chương 1 Từ những nội dung đã trình bày ở trên, có thể tóm tắt lại các đặc điểm chính của một hệ thống thông tin quang băng rộng điển hình như sau: Bộ phát tín hiệu quang - Thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát vào kênh truyền - Nguồn phát: laser - Sử dụng các kỹ thuật điều chế, để đưa dữ liệu người dùng gửi vào kênh truyền và truyền tới bộ thu quang. Kỹ thuật điều chế là đặc trưng để chỉ ra rằng hệ thống có thể đạt được tốc độ kênh truyền là bao nhiêu thông tin được truyền đi. Bộ thu tín hiệu quang - Thu nhận tín hiệu quang từ kênh truyền, chuyển đổi ngược lại tín hiệu quang thành tín hiệu điện - Ứng dụng kỹ thuật giải điều chế tương ứng để khôi phục lại tín hiệu gốc được phát đi Kênh truyền thông tin - Cáp sợi quang - Suy hao quang: làm suy giảm tín hiệu quang qua kênh truyền - Sự tán sắc: làm cho tín hiệu quang bị biến dạng, gây nhiễu lên tín hiệu quang Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng - Làm tăng băng thông truyền tải trên sợi quang, bằng cách tách/ghép nhiều bước sóng và truyền tải đồng thời trên kênh truyền - Ngoài ra, nhờ các bộ khuếch đại sợi quang trộn EDFA giúp làm khuếch tại tín hiệu quang trên kênh truyền Trang [22] CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Giới thiệu Trong điện tử, điều chế là quá trình biến đổi của một hoặc nhiều thuộc tính của một chu kỳ dạng sóng tần số cao được gọi là tín hiệu sóng mang với một tín hiệu điều chế mà thường chứa thông tin được truyền đi.
Mục đích của điều chế thường là cho phép tín hiệu sóng mang truyền tải thông tin trong tín hiệu điều chế tới một vài đích đến. Tại các điểm đích, một quá trình giải điều chế tạo ra tín hiệu từ sóng mang đã được điều chế. Ba thông số quan trọng của một chu kỳ dạng sóng là biên độ, pha, và phân cực. Bất kỳ các thuộc tính nào của nó có thể được thay đổi phù hợp với một tín hiệu tần số thấp chứa thông tin được điều chế.
Thông thường, một sóng hình sin tần số cao được sử dụng làm tín hiệu sóng mang nhưng một chuỗi xung của sóng vuông cũng có thể được sử dụng. Trong viễn thông, sự điều chế là quá trình chuyển đổi một tín hiệu thông điệp, ví dụ một chuỗi bit số hoặc một tín hiệu âm thanh tương tự bên trong một tín hiệu mang có thể được truyền đi xa. Điều chế của một dạng sóng hình sin được sử dụng để chuyển đổi một tín hiệu thông điệp ở băng tần cơ bản (baseband) thành một tín hiệu passband, ví dụ tín hiệu âm thanh tần số thấp thành tín hiệu tần số âm thanh. Trong thông tin âm thanh, hệ thống cáp TV hoặc mạng điện thoại chuyển mạch công cộng là một ví dụ, tín hiệu điện có thể chỉ được chuyển thành phổ của tần số giới hạn bandpass, với các tần số cutoff riêng biệt thấp và cao.
Điều chế một sóng mang hình sin làm nó có thể giữ tần số nội dung của tín hiệu được chuyển đổi càng gần càng tốt tới tần số trung tâm (thường là tần số sóng mang) của passband. Mục tiêu của điều chế số là chuyển đổi một một chuỗi bit số trên một kênh bandpass hoặc một băng tần radio hạn chế. Phân loại theo phương pháp điều chế thì chúng ta có hai loại hệ thống đó là điều chế cường độ tách sóng trực tiếp và hệ thống coherent. Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Laser và LED được sử dụng trong các ứng dụng viễn thông được điều chế sử dụng một trong hai phương thức: điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài.
Điều chế trực tiếp. Trong điều chế trực tiếp công suất đầu ra của thiết bị biến đổi trực tiếp với điều khiển dòng đầu vào. Cả hai loại LED và Laser có thể được điều chế trực tiếp sử dụng Trang [23] tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Lợi ích của điều chế trực tiếp là đơn giản và rẻ.
Nhược điểm là nó chậm hơn điều chế không trực tiếp. Điều chế trực tiếp được sử dụng cho dung lượng lên tới 10 Gb/s.1 là sơ đồ nguyên lý điều chế trực tiếp. Trong điều chế ngoài, một thiết bị ngoài được sử dụng để điều chế cường độ hoặc pha của nguồn sáng. Nguồn sáng còn lại trong khi điều chế ngoài giống một “cửa chớp” được điều khiển bởi thông tin được phát đi, hình 2.
Điều chế ngoài thường được sử dụng trong các ứng dụng tốc độ cao như hệ thống viễn thông đường trục hoặc cáp TV đầu cuối. Lợi ích của điều chế ngoài là nó nhanh hơn và có thể được sử dụng với nguồn phát laser công suất cao hơn. Nhược điểm là nó đắt hơn và đòi hỏi mạch điện phức tạp để xử lý tín hiệu điều chế cao tần RF. Điều chế ngoài.
Điều chế ngoài thường sử dụng một bộ điều chế quang tích hợp mà kết hợp với một ống dẫn sóng giao thoa Mach-Zehnder được tạo ra trên một tấm lithium niobate (LiNbO3). Ống dẫn sóng được tạo ra sử dụng một quá trình in khắc giống với quá trình sản xuất chất bán dẫn. Vùng ống dẫn nhỏ được pha tạp thêm tạp chất để làm tăng chiết suất khúc xạ để ánh sáng được dẫn qua thiết bị.3 biểu thị điều chế ngoài sử dụng ống dẫn sóng giao thoa Mach-Zehnder. Điều chế ngoài sử dụng ống dẫn sóng giao thoa Mach-Zehnder.
Ánh sáng đi vào bộ điều chế tách ra làm hai đường. Một đường không thay đổi hay không được điều chế. Đường khác có các điện cực đặt qua nó. Bởi vì LiNbO3 là một vật liệu điện quang, khi một điện áp đặt qua ống dẫn sóng thì chiết suất khúc xạ của nó bị thay đổi, gây ra một sự quay ph tỷ lệ với biên độ của điện áp đưa vào.
Trang [24] Khi ánh sáng được kết hợp lại, hai sóng xen vào với một sóng khác. Nếu hai sóng là cùng pha sự giao thoa xảy ra ở đầu ra. Nếu hai sóng không cùng pha, sự giao thoa không xảy ra và các sóng triệt tiêu nhau. Điện áp đầu vào được kết hợp với dịch pha 1800 được đặt là 𝑉𝜋.
Dịch pha tạo ra được tính bởi: 𝐷ị𝑐ℎ 𝑝ℎ𝑎 = 𝛥𝜃 = 1800 𝑥 𝑉𝑖𝑛 /𝑉𝜋 (2.1) Ở đây 𝑉𝑖𝑛 là điện áp đưa vào bộ điều chế. Bộ điều chế LiNbO3 được phát triển và được sử dụng điều chế ngoài trong các ứng dụng viễn thông. Các thiết bị cho phép làm việc ở cả hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm. Kỹ thuật điều chế PSK Tất cả dữ liệu truyền đạt bởi thay đổi một vài khía cạnh của tín hiệu gốc, sóng mang (thường là sóng hình sin) hưởng ứng tín hiệu dữ liệu.
Trong trường hợp của PSK, pha được thay đổi đặc trưng cho tín hiệu dữ liệu. Có 2 cách cơ bản để sử dụng pha của tín hiệu: - Bằng cách kiểm tra pha của nó với thông tin truyền đạt, trong trường hợp giải điều chế phải có một tín hiệu tham chiếu để so sánh với pha của tín hiệu nhận được. - Bằng cách thay đổi pha với thông tin truyền đạt – phương pháp vi phân, một số trong đó không cần tín hiệu sóng mang tham chiếu (đến một mức độ nhất định) Cách thuận tiện để biểu diễn phương thức PSK là biển diễn trên sơ đồ chòm sao. Các điểm này biểu diễn trên mặt phẳng phức hợp, các trục thực và ảo được gọi là pha và trục vuông góc tương ứng với khoảng cách 900 của chúng.
Biểu diễn như vậy trên trục vuông góc của nó để thực hiện dễ dàng. Biên độ của mỗi điểm đến trục pha được sử dụng cho điều chế sóng hình cosin (hoặc là sin) và biên độ về phía trục vuông góc để điều chế sóng hình sin (hoặc cosin), minh họa trên hình 2. Sơ đồ chòm sao biểu diễn 8-PSK. Trang [25] Trong PSK, các điểm chòm sao lựa chọn thường được chọn với một góc và khoảng cách quanh vòng tròn.
Điều này cho tối đa các pha riêng biệt giữa các điểm liền kề. Chúng được chọn trên vòng tròn và tất cả được phát đi với cùng năng lượng. Theo cách này, cũng tương tự như biểu diễn các số phức và vì thế các biên độ cần các sóng hình sin và cosin. Hai ví dụ điển hình là “khóa dịch pha nhị phân – BPSK” sử dụng 2 pha và “khóa dịch pha cầu phương – QPSK” sử dụng 4 pha, mặc dù có thể sử dụng nhiều hơn số pha.
Do dữ liệu được truyền đạt thường là nhị phân, phương thức PSK thường được thiết kế với số các điểm chòm sao là lũy thừa của 2. Định nghĩa: Để xác định công thức tỷ lệ lỗi, một vài định nghĩa sau được cần đến: - 𝐸𝑏 = năng lượng của mỗi bit - 𝐸𝑠 = năng lượng của mỗi ký tự = 𝐸𝑏 /𝑛 với n bit trong một ký tự - 𝑇𝑏 = chu kỳ của bit - 𝑇𝑠 = chu kỳ của ký tự - 𝑁0 /2 = mật độ phổ nguồn nhiễu (W/Hz), nhiễu AWGN. - 𝑃𝑏 = xác suất bit lỗi - 𝑃𝑠 = xác suất ký tự lỗi Q(x) là xác suất mà một mẫu lấy từ một tiến trình ngẫu nhiên với trung bình không và hàm mật độ xác suất Gaussian biến đơn vị sẽ lớn hơn hoặc bằng x. Hàm lỗi Gaussian: [1, pp.
187, Hàm xác suất lỗi] 1 ∞ 2 1 𝑥 𝑄 (𝑥 ) = ∫ 𝑒 −𝑡 /2 𝑑𝑡 = 2 𝑒𝑟𝑓𝑐 ( 2) , 𝑥 ≥ 0 (2. Điều chế BPSK Hình 2. Sơ đồ chòm sao của BPSK Trang [26] BPSK là dạng đơn giản nhất của điều chế khóa dịch pha (PSK). Nó sử dụng 2 pha lệch nhau 1800 và cũng có thể được gọi là dạng 2-PSK.
Nó không quan trọng phải đặc biệt chính xác vị trí xác định các điểm chòm sao, và trong sơ đồ hình sao chúng thể hiện trên trục thực ở 00 và 1800. Cách điều chế này là mạnh nhất của các phương thức PSK từ khi nó có mức nhiễu hoặc biến dạng cao nhất để làm phạm vi giải điều chế cuối cùng không chính xác. Tuy nhiên, chỉ cho phép điều chế 1 bit/ký tự (hình 2.5) và cũng không phù hợp cho các ứng dụng tỷ lệ dữ liệu khi băng thông bị giới hạn. Loại điều chế này cần khôi phục pha và nó có thể thực hiện được.
Giải mã vi phân dễ dàng sử dụng nhưng tiêu tốn nhiều hiệu năng. Dạng tín hiệu cho BPSK theo phương trình sau: 2𝐸𝑏 𝑠𝑏 (𝑡 ) = √ 𝑐𝑜𝑠(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝜋(1 − 𝑛)) , 𝑛 = 0,1.3) 𝑇𝑏 Điều này mang lại 2 pha 0 và 𝜋.