thông tin quang_coherent

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

Baøi 3:

HỆ THỐNG TTQ COHERENT

NOÄI DUNG

Tổng quan về hệ thống TTQ Coherent Khái niệm về thông tin quang Coherent Sơ đồ khối tổng quát hệ thống tin quang Coherent Các dạng điều biến và tách sóng

Các bộ điều biến quang Các bộ điều biến ASK Các bộ điều biến PSK Các bộ điều biến FSK

Máy thu tín hiệu quang Coherent Sơ đồ khối tổng quát Máy thu Homodyne Máy thu Heterodyne PLL trong máy thu tín hiệu quang Coherent

NOÄI DUNG

BER trong hệ thống tin quang Coherent Tín hiệu sau tách sóng quang Các loại nhiếu trong máy thu tín hiệu quang Coherent SNR và BER trong các trong hệ thống tin quang Coherent

Ảnh hưởng của lỗi pha đến độ nhạy máy thu Lỗi pha BER khi có lỗi pha

Ứng dụng thông tin quang Coherent Các hệ thống truyền dẫn quang Coherent Các hệ thống WDM tách sóng quang Coherent

TỔNG QUAN VỀHỆ THỐNG TTQ COHERENT

Cấu trúc hệ thống TTQ Coherent


DE MOD DEC AMP DE-MOD

CWL LC LLO LOC

1 1

2

Homodyne 1=2

Heterodyne 1 2

Dữ liệu vào

Bộ phát Bộ thu

Heterodyne

DE (Drive Electronic): khuếch đại tín hiệu ngõ vào nhằm tạo tín hiệu có mức phù hợp với các khối phía sau.

CWL (Continuous Wave Laser): laser bán dẫn có độ rộng phổ hẹp phát ra ánh sáng liên tục có bước sóng 1.

LC (laser control): ổn định bước sóng phát ra của bộ dao động quang. MOD (Modulator): điều chế quang


LLO (Laser Local Oscillator): tạo ra tín hiệu quang có bước sóng 2. DEC (Detector): thực hiện hai tính năng

Cộng tín hiệu thu được (1) và tín hiệu tại chỗ (2) Đưa tín hiệu tổng tới photodiode để thực hiện tách sóng trực triếp.

Homodyne hoặc Heterodyne LOC (Local Oscillator control): đ/khiển pha và tần số của t/h dao động nội AMP (Amplifier): Khuếch đại tín hiệu điện sau khi tách sóng quang. DEMOD (Demodulator): cần thiết khi bộ thu hoạt động ở chế độ heterodyne.

DE MOD DEC AMP DE-MOD

CWL LC LLO LOC

1 1

2

Homodyne 1=2

Heterodyne 1 2

Dữ liệu vào

Bộ phát Bộ thu

Heterodyne


Bộ dao động nội (Local Oscillator): Coherent detection: kết hợp tín hiệu quang với trường quang sóng

liên tục (Continous-Wave) trước khi đưa vào photodetector Trường quang CW này được tạo ra tại bộ thu sử dụng từ laser có

độ rộng phổ hẹp được gọi là Local Oscillator (LO) Kết hợp tín hiệu quang và tín hiệu từ LO:

Tín hiệu quang: Es = As exp[-i(0t +s)]

Tín hiệu từ LO: ELO = ALO exp[-i(LOt +LO)]

(Giả thiết hai tín hiệu có cùng phân cực) Công suất quang tới photodetector: P=K /Es + ELO /2

với Ps=KAs2, PLO=KALO

2, IF = 0 -LO

Nếu IF = 0 homodyne detection , IF 0 heterodyne detection

-tcos( P2 P PP LOsIFsLOs ) LOP


Homodyne detection: Tần số dao động nội bằng với tần số của tín hiệu: IF = 0 Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:

(*)

Thông thường, PLO > Ps Ps + PLO PLO

Nếu LO= s (locked-phase), tín hiệu homodyne được xác định bởi:

So với tách sóng trực tiếp (DD), công suất điện trung bình của tín hiệu homodyne tăng:

Do PLO > Ps, độ lợi về công suất có thể lớn hơn 20dB tăng SNR

Ưu điểm chính của tách sóng homodyne

-cos( P2R )PR(P I(t) LOssLOs )LOP

LOPsp P2R (t)I

sP/4 LOP


Homodyne detection (tt): Biểu thức (*) cho thấy pha của tín hiệu được thể hiện có thể

truyền thông tin bằng các phương pháp điều chế pha và tần số. Tín hiệu quang được giải điều chế trực tiếp xuống dải nền

(baseband) Nhược điểm của tách sóng quang homodyne:

Yêu cầu nghiêm ngặt về tần số của tín hiệu và dao động nội

yêu cầu cao về chất lượng của hai nguồn quang Cần sử dụng vòng khóa pha quang (optical phase-locked loop) để đạt

được sự ổn định giữa pha của tín hiệu và dao động nội (thường biến động một cách ngẫu nhiên theo thời gian)

giải điều chế đồng bộ (synchronous demodulation)

Khó khăn trong việc chế tạo bộ thu quang tách sóng homodyne

Tách sóng heterodyne


Heterodyne detection: Tần số dao động nội được chọn khác với tần số của tín hiệu sao cho

tần số trung tần nằm trong dãi tần microwave (fIF= IF /2 ~ 1GHz) Dòng quang điện được tạo ra từ phototodetector:

(**)

Thông thường, PLO > Ps Ps + PLO PLO

Tín hiệu heterodyne được xác định bởi:

Thông tin có thể được phục hồi thông qua biên độ, pha hoặc tần số của tín hiệu hetereodyne.

LO khuếch đại tín hiệu thu tăng SNR

)LOsIFsLOs -cos( P2R )PR(P I(t) tPLO

)cos( LOsIFLO tP sac P2R (t)I


Heterodyne detection (tt): SNR của heterodyne thấp hơn 2 lần (3dB) so với homodyne

(công suất tr/bình Pheterodyne ~ I2ac ~ trung bình của hàm cos2(IF t+) = ½ )

Thiết kế bộ thu đơn giản hơn so với homodyne detection vì không cần phải sử dụng optical PLL

Sự biến động của s và LO vẫn cần được điều khiển bằng cách sử dụng nguồn laser có độ rộng phổ hẹp

Tín hiệu điện phải được giải điều chế từ IF band xuống baseband dùng các kỹ thuật tương tự như trong hệ thống truyền dẫn viba

Yêu cầu về chất lượng của laser có thể được giảm đi khi sử dụng kỹ thuật giải điều chế bất đồng bộ (asynchronous demodulation)

Heterodyne detection thích hợp hơn khi triển khai thực tế trong hệ thống TTQ coherent


Tỷ số SNR: Nhiễu tại máy thu của hệ thống TTQ coherent có thể được biểu

diễn bởi tương tự như trong hệ thống IM/DD:

với dòng quang điện Ip được tạo ra tại photodetector sau khi có sự kết hợp công suất tín hiệu và công suất quang dao động nội.

Do PLO >>Ps Ip RPLO >>Id

Tỷ số SNR trong tách sóng quang heterodyne:

Bằng cách hiệu chỉnh công suất của LO:

enLBedpTs BFRTkBIIe /42222

2

2

2

2

TdLOe

LOsheterodyne IRPeB

PPRSNR

)2/(2eTLO eRBP 22

Ts


Tỷ số SNR: Khi , tỷ số SNR đạt được:

Có thể đạt được giới hạn nhiễu lượng tử trong bộ thu sử dụng PIN (trong hệ thống IM/DD, thường )

Có thể đạt được giới hạn nhiễu lượng tử mà không phải tăng thêm nhiễu do hệ số nhân M như trong bộ thu sử dụng APD (IM/DD)

Gọi Np là số photon trong một bit ( ), ta có:

e

s

e

sheterodyne Bh

P

eB

PRSNR

22Ts

22ST

BhNP ps

pheterodyne NSNR 2

podyne NSNR 4hom

CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG

ASK (Amplitude Shitf Keying) FSK (Frequency Shitf Keying) PSK (Phase Shitf Keying) PolSK (Polarization Shitf Keying)

1 1 10 0

t

t

t

AS

K

FS

K

PS

K

Bit nhị phân

CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ QUANG COHERENT

Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying): Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:

Es(t) = E0 m(t)cos[0t + s]

Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

On-Off Keying (OOK) tương tự với intensity modulation (IM/DD) Điều chế trực tiếp dòng kích cho laser: không duy trì được sự ổn định

tần số và pha ở ngõ ra khi thay đổi dòng kích (khoảng 200MHz/mA)

không thích hợp với hệ thống coherent (cần sự ổn định về pha)

sử dụng điều chế ngòai trong hệ thống coherent

)0(0

)1(1)(

bit

bittm

2

0sf


Điều chế ASK (Amplitude Shift-Keying): Điều chế ngoài:

Sử dụng coupler định hướng hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI) Chỉ sử dụng hiệu quả 50% công suất của bộ phát không hiệu quả Suy hao xen của bộ điều chế ngòai

Phổ công suất của tín hiệu ASK:

Biên độ

fS - B fS+BfS fS+2BfS - 2Bf

2

SSf : tần số sóng mang.

B: băng thông của t/hiệu đc điều chế b(t).


Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying): Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:

Es(t) = E0 cos[0t + m(t)2f + s]

Với , là độ lệch tần

là hệ số điều chế tần số

Điều chế trực tiếp có thể áp dụng cho hệ thống thông tin quang coherent FSK băng rộng: với tần số điều chế trên 1MHz thì sự thay đổi tần số là từ 100 đến 500MHz/mA.

Điều chế ngoài: sử dụng cách tử Bragg hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI)

)0(1

)1(1)(

bit

bittm

2

f

B

f

2


Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying): Độ lệch tần f được chọn tùy theo băng thông cho phép Băng thông tổng của tín hiệu FSK ~ 2f + 2B với B là tốc độ bit Nếu f >>B: FSK băng rộng, BWFSK 2f Nếu f <<B: FSK băng hẹp, BWFSK 2B


Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying): Khi = 0,5: MSK (Minimum Shift-Keying)

Phổ bị nén chặt rất hấp dẫn cho các hệ thống tốc độ cao

Khi = (0,5 0,7): điều chế CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift-Keying) hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp, dạng phổ công suất bị nén rất chặt.

Biên độ

fS – 0,75B fS + 0,75BfS

f


Điều chế FSK (Frequency Shift-Keying): Khi >> 1: điều chế FSK lệch tần rộng, phổ được chia làm hai

thành phần tập trung xung quanh (fS - f) và (fS + f)

Độ rộng băng tần tổng rất rộng không phù hợp với hệ thống tốc độ cao. Thực tế chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, rẻ tiền

Biên độ

fS - f fS + ffS

f


Điều chế PSK (Phase Shift-Keying): Trường sóng tín hiệu quang có thể được biểu diễn:

Es(t) = E0 cos[0t + m(t) ]

Với , là tần số sóng mang của tín hiệu quang

Pha của tín hiệu điều chế nhận hai giá trị 0 và . Khi tần số của laser được điều chỉnh chính xác với tần số tín hiệu

điều chế, lúc này quan hệ pha giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu điều chế là 0. Để có được sự thay đổi quan hệ pha là /2 thì ta phải điều chỉnh lại tần số của laser.

)0(

)1(1)(

bit

bittm

0

2

0sf


Điều chế PSK (Phase Shift-Keying): Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch

phổ sóng mang

Có thể sử dụng phương pháp tách sóng homodyne và heterodyne. Yêu pha của tín hiệu quang phải ổn định yêu cầu nghiêm ngặt

về độ lệch băng tầng giữa laser máy phát và LO phức tạp nên thực tế ít dùng điều chế DPSK (Differential PSK)

Biên độ

fS - B fS+BfS fS+2BfS - 2Bf


Điều chế DPSK (Differential PSK): Là dạng điều chế mà thông tin được mã hoá theo sự chênh lệch về

pha giữa hai bit kế cận Nếu k biểu diễn cho pha của bit thứ k thì độ lệch pha =k- k-1

sẽ thay đổi là hoặc 0 phụ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay bit 0. Ưu điểm: tín hiệu phát có thể được giải điều chế thành công miễn

sao pha của sóng mang duy trì ổn định trong khoảng thời gian hai bit

Được dùng trong các hệ thống thực tế vì không cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt


Điều chế PolSK (Polarization Shitf Keying): Bộ phát sử dụng bộ điều chế ngoài LiNi tạo ra sự dịch pha rad

giữa các mod sóng TE và TM, tức là quay phân cực tín hiệu một góc 90

Trạng thái phân cực trực giao này được duy trì trong suốt quá lan truyền trong sợi quang đơn mode

Bộ thu áp dụng kỹ thuật tách sóng Heterodyne

MÁY THU QUANG COHERENT

Nguyên lý tách sóng quang coherent: Mô hình một bộ thu coherent ASK cơ bản

với ES= E0.cos(0t + S): trường tín hiệu vào

EL= EL.cos(Lt + L): trường tín hiệu của bộ dao động nội (EL>E0)

Coupler 22

Bộ dao động nội

RL

EL

ES


Nguyên lý tách sóng quang coherent: Độ lệch pha = S - L = (t) thể hiện mối quan hệ pha giữa hai trường

chứa thông tin truyền trong trường hợp FSK hay PSK. Nếu (t)=const thông tin truyền chứa trong ES đối với ASK.

Đối với tách sóng Heterodyne, tần số của tín hiệu dao động nội L chênh lệch với tần số của tín hiệu vào S một khoảng IF, tức là: S = L + IF

IF được gọi là tần số góc của tín hiệu trung tần Tín hiệu IF có tần số thường nằm trong vùng vô tuyến và có giá trị từ vài

chục MHz đến hàng trăm MHz Đối với tách sóng Homodyne: không có sự chênh lệch giữa S và L nên

IF = 0

tín hiệu khôi phục được là tín hiệu dải nền


Nguyên lý tách sóng quang coherent: Trong cả hai trường hợp tách sóng Heterodyne và Homodyne, bộ

tách sóng quang (photodiode) tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là Ip tỉ lệ với cường độ ánh sáng theo qui luật bình phương cường độ trường tới photodiode:

Ip (eS + eL)2

IP [ES.cos(St + S) + EL.cos(Lt + L)]2

loại bỏ các thành phần tần số cao như 2S và 2L IP

Nếu biểu diễn theo công suất quang, công suất quang tỉ lệ với bình phương cường độ trường, ta có biểu thức:

Ip

)cos(22

1

2

1 22 ttEEEE LSLSLS

)cos(2 ttPPPP LSLSLS


Nguyên lý tách sóng quang coherent: Theo thông tin quang 1, nếu tín hiệu quang tới photodiode có

công suất P0 thì dòng photon Ip được ra sẽ bằng

trong đó là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện tích của điện tử, h là hằng số Planck, và f là tần số ánh sáng; P0 là công suất tới photodiode.

Khi tín hiệu dao động nội lớn hơn tín hiệu vào thì thành phần AC trong biểu thức trên là quan trọng hơn cả, vì tín hiệu cần khôi phục tập trung năng lượng ở đây.

không quan tâm thành phần DC và thay IP thành IS với:

Với tách sóng Heterodyne S L và thế IF = S - L vào phương trình (4.19), ta được:

(4.20) Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu IS là tín hiệu

trung tần có tần số IF. Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội. Thành phần d.c của dòng IS được lọc trước khi đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu trung tần này.

Đối với tách sóng Homodyne, S = L nên phương trình (4.19) trở thành:

(4.21) Hay (4.22) với là đáp ứng của photodiode. Từ phương trình (4.20) và (4.21) chúng ta thấy rằng dòng điện tín

hiệu IS tỉ lệ với chứ không tỉ lệ với PS như trong tách sóng trực tiếp. Hơn nữa dòng photon này còn được khuếch đại với hệ số , hệ số độ lợi này phụ thuộc vào cường độ trường của bộ dao dộng nội. Với hệ số khuếch đại tạo ra từ bộ dao động nội làm tăng mức tín hiệu thu được mà không cần bộ tiền khuếch đại, do đó không bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt hay nhiễu dòng tối của photodiode. Đó là lý do tại sao tách sóng coherent cho độ nhạy của bộ thu cao hơn so với tách sóng trực tiếp.

)]cos(2[ ttPPPP

hf

eI LSLSLSp

)cos(2

ttPPhf

eI LSLSS


Nguyên lý tách sóng quang coherent: Với tách sóng Heterodyne S L và thế IF = S - L vào

phương trình (4.19), ta được:

Như vậy ở ngõ ra của bộ tách sóng quang tín hiệu IS là tín hiệu trung tần có tần số IF. Tần số IF này được ổn định nhờ vòng điều khiển tần số cho laser dao động nội. Thành phần d.c của dòng IS được lọc trước khi đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu trung tần này.

Đối với tách sóng Homodyne, S = L nên phương trình (4.19) trở thành:

Hay

với là đáp ứng của photodiode. Từ phương trình (4.20) và (4.21) chúng ta thấy rằng dòng điện tín


)cos(2

ttPPhf

eI LSLSS

)cos(2

tPPhf

eI IFLSS

)cos(2

LSS PPhf

eI


Nguyên lý tách sóng quang coherent:

Hay

với là đáp ứng của photodiode. Từ phương trình (4.20) và (4.21) chúng ta thấy rằng dòng điện tín


)cos(2 LSS PPRI hf

eR

GIẢI ĐIỀU CHẾ HETERODYNE Heterodyne Synchronous Demodulation:

Cần phục hồi sóng mang viba tại tần số trung tần sử dụng các vòng khóa pha (PLL) điện

Tín hiệu dải nền sau khi được giải điều chế:

chỉ chịu ảnh hưởng của thành phần nhiễu cùng pha

)cios c(I21

(t)I pdLOPsp P2R I

sLO

GIẢI ĐIỀU CHẾ HETERODYNE Heterodyne Asynchronous Demodulation:

Không đòi hỏi việc khôi phục sóng mang viba tại tần số trung tần Sử dụng bộ tách sóng đường bao có bộ lọc thông thấp theo sau Tín hiệu dải nền thu được sau khi giải điều chế:

Nhiễu cùng pha và khác pha đều ảnh hưởng đến tín hiệu

2/122 ])) sc iios sin(Ic[(I I ppd

ĐỘ NHẠY CỦA BỘ THU QUANG Heterodyne Asynchronous Demodulation:

TỶ SỐ BIT LỖI (BER) TRONG BỘ THU QUANG COHERENT

BER của bộ thu ASK đồng bộ:


BER của bộ thu PSK đồng bộ:


BER của bộ thu FSK đồng bộ:

thông tin quang_coherent

Documents