suất nhỏ so với trường hợp điều chế trực tiếp Tuy nhiên, công suất ngõ điều chế EA khơng nhỏ mà đơi cịn lớn • Điệp áp điều khiển điều chế nhỏ khoảng 2V • Tỉ số chênh lệch động, Pmax/Pmin, lớn 1.7 Kĩ thuật nâng hạ tần 1.7.1 Giới thiệu 19 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Thay phải truyền tín hiệu có tần số RF sợi quang bị tác động lớn tán sắc Trong kỹ thuật người ta truyền tín hiệu băng tần IF Tín hiệu truyền dẫn băng tần IF điều chế lên tần số quang hạn chế lớn ảnh hưởng tán sắc, nhiên cần phải có chuyển đổi tần số từ IF lên RF BS khiến cho giá thành BS tăng lên Điều khơng có lợi Một ưu điểm khác kỹ thuật cần băng thơng nhỏ (trên miền quang) nên có ý nghĩa lớn sử dụng kết hợp với kỹ thuật DWDM 1.7.2 Kỹ thuật nâng hạ tần Hình 1.9 mơ tả sơ đồ khối nâng hạ tần Giả sử ta có tín hiệu sIF(t) tần số IF: s IF (t ) = cos(ω IF t + ϕ s ) (1.7.1) Cường độ điện trường tín hiệu quang mang tín hiệu có dạng: E (t ) = K s IF (t ).e jωopt t +ϕ (1.7.2) Với K số Giả sử φs = φ = Re[ E (t )] = KA cos(ω IF t ).(cosωopt t ) = [ KA cos((ωopt + ω IF )t ) + cos((ωopt − ω IF )t ) ] (1.7.3) Như tín hiệu sợi quang chiếm băng thông 2fIF Trong ta truyền tín hiệu băng tần IF băng thông sử dụng 2fRF=120GHz = 1nm Tại BS, giả sử ta tách tín hiệu sIF(t), ta đưa lên tần số RF nâng tần (hay gọi điều chế cần bằng) s * = A cos(ω IF t ) A′ cos(ω RFocs t ) RF = AA′[ cos((ω RFocs + ω IF )t + cos((ω RFocs − ω IF )t ] (1.7.4) Sau qua lọc thông Ta có tín hiệu RF mong muốn s RF = cos( (ω RFocs + ω IF )t ) 20 (1.7.5) Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber IF Điều chế cân Lọc thơng dải RF RFocs Hình 1.9 Sơ đồ khối nâng tần Đối với phương pháp hạ tần kỹ thuật tương tự 1.7.3 Nhận xét kỹ thuật nâng hạ tần Trước hết kỹ thuật nâng hạ tần giúp cho tín hiệu sợi quang có tần số IF miền điện Nhờ mà hạn chế tượng tán sắc ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu truyền tín hiệu tần số cao Tuy nhiên, giá thành BS tăng lên BS cần có dịch chuyển tần số Sự phức tạp dịch chuyển tần số mà giao động bên nó, hoạt động tần số cao cần ổn định Băng thông cần thiết cho kênh truyền nhỏ, nên kết hợp kỹ thuật DWDM có lợi, số kênh mở rộng nhiều cần băng thơng lớn nên tín hiệu quang truyền dẫn sóng RF kết hợp WDM có số kênh 1.8 Bộ thu phát quang Cấu trúc BS đơn giản thực với thu phát quang thu phát xạ electro Những thu phát vừa có chức chuyển đổi O/E tuyến downlink đồng thời chuyển đổi E/O cho tuyến uplink lúc bước sóng truyền dẫn thơng qua sợi quang từ CS tới BS Một bước sóng dành cho điều chế liệu người dùng cho tuyến downlink dành cho giải điều chế tuyến uplink (hình 2.11) Bước sóng giải điều chế điều chế liệu tuyến uplink BS gởi trở CS Do dó, EAT sử dụng photodiode cho luồng liệu tới chúng đồng thời làm 21 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber nhiệm vụ điều chế để cung cấp luồng liệu gởi lại cho hướng phát, sử dụng EAT thay laser phía BS, điều có ý nghĩa BS cần có cấu trúc đơn giản Hiện nay, thiết bị hoạt động song cơng hồn tồn bước sóng mm, nhiên mức thử nghiệm điều trở ngại với kỹ thuật vấn đề tán sắc mà chúng cần phải giải Hình 1.10 mơ tả hệ thống sử dụng kỹ thuật RoF sử dụng EAT Hình 1.10 Bộ thu phát xạ electron EAT mạng 1.9 So sánh kỹ thuật Như vậy, kỹ thuật khảo sát, kỹ thuật phát truyền dẫn sóng mm sợi quang có ưu nhược điểm riêng Mỗi kỹ thuật thích hợp tùy vào mơ hình mạng sử dụng Bảng tổng hợp lại ưu nhược điểm kỹ thuật So sánh kỹ thuật truyền dẫn phát sóng milimet Kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm 22 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Optical Điều chế ASK, FSK, PSK Heterodyne Điều Cấu tạo nguồn sáng phức tạp Hạn chế tán sắc sợi quang chế Điều chế ASK, FSK, PSK ngồi Tán sắc Cấu hình đơn giản Tổn hao chèn lớn Dùng DFB Laser (giá thành) Hiệu ứng phi tuyến Dịch tần Điều chế trực tiếp từ IF Các điều chế EAM tần số cao Bộ dao động mm BS Bộ thu phát Hạn chế tác động tán sắc Bộ điều chế tách sóng đơn Các điều chế EAM tần số cao Các điều chế EAM tần số cao quang giản Hạn chế WDM 1.10 Kết hợp WDM kỹ thuật RoF Ứng dụng WDM vào mạng RoF mang lại nhiều ưu điểm đơn giản hóa mơ hình mạng cách ấn định bước sóng khác cho BS riêng biệt, cho phép nâng cấp mạng ứng dụng dễ dàng cung cấp phương tiện quản lý mạng đơn giản Xem hình 1.11, ví dụ ứng dụng cho tuyến downlink Như vậy, với mơ hình dưới, cần sợi quang kỹ thuật RoF phục vụ cho nhiều BS Số lượng BS phục vụ tùy thuộc vào số lượng kênh quang truyền sợi quang Hình 1.11 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM RoF 23 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Tuy nhiên khó khăn ứng dụng kỹ thuật WDM kênh quang truyền sóng mm tần số 60GHz Do bề rộng phổ kênh quang vượt bề rộng phổ kênh WDM Ví dụ hình 1.12a sử dụng phương pháp chế biên 1.12b sử dụng phương pháp điều chế biên để truyền sóng mm băng tần 60Ghz tức phải tốn kênh 100MHz bề rộng phổ lưới ITU–T có chuẩn 100MHz Ở phương pháp sử dụng điều chế biên ta cần phải sử dụng đến kênh 200GHz Như có lãng phí lớn băng thơng sợi quang thiết bị giới WDM cũ khơng tương thích kỹ thuật RoF Hiện có nhiều nghiêng cứu lĩnh vực Để gia tăng hiệu suất sử dụng phổ, khái niệm chèn tần số quang (optical frequency intterleaving) đưa 200GHz side band (a) optical carrier f 100GHz f (b) Hình 1.12 DWDM RoF a Điều chế hai dải biên, b Điều chế triệt dải biên Mặc khác, mối quan hệ số lượng bước sóng yêu cầu cho BS, BS phải cấp đủ số bước sóng để hoạt động song cơng hồn tồn (full-duplex), nên cần phải đến có đến bước sóng, cho chiều downlink cho chiều ngược lại Trong kỹ thuật tái sử dụng bướt sóng đề cập đến, dựa kỹ thuật 24 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber khơi phục sóng mang quang dùng tín hiệu downlink sử dụng lại bướt sóng cho chiều truyền dẫn uplink Như tốn có bước sóng cho hai chiều truyền dẫn Tăng hiệu sử dụng băng thơng sợi quang Hình 1.13 thể kiến trúc sóng mang đơn hướng mà sử dụng để cung cấp dịch vụ vô tuyến băng thông rộng Ở CS, tất nguồn sáng uplink down link ghép lại khuyến đại lên truyền sợi quang Một điều chế kênh downlink giải điều chế uplink đưa tín hiệu quang vào sợi quang nối với theo mạng ring Tại BS, cặp bước sóng down – uplink xen rẽ thông qua OADM (optical add/drop multiplexer) EAT, thao tác diễn cách đồng thời BS Kênh uplink điều chế thêm vào sợi quang truyền vịng CS, chúng giải ghép khơi phục tín hiệu Ưu điểm mạng ring WDM P2MP khả tập trung tất nguồn phát quang CS, cho phép có cấu hình BS đơn giản Hình 1.13 Kiến trúc vịng ring RoF dựa DWDM 1.11 Tổng kết chương Trong chương này, tìm hiểu nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn sóng mm sợi quang, kỹ thuật có ưu nhược điểm riêng mà 25 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber biết Như kỹ thuật RoF bao gồm tuyến quang RoF thơng thường, kỹ thuật phát truyền sóng mm sợi quang kết hợp hệ thống với WDM Chính khả cung cấp dịch vụ băng rộng sở hạ tần đơn giản với nhiều ưu điểm giá thành hạ, triển khai dễ dàng, bảo dưỡng nhanh chóng nên mạng RoF hứa hẹn cho mạng không dây tương lai 26 ... nằm Radio modem BS có chức đơn giản để có cấu trúc đơn giản Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Hình 1.3 Các cấu hình tuyến RoF Ở tuyến downlink từ CS tới BS, thông tin điều chế thiết bị ? ?Radio. .. truyền dẫn sóng radio từ CS tới BS sợi quang ngược lại O/E CS MOBILE M H BS SOURCE E/O E/ O Am O/ E MOBILE Hình 1.1 CS – BS – MH microcell kiến trúc RoF Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber 1.2 Xu... nên thay đổi môi trường (nhiệt độ, khơng đồng vật lý sợi, …) • Tán sắc (fiber dispersion) 13 Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber Ta biết tán sắc ảnh hưởng lớn hệ thống thông tin quang khắc phục