Chương I Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp (Coherent optical systems) I.Giới thiệu chung: 1. Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp: Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao về tính kết hợp thời gian của nguồn phát quang laser và độ kết hợp về không gian trong bộ tách sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội. Vào những năm của thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp đã được các nhà nghiên cứu đề cập và chứng minh là có thể sử dụng kĩ thuật đổi tần tín hiệu truyền tin trên hệ thống sợi quang. Nhưng vào thời kì này công nghệ quang và công nghẹ laser không thoả mãn và đáp ứng được những yêu cầu đặt ra.
Những năm đầu thập kỉ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đã đạt được những thành tựu to lớn. Cáp sợi quang single mode có tiêu hao cỡ nhỏ hơn 0,2db/km tại cửa sổ truyền dẫn với bước sóng 1550nm. Cùng với sự phát triển công nghệ cáp sợi quang là công nghệ laser bán dẫn cũng đạt được những bước tiến dài. Các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép và có bước sóng ổn định tương thích với sợi quang, độ rộng phổ cho phép tán xạ trên đường truyền là không đáng kể.
Chính nhờ các thành tựu trên việc nghiên cứu thông tin quang kết hợp đã thu được những kết quả tốt đẹp, Có nhiều công trình thử nghiệm về hệ thống thông tin quang kết hợp đã được tiến hành ở nhiều nước như: Nhật Bản , Mỹ, Châu Âu. Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng như AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ thông tin quang kết hợp vào mạng viễn thông là hướng mạnh nhằm nâng cao khả năng truyền dẫn và kéo dài cự ly giữa các trạm lặp. Như ta đã biết trong các hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng kĩ thuật điều biến và giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation – derect detection) có đặc điểm: SV: Lê Duy Tùng 11 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH - Đối với các hệ thống thông tin số và tương tự, cường độ ánh sáng phát ra ( LED và Laser) được điều chế trực tiếp đối với dòng tín hiệu vào. - Không sử dụng pha của sóng mang để truyền tin.
Còn khả năng tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang, tín hiệu được trực tiếp tách ra ở băng tần cơ sở mà không có bất kì sự xử lý hoặc biến đổi nào. Khác với hệ thống IM – DD các hệ thống thông tin quang kết hợp có đặc điểm sau: - Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ 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 được giữ nguyên trong quá trình truyền. - Trước khi tách sóng ở phía nguồn thu, tín hiệu thông tin được trộn với tín hiệu dao động nội.
Như vậy, ánh sáng đã được xử lý trước khi tới photodiode. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp: 2. Nâng cao độ nhạy thu: Trong các hệ thống thông tin quang Coherent có sử dụng phương pháp thu homodyne hoặc heterodyne cho phép kéo dài khoảng cách giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong mạng hạt hoặc thuê bao. Độ nhạy thu được nâng từ 15 – 20dB so với thu trực tiếp .1 biểu diễn sự phụ thuộc độ nhạy thu và tốc độ truyền trong 2 trường hợp thu trực tiếp và thu kết hợp với các dữ liệu: tỉ lệ lỗi bit 10 -9 cửa sổ hoạt động 1550nm (với độ suy hao < 0,2dB/km), sử dụng kỹ thuật điều biến và tách heterodyne với thu trực tiếp.
SV: Lê Duy Tùng 12 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền Như vậy, khoảng cách giữa hai trạm lặp được nâng lên đến 75 – 100km thậm chí có thể đạt tới vài trăm km.2 biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ dài khoảng lặp và tốc độ truyền đối với thu trực tiếp và thu kết hợp. VD: với tốc độ truyền là 1,2Tbit/s khoảng lặp giữa thu trực tiếp là 200km và với thu coherent là 280km. SV: Lê Duy Tùng 13 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Khoảng cách lặp 400 300 Thu coherent 200 Thu Trực tiếp 100 Tốc độ truyền 0.2: Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền 2 Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền 2.2: Nâng cao khả năng truyền dẫn: Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quang kết hợp có dung lượng truyền lớn. Điều này có thể thấy rõ ngay qua ví dụ sau: Nếu trong vùng cửa sổ hoạt động 1550nm (tương ứng với dải tần 200THz) chọn độ rộng phổ để truyền (chẳng hạn 1,47…1,57µm) thì trong vùng này có thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương.3: Nâng cao khả năng lựa chọn kênh: Khả năng lựa chọn kênh ở phía thu dựa trên khả năng nguồn thu có thể điều chỉnh tín hiệu bằng cách thay đổi công suất phát dao động nội.
Như vậy, người sử dụng có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh ( các kênh này được ghép theo tần số).4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang: Kết hợp thu coherent với kĩ thuật thu khuếch đại quang có thể tạo nên các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và kéo dài khoảng cách giữa hai trạm lặp (có thể đạt tới 10000km). Khả năng này được ứng dụng trong các tuyến thông tin đường trục và tuyến cáp quang biển. SV: Lê Duy Tùng 14 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH Mặt khác, chúng ta cũng thấy rằng sự khác nhau về độ nhạy thu của hai kĩ thuật thu heterodyne và thu homodyne là 3dB. Đây cũng là điểm khác biệt nổi bật của thu kết hợp, bởi vì trong hệ thống thông tin vô tuyến, các nguồn thu đổi tần và đồng tần đều có đặc điểm giống nhau.
Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp: Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày trong hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp + Bộ điều khiển: Driver + Điều chế ngoài: External Modulation. + Sợi quang + Trộn quang: optical m + Dao động nội: Local osillator. + Bộ lọc: fillter. + Lọc vòng: Loop fillter.
+ Giải điều chế: Demodulation. + Tầng khuếch đại: + AFC. Hệ thống thông tin quang kết hợp gồm hai thành phần chính là phần phát và phần thu. SV: Lê Duy Tùng 15 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH a.
Phía phát gồm: Mạch điều khiển, laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu. Ngoài ra còn có thể có thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công suất khi cần thiết. + Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode có độ rộng phổ hẹp, thường là loại laser DFB có độ rộng phổ 0,1nm, loại laser có bộ cộng hưởng ngoài hoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10 ÷ 100MHZ. Các loại LED và laser đa mode không thích hợp cho hệ thống Coherent vì độ rộng phổ của nguồn luôn yêu cầu phải hợp hơn độ rộng băng tần của tín hiệu.
Nguồn laser cần phải đặt trong một bộ ổn nhiệt, nhiệt độ của nó được điều khiển trong vùng 0,010C để đảm bảo ổn định tần số. Để đền bù sự suy giảm công suất phát, người ta đưa thêm bộ hiệu chỉnh công suất tự động. Một phần tín hiệu thông tin được trích từ nguồn phát, qua bộ phận điều chỉnh công suất tự động, được xử lý và tín hiệu này điều khiển dòng bơm laser ban đầu. + Bộ điều chế ngoài có thể được thực hiện theo hai phương án sau: - Điều khiển dòng nội xạ của nguồn laser, phương pháp này thường dùng trong hệ thống điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying).
- Điều chế trường quang phát từ nguồn laser bằng các thiết bị thích hợp dùng trong hệ thống ASK (Amplinude Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying), DPSK (Differential Phase Shift Keying). - Trong bộ điều biến cần có bộ cách ly quang (Optical Isolator) và sợi quang nhằm ngăn chặn phản xạ quang (optical Reflection) gây mất ổn định sóng mang quang hoặc độ rộng phổ laser. Phía thu gồm: Bộ thu là phần phức tạp nhất của hệ thống và là đặc trưng nhất của hệ thống Coherent. Phần thu gồm: Bộ trộn quang laser dao động nội photodiode, bộ tiền khuếch đại, bộ giải điều chế ở trung tần và mạch quyết định.
+ Bộ trộn quang là một thiết bị bốn cửa tương tự như ghép hướng siêu cao tần. Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động SV: Lê Duy Tùng 16 Lớp:Kĩ thuật viễn thông A-K47 Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH nội) được trộn với nhau và được cộng tuyến tính ở cửa ra của chúng. Nó có thể cấu tạo từ một gương bán phản xạ (phản xạ một nửa), hai lăng kính lập phương hoặc bộ ghép sợi nóng chảy. Để đảm bảo phách đúng tín hiệu với bộ sóng dao động nội, một vấn đề cần thiết cần phải đạt được là cả hai trường quang cần phải đồng hướng trên mặt của photodiode.
Vì trạng thái phân cực của trường tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng, cho nên cần phải dùng một bộ điều khiển phân cực đặc biệt ở đầu cuối tuyến sợi quang. Độ lệch giữa các trạng thái phân cực của tín hiệu dao động nội có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Tần số của sóng dao động nội và tín hiệu có thể là giống nhau (đối với thu homodyne) hoặc khác nhau (đối với thu heterodyne) với hiệu số là bằng trung tần. + Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phần phát là cơ bản giống nhau, chỉ có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng điều chỉnh từng tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định.
+ Bộ trộn và photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (khi thu heterodyne) hoặc một bộ tách pha (khi thu homodyne). Dòng tín hiệu ở đầu ra bộ tách sóng quang photodiode được đưa đến bộ tiền khuếch đại, rồi được lọc thông giải để giới hạn độ rộng băng tần nhiễu và sau đó giải điều chế tương ứng với dạng điều chế.