37
C¸c HÖ Thèng Th«ng Tin Quang Msc.Eng. Nghiêm Xuân Anh 2/26/2007 Optic Communication Systems 2 Những nội dung chính I. Hệ thống thông tin quang IMDD II. Hệ thống thông tin quang coherent 2/26/2007 Optic Communication Systems 3 I. Giới thiệu Hệ thống TTQ IMDD Hệ thống TTQ IMDD là gì? sử dụng điều biến cường độ (IMIntensity Modulation), và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector) thông tin về pha của tín hiệu không đóng vai trò quan trọng (khác biệt với hệ thống TTQ Coherent) Hệ thống TTQ IMDD ra đời đầu tiên, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 10 Gb/s (STM4, STM16) 2/26/2007 Optic Communication Systems 4 I.1 Nguyên lý hệ thống IMDD

Slide Chi Tiet Ve Coherent

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Slide Chi Tiet Ve Coherent

C¸c HÖ Thèng Th«ng Tin Quang

Msc.­Eng. Nghiêm Xuân Anh

2/26/2007 Optic Communication Systems 2

Những nội dung chính

I. Hệ thống thông tin quang IM­DD II. Hệ thống thông tin quang coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 3

I. Giới thiệu Hệ thống TTQ IM­DD

Hệ thống TTQ IM­DD là gì? sử dụng điều biến cường độ (IM­Intensity Modulation), và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector) thông tin về pha của tín hiệu không đóng vai trò quan trọng (khác biệt với hệ thống TTQ Coherent)

Hệ thống TTQ IM­DD ra đời đầu tiên, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 ÷ 10 Gb/s (STM­4, STM­16)

2/26/2007 Optic Communication Systems 4

I.1 Nguyên lý hệ thống IM­DD

Page 2: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 5

I.1.1. Phía Máy Phát

Phía phát thực hiện biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu quang này vào sợi quang để thực hiện việc truyền thông tin. [Máy phát thực hiện điều chế nguồn quang (LED hoặc LD) bằng dòng tín hiệu điện (digital hoặc analog) cần truyền]. Tức là, công suất quang ra tỷ lệ tuyến tính với dòng điều biến ⇒ Kiểu điều chế này gọi là điều chế cường độ IM (Intensity Modulation).

2/26/2007 Optic Communication Systems 6

Intensity modulation

2/26/2007 Optic Communication Systems 7

I.1.2. Truyền tin trên sợi quang

Công suất tín hiệu bị tổn hao trong quá trình truyền ánh sáng dọc theo chiều dài của sợi (do hấp thụ của tạp chất, của bản thân vật liệu, hấp thụ điện tử, suy hao do uốn cong, tán xạ vv…) ⇒ Length limitted! Suy hao công suất (suy hao xen) do các phần tử trên tuyến (bộ nối, mối nối, mối hàn, các bộ ghép/xen rẽ kênh, các bộ chuyển đổi…) ⇒ Length limitted! Méo (dãn xung) tín hiệu do tán sắc (tán sắc giữa các mode, tán sắc mode (tán sắc vận tốc nhóm), tán sắc dẫn sóng, tán sắc vật liệu, tán sắc phân cực mode vv... ⇒ Bit rate limitted!.

2/26/2007 Optic Communication Systems 8

I.1.3. Phía Máy Thu

Sóng tín hiệu quang được phát đi từ phía phát sau khi tới bộ thu quang được biến đổi thành tín hiệu điện (nhờ photodiode), được khuếch đại và khôi phục thành tín hiệu có dạng như ở đầu vào thiết bị phát quang. Photodiode (O/E) thực hiện tách sóng theo luật bình phương vì nó biến đổi công suất quang thu được trực tiếp thành dòng điện (dòng photo) tại đầu ra của nó. ⇒ bộ thu kiểu này được gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp (DD). Các photodiode có thể là p­i­n hoặc APD. Tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang, tín hiệu được tách ra trực tiếp ở băng gốc mà không có bất kỳ xử lý hoặc biến đổi nào.

Page 3: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 9

I.2. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) là tham số rất quan trọng trong bộ tách sóng quang. Nó xác định chất lượng của bộ thu quang tương tự và là yếu tố chủ yếu quyết định độ nhạy của bộ thu quang số. Sau khi tín hiệu quang lan truyền qua một cự ly dài, công suất của nó rất thấp. Do đó cần có bộ thu quang tốt, bộ tách sóng quang và các mạch điện khuếch đại sau nó phải kết hợp tối ưu để cho ra SNR cao. Tức là:

Bộ tách sóng quang cần có hiệu suất lượng tử cao để phát ra công suất tín hiệu lớn, và

2/26/2007 Optic Communication Systems 10

SNR (continued …)

Nhiễu của bộ tách sóng quang và bộ khuếch đại điện phải càng thấp càng tốt.

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của photodiode được xác định là

Tỷ số SNR của bộ thu photodiode p­i­n được viết là:

2

2

đ σ p I SNR =

+ =

¹i khuÕch bé nhiÔu suÊt C«ng sãng t¸ch bé nhiÔu suÊt C«ng

photo dßng tõ hiÖu tÝn suÊt C«ng

e n L B l d in e

in pin B F R T k I I RP eB

P R SNR ) / 4 ( ) ( 2

2 2

+ + + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 11

SNR (continued.)

Trong giới hạn nhiễu nhiệt (σ s << σ T ) khi đó

Còn trong giới hạn nhiễu lượng tử (σ s >> σ T ) thì

Note: Trong các bộ thu quang thực tế sử dụng tách sóng p­i­n, nhiễu trội là nhiễu nhiệt (do bộ tách sóng có điện trở tải tách sóng nên nó sinh ra dòng nhiễu nhiệt khá lớn để tạo ra nhiễu nhiệt.)

n e B

L in pin F TB k

R P R SNR 4

2 2 =

e

in

e

in pin B h

P eB RP SNR

ν η2 2

= =

F n : Hệ số nhiễu của bộ KĐ

(*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 12

SNR (continued.)

Trong nhiều bộ thu quang, dòng nhiễu nhiệt hiệu dụng lớn gấp khoảng 20 lần dòng nhiễu lượng tử hiệu dụng và khoảng 100 lần dòng tối hiệu dụng. Tương tự, tỷ số SNR của bộ thu quang dùng APD là

Trong giới hạn nhiễu nhiệt (σ s << σ T ) thì SNR APD là:

với hy vọng có thể cải thiện M 2 so với bộ thu p­i­n.

e n L B l e A d in e

in APD B F R T k I eB F M I RP eB

MRP SNR ) / 4 ( 2 ) ( 2

) ( 2

2

+ + + =

n e B

L in APD F TB k

R P M R SNR 4

2 2 2 =

Page 4: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 13

SNR (continued.)

Ngược lại, trong giới hạn nhiễu lượng tử, (σ s >> σ T ), lúc này ta có

Và trong trường hợp này, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của bộ thu dùng photodiode APD lại bị giảm đi bởi hệ số nhiễu trội F A so với bộ thu photodiode p­i­n. Trong đó FA được xác định bằng thực nghiệm xấp xỉ là

Với x là phân tử gam, = 0.3 với photodiode thác Silic, = 0.7 đ/v InGaAs, = 1 với Germanium.

A e

in

A e

in APD F B h

P F eB

RP SNR ν η

2 2 = =

x A M F ≈

2/26/2007 Optic Communication Systems 14

I.3. Độ nhạy của bộ thu quang

Độ nhạy thu là tham số quan trọng nhất đánh giá khả năng và chất lượng của HTTTQ. Độ nhạy cao thể hiện khả năng thu được mức công suất quang rất thấp. Độ nhạy thu cao cho phép thiết kế được các HTTTQ có tốc độ cao và cự ly xa. Nó bị tác động trực tiếp bởi tỷ số SNR của bộ tách sóng quang. Tức là SNR càng cao thì độ nhạy càng cao. eSNR chỉ đủ để đánh giá chất lượng tín hiệu thu trong truyền dẫn analog có đáp ứng tiêu chuẩn đề ra hay không, còn

2/26/2007 Optic Communication Systems 15

Độ nhạy thu – sơ đồ tham chiếu

Trong thông tin quang số, độ nhạy thu luôn bị ràng buộc bởi tỷ số lỗi bit BER. Độ nhạy được thể hiện bằng một công suất quang tối thiểu có thể có thể đảm bảo tỷ số lỗi bit BER đã cho. (Thường được xác định tại một điểm tham chiếu trước bộ nối thu ­ R)

S

C TX (Bộ nối phát)

R

C RX (bộ nối thu)

Khối máy phát Khối máy thu Sợi quang

2/26/2007 Optic Communication Systems 16

Độ nhạy thu – các điểm tham chiếu

S là điểm tham chiếu trên sợi quang ngay sau bộ nối phát C TX , còn R là điểm tham chiếu trên sợi quang ở ngay trước bộ nối thu C RX . Các thông số tại các điểm tham chiếu xác định có liên quan tới mục tiêu thiết kế đoạn truyền dẫn quang có tỷ số lỗi bit BER. BER thường nằm trong dải 10 ­6 ÷ 10 ­12

Page 5: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 17

Độ nhạy thu – các khuyến nghị

Như vậy độ nhạy của bộ thu quang là công suất trung bình nhỏ nhất có thể chấp nhận được tại điểm R để đạt được tỷ số lỗi bit BER (Khuyến nghị của ITU­T) như sau:

10 ­6 ÷ 10 ­9 đối với các hệ thống PDH, 10 ­10 đối với các hệ thống SDH STM­1, STM­4 và STM­16 mà không có khuếch đại quang, và 10 ­12 đối với hệ thống đơn kênh quang và nhiều kênh quang có sử dụng khuếch đại quang tại STM­64

2/26/2007 Optic Communication Systems 18

I.4. Tỷ số bít lỗi (BER) trong bộ thu quang

Bộ thu quang trong hệ thống thông tin quang số IM­ DD gồm một bộ tách sóng quang, bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại điện, mạch cân bằng (lọc) và quyết định.

2/26/2007 Optic Communication Systems 19

BER (continued.)

Do tín hiệu sau tách sóng rất yếu nên nó cần phải được khuếch đại, được lọc, sau đó được so sánh với mức ngưỡng tại mạch quyết định để thu được xung mong muốn (bit 1 hoặc 0) trong khe thời gian của nó. Trong trường hợp không lỗi thì khi “1” được thu thì đầu ra V out (t) phải cao hơn điện áp ngưỡng, và khi “0” được thu thì V out (t) phải nhỏ hơn ngưỡng. Trong thực tế, do tác động của các loại nhiễu khác nhau và sự giao thoa giữa các xung lân cận có thể gây ra sự trệch khỏi giá trị trung bình của V out (t) và gây ra lỗi.

2/26/2007 Optic Communication Systems 20

BER

Để xác định tỷ lệ lỗi xảy ra ta có thể dùng cách chia các xung lỗi N e cho tổng số các xung N t trong khoảng thời gian t đã cho. Nó được gọi là tỷ số lỗi bit BER và được viết như sau:

Để xác định BER tại bộ thu, sự phân bố xác suất tín hiệu đầu ra của mạch cân bằng là rất quan trọng vì điều đó quyết định xem bit “1” hay “0” được phát đến. Do đó, ta xét vấn đề này thông qua hệ thống thông tin số với các xung “0” và “1”.

t

e

N N BER =

Page 6: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 21

BER (continued.)

Mật độ xác suất p(I)

2/26/2007 Optic Communication Systems 22

BER (continued.)

Hình trên chỉ ra tín hiệu dao động nhận được bởi mạch quyết định, mạch này lấy mẫu tại thời điểm quyết định t D xác định thông qua sự khôi phục xung đồng hồ. Giá trị lấy mẫu I biến động từ bit sang bit quanh giá trị trung bình I 1 hoặc I 0 , tùy theo bit đó tương ứng với bit “1” hay bit “0” trong luồng bit. Mạch quyết định so sánh giá trị lấy mẫu với mức ngưỡng I D và gọi nó là bit “1” nếu I> I D hoặc bit “0” nếu I<I D .

2/26/2007 Optic Communication Systems 23

BER (continued.)

Lỗi xảy ra khi I< I D cho bit “1” do nhiễu máy thu. Một lỗi cũng có thể xảy ra nếu I> I D cho bit “0”. Cả hai kiểu lỗi trên có thể gộp lại bằng việc định nghĩa xác suất lỗi bit như sau

Trong đó P(1/0) là xác suất quyết định nhầm bit “1” khi bit “0” được gửi đến. P(0/1) là xác suất quyết định nhầm bit “0” khi bit “1” được gửi đến. p(0) và p(1) là xác suất nhận đúng các bit “0” và “1” tương ứng.

) 1 / 0 ( ) 1 ( ) 0 / 1 ( ) 0 ( P p P p BER + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 24

BER(continued.)

Trong trường hợp số bit N trong luồng bit là lớn (>2 15 ) thì p(0) ≈ p(1) ≈ 0,5. Khi đó

Hình trên cho thấy P(0/1) và P(1/0) phụ thuộc vào hàm mật độ p(I) của giá trị lấy mẫu I. Dạng hàm p(I) phụ thuộc vào thống kê các nguồn nhiễu gây ra các biến động dòng.

Nhiễu nhiệt i T và nhiễu bắn được xấp xỉ bằng phân bố Gaussian, do đó tổng của chúng (giá trị được lấy mẫu ­ I) cũng là biến ngẫu nhiên Gaussian có phương sai là

2 ) 1 / 0 ( ) 0 / 1 ( P P BER

+ =

2 2 2 T s σ σ σ + =

(*)

Page 7: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 25

BER (continued.)

Với còn

Giá trị trung bình và phương sai của bit “1” và bit “0” khác nhau do I p tương đương với I 1 hoặc I 0 , tùy theo bit nhận được. Nếu σ 1 2 và σ 0 2 là các phương sai tương ứng thì xác suất có điều kiện trên được cho bởi

n L

e B T F

R TB k 4 2 = σ e d p s B I I e ) ( 2 2 + = σ

2/26/2007 Optic Communication Systems 26

BER (continued.)

Trong đó erfc là hàm lỗi bù, được định nghĩa là

Khi đó

Phương trình trên cho thấy BER phụ thuộc vào ngưỡng quyết định I D . Trong thực tế, I D được tối ưu nhằm tối thiểu BER. BER min. đạt được khi I D được chọn sao cho

2/26/2007 Optic Communication Systems 27

BER (continued.)

Với

Như vậy, dòng quyết (*) định tối ưu là Khi σ 1 =σ 0 , thì I D =(I 1 +I 0 )/2 tương ứng với ngưỡng quyết định nằm ở giữa. Trường hợp này áp dụng cho hầu hết các bộ thu p­i­n do nhiễu của nó chủ yếu là nhiễu nhiệt (σ T >>σ S ) và độc lập với dòng trung bình. Trong các bộ thu APD thì I D được đặt theo bt (*).

0

0 0

1

1 1 σ σ

I I Q và I I Q D D − =

− =

0 1

1 0 0 1

σ σ σ σ

+ +

= I I I D

1 0 Q Q Q = =

2/26/2007 Optic Communication Systems 28

BER (continued.)

Như vậy BER với giá trị ngưỡng tối ưu (I Dopt. ) phụ thuộc vào tham số Q như sau

Trong đó tham số Q được xác định là

Hình sau cho thấy sự biến thiên của BER theo Q như thế nào.

(*)

(**)

Page 8: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 29

BER (continued.)

Nó được vẽ dựa trên biểu thức gần đúng và khá chính xác khi Q>3.

BER cải thiện khi Q tăng và trở nên nhỏ hơn 10 ­12 với Q>7. Độ nhạy thu tương ứng với công suất quang trung bình có Q≈6 sẽ có BER≈10 ­9 …, .

2/26/2007 Optic Communication Systems 30

BER vs. Q

2/26/2007 Optic Communication Systems 31

I.5. Độ nhạy thu – PIN photodiode

Giả thiết bit “0” không mang công suất quang để sao cho P 0 =0, tức I 0 =0. Nếu gọi <P rec > là công suất quang TB thu được thì đó là giá trị trung bình của các bit “1” và “0” và khi đó

P 1 có liên quan tới I 1 trong bộ tách sóng p­i­n như sau

2 0 1 P P P rec

+ =

0) P (víi 0 = = = rec P R RP I 2 1 1

2/26/2007 Optic Communication Systems 32

PIN­ độ nhạy thu

σ 1 và σ 0 bao gồm các thành phần của cả nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt, vì vậy chúng có thể được viết như sau:

Bỏ qua thành phần dòng tối, phương sai nhiễu trở thành

T T s σ σ σ σ σ = + = 0 2 2

1 vµ

( )

n L

e B T

e rec s

F R TB k

B P R e 4 2 2

2

2

=

=

σ

σ

Page 9: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 33

PIN­ độ nhạy thu

Khi đó hệ số Q được viết như sau

Khi chỉ định BER thì Q được xác định theo bt. BER (trang 28), rồi từ bt. trên tìm được độ nhạy thu <P rec > của bộ thu quang như sau:

T T S

rec P R I Q σ σ σ σ σ + +

= +

= 2 2

0 1

1 2

( ) T e pin rec Q eB R Q P σ + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 34

PIN­ độ nhạy thu

Nhận xét: Độ nhạy thu phụ thuộc vào các tham số bộ thu. Đối với bộ thu quang PIN thì nhiễu nhiệt σ T thường là trội, và khi đó <P rec > có thể được viết dưới dạng đơn giản như sau:

Ta thấy σ T không chỉ phụ thuộc vào các tham số như R L và F n mà còn phụ thuộc vào cả tốc độ bit thông qua băng tần điện B e của bộ thu quang (B e =B/2). B là tốc độ bit. Vì thế <P rec > tăng theo B 1/2 trong giới hạn nhiễu nhiệt, và điều này có nghĩa là độ nhạy thu sẽ giảm khi tốc độ bit tăng !

R Q P T

pin rec σ

=

2/26/2007 Optic Communication Systems 35

I.6. Độ nhạy thu – APD photodiode

Tương tự như đối với trường hợp PIN, giả thiết các bit “0” không mang công suất (P 0 =0 hay I 0 =0). Với R APD =MR thì công suất ứng với các bit “1” liên quan với I 1 trong bộ thu APD như sau:

Bỏ qua các thành phần dòng tối, phương sai nhiễu của bộ thu APD trở thành

0) P (do 0 = = = = rec APD P MR MRP P R I 2 1 1 1

( )

n L

e B T

e rec A s

F R TB k

B P RF eM 4

2 2

2

2 2

=

=

σ

σ

2/26/2007 Optic Communication Systems 36

APD – độ nhạy thu

Khi đó Q được xác định là

Với BER đã cho, ta có thể xác định tham số Q dựa vào bt. BER (trang 28), và độ nhạy thu <P rec > APD đối với bộ thu APD được xác định từ bt. trên như sau:

T T S

rec P MR I Q σ σ σ σ σ + +

= +

= 2 2

0 1

1 2

+ =

M B eQF

R Q P T

e A APD rec σ

Page 10: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 37

APD – độ nhạy thu – Remarks

Nhận xét Từ biểu thức trên, độ nhạy thu APD được cải thiện với hệ số M so với PIN nếu nhiễu nhiệt là nhiễu trội. Tuy nhiên nhiễu lượng tử cũng tăng đáng kể trong bộ thu APD nên công thức trên nên được sử dụng cho cả hai loại nhiễu. Nhìn chung, độ nhạy của bộ thu quang APD được cải thiện từ 6 – 8 dB. <P rec > APD tăng tuyến tính với B, còn <P rec > PIN tăng theo B 1/2 nên độ nhạy của APD giảm nhanh hơn so với độ nhạy của PIN khi tốc độ bit tăng !

2/26/2007 Optic Communication Systems 38

I.7 Giới hạn lượng tử của tách sóng quang Trong bộ thu quang, η là một tham số quan trọng. Bộ tách sóng lý tưởng có η=1 và I d =0. Với điều kiện trên, công suất quang thu được nhỏ nhất @ BER đã cho gọi là giới hạn lượng tử. Với bộ tách sóng lý tưởng, σ 0 =0 vì nhiễu lượng tử triệt tiêu khi không có công suất quang tới. Do đó, ngưỡng quyết định có thể đặt gần mức 0. Khi đó, ngay cả 1 photon (của bit “1”) cũng có thể được tách ra và một lỗi xảy ra nếu 1 bit “1” không tạo ra thậm chí 1 cặp điện tử ­ lỗ trống. Với số photon và điện tử ít như vậy, thống kê nhiễu lượng tử không thể lấy xấp xỉ bằng phân bố Gauss mà phải sử dụng phân bố Poisson.

2/26/2007 Optic Communication Systems 39

BER trong giới hạn lượng tử

Nếu gọi N p là số photon trung bình trong mỗi bit “1” , xác suất tạo ra m cặp điện tử ­lỗ trống được cho bởi phân bố Poisson.

BER có thể được tính toán sử dụng (*p.24) và (*). P(1/0) =0 do không có cặp ĐT­LT nào được tạo ra khi N p =0. P(0/1) đạt được bằng cách gán m=0 trong (*) do “0” được quyết định trong trường hợp đó mặc dù “1” nhận được. Do P(0/1) = e ­Np nên BER được cho bởi biểu thức sau

! ) (

m N e

P m

p N

m

p −

= (*)

2

p N e BER −

=

2/26/2007 Optic Communication Systems 40

Độ nhạy máy thu

Như vậy, với BER <10 ­9 thì N p phải >20. Do yêu cầu này là kết quả trực tiếp của những biến động lượng tử liên quan tới ánh sáng tới nên nó được gọi là giới hạn lượng tử. Mỗi bit “1” phải chứa tối thiểu 20 photon để được phát hiện với BER <10 ­9 . Yêu cầu này có thể chuyển sang công suất theo P 1 =N p hνB, với B là tốc độ bit và hν là năng lượng photon. Độ nhạy máy thu, được định nghĩa là <P rec >=(P 1 +P 0 )/2=P 1 /2, được cho bởi

hvB N B h N P p p rec = = 2 / ν (*)

Page 11: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 41

Số photon trung bình – độ nhạy thu

<N p > thể hiện độ nhạy máy thu theo số photon trung bình / bit và quan hệ với N p theo <N p >=N p /2 khi các bit 0 không mang năng lượng. Trong giới hạn lượng tử, <N p >=10. Công suất có thể được tính từ (*p.40).

Ví dụ: một máy thu 1,55 µm (hν=0,8 eV), <P rec >=13 nW hay ­48.9 dBm tại B=10 Gb/s. Hầu hết máy thu hoạt động ngoài giới hạn lượng tử khoảng 20 dB hoặc cao hơn. Điều này tương đương với <N p > điển hình vượt 1000 photon trong các máy thu thực tế.

2/26/2007 Optic Communication Systems 42

II. Hệ thống thông tin quang Coherent

Nhược điểm của hệ thống IM­DD

Không tận dụng được băng tần rất lớn của sợi quang khi mà các hệ thống truyền dẫn IM­DD đơn kênh mới chỉ đạt tốc độ 622 Mb/s, 2.5 Mb/s ở cự ly vài chục km và hệ thống 10 Gb/s chưa phổ biến nhiều. Độ nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ truyền dẫn cao, tốc độ bit càng cao thì độ nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IM­DD không thể vừa tăng cự ly vừa tăng tốc độ được.

2/26/2007 Optic Communication Systems 43

Advantages of coherent lightwave systems Ưu điểm của hệ thống TTQ coherent:

Cải thiện được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra của mạch tiền khuếch đại, dẫn tới độ nhạy thu cao (upto 20 dB so với hệ thống IM­DD), cho phép kéo dài cự ly truyền dẫn tới 100 km tại bước sóng 1.55 µm; Sử dụng hiệu quả hơn băng tần của sợi quang bằng cách tăng hiệu suất phổ của các hệ thống WDM.

2/26/2007 Optic Communication Systems 44

Disadvantages …

Hệ thống TTQ coherent đòi hỏi nhiều giải pháp kỹ thuật và quá trình công nghệ phức tạp. Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều mắt xích cần phải giải quyết bao trùm các vấn đề về phổ, độ ổn định tần số, duy trì phân cực vv… nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện hoạt động ở tốc độ Gb/s với cự ly hàng trăm km.

Page 12: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 45

II.1. Khái niệm về Thông tin quang coherent Hệ thống TT coherent dựa theo nguyên lý truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với một sóng ánh sáng khác tại phía thu quang. Tương tự trong các hệ thống thông tin vô tuyến­viba, truyền tin bằng việc điều tần hoặc pha của sóng mang quang và tách tín hiệu nhận được bằng các kỹ thuật tách sóng homodyne hoặc heterodyne. Sự kết hợp về pha của sóng mang quang đóng vai trò quan trọng trong thực hiện các hệ thống này, do đó nó được gọi là hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent).

2/26/2007 Optic Communication Systems 46

Developments

Khái niệm về coherent có từ những năm 1970s Đến đầu 1980s, khi công nghệ sợi quang và laser đạt được những bước tiến nhảy vọt mới tạo đà cho các hệ thống coherent phát triển. (Sợi quang đơn mode G.652 có suy hao thấp ≈ 0.154 dB/km @ 1550nm. Laser bán dẫn có độ ổn định tần số cao, độ rộng phổ hẹp làm cho tán sắc gây dãn xung không đáng kể.) Chỉ trong vòng 6­7 năm, hệ thống coherent đã được đưa vào sử dụng trong các mạng viễn thông. Các hãng nổi tiếng thế giới như AT&T, NTT, NEC vv… cho đây là hướng mũi nhọn trong việc nâng cao khả năng truyền dẫn và khoảng cách giữa các trạm lặp.

2/26/2007 Optic Communication Systems 47

Characteristics of coherent systems

Khác với IM­DD, các hệ thống coherent có những đặc điểm sau:

Thông tin được điều chế ở phía phát với mức yêu cầu cao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài). Độ phân cực của ánh sáng được phải được giữ nguyên trạng trong quá trình truyền. Trước khi tách sóng ở máy thu, tín hiệu được trộn với sóng dao động nội (laser diode). Như vậy ánh sáng đã được xử lý trước khi tới bộ tách sóng quang.

2/26/2007 Optic Communication Systems 48

II.2. Cấu trúc của HTTTQ coherent

Page 13: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 49

System structure – Transmitter side

Phần phát gồm mạch điều khiển, laser diode, bộ điều chế ngoài (ngoài ra còn có thể có thêm bộ KĐ công suất, bộ điều khiển công suất tự động).

Laser bán dẫn thường là loại đơn mode DFB, độ rộng phổ hẹp ≈ 0.1 nm, laser có bộ cộng hưởng ngoài hoặc laser cách tử có độ rộng phổ 10 ÷ 100 MHz. Các loại LED và laser đa mode không thích hợp cho hệ thống coherent vì độ rộng phổ của nguồn phải < độ rộng băng tần tín hiệu. Nguồn laser cần phải được ổn nhiệt nhằm duy trì độ ổn định tần số

2/26/2007 Optic Communication Systems 50

System structure – Receiver side

Bộ thu của hệ thống coherent là phần phức tạp nhất của hệ thống và cũng đặc trưng nhất của hệ thống coherent. Về cơ bản, nó bao gồm:

Bộ trộn quang, Laser dao động nội, Photodiode, Tiền khuếch đại, Giải điều chế tại trung tần và Mạch quyết định

2/26/2007 Optic Communication Systems 51

Bộ trộn quang

Là một mạng 4 cửa, tương tự như bộ ghép định hướng siêu cao tần. Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động nội) được trộn với nhau và cộng tuyến tính tại cửa ra. Yêu cầu cả hai trường quang cần phải đồng hướng trên mặt của photodiode. Do trạng thái phân cực của tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng nên cần phải sử dụng bộ điều khiển phân cực tín hiệu và dao động nội ở đầu cuối của tuyến sợi quang. Độ lệch giữa các trạng thái phân cực của tín hiệu và dao động nội có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.

2/26/2007 Optic Communication Systems 52

Homodyne và Heterodyne Receivers

Nếu tần số của sóng dao động nội và tín hiệu giống nhau thì máy thu gọi là Homodyne, còn nếu tần số của sóng dao động nội và tín hiệu khác nhau (∆f= f IM ) thì máy thu gọi là Heterodyne. Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phía phát về cơ bản là giống nhau, tuy nhiên có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng điều chỉnh từng tần số phát trong một dải rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định.

Bộ trộn + photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (heterodyne) hoặc tách pha (homodyne)

Page 14: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 53

Dòng tín hiệu từ đầu ra của bộ tách sóng được đưa tới tiền khuếch đại, 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. Lưu ý rằng nhiễu pha trong laser rất quan trọng trong hệ thống coherent vì nó xác định độ rộng băng tần của bộ lọc trung tần hay độ rộng băng tần tín hiệu. Một phần dòng sau biến đổi O/E được sử dụng để chốt trung tần tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiển tần số tự động AFC.

2/26/2007 Optic Communication Systems 54

II.3. Nguyên lý hoạt động

ω s

ω LO

(ω s ­ ω LO )

2/26/2007 Optic Communication Systems 55

Priciples of operation …

Giả sử ta coi trường điện từ của tín hiệu đến từ phía phát là sóng phẳng có dạng.

A s là biên độ trường của tín hiệu quang, ω s là tần số tín hiệu, φ s (t) là pha của tín hiệu quang. Để truyền thông tin, ta có thể sử dụng kỹ thuật điều biên, điều tần, hoặc điều pha sóng mang quang.

[ ] ) ( cos t s t A E s s s φ ω + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 56

Transmitter ­ Modulation Methods

ASK hay OOK. Trong trường hợp này, φ s là hằng số và biên độ tín hiệu A s chỉ nhận 1 trong 2 giá trị trong mỗi chu kỳ bit, tùy theo “0” hay “1” được phát đi. FSK. Biên độ A s là hằng số và pha φ s nhận giá trị ω 1 t hay ω 2 t, trong đó ω 1 và ω 2 biểu thị các giá trị của tín hiệu nhị phân. PSK. Thông tin được truyền đi qua sự thay đổi pha với sóng hình sin có , trong đó β là chỉ số điều chế, ω m là tần số điều chế.

t t m s ω β φ sin ) ( =

Page 15: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 57

Receiver

Tại bộ thu quang, tín hiệu này trước tiên được trộn với sóng quang phát ra từ bộ dao động nội. Tiếp theo, photodiode tách sóng tín hiệu kết hợp từ hai tín hiệu này. Việc trộn được thực hiện tại bề mặt của bộ photodiode. Dao động nội có trường được viết như sau:

A LO , ω LO và φ LO (t) là biên độ, tần số và pha của dao động nội. Giả thiết cả trường E s và E LO có cùng phân cực. Bộ tách sóng phía thu sẽ đáp ứng với cường độ quang |E s +E LO | 2 .

[ ] ) ( cos t t A E LO LO LO LO φ ω + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 58

P coherent – công suất thu coherent

Do photodiode đáp ứng với cường độ quang nên công suất thu được tại bộ tách sóng được cho bởi

Với K là hằng số tỷ lệ.

Như vậy ta sẽ có

Trong đó P s =KA s 2 và P LO =KA LO 2 tương ứng là công suất quang tín hiệu và công suất quang dao động nội. f IF =ω IF /2π=(ω s ­ω LO ) /2π là trung tần,

2 LO s E E K P + =

( ) [ ] ) ( cos ) ( ) ( cos 2 ) ( t t t P P P P t P IF LO s LO s coh θ φ ω + + + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 59

Two stages of demodulation

φ(t)= φ s (t)­ φ LO (t) là sự khác pha tương đối giữa tín hiệu mang tin và tín hiệu dao động nội, còn cos θ(t) thể hiện sự lệch phân cực giữa trường quang tín hiệu và trường quang dao động nội:

Thông thường thì P LO lớn hơn rất nhiều P s . Khi ω s ≠ω LO , tín hiệu quang sẽ được giải điều chế theo hai giai đoạn:

Tần số sóng mang trước tiên được biến đổi thành trung tần f IF =ω IF /2π (typ. 0.1 ÷ 5 GHz)

LO s

LO s

E E E E t r r = ) ( cosθ

2/26/2007 Optic Communication Systems 60

Homodyne and Heterodyne Detection

Sau đó tín hiệu được giải điều chế sang băng cơ sở. Không nhất thiết luôn phải sử dụng trung tần. Trong bộ thu coherent thực tế, có hai kỹ thuật tách sóng tuỳ thuộc vào ω IF =0 hay ω IF ≠ 0.

Nếu ω IF =0 thì tách sóng được gọi là homodyne, còn Nếu ω IF ≠ 0 thì tách sóng được gọi là heterodyne.

Sự cải thiện về độ nhạy thu trong tách sóng Coherent được thể hiện bằng các kỹ thuật này. Tiêu chí đánh giá, phân tích thông qua việc so sánh dòng photo trong tách sóng trực tiếp và Coherent.

Page 16: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 61

II.3.2. Kỹ thuật tách sóng Homodyne

ω LO được chọn trùng với tần số tín hiệu ω s sao cho ω IF =0. Dòng photo trong trường hợp này là

Thông thường P LO >> P s nên tổng P LO +P S ≈P LO . Trong biểu thức trên, số hạng cuối cùng mang thông tin phát và được sử dụng tại mạch quyết định.

[ ] ) ( ) ( cos 2 ) ( ) ( t t P P R P P R t I LO s LO s LO s ho φ φ − + + = (*)

Back to p 132

2/26/2007 Optic Communication Systems 62

So sánh thu homodyne với tách sóng trực tiếp Xét trường hợp φ s (t)= φ LO (t). Khi đó dòng tín hiệu homodyne là

Trong khi đó dòng tín hiệu thu trực tiếp I DD (t)=RPs(t) . So sánh hai dòng photo trên ta thấy, nếu ký hiệu <P s > là công suất quang trung bình thì công suất điện trung bình trong tách sóng homodyne sẽ tăng với hệ số 4P LO /<P s > so với tách sóng trực tiếp. Nhận xét:

Do P LO >>P s nên tỷ số 4P LO /<P s > >> 1, dẫn tới sự tăng công suất có thể vượt 20 dB. Bộ dao động nội đã đóng vai trò bộ khuếch đại tín hiệu !

LO s sho P P R t I 2 ) ( =

2/26/2007 Optic Communication Systems 63

Remarks on Homodyne Receiver

Vì số hạng cuối trong biểu thức (*p. 61) rõ ràng tồn tại pha tín hiệu nên có thể truyền thông tin bằng điều chế pha cho sóng mang quang – Điều mà tách sóng trực tiếp không làm được do toàn bộ thông tin về pha tín hiệu đã bị mất ! Tách sóng homodyne là một kỹ thuật tiên tiến nhưng nó cũng có vấn đề do tính nhạy cảm pha của nó. Yêu cầu phải có mạch khóa pha quang OPLL để khóa pha của bộ dao động nội với sóng mang tín hiệu. Ngoài ra, có yêu cầu nghiêm ngặt đối với sự đồng tần giữa laser phát và laser dao động nội.

⇒ Điều này được khắc phục bằng tách sóng heterodyne!

2/26/2007 Optic Communication Systems 64

II.3.2 Tách sóng Heterodyne

ω IF ≠0 Không cần OPLL nên các bộ thu Heterodyne dễ thực hiện hơn bộ thu Homodyne. Dòng photo thu được trong tách sóng Heterodyne là:

Ta quan tâm đến thành phần điều hòa vì dòng này sẽ được lọc ra nhờ bộ lọc. Thành phần này có mang thông tin và là:

Heterodyne có thể dùng điều biên, pha và tần số của sóng mang quang để mang thông tin.

[ ] ) ( ) ( ) ( cos 2 ) ( ) ( t t t P P R P P R t I LO s IF LO s LO s he φ φ ω − + + + =

[ ] ) ( ) ( ) ( cos 2 ) ( t t t P P R t I LO s IF LO s she φ φ ω − + =

(*)

Back to p 132

Page 17: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 65

Remarks

Bộ dao động nội cũng khuếch đại tín hiệu thu được, do đó cải thiện được tỷ số SNR. Tuy nhiên, sự cải thiện SNR thấp hơn trường hợp tách sóng homodyne bởi hệ số 2 (hay 3 dB). Nguồn gốc của 3 dB có thể thấy khi xét công suất tín hiệu (tỷ lệ với bình phương dòng điện). Do bản chất của dòng I ac , công suất tín hiệu trung bình bị giảm đi hệ số 2 khi I ac 2 được lấy trung bình qua cả chu kỳ tại trung tần (nên nhớ là trung bình của cos 2 θ qua θ là ½) Sự trả giá cho thiệt thòi 3dB được bù lại bằng việc đơn giản hóa thiết kế máy thu do vòng khóa pha quang không cần nữa.

2/26/2007 Optic Communication Systems 66

Remarks…

Các biến động trong cả φ s và φ LO vẫn cần được điều khiển sử dụng các laser bán dẫn vạch phổ hẹp cho hai nguồn quang. Tuy nhiên, ta sẽ thấy yêu cầu về vạch phổ không quá nghiêm ngặt khi phương án giải điều chế không đồng bộ được sử dụng. Điểm này làm cho tách sóng heterodyne rất phù hợp cho thực hiện các hệ thống thông tin quang coherent trong thực tế.

2/26/2007 Optic Communication Systems 67

II.4. SNR của bộ thu quang coherent

Ưu điểm của tách sóng quang coherent có thể định lượng bằng việc xem xét SNR của dòng máy thu. Như phần trước đã trình bày, dòng máy thu biến động do nhiễu bắn và nhiễu nhiệt gây ra. Phương sai σ 2 của các biến động dòng đạt được bằng cách lấy tổng của hai thành phần, vì vậy

Trong đó

2 2 2 T s σ σ σ + =

e n L B T e d s B F R T k B I I e ) / 4 ( , ) ( 2 2 2 = + = σ σ (*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 68

SNR …

Sự khác biệt với các phân tích trước đây nằm ở sự đóng góp của nhiễu bắn. Dòng I trong biểu thức (*p.67) là dòng photo tổng được cho bởi bt (*p.61) hoặc (*p.64) tùy thuộc vào tách sóng homodyne hay heterodyne được sử dụng. Do thực tế P LO >>P s nên ta thế I trong (*p.67) bằng I=RP LO cho cả hai trường hợp. SNR được xác định bằng cách chia công suất tín hiệu trung bình cho công suất nhiễu trung bình.

Page 18: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 69

SNR ­ Heterodyne

SNR của bộ thu heterodyne là

Trong trường hợp homodyne, SNR lớn hơn bởi hệ số 2 nếu ta giả thiết φ s =φ LO trong biểu thức (*p.61) . Từ bt trên ta có thể thấy được ưu điểm của tách sóng coherent. Do công suất quang dao động nội P LO có thể được điều khiển tại bộ thu nên nó có thể đủ lớn để nhiễu máy thu có nhiễu bắn (shot noise) là trội.

2

2

2

2

) ( 2 2

T e d LO

LO s she

B I RP e P P R I

SNR σ σ + +

= =

2/26/2007 Optic Communication Systems 70

SNR – Heterodyne

Cụ thể hơn σ s 2 >>σ T 2 khi

Xét trong cùng điều kiện, đóng góp của dòng tối vào nhiễu bắn là không đáng kể tức (I d <<RP LO ). Khi đó SNR được cho bởi

Trong đó

) 2 /( 2 e T LO eRB P σ >>

e

s

e

s

B h P

eB P R

SNR ν

η = ≈

hv e R η =

(*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 71

Remarks

Tách sóng coherent cho phép đạt được giới hạn lượng tử ngay cả khi bộ thu quang sử dụng PIN (loại thường có nhiễu trội là nhiễu nhiệt). So sánh SNR trong bt (*p.11) với (*p.70) cho thấy sự cải thiện SNR trong tách sóng heterodyne so với tách sóng trực tiếp như thế nào. Hữu ích hơn nếu ta biểu diễn SNR theo số photon N p nhận được trong một bit đơn. Tại tốc độ bit B, công suất tín hiệu <P s > và B e trong (*p.70) quan hệ với N p theo <P s >=N p hνB. Điển hình, B e =B/2.

2/26/2007 Optic Communication Systems 72

SNR – heterodyne và homodyne

Sử dụng các giá trị trên của <P s > và B e trong bt (*p.70) , SNR he được cho bởi một biểu thức đơn giản

Trong trường hợp tách sóng homodyne, SNR lớn hơn bởi hệ số 2 và được cho bởi

Đối với bộ thu coherent có sử dụng APD, việc phân tích tương tự như ở trên trong đó R được thế bởi R APD =MR.

p he N SNR η 2 =

p ho N SNR η 4 =

(*)

(**)

Back to p.120

Page 19: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 73

II.5. Các dạng thức điều chế.

Ưu điểm quan trọng của sử dụng các kỹ thuật tách sóng coherent là ở chỗ cả biên độ và pha của tín hiệu quang thu được có thể được tách ra và đo. Đặc điểm này mở ra khả năng gửi thông tin bằng cách điều chế hoặc biên độ, hoặc pha, hoặc là tần số của sóng mang quang. Trong các HT thông tin số, 3 khả năng điều chế được sử dụng là ASK, PSK và FSK. Các dạng điều chế này được trình bày cho một mẫu bít đặc biệt trên hình sau.

2/26/2007 Optic Communication Systems 74

Modulation Formats

2/26/2007 Optic Communication Systems 75

II.5.1. Điều chế ASK

Điện trường kết hợp với một tín hiệu quang có thể được viết là

Trong trường hợp điều chế ASK, biên độ A s được điều chế trong khi duy trì ω 0 và φ s là hằng số. Đối với điều chế số nhị phân, A s nhận một trong hai giá trị cố định trong mỗi chu kỳ bit, tùy theo bit 1 hay 0 được truyền đi. Trong phần lớn các tình huống thực tế, A s = 0 khi truyền các bit 0. Khi đó, ASK được gọi là OOK và giống với sơ đồ điều chế thường được sử dụng cho các hệ thông TTQ số noncoherent IM/DD.

[ ]. ) ( cos ) ( ) ( 0 t t t A t E s s s φ ω + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 76

Sự khác biệt giữa ASK cho IM/DD và ASK cho coherent Thực hiện ASK cho các hệ thống coherent khác với trường hợp các hệ thống tách sóng trực tiếp ở một khía cạnh quan trọng.

IM/DD : luồng bit quang cho các hệ thống tách sóng trực tiếp có thể được tạo ra bằng việc điều chế trực tiếp LED hoặc laser diode Coherent: cần điều chế ngoài.

Why need an external modulator? Answer: Luôn có sự thay đổi về pha khi biên độ A s thay đổi do bởi dòng điều chế đặt vào laser bán dẫn.

Page 20: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 77

ASK for coherent …

Với các hệ thống IM/DD những biến đổi pha không cố ý như vậy không thấy được bởi bộ tách sóng (photodiode chỉ đáp ứng với công suất quang) và không phải là mối quan tâm chính ngoài sự mất mát công suất do tạo chirp. Khác với IM/DD, đáp ứng của bộ tách sóng trong hệ thống coherent phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được. Thực hiện ASK cho hệ thống cohherent đòi hỏi φ s duy trì gần như không đổi. Điều này đạt được nhờ vận hành laser bán dẫn liên tục bằng một dòng điện không đổi và điều chế đầu ra của nó bằng một bộ điều chế ngoài. Tuy nhiên, khi đó sẽ có sự mất mát công suất do suy hao xen.

2/26/2007 Optic Communication Systems 78

II.5.2. Điều chế PSK

Luồng bit quang được tao ra bằng việc điều chế pha φ s trong khi giữ nguyên biên độ A s và tần số ω 0 của sóng mang quang. Với PSK nhị phân, φ s nhận hai giá trị, thường được chọn là 0 và π. Điểm thú vị của PSK là cường độ quang duy trì không đổi trong tất cả các bit và tín hiệu xem ra có dạng liên tục CW. Tách sóng coherent là cần thiết cho PSK vì mọi thông tin sẽ bị mất nếu tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp mà không trộn nó với đầu ra của bộ dao động nội.

2/26/2007 Optic Communication Systems 79

PSK implementation

Thực hiện PSK đòi hỏi một bộ điều chế ngoài có khả năng làm thay đổi pha quang theo điện áp đặt vào. Cơ chế vật lý được sử dụng bởi những bộ điều chế như vậy được gọi là khúc xạ điện. Sử dụng PSK đòi hỏi pha của sóng mang quang phải duy trì ổn định sao cho thông tin về pha có thể được trích ra tại máy thu mà không có sự nhầm lẫn. Yêu cầu này đặt một yêu cầu nghiêm ngặt lên dung sai về độ rộng vạch phổ của laser phát và dao động nội. Yêu cầu này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng một biến thể của PSK gọi là DPSK.

2/26/2007 Optic Communication Systems 80

DPSK

Trong trường hợp DPSK, thông tin được mã hóa sử dụng sự khác pha giữa hai bit lân cận. Chẳng hạn như, nếu φ k đại điện cho pha của bit thứ k, độ lệch pha ∆φ=φ k ­φ k­1 bị thay đổi một lượng là π hoặc 0, tùy theo bit thứ k là bit 1 hay bit 0. Ưu điểm của DPSK là tín hiệu phát có thể được giải điều chế thành công miễn là pha sóng mang duy trì tương đối ổn định qua một khoảng thời gian 2 bit. Loại điều chế này thường được sử dụng trong các hệ thống thực tế vì không cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho chất lượng tốt.

Page 21: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 81

II.5.3. Điều chế FSK

Thông tin được mã hóa trên sóng mang quang bằng cách dịch chính tần số sóng mang ω 0 . Đối với một tín hiệu số nhị phân, ω 0 nhận hai giá trị, ω 0 +∆ω và ω 0 ­∆ω, tùy theo bit 1 hay bit 0 được phát đi.Độ dịch ∆f= ∆ω/2π được gọi là độ lệch tần. Đại lượng 2∆f đôi khi được gọi là khoảng cách tone do nó đại diện cho khoảng cách tần số giữa bit 1 và bit 0. Trường quang của FSK có thể được viết là.

[ ] s s s t A t E φ ω ω + ∆ ± = ) ( cos ) ( 0

2/26/2007 Optic Communication Systems 82

Wideband and narrowband FSK

trong đó, dấu + và – tương ứng với bit 1 và bit 0. Để ý rằng đối số của hàm cos có thể được viết là ω 0 t+(φ s ±∆ωt), FSK có thể được xem là một kiểu điều chế pha sao cho pha sóng mang tăng hoặc giảm tuyến tính trong khoảng thời gian bit. Việc lựa chọn ∆f phụ thuộc vào băng tần khả dụng. Tổng băng tần của FSK xấp xỉ là 2∆f+2B, trong đó B là tốc độ bit.

Khi ∆f>>B, băng tần ≈ 2∆f và gần như độc lập với B. Trường hợp này được gọi là FSK băng rộng. Khi ∆f<<B, được gọi là FSK băng hẹp, băng tần ≈ 2B. Tỷ số β FM = ∆f /B được gọi là chỉ số điều chế FM nhằm phân biệt hai trường hợp trên tùy theo β FM >>1 hay β FM <<1.

2/26/2007 Optic Communication Systems 83

II.6. Các phép giải điều chế

Như trên đã thảo luận, tách sóng homodyne hoặc heterodyne có thể được sử dụng để biến đổi tín hiệu quang nhận được sang dạng tín hiệu điện. Với tách sóng homodyne, tín hiệu quang được giải điều chế trực tiếp sang băng cơ sở. Mặc dù về khái niệm thì đơn giản nhưng tách sóng homodyne khó thực hiện trong thực tế do nó đòi hỏi bộ dao động nội có

tần số trùng với tần số sóng mang và pha được khóa vào tín hiệu tới.

2/26/2007 Optic Communication Systems 84

Giải điều chế

Sơ đồ giải điều chế như vậy được gọi là đồng bộ và cần thiết cho tách sóng homodyne. Mặc dù các mạch vòng khóa pha quang đã được phát triển cho mục đích này nhưng sử dụng trong thực tế khá phức tạp. Tách sóng heterodyne đơn giản hóa thiết kế máy thu, do không đòi hỏi khóa pha quang cũng như trùng hợp tần số của bộ dao động nội. Tuy nhiên, tín hiệu điện dao động nhanh ở các tần số vi ba và phải được giải điều chế từ băng IF xuống băng cơ sở sử dụng các kỹ thuật tương tự như kỹ thuật được phát triển cho các hệ thống thông tin vi ba.

Page 22: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 85

Synchronous and Asynchronous Demodulations Giải điều chế có thể được thực hiện đồng bộ hoặc không đồng bộ.

Giải điều chế không đồng bộ cũng được gọi là không kết hợp trong tài liệu thông tin vô tuyến. Trong tài liệu thông tin quang, thuật ngữ tách sóng coherent (kết hợp) được sử dụng theo nghĩa rộng hơn. Một hệ thống được gọi là coherent miễn là nó sử dụng một bộ dao động nội bất chấp kỹ thuật giải điều chế được sử dụng để biến đổi tín hiệu IF sang các tần số băng cơ sở.

2/26/2007 Optic Communication Systems 86

II.6.1. Giải điều chế đồng bộ Heterodyne

Sơ đồ máy thu heterodyne đồng bộ

2/26/2007 Optic Communication Systems 87

Synchronous demodulation

Dòng tạo ra tại photodiode được đưa qua một bộ lọc thông dải (BPF) có tần số trung tâm nằm tại trung tần ω IF . Dòng sau lọc vắng bóng nhiễu có thể được viết là

Trong đó và φ=φ LO ­φ s là độ lệch pha giữa bộ dao động nội và tín hiệu. Nhiễu cũng được lọc ra bởi BPF. Sử dụng các thành phần đồng pha và vuông pha của nhiễu Gauss đã lọc, nhiễu máy thu được bao hàm thông qua

) cos( ) ( φ ω − = t I t I IF p f

LO s p P P R I 2 =

) sin( ) sin ( ) cos( ) cos ( ) ( t i I t i I t I IF s p IF c p f ω φ ω φ + + + = (*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 88

Synchronous Demodulation

I c và i s là các biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng 0 và phương sai σ 2 được cho bởi (p.67). Với giải điều chế đồng bộ, I f (t) được nhân với cos(ω If t) và được lọc bởi một bộ lọc thông thấp. Tín hiệu băng cơ sở (băng gốc) là

ở đây dấu ngoặc vuông ký hiệu lọc thông thấp được sử dụng để loại trừ các thành phần ac dao động tại 2ω IF . BT trên cho thấy chỉ thành phần nhiễu đồng pha ảnh hưởng tới hoạt động của bộ thu heterodyne đồng bộ.

) cos (2 1 ) cos( c p IF f d i I t I I + = = φ ω (*)

Page 23: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 89

Synchronous Demodulation

Giải điều chế đồng bộ đòi hỏi khôi phục sóng mang viba tại trung tần ω IF . Một số mạch điện tử có thể được sử dụng cho mục đích này, tất cả yêu cầu một loại vòng khóa pha điện. Hai loại vòng khóa pha thường được sử dụng là vòng squaring loop và Costas loop. Vòng squaring loop sử dụng một linh kiện theo luật bình phương để đạt được 1 tín hiệu có dạng cos 2 (ω If t) có thành phần tần số 2ω IF . Thành phần này có thể được sử dụng để tạo tín hiệu vi ba tại ω IF .

2/26/2007 Optic Communication Systems 90

II.6.2. Giải điều chế không đồng bộ heterodyne Sơ đồ máy thu heterodyne không đồng bộ.

2/26/2007 Optic Communication Systems 91

Giải điều chế không đồng bộ heterodyne

Không đòi hỏi phải khôi phục sóng mang viba tại trung tần, dẫn đến thiết kế máy thu đơn giản hơn. Tín hiệu sau lọc I f (t) được biến đổi sang băng gốc nhờ sử dụng bộ tách sóng đường bao, sau đó được lọc bởi một bộ lọc thông thấp. Tín hiệu nhận được bởi mạch quyết định là I d =|I f |, trong đó I f được cho bởi (*p.87).

Sự khác biệt chính là cả thành phần đồng pha và vuông pha của nhiễu máy thu đều ảnh hưởng đến tín hiệu. Vì vậy, SNR xấu hơn so với giải điều chế đồng bộ.

[ ] 2 / 1 2 2 ) sin ( ) cos ( s p c p f d i I i I I I + + + = = φ φ

2/26/2007 Optic Communication Systems 92

Giải điều chế không đồng bộ heterodyne

Phần sau ta sẽ thấy, sự giảm độ nhậy do giảm SNR là khá nhỏ (khoảng 0.5 dB). Do yêu cầu độ ổn định pha là không lớn trong trường hợp giải điều chế không đồng bộ nên sơ đồ này thường được sử dụng cho các hệ thống sóng ánh sáng coherent. Máy thu heterodyne không đồng bộ trong hình trên đòi hỏi sửa đổi khi các dạng thức điều chế FSK và PSK được sử dụng (xem sơ đồ trang bên)

Page 24: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 93

Dual­filter FSK và DPSK asynchronous heterodyne receivers.

2/26/2007 Optic Communication Systems 94

Dual­ and single­filter FSK receivers

Máy thu dual­filter FSK sử dụng hai nhánh riêng biệt để xử lý các bit “1” và bit “0” mà tần số sóng mang của chúng (hay trung tần) khác nhau.

Được sử dụng bất cứ khi nào β FM >>1, để cho phổ của bit 1 và bit 0 có độ chồng chéo nhỏ. Hai bộ lọc BPF có tần số trung tâm nằm cách nhau chính xác bằng khoảng cách tone để cho BPF cho qua chỉ hoặc bit 1 hoặc bit 0.

Máy thu dùng 1 bộ lọc có thể được sử dụng cho giải điều chế FSK nếu băng tần của nó được chọn đủ rộng để cho qua toàn bộ luồng bit. Khi đó, tín hiệu được xử lý bởi một bộ phân biệt tần số để nhận dạng các bit 1 và bit 0. Sơ đồ này chỉ làm việc tốt cho FSK độ lệch hẹp ( β FM <<1).

2/26/2007 Optic Communication Systems 95

DPSK

Giải điều chế không đồng bộ không thể dùng cho trường hợp PSK do pha của laser phát và bộ dao động nội không được khóa và có thể trôi theo thời gian. Tuy nhiên, sử dụng điều chế DPSK cho phép giải điều chế không đồng bộ bằng việc sử dụng sơ đồ có trễ như trên hình (b). Ý tưởng là nhân luồng bit nhận được với một bản sao của nó sau khi đã bị làm trễ bởi chu kỳ 1 bit. Tín hiệu ra có 1 thành phần có dạng cos(φ k ­φ k­1 ) có thể được sử dụng để khôi phục mẫu bit do thông tin được mã hóa trong độ lệch pha φ k ­φ k­1 .( ở đây φ k là pha của bit thứ k). Một sơ đồ như vậy đòi hỏi độ ổn định pha chỉ trong vài bit và có thể được thực hiện bằng các laser bán dẫn DFB.

2/26/2007 Optic Communication Systems 96

II.7. BER trong bộ thu quang coherent BER (độ nhạy máy thu) phụ thuộc vào dạng thức điều chế cũng như sơ đồ giải điều chế sử dụng bởi máy thu coherent. Do đó, ta sẽ xem xet BER và độ nhạy thu cho từng trường hợp riêng biệt.

Page 25: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 97

II.7.1. BER của bộ thu ASK đồng bộ

Xét trường hợp tách sóng heterodyne. Tín hiệu được sử dụng bởi mạch quyết định được cho bởi (*p.88) . Pha φ nhìn chung biến đổi ngẫu nhiên do sự biến động pha liên quan tới laser máy phát và bộ dao động nội. Ảnh hưởng của những biến động về pha có thể giảm nhỏ đáng kể khi sử dụng các laser bán dẫn có độ rộng phổ chỉ bằng một phần nhỏ của tốc độ bit. Với giả thiết này, đặt φ=0 thì tín hiệu quyết định được cho bởi ( ) c p d i I I + =

2 1

(*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 98

BER trong bộ thu ASK đồng bộ

Trong đó, I p =I sho (t)≡2R(P s P LO ) 1/2 nhận các giá trị I 1 hoặc I 0 tùy theo bit 1 hay 0 đang được tách sóng. Xét trường hợp I 0 =0 trong đó không có công suất được truyền trong khoảng thời gian các bit 0. Ngoại trừ trường hợp hệ số ½ trong (*p.97) còn lại tình huống giống hệt như trường hợp tách sóng trực tiếp đã thảo luận. Hệ số ½ không ảnh hưởng tới BER do cả tín hiệu và nhiễu đều giảm đi cùng hệ số, dẫn tới SNR không đổi. Trong thực tế, ta có thể sử dụng cùng kết quả như trường hợp tách sóng trực tiếp (*p.28)

2/26/2007 Optic Communication Systems 99

BER … ASK … đồng bộ

Trong đó Q được cho bởi (**p.28) hay

ở đây ta đã sử dụng I 0 =0 và gán σ 0 ≈σ 1. . Sự xấp xỉ này đúng cho hầu hết bộ thu coherent có nhiễu trội là nhiễu lượng tử sinh ra do công suất quang dao động nội và duy trì không đổi bất chấp công suất tín hiệu thu được có mức như thế nào.

=

2 2 1 Q erfc BER

SNR I I I Q 2 1

2 1

1

0 1

0 1 = ≈ + −

= σ σ σ

(*)

(**)

Back to p.111

2/26/2007 Optic Communication Systems 100

BER của bộ thu ASK heterodyne và ASK homodyne – đồng bộ Nếu biểu diễn BER theo số photon trong 1 bit (N p ) thì BER của bộ thu ASK heterodyne được viết như sau

ở đây ta đã sử dụng kết quả (*p.72) Còn BER của bộ thu ASK homodyne có SNR được cải thiện 3dB (**p.72) so với heterodyne được cho như sau

(*)+(**) được sử dụng để tính độ nhạy thu có BER đã cho

=

4 2 1 p N erfc BER

η

=

2 2 1 p N erfc BER

η

(*)

(**)

Back to p 121

Page 26: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 101

Độ nhạy máy thu

Tương tự như trường hợp tách sóng trực tiếp, ta có thể định nghĩa độ nhạy thu là công suất trung bình nhận được yêu cầu để đạt được BER ≤10 ­9 . Từ (*, ** p.100), BER=10 ­9 khi Q≈6. hay khi SNR=144 (21.6 dB). Với trường hợp ASK heterodyne

ở đây sử dụng <P rec >=<P s >/2 do công suất tín hiệu bằng 0 trong khoảng thời gian các bit 0.

η η / 72 / 2 2 e e rec hvB hvB Q P = = (*)

Back to p.111

2/26/2007 Optic Communication Systems 102

Độ nhạy thu

Trường hợp ASK homodyne, <P rec > sẽ nhỏ hơn bởi hệ số 2 do sự cải thiện 3dB trong tách sóng homodyne.

Ví dụ: Với một máy thu ASK heterodyne 1,55 µm có η=0,8 và B e =1 GHz, độ nhạy máy thu vào khoảng 12 nW và giảm xuống 6 nW nếu tách sóng homodyne được sử dụng.

Độ nhạy thu thường được đánh giá theo số photon N p sử dụng (*, ** p.100), vì một lựa chọn như vậy làm cho nó độc lập với băng tần máy thu và bước sóng hoạt động. Hơn nữa, η cũng được gán bằng 1 vì vậy độ nhạy tương ứng với một photodiode lý tưởng.

2/26/2007 Optic Communication Systems 103

Số photon trên 1 bit ­ ASK

Ta dễ dàng xác minh được rằng để đạt BER=10 ­9 thì N p cần phải là 72 và 36 trong các trường hợp heterodyne và homodyne tương ứng. Điều quan trọng cần ghi nhớ là N p tương ứng với số photon trong bit “1”. Số lượng photon trung bình trong một bit (<N p >) giảm đi bởi hệ số 2 nếu ta giả thiết rằng các bit “0” và “1” xuất hiện đồng đều trong một chuỗi bit dài.

2/26/2007 Optic Communication Systems 104

II.7.2. BER của bộ thu PSK đồng bộ

Trước hết xét trường hợp tách sóng heterodyne. Tín hiệu tại mạch quyết định được cho bởi

Khác với ASK, ở đây I p là hằng số, còn pha φ = 0 hoặc π tùy thuộc vào 1 hay 0 được phát đi. Trong cả hai trường hợp, I d là biến ngẫu nhiên Gauss nhưng giá trị trung bình của nó hoặc là I 1 =I p /2 hoặc là I 0 =­ I p /2 (khác với ASK có I 0 =0) tùy theo bit nhận được. Thực tế, ta có thể sử dụng (*p.99) để tính BER và

( ) c p d i I I + = φ cos 2 1

Page 27: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 105

BER – Heterodyne PSK – đồng bộ

Q được tính như sau

ở đây đã sử dụng σ 1 =σ 0 . BER của thu heterodyne PSK được viết như sau

ở đây đã sử dụng SNR=2ηN p .

SNR I I I Q = = + −

= 1

1

0 1

0 1

2 2 σ σ σ

( ) p N erfc BER η 2 1

=

2/26/2007 Optic Communication Systems 106

BER ­ Homodyne PSK – đồng bộ

Cũng như trước đây, SNR được cải thiện 3dB hay bởi hệ số 2 nên BER trong trường hợp tách sóng homodyne được xác định như sau

Độ nhạy thu tại BER=10 ­9 có thể đạt được bằng việc sử dụng Q=6 và bt (*,**p.72) cho SNR. Nhằm mục đích so sánh, sẽ hữu ích khi biểu diễn độ nhạy thu theo số photon N p . Dễ dàng xác minh được rằng N p =18 và 9 cho trường hợp cách sóng PSK heterodyne và homodyne tương ứng.

( ) p N erfc BER η 2 2 1

=

2/26/2007 Optic Communication Systems 107

So sánh độ nhạy­ thu tách sóng trực tiếp với thu coherent Số photon trung bình / bit <N p >= N p đối với điều chế PSK do cùng lượng công suất được phát đi trong các bit 0 và 1. Máy thu PSK homodyne là máy thu có độ nhạy cao nhất, chỉ yêu cầu 9 photon/bit. Note: Cần được nhấn mạnh ở đây rằng kết luận này dựa trên xấp xỉ Gauss cho nhiễu máy thu. So sánh độ nhạy của máy thu coherent với độ nhạy của máy thu tách sóng trực tiếp được cho trong bảng (p.112).

2/26/2007 Optic Communication Systems 108

Nhận xét

Trong phần I đã thảo luận, một máy thu tách sóng trực tiếp đòi hỏi 10 photon/bit để hoạt động ở BER<10 ­9 . Con số này chỉ xấu hơn một chút so với trường hợp tốt nhất của máy thu PSK homodyne và tốt hơn nhiều máy thu heterodyne. Tuy nhiên, trong thực tế con số 10 photon/bit không bao giờ đạt được do nhiễu nhiệt, dòng tối và nhiều yếu tố khác làm giảm độ nhạy tới mức mà <N p > >1000 luôn được yêu cầu. Trong trường hợp thu coherent, <N p > < 100 có thể được thực hiện đơn giản do nhiễu lượng tử có thể được làm trội bằng cách tăng P LO .

Page 28: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 109

II.7.3 BER của bộ thu FSK đồng bộ

Các bộ thu FSK đồng bộ nhìn chung sử dụng sơ đồ lọc kép tương tự như sơ đồ trên Hình (p.93) của trường hợp không đồng bộ. Mỗi bộ lọc cho qua các bit “1” hoặc “0”. Sơ đồ này tương đương với 2 bộ thu ASK heterodyne hoạt động song song. Đặc điểm này có thể được dùng để tính BER của các máy thu FSK đồng bộ lọc kép. Như vậy, có thể sử dụng (*,**p.99) để tính BER cho trường hợp FSK.

2/26/2007 Optic Communication Systems 110

Cải thiện SNR của FSK so với ASK

Tuy nhiên, SNR được cải thiện với hệ số 2 so với trường hợp ASK. Why? Là do thực tế là trung bình có đến một nửa thời gian bộ thu ASK không nhận được chút công suất nào, trong khi bộ thu FSK nhận được công suất trong toàn bộ thời gian. Điều này tương ứng với công suất tín hiệu (P s ) đã được tăng cường với hệ số 2, trong khi công suất nhiễu σ 2 =const (nếu ta giả thiết băng tần máy thu như nhau trong hai trường hợp thu ASK và FSK).

2/26/2007 Optic Communication Systems 111

FSK – Heterodyne

Như vậy SNR của bộ thu FSK heterodyne là SNR=4ηN p . Thế vào pt (**p.99) ta được

Từ độ nhạy thu cho ASK Heterodyne theo (*p.101) ta suy ra độ nhạy thu cho FSK Heterodyne bằng việc thay hệ số 72 bằng 36. Về số photon, độ nhạy của FSK­Heterodyne được cho bởi N p =36. <N p >=36 và = <N p > của ASK­He Mặc dù ASK­He cần 72 photon trong bit “1” nhưng độ nhạy là như nhau cho ASK­He và FSK­He.

2 / 2 1

p N erfc BER η =

2/26/2007 Optic Communication Systems 112

Bảng so sánh độ nhạy máy thu

Page 29: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 113

BER of receivers using different modulation methods ­ Synchronous

0 10 100 ­12

­10

­8

­6

­4

­2

0

Sè photon (Np)

Log10(BER)

FSK HE ASK HE PSK HO PSK HE IM DD

2/26/2007 Optic Communication Systems 114

BER Comparision

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ­12

­10

­8

­6

­4

­2

0

Sè photon (Np)

Log10(BER)

FSK HE ASK HE PSK HO PSK HE IM DD

2/26/2007 Optic Communication Systems 115

II.7.4 BER của bộ thu ASK không đồng bộ Tính toán BER cho trường hợp thu không đồng bộ phức tạp hơn do thống kê nhiễu không còn là Gauss khi tách sóng đường bao được sử dụng. Trong trường hợp bộ thu ASK Heterodyne lý tưởng không có biến động về pha thì φ=0, ta có

ở đây ký hiệu d dưới I được bỏ đi nhằm đơn giản trong ký hiệu. Mặc dù Cả I p +I c và I s là các biến ngẫu nhiên Gauss nhưng hàm mật độ xác suất của I không phải là Gauss

[ ] 2 / 1 2 2 ) ( s c p i i I I + + =

2/26/2007 Optic Communication Systems 116

Rice Distribution

Hàm mật độ xác suất này có thể được xác đinh là:

Trong đó, I 0 là hàm Bessel cải tiến loại 1. Cả I c và I s được giả thiết có hàm mật độ xác suất Gauss có trung bình bằng 0 và có độ lệch chuẩn σ (là dòng nhiễu trung bình bình phương RMS). Hàm (*) được gọi là phân bố Rice.

+ − = 2 0 2

2 2

2 2 exp ) , (

σ σ σ I I

I I I I I I p p p

p (*)

Page 30: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 117

BER Calculation

Lưu ý rằng I biến đổi trong phạm vi 0 ÷ ∞ (do đầu ra của bộ tách sóng đường bao chỉ có giá trị dương). Khi I p =0 thì phân bố Rice rút gọn thành phân bố Rayleigh. Tính toán BER sử dụng phân tích trước đây với sự khác biệt là sử dụng phân bố Rice thay cho phân bố Gauss.

2/26/2007 Optic Communication Systems 118

BER – ASK – Không đồng bộ

BER được cho bởi

Trong đó

I D là mức quyết định còn I 1 và I 0 là các giá trị của I p đối với bit “1” và “0”. Nhiễu là như nhau cho tất cả các bit (σ 0 =σ 1 =σ) do nó được làm trội bởi công suất bộ dao động nội.

[ ] ) 0 / 1 ( ) 1 / 0 ( 2 1 P P BER + =

∫ ∫ ∞

= = D

D

I

I

dI I I p P dI I I p P ) , ( ) 0 / 1 ( , ) , ( ) 1 / 0 ( 0 0

1 (*)

2/26/2007 Optic Communication Systems 119

BER – ASK – Không đồng bộ

Các tích phân trong (*p.118) có thể được biểu diễn dưới dạng hàm số Q của Marcum với định nghĩa là

Kết quả cho BER là

Mức quyết định I D được chọn sao cho BER là tối thiểu với các giá trị I 1 , I 0 và σ đã cho.

dx x I x x Q o ) ( 2

exp ) , ( 2 2

α α β α β ∫ ∞

+ − =

+

− =

σ σ σ σ D D I I Q I I Q BER , 0 , 1

2 1 1

2/26/2007 Optic Communication Systems 120

ASK – Không đồng bộ ­ BER

Trong những điều kiện tổng quát, rất khó đạt được biểu thức giải tích cho I D . Tuy nhiên, trong những điều kiện hoạt động điển hình, I 0 ≈0, I 1 / σ >>1 và I D được xấp xỉ là I 1 /2. Khi đó BER trở thành

Khi nhiễu máy thu σ được làm trội bởi nhiễu nhiệt, SNR được cho bởi (*p.72). Với SNR=2ηN p ta có

( ) ( ) 8 / exp 2 1 8 / exp

2 1 2 2

1 SNR I BER − = − ≈ σ

− =

4 exp

2 1 p N

BER η

(*)

Page 31: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 121

So sánh ASK đồng bộ với ASK không đồng bộ So sánh (*p.120) với BER của bộ thu ASK Heterodyne đồng bộ (*p.100). Hình sau thể hiện rõ điều này. Nó cho thấy BER của trường hợp không đồng bộ lớn hơn so với trường hợp đồng bộ có cùng giá trị ηN p . Tuy nhiên, sự chênh lệch là nhỏ đến mức độ nhạy thu tại BER=10 ­9 chỉ giảm đi khoảng 0.5 dB. Nếu giả thiết η=1, (*p.120) cho thấy rằng BER=10 ­9 cho N p =80 (72 cho trường hợp đồng bộ) ⇒ các bộ thu không đồng bộ có hiệu suất hoạt động ngang bằng các bộ thu đồng bộ và thường được sử dụng trong thực tế do sự đơn giản trong thiết kế!

2/26/2007 Optic Communication Systems 122

BER – ASK HE – Syn. vs. Asyn.

0 10 100 ‐12

‐10

‐8

‐6

‐4

‐2

0

Sè photon (Np)

Log10(BER)

ASK HE Synchronous

ASK HE Asynchronous

2/26/2007 Optic Communication Systems 123

II.7.5. BER của bộ thu FSK không đồng bộ Mặc dù bộ thu heterodyne lọc đơn có thể sử dụng cho FSK nhưng nó có nhược điểm là một nửa công suất thu được bị loại bỏ, dẫn tới sự thiệt thòi 3dB. Vì lý do này, máy thu FSK lọc kép thường được sử dụng trong đó các bit “1” và “0” đi qua hai bộ lọc riêng biệt. Đầu ra của hai bộ tách sóng được trừ cho nhau, và tín hiệu sau đó được sử dụng bởi mạch quyết định. Do dòng trung bình nhận các giá trị I p và –I p cho các bit “1” và “0” nên ngưỡng quyết định được đặt ở giữa (I D =0).

2/26/2007 Optic Communication Systems 124

BER – FSK – Không đồng bộ

Qua phân tích, tính toán người ta tìm được

Sử dụng SNR=2ηN p ta đạt được kết quả cuối cùng

( ) ) 4 / exp( 2 1 4 / exp

2 1 2 2

1 SNR I BER − = − = σ

) 2 / exp( 2 1

p N BER η − =

Page 32: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 125

So sánh FSK – He Syn. và Asyn.

Cũng giống như trường hợp ASK, BER lớn hơn cho giải điều chế không đồng bộ. Tuy nhiên, sự khác biệt là nhỏ và độ nhạy thu bị giảm chỉ khoảng 0.5 dB so với trường hợp đồng bộ. Nếu giả thiết rằng η=1, N p =40 tại BER=10 ­9 (N p =36 trong trường hợp đồng bộ). <N p > cũng là 40 do cùng lượng photon nhận được trong các bit “1” và “0”. Tương tự trường hợp đồng bộ, <N p > là như nhau cho ASK và FSK Heterodyne. Hình sau so sánh BER của FSK Syn và Asyn.

2/26/2007 Optic Communication Systems 126

BER­ FSK Syn. vs. FSK Asyn.

0 10 100 ­12

­10

­8

­6

­4

­2

0

Sè photon (Np)

Log10(BER)

FSK HE Synchronous FSK HE Asynchronous

2/26/2007 Optic Communication Systems 127

Độ nhạy của các bộ thu Không Đ.Bộ

2/26/2007 Optic Communication Systems 128

II.7.6. BER của bộ thu DPSK không đồng bộ Như đã nói, giải điều chế không đồng bộ không thể sử dụng cho các tín hiệu PSK. Tuy nhiên, một biến thể của PSK là DPSK có thể được sử dụng cho các máy thu DPSK không đồng bộ. Dòng sau lọc được chia làm 2 phần, một phần được làm trễ chính xác bằng một chu kỳ bit. Tích của hai dòng chứa thông tin về hiệu pha giữa hai bit lân cận và được sử dụng bởi dòng quyết định để xác định mẫu bit.

Page 33: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 129

BER – bộ thu DPSK

Tính toán BER phức tạp hơn trong trường hợp DPSK. Tuy nhiên, kết quả cuối cùng khá đơn giản và được cho bởi

Khi η=1 và N p =20 thì BER=10 ­9 . Hình sau cho thấy BER của bộ thu DPSK

) exp( 2 1

p N BER η − =

2/26/2007 Optic Communication Systems 130

Độ nhạy thu DPSK

0 10 100 ­12

­10

­8

­6

­4

­2

0

Sè photon (Np)

Log10(BER)

DPSK

2/26/2007 Optic Communication Systems 131

II.7. Các yếu tố làm giảm độ nhạy

Những phân tích về độ nhạy trong những phần trước đây dựa trên giả thiết điều kiện làm việc lý tưởng của các hệ thống TTQ coherent có các linh kiện hoàn hảo. Trong các hệ thống thực tế có nhiều cơ chế vật lý làm giảm độ nhạy máy thu, đó là: nhiễu pha, nhiễu cường độ, mất phối hợp về phân cực và tán sắc sợi. Trong phần này, chúng ta thảo luận về các cơ chế làm giảm độ nhạy và các kỹ thuật cải thiện hoạt động bằng thiết kế máy thu thích hợp.

2/26/2007 Optic Communication Systems 132

II.7.1. Nhiễu pha

Nhiễu pha liên quan tới laser phát và bộ dao động nội. Lý do có thể được hiểu từ 2 biểu thức dòng tách sóng trong 2 trường hợp homodyne va heterodyne (* p.61) và (*p.64). Trong cả hai trường hợp, biến động pha dẫn tới biến động dòng và làm giảm SNR. Cả pha tín hiệu φ s và pha bộ dao động nội φ LO cần phải duy trì tương đối ổn định để tránh giảm độ nhạy. Số đo về khoảng thời gian qua đó pha của laser được giữ tương đối ổn định được cho bởi thời gian kết hợp.

Page 34: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 133

Phase noise

Do thời gian kết hợp tỷ lệ nghịch với độ rộng vạch phổ ∆ν của laser nên người ta thường sử dụng tỷ số độ rộng vạch phổ trên tốc độ bit (∆ν/B) để đặc trưng cho tác động của nhiễu pha lên hoạt động của hệ thống TTQ coherent. Do φ s và φ LO biến động độc lập nên ∆ν thực tế là tổng độ rộng phổ ∆ν T và ∆ν LO của máy phát và bộ dao động nội. Đại lượng ∆ν= ∆νT+ ∆νLO thường được gọi là độ rộng phổ IF.

2/26/2007 Optic Communication Systems 134

Quan hệ giữa ∆ν/B và độ thiệt thòi công suất do nhiễu pha gây ra Giá trị cho phép của ∆ν/B làm cho độ thiệt thòi công suất duy trì dưới mức 1dB phụ thuộc vào phương thức điều chế và kỹ thuật giải điều chế. Nhìn chung, độ rộng phổ yêu cầu nghiêm ngặt nhất đối với các máy thu homodyne. Mặc dù độ rộng phổ cho phép ở mức độ nào đó phụ thuộc vào thiết kế vòng khóa pha nhưng điển hình thì ∆ν/B nên <5×10 ­4 để có được độ thiệt thòi công suất < 1dB. Trái lại, các bộ thu ASK và FSK không đồng bộ cho phép ∆ν/B có thể lớn hơn 0.1. Lý do là thực tế các máy thu này sử dụng bộ tách sóng đường bao bỏ qua các thông tin về pha.

2/26/2007 Optic Communication Systems 135

Ảnh hưởng của nhiễu pha và biện pháp khắc phục Ảnh hưởng của biến động pha chủ yếu là làm rộng băng tần tín hiệu. Tín hiệu có thể được khôi phục bằng cách tăng độ rộng băng tần của bộ lọc BPF. Về nguyên tắc, bất cứ độ rộng phổ nào cũng có thể được dung hòa nếu băng tần BPF được tăng lên một cách thích hợp. Tuy nhiên, sự trả giá là nhiễu máy thu tăng khi tăng dải thông của bộ lọc BPF. Hình sau cho thấy độ nhạy thu (được biểu diễn theo số photon trung bình/bit <N p >) giảm theo ∆ν/B như thế nào đối với điều chế ASK và FSK.

2/26/2007 Optic Communication Systems 136

Độ nhạy thu giảm khi ∆ν/B tăng

Page 35: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 137

∆ν/B yêu cầu đối với DPSK

Tính toán BER khá cồng kềnh và đòi hỏi mô phỏng bằng phương pháp số. Một số phương pháp gần đúng đã được phát triển để đưa ra kết quả phân tích chính xác trong giới hạn 1dB. DPSK đòi hỏi độ rộng phổ hẹp hơn so với ASK và FSK khi giải điều chế không đồng bộ dựa trên phương án làm trễ được sử dụng. Lý do là thông tin được chứa đựng trong hiệu pha giữa hai bit lân cận và pha cần phải duy trì ổn định tối thiểu là qua khoảng thời gian 2 bit. ∆ν/B cần phải <1% để độ thiệt thòi công suất <1dB.

2/26/2007 Optic Communication Systems 138

Xử lý nhiễu pha (tiếp…)

Chọn laser diode làm việc với mode dọc có độ rộng vạch phổ hẹp, đồng thời bước sóng phải có thể điều chỉnh được (trong phạm vi vài nanomet) nhằm đảm bảo ω 0 =ω LO (homodyne) hoặc tạo ra trung tần yêu cầu (heterodyne). Laser MQW với độ rộng phổ đạt giá trị rất nhỏ, cỡ 0,1 MHz rất thích hợp cho TTQ coherent. Cách khác là dùng các máy thu phân tập pha. Những bộ thu này sử dụng hai hay nhiều bộ tách sóng mà đầu ra của chúng được kết hợp để tạo ra một tín hiệu độc lập với hiệu pha φ IF =φ s ­φ LO .

2/26/2007 Optic Communication Systems 139

Xử lý nhiễu pha (tiếp …)

Kỹ thuật này hoạt động tốt cho các dạng điều chế ASK, FSK và DPSK. Hình sau trình bày một bộ thu phân tập pha nhiều cửa. Một linh kiện quang gọi là optical hybrid kết hợp đầu vào tín hiệu và bộ dao động nội và đưa ra đầu ra của nó qua một số cổng có độ dịch pha thích hợp. Đầu ra từ mỗi cổng được xử lý và kết hợp để cho ra dòng điện độc lập với φ IF .

Trong trường hợp máy thu homodyne 2 cửa, 2 nhánh ra có độ dịch pha tương đối là 90 0 , vì vậy dòng trong hai nhánh biến đổi theo I p cos φ If và sin φ IF . Khi 2 nhánh được bình phương và cộng lại thì tín hiệu trở nên độc lập với φ IF .

2/26/2007 Optic Communication Systems 140

Máy thu phân tập pha

Page 36: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 141

Giải quyết nhiễu pha (tiếp)

Trong trường hợp máy thu 3 cửa, ba nhánh có độ dịch pha tương đối là 0, 120 o và 240 o . Cũng như trước, khi các dòng điện được bình phương rồi cộng lại thì tín hiệu trở nên độc lập với φ IF . Thiết kế máy thu có nhiều cửa cũng tương tự như trên nhưng độ phức tạp tăng và đòi hỏi công suất của bộ dao động nội phải cao do phải chia cho nhiều nhánh. Vì vậy, phần lớn các máy thu phân tập pha sử dụng 2 hoặc 3 cổng. Một số thử nghiệm cho thấy rằng độ rộng phổ có thể tiệm cận tới tốc độ bit mà không gây ra độ thiệt thòi công suất đáng kể.

2/26/2007 Optic Communication Systems 142

Kết luận

Các mô phỏng về máy thu phân tập pha chỉ ra rằng nhiễu không còn là Gauss nữa. Nhìn chung, BER bị ảnh hưởng không chỉ bởi độ rộng phổ của laser mà còn bởi các yếu tố khác, chẳng hạn như dải thông của bộ lọc BPF.

2/26/2007 Optic Communication Systems 143

II.7.2. Nhiễu cường độ

Nhiễu cường độ có thể bỏ qua trong hầu hét các hệ thống IM/DD. Tuy nhiên, với các máy thu coherent thì khác.

2/26/2007 Optic Communication Systems 144

II.7.3. Mất phối hợp phân cực

Page 37: Slide Chi Tiet Ve Coherent

2/26/2007 Optic Communication Systems 145

II.7.4. Tán sắc sợi