Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
1.2.3 Các đặc điểm quan trọng của mạng RoF
• Các chức năng điều khiển như ấn định kênh, điều chế, giải điều chế được tập
trung ở CS nhằm đơn giảm hóa cấu trúc của BS. Các BS có chức năng chính
đó là chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang.
• Kiến trúc mạng tập trung cho phép khả năng cấu hình tài nguyên và cấp băng
thông động (thành phần này có thể sử dụng băng thông thành phần khác nếu
băng thông đó thực sự rỗi) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Hơn
nữa nhờ tính tập trung nên khả năng nâng cấp và quản lý mạng đơn giản hơn.
• Do cấu trúc BS đơn giản nên sự ổn định cao hơn và quản lý số BS này trở nên
đơn giản, ngoại trừ số lượng lớn.
• Đặc biệt là kỹ thuật RoF trong suốt với các giao diện vô tuyến (điều chế, tốc
độ bit,…) và các giao thức vô tuyến nên mạng có khả năng triển khai đa dịch
vụ trong cùng thời điểm.
• Nếu khắc phục các nhược điểm trong RoF thì một CS có thể phục vụ được các
BS ở rất xa, tăng bán kính phục vụ của CS.
1.3 Kỹ thuật RoF – Mở đầu
1.3.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF
Không giống với mạng truyền dẫn quang thông thường, các tín hiệu được
truyền đi thường ở dạng số, RoF là một hệ thống truyền tín hiệu tương tự bởi vì nó
chuyển tải các tín hiệu dạng vô tuyến từ CS tới BS và ngược lại. Thực tế thì các tín
hiệu truyền dẫn có thể ở dạng vô tuyến RF hay tần số trung tần IF hay băng tần gốc
BB. Trong trường hợp tín hiệu IF hay BB thì có thêm các thành phần mới để đưa từ
tần số BB hay IF lên dạng RF ở BS. Trong trường hợp lý tưởng thì ngõ ra của tuyến
RoF sẽ cho ta tín hiệu giống như ban đầu. Nhưng trên thực tế thì dưới sự tác động
của các hiện tượng phi tuyến, đáp ứng tần số có hạn của laser và hiện tượng tán sắc
trong sợi quang mà tín hiệu ngõ ra bị sai khác so với ngõ vào gây ra một số giới hạn
trong truyền dẫn như tốc độ, cự ly tuyến. Hiện tượng này càng nghiêm trọng hơn
5
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
trong tuyến RoF này vì tín hiệu truyền đi có dạng analog, do đó các yêu cầu về độ
chính xác là cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số. Đây là những khó khăn trong
triển khai kỹ thuật RoF mà phần này sẽ 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 một trong những cách truyền sóng vô tuyến trên sợi quang đơn
giản nhất. Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF. Tín hiệu ở
tần số RF này được đưa vào điều chế (cường độ) sang dạng quang để truyền đi. Ở
đây, ta sử dụng phương pháp điều chế cường độ đơn giản nhất là điều chế trực tiếp.
Như vậy, sóng vô tuyến được điều chế lên tần số quang, sử dụng tần số quang để
truyền đi trong 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 dưới tần số
RF. Một bộ lọc thông thấp ở phía cuối đầu thu nhằm lọc những nhiễu gây ra trên
đường truyền.
Cường độ trường điện từ E(t) trên sợi quang được biểu diễn bởi công thức sau
đây:
ϕω
+
=
opt
j
RF
etStE )()(
(1.3.1)
Trong đó S
RF
(t) là tín hiệu cần truyền ở tần só vô tuyến chưa điều chế, ω
opt
là tần
số quang và φ là góc pha của tín hiệu quang.
1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang
6
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Để truyền tín hiều RF trên sợi quang người ta sử dụng phương pháp điều chế
cường độ. Tức là sóng quang có cường đô thay đổi theo cường độ của tín hiệu RF.
Có 3 phương pháp để truyền dẫn tín hiệu RF trên sợi quang bằng phương pháp
điều chế cường độ là: (1) điều chế cường độ trực tiếp (2) điều chế ngoài (3) điều chế
trộn nhiều ánh sang kết hợp(heterodyne). Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn
laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tín hiệu RF. Ưu
điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộng rãi trong các mạch
phát laser hiện nay. Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số RF điều chế bị hạn chế ở
tầm 10GHz. Có một số laser có thể hoạt động ở tầm cao hơn 40Ghz nhưng nó có giá
thành khá mắc và không phổ biến trên thị trường. Phương pháp điều chế ngoài là
phương pháp sử dụng một nguồn sáng chưa điều chế kết hợp với một bộ điều chế
cường độ nguồn quang ngoài. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chế ở
tần số cao hơn so với phương pháp điều chế trực tiếp. Tuy nhiên do suy hao chèn của
phương pháp này lớn nên hiệu suất của nó không cao. Phương pháp cuối cùng, tín
hiệu RF được điều chế sang dạng quang bằng phương pháp heterodyne, trộn các sóng
ánh sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên miền quang. Hai phương pháp này sẽ được
thảo luận ở các phần sau.
1.4 Cấu hình tuyến RoF
Như ta đã biết, mục tiêu của mạng RoF là làm sao để cấu trúc của các BS càng
đơn giản càng tốt. Các thành phần của mạng có thể chia sẻ được tập trung ở CS. Vì
vậy mà cấu hình của một tuyến RoF quyết định sự thành công của mạng RoF. Ở đây,
có 4 cấu hình tuyến thường được sử dụng như hình 1.3. Trên thực tế có rất nhiều cải
tiến để hoàn thiện mỗi cấu hình và phù hợp với yêu cầu thực tế. Điểm chung nhất của
4 cấu hình này là ta thấy rằng cấu trúc BS không có một bộ điều chế hay giải điều
chế nào cả. Chỉ có CS mới có các thiết bị đó, nằm trong Radio modem. BS chỉ có
những chức năng đơn giản để có cấu trúc đơn giản nhất.
7
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Hình 1.3 Các cấu hình tuyến trong RoF.
Ở tuyến downlink từ CS tới BS, thông tin được điều chế bởi thiết bị “Radio
modem” lên tần số RF, IF hay giữ nguyên ở BB (base band). Sau đó chúng mới được
điều chế lên miền quang bởi LD và truyền đi. Nếu sử dụng phương pháp điều chế
trực tiếp thì ta chỉ truyền được tín hiệu ở tần số IF hay BB. Còn nếu truyền ở tần số
8
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
RF ở băng tần mm thì một bộ điều chế ngoài được sử dụng. Tín hiệu quang được
điều chế truyền qua sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp tới BS. Ở BS, tín hiệu ở
băng tần RF, IF hay BB sẽ được khôi phục lại bằng PD (tách sóng trực tiếp). Tín hiệu
được khôi phục sẽ được đẩy lên miền tần số RF và bức xạ ra không gian bởi anten tại
BS tới các MH. Chức năng giải điều chế và khôi phục thông tin sẽ được thực hiện tại
các MH này.
Ở cấu hình a, các bộ chuyển đổi tần số nằm ở CS nên cấu trúc của BS rất đơn
giản, chỉ bao gồm bộ 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 của tán sắc lớn vì
thế khoảng cách từ CS đến BS ngắn, chỉ khoảng vài km. Tương tự cho cấu hình b,c
thì cấu trúc BS tuy phức tạp hơn vì có thêm bộ chuyển đổi tần số BB/IF/RF nhưng bù
lại khoảng cách từ CS đến BS lại xa hơn so với cấu hình a rất nhiều.
Cấu hình d chỉ sử dụng cho các trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) trong cấu hình
IF over Fiber truyền đi trên sợi quang. Với tần số thấp nên bộ điều chế ngoài không
cần được sử dụng. Điều này chỉ giúp làm giảm giá thành của CS đi nhưng BS vẫn có
cấu trúc tương đối phức tạp. Cấu hình này chỉ sử dụng truyền sóng IF với phương
pháp điều chế trực tiếp.
Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuật phát và truyền sóng mm, bao gồm
cả các bộ phát quang điều chế sóng RF với nhiễu pha thấp và khả năng hạn chế hiện
tượng tán sắc trên sợi quang.
Trong mạng RoF, người ta sử dụng các kỹ thuật sau để phát và truyền dẫn các
sóng milimet trên tuyến quang.
1. Điều chế trộn nhiều sóng quang
2. Điều chế ngoài
3. Kĩ thuật nâng và hạ tần
4. Bộ thu phát quang
Ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật trên trong các phần tiếp theo.
1.5 Kĩ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne)
9
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Trong kỹ thuật optical heterodyne, hai hay nhiều tín hiệu quang được truyền đồng
thời và chúng có tính quan hệ với nhau tới đầu thu. Và một trong số chúng kết hợp
với nhau (được gọi là tích với nhau) sẽ tạo ra được tín hiệu vô tuyến ban đầu. Ví dụ 2
tín hiệu quang được phát ở băng tần ở chung quanh bước sóng 1550nm có khoảng
cách rất nhỏ 0.5nm. Tại đầu thu, sự kết hợp 2 sóng quang này bằng kỹ thuật
heterodyne và tạo ra một tín hiệu điện ở tần số 60Ghz ban đầu mà ta cần truyền đi.
Sơ đồ khối phía thu của kỹ thuật được mô tả trong hình 1.4
Hình 1.4 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne
1.5.1 Nguyên lý
Cường độ của một tín hiệu quang dưới dạng phức có dạng:
( )
[ ]
ssss
tiAE
ϕω
+−= exp
(1.5.1)
Trong đó ω
s
là tần số sóng mang, A
s
là biên độ và φ
s
là pha của tín hiệu.
Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng
( )
[ ]
refrefrefref
tiAE
ϕω
+−= exp
(1.5.2)
với A
ref
, ω
ref
, φ
ref
lần lượt là biên độ, tần số và pha của tín hiệu tham chiếu. Trong
trường hợp này ta giả sử rằng cả tín hiệu gốc và tín hiệu tham chiếu phân cực giống
nhau để chúng có thể kết hợp tại PD ở đầu thu. Như ta biết rằng, công suất thu được
ở PD có dạng
2
refs
EEKP +=
trong đó K được gọi là hằng số tỷ lệ của PD.
Receiver optical signal
Beam combiner
Local
oscillator
ω
LO
Detector Electronics
Electrical
bit stream
10
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Như vậy ta có:
( )
( ) ( )
( ) ( )
2
sincos
sincos
refrefrefrêfrefs
ssssss
tiAtA
tiAtA
KtP
ϕωϕω
ϕωϕω
++++
+++
=
( )
( )
( )
( )( )
2
sinsin
coscos
refrefrefsss
rêfrefrefsss
tAtAi
tAtA
K
ϕωϕω
ϕωϕω
++++
+++
=
( )( )
( )
refsrefsrefsrefs
tAAAAK
ϕϕωω
−+−++= cos2
22
( )
refsrefsrefs
tPPPP
ϕϕω
−+++=
0
cos2
(1.5.3)
Trong đó: P
s
=KA
s
2
, Pref=KA
ref
2
, ω
0
=ω
s
-ω
ref.
Đôi khi người ta ký hiệu ω
0
là ω
IF
được gọi là tần số (góc) trung tần. Lý do nó được gọi là tần số trung tần bởi vì thông
thường ω
0
và ω
ref
rất gần nhau nên hiệu của chúng là ω
IF
thường nhỏ hơn khá nhiều
so với ω
0
và ω
ref
, và được gọi là tần số trung tần.
• Nếu ω
0
=0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne.
Từ công thức 1.5.3 ta có
( )
( )
refsrefsref
PPPtP
ϕϕ
−+= cos2
(1.5.4)
vì thông thường P
s
<<P
ref
.
Dòng điện sau PD có dạng
( ) ( )
refsref
PPRItRPtI 2+==
với φ
s
= φ
ref
. (1.5.5)
Do I
ref
thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín hiệu
homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng:
( )
refs
PPRtI 2
hom
=
(1.5.6)
Từ công thức trên ta thấy ưu điểm của phương pháp tách sóng homodyne đó là:
thứ nhất dòng điện ngõ ra lớn nhất nếu ta triệt bỏ pha của sóng tới và sóng tham
chiếu, nên cho tỉ số SNR cao. Thứ hai là thành phần thu được không mang thông tin
tần số và pha, chỉ phụ thuộc vào biên độ, nên nó rất phù hợp với phương pháp tách
sóng trực tiếp thường không mang thông tin về tần số và pha.
11
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Tuy nhiên nhược điểm của nó là phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóng tín
hiệu lẫn sóng tham chiếu. Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa pha quang.
• Nếu ω
s
≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne:
( ) ( ) ( )
ϕω
∆++== tPPRItRPtI
refsref 0
cos2
(1.5.7)
Khi đó thành phần heterodyne là:
( ) ( )
ϕω
∆+= tPPRtI
refshet 0
cos2
(1.5.8)
Lúc này thành phần tín hiệu sẽ được đại diện bởi biên độ, tần số và pha của sóng
mang IF. So với kỹ thuật homodyne thì kỹ thuật này có tỉ số SNR nhỏ hơn là 3dB vì
chứa thành phần cos. Tuy nhiên kỹ thuật này không cần thiết phải có vòng khóa pha
phức tạp nên nó thực hiện đơn giản hơn so với homodyne.
Kỹ thuật heterodyne có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp điều chế
ASK, PSK, FSK ở phía phát và sử dụng phương pháp tách sóng trực tiếp hay tách
sóng đường bao ở phía thu bởi vì thành phần tín hiệu I
het
sau khi tách sóng mang đầy
đủ thông tin về cường độ, tần số và pha.
1.5.2 Nhiễu
Các công thức được viết ở chương 1.5.1 là các công thức áp dụng trong điều
kiện lý tưởng. Trên thực tế có rất nhiều hiện tượng, nguyên nhân trên tuyến truyền
dẫn cũng như các linh kiện khiến cho chất lượng tín hiệu thu được không như mong
muốn. Trong phần này ta sẽ tìm hiểu các nguyên nhân đó và biện pháp để cái thiện
chúng.
• Nhiễu pha
Một trong những nguồn nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống thông tin quang cohenrent
đó là nhiễu pha được gây ra bởi laser phát hay nguồn dao động nội. Nhiễu pha hình
thành do nhiều nguyên nhân như sự không ổn định tần số phát của laser, hiện tượng
chirp, pha không ổn định của thiết bị phát,… . Dựa vào công thức:
(1.5.7)→
( )
( )
refsrefsref
PPRItI
ϕϕ
−+= cos2
cho homorodyne
12
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
(1.5.8)→
( ) ( )
( )
refsrefsref
tPPRItRPtI
ϕϕω
−++==
0
cos2
cho heterodyne
Ta thấy rằng sự thay đổi về pha của nguồn phát φ
s
hay bộ giao động nội φ
ref
đều
dẫn tới sự không ổn định về dòng điện thu được ở ngõ ra bộ tách sóng dẫn tới suy
giảm SNR. Để hạn chế hiện tượng nhiễu pha, người ta cần dùng các kỹ thuật để giữ
ổn định pha φ
s
của nguồn laser và pha φ
ref
của nguồn dao động nội.
Nhiễu pha còn gây ra bởi bề rộng phổ của laser. Bề rộng phổ Δv càng nhỏ thì
nhiễu pha càng được hạn chế. Vì vậy người ta thường sử dụng laser DFB để làm
nguồn phát. Vì ngày này bề rộng phổ của laser DFB có thể nằm ở mức 1MHz.
• Mất phối hợp phân cực (polarization mismatch)
Trong các bộ tách sóng quang trực tiếp (như bằng photodiode) đã biết thì sự phân
cực của tín hiệu quang không đóng vai trò gì bởi vì dòng điện thu được phụ thuộc
vào số photon của tia tới. Tuy nhiên trong các bộ thu cohenrent, sự hoạt động của
chúng còn phụ thuộc vào sự phối hợp phân cực của bộ dao động và tín hiệu thu được.
Xem lại công thức 1.5.1 và 1.5.2 ta thấy rằng, trong các công thức này các trường E
s
và E
LO
đã được ta ta giả sử như là phối hợp phân cực nên ta được các công thức như
đã nêu. Gọi ê
s
và ê
LO
là 2 véctơ đơn vị chỉ hướng phân cực của 2 tín hiệu E
s
và E
LO
thì
rõ ràng các công thức trên còn phải nhân thêm một thành phần là cosθ, ở đây θ là
thành phần góc pha giữa ê
s
và ê
LO
. Trong trường hợp lý tưởng ta phân tích thì thành
phần θ được cho là 0
0
, nhưng một sự thay đổi của góc pha θ này đều tác động đến bộ
thu. Trong trường hợp đặc biệt là góc θ = 90
0
thì tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn vì
cosθ = 0, fading hoàn toàn (complete fading). Như vậy bất cứ sự thay đổi nào của θ
đều dẫn đến sự suy giảm SNR và gây ra sự thay đổi BER trong tín hiệu thu được.
Trạng thái phân cực vectơ ê
LO
của tín hiệu phát ra từ bộ dao động nội là phụ thuộc
vào laser phát của bộ dao động nội và thường là cố định. Tuy nhiên trạng trái phân
cực vectơ ê
s
của tín hiệu thu được thì không như vậy, vì trước đó nó đã bị tác động
bởi các hiệu ứng trên sợi quang ví dụ như hiện tượng tán sắc phân cực mode (PMD),
hiện tượng birefringence fluctuations gây nên do sự thay đổi của môi trường (nhiệt
độ, sự không đồng đều vật lý của sợi, …)
• Tán sắc (fiber dispersion)
13
Chương 1: Kĩ thuật Radio over Fiber
Ta đã biết tán sắc ảnh hưởng lớn như thế nào đối với hệ thống thông tin quang
như thế nào và được khắc phục bằng nhiều phương pháp. Đặc biệt, trong hệ thống
thông tin quang cohenrent thì hiện tượng tán sắc ảnh hưởng còn nghiêm trọng hơn.
Nó làm giảm cấp tín hiệu một cách nhanh chóng trên đường truyền. Trong thông tin
quang cohenrent thì người ta hạn chế hiện tượng này bằng cách sử dụng các laser có
bề rộng phổ rất nhỏ. Hạn chế tối đa hiện tượng chirp. Và đặc biệt là kỹ thuật bù tán
sắc bằng một bộ cân bằng điện tử trên ở tần số IF.
1.5.3 Nhận xét
Mặc dù kỹ thuật optical homorodyne có rất nhiều ưu điểm nhưng do phải duy trì
sự đồng bộ về pha và tần số. Điều này được thực hiện bằng một vòng khóa pha, tuy
nhiên như thế sẽ làm tăng giá thành của các BS vì chúng phải được trang bị các laser
rất ổn định và phải có vòng khóa pha. Điều này không có lợi trong mạng RoF nên
người ta không sử dụng kỹ thuật này để truyền dẫn sóng mm.
So với homorodyne thì kỹ thuật heterodyne có tỉ số SNR nhỏ hơn 3dB so với
cùng 1 công suất tới (do chứa thành phần cos). Nhưng kỹ thuật này yêu cầu đơn giản
hơn vì bộ dao động laser không nhất thiết phải cùng tần số với sóng tới và pha chỉ
cần lệch nhau một lượng không đổi. Nhờ vậy mà các BS được cấu trúc đơn giản hơn,
không cần sử dụng vòng khóa pha quang. Tuy nhiên, không có nghĩa là kỹ thuật
hetorodyne khá đơn giản. Yếu quan trọng nhất tác động tới hệ thống sử dụng kỹ thuật
heterodyne là lệch phân cực. Thông thường, 2 nguồn laser khác nhau thì thường gây
ra hiện tượng không ổn định về pha. Do đó người ta sử dụng chung một nguồn phát
hay cả hai nguồn phát này được khóa pha với nhau. Nhờ vậy đã làm giảm bộ giao
động nội ở đầu thu, tín hiệu tham chiếu được tạo ra ở đầu phát và truyền đi song song
với tín hiệu trong sợi quang tới đâu. Điều này giúp cho cấu trúc BS càng đơn giản
hơn vì không cần phải có bộ dao động. Ta có thể tham khảo một cấu hình ví dụ sử
dụng kỹ thuật điều chế heterodyne như hình 1.5
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét