Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620

Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Tìm Hiểu HTTTQKH
SV: Lê Duy Tùng Lớp:Kĩthuật viễn thông A-K472
Lời Mở Đầu
Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế,
Vị thế của Việt Nam ngày càng cao trên trường quốc tế. Với xu thế hội nhập
và toàn cầu hoá thì nhu cầu về thông tin liên lạc trở nên vô cùng quan trọng.
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về thông tin liên
lạc ngày càng cao. Mà các hệ thống thông tin hiện nay không thể đáp ứng
được những yêu cầu về dung lượng và tốc độ truyền dẫn. Hầu hết, các hệ
thống thông tin quang đang khai thác trên mạng lưới hiện nay đều sử dụng
các hệ thống điều biến cường độ và tách sóng trực tiếp IM – DD (Intensity
Modulation – Derect detection). Tuy nhiên kỹ thuật này vẫn chưa tận dụng
hiệu quả băng tần của sợi quang đơn mode hiện nay. Vấn đề đặt ra là ta phải
tận dụng được băng tần rộng của sóng ánh sáng để không bị lãng phí. Do vậy
người ta đã đưa ra một hệ thống thông tin quang mới là hệ thống thông tin
quang kết hợp (Coherent optical systems).
Cho đến nay, hệ thống thông tin quang kết hợp vẫn đang ở trong quá
trình nghiên cứu và thử nghiệm. Tuy nhiên, nó đã chứng tỏ những ưu điểm
vượt trội của nó so với hệ thống IM – DD về khả năng nhạy thu, tốc độ truyền
dẫn… Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng như AT&T, NTT, KDD, Acatel,
Intatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ thông tin quang vào mạng viễn
thông là hướng mạnh nhằm nâng cao khả năng truyền dẫn và kéo dài cự ly
giữa các trạm lặp.
Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin quang kết hợp về
cầu trúc, nguyên lý hoạt động, khả năng áp dụng của hệ thống vào mạng lưới
viễn thông. Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan hệ thống thông tin quang kết hợp.
Chương II: Các phương pháp điều chế trong hệ thống thông tin quang
kết hợp.
Chương III: Máy thu quang coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến
độ nhạy máy thu
Chương IV: Những kĩ thuật viễn thông tiên tiến và việc áp dụng vào

mạng lưới viễn thông.
Để hoàn thành đề tài này em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn
Chu Công Cẩn đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình em
làm đồ án. Trong quá trình làm đồ án, em đã cố gắng tìm hiểu công nghệ và
ứng dụng thực tế. Tuy nhiên do hạn chế về trình độ và giới hạn về mặt tài liệu
nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo
đóng góp tận tình của các thầy và các bạn sinh viên để đồ án của em hoàn
thiện hơn.
Sinh viên
Lê Duy Tùng

MỤC LỤC
Lời Mở Đầu................................................................................................ 2
Danh Mục Các Từ Viết Tắt ......................................................................... 6
Danh Mục Các Hình Vẽ.............................................................................. 9
Chương I.................................................................................................. 11
Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp ............................................ 11
(Coherent optical systems) ........................................................................ 11
I.Giới thiệu chung:................................................................................ 11
1. Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:.................................. 11
2. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp: .............................. 12
II. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp:................... 15
III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp:.............. 17
1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:................................................. 17
2. Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection): ................................... 20
3. Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):..................................... 21
Kết Luận .................................................................................................. 24
Chương 2: ................................................................................................ 25
Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống Coherent.............................. 25
I.Điều chế trong thông tin quang Coherent:............................................ 25
1. Các kỹ thuật điều chế:.................................................................... 25
II. Kỹ thuật điều chế ngoài laser: ........................................................... 33
1.Giới thiệu chung:............................................................................ 33
2. Bộ điều chế pha (Phase Modulator):............................................... 34
3. Bộ điều chế cường độ:................................................................... 36
III. Điều chế phân cực:.......................................................................... 38
1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent: .................... 38
2. Các phương pháp điều khiển phân cực:........................................... 39
Kết Luận .................................................................................................. 44
Chương III :Máy thu quang Coherent và những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy
máy thu.................................................................................................... 45
I. Các nguyên lý tách sóng:.................................................................... 45
II. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent : ........................... 45
1.Tách sóng heterodyne đồng bộ........................................................ 47
2.Tách sóng Heterodyne không đồng bộ............................................. 49
3. Tách sóng Homodyne.................................................................... 50
4.Vòng khóa pha trong máy thu quang coherent ................................. 51
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu:..................................... 53
1.Nhiễu pha:...................................................................................... 53
2. Nhiễu cường độ:............................................................................ 54
3. Không tương xứng về phân cực:..................................................... 56
4. Tán sắc trong sợi quang: ................................................................ 56

5. Các yếu tố hạn chế khác:................................................................ 56
IV.So sánh một số loại thu coherent....................................................... 57
1. So sánh thu trực tiếp và thu Coherent: ............................................ 57
2. So sánh thu heterodyne và thu homodyne: ...................................... 61
Kết Luận .................................................................................................. 65
Chương IV ............................................................................................... 66
Khả năng ứng dụng của hệ thống thông tin quang kết hợp và những kỹ thuật
tiên tiến.................................................................................................... 66
I. Khả năng áp dụng của kỹ thuật thông tin quang coherent vào mạng lưới.
............................................................................................................ 66
1. Khả năng áp dụng vào mạng lưới: .................................................. 66
2. Những tồn tại trước mắt của hệ thống thông tin quang coherent:...... 69
II. Một số kỹ thuật Coherent tiên tiến:.................................................... 71
1. Kỹ thuật ghép kênh quang theo thời gian OTDM:........................... 71
2. Kỹ thuật truyền dẫn phân cựu đa mức:............................................ 72
3. Ghép kênh quang theo tần số OFDM:............................................. 76
III. Kỹ thuật về hệ thống: ...................................................................... 78
1.Tạo ra một hệ thống có năng lực truyền dẫn cao: ............................. 78
2. Tận dụng được băng tần rất rộng của sóng ánh sáng nói chung và sợi
quang Single mode:........................................................................... 79
3. Hệ thống Coherent cho phép truyền một số lượng lớn kênh:............ 80
4. Hệ thống Coherent cho khả năng lựa chọn độ nhạy thu: .................. 81
IV. Tiến bộ Kỹ thuật công nghệ:............................................................ 82
1.Làm hẹp độ rộng phổ:..................................................................... 83
2. Ổn định tần số và công suất phát: ................................................... 85
3. Các thiết bị quang thụ động:........................................................... 85
V. Thực trạng thông tin quang trên thế giới:........................................... 86
1.Một số giải pháp xử lý tín hiệu dựa trên các hiện tượng thông tin quang
kết hợp thực nghiệm ở các nước:........................................................ 86
2. Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm: ................................................ 88
Kết Luận .................................................................................................. 95
Phụ Lục I: Các tham số của sợi đơn mode theo CCITT............................... 96
Phụ Lục II. Cấu trúc của bộ khuếch đại quang sợi...................................... 97
Kết Luận Chung ....................................................................................... 98
Tài Liệu Tham Khảo................................................................................. 99

Danh Mục Các Từ Viết Tắt
ACS Average Modulation Điều biên
ADC Analog digital converter Chuyển đổi tương tự - số
AFC Automatic Frequency
Control
Bộ điều khiển tần số tự động
AM Amplitude Modulation Điều biên
AMP Amplier Bộ khuếch đại công suất
ATT Attenuator Bộ làm giảm công suất
ASK Amplitude shift keying Khoá dịch biên
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit
CPSK Continous phase shift keying Khoá dịch pha liên tục
CD Common drain Cực sóng mang
DPSK Differrential Shift Keying Khoá dịch pha vi phân
DFB Distributed Feedback Phản hồi phân bố
DFB-LD Distributed Feedback-
laserdiode
Laser phản hồi phân bố
EDFA Erbium Doped Ferber
Amplier
Khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium
ECL Laser cộng hưởng ngoài
FDM Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh tần số
FTTH Fiber to the house Sợi quang tới tận nhà
FM Frequency Modulation Điều tần
FET Field effect transistor Transistor hiều ứng trường
FWM Four wave mixing Trộn 4 sóng

IM-DD Intensity Modulation –
Derect Detection
Điều biến cường độ - tách sóng
trực tiếp
IF Intermediate Frequency Trung tần
HCS Hight Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp cao
MSK Minimum Shift Keying Khoá dịch pha tối thiểu
MAN Metropolitan Area Networks Mạng khu vực nội thị
OFDM Optical Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh quang theo tần số
ODEMUX Optical Demultiplexing Giải ghép quang
OMUX Optical Multiplexing Ghép quang
OTDM Optical Time Division
Multiplexing
Ghép kênh quang theo thời gian
OOK On – Off keying Khoá đóng mở
LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang
LD Laser diode Điốt laser
LDA Laser diode Amplier Khuếch đại laser
LCS Low Coherent Systems Hệ thống có mức độ kết hợp thấp
LAN Local Area Networks Mạng nội hạt
PLL Phase Locked Loop Mạch khoá pha
PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha
PLSK Polarization Shift Keying Khoá dịch phân cực
PM Phase Modulation Điều pha
PIN Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN
QPSK Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu phương
QAM Quadrsture Amplitude
Modulation
Điều biên cầu phương

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode
SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích
SBS Stimulated Brillouin
Scattering
Tán xạ Brillouin kích thích
TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền................................ 13
Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền.................. 14
Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp......................... 15
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent ....................... 18
Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần................................................ 20
Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần .................................................. 22
Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent .......................................... 23
Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK .......................................... 26
Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK .................................. 27
Hình 2.3: Phổ công suất của tín hiệu trung tần FSk..................................... 28
Hình 2.4: Phổ công suất điều chế tín hiệu PSK........................................... 29
Hình 2.5: Sơ đồ khoá dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân cực là
song song với các trạng thái phân cực........................................................ 31
Hình 2.6: Đồ thị vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội nằm ở góc
450 ........................................................................................................... 31
song song với các trạng thái phân cực........................................................ 32
Hình 2.8: Đồ thì vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội được định
hướng theo cùng một phương với một trong các trạng thái phân cực........... 33
Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha.......................................................... 35
Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng................................ 37
Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học............. 38
Hình 2.12. Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực.................... 40
Hình 2.13. Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi phân
cực........................................................................................................... 41
Hình 2.9: Máy thu phân cực trực giao ........................................................ 43
Hình 3.1 : Mô hình bộ thu coherent cơ bản. ............................................... 45
Hình 3.2 : Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản...................................... 47
Hình 3.3 :Các kỹ thuật khôi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu
quang Coherent PSK................................................................................. 49
Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne không đồng bộ. ...................................... 50
Hình 3.6:Bộ thu vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường..................... 52
Hình 3.7 :Bộ thu vòng khóa pha quang Costas ........................................... 52
Hình 3.8. Bộ thu coherent cân bằng hai nửa ............................................... 55
Hình 3.9: Sự phụ thuộc tỷ số S/N vào công suất thu ................................... 59
Hình 3.10. Mẫu thu coherent ..................................................................... 61
Hình 4.1. Nguyên lý của thiết bị tách quang Kerr ....................................... 72
Hình 4.2: sơ đồ máy điều biên phân cực .................................................... 73

Hình 4.3. Sơ đồ khối máy thu.................................................................... 75
Hình 4.4.Cấu hình hệ thống thực nghiệm ghép 100 kênh quang theo nguyên
lý OFDM.................................................................................................. 77
Hình 4.5. mức tín hiệu của thực nghiệm OFDM có trạm lặp quang ............. 78
Hình 4.6. Ghép kênh quang TDM.............................................................. 80
Hình 4.7. Ghép kênh quang theo tần số...................................................... 81
Hình 4.8. cấu trúc laser phản hồi phân bố DFB .......................................... 83
Hình 4.9. Sơ đồ khối mạch PLL quang để trích lấy clock............................ 88
Hình 4.10. lắp đặt truyền QPSK kết hợp 1.4 Gbit/s với coupler 3x3 sử dụng
trong bộ thu.............................................................................................. 91
Hình 4.11. kết quả đo BER công suất khuếch đại đầu vào cho truyền dẫn đồng
bộ QPSK 1,4Gbit/s ................................................................................... 92

Chương I
Tổng Quan Hệ thống thông tin quang kết hợp
(Coherent optical systems)
I.Giới thiệu chung:
1. Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp:
Khái niệm hệ thống thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao
về tính kết hợp thời gian của nguồn phát quang laser và độ kết hợp về không
gian trong bộ tách sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội.
Vào những năm của thập kỉ 70, kĩ thuật thông tin quang kết hợp đã
được các nhà nghiên cứu đề cập và chứng minh là có thể sử dụng kĩ thuật đổi
tần tín hiệu truyền tin trên hệ thống sợi quang. Nhưng vào thời kì này công
nghệ quang và công nghẹ laser không thoả mãn và đáp ứng được những yêu
cầu đặt ra.
Những năm đầu thập kỉ 80, công nghệ chế tạo sợi quang đã đạt được
những thành tựu to lớn. Cáp sợi quang single mode có tiêu hao cỡ nhỏ hơn
0,2db/km tại cửa sổ truyền dẫn với bước sóng 1550nm. Cùng với sự phát triển
công nghệ cáp sợi quang là công nghệ laser bán dẫn cũng đạt được những
bước tiến dài. Các nguồn laser đơn mode có cấu trúc dị thể kép và có bước
sóng ổn định tương thích với sợi quang, độ rộng phổ cho phép tán xạ trên
đường truyền là không đáng kể. Chính nhờ các thành tựu trên việc nghiên cứu
thông tin quang kết hợp đã thu được những kết quả tốt đẹp, Có nhiều công
trình thử nghiệm về hệ thống thông tin quang kết hợp đã được tiến hành ở
nhiều nước như: Nhật Bản , Mỹ, Châu Âu. Nhiều hãng viễn thông nổi tiếng
như AT&T, NTT, KDD, Acatel, Itatel… đã cho rằng áp dụng công nghệ
thông tin quang kết hợp vào mạng viễn thông là hướng mạnh nhằm nâng cao
khả năng truyền dẫn và kéo dài cự ly giữa các trạm lặp.
Như ta đã biết trong các hệ thống thông tin quang hiện nay sử dụng kĩ
thuật điều biến và giải điều chế trực tiếp IM – DD (Intensity Modulation –
derect detection) có đặc điểm:

- Đối với các hệ thống thông tin số và tương tự, cường độ ánh sáng
phát ra ( LED và Laser) được điều chế trực tiếp đối với dòng tín
hiệu vào.
- Không sử dụng pha của sóng mang để truyền tin.
Còn khả năng tách sóng trực tiếp được biểu hiện là ở máy thu quang,
tín hiệu được trực tiếp tách ra ở băng tần cơ sở mà không có bất kì sự xử lý
hoặc biến đổi nào.
Khác với hệ thống IM – DD các hệ thống thông tin quang kết hợp có
đặc điểm sau:
- Tín hiệu thông tin được điều chế ở phía phát với mức độ yêu cầu
cao về độ rộng phổ tín hiệu, độ ổn định tần số (có thể điều chế trực
tiếp hoặc điều chế ngoài).
- Độ phân cực được giữ nguyên trong quá trình truyền.
- Trước khi tách sóng ở phía nguồn thu, tín hiệu thông tin được trộn
với tín hiệu dao động nội. Như vậy, ánh sáng đã được xử lý trước
khi tới photodiode.
2. Ưu điểm của hệ thống thông tin quang kết hợp:
2.1. Nâng cao độ nhạy thu:
Trong các hệ thống thông tin quang Coherent có sử dụng phương pháp
thu homodyne hoặc heterodyne cho phép kéo dài khoảng cách giữa hai trạm
lặp, tăng tốc độ trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong
mạng hạt hoặc thuê bao. Độ nhạy thu được nâng từ 15 – 20dB so với thu trực
tiếp . Hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc độ nhạy thu và tốc độ truyền trong 2
trường hợp thu trực tiếp và thu kết hợp với các dữ liệu: tỉ lệ lỗi bit 10-9 cửa sổ
hoạt động 1550nm (với độ suy hao < 0,2dB/km), sử dụng kỹ thuật điều biến
và tách heterodyne với thu trực tiếp.

100 1000 10000 Tốc độ truyền (Mbit/s)
-80
-60
-40
Độ nhạy thu (dBm)
Thu trực tiếp
Thu Coherent
Hình 1.1: Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ truyền
Như vậy, khoảng cách giữa hai trạm lặp được nâng lên đến 75 – 100km
thậm chí có thể đạt tới vài trăm km. Trên hình 1.2 biểu diễn sự phụ thuộc giữa
độ dài khoảng lặp và tốc độ truyền đối với thu trực tiếp và thu kết hợp.
VD: với tốc độ truyền là 1,2Tbit/s khoảng lặp giữa thu trực tiếp là
200km và với thu coherent là 280km.

Khoảng cách lặp
Tốc độ truyền
Gbit/s
100
200
300
400
0.01 0.1 1 10
Thu coherent
Thu Trực tiếp
Hình 1.2: Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ
truyền
2
Hình 1.2 :Sự phụ thuộc khoảng cách trạm lặp với tốc độ truyền
2.2: Nâng cao khả năng truyền dẫn:
Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quang
kết hợp có dung lượng truyền lớn. Điều này có thể thấy rõ ngay qua ví dụ sau:
Nếu trong vùng cửa sổ hoạt động 1550nm (tương ứng với dải tần 200THz)
chọn độ rộng phổ để truyền (chẳng hạn 1,47…1,57µm) thì trong vùng này có
thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương.
2.3: Nâng cao khả năng lựa chọn kênh:
Khả năng lựa chọn kênh ở phía thu dựa trên khả năng nguồn thu có thể
điều chỉnh tín hiệu bằng cách thay đổi công suất phát dao động nội. Như vậy,
người sử dụng có thể lựa chọn được kênh mong muốn trong nhiều kênh ( các
kênh này được ghép theo tần số).
2.4: Kết hợp thu coherent với kỹ thuật khuếch đại quang:
Kết hợp thu coherent với kĩ thuật thu khuếch đại quang có thể tạo nên
các tuyến thông tin số có dung lượng đường truyền lớn và kéo dài khoảng
cách giữa hai trạm lặp (có thể đạt tới 10000km). Khả năng này được ứng
dụng trong các tuyến thông tin đường trục và tuyến cáp quang biển.

Mặt khác, chúng ta cũng thấy rằng sự khác nhau về độ nhạy thu của hai
kĩ thuật thu heterodyne và thu homodyne là 3dB. Đây cũng là điểm khác biệt
nổi bật của thu kết hợp, bởi vì trong hệ thống thông tin vô tuyến, các nguồn
thu đổi tần và đồng tần đều có đặc điểm giống nhau.
II. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang kết hợp:
Cấu trúc tổng quát của hệ thông thông tin quang kết hợp trình bày trong
hình 1.3:
DE MOD DEC AMP
DE-
MOD
LLO LOCCWLLC
Tín
hiệu
vào
Tín
hiệu
ra
Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống thống thông tin quang kết hợp
+ Bộ điều khiển: Driver
+ Điều chế ngoài: External Modulation.
+ Laser diode.
+ Sợi quang
+ Trộn quang: optical m
+ Dao động nội: Local osillator.
+ Bộ lọc: fillter.
+ Lọc vòng: Loop fillter.
+ Giải điều chế: Demodulation.
+ Tầng khuếch đại:
+ AFC.
Hệ thống thông tin quang kết hợp gồm hai thành phần chính là phần
phát và phần thu.

a. Phía phát gồm: Mạch điều khiển, laser bán dẫn, bộ điều chế tín hiệu. Ngoài
ra còn có thể có thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công suất khi
cần thiết.
+ Laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode có độ rộng phổ hẹp, thường
là loại laser DFB có độ rộng phổ 0,1nm, loại laser có bộ cộng hưởng ngoài
hoặc laser cách tử có độ rộng phổ khoảng 10 ÷ 100MHZ. Các loại LED và
laser đa mode không thích hợp cho hệ thống Coherent vì độ rộng phổ của
nguồn luôn yêu cầu phải hợp hơn độ rộng băng tần của tín hiệu. Nguồn
laser cần phải đặt trong một bộ ổn nhiệt, nhiệt độ của nó được điều khiển
trong vùng 0,010C để đảm bảo ổn định tần số. Để đền bù sự suy giảm công
suất phát, người ta đưa thêm bộ hiệu chỉnh công suất tự động. Một phần
tín hiệu thông tin được trích từ nguồn phát, qua bộ phận điều chỉnh công
suất tự động, được xử lý và tín hiệu này điều khiển dòng bơm laser ban
đầu.
+ Bộ điều chế ngoài có thể được thực hiện theo hai phương án sau:
- Điều khiển dòng nội xạ của nguồn laser, phương pháp này thường
dùng trong hệ thống điều chế khoá dịch tần FSK (Frequency Shift
Keying).
- Điều chế trường quang phát từ nguồn laser bằng các thiết bị thích
hợp dùng trong hệ thống ASK (Amplinude Shift Keying), PSK
(Phase Shift Keying), DPSK (Differential Phase Shift Keying).
- Trong bộ điều biến cần có bộ cách ly quang (Optical Isolator) và sợi
quang nhằm ngăn chặn phản xạ quang (optical Reflection) gây mất
ổn định sóng mang quang hoặc độ rộng phổ laser.
b. Phía thu gồm:
Bộ thu là phần phức tạp nhất của hệ thống và là đặc trưng nhất của hệ
thống Coherent.
Phần thu gồm: Bộ trộn quang laser dao động nội photodiode, bộ tiền
khuếch đại, bộ giải điều chế ở trung tần và mạch quyết định.
+ Bộ trộn quang là một thiết bị bốn cửa tương tự như ghép hướng siêu
cao tần. Nó có hai trường quang đầu vào (tín hiệu thông tin và sóng dao động

nội) được trộn với nhau và được cộng tuyến tính ở cửa ra của chúng. Nó có
thể cấu tạo từ một gương bán phản xạ (phản xạ một nửa), hai lăng kính lập
phương hoặc bộ ghép sợi nóng chảy. Để đảm bảo phách đúng tín hiệu với bộ
sóng dao động nội, một vấn đề cần thiết cần phải đạt được là cả hai trường
quang cần phải đồng hướng trên mặt của photodiode. Vì trạng thái phân cực
của trường tín hiệu dọc theo sợi bị thăng giáng, cho nên cần phải dùng một bộ
điều khiển phân cực đặc biệt ở đầu cuối tuyến sợi quang. Độ lệch giữa các
trạng thái phân cực của tín hiệu dao động nội có thể gây ảnh hưởng đến chất
lượng hệ thống. Tần số của sóng dao động nội và tín hiệu có thể là giống nhau
(đối với thu homodyne) hoặc khác nhau (đối với thu heterodyne) với hiệu số
là bằng trung tần.
+ Cấu trúc của laser dao động nội và laser ở phần phát là cơ bản giống
nhau, chỉ có một điểm khác là: trong laser dao động nội có khả năng điều
chỉnh từng tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau
khi trộn luôn ổn định.
+ Bộ trộn và photodiode hoạt động như một bộ biến đổi tần thấp (khi
thu heterodyne) hoặc một bộ tách pha (khi thu homodyne). Dòng tín hiệu ở
đầu ra bộ tách sóng quang photodiode được đưa đến bộ tiền khuếch đại, rồi
được lọc thông giải để giới hạn độ rộng băng tần nhiễu và sau đó giải điều chế
tương ứng với dạng điều chế.
Ở đây, chúng ta cần phải lưu ý rằng nhiễu phase trong laser là một vấn
đề quan trọng trong hệ thống Coherent vì nó xác định độ rộng băng tần của bộ
lọc tần số trung gian, và rõ ràng nó quyết định độ rộng băng tần của tín hiệu.
Một phần dòng sau lúc biến đổi quang điện (O – E) được sử dụng để chốt tần
số trung tần (trung gian) tại một giá trị mong muốn thông qua vòng điều khiển
tần số tự động AFC. Tín hiệu sau bộ tiền khuếch đại được đưa đến bộ lọc
vòng và sử dụng điều khiển laser dao động nội bằng một mạch thích hợp.
III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin quang kết
hợp:
1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hình 1.4 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent.

Điều chế
Lọc và giải
điều chế
Khuếch đại
Trộn
SMF
(ASK, PSK,
FSK)
Laser diode (w1)
Laser dao động nội(w2)
out
in
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống coherent
Giả sử trường điện từ của tín hiệu truyền đi là sóng phẳng có dạng sau:
Es = As.cos[(wst + φs(t)) ] (1.1)
Trong đó: As: biên độ của trường tín hiệu quang
s: tần số tín hiệu điện.
Φs(t): pha của tín hiệu.
Để truyền thông tin người ta có thể sử dụng điều chế biên độ, điều chế
tần số, điều chế pha của tín hiệu:
+ Điều chế khoá dịch biên ASK hoặc là khoá đóng mở OOK: Trong
phương pháp này φs là hằng số và biên độ As chỉ nhận một trong 2 giá trị
trong mỗi chu kì bit, phụ thuộc giá trị 0 và 1 của tín hiệu truyền đi.
+ Điều chế khoá dịch tần FSK: Trường hợp này biên độ As là hằng số
còn φs(t) nhận các giá trị 1(t) và 2(t) tương ứng với các giá trị của tín hiệu
nhị phân.
+ Điều chế khoá dịch pha PSK: Với phương pháp này thông tin được
truyền đi thông qua sự thay đổi phase. Với sóng hình sin
Φs(t) = sinm(t). Trong đó  là hệ số điều chế phase và m là tần số điều chế.
Đối với các hệ thống thu trực tiếp (Derect Detection), tín hiệu điện tới
bộ phát sẽ điều chế biên độ mức công suất quang của nguồn phát laser. Như
vậy, công suất quang sẽ tỉ lệ với mức biên độ tín hiệu điện. Tại phía thu tín

hiệu quang tới được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện. Dòng được tách
trực tiếp này tỉ lệ với cường độ của tín hiệu quang:
  sm
s
ssDD T
A
EEI  22cos1.
2
.
2
*
 (1.2)
số hạng  smT  22  khi thu sẽ không còn, như vậy với tách sóng trực tiếp thì:
2
.
2
* s
ssDD
A
EEI  (1.3)
Đối với hệ thống thông tin quang kết hợp tại đầu thu tín hiệu mang tin
tới trộn với tín hiệu dao động nội tại bộ trộn. Tại đầu ra của bộ trộn có tín hiệu
tần số trung tần và sau đó tách sóng tín hiệu trung tần này. Có 4 phương pháp
giải điều chế tuỳ thuộc vào cách trộn tín hiệu như thế nào (là heterodyne hay
homodyne) và cách tách tín hiệu (tách đồng bộ hay tách không đồng bộ). Tín
hiệu sau khi trộn được đưa đến photodiode. Nếu trường dao động quang nội
có dạng:
ELO = ALOcos[LOt + φLO(t) ] (1.4)
Trong đó, ALO, LO, φLO là biên độ tần số pha của truyền dao động nội.
Ta có dao động sau khi tách sóng:
ICOH = (Es + ELO)2
=     tAA
AA
LOsLOs
LOs
  cos..
22
22
.cos(t) (1.5)
Với: φ(t) = [φs(t) – φLO(t) ] là độ lệch pha giữa tín hiệu truyền tin và tín
hiệu dao động nội:
LO
LO
E
E.
cos
s
s
E
E

Biểu hiện độ phân cực giữa sóng ánh sáng tín hiệu và sóng dao động
nội, ở đây vẫn sử dụng điều kiện là các số hạng chứa tần số cao không còn
sau khi tách sóng.
Khi công suất quang tỷ lệ với cường độ thì tại photodiode có công suất
quang tới là:
P(t) = Ps +PLO +2(Ps.PLO)1/2.cos[(s +LO) + φ(t) ]. cos(t) (1.6)

Trong đó Ps và PLO là công suất quang của tín hiệu dao động nội.
IF = (s +LO) là tần số trung tần nằm trong dải tần vô tuyến.
Từ các biểu thức tính dòng ICOH và P(t) có thể rút ra một vài nhận xét
sau:
- Phổ công suất trung bình của dòng tín hiệu tại trung tần bằng tổng phổ
công suất của tín hiệu và dao động nội, nhưng của dao động nội là chính.
- Méo tín hiệu là do thành phần phase, và những phase chủ yếu do
nguồn và bộ dao động nội gây ra. Đây là nguồn nhiễu chủ yếu của hệ thống
thông tin quang kết hợp.
- Thông qua hệ số cos(t) nhận thấy phải có yêu cầu nghiêm ngặt về độ
phân cực của tín hiệu và của dao động nội.
2. Tách sóng đồng tần (Homodyne Detection):
Trường hợp tách sóng đồng tần là khi tần số của tín hiệu và của bộ dao
động nội bằng nhau (IF = 0). Được mô tả như hình vẽ 1.5:
Lọc thông thấp
Tín hiệu đến LOESE
0F I
Photodiode
Tín hiệu ra
Hình 1.5: Sơ đồ khối của máy thu đồng tần
Dòng điện sau khi ra khỏi photodiode được đưa vào bộ lọc thông giải
và tín hiệu được khôi phục trực tiếp tại băng tần cơ sở. Lúc này biểu thức trở
thành:
)(cos).(cos..
2
)( ttPP
PP
tP LOs
LOs


 (1.7).

Ở đây chú ý là PLO > Ps và PLO là một hằng số và giả thiết góc phân cực
giữa sóng tín hiệu đến và sóng của bộ dao động nội (t) = 0 thì thành phần
công suất chứa thông tin truyền đi được biểu diễn dưới dạng:
)(cos..
2
)( tPP
PP
tP LOs
LOs


 (1.8)
Trong hệ thống tách sóng đồng tần ta có thể dùng các dạng điều chế
thông tin như ASK < thay đổi mức tín hiệu Ps và giữ nguyên )(t không đổi.
Mức “0” ứng với khi Ps = 0.
Mức “1” ứng với khi có Ps.
Hay là điều chế PSK thay đổi pha )(ts của tín hiệu và giữ nguyên Ps
không đổi:
Mức “0” ứng với  LOs
Mức “1” ứng với 0 LOs .
Khi tăng côngsuất của bộ dao động nội PLO thì ta tăng được thành phần
)(cos..)( tPPtP LOs  (hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu) nên độ nhạy
thu sẽ lớn hơn trong trường hợp tách sóng trực tiếp.
Mặc dù các máy thu đồng tần mang lại độ nhạy thu cao nhất cho hệ
thống thông tin quang kết hợp, nhưng rất khó thực hiện vì trong cả hai trường
hợp tách sóng ASK và PSK ở trên có một yêu cầu khắt khe là hai tần số tín
hiệu đến và dao động nội phải luôn ổn định và bằng nhau.
3. Tách sóng đổi tần (Heterodyne Detection):
Khi tần số của tín hiệu đến và tần số dao động nội khác nhau thì ta có
trường hợp tách sóng đổi tần.
Tần số trung tần fIF = fs – fLO được chọn nằm trong giải sóng vô tuyến
khoảng vài trục MHZ đến hàng trăm MHZ.
Giá trị cụ thể fIF tuỳ thuộc vào tốc độ bít và phương pháp điều chế được
sử dụng trong hệ thống đó. Một yêu cầu đặt ra là cần phải ổn định tần số trung
gian trong quá trình hoạt động . Hình vẽ 1.6 mô tả sơ đồ khối của máy thu

Coherent tách sóng đổi tần. Dòng điện ở đầu ra của photodiode được đưa vào
mạch lọc và giải điều chế tái tạo lại thông tin ban đầu.
Lọc và giải điều
chế
Laser dao động nội
đã được khoá tần
số
photodiode
Bộ trộn quang
Tín hiệu vào Tín hiệu ra
LOEE S
0IF 
Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần
Trong hệ thống này có thể sử dụng các phương pháp điều chế ASK,
PSK, FSK. Khi PLO >> Ps ta bỏ qua Ps trong biểu thức (7) và nó trở thành:
      tttPP
P
tP LOsLOs
LO
 cos.cos..
2
)(  (1.9).
Lúc đó thành phần dòng một chiều tại đầu ra của bộ thu được cho bởi
công thức:
2
. 0PS
idc  (1.10).
Và thành phần dòng tín hiệu iIF(t) được biểu diễn như sau:
    tttPPSti ILOsI  cos.)(cos...)( FF  (1.11).
Thông thường thành phần dòng một chiều idc bị lọc bỏ thành phần dòng
tín hiệu khuếch đại và được giải điều chế để khôi phục lại dòng thông tin số
ban đầu:
Nếu thay công suât bằng biên độ trường thì ta được công thức:
    tttEE
Z
S
ti ILOI  cos.)(cos...)( FSF  (1.12).
Hình 1.7 biểu thị phổ công suất của tín hiệu điều chế của bộ dao động
nội và của tín hiệu trung tần trong hệ thống thông tin quang Coherent. Phổ

của tín hiệu trung tần IF bao gồm thành phần băng gốc và thành phần sóng
mang của tín hiệu trung tần.
Bộ trộn quang Photodiode
Lọc và giải điều
chế
Tín hiệu
vào
Tín hiệu
ra
Dao động
nội
P
Sf
LOf
SfLOf
P
f f f
P
BW BW BW/2
Hình 1.7: Phổ công suất của hệ thống coherent

Kết Luận
Trong chương này ta tìm hiểu khái niệm, ưu điểm, cấu trúc, nguyên lý
hoạt động của hệ thống thông tin quang kết hợp, và hai kỹ thuật tách sóng đổi
tần (heterodyne) và tách sóng đồng tần (homodyne). Trước hết ta thấy rằng
khái niệm thông tin quang kết hợp dùng để chỉ sự đòi hỏi cao về tính kết hợp,
về thời gian nguồn phát quang laser và độ kết hợp không gian trong bộ tách
sóng quang khi trộn tín hiệu quang và tín hiệu quang nội. Hệ thống Coherent
ra đời đã chứng tỏ được những ưu điểm vượt trội của nó so với hệ thống IM –
DD về khả năng nhạy thu và tốc độ truyền dẫn. Cấu trúc của hệ thống
Coherent được trình bày trong hình 1.3 với hai phần phát và thu. Trong đó
phía thu là quan trọng nhất và đặc trưng nhất trong hệ thống thông tin quang
kết hợp. Nguyên lý hoạt động được mô tả trong hình 1.4, với tín hiệu truyền
là sóng phẳng và các kĩ thuật điều chế là Ask, FSK, PSK. Các thành phần
dong điện và công suất phụ thuộc vào cos(t) biểu thị độ lệch phân cực giữa
sóng tín hiệu đến và sóng dao động nội, có khả năng gây lỗi trong quá trình
truyền dẫn. Chất lượng của hệ thống và độ nhạy máy thu phụ thuộc vào độ
lệch phân cực này. Do đó việc ổn định độ phân cực là một trong những yêu
cầu nghiêm ngặt đối với hoạt động của hệ thống. Với hai kĩ thuật tách sóng
đổi tần và tách sóng đồng tần ta thấy rằng: mặc dù máy thu đồng tần có độ
nhạy cao nhất nhưng trong hệ thống coherent nhưng khó thực hiện.

Chương 2:
Các Phương Pháp Điều Chế Trong Hệ Thống
Coherent
I.Điều chế trong thông tin quang Coherent:
1. Các kỹ thuật điều chế:
Trong hệ thống thông tin quang coherent, tín hiệu trước khi truyền
được điều chế biên độ, tần số, pha, hoặc phân cực. Điều chế là quá trình mà
sóng mang bị biến đổi về mộ vài tham số dưới tác động của tín hiệu thông tin
số và tương tự. Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số lẫn điều
chế tương tự, nhưng thực tế điều chế số rất phổ biến còn điều chế tương tự rất
ít. Quá trình điều chế lượng tin của nguồn tin được bảo toàn chỉ thay đổi mối
tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi.
Trong hệ thống sợi quang, điều chế trước lúc truyền dẫn để đạt thêm
được một số điều mong muốn, chẳng hạn:
+ Dịch chuyển băng tần tín hiệu sang vùng tần số mong muốn để tạo
điều kiện thuận lợi cho việc ghép kênh.
+ Tạo nên những tín hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớp
đoạn, lớp ngang.
Một đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang là băng tần của sợi
quang rộng, công suất tín hiệu bé cần sử dụng điều chế tín hiệu nhằm duy trì
S/N của băng gốc, đồng thời công suất tín hiệu đưa vào kênh truyền dẫn đạt
giá trị tối thiểu.
Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào băng tần của tín hiệu điều
chế và phương pháp ghép sau đó. Còn việc chọn phương pháp điều chế phụ
thuộc vào yêu cầu đạt tỷ số (S/N) tại máy thu và các yếu tố khác như giá
thành và độ phức tạp.

1.1. Điều chế khoá dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) hoặc khoá
đóng mở OOK (On – Off Keying):
Đây là cách điều chế sóng mang quang đơn giản nhất và nó cũng thích
hợp như điều chế cường độ. Sóng mang điều biến được biểu thị:
)cos().(.)( ttmEtE sss  (2.1).
Ở đây tín hiệu điều chế chỉ có hai giá trị lý tưởng 0 và 1. Dạng phổ
công suất của tín hiệu trung tần ASK được biểu thị trong hình vẽ 2.1:
P
BfI 2F  BfI F FIf BfI F BfI 2F 
f
Hình 2.1: Phổ công suất điều chế tín hiệu ASK
Vì một nửa công suất bị lãng phí trong sóng mang cho nên phương
pháp điều chế này không được hiệu quả lắm. Có thể sử dụng nó trong hệ
thống đổi tần (heterodyne) hoặc hệ thống đồng tần (homodyne). Trong hệ
thống đổi tần tín hiệu IF có thể được giải điều đường bao hoặc giải điều đồng
bộ.
1.2. Khoá dịch tần FSK (Frequency Shift Keying):
Ở dạng điều chế này biên độ sóng mang giữ không đổi và sóng mang
điều chế được biểu thị:
 tftmtEtE dsss   2).(cos.)( (2.2).
Ở đây m(t) có thể nhận các giá trị 1, 2fd là độ lệch tần đỉnh đỉnh và
tham số  = 2.fd/B là chỉ số điều chế. Tương ứng với các  khác nhau có các
sơ đồ khác nhau:

+ Ứng với  = 0,5 điều chế được coi là khoá dịch pha tối thiểu MSK
(Minimum Shift Keying) dạng phổ công suất ép rất chặt làm cho các sơ đồ
này rất thích hợp với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm
không  1,5B. Dạng phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK được biểu thị
trong hình 2.2.
P
Độ lệch tần
hẹpBfI 75,0F  BfI 75,0F FIf
Hình 2.2: Phổ công suất của tín hiệu trung tần MSK
+   0,5  0,7 điều chế được coi là khoá dịch tần pha liên tục
(Continous Phase Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, dạng phổ của nó
cũng rất chặt. Như vậy có thể coi MSK là trương hợp riêng của CPSK. Giải
điều tại khối IF có thể thực hiện được bằng bộ phân biệt tần số đường dây trễ.
Điều chế MSK có nhiều triển vọng trong hệ thống thông tin quang
Coherent. Nó có nhiều ưu điểm so với điều chế QPSK thông dụng trong kỹ
thuật vô tuyến, chẳng hạn như:
- Trong MSK dạng sóng băng gốc trơn tru hơn so với dạng sóng
vuông góc đột ngột của QPSK. Búp phổ trung tâm chính của MSK
bằng 1,5 lần búp phổ chính của QPSK, ngoài ra các búp bên của
MSK rất bé so với búp chính nên việc lọc bỏ dễ hơn.
- Dạng sóng của MSK và CPSK có pha liên tục, không có sự chuyển
dịch pha đột ngột nên tránh được hiệu giao thoa giữa các kí hiệu do
các phần tử phi tuyến gây ra.

+  >>1 điều chế được coi là FSK lệch tần rộng và phổ của nó được
phân thành hai thành phần, tập trung quanh fIF + f và fIF - f tương ứng với
mỗi thành phần được coi giống như phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu  đủ
lớn. Dạng phổ công suất của tín hiệu trung tần FSK được biểu thị trong hình
2.3.
ffI F FIf ffI F
P
Độ lệch tần rộng
Hình 2.3: Phổ công suất của tín hiệu trung tần FSk
Như vậy độ rộng băng tần tổng cộng rất rộng. Sơ đồ này thích hợp cho
hệ thống tốc độ cao nhưng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản rẻ tiền.
+ Các trường hợp trung bình   1 thực tế không quan tâm. Vì tần số
của tín hiệu không phải là hằng số trong khi điều chế. Cho nên sơ đồ FSK
không thể thực hiện được dù là hệ thống đồng tần số.
Việc thực hiện điều chế FSK dòi hỏi các bộ điều chế có khả năng dịch
tần số của tín hiệu quang đến. Các bộ phận điều chế dựa trên LiNbO3 có thể
cho ra sự dịch pha tỷ lệ với điện áp được sử dụng. Chúng có thể sử dụng cho
FSK bằng cách áp dụng các xung điện áp hình tam giác dạng răng cưa vì sự
thay đổi pha tuyến tính sẽ tương ứng với sự dịch tần số. Giải pháp đơn giản và
thông dụng nhất đối với điều chế FSK là sử dụng khả năng điều chế trực tiếp
và laser bán dẫn.

1.3. Điều chế khoá dịch pha PSK:
Trong dạng điều chế khoá dịch pha PSK các chùm bit tín hiệu quang
được phát ra bằng cách điều chế pha s trong biểu thức (2.1). Trong khi đó thì
biên độ As=E0 và tần số o của sóng mang quang được giữ là hằng số. Khi đó
có thể viết như sau:
  ).(cos.)( 00 tmtEtEs  (2.3).
Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1 và điều này có nghĩa là pha của s
nhận hai giá trị 0 và . Dạng phổ công suất giống như của ASK nhưng có
vạch phổ sóng như thể hiện trong hình 2.4.
IFf
P
f
Hình 2.4: Phổ công suất điều chế tín hiệu PSK
Vậy sơ đồ này hữu hiệu hơn so với sơ đồ ASK. Có thể sử dụng hệ
thống homodyne và heterodyne và tín hiệu IF cần phải được giải điều chế
đồng bộ. Tuy vậy, giải điều chế của nó rất phức tạp nên thực tế ít dùng.
Có một khía cạnh cần quan tâm đối với dạng điều chế PSK là cường độ
quang duy trì không đổi trong khi toàn bộ các bit và tín hiệu lại xuất hiện để
có dạng sóng liên tục CW (continous wave). Tách sóng Coherent là cần thiết
đối với dạng điều chế PSK vì toàn bộ thông tin có thể bị mất nếu như tín hiệu
quang được tách trực tiếp mà không trộn nó với sóng quang phát ra từ bộ dao
động nội LO. Thực hiện điều chế pha PSK cần tới bộ điều chế ngoài có khả

năng biến đổi pha quang đáp ứng với điện áp được cấp cho nó. Cơ chế vật lý
sử dụng các bộ điều chế như vậy được gọi là khúc xạ điện. Bất kể một tinh
thể điện quang nào có định hướng đúng đều có thể được dùng làm bộ điều chế
pha.
1.4. Điều chế dạng khóa dịch pha vi phân DPSK (Differential PSK):
Điều chế khoá dịch pha vi phân DPSK cũng giống như điều chế PSK,
có thể viết:
  ).(cos.)( 00 tmtPtPs  (2.5)
Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thông tin được mã
hoá theo sự khác nhau về pha giữa hai bit kế tiếp nhau. Ví dụ như: nếu k thể
hiện pha của bit thứ k thì sự khác nhau ở đây sẽ là  = k - k-1 được thay
đổi bởi  và 0 tuỳ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay 0.
Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể được điều chế thành
công cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài 2 bit. Điều
này thường được dùng trong các hệ thống thực tế, vì không cần các bộ giải
điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt.
1.5. Điều chế phân cực:
Phương pháp điều chế phân cực là loại điều chế đặc thù riêng cho hệ
thống thông tin quang Coherent. Dựa trên cơ sở mode cơ bản HE11 lan truyền
trong sợi quang với hai trạng thái phân cực trực giao, có thể coi là hai kênh
độc lập có liên quan đến trạng thái 0 và trạng thái 1 của tín hiệu mã nhị phân.
Sơ đồ hệ thống áp dụng khoá dịch phân cực PLSK (Polarization shift keying)
là hệ thống bao gồm điều chế phân cực và phần thu có thể tách và giải điều
biến cả hai trạng thái phân cực.
Bộ thu hoạt động theo cách sau: Tín hiệu được kết hợp với sóng của bộ
dao động nội trong bộ trộn quang và tín hiệu đầu ra của nó được đưa đến bộ
tách sóng phân cực, ở đây trường tín hiệu được tách thành hai thành phần
trực giao. Tuỳ thuộc vào sự định hướng tương đối các trục vevtơ của tín hiệu,

trường của bộ dao động nội và bộ chia phân cực có thể theo hai sơ đồ giải
điều chế khác nhau.
Điều khiển
Điều chế
phân cực
Laser phát
Bộ trộn
LO Laser
Bộ chia
phân cực
~
~
~
~
~
~
Tín hiệu vào
SMF
~
~
Tín hiệu ra
song song với các trạng thái phân cực
LO
“0”
“1”
x
y
0
450
45
Hình 2.6: Đồ thị vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội nằm ở góc
450
Sơ đồ hình 2.5 các trục của bộ phận chia phân cực là song song với các
trạng thái phân cực, tương ứng với 0 và 1, trong khi đó bộ dao động nội nằm
ở 450 như thể hiện trong hình 2.6. Căn cứ vào sự định hướng tương đối của

các trục nhận thấy rằng tín hiệu được tách ra đối với hai kênh giống như tín
hiệu điều chế ASK kép. Các tín hiệu trên hai nhánh là bù nhau nếu bỏ qua các
thành phần pha, dòng IF có thể viết như sau:
iIFX(t) = I0.m(t).cos.(IFt). (2.6)
iIFY(t) = I0. [1 – m(t) ].cos(IFt) (2.7)
Như vậy, mỗi kênh tạo ra một bộ giải điều chế đường bao ASK, sau đó
các đầu ra của bộ giải điều chế được trừ với nhau và qua bộ lọc thông thấp.
Điều
khiển
Điều chế
phân cực
Laser
phát
Bộ trộn
LO Laser
Bộ chia
phân cực
~
~
~
~
~
~
Tín hiệu vào
SMF
~
~
Tín hiệu
ra
song song với các trạng thái phân cực
Sơ đồ hình 2.7 các trục của bộ phân chia phân cực hợp thành góc 450,
đối với các trạng thái phân cực bộ dao động nội được định hướng theo cùng
một phương với một trong các trạng thái phân cực. Như vậy nằm ở góc 450
đối với các trục của bộ chia phân cực như trong hình 2.8. Trong trường hợp
này, có thể chỉ ra rằng một kênh mang tín hiệu điều chế PSK, còn kênh kia
mang sóng mang không điều chế ở IF. Như vậy, các dòng IF có thể được viết
như sau khi bỏ qua các thành phần nhiễu pha.

iIFX(t) = I0.cos(IFt). (2.8)
iIFY(t) = I0.cos[IFt + m(t). ] (2.9)
Sau đó giải điều chế được thực hiện bằng cách nhân các đầu ra của 2
kênh và cho qua bộ lọc thông thấp, chúng ta nhận được:
Iout(t) = .cos[m(t) ] (2.10)
“ 0 “y
“ 1 “
0
45
LO
x
Hình 2.8: Đồ thì vectơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội được định
hướng theo cùng một phương với một trong các trạng thái phân cực
II. Kỹ thuật điều chế ngoài laser:
1.Giới thiệu chung:
Trong hệ thống thông tin quang coherent, kĩ thuật điều chế tín hiệu có
thể thực hiện theo hai phương pháp: điều chế trong và điều chế ngoài. Kỹ
thuật điều chế trong là phương pháp điều chế quen thuộc, bơm trực tiếp dòng
tín hiệu vào laser diode. Việc điều tần và điều biên theo phương pháp điều chế
trong thực hiện tương đối đơn giản nhưng chỉ thích hợp với các hệ thống
thông tin tốc độ thấp vì ở tốc độ cao laser diode bộc lộ hiện tượng suy giảm
các đặc tính phổ. Do đó đối với các hệ thống thông tin tốc độ cao với các cấu
hình mạng phức tạp thì phương pháp này ít được sử dụng. Lúc này kĩ thuật
điều chế ngoài xuất hiện đã đáp ứng các hệ thống thông tin hiện đại.
Điều chế ngoài là phương pháp điều chế ánh sáng bên ngoài laser. Nó
có những ưu điểm sau:

+ Có thể thực hiện các phương thức điều chế như đã nêu ở phần trên kể
cả phương pháp không thu được kết quả ở điều chế trực tiếp, ví dụ như điều
pha.
+ Tránh được hiệu ứng suy giảm các đặc tính phổ, sự bất ổn định trong
điều chế, đặc biệt ở điều tần và sự nhảy mode của ánh sáng.
+ Thích hợp với các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao.
+ Là cơ sở để chế tạo các chuyển mạch quang, là xu hướng phát triển
của mạng viễn thông hiện nay và trong tương lai. Nguyên tắc điều chế ngoài
dựa trên các mạch quang tích hợp, sử dụng hiệu ứng quang điện của các vật
liệu dẫn sóng điện môi để điều pha, điều biên cho cả tín hiệu tương tự và tín
hiệu số. Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng quang điện tuyến tính
(line eletro – optic effect) được ứng dụng có hiệu quả nhất. Đó là do khả năng
đáp ứng nhanh (trong phạm vi 10-12s) với hiệu suất cao trong các vật liệu
quang như LiNbO3, hoặc các chất bán dẫn như GaAs và InP. Nhờ sự phát
triển của các mạch quang tổ hợp trên cơ sở chất bán dẫn và các đặc tính khác
của chất này mà các hiệu ứng tập trung phần tử tải và hấp thụ điện được khai
thác triệt để.
2. Bộ điều chế pha (Phase Modulator):
Ở phương pháp điều chế pha người ta sử dụng hiệu ứng quang điện
tuyến tính trong đó chiết suất điện môi n của vật liệu thay đổi dưới tác động
của một tín hiệu biến đổi đặt vào vật liệu đó làm thay đổi pha của ánh sáng đi
qua. (hình 2.9).
Tín hiệu điều chế (Vmod) được đưa vào điện cực mạch quang tích hợp
và làm thay đổi chiết suất n của phần tử dẫn sóng làm cho tốc độ và thời gian
lan truyền qua phần tử dẫn sóng cũng thay đổi. Thời gian lan truyền tính theo
công thức:
C
nL
t 
Với L là chiều dài của phần tử dẫn sóng, C là vận tốc ánh sáng.

Khi chiết suất thay đổi một lượng n thì thời gian lan truyền thay đổi
một lượng tương ứng.
C
Ln
t
.

Vmod
Hình 2.9: Sơ đồ của bộ điều chế pha
Do đó pha của ánh sáng cũng thay đổi một lượng:
L
d
V
Rnt ...... 3


  (2.11).
Trong đó: : là bước sóng trong chân không của bức xạ.
R: là hệ số chuyển đổi quang điện.
V: hiệu điện thế đặt vào hai cực.
d: khoảng cách giữa hai cực.
: hiệu suất biểu thị chồng lấn giữa trường điều chế và
trường dẫn quang.
Từ công thức trên ta thấy: sự biến đổi pha của ánh sáng là một hàm
thay đổi tuyến tính theo điện áp tín hiệu điều chế đưa vào. Bộ điều chế pha
đôi khi được đặc trưng bởi tích số điện áp V đặt vào và độ dài tác động của
phần tử dẫn sóng L để tạo nên sự lệch pha là  radian của sóng ánh sáng khi

điều chế. Các bộ điều chế pha thường được chế tạo trên hợp chất LiNbO3
bằng cách khuếch tán Ti vào tinh thể LiNbO3. Hợp chất này thích hợp cho
mọi bước sóng sử dụng trong viễn thông. Điện áp đặt vào hai cực thường nhỏ
hơn 10V với suy hao khoảng 2  3 dB và tăng dần lớn hơn 8 GHz. Các thiết
bị trong phòng thí nghiệm thường có thể đạt đến băng tần 40GHz.
3. Bộ điều chế cường độ:
Điều chế cường độ có thể được thực hiện theo hai phương pháp: điều
chế cường độ ghép định hướng và điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoa
quang học.
a. Điều chế cường độ ghép định hướng:
Sơ đồ điều chế ghép định hướng được mô tả trong hình 2.10. Công suất
quang được chia ở lối ra phụ thuộc vào hiệu suất ghép và độ dày tác
động của chúng. Hiều suất ghép phụ thuộc vào chiết suất phản xạ của
vật liệu dẫn sóng điện môi. Do vậy nếu điều khiển bằng phương pháp
thay đổi cường độ điện trường E để thay đổi chiết suất của nó thì có thể
thay đổi tương quan công suất ở lối ra I và II. Nếu quan tâm đến một
trong hai lối ra thì chúng ta sẽ nhận được sự biến đổi cường độ phù hợp
với tín hiệu điều chế.
Tổng công suất vào ra không đổi nên cường độ ánh sáng ở hai lối ra
biến đổi bù trừ nhau. Do đó ta có thể chọn lối ra I hoặc II cho phù hợp.
Bộ điều chế ghép định hướng dựa trên hợp chất LiNbO3 hoặc cũng có
thể chế tạo từ hợp chất bán dẫn GaAs hoặc InP để tạo nên các mạch tổ
hợp quang. Các bộ điều chế hấp thụ điện cũng thu hút sự chú ý nhờ
kích thước sử dụng rất nhỏ. Mặt khác cấu trúc hố lượng tử trong chất
bán dẫn cũng hứa hẹn nâng cao khả năng điều chế. Ngoài ra bộ điều
chế này còn được sử dụng như các chuyển mạch quang. Bằng sự thay
đổi các giá trị E phù hợp công suất ở đầu ra thay đổi tương quan theo tỉ
lệ 100% 0% và 0%  100%. Như vậy, có thể đóng vai trò như
chuyển mạch quang cho phép ánh sáng ở đầu vào đến một trong hai lối

ra I và II tuỳ ý. Nếu ghép nhiều tầng chúng ta có thể tạo nên chuyển
mạch nhiều đường.
V1
V2
Masse
Hình 2.10: Sơ đồ điều chế ghép cường độ định hướng
b. Điều chế cường độ theo nguyên lí giao thoa quang học:
Máy giao thoa quang học March – Zehnder được sử dụng khá phổ biến.
Trên hình 2.11 mô tả nguyên lí điều chế theo phương pháp này.

V
Hình 2.11: Điều chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học
Nó chủ yếu bao gồm hai phần tử điều pha được xếp theo sơ đồ đẩy kéo
để tối thiểu hoá điện áp đặt vào hai cực mạch tích hợp. Nếu ánh sáng đến bộ
rẽ nhánh chữ nhật Y là cùng pha thì công suất ra đạt cực đại. Và nếu ánh sáng
đến bộ rẽ nhánh ngược pha thì công suất lối ra cực tiểu. Độ sâu điều chế
khoảng 99% khi điện áp đặt vào và suy hao xen tương đương với bộ điều chế
pha. Điều chế giao thoa March – Zehnder được sử dụng rộng rãi và đem lại
hiệu quả cao.
III. Điều chế phân cực:
1.Yêu cầu về trạng thái phân cực của thông tin coherent:
Một trong các yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang
Coherent là các sóng của tín hiệu và của bộ dao động nội đưa đến mặt
photodiode phải có cùng phân cực, nếu không cùng phân cực sẽ làm ảnh
hưởng đến biên độ và pha ở đầu ra. Ở đây nêu một vài kết quả nghiên cứu ảnh
hưởng của sai phân cực đến biên độ và pha, ảnh hưởng đó được thể hiện như
sau:

a. Các ảnh hưởng biên độ:
 cos).1).(1(..4)1).(1(.lg10 LxSxLxSxLxSxLxsxAP kkkkkkkkP  (2.12).
b. Các ảnh hưởng về pha:
  
   

























 



cos.1.1.
sin.1.1
tancos.log10 12
SxLxLxSx
SxLx
P
kkkk
kk
P (2.13).
Ở đây PAP và PP được biểu thị bằng dB, kSx (kLx), kSy (kLy) là các thành
phần của tín hiệu đến và của dao động nội dọc theo trục x và y tương ứng,
 là độ lệch pha giữa trường tín hiệu đến và trường daođộng nội. Để khắc
phục vấn đề này người ta đã đưa ra một số phương pháp như dưới đây.
2. Các phương pháp điều khiển phân cực:
2.1 sử dụng các sợi duy trì phân cực:
Thông thường sợi đơn mode lan truyền theo hai mode HE11 phân cực
trực giao nhau, chúng truyền dọc sợi không bị xáo trộn nhưng thực tế các sợi
có vật liệu cấu tạo không hoàn hảo, các nhiễu loạn bên ngoài như ứng suất bề
mặt, nhiệt độ, độ uốn, chấn động… làm cho sự phân cực ở đầu ra bị biến đổi.
Các sợi bảo toàn phân cực được đặc trưng bởi độ khúc xạ kép mode . = x -
y tức là hiệu các hằng số lan truyền của hai mode trực giao. Độ khúc xạ kép
mode  liên quan đến độ dài phách Lp theo công thức:

2
PL . Độ dài phách
là độ dài của sợi qua đó trạng thái phân cực quay trở lại trạng thái ban đầu khi
tín hiệu truyền dọc sợi. Người ta thường áp dụng một số biện pháp để đạt
được các sợi bảo toàn phân cực như sau:
 Phương pháp thứ nhất: sản xuất các sợi có  rất thấp, sợi này rất nhạy
đối với các tác động bên ngoài nhưng có thể duy trì trạng thái phân cực
trực giao ở đầu vào bất kì.
 Phương pháp thứ 2: Tạo ra các sợi có  cao nhằm loại bỏ các tác động
bên ngoài. Có thể đạt được độ khúc xạ kép bằng cách tạo ra tính bất đối

xứng trong lõi (ví dụ lõi lệch tâm hoặc các sợi lõi elip) hoặc đưa vào
ứng suất bằng cách thiết kế vỏ thích hợp.
Một các khác tạo ra sự đơn mode thật sự bằng cách thiết kế sợi trong đó
chỉ lan truyền mode chính còn các mode bị giảm rất thấp, ví dụ như sợi
phân cực đơn.
2.2. Sử dụng các kỹ thuật trộn và chuyển đổi phân cực:
Phổ thăng giáng phân cực phụ thuộc vào độ dài sợi (phương sai cuả sự
thăng giáng tỉ lệ thuận với độ dài sợi), trạng thái sợi, nhưng băng tần của nó
trải rộng xấp xỉ từ 0 100Hz hoặc có thể đến 2KHz. Như vậy, nó nhỏ hơn
nhiều so với tần số điều biến (tốc độ bit). Vì lý do này, ảnh hưởng của nhiễu
phân cực có thể được đánh giá trong khoảng thời gian kéo dài hàng ngàn bit.
Từ những nhận định trên, người ta tiến hành thêm nhiễu phân cực nhân tạo và
nhiễu tự nhiên để làm giảm ảnh hưởng của chúng. Nguyên lý hoạt động được
trình bày như sau:
Bộ kích thích
Laser phát
Đồng hồ
Bộ điều chế
phân cực
SMF
Hình 2.12. Máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực
Hình 2.12 máy phát trộn phân cực hoặc chuyển đổi phân cực. Tín hiệu
điều biến được truyền dọc sợi sau khi qua bộ điều biến phân cực. Đó là bộ

quay pha tín hiệu phân cực trực giao một góc 900. Máy thu ở đây là máy thu
đổi tần tiêu chuẩn có độ rộng băng tần rộng lớn hơn một ít so với bộ lọc IF.
Nếu trạng thái phân cực trực giao đã thu được của tín hiệu quay nhanh giữa
hai trạng thái trực giao trong khoảng thời gian một bit thì có thể đảm bảo rằng
trung bình một nửa công suất của tín hiệu sẽ được khôi phục lại bộ điều chế
phân cực. Trong thực tế, trung bình theo thời gian tích vô hướng của trường
giao động nội và trường tín hiệu sẽ không bao giờ bằng 0.
LO
(A)(B)
0
90
Hình 2.13. Vectơ trạng thái phân cực trực giao ở máy thu để chuyển đổi phân
cực
Có hai bổ xung để thực hiện kỹ thuật này:
+ Trộn phân cực: tần số chuyển đổi bộ phân cực lớn hơn nhiều so với
tốc độ bit, như vậy không cần đồng hồ để đồng bộ điều chế phân cực, vì có
nhiều chuyển tiếp trong khoảng thời gian một bit. Mặt độ rộng băng tần của
bộ lọc IF rất rộng và do tần số chuyển đổi cao nên các yêu cầu phần cứng đối
với bộ điều chế phân cực trở nên rất nghiêm ngặt.
+ Chuyển đổi phân cực đồng bộ: các chuyển tiếp giữa các trạng thái
phân cực trực giao xuất hiện chính xác tại điểm giữa của khe bit. Vì vậy, cần
phải đồng bộ với đồng hồ của hệ thống, tuy nhiên cần giảm băng tần của bộ
lọc và giảm nhẹ các yêu cầu của phần cứng.
Mặc dù phương pháp trộn và chuyển đổi phân cực làm giảm độ nhạy
của hệ thống 3 dB và yêu cầu có một bộ điều chế phân cực. Nhưng cấu trúc

của máy thu đơn giản hơn so với các cấu trúc khác đã nghiên cứu và có thể sử
dụng trong hệ thống sợi quang kết hợp giá thành thấp.
2.3. Sử dụng máy thu phân cực trực giao:
Về cơ bản máy thu có thể khôi phục được hai trạng thái phân cực trực
giao. Vấn đề cuối cùng là tín hiệu IF cần phải giải điều chế đường bao bằng
thiết bị có đặc tính bình phương nhưng cũng có khi bằng một bộ phân biệt
đường dây trễ. Nguyên lý được biểu diễn như hình 2.14. Sau bộ trộn quang là
bộ phân chia tia phân cực, phân tín hiệu thành hai thành phần phân cực trực
giao (chiếu theo trục x, y) sau đó mỗi thành phần được tách sóng lọc trung tần
và giải điều. Tiếp theo các đầu ra của chúng được cộng lại với nhau và cho
qua bộ lọc tần thấp trong một khung chuẩn đã chọn thích hợp. Giả sử trường
của bộ dao động nội được phân đều nhau dọc theo trục x,y.
 LOXLOLOLOX tPXE   .cos.
 LOYLOLOLOX tPXE   .cos. (2.14).
Các thành phần X,Y của tín hiệu cho bởi:
 SXsssSX tttPE   )(cos.cos.)(
 SYsssSY tttPE   )(cos.sin.)( (2.15).
Ở đây, s(t) là góc giữa trường tín hiệu và trục X. Sau photodiode là bộ
lọc IF, dòng tín hiệu trên hai nhánh giả sử là giống nhau và:
 xIFsLOX tttPPtI   )(cos.cos.)(..)(
 yIFsLOY tttPPtI   )(cos.sin.)(..)( (2.16).
Chỉ xét đến thành phần tần số thấp do bộ giải điều tạo ra và sau bộ cộng
tín hiệu có dạng.
   22
sincos.cos).(..)(  yxsLOLP tPPytI (2.17).
Điều này rõ ràng không phụ thuộc vào trạng thái phân cực trực giao đã
thu được. Cũng có thể, để đạt được kết quả tương tự bằng cách sử dụng điều
chế DPSK và 2 bộ giải điều chế đường dây trễ. Trong thực tế, các đầu ra của
chúng là tích của tín hiệu với chính nó nhưng bọ trễ đi trong khoảng thời gian

1 bit. Nhưng vì sự thăng giáng phân cực là chậm so với tốc độ truyền bit nên
sự hình thành các trường vẫn giữ nguyên sau khi giải điều tín hiệu trên hai
nhánh tủ với cos2 và sin2. Nhược điểm của máy thu không phụ thuộc vào
trạng thái phân cực là cần phải có 2 máy thu kênh nhưng trái lại nó không cần
hệ thống điều khiển tích cực phản hồi.
1
2
3
4
4
5
5
1.Bộ trộn quang 2.laser dao động nội 3. Bộ chia phân cực
4. Lọc thông dải 5. Bộ giải điều chế 6. Bộ kết hợp
Hình 2.9: Máy thu phân cực trực giao

Kết Luận
Chương II là các phương pháp điều chế trong hệ thống Coherent. Trong
hệ thống này tín hiệu trước khi truyền được điều chế tần số, pha, biên độ hoặc
phân cực. Trong đó phương pháp điều chế phân cực là loại điều chế đặc trưng
riêng cho hệ thống thông tin quang Coherent. Được mô tả trong hình 2.5 và
hình 2.7. Dựa trên cơ sở mode cơ bản HE11 lan truyền trong sợi quang với hai
trạng thái phân cực trực giao. Kỹ thuật điều chế tín hiệu có thể thực hiện theo
hai phương pháp: điều chế trong và điều chế ngoài. Kĩ thuật điều chế trong là
kĩ thuật điều chế bơm trực tiếp dòng tín hiệu vào laser diode, thích hợp với
các hệ thống thông tin tốc độ thấp. Kỹ thuật điều chế ngoài thích hợp với các
hệ thống thông tin hiện đại tốc độ cao và được điều chế bên ngoài laser. Ở
phương pháp điều chế pha người ta sử dụng hiệu ứng quang điện tuyến tính
thích hợp trong cả hai trường hợp đồng tần và đổi tần. Bộ điều chế cường độ
thực hiện theo hai phương pháp: điều chế cường độ ghép định hướng và điều
chế cường độ theo nguyên lý giao thoa quang học. Một trong các yêu cầu
quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang kết hợp là các sóng của tín hiệu
dao động nội đưa đến mặt photodiode phải có cùng phân cực. Nếu không
cùng phân cực sẽ làm ảnh hưởng đến biên độ và pha ở đầu ra. Để khắc phục
điều này người ta thường sử dụng các phương pháp sau: Sử dụng sợi duy trì
phân cực, sử dụng các kỹ thuật trộn và chuyển đổi phân cực, sử dụng máy thu
phân cực trực giao.

Chương III :
Máy thu quang Coherent và những yếu tố
ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu
I. Các nguyên lý tách sóng:
Mô hình bộ thu coherent ASK đơn giản được minh họa ở hình 3.1
Bộ ghép
2x2
Bộ dao
động nội
IS
RL
Hình 3.1 : Mô hình bộ thu coherent cơ bản.
Trong đó :
es = Es cos (st+ s )
đặc trưng cho trường tín hiệu vào có biên độ nhỏ Es ,pha s và tần số góc
s.Và eL= ELcos (Lt + L) đặc trưng cho trường tín hiệu của bộ dao
động nội có biên độ lớn EL ,pha L và tần số góc L.
II. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang coherent :
Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu quang sử dụng tách sóng Heterodyne và
Homodyne được minh họa ở hình 3.2 .Đối với tách sóng Heterodyne ,tín hiệu
tổng giữa tín hiệu vào và tín hiệu dao động nội đi qua bộ tách sóng quang PIN
hoặc APD sẽ tạo ra tín hiệu trung tần IF .Tín hiệu IF sau đó được giải điều
chế thành tín hiệu dải nền bằng cách sử dụng kỹ thuật tách sóng đồng bộ hay
không đồng bộ .Bằng thông cần thiết của bộ thu quang Heterodyne lớn hơn
nhiều so với tách sóng trực tiếp ở tốc độ xác định trước.Ngoài ra chất lượng

của bộ thu quang Heterodyne sẽ giảm đi khi tần số của tín hiệu trung tần dao
động ,cho nên cần bộ điều khiển tần số tự động AFC để ổn định tần số này
thông qua lấy tín hiệu hồi tiếp từ ngõ ra của bộ giải điều chế để điều khiển
dòng kích của laser dao động nội.
Trong trường hợp tách sóng Homodyne ,pha của tín hiệu dao động nội
được khóa với pha của tín hiệu vào nên cần phải sử dụng tách sóng đồng bộ
.Hơn nữa ,kết quả của quá trình cộng hai tín hiệu tới và tín hiệu dao động nội
đưa đến bộ tách sóng quang tạo ra tín hiệu thông tin là tín hiệu dải nền nên
không cần bộ dải điều chế .Vòng hồi tiếp AFC có chức năng ổn định tần số
giữa 2 tín hiệu
Bộ ghép
2x2
Bộ tách
sóng
quang
Bộ lọc
khuếch
đại trung
tần
Bộ giả
điều chế
Bộ lọc
khuếch
đại dải
nền
Mạch
quyết
định bit
AFCBộ dao
động nội
Tín
hiệ
vào
Tín hiệu ra
a,Bộ thu quang heterodyne.

Bộ ghép
2x2
Bộ ghép
2x2
Bộ tách
sóng
quang
Bộ lọc
khuếch
đại dải
nền
Mạch
quyết
định bit
AFC
Bộ dao
động nội
Tín hiệu
vào
Tín hiệu ra
b,Bộ thu quang Homodyne có khóa pha giữa tín hiệu dao động nội vào tín
hiệu vào.
Hình 3.2 : Cấu hình bộ thu quang coherent cơ bản.
1.Tách sóng heterodyne đồng bộ
Tách sóng heterodyne được sử dụng cho dải điều chế PSK.Do đó với
tách sóng này cần phải đánh giá được pha của tín hiệu IF để chuyển tín hiệu
này thành tín hiệu dải nền.Do đó kỹ thuật khóa pha được sử dụng ở bộ thu để
dò sự dao động pha giữa tín hiệu của bộ dao động nội.Vì tín hiệu thông tin sẽ
được xử lý trên sóng mang IF nên chúng ta chỉ cần xác đình pha của tín hiệu
trong miền điện.Do đó có thể sử dụng các kỹ thuật và các cấu hình vòng khóa
pha PLL mà đã áp dụng trong thông tin cao tần và viba.Các kỹ thuật đã
nghiên cứu cho giải điều chế PSK chủ yếu là xác định pha của tín hiệu
vào.Hơn nữa giải điều chế PSKđồng bộ rất nhạy cảm với kỹ thuật tách sóng
heterodyne .Để đo được pha của tín hiệu PSK thì cần phải có pha tham khảo
dựa trên pha trung bình của tín hiệu quang ngõ vào trong khoảng thời gian
xác định .Do đó mục tiêu của việc sử dụng vòng khóa pha PLL là cung cấp
giá trị tham khảo này với thời gian trung bìnhđược xác định trong băng thông
của vòng này.

Kỹ thuật vòng khóa pha theo qui luật bình phương được minh họa như
hình dưới đây :
BPF (*)2 Bộ lọc
vòng
VCO
f/2
Dịch pha 900
Bộ lọc
ngõ ra
Ngõ vào
a,Vòng bình phương.

BPF
LPF
Bộ lọc
vòng
LPF
VCO
Dịch pha
900
Bộ lọc
ngõ ra
Ngõ vào
b,Vòng Costas.
Hình 3.3 :Các kỹ thuật khôi phục sóng mang được sử dụng trong bộ thu
quang Coherent PSK.
2.Tách sóng Heterodyne không đồng bộ
Kỹ thuật tách sóng không đồng bộ có thể được áp dụng cho ASK và FSK với
yêu cầu tối thiểu về sự ổn định độ rộng phổ và pha của laser .Táchsóng
đường bao Heterodyne của tín hiệu ASK có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng bộ lọc thông dải để nhận được tín hiệu trung tần ,sau đó cho tín hiệu này
qua bộ tách sóng đỉnh để khôi phục tín hiệu dải nền .Sơ đồ khối được minh
họa ở hình 3.4 (a)

Bộ ghép
2x2
Mạch quyết
đinh bit
LLO
Tín hiệu
ra
Tín hiệu
vào
Tách
sóng
quang
Khuếch đại Lọc
thông
dải
Giải
điều
chế
Lọc
thông
thấp
a,Bộ thu sử dụng bộ tách sóng đường bao đơn ASK.
LLO
Tín hiệu
ra
Bộ ghép
2x2
Bộ tách sóng
đường bao
Bộ tách sóng
đường bao
Tín hiệu
vào
Tách
sóng
quang
Lọc
thông
dải f1
Lọc
thông
dải f2
Lọc
thông
thấp
Lọc
thông
thấp
b,Bộ thu sử dụng bộ lọc đôi FSK.
Hình 3.4 : Tách sóng Heterodyne không đồng bộ.
Bằng cách sử dụng 2 bộ lọc có tần số trung tâm của các kênh như tần số đã
phát mắc song song nhau có thể sử dụng để tách đường bao mỗi kênh cho tín
hiệu FSK nhị phân.Cấu hình này được minh họa ở hình 3.4 (b).
3. Tách sóng Homodyne
Tách sóng Homodyne không chỉ tăng được độ nhạy thu của bộ thu 3dB
mà còn dễ dàng đạt được yêu cầu về băng thông của bộ thu .Hình 3.5 so sánh
phổ ngõ ra của bộ tách sóng Homodyne PSK và Heterodyne PSK.Có thể thấy
rằng tách sóng Homodyne chỉ yêu cầu băng thông của bộ thu tách sóng trực
tiếp trong khi đó tách sóng Heterodyne yêu cầu ít nhất 2 lần băng thông này
và thường là 3 hoặc 4 lần..Nhưng tách sóng quang Homodyne sử dụng nguồn
phát và laser dao động nội độc lập nhau nên gặp phải một điều cực kỳ khó
khăn để điều khiển sự khóa pha của hai tín hiệu này.Tức là độ lệch pha 

trong công thức ở trên phải luôn giữ gần băng 0 cho các bộ thu độ nhạy cao
.Hơn nữa ,nếu  trôi đến giá trị  /2 thì dòng tín hiệu Is ở ngõ ra sẽ bằng 0 và
quá trình tách sóng sẽ kết thúc
Hz
1 x B
Dải nền
Biên
độ
Phổ của bộ thu Heterodyne
PSK
IF
Hình 3.5:So sánh phổ tín hiệu FSK ở ngõ ra bộ tách sóng homodyne và
Heterodyne.
4.Vòng khóa pha trong máy thu quang coherent
Cấu trúc vòng khóa pha quang minh họa ở hình 3.6 áp dụng kỹ thuật
sóng mang dẫn đường sử dụng cho tách sóng quang homodyne PSK .Sóng
mang dẫn đường này được tạo ra từ điều chế pha không hoàn toàn ( pha nhỏ
hơn 180 0 .Sóng mang dẫn đường cùng với tín hiệu vào được tổ hợp ở bộ
ghép định hướng DC 3dB và sau đó được tách sóng bằng bộ thu cân bằng
.Tín hiệu ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai sẽ là hàm chênh lệch pha được sử
dụng để khóa pha bộ dao động nội dưới sự điều khiển của bộ VCO sau khi đi
qua bộ lọc vòng .Lưu ý rằng công suất của bất kỳ sóng mang được xử dụng
cho quá trình khóa pha đều trực tiếp làm giảm độ nhạy của bộ thu một lượng
tương đương .Hơn nữa công suất của tín hiệu cần thiết để dò pha của sóng
mang và được xác định chính xác phụ thuộc vào nhiễu pha của laser nguồn và
laser của bộ dao động nội được tổ hợp cũng như băng thông của PLL .Do
đó,băng thông của vòng tối ưu sẽ cho lỗi pha nhỏ nhất và có thể làm tăng chất
lượng của bộ thu quang homodyne.

DC
3dB
Khuếch đại
visai
Lọc thông
thấp
REG
Tách sóng
pha(bộ thu cân
bằng)
VCO& Bộ
dao động nội
Bộ lọc vòng
Tín hiệu
vào
Tín hiệu
ra
Hình 3.6:Bộ thu vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường
Bộ thu Homodyne sử dụng vòng khóa pha Costas áp dụng cho tín hiệu điều
chế PSK được minh họa ở hình 3.7.Tín hiệu tới bộ thu và tín hiệu dao động
nội được tổ hợp ở bộ Optical Hybrid sao cho hai tín hiệu này sẽ lệch pha 900
ở hai ngõ ra của bộ tách sóng quang.
900
Optical
Hybrid
Bộ dao
động nội
X
Khuếch
đại
Bộ lọc vòng
Tín hiệu lỗi
pha
Lọc thông thấp
Tín hiệu ra
Tách sóng
quang
Hình 3.7 :Bộ thu vòng khóa pha quang Costas
Hai tín hiệu ở ngõ ra của hai bộ tách sóng quang sẽ được khuếch đại ,rồi nhân
với nhau ở bộ Mixer.Pha của sóng mang sau đó sẽ được xác định ở bộ lọc

thông thấp .Hơn nữa, tín hiệu điều khiển cũng được lọc và được sử dụng để
điều chỉnh tấn số của bộ dao động nội theo cách giống như đã áp dụng ,cho
vòng khóa pha quang sóng mang dẫn đường .Tuy nhiên,sử dụng PLL quang
Costas cơ ưu điểm là tất cả các mạch tín hiệu bé hơn trước khi trộn có thể
được ghép a.c và do đó không bị tiêu tốn công suất truyền như trong linh kiên
sóng mang dẫn đường.
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy máy thu:
Chúng ta đã phân tích độ nhạy thu và BER của máy thu trong điều kiện
giả sử máy thu là lý tưởng và độ nhạy thu xem như chỉ bị giới hạn bởi nhiễu
bắn. Tuy nhiên thực tế có rất nhiều yếu tố vật lý kéo độ nhạy thu Coherent
giảm nhiễu pha giữa chúng, nhiễu cường độ, sự không phù hợp về phân cực
của mode sóng và tán sắc trong sợi quang.
1.Nhiễu pha:
Yếu tố quan trọng làm giảm độ nhạy thu trong hệ thống thông tin
quang Coherent đó là nhiễu pha. Nhiễu pha có liên quan đến bộ phát quang và
bộ dao động nội. Sự thăng giáng về pha  giữa tín hiệu tới và tín hiệu dao
động nội sẽ dẫn đến sự thay đổi về dòng ở ngõ ra của bộ tách sóng, điều này
thể hiện bản chất kết hợp của quá trình tách sóng quang, từ đó làm giảm tỷ số
SNR của tín hiệu. Cả pha của tín hiệu tới s và pha của bộ dao động nội LO
được giữ ổn định để tránh suy giảm độ nhạy. Khoảng thời gian mà trong đó
pha của laser được giữ tương đối ổn định được gọi là thời gian kết hợp.
Gọi s là độ rộng phổ của laser của bộ phát, LO là độ rộng phổ của
laser của bộ dao động nội và RT là tốc độ bit của hệ thống thì tỉ số độ rộng
phổ - tốc độ bit được định nghĩa như sau:
Tỉ số độ rộng phổ - tốc độ bit =
TR

(3.29).
Với  = s + LO. Được gọi là độ rộng phổ IF.

Đại lượng tỷ số độ rộng phổ - tốc độ bit được sử dụng để đặc trưng cho
sự ảnh hưởng của nhiễu pha đến đặc tính của hệ thống thông tin quang
Coherent. Giá trị cho phép của /RT thường được xác định sao cho sự mất
mát công suất không được vượt quá 1 dB, điều này phụ thuộc vào dạng điều
chế và kỹ thuật tách sóng được sử dụng. Giá trị điển hình của /RT là nhỏ
hơn 5.10-4.
Các yêu cầu về độ rộng phổ sẽ được nới lỏng đáng kể đối với các bộ
thu sử dụng tách sóng heterodyne, đặc biệt là đối với dạng tách sóng
heterodyne không đồng bộ ASK và FSK. Đối với bộ thu heterodyne đồng bộ
thì cần có /RT < 5.10-3. Đối với các bộ thu sử dụng tách sóng đường bao thì
/RT có thể lớn hơn 0,1 vì nó đã bỏ qua thông tin về pha. Dạng điều chế
DPSK yêu cầu độ rộng phổ hẹp hơn, đó là do thông tin được chứa trong sự sai
pha giữa hai bit kế cận, và pha được giữ không đổi trong suốt khoảng thời
gian 2 bit. Một số kết quả tính toán cho rằng /RT nên nhỏ hơn 1% để công
suất mất mát nhỏ hơn 1dB.
Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang Coherent đòi hỏi cần phải có
các laser bán dẫn đơn mode dọc có độ rộng phổ hẹp và bước sóng có thể điều
chỉnh được để phối hợp tần số sóng mang s với tần số của bộ dao động nội
LO sao cho tại đầu ra tín hiệu IF có tần số đúng như yêu cầu.
Một phương pháp khác giải quyết vấn đề nhiễu pha là thiết kế các thiết
bị thu đặc biệt gọi là máy thu phân tập pha. Kỹ thuật này thích hợp cho dạng
điều chế ASK, FSK và DPSK.
2. Nhiễu cường độ:
Nhiễu cường độ thường được bỏ qua đối với tách sóng trực tiếp, nhưng
trong bộ thu quang Coherent thì không bỏ qua được.
Một giải pháp cho vấn đề nhiễu cường độ là dùng các bộ thu cân bằng,
các bộ thu này có hai cổng với hai bộ tách sóng quang. Sơ đồ bộ thu cân bằng
được minh hoạ ở hình 3.8.

Coupler
2x2
Bộ dao
động nội
Bộ tách
sóng
Bộ tách
sóng
Xử lý
tín
hiệu
Tín hiệu
vào Tín
hiệu
ra
+
-
Hình 3.8. Bộ thu coherent cân bằng hai nửa
Coupler 2x2 là loại coupler 3dB, nó trộn hai tín hiệu: es(t) là tín hiệu
vào và eLO(t) là tín hiệu của bộ dao động nội. Sau đó Coupler này chia đôi tín
hiệu vừa trộn và dẫn hai tín hiệu này qua bộ tách sóng khác nhau, và tạo ra hai
dòng photon IP(+) và IP(-) trên hai nhánh tương ứng.
   tPPRPPRI ILOSLOsP Fcos..)(.
2
1
)( (3.30).
   tPPRPPRI ILOSLOsP Fcos..)(.
2
1
)( (3.31).
Với
fh
e
R
.
.
 là đáp ứng của photodiode trong bộ tách sóng
Hai dòng điện này khi trừ nhau sẽ tạo ra tín hiệu heterodyne, thành
thành phần một chiều bị loại bỏ hoàn toàn khi nhánh cân bằng nhau. Điều này
sảy ra đối với coupler 3dB hoàn hảo với tỉ số phân chia đúng 50%. Điều quan
trọng ở đây là nhiễu cường độ đi kèm với số hạng một chiều cũng được loại
bỏ trong quá trình trừ hai dòng điện cho nhau, do đó độ thăng giáng cường độ
của các dòng photon IP(+) và IP(-) của hai nhánh sẽ khử lẫn nhau khi trừ hai
tín hiệu này. Tuy nhiên, đại lượng dòng ac là không khử được cho dù một
trong máy thu cân bằng, nhưng tác động của chúng ảnh hưởng ít nghiêm
trọng đến đặc tính của hệ thống vì nó có sự phụ thuộc cân bằng, sự phụ thuộc
căn bậc hai của công suất bộ dao động nội.

Bộ thu cân bằng được sử dụng trong hệ thống thông tin quang Coherent
vì nó có hai ưu điểm sau:
+ Nhiễu cường độ gần như được loại bỏ.
+ Tất cả các công suất tín hiệu tới và của bộ dao động nội được sử dụng
một cách có hiệu quả nhất. Tất cả các bộ thu cân bằng đều sử dụng toàn bộ
công suất của tín hiệu và tránh được sự mất mát này. Đồng thời bộ thu cân
bằng cũng sử dụng hết công suất của bộ dao động nội nên dễ dàng cho hệ
thống hoạt động trong giới hạn của nhiễu lượng tử.
3. Không tương xứng về phân cực:
Trạng thái phân cực của tín hiệu thu được không đóng một vai trò nào
trong các bộ thu tách sóng trực tiếp đơn giản vì dòng photon được tạo ra chỉ
phụ thuộc vào số lượng photon tới. Nhưng đối với các bộ thu quang coherent
lại đòi hỏi sự tương xứng về trạng thái phân cự của tín hiệu từ bộ dao động
nội với tín hiệu thu được.
Phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để giải quyết vấn đề phân
cực là dùng máy thu hai cổng tương tự nhưng khác ở chỗ 2 nhánh sẽ xử lý các
thành phần phân cực trực giao. Các máy thu như vậy được gọi là máy thu
phân tập phân cực.
4. Tán sắc trong sợi quang:
Trong hệ thống IM – DD tán sắc ảnh hưởng đến tốc độ bit hoạt động
của hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống tốc độ cao. Tán sắc trong sợi quang
còn ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống thông tin quang coherent, mặc
dù không nghiêm trọng so với hệ thống IM – DD. Lý do là hệ thống coherent
cần phải sử dụng các laser bán dẫn hoạt động ở chế độ đơn mode với độ rộng
phổ hẹp.
5. Các yếu tố hạn chế khác:
Có rất nhiều yếu tố có thể làm giảm đặc tính hệ thống thông tin quang
coherent và cần được xem xét đến trong suốt quá trình thiết kế hệ thống. Hồi

Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620

Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620

Similar to Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620 (20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Đề tài: Áp dụng hệ thống thông tin quang vào mạng lưới viễn thông - Gửi miễn phí qua zalo=> 0909232620