Công Nghệ Truyền Sóng Vô Tuyến Trên Sợi Quang

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI QUANG - RoF

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Nội dung của chương này nhằm giới thiệu về tổng quan công nghệ truyền sóng vô tuyến trên sợi quang, cũng như phân tích cụ thể các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang, các kỹ thuật ghép kênh trong RoF như thế nào. Chương gồm các phần chính sau:

 Tổng quan về Công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến trên sợi quang RoF

 Các kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến qua sợi quang

 Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF

 Cấu hình tuyến RoF

2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI QUANG

2.2.1. Khái niệm về công nghệ RoF

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 89 trang tài liệu này.

RoF là công nghệ truyền tải tín hiệu vô tuyến sử dụng đường truyền là sợi quang nhằm phân phối tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ trạm đầu cuối trung tâm (CS) tới các trạm gốc (BS) và ngược lại. Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức năng xử lí tín hiệu RF như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh...được thực hiện ở các trạm gốc BS và ngay sau đó được đưa tới anten. Đối với công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lí tín hiệu RF tại một vị trí chung (trạm đầu cuối trung tâm CS), sau đó sử dụng sợi quang có suy hao thấp (khoảng 0,3 dB/km cho bước sóng 1550 nm, 0,5 dB/km cho bước sóng 1310 nm) để phân phối tín hiệu RF tới các trạm gốc BS như minh họa trong hình 2.1.

Hình 2.1: Mô hình khái niệm về hệ thống RoF

Nhờ công nghệ RoF các BS được đơn giản hóa đáng kể, chúng chỉ còn chức năng chuyển đổi quang - điện và khuếch đại. Việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu RF cho phép chia sẻ thiết bị, phân bổ rộng tài nguyên và đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống. Những ưu điểm này làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ các trạm gốc (BS) cao.

2.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng công nghệ RoF

Tuyến quang sử dụng công nghệ RoF ở đây bao gồm một số thành phần cơ bản như: MH (Mobile host), BS (Base station), CS (Central station) và sợi quang…

Sợi quang

O/E

E/O

Nguồn

O/E

►

E/O

Di động

Hình 2.2: CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF

Mobile Host (MH): là các thiết bị đi động trong mạng, nó là các thiết bị đầu cuối. Các MH có thể là điện thoại đi động, máy tính xách tay, 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 hiệu, nó chỉ đơn thuần biến đổi từ thành phần chuyển đổi điện/quang và ngược lại để chuyển về hoặc nhận từ CS. BS gồm 2 thành phần quan trọng nhất là antenna và thành phần chuyển đổi quang điện ở tần số RF. Tùy vào 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.

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

nhiều 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 sẻ 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.

Sợi quang: Là môi trường truyền tải thông tin giữa các CS và BS dưới dạng ánh sáng truyền trong sợi quang (sợi đơn mode hoặc đa mode) bằng hiện tượng phản xạ toàn phần.

2.2.3. Kỹ thuật truyền dẫn RoF

Hình 2.3: Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang

Hình 2.3 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:

jopt

E(t) SRF (t)e

(2.1)

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.

2.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ RoF

2.2.4.1. Ưu điểm của công nghệ

Suy hao thấp: Sử dụng sợi quang có suy hao rất thấp. Các sợi đơn mode (SMF) làm từ thủy tinh có suy hao dưới 0,2 dB/km và 0,5 dB/km tại các cửa sổ 1550 nm và 1300 nm. Sợi quang chất dẻo (POF) công bố gần đây có suy hao từ 10-40 dB/km trong vùng 500-1300 nm. Những suy hao này thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục.

Băng thông rộng: Sợi quang có băng thông khổng lồ. Có ba cửa sổ truyền dẫn chính, suy hao thấp, cụ thể là các bước sóng 850 nm, 1310 nm, 1500 nm. Với một sợi quang đơn mode, băng thông tổng của 3 cửa sổ này vượt quá 50 THz. Tuy nhiên các hệ thống thương mại hiện nay mới chỉ tận dụng được một phần nhỏ dung lượng này (1,6 THz).

Không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến: Không chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Chính đặc điểm này nên thông tin sợi quang có khả năng chống nghe trộm, đây là một đặc tính quan trọng của thông tin sợi quang khi cung cấp an ninh và bảo mật

Lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng: Trong hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt tiền được đặt tại trạm điều khiển trung tâm (CS), khiến cho các trạm gốc (BS) trở nên đơn giản hơn. Điều này giúp tiết kiệm được chi phí lắp đặt, bởi vì hệ thống cần nhiều BS, các BS đơn giản hóa sẽ dễ dàng trong công việc bảo trì và quản lí thiết bị.

Giảm công suất tiêu thụ: Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng RAU đơn giản và thiết bị rút gọn. Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tại các đầu cuối tập trung. Trong một số ứng dụng các RAU hoạt động ở chế độ thụ động. Việc giảm tiêu thụ năng lượng tại RAU rất quan trọng khi tính đến việc các RAU được đặt ở nơi xa, những nơi chưa có mạng lưới điện.

2.2.4.2. Những nhược điểm của công nghệ

Vì RoF liên quan tới điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây là một hệ thống truyền dẫn tương tự. Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF. Những ảnh hưởng này có xu hướng giới hạn là hệ số nhiễu (NF) và dải động (DR) của các tuyến RoF.

Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của laser (RIN), nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu

nhiệt của bộ khuếch đại, tán sắc của sợi. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF. Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đa mode, tán sắc mode giới hạn nghiêm trọng băng tần và khoảng cách tuyến truyền dẫn.

2.3. CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimét.

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.

2.3.1. Tạo tín hiệu RF bằng IM-DD

2.3.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật IM- DD

Phương pháp đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF trong sợi quang là trực tiếp điều chỉnh cường độ của nguồn sáng với tín hiệu RF chính nó và sau đó sử dụng tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang để phục hồi tín hiệu RF. Có 2 cách điều chỉnh nguồn sáng. Một cách là để cho các tín hiệu RF trực tiếp điều chỉnh dòng điện của các diode laser. Cách thứ 2 là để vận hành ở chế độ sóng laser liên tục (CW) và sau đó sử dụng một bộ điều biến bên ngoài điển hình như bộ điều chế MZM (Mach- Zehnder Modulator), để điều chỉnh cường độ ánh sáng. Hai loại trên được hiển thị như trong

hình 2.4. Trong cả 2 trường hợp, tín hiệu điều chỉnh là tín hiệu RF thực tế được phân phối. Các tín hiệu RF phải được điều chế với dữ liệu trước khi phát đi. Vì vậy RFoF đòi hỏi thiết bị quang điện ở tần số cao rất tốn kém tại các thiết bị đầu cuối (headend).

Bỏphát 2

T ín hiỏu RF

Bỏphát 1

MZM

T ín hiỏu RF

T hiên áp T hiên áp

(a) (b)

Hình 2.4:Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp

(a) Sử dụng laser (b) Sử dụng bộ điều chế ngoài

Sau khi truyền qua sợi quang và tách sóng trực tiếp tại bộ tách sóng quang, dòng tách quang sẽ là một bản sao của tín hiệu RF đã điều chế tại trạm trung tâm. Dòng quang điện phải qua bộ khuếch đại phối hợp trở kháng để làm tăng biên độ điện áp trước khi kích thích anten. Nếu tín hiệu RF được sử dụng để điều chế ở máy phát là chính nó với dữ liệu, rồi tín hiệu RF được tách tại máy thu sẽ mang dữ liệu giống như vậy. Các định dạng điều chế của dữ liệu được bảo toàn.

Hầu hết các hệ thống RoF, bao gồm các hệ thống RoF IM-DD đều sử dụng sợi đơn mode. Tuy nhiên, việc sử dụng kĩ thuật IMDD RoF cho việc truyền tải các tín hiệu RF qua sợi đa mode, bằng việc trang bị dải thông truyền dẫn thứ tự cao hơn.

2.3.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật IM- DD

Ưu điểm thứ nhất của phương pháp này là sự đơn giản. Thứ hai, nếu như sợi tán sắc thấp được sử dụng cùng lúc với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính), hệ thống sẽ trở nên tuyến tính. Do đó, tuyến quang hoạt động chỉ như một bộ khuếch đại hay bộ suy hao và vì thế nó trong suốt với dạng điều chế của tín hiệu RF. Điều đó có nghĩa là tín hiệu được điều chế theo biên độ (AM) hay theo các định dạng điều chế nhiều mức như xQAM đều có thể được truyền tải, dẫn đến hệ thống cần nâng cấp rất ít thậm chí là không cần bất kể khi nào có thay đổi trong việc điều chế tín hiệu RF diễn ra. Ghép kênh theo sóng mang con SCM cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống này. Hơn nữa, không giống như điều chế trực tiếp thiên áp laser, bộ điều chế bên ngoài như

Zehnder Mach Modulator (MZM) có thể được điều chế với tín hiệu sóng mm gần 100 GHz, mặc dù điều này đi kèm với một chi phí rất lớn về hiệu quả năng lượng và tuyến tính yêu cầu.

2.3.1.3. Nhược điểm của kỹ thuật IM- DD

Nhược điểm của kĩ thuật RFoF hay IM-DD là rất khó để sử dụng cho các ứng dụng sóng mm. Bởi vì để tạo ra các tín hiệu tần số cao hơn như các sóng mm thì tín hiệu điều chế phải ở cùng tần số cao đó. Với điều chế trực tiếp thiên áp laser, điều đó là không thể vì lí do băng thông hạn chế và điều kiện phi tuyến, nó sẽ dẫn tới sự điều chế qua lại sẽ tạo ra các thành phần gây nên tán sắc. Mặt khác, các bộ điều chế ngoài như MZM có thể hỗ trợ các tần số RF cao. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi điện áp điều khiển cao, dẫn tới các bộ khuếch đại điều khiển sẽ rất đắt.



Một nhược điểm nữa của RFoF là sự nhạy cảm đối với tán sắc màu, gây ra sự triệt tiêu biên độ phụ thuộc của công suất RF vào tần số hoặc chiều dài nếu như sử dụng điều chế DSB. Ảnh hưởng của việc suy giảm biên độ có thể mô hình hóa bởi hàm điều chế của hệ thống điều chế ngoài IM-DD, được cho bởi công thức sau:

iRF

2m.cos

.cos2 L f

2 m 







(2.2)

m 

o 

Trong đó ωm là tần số điều chế, β2 là đạo hàm bậc 2 của hằng số truyền lan β (vd. β2 = d2 β/ d2 ω), Lf là chiều dài sợi và τ = t - (z/υg) với υg là vận tốc nhóm. Từ công thức này, chiều dài lớn nhất của sợi quang trước khi tín hiệu bằng 0 đối với hệ thống

IM-DD 60 GHz hoạt động tại 1550 nm có thể bị giới hạn xuống chỉ 1.5 km. Có thể khắc phục sự suy giảm biên độ bằng việc sử dụng các kĩ thuật tránh tán sắc như điều chế dải đơn biên quang OSSB, phương pháp sẽ loại trừ đi việc truyền dẫn dải biên thứ hai bằng việc lọc đi một dải biên hoặc sẽ sử dụng cả 2 bộ điều chế cường độ điều khiển. Tất cả những điều này sẽ khiến cho hệ thống IM- DD RoF sử dụng điều chế OSSB trở nên phức tạp hơn.

2.3.2. Tạo tín hiệu RF bằng bộ điều chế ngoài

Ở kỹ thuật IM - DD ta đã thấy băng thông bị hạn chế bởi tần số của laser diode, để khắc phục tình trạng này ta sử dụng 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 (PD) được thêm vào. Vòng hồi tiếp này làm cho cường độ laser phát ra được ổn định, đồng thời hiện tượng chirp (là hiện tượng gây lên sự trải

rộng của xung ánh sáng. Chirp là một trong các vấn đề của Laser DFB và nó là nhân tố gây ra giới hạn về tốc độ truyền tín hiệu) 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.

Mạch điều khiển điện

Photo

diode

Laser Diode

Điều chế ngoài

Điều chế ánh sáng

Sóng liên tục

Giao tiếp điện

Thông tin

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài

Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3

Hình 2.6: Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3

Nguyên lý hoạt động: 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 và tái tạo lại dạng sóng tới ban đầu, hình 2.7(a). 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 2.7(b). 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.