Tìm hiểu về kỹ thuật Radio over Fiber và những ứng dụng trong mạng truy nhập vô tuyến

Chương 1 KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER Radio over Fiber – Định nghĩa 1.1.1 Định nghĩa RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang. RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF Mobile Host (MH): đó là các thiết bị đi động trong mạng đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay có tích hợp chức năng, các PDA, hay các máy chuyên dụng khác có tích hợp chức năng truy nhập vào mạng không dây. Base Station (BS): có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến nhận được từ CS đến các MH, nhận sóng vô tuyến nhận được từ MH truyền về CS. Mỗi BS sẽ phục vụ một microcell. BS không có chức năng xử lý tín hiêu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2 thần phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF. Tùy bán kính phục vụ của mỗi BS mà số lượng BS để phủ sóng một vùng là nhiều hay ít. Bán kính phục vụ của BS rất nhỏ (vài trăm mét hoặc thấp hơn nữa chỉ vài chục mét) và phục vụ một số lượng vài chục đến vài trăm các MH. Trong kiến trúc mạng RoF thì BS phải rất đơn giản (do không có thành phần). Central Station (CS): là trạm xử lý trung tâm. Tùy vào khả năng của kỹ thuật RoF mà mỗi CS có thể phục vụ các BS ở xa hàng chục km, nên mỗi CS có thể nối đến hàng ngàn các BS. Do kiến trúc mạng tập trung nên tất cả các chức năng như định tuyến, cấp phát kênh,… đều được thực hiện và chia sẽ ở CS vì thế có thể nói CS là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF (cũng giống như tổng đài trong mạng điện thoại). CS được nối đến các tổng đài, server khác. Một tuyến quang nối giữa BS và CS nhằm truyền dẫn tín hiệu giữa chúng với nhau. Các thành phần của mạng được biểu diễn như hình vẽ 1.1. 1.1.3 Tuyến RoF Một tuyến RoF có kiến trúc như trên hình sẽ bao gồm ít nhất là thành phần biến đổi sóng vô tuyến sang quang, thành phần chuyển đổi quang thành sóng vô tuyến, một tuyến quang (song hướng hay đơn hướng). Các thành phần thuộc kiến trúc RoF không có chức năng quang như ăn-ten thu phát vô tuyến thuộc phần vô tuyến, chức năng xử lý giao tiếp của CS thuộc phần mạng ta không xét ở đây. Kỹ thuật RoF được khảo sát ở đây bao gồm tất cả các kỹ thuật phát và truyền dẫn sóng radio từ CS tới BS trên sợi quang và ngược lại. E/O O/E SOURCE O/E E/O Am CS MOBILE MOBILE MH BS Hình 1.1 CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF 1.2 Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần milimet 1.2.1 Mạng truy nhập vô tuyến hiện tại Mạng truy nhập vô tuyến hiện nay có thể được chia làm 2 loại là vô tuyến di động (mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định (fixed) như WiFi. Trong các mạng này thì người ta chú ý nhất đến 2 yếu tố đó là băng thông và tính di động. So với mạng cố định thì mạng mobile có tính di động cao hơn nhưng bù lại thì băng thông của nó lại thấp hơn ví dụ WiFi có thể đạt tới tốc độ 108Mbps trong khi mạng 3G xu hướng chỉ đạt được 2Mbps còn mạng WiMax có thể có tốc độ cao hơn, tính di động cũng cao nhưng vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm nhờ sử dụng các kỹ thuật mới tiên tiến hơn. Như vậy ta thấy rằng xu hướng của các mạng vô tuyến ngày nay là tính di động và băng thông ngày càng tăng để đạt được mạng băng thông rộng Sự kết hợp giữa sợi quang và vô tuyến Để đạt được mạng băng thông rộng, ngày nay các công nghệ truy nhập vô tuyến đang hướng dần về kiến trúc mạng cellular, tăng tính di động cho các thiết bị trong mạng. Trong khi đó để tăng băng thông thì người ta áp dụng các kỹ thuật truy nhập tiên tiến hơn như CDMA, OFDM,… và có xu hướng, a. giảm kích thước các cell lại để tăng số user lên do số lượng trạm thu phát tăng lên theo, b. chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/milimeterwave (mm-wave) để tránh sự chồng lấn phổ với các băng tần sẵn có và mở rộng băng thông hơn nữa. Hai xu hướng trên có tác động qua lại một cách chặt chẽ. Đối với băng tần mm ngoài những ưu điểm của nó như: kích thước ănten nhỏ, băng thông lớn, tuy nhiên ở ở tần số mm suy hao của nó trong không gian rất lớn. Suy hao không gian được biểu diễn bởi công thức sau: (1.2.1) trong đó f là tần số tính bằng MHz còn d là khoảng cách tính bằng km. Dựa vào công thức trên ta thấy rằng khi tần số tăng lên bao nhiêu lần thì bán kính phủ sóng của một trạm thu phát cũng bị giảm đi bấy nhiêu lần. Đối với băng tần mm (26Ghz – 100Ghz) thì lúc này ta thấy suy hao là rất lớn. Ở băng tần 60GHz người ta cố gắng để mỗi trạm thu phát (Base Station) có bán kính phục vụ trong vòng 300m gọi là các microcell. Ta thử làm 1 bài toán tính số lượng trạm thu phát trong một bán kính phục vụ 10km với giả sử một trạm thu phát phục vụ một microcell: Diện tích mỗi microcell sẽ là . Diện tích vùng phủ sóng sẽ là . Số lượng microcell sẽ là n = 1000 trạm Số lượng microcell này sẽ tăng nhanh hơn nữa nếu bán kính tăng (tỉ lệ thuận với bình phương bán kính). Với một số lượng BS lớn như thế thì rõ ràng giá thành của mỗi BS sẽ là một vấn đề phải giải quyết trong bài toán kinh tế. Để giảm giá thành cho các BS thì người ta a. cấu trúc BS thật đơn giản b. đưa ra kiến trúc mạng tập trung. Với kiến trúc mạng tập trung, các chức năng như xử lý tín hiệu, định tuyến, chuyển giao, định tuyến,… được thực hiện tại trạm trung tâm CS (Central Station), mỗi CS này phục vụ càng nhiều BS càng tốt, nhờ kiến trúc tập trung này thì rõ ràng các BS thật sự đơn giản, nhiệm vụ của chúng bây giờ chỉ còn là phát các tín hiệu vô tuyến nhận được từ CS và chuyển các tín hiệu nhận được từ MH (mobile host) về CS. So với các BTS trong mạng cellular đã tìm hiểu ở chương 1 thì các BS có chức năng đơn giản hơn nhiều vì ngoài chức năng thu phát sóng thông thường thì các BTS này có thêm chức năng xử lý tín hiệu (giải điều chế rồi truyền về các BSC bằng luồng T1/E1 được nối bằng cáp quang hay vô tuyến). Để kết nối CS với các BS, người ta sử dụng sợi quang với những ưu điểm không thể thay thế được đó là băng thông lớn và suy hao bé, mỗi sợi quang có thể truyền được tốc độ hàng trăm Gbps với chiều dài lên đến hàng chục km. Các kỹ thuật để truyền dẫn tín hiệu vô tuyên từ CS tới BS và ngược lại được gọi là kỹ thuật RoF. Còn mạng truy nhập vô tuyến dựa trên kỹ thuật RoF được gọi là mạng truy nhập vô tuyến RoF mà ta sẽ gọi tắt là mạng RoF. 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 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: (1.3.1) Trong đó SRF(t) là tín hiệu cần truyền ở tần só vô tuyến chưa điều chế, ωopt 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 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. 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 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) 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 Receiver optical signal Beam combiner Local oscillator ωLO Detector Electronics Electrical bit stream Hình 1.4 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne Nguyên lý Cường độ của một tín hiệu quang dưới dạng phức có dạng: (1.5.1) Trong đó ωs là tần số sóng mang, As là biên độ và φs là pha của tín hiệu. Tương tự cường độ của tín hiệu tham chiếu có dạng (1.5.2) với Aref, ωref, φref 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 trong đó K được gọi là hằng số tỷ lệ của PD. Như vậy ta có: (1.5.3) Trong đó: Ps=KAs2, Pref=KAref2, ω0=ωs-ωref. Đôi khi người ta ký hiệu ω0 là ωIF được gọi là tần số (góc) trung tần. Lý do nó được gọi là tần số trung tần bởi vì thông thường ω0 và ωref rất gần nhau nên hiệu của chúng là ωIF thường nhỏ hơn khá nhiều so với ω0 và ωref, và được gọi là tần số trung tần. Nếu ω0 =0 thì người ta gọi đây là kỹ thuật homodyne. Từ công thức 1.5.3 ta có (1.5.4) vì thông thường Ps<<Pref . Dòng điện sau PD có dạng với φs = φref. (1.5.5) Do Iref thường cố định nên người ta dễ dàng tách ra được thành phần tín hiệu homodyne bằng một mạch so sánh quyết định ngưỡng: (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. 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 ωs ≠ 0 thì đây được gọi là kỹ thuật heterodyne: (1.5.7) Khi đó thành phần heterodyne là: (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 Ihet 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)→ cho homorodyne (1.5.8)→ cho heterodyne Ta thấy rằng sự thay đổi về pha của nguồn phát φs hay bộ giao động nội φref 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 φs của nguồn laser và pha φref 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 Es và ELO đã được ta ta giả sử như là phối hợp phân cực nên ta được các công thức như đã nêu. Gọi ês và êLO là 2 véctơ đơn vị chỉ hướng phân cực của 2 tín hiệu Es và ELO 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 ês và êLO. Trong trường hợp lý tưởng ta phân tích thì thành phần θ được cho là 00, nhưng một sự thay đổi của góc pha θ này đều tác động đến bộ thu. Trong trường hợp đặc biệt là góc θ = 900 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 êLO 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 ês 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) 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. 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 RF refence RF refence Refenrence laser Signal laser Optical mod IF mod Digital source Photo- detector CS BS Hình 1.5 Kỹ thuật Heterodyne trong mạng RoF. Như ở hình vẽ 2.6 ta thấy 2 ưu điểm của kỹ thuật này. Ưu điểm thứ nhất đó là cấu trúc BS đơn giản do nguồn tham chiếu RF được tạo ra từ CS, nguồn RF tham chiếu được khóa pha với Laser phát chính (master laser). Cả nguồn tham chiều lẫn tín hiệu được truyền đi trong cùng sợi quang. Chú ý rằng, nguồn tham chiếu được truyền với tần số RF trong khi đó thì tín hiệu được điều chế ở tần số IF. Ưu điểm thứ hai đó là tín hiệu được truyền đi với tần số IF (unmodutation signal – Gọi là tín hiệu chưa điều chế vì vẫn ở tần số trung tần, nhưng thực chất nó đã được điều chế sang dạng quang). Điều này giúp cho tín hiệu được truyền đi xa hơn mà ít bị ảnh hưởng đến hiện tượng tán sắc hơn. Đến BS, nguồn tín hiệu IF này sẽ được điều chế lên tần số RF bởi nguồn tham chiếu RF tại Photodetector và phát đi, tín hiệu lúc này gọi là modulation signal vì nó ở tần số RF. 1.6 Bộ điều chế ngoài Như đã tìm hiểu ở trên thì phương pháp điều chế trực tiếp có 2 nhược điểm chính sau đây: Băng thông bị hạn chế bởi tần số của laser diode Chirp hiện tượng này gây lên sự trải rộng của xung ánh sáng. Chirp là một trong những vấn đề của laser DFB và nó là nhân tố gây ra giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu. Để tránh được hai nhược điểm nói trên người ta sử dụng phương pháp điều chế ngoài. Sơ đồ tổng quát điều chế ngoài được cho như hình vẽ. Information Modulation light CW light PD Laser Diode Laser-driving eclectronic External Modulator Interface eclectronic Hình 1.6 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài. Ở bộ điều chế ngoài, người ta cần một nguồn laser rất ổn định, vì vậy một vòng hồi tiếp với photodiode được thêm vào. Vòng hồi tiếp này sẽ làm cho cường độ laser phát ra được ổn định, đồng thời hiện tượng chirp được giảm thiểu. Tuy nhiên vòng hồi tiếp này khiến cho hiệu suất làm việc của laser không cao vì một phần được đưa vào điều khiển hồi tiếp. Hình 1.7 a. Cấu hình bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3, b.Bộ điều chế bức xạ electron trên nền bán dẫn. Ngày nay, có 2 loại điều chế ngoài được sử dụng một cách rộng rãi đó là bộ điều chế ngoài Match Zender và bộ điều chế ngoài bức xạ electron. Hình 1.7 mô tả cấu tạo của 2 bộ điều chế trên. 1.6.1 Bộ điều chế Mach-Zehnder Nguyên lý hoạt động của bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder như sau: Chiết suất của lớp lithium niobate thay đổi khi ta đặt vào một nhánh của nó một hiệu điện thế. Nguồn sáng từ bộ điều chế được chia làm 2 nhánh khi nó đi qua ống dẫn sóng. Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả 2 nữa của tia tới sẽ không bị dịch pha, tại ngõ ra chúng sẽ giao thoa với nhau vào tái tạo lại dạng sóng tới ban đầu. Hình 1.8a. Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì một tia tới sẽ bị dịch pha 900 bởi vì chiết suất của ống dẫn sóng đó đã bị thay đổi, trong khi đó nhánh kia lại bị dịch pha -900. Kết quả là tổng hợp ở ngõ ra ống dẫn sóng cả 2 đều bị triệt tiêu như hình 1.8b Do đó, ngõ ra của bộ điều chế ngoài được điều khiển bởi điện áp đặt vào vì vậy nó có thể đạt được tốc độ điều chế ở hàng Gbps. Hình 1.8 a. Không có điện áp; b. Có điện áp điều khiển. Như vậy ngõ ra của bộ điều chế Match-Zenhder phụ thuộc vào điện áp điều khiển đặt vào bộ điều chế. Trong trường hợp tổng quát, ngõ ra của bộ điều chế theo điện áp đặt vào V được cho bởi: (1.6.1) trong đó: được gọi là phân cực pha của bộ điều chế (modulator phase bias) với ΔnL độ chênh lệch chiều dài 2 nhánh bộ giao thoa được cho bởi công thức n1L1 – n2L2; λ bước sóng quang Vb điện áp phân cực (switching voltage of MZ modulator) d độ phân ly điện cực (electrode separation) Lm chiều dài điện cực (electrode length) Γ(λ) hệ số giảm của vật liệu n(λ) chỉ số chiết suất r(λ) hệ số điện quang (electro optic coeffcient) hay cường độ điện trường tổng hợp tại ngõ ra được cho bởi: (1.6.2) Với A là biên độ nguồn quang ngõ vào, IM là tổn hao chèn và ωopt là tần số quang phát ra bởi nguồn laser. Thông thường đối với một bộ điều chế Match-Zenhder thì người ta thường quan tâm thông số Vπ. Bộ điều chế MZ chế tạo bởi LiNbO3 có Vπ=6.6V. Tín hiệu điện áp V đặt vào bộ điều chế được chia làm 2 loại, loại tín hiệu nhỏ (small signal) và loại tín hiệu lớn (large signal). Mỗi bộ điều chế có tính chất riêng của nó, tuy nhiên loại tín hiệu nhỏ được sử dụng nhiều hơn. Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron Nhược điểm lớn của các bộ điều chế ngoài đó là tổn hao chèn, thông thường tổn hao chèn của một bộ điều chế có thể lên đến 5dB, và điện áp điều chế cao (10V). Ngoài ra còn có 1 nhược điểm nữa đó là sự cứng nhắc của nó, khiến các nhà thiết kế và quản trị mạng quang phải đau đầu. Họ muốn có một bộ phát tích hợp chức năng điều chế bên trong laser diode có thể phát ra ở nhiều tần số vào một con chip mà không bị ảnh hưởng của hiện tượng chirp. Người ta sử dụng bộ điều chế ngoài bức xạ electro. Nguyên tắc hoạt động của nó như sau: Một laser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục, tia sáng này chạy qua ống dẫn sóng được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn. Khi không có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser DFB bởi vì tần số cắt của nó, λC, ngắn hơn bước sóng tia tới. Khi một hiệu điện thế điều khiển đặt vào, một khoảng trống (band gap), Eg, của vật liệu ống dẫn sóng tăng lên. Đó được gọi là hiệu ướng Franz-Keldsysh. Khi khoảng năng lượng này tăng lên, tần số cắt giảm xuống (λC = 1024/Eg) và vật liệu của ống dẫn sóng bắt đầu bức xạ tia tới. Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn sóng bán dẫn, đặc tính bức xạ của ống dẫn sóng cũng thay đổi. Điều thú vị là loại bộ điều chế này là vật liệu bán dẫn làm ống dẫn sóng có thể được sản xuất trên nền của DFB laser. Đặc điểm của bộ điều chế bức xạ electron này là: Công suất quang ngõ ra bộ điều chế EA có thể đạt được 0dBm. Thông thường, ngõ ra của các bộ phát có công suất nhỏ hơn so với trường hợp điều chế trực tiếp. Tuy nhiên, công suất ngõ ra của bộ điều chế EA không những không nhỏ hơn mà đôi khi còn lớn hơn. Điệp áp điều khiển bộ điều chế nhỏ chỉ khoảng 2V. Tỉ số chênh lệch động, Pmax/Pmin, lớn. 1.7 Kĩ thuật nâng và hạ tần 1.7.1 Giới thiệu Thay vì phải truyền tín hiệu có tần số RF trên sợi quang sẽ bị tác động rất lớn của tán sắc. Trong kỹ thuật này người ta truyền tín hiệu ở băng tần IF. Tín hiệu được truyền dẫn ở băng tần IF khi điều chế lên tần số quang sẽ hạn chế rất lớn ảnh hưởng của tán sắc, tuy nhiên cần phải có một bộ chuyển đổi tần số từ IF lên RF ở BS khiến cho giá thành của BS tăng lên. Điều này không có lợi. Một ưu điểm khác của kỹ thuật này nữa là cần băng thông rất nhỏ (trên miền quang) nên nó có ý nghĩa rất lớn khi sử dụng kết hợp với kỹ thuật DWDM. Kỹ thuật nâng và hạ tần Hình 1.9 mô tả sơ đồ khối của bộ nâng hạ tần. Giả sử ta có tín hiệu sIF(t) ở tần số IF: (1.7.1) Cường độ điện trường của tín hiệu quang mang tín hiệu trên có dạng: (1.7.2) Với K là hằng số. Giả sử φs = φ = 0. (1.7.3) Như vậy tín hiệu trên sợi quang chiếm băng thông 2fIF. Trong khi đó ta truyền tín hiệu ở băng tần IF thì băng thông của sử dụng là 2fRF=120GHz = 1nm. Tại BS, giả sử ta tách được tín hiệu sIF(t), ta sẽ đưa lên tần số RF bằng một bộ nâng tần (hay còn gọi là bộ điều chế cần bằng) (1.7.4) Sau khi đi qua bộ lọc thông. Ta có tín hiệu RF mong muốn. (1.7.5) Điều chế cân bằng Lọc thông dải IF RFocs RF Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ nâng tần. Đối với phương pháp hạ tần kỹ thuật cũng tương tự. Nhận xét kỹ thuật nâng và hạ tần Trước hết kỹ thuật nâng và hạ tần giúp cho tín hiệu trên sợi quang có tần số IF trong miền điện. Nhờ vậy mà nó hạn chế được hiện tượng tán sắc ảnh hưởng khá nghiêm trọng đến chất lượng của tín hiệu truyền đi nhất là tín hiệu tần số càng cao. Tuy nhiên, giá thành của BS tăng lên do ở mỗi BS cần có một bộ dịch chuyển tần số. Sự phức tạp ở đây không phải là bộ dịch chuyển tần số mà đó chính là bộ giao động bên trong nó, hoạt động ở tần số cao và cần sự ổn định. Băng thông cần thiết cho mỗi kênh truyền là rất nhỏ, nên khi kết hợp kỹ thuật DWDM thì rất có lợi, vì số kênh mở rộng nhiều trong khi đó do cần băng thông lớn nên các tín hiệu quang truyền dẫn sóng RF kết hợp WDM có số kênh ít hơn. 1.8 Bộ thu phát quang Cấu trúc của các BS đơn giản nhất có thể được thực hiện với một bộ thu phát quang như bộ thu phát bức xạ electro. Những bộ thu phát này vừa có chức năng chuyển đổi O/E trên tuyến downlink đồng thời có thể chuyển đổi E/O cho tuyến uplink cùng một lúc. 2 bước sóng đó được truyền dẫn thông qua một sợi quang từ CS tới BS. Một bước sóng dành cho điều chế dữ liệu bởi người dùng cho tuyến downlink và một dành cho giải điều chế ở tuyến uplink (hình 2.11). Bước sóng giải điều chế được điều chế bởi dữ liệu tuyến uplink ở BS và gởi trở về CS. Do dó, một bộ EAT được sử dụng như một photodiode cho luồng dữ liệu tới chúng và đồng thời làm nhiệm vụ điều chế để cung cấp luồng dữ liệu gởi lại cho hướng phát, vì vậy sử dụng bộ EAT có thể thay thế một laser ở phía BS, điều này rất có ý nghĩa khi các BS cần có cấu trúc đơn giản. Hiện nay, thiết bị này có thể được hoạt động song công hoàn toàn ở bước sóng mm, tuy nhiên chỉ ở mức thử nghiệm và điều trở ngại nhất với kỹ thuật này đó là vấn đề tán sắc mà chúng cần phải được giải quyết. Hình 1.10 mô tả một hệ thống sử dụng kỹ thuật RoF sử dụng bộ EAT Hình 1.10 Bộ thu phát bức xạ electron EAT trong mạng 1.9 So sánh các kỹ thuật Như vậy, các kỹ thuật đã khảo sát, mỗi kỹ thuật phát và truyền dẫn sóng mm trên sợi quang đều có những ưu và nhược điểm riêng. Mỗi kỹ thuật có thế thích hợp tùy vào mô hình mạng được sử dụng. Bảng dưới tổng hợp lại các ưu và nhược điểm của các kỹ thuật trên. So sánh các kỹ thuật truyền dẫn và phát sóng milimet Kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm Optical Heterodyne Điều chế ASK, FSK, PSK Hạn chế được tán sắc sợi quang Cấu tạo nguồn sáng phức tạp Điều chế ngoài Điều chế ASK, FSK, PSK Cấu hình đơn giản Dùng DFB Laser (giá thành) Tán sắc Tổn hao chèn lớn Hiệu ứng phi tuyến Các bộ điều chế EAM tần số cao Dịch tần Điều chế trực tiếp từ IF Hạn chế tác động bởi tán sắc Bộ dao động mm ở BS Các bộ điều chế EAM tần số cao Bộ thu phát quang Bộ điều chế và tách sóng đơn giản Các bộ điều chế EAM tần số cao Hạn chế trong WDM Kết hợp WDM trong kỹ thuật RoF Ứng dụng WDM vào mạng RoF mang lại nhiều ưu điểm như đơn giản hóa mô hình mạng bằng cách ấn định các bước sóng khác nhau cho mỗi BS riêng biệt, cho phép nâng cấp mạng và các ứng dụng dễ dàng hơn và cung cấp một phương tiện quản lý mạng đơn giản. Xem hình 1.11, là một ví dụ trong ứng dụng này cho tuyến downlink. Như vậy, với mô hình dưới, thì chỉ cần một sợi quang thì kỹ thuật RoF đã có thể phục vụ được cho rất nhiều các BS. Số lượng các BS được phục vụ là tùy thuộc vào số lượng kênh quang có thể truyền được trên sợi quang đó. Hình 1.11 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF Tuy nhiên khó khăn trong ứng dụng kỹ thuật WDM ở đây là mỗi kênh quang truyền một sóng mm ở tần số 60GHz. Do đó bề rộng phổ mỗi kênh quang vượt quá bề rộng phổ một kênh WDM. Ví dụ như hình 1.12a sử dụng phương pháp đều chế 2 biên và 1.12b sử dụng phương pháp điều chế 1 biên để truyền một sóng mm ở băng tần 60Ghz tức phải tốn một kênh 100MHz vì bề rộng phổ trong lưới ITU–T có chuẩn là 100MHz. Ở phương pháp sử dụng điều chế 2 biên thì ta cần phải sử dụng đến một kênh 200GHz. Như vậy có một sự lãng phí lớn băng thông trong sợi quang hoặc là các thiết bị trong thế giới WDM cũ sẽ không tương thích được trong kỹ thuật RoF. Hiện nay đang có nhiều nghiêng cứu trong lĩnh vực này. Để gia tăng hiệu suất sử dụng phổ, khái niệm chèn tần số quang (optical frequency intterleaving) đã được đưa ra. 200GHz 100GHz f f (a) (b) optical carrier side band Hình 1.12 DWDM trong RoF a. Điều chế hai dải biên, b. Điều chế triệt một dải biên. Mặc khác, mối quan hệ giữa số lượng bước sóng yêu cầu cho mỗi BS, mỗi BS phải được cấp đủ số bước sóng để hoạt động song công hoàn toàn (full-duplex), nên cần phải đến có đến 2 bước sóng, một cho chiều downlink và một cho chiều ngược lại. Trong một kỹ thuật tái sử dụng bướt sóng đã được đề cập đến, dựa trên kỹ thuật khôi phục sóng mang quang dùng trong tín hiệu downlink và được sử dụng lại bướt sóng đó cho chiều truyền dẫn uplink. Như vậy chỉ tốn có 1 bước sóng cho cả hai chiều truyền dẫn. Tăng hiệu quả sử dụng băng thông của sợi quang. Hình 1.13 thể hiện một kiến trúc sóng mang đơn hướng mà nó được sử dụng để cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng thông rộng. Ở CS, tất cả các nguồn sáng uplink và down link được ghép lại và khuyến đại lên truyền đi trong sợi quang. Một bộ điều chế kênh downlink và giải điều chế uplink sẽ đưa các tín hiệu quang vào trong sợi quang được nối với nhau theo mạng ring. Tại mỗi BS, một cặp bước sóng down – uplink sẽ được xen rẽ thông qua một bộ OADM (optical add/drop multiplexer) bởi một bộ EAT, cả 2 thao tác diễn ra một cách đồng thời ở BS. Kênh uplink đã được điều chế sẽ được thêm vào trong sợi quang và truyền vòng về CS, tại đó chúng sẽ được giải ghép và khôi phục tín hiệu. Ưu điểm chính của mạng ring WDM P2MP này là khả năng tập trung tất cả các nguồn phát quang ở CS, cho phép có được một cấu hình BS đơn giản. Hình 1.13 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM. 1.11 Tổng kết chương Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu và nghiên cứu các kỹ thuật truyền dẫn sóng mm trên sợi quang, mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm riêng mà chúng ta đã biết. Như vậy kỹ thuật RoF bao gồm một tuyến quang RoF thông thường, các kỹ thuật phát và truyền sóng mm trên sợi quang đó và kết hợp hệ thống với WDM. Chính khả năng cung cấp dịch vụ băng rộng trên cơ sở hạ tần đơn giản với nhiều ưu điểm như giá thành hạ, triển khai dễ dàng, bảo dưỡng nhanh chóng nên mạng RoF hứa hẹn cho một mạng không dây trong tương lai.