KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER
Radio over Fiber – 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
1.1.2 Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng RoF
Mobile Host (MH) là các thiết bị di động trong mạng, đóng vai trò thiết bị đầu cuối Các MH bao gồm điện thoại di động, máy tính xách tay tích hợp chức năng, PDA và các máy chuyên dụng khác có khả năng truy cập vào mạng không dây.
Trạm gốc (BS) có nhiệm vụ phát sóng vô tuyến từ trung tâm điều khiển (CS) đến các thiết bị di động (MH) và nhận tín hiệu từ MH gửi về CS Mỗi BS phục vụ một microcell và không có chức năng xử lý tín hiệu, chỉ đơn thuần chuyển đổi giữa tín hiệu điện/quang và ngược lại Hai thành phần quan trọng nhất của BS là ăng-ten và bộ chuyển đổi quang điện ở tần số RF Bán kính phục vụ của mỗi BS rất nhỏ, thường chỉ vài trăm mét hoặc thậm chí vài chục mét, phục vụ từ vài chục đến vài trăm MH Trong kiến trúc mạng RoF, BS cần phải rất đơn giản do không có các thành phần phức tạp.
Trạm xử lý trung tâm (CS) là thành phần quan trọng nhất trong mạng RoF, tương tự như tổng đài trong mạng điện thoại Với khả năng phục vụ các bộ phát sóng (BS) ở khoảng cách hàng chục km, mỗi CS có thể kết nối đến hàng ngàn BS Kiến trúc mạng tập trung cho phép CS thực hiện và chia sẻ tất cả các chức năng như định tuyến và cấp phát kênh, đồng thời kết nối với các tổng đài và 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
Một tuyến RoF bao gồm các thành phần chính như biến đổi sóng vô tuyến sang quang và ngược lại, cùng với một tuyến quang có thể là song hướng hoặc đơn hướng Các thành phần trong kiến trúc RoF không bao gồm chức năng quang như anten thu phát vô tuyến và không xem xét chức năng xử lý giao tiếp của mạng trong bài viết này.
Kỹ thuật RoF được đề cập trong bài viết này bao gồm các phương pháp phát và truyền sóng radio từ trạm cơ sở (CS) đến trạm phát sóng (BS) qua sợi quang và ngược lại.
Hình 1.1 CS – BS – MH một microcell trong kiến trúc RoF
Xu thế mạng truy nhập vô tuyến hiện tại và sự chuyển sang băng tần
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
BS MH làm 2 loại là vô tuyến di động (mobile) như mạng thông tin di dộng 1G, 2G, 3G, WiMax… và vô tuyến cố định
Trong các mạng di động, hai yếu tố quan trọng nhất là băng thông và tính di động Mạng di động có tính di động cao hơn mạng cố định, nhưng băng thông thường thấp hơn; ví dụ, WiFi có thể đạt tốc độ lên tới 108Mbps, trong khi mạng 3G chỉ đạt khoảng 2Mbps Mạng WiMax có tốc độ cao hơn và tính di động cũng tốt, nhưng vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm với các công nghệ tiên tiến Xu hướng hiện nay của các mạng vô tuyến là nâng cao cả tính di động lẫn băng thông để đáp ứng nhu cầu sử dụng mạng băng thông rộng.
1.2.2 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 đang có xu hướng giảm kích thước các cell để tăng số lượng người dùng nhờ vào sự gia tăng số lượng trạm thu phát Đồng thời, việc chuyển sang hoạt động ở băng tần microwave/millimeter-wave (mm-wave) giúp tránh sự chồng chéo phổ với các băng tần hiện có và mở rộng băng thông Hai xu hướng này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Băng tần mm mang lại nhiều ưu điểm như kích thước ăng-ten nhỏ và băng thông lớn, nhưng cũng gặp phải vấn đề suy hao lớn trong không gian Suy hao không gian có thể được biểu diễn bằng công thức d f.
L dB 3220log 20log (1.2.1) trong đó f là tần số tính bằng MHz còn d là khoảng cách tính bằng km
Khi tần số tăng lên, bán kính phủ sóng của trạm thu phát giảm tương ứng, đặc biệt ở băng tần mm từ 26GHz đến 100GHz, nơi suy hao tín hiệu rất lớn Tại băng tần 60GHz, các trạm thu phát (Base Station) được thiết kế để phục vụ trong bán kính 300m, gọi là microcell Nếu tính toán cho một khu vực có bán kính phục vụ 10km, với giả định mỗi trạm thu phát phục vụ một microcell, số lượng trạm cần thiết sẽ tăng lên đáng kể.
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 số lượng trạm phát sóng (BS) lớn, việc giảm giá thành cho mỗi BS trở thành một thách thức kinh tế quan trọng Để đạt được điều này, cần cấu trúc BS đơn giản và áp dụng kiến trúc mạng tập trung Trong kiến trúc này, các chức năng như xử lý tín hiệu, định tuyến và chuyển giao được thực hiện tại trạm trung tâm (CS), giúp mỗi CS phục vụ nhiều BS hơn Nhờ vậy, BS chỉ cần phát tín hiệu vô tuyến từ CS và chuyển tín hiệu từ thiết bị di động (MH) về CS So với các trạm BTS trong mạng di động, BS có chức năng đơn giản hơn, vì chúng không cần xử lý tín hiệu phức tạp Để kết nối CS với các BS, sợi quang được sử dụng với băng thông lớn và suy hao thấp, cho phép truyền tải tốc độ hàng trăm Gbps trên khoảng cách hàng chục km.
Kỹ thuật RoF, hay còn gọi là BS và ngược lại, được áp dụng trong mạng truy cập vô tuyến Mạng truy cập vô tuyến sử dụng kỹ thuật RoF được gọi 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 và giải điều chế được tập trung tại CS, giúp đơn giản hóa cấu trúc của BS BS chủ yếu thực hiện các nhiệm vụ chuyển đổi quang/điện, khuếch đại RF và chuyển đổi điện quang.
Kiến trúc mạng tập trung tối ưu hóa việc cấu hình tài nguyên và cấp băng thông động, cho phép chia sẻ băng thông giữa các thành phần khi cần thiết, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng Ngoài ra, tính tập trung còn giúp đơn giản hóa quá trình nâng cấp và quản lý mạng.
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
Kỹ thuật RoF (Radio over Fiber) cho phép truyền tải tín hiệu vô tuyến một cách trong suốt, bao gồm các yếu tố như điều chế và tốc độ bit, cùng với các giao thức vô tuyến, giúp mạng có khả năng triển khai đa dịch vụ đồng thời một cách hiệu quả.
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.
Kỹ thuật RoF – Mở đầu
1.3.1 Giới thiệu về truyền dẫn RoF
Khác với mạng truyền dẫn quang thông thường, RoF là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, cho phép chuyển tải các tín hiệu vô tuyến từ trạm gốc (CS) đến trạm phát sóng (BS) và ngược lại.
Thực tế thì các tín hiệu truyền dẫn có thể ở dạng vô tuyến
Tín hiệu RF hay tần số trung tần IF và băng tần gốc BB cần được chuyển đổi lên dạng RF tại trạm gốc (BS) Trong lý tưởng, đầu ra của tuyến RoF sẽ giống như tín hiệu ban đầu, nhưng thực tế, các hiện tượng phi tuyến, đáp ứng tần số hạn chế của laser và tán sắc trong sợi quang có thể làm sai khác tín hiệu đầu ra so với đầu vào Điều này dẫn đến những giới hạn trong truyền dẫn như tốc độ và cự ly tuyến, đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống RoF với tín hiệu analog, nơi yêu cầu độ chính xác cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn số Những thách thức này sẽ được đề cập trong phần này.
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 minh họa một trong những phương pháp truyền sóng vô tuyến đơn giản qua sợi quang Đầu tiên, tín hiệu dữ liệu được điều chế lên tần số vô tuyến RF Tín hiệu RF này sau đó được chuyển đổi sang dạng quang thông qua phương pháp điều chế cường độ trực tiếp Như vậy, sóng vô tuyến được điều chế lên tần số quang và được truyền đi qua sợi quang.
Tại phía thu, phương pháp tách sóng trực tiếp được sử dụng để tách thành phần sóng mang quang, chuyển đổi tín hiệu quang trở lại dạng điện dưới tần số RF Cuối cùng, một bộ lọc thông thấp được lắp đặt để loại bỏ các nhiễu gây ra trong quá trình truyền dẫn.
Cường độ trường điện từ E(t) trên sợi quang được biểu diễn bởi công thức sau đây:
Trong đó S RF (t) là tín hiệu cần truyền ở tần só vô tuyến chưa điều chế, ω opt là tần số quang và φ là góc pha của tín hiệu quang
1.3.3 Các phương pháp điều chế lên tần số quang 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
Mặc dù công nghệ 40GHz mang lại hiệu suất cao, nhưng giá thành của nó khá đắt đỏ và chưa phổ biến trên thị trường Phương pháp điều chế ngoài sử dụng nguồn sáng chưa điều chế kết hợp với bộ điều chế cường độ, cho phép đạt tần số cao hơn so với điều chế trực tiếp Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là suy hao chèn cao, dẫn đến hiệu suất không tối ưu Cuối cùng, phương pháp heterodyne chuyển đổi tín hiệu RF sang dạng quang bằng cách trộn các sóng ánh sáng, giúp đưa tín hiệu RF vào miền quang Hai phương pháp này sẽ được phân tích chi tiết trong các phần sau.
Cấu hình tuyến RoF
Mạng RoF hướng đến việc đơn giản hóa cấu trúc của các trạm phát sóng (BS), với các thành phần có thể chia sẻ được tập trung tại trạm điều khiển (CS) Cấu hình của một tuyến RoF đóng vai trò quyết định trong sự thành công của mạng này Có bốn cấu hình tuyến phổ biến được sử dụng, và mặc dù có nhiều cải tiến để tối ưu hóa từng cấu hình, điểm chung của chúng là BS không chứa bộ điều chế hay giải điều chế, mà chỉ có CS sở hữu các thiết bị này trong modem vô tuyến BS chỉ thực hiện những chức năng đơn giản nhằm duy trì cấu trúc tối giản nhất.
Trong hệ thống RoF, tại tuyến downlink từ CS đến BS, thông tin được điều chế bởi thiết bị "Radio modem" lên tần số RF, IF hoặc giữ nguyên ở băng tần cơ sở (BB) Sau đó, tín hiệu được điều chế lên miền quang bởi LD và truyền đi Nếu sử dụng phương pháp điều chế trực tiếp, tín hiệu chỉ có thể truyền ở tần số IF hoặc BB Ngược lại, để truyền ở tần số RF trong băng tần mm, cần sử dụng một bộ điều chế ngoài Tín hiệu quang được truyền qua sợi quang với suy hao nhỏ và nhiễu thấp đến BS, nơi tín hiệu ở băng tần được xử lý.
RF, IF và BB sẽ được phục hồi thông qua PD (tách sóng trực tiếp) Tín hiệu phục hồi sẽ được đưa lên miền tần số RF và phát ra không gian bởi anten tại BS để truyền đến các thiết bị.
Chức năng giải điều chế và khôi phục thông tin được thực hiện tại các MH Trong cấu hình a, bộ chuyển đổi tần số nằm ở CS, tạo ra cấu trúc BS đơn giản với chỉ bộ chuyển đổi điện/quang và quang/điện Tuy nhiên, sóng quang từ CS đến BS có tần số cao (RF) nên chịu ảnh hưởng của tán sắc lớn, dẫn đến khoảng cách ngắn chỉ vài km Ngược lại, các cấu hình b và c có cấu trúc BS phức tạp hơn với bộ chuyển đổi tần số BB/IF/RF, nhưng cho phép khoảng cách từ CS đến BS xa hơn đáng kể so với cấu hình a.
Cấu hình d được thiết kế dành riêng cho các trạm BS sử dụng tần số thấp (IF) trong hệ thống IF over Fiber qua sợi quang Việc sử dụng tần số thấp cho phép không cần bộ điều chế ngoài, từ đó giúp giảm chi phí cho cấu hình nhưng vẫn giữ được độ phức tạp cần thiết của BS Cấu hình này chỉ áp dụng phương pháp truyền sóng IF với điều chế trực tiếp.
Ưu điểm của RoF
Một vài thuận lợi của công nghệ ROF so với tín hiệu điện được đưa ra ở dưới:
Việc truyền tín hiệu điện qua sóng cao tần trong không gian tự do hoặc qua dây dẫn gặp nhiều khó khăn và chi phí cao Trong không gian tự do, suy hao do hấp thụ và phản xạ tăng theo tần số, trong khi ở dây dẫn, trở kháng cũng gia tăng dẫn đến suy hao lớn Do đó, việc truyền tín hiệu vô tuyến cao tần với khoảng cách lớn đòi hỏi chi phí thiết bị cao Đặc biệt, với băng tần mm, truyền dẫn bằng dây dẫn là không khả thi ngay cả với khoảng cách ngắn Một giải pháp khả thi là phân phối băng tần tín hiệu hoặc tín hiệu trung tần thấp từ trung tâm chuyển mạch đến các trạm phát sóng (BS), sau đó chuyển đổi lên sóng cực ngắn hoặc sóng băng tần mm tại mỗi BS, khuếch đại và phát đi.
Cấu hình hệ thống này tương tự như trong các hệ thống thông tin di động băng hẹp, như thể hiện ở hình 1.4 Để chuyển đổi lên tại mỗi trạm phát sóng (BS), cần có các bộ dao động nội hiệu suất cao, dẫn đến sự phức tạp và yêu cầu hiệu suất cao cho BS Tuy nhiên, công nghệ RoF với sợi quang có thể đáp ứng cả yêu cầu về suy hao thấp và băng tần mm, đồng thời đơn giản hóa các đơn vị khuếch đại (RAUs).
Hình 1.4: Sơ đồ các thành phần của 1 mạng truy cập không dây băng hẹp
Sợi đơn mode (SMFs) được làm từ thủy tinh có suy hao thấp, chỉ 0.2 dB/km ở 1550nm và 0.5 dB/km ở 1300nm Gần đây, sợi quang polimer (POFs) đã xuất hiện với suy hao thấp từ 10 đến 40 dB/km trong vùng 500 – 1300nm, thấp hơn so với các loại sợi quang khác đã được công bố Trong khi đó, cáp đồng trục lại gặp phải vấn đề với suy hao cao ở tần số cao.
Suy hao của cáp đồng trục ẵ inch có thể vượt quá 500 dB/km khi tần số cao hơn 5 GHz Do đó, việc truyền sóng ngắn qua cáp quang giúp tăng khoảng cách truyền lên nhiều lần và giảm đáng kể yêu cầu về điện năng.
Cáp quang sở hữu băng thông lớn với ba cửa sổ truyền chính là 850nm, 1310nm và 1550nm, có suy hao thấp Đối với cáp quang đơn mode, băng thông của ba cửa sổ này vượt quá 50THz, tuy nhiên, các hệ thống hiện tại chỉ khai thác một phần nhỏ khả năng này (1.6THz) Việc phát triển để tối ưu hóa khả năng của sợi quang vẫn đang tiếp diễn, với các yếu tố chính như khả năng tán sắc thấp, sử dụng bộ khuếch đại sợi Eribium Doped Fiber Amplifier (EDFA) cho cửa sổ 1550nm, và áp dụng các công nghệ phức tạp như OTDM kết hợp với kỹ thuật DWDM để mở khóa nhiều băng thông hơn cho sợi quang.
Băng thông lớn của cáp quang mang lại nhiều lợi ích cho việc truyền dẫn tín hiệu sóng ngắn, cho phép xử lý dữ liệu với tốc độ cao mà hệ thống điện khó có thể đạt được Các yêu cầu như bộ lọc, trộn và chuyển đổi tín hiệu có thể được thực hiện hiệu quả bằng thiết bị quang Ví dụ, sóng mm có thể được đạt được qua các thiết bị quang học như giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) hoặc Fibre Bragg Grating (FBG), sau đó chuyển đổi tín hiệu đã lọc về dạng tín hiệu điện Hơn nữa, việc xử lý trong các vùng quang cho phép sử dụng các thiết bị quang băng thấp giá rẻ như laser diode và bộ điều chế, đồng thời vẫn duy trì khả năng sử dụng tín hiệu băng thông rộng.
Việc sử dụng băng thông lớn của sợi quang gặp phải trở ngại do băng thông hạn chế của hệ thống điện, dẫn đến hiện tượng nghẽn cổ chai trong quá trình truyền dữ liệu Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng phương pháp đa truy cập hiệu quả (effective multiplexing) Trong hệ thống quang tương tự, đặc biệt là kỹ thuật RoF, sóng mang con phụ (SCM) được áp dụng để tăng cường băng thông sợi quang SCM cho phép kết hợp nhiều sóng mang phụ, được điều chế với dữ liệu số hoặc tương tự, để điều chế tín hiệu quang và truyền tải trên một sợi đơn, qua đó tối ưu hóa chi phí cho hệ thống RoF.
1.5.3 Khử cảm ứng điện tử
Khử nhiễu cảm ứng điện từ (EMI) là một đặc tính nổi bật của thông tin quang, đặc biệt trong truyền dẫn sóng ngắn Nhờ khả năng khử nhiễu hiệu quả, cáp quang trở thành lựa chọn ưu việt cho kết nối ngắn ở sóng mm.
Khử nhiễu EMI đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn nghe trộm, góp phần bảo vệ tính riêng tư và bảo mật của thông tin quang.
1.5.4 Dễ dàng cài đặt và bảo trì
Trong hệ thống RoF, thiết bị phức tạp và đắt đỏ được giữ ở phần đầu, bởi vậy nó tạo ra bộ RAUs đơn giản
Hệ thống RoF hiện đại loại bỏ sự cần thiết cho một LO và các thiết bị tại RAU, bao gồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại RF và anten Bộ điều chế và thiết bị chuyển mạch được đặt ở đầu và chia sẻ cho nhiều bộ RAU, giúp giảm kích thước và chi phí cài đặt cũng như bảo trì hệ thống Việc cài đặt đơn giản và chi phí bảo trì thấp cho các bộ RAU là yếu tố quan trọng trong hệ thống sóng mm, vì cần nhiều RAU Do RAU thường khó tiếp cận trong ứng dụng, việc giảm thiểu bảo trì giúp hạ giá thành Hơn nữa, RAU nhỏ hơn cũng giảm tác động đến môi trường.
Tiết kiệm năng lượng là một lợi ích quan trọng của RAU, đặc biệt khi chúng thường được đặt tại các vị trí không có nguồn điện lưới Nhiều thiết bị phức tạp tập trung ở headend, trong khi RAU có thể hoạt động ở chế độ thụ động trong một số ứng dụng Chẳng hạn, các hệ thống quang - vô tuyến 5GHz sử dụng pico-cells có thể triển khai RAU ở chế độ này, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
Hệ thống RoF hoạt động linh hoạt, cho phép tạo ra tín hiệu trong suốt tùy thuộc vào kỹ thuật tạo sóng ngắn Kỹ thuật điều chế cường độ (IM-DD) có thể được áp dụng để hệ thống hoạt động như một hệ thống tuyến tính, mang lại tính trong suốt Việc sử dụng sợi tán sắc thấp kết hợp với tiền điều chế sóng mang phụ RF (SCM) giúp đạt được điều này Mạng RoF có thể phân phối cho nhiều nhà mạng và cung cấp dịch vụ đa dạng, từ đó mang lại lợi ích kinh tế lớn.
1.5.7 Cấp phát tài nguyên động
Chức năng chuyển mạch, điều chế và các chức năng RF khác được thực hiện tập trung tại headend, cho phép cấp phát công suất động hiệu quả Trong hệ thống RoF với mạng GSM, một khu vực như trung tâm mua sắm có thể nhận lưu lượng lớn hơn trong giờ cao điểm và phân bổ lại khi cần thiết Việc này có thể thực hiện thông qua kỹ thuật WDM để cấp phát bước sóng Hơn nữa, việc tập trung tại headend cũng tạo điều kiện thuận lợi cho các chức năng xử lý tín hiệu khác và nâng cao tính di động của hệ thống.
Những hạn chế trong kỹ thuật RoF
Hệ thống RoF (Radio over Fiber) liên quan đến điều chế tương tự và phát hiện ánh sáng, đóng vai trò quan trọng trong truyền dẫn thông tin Hệ thống này gặp phải hạn chế về hệ số tạp âm (NF) và dải động (DR), hai yếu tố thiết yếu trong mạng di động tế bào, đặc biệt là GSM Dải động rất đa dạng, có thể lên tới 80dB, do năng lượng RF nhận được từ các thiết bị di động (MU) gần trạm phát sóng (BS) thường cao hơn nhiều so với năng lượng từ xa.
MU cách xa vài km, nhưng với điều kiện tất cả chúng đều nằm trong 1 cell
Các nguồn gây nhiễu trong tín hiệu quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của Laser (RIN), nhiễu pha, tạp nhiễu hạt của photodiode, tạp âm nhiệt do khuếch đại và tán sắc sợi quang Trong sợi quang đa mode, các hình thức tán sắc gây ra những hạn chế về băng thông và khoảng cách truyền tải Điều này cần được chú ý, mặc dù hệ thống truyền tải RoF vẫn là một hệ thống tương tự.
Các ứng dụng của kỹ thuật RoF
Kỹ thuật RoF không phù hợp với các ứng dụng hệ thống yêu cầu dải nhiễu động (SFDR) cao, đặc biệt là trong các hệ thống như GSM cần SFDR > 70dB cho môi trường ngoài trời Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng trong nhà chỉ yêu cầu SFDR thấp hơn, cụ thể là từ 50 dB cho GSM Do đó, hệ thống phân phối RoF có thể được áp dụng hiệu quả cho các ứng dụng trong nhà sử dụng tín hiệu vô tuyến, phục vụ cho cả hệ thống thoại và dữ liệu.
Trong trường hợp hệ thống RoF là một hệ thống phân phối bởi antenna (DAS) Cho các ứng dụng cao tần như là
Trong mạng WPAN, kích thước của cell sẽ giảm do sự suy hao tín hiệu bởi các tường chắn, từ đó các lợi ích của công nghệ RoF sẽ được tối ưu hóa Các cơ sở hạ tầng có thể tích hợp cả ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến, như thể hiện trong Hình 1.5.
MMF hoặc POF là lựa chọn thay thế cho sợi SMF, giúp giảm chi phí lắp đặt và bảo trì hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng trong nhà Mạng LAN thường sử dụng MMF để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
Hình 1.5: Cấu trúc hạ tầng cho hệ thống tích hợp vô tuyến và hữu tuyến
Hệ thống RoF đang trở nên ngày càng phổ biến trong các ứng dụng hiện tại và tương lai, nơi không yêu cầu SFDR Chẳng hạn, trong UMTS, thiết bị di động cần điều khiển công suất truyền tải, với mức công suất trung bình tương đương với mức nhận tại BS, do đó không cần yêu cầu SFDR như trong GSM Điều này cho phép hệ thống phân phối RoF được sử dụng để truyền tín hiệu UMTS cả trong nhà lẫn ngoài trời Ngoài ra, một lĩnh vực ứng dụng khác là truy cập vô tuyến cố định (FWA).
WiMAX sử dụng kỹ thuật RoF để truyền tải tín hiệu quang qua khoảng cách lớn, giúp đơn giản hóa kết nối từ RAU đến người dùng Phương pháp này không chỉ tạo ra sự tiện lợi mà còn mang lại khả năng truy cập băng thông rộng một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG
Giới thiệu
Có ba kỹ thuật quang học chính để tạo và truyền tín hiệu sóng ngắn qua sợi quang, bao gồm RF-over-Fiber (RFoF), IF-over-Fiber (IFoF) và Baseband-over-Fiber (BBoF) RFoF cho phép truyền tín hiệu RF trực tiếp qua sợi quang, trong khi IFoF và BBoF tạo sóng ngắn tại RAU thông qua việc chuyển đổi lên bằng một LO, có thể được cung cấp riêng lẻ hoặc từ xa Tùy thuộc vào phương pháp truyền, RAU có thể trở nên phức tạp hoặc đơn giản hơn.
Hệ thống yêu cầu 1 LO riêng biệt ở RAU có thể làm tăng chi phí, đặc biệt với các ứng dụng băng tần mm, nhưng lại cải thiện độ nhạy của máy thu So sánh độ nhạy của máy thu giữa ba công nghệ truyền dẫn RoF: BBoF, IFoF và RFoF cho thấy, khi sử dụng tần số vô tuyến 2GHz và tín hiệu LO ở tần số 27GHz, cả ba hệ thống đều tạo ra tín hiệu RF 29GHz với tốc độ 155Mbps Kết quả cho thấy kỹ thuật BBoF có độ nhạy tốt hơn IFoF 4dB, trong khi IFoF nhạy hơn RFoF 2dB.
Truyền tải tín hiệu vô tuyến thông qua RFoF có thuận lợi là RAU đơn giản hơn, vì không bị yêu cầu chuyển đổi lên tần số
Hệ thống RFoF dễ bị tán sắc trong RF và nhiễu pha, trong khi BBoF và IFoF có khả năng tránh được những vấn đề này Tuy nhiên, việc sử dụng BBoF và IFoF có thể dẫn đến chi phí cao cho RAU.
Kỹ thuật RoF được phân loại theo nguyên tắc điều chế và phát hiện, chia thành ba nhóm chính: điều chế cường độ (IM-DD), Heterodyne (RHD), và kỹ thuật chuyển đổi lên Harmonic Hệ thống RFoF thuộc loại IM-DD, trong khi IFoF và BBoF cũng thuộc loại IM-DD nhưng thường được hiểu là RHD để tạo tín hiệu RF.
Chương này giới thiệu các nguyên lý đằng sau các phương thức đa dạng truyền tín hiệu RF.
Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ IM-DD
Phương thức đơn giản nhất để phân phối tín hiệu RF là điều chế cường độ trực tiếp nguồn quang với tín hiệu RF và sử dụng bộ phát hiện trực tiếp tại bộ tách sóng quang để khôi phục tín hiệu RF Phương pháp này thuộc loại IM-DD, cùng với các loại RFoF khác Có hai cách điều chế nguồn quang: điều chế trực tiếp từ laser diode hoặc điều khiển laser trong chế độ sóng liên tục kết hợp với bộ điều chế ngoài như MZM Trong cả hai trường hợp, tín hiệu điều chế là tín hiệu RF thực đã được phân phối và cần được tiền điều chế thích hợp với dữ liệu trước khi truyền Do đó, RFoF yêu cầu các thiết bị cao tần quang-điện đắt đỏ ở đầu cuối.
Hình 2.1: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế trực tiếp (a), dùng 1 bộ điều chế ngoài (b)
Dòng quang điện, sau khi được truyền qua cáp và phát hiện trong bộ tách sóng quang, là bản sao của tín hiệu RF được điều chế từ laser hoặc bộ điều chế ngoài ở headend Qua các giai đoạn truyền và khuếch đại, dòng quang điện sẽ chuyển đổi trở lại thành điện và được đưa đến anten Tín hiệu RF, sau khi được điều chế với dữ liệu, sẽ được phát hiện tại máy thu cùng với dữ liệu Định dạng của dữ liệu được bảo toàn trong quá trình này Hầu hết các hệ thống RoF, bao gồm hệ thống RoF IM-DD, sử dụng cáp sợi đơn (SMF) để phân phối tín hiệu Tuy nhiên, kỹ thuật IM-DD cũng cho thấy hiệu quả khi truyền tải tín hiệu RF qua cáp đa mode với băng thông cao hơn, đặc biệt cho tín hiệu WLAN dưới 6GHz.
2.2.1 Ưu điểm khi dùng IM-DD
Phương thức này rất đơn giản và nếu tán sắc sợi quang thấp, kết hợp với bộ điều chế ngoài, hệ thống sẽ trở nên tuyến tính Kết quả là, đường truyền quang hoạt động như một bộ khuếch đại hoặc suy giảm, cho phép truyền tải cả phương thức điều chế AM và định dạng điều chế đa mức như xQAM Hệ thống cũng yêu cầu ít hoặc không cần nâng cấp khi có sự thay đổi về định dạng điều chế của tín hiệu RF Ngoài ra, sóng mang phụ đa công có thể được áp dụng trong các hệ thống này, và khác với điều chế laser phân cực trực tiếp, bộ điều chế ngoài và MZM có khả năng được điều chế với tín hiệu băng tần mm khoảng 100 GHz.
2.2.2 Các hạn chế của IM-DD
Một thách thức lớn của RFoF và IM-DD là khó khăn trong việc sử dụng cho các ứng dụng cao tần ở băng tần mm, do yêu cầu tín hiệu tần số cao và sóng mm cần điều chế ở mức tần số tương ứng Việc điều chế laser trực tiếp không khả thi vì bị giới hạn băng thông và tính không tuyến tính của laser, dẫn đến biến dạng sóng điều chế Mặc dù bộ điều chế ngoài như MZM có thể hỗ trợ tín hiệu RF cao tần, nhưng yêu cầu điện áp hoạt động cao của chúng làm tăng chi phí vận hành cho bộ khuếch đại.
Một bất lợi lớn của RFoF là tính dễ bị tán sắc, dẫn đến tần số hoặc biên độ bị ảnh hưởng bởi cường độ RF khi sử dụng tín hiệu điều chế dải 2 sóng biên Hiệu ứng khử biên độ có thể được hình dung qua sự chuyển điều chế của hệ thống điều chế ngoài IM-DD, được thể hiện trong công thức: m*cos *cos (2.2.1), trong đó m là tần số điều chế và là đạo hàn bậc 2 của hằng số truyền.
Chiều dài cáp (L_f) và vận tốc nhóm là các yếu tố quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang Ở tần số 60GHz và bước sóng 1550nm, một sợi quang có thể bị giới hạn ở khoảng cách 1.5km do tín hiệu bị triệt tiêu Hiệu ứng khử biên độ có thể được khắc phục thông qua kỹ thuật tránh tán sắc và điều chế quang đơn biên, giúp loại bỏ việc truyền một dải biên thứ 2 Các giải pháp như bộ lọc dải biên hoặc bộ điều chế cường độ kép có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất Những yếu tố này làm cho hệ thống RoF OSSB IM-DD trở nên phức tạp hơn.
Tạo tín hiệu RF bằng bộ tách sóng từ xa Hererodyne
2.3.1 Nguyên lý của sự Heterodyne Đa số kỹ thuật RoF đều dựa vào nguyên lý trộn sóng trong photodiode để tạo tín hiệu RF Nhưng kỹ thuật này thường được gọi là kỹ thuật tách sóng từ xa Heterodyne (Hình 2.2, 2.5) Trong khi thực hiện chuyển đổi O/E, photodiode cũng hoạt động như một bộ trộn, do đó nó là một thành phần quan trọng trong RHD
Nguyên lý về trộn sóng có thể đưa ra như công thức dưới 2 thành phần quang học và được trình bày như sau:
Khi cả hai thành phần tác động đến photodiode PIN, dòng quang điện bề mặt sẽ tỷ lệ với bình phương của các thành phần quang Công thức i PD = E 01 E 02 cos[( )t] + E 01 E 02 cos[( )t] cho thấy rằng bằng cách kiểm soát sự khác biệt giữa hai thành phần quang học, tín hiệu vô tuyến ở tần số bất kỳ có thể được tạo ra Tuy nhiên, chỉ các giới hạn trên của tần số tín hiệu mới có thể được tạo ra bằng cách giới hạn băng thông của photodiode Nếu thay thế các tín hiệu điện quang học bằng các thành phần quang, ta có thể tạo ra dòng quang điện theo công thức i pt (t) = 2R cos.
Độ nhạy của bộ tách sóng quang, ký hiệu là R, và thời gian t, cùng với hai tín hiệu quang tức thời p1(t) và p2(t) với tần số tức thời tương ứng, cho thấy sự ổn định của tần số tức thời của tín hiệu RHD phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tần số tức thời của hai bộ trộn sóng quang Do đó, trong RHD, việc điều khiển chính xác tần số tức thời là rất cần thiết để giữ tần số của tín hiệu ổn định Điều này có nghĩa là dịch chuyển hoàn toàn tần số phát xạ không quan trọng, vì thường chỉ một trong hai sóng mang quang được điều chế cùng với dữ liệu Hơn nữa, nhiễu pha của tín hiệu được tạo ra chịu ảnh hưởng bởi độ rộng vạch phổ của hai sóng mang, tức là tổng độ rộng vạch phổ của cả hai sóng mang.
Tần số phát xạ của laser rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, nhiễu pha và các yếu tố khác, do đó cần áp dụng các kỹ thuật duy trì dịch tần và kiểm soát nhiễu pha Có nhiều phương pháp để điều khiển độ dịch pha giữa hai bộ phát laser.
Vòng khóa tần số (OFLL)
Vòng khóa pha phát quang (OIPLL)
Một vài kỹ thuật sẽ được phân tích ở các phần dưới đây:
Có nhiều phương pháp để tạo ra hai sóng mang quang trong kỹ thuật heterodyning Một phương pháp là sử dụng bộ điều chế pha quang học để tạo ra các dải biên quang học và lựa chọn thành phần mong muốn Phương pháp khác là sử dụng hai nguồn laser riêng biệt, trong đó hai diode laser phát ra ánh sáng với tần số khác nhau thông qua các tần số sóng ngắn Các kỹ thuật này giúp duy trì sự dịch tần ổn định và pha tương quan giữa hai sóng mang quang.
2.3.1.1 Ưu điểm khi dùng Heterodying quang học
Heterodyning quang học cho phép tạo ra tần số rất cao, chỉ bị giới hạn bởi băng thông của bộ tách sóng quang Hiệu suất của quá trình này cao và tỉ số nhiễu sóng mang (CNR) cũng được cải thiện Điều này là do công suất quang của hai thành phần quang kết hợp để tạo ra tín hiệu sóng ngắn.
Kỹ thuật heterodyning mang lại lợi ích trong việc giảm tán sắc ánh sáng Khi chỉ một trong hai sóng mang quang được điều chế với dữ liệu, độ nhạy của hệ thống đối với tán sắc giảm rõ rệt Điều này không xảy ra trong phương thức điều chế cường độ, khi cả hai dải biên quang đều được điều chế cùng với dữ liệu Việc giảm thiểu hiệu ứng tán sắc ánh sáng là rất quan trọng trong các định dạng điều chế nhạy cảm như xQAM, nơi tán sắc có thể gây bất lợi trong việc sử dụng năng lượng.
Một trong những đặc điểm nổi bật của RHD là không cần thiết bị điều chế dữ liệu quang-điện (O/E) để chuyển đổi tần số cao sang tần số thấp tại các đầu cuối Điều này tạo ra sự khác biệt rõ rệt so với IM.
Bộ điều chế RHD ở headend có thể được điều khiển thông qua dữ liệu băng tần cơ sở hoặc tín hiệu RF hạ tần Các bộ điều chế tần số thấp yêu cầu điện áp điều khiển thấp hơn, giúp đạt được sự tuyến tính dễ dàng hơn Hơn nữa, bộ khuếch đại điều khiển tuyến tính có sẵn nhiều hơn và có giá thành thấp hơn cho băng tần cơ sở hoặc ứng dụng điều chế hạ tần Tại RAU, việc sử dụng dữ liệu băng tần cơ sở giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng các bộ lọc tần số mm.
Heterodyning quang học mang lại lợi thế nổi bật với khả năng tạo ra tín hiệu có độ sâu điều chế cường độ đạt 100% Bên cạnh đó, RHD cũng thể hiện lợi ích trong xử lý tín hiệu photon, đóng vai trò quan trọng trong các chức năng của hệ thống vô tuyến như điều khiển pha, lọc và chuyển đổi tần số.
2.3.1.2 Các hạn chế của Heterodyning quang học
Hạn chế chính của RHD là nhiễu pha laser mạnh và sự đa dạng tần số quang, ảnh hưởng đến sự tinh khiết và ổn định của tín hiệu sóng mang RF Để khắc phục tình trạng này, các biện pháp đã được tăng cường nhằm giảm độ rộng vạch phổ của tín hiệu RF, mặc dù điều này làm cho hệ thống trở nên phức tạp hơn Công nghệ giảm độ nhạy nhiễu pha bao gồm vòng khóa pha quang học (OPLL) và OIL.
2.3.2 Hệ thống lọc FM quang học
Kỹ thuật lọc FM quang học sử dụng laser đơn để điều chế tần số quang thông qua việc áp dụng tín hiệu điện vào đầu cuối của laser Kỹ thuật này tạo ra một loạt vạch quang phổ (dải biên) cách đều nhau nhờ vào việc điều khiển tần số Hai dải biên, được phân tách bởi các sóng mm, sẽ được lựa chọn và ảnh hưởng tới bề mặt của diode quang Cuối cùng, các dải biên này sẽ được kết hợp để tạo ra tín hiệu RF mong muốn.
Hình 2.2: Tính chất của bộ kết hợp quang dựa trên laser FM
2 phương thức thường được sử dụng để lựa chọn dải biên:
Bộ lọc quang – cũng được đưa vào như bộ tách phổ
Sử dụng bộ lọc quang giúp chọn dải biên trong khi loại bỏ phần còn lại, cho phép nhận tín hiệu mm ở các tần số 54GHz, 90GHz và 126GHz từ xa đến một RAU RAU này được cung cấp qua đường truyền SMF.
Một bộ điều chế pha quang học được điều khiển bởi tín hiệu IF ở tần số 13.5 GHz hoặc 22.5 GHz đã tạo ra một loạt dải biên Bộ giao thoa Fabry Perot điều hưởng (FFPI) được sử dụng để lựa chọn hai dải biên riêng biệt với tần số mm mong muốn, với dải phổ tự do (FSR) là 17.963 GHz và một dải biên khác là 100 GHz.
BỘ ĐIỀU CHẾ PHA QUANG HỌC
PC: Polarisation Controller ISO: Optical Isolator
Hình 2.3: Heterodyning từ xa bằng cách sử dụng bộ lọc để chọn dải biên
Tín hiệu quang sau khi được lọc sẽ được truyền qua một tuyến cáp dài, khuếch đại và phát hiện bằng ống dẫn sóng sử dụng photomixer Năng lượng tín hiệu tại tần số 90GHz được phát hiện là -8dBm Đồng thời, quá trình đo lường sự nhiễu pha của tín hiệu 90GHz cũng được thực hiện ở độ dịch.
Kỹ thuật dựa trên tạo sóng hài
2.4.1 Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM
Kỹ thuật chuyển đổi IM-FM là một phương pháp hiệu quả, dựa trên hiện tượng tán sắc ánh sáng không mong muốn trong sợi quang Quá trình này bắt đầu bằng việc điều chế FM cho laser thông qua tín hiệu điều khiển được áp dụng tại một đầu của laser Tín hiệu quang FM sau đó được truyền qua sợi quang, và nhờ vào tán sắc, sự dịch pha tương đối của dải biên sẽ dẫn đến sự biến đổi cường độ ánh sáng theo hàm điều hòa của tần số điều khiển.
Kỹ thuật tạo sóng ngắn đã được phân tích lý thuyết và chứng minh thực nghiệm Trong trường hợp tín hiệu quang FM đã được điều chế qua sợi quang SMF chuẩn với tán sắc ánh sáng, cường độ ánh sáng tức thời nhận được sau khi truyền qua sợi quang có thể được mô tả bằng công thức: i(t)=I 0 + (2.4.1).
Cường độ sóng hài I_p được xác định bởi tần số góc mô phỏng và pha của hàm điều hòa thứ p, trong đó I_0 là dòng quang điện và là thành phần điều hòa cho sự biến thiên cường độ.
Với J p (x) là hàm Bessel của kiểu đầu tiên, là hệ số điều chế FM, và là góc đặc trưng của tán sắc đưa ra bởi: z (2.4.3)
Với λ là bước sóng laser trong không gian tự do và c là vận tốc ánh sáng, chiều dài cáp z và tham số tán sắc D cũng rất quan trọng Hệ số điều biến M p của sóng hài thứ p được xác định bằng tỉ số giữa biên độ dòng quang điện xoay chiều của sóng hài thứ p và dòng quang điện 1 chiều, từ đó M p có thể được tính toán.
Kỹ thuật FM-IM đã được áp dụng để tạo ra sóng mm lên tới 60 GHz, tương ứng với sóng hài thứ 15 của tín hiệu điều khiển 4 GHz Theo lý thuyết, hệ số điều biến tối đa có thể đạt được là 60% cho sóng hài thứ 10, nhưng thực tế chỉ có thể thực hiện được 13% hệ số điều biến.
2.4.1.1 Ưu điểm của phương thức FM-FM
Kỹ thuật chuyển đổi IF-IM cho phép tạo ra sóng mm ở tần số rất cao, mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển Kỹ thuật này đơn giản và có khả năng tận dụng các tán sắc ánh sáng không mong muốn để tối ưu hóa quá trình.
2.4.1.2 Nhược điểm của phương thức IF-IM
Nhược điểm chính của kỹ thuật này là hệ số điều biến thay đổi theo chiều dài cáp, nhưng sự đa dạng của thành phần FM có thể bù đắp cho hiện tượng này Laser FM không có đặc trưng băng rộng và cần có độ lệch tần số quang học khi ở dạng sóng ngắn Để tạo ra tần số đỉnh – đỉnh, độ lệch tối thiểu phải tương đương với tần số sóng mm mong muốn Để khắc phục vấn đề điều chế cường độ trong laser FM đã được điều chế trực tiếp, cần sử dụng bộ điều chế pha ngoài kết hợp với laser CW, từ đó lý thuyết về hệ số điều biến có thể được áp dụng thực tiễn.
2.4.2 Kỹ thuật điều chế dải biên
Có 2 kỹ thuật điều chế dải biên Không giống như kỹ thuật FM-IM, những kỹ thuật này tạo ra sóng hài bậc cao mà không cần đến sự tán sắc ánh sáng bằng cách dựa vào đặc thì truyền phi tuyến của bộ điều chế MZM Tín hiệu ra của MZM có thể mô tả bởi công thức:
Với Ein(t) là tín hiệu quang đầu vào cho bộ điều chế và Vmod(t) là điện áp điều chế áp dụng, điện áp này cần thiết để ngăn chặn tất cả các tín hiệu đầu ra Nếu Vmod(t) là tín hiệu sin, nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
Hàm Bessel kiểu thứ nhất J1 thể hiện độ phân cực bình thường và mức điều khiển Công thức này cho phép điều chỉnh độ phân cực phù hợp với các mức ε=0 hoặc ε=1, từ đó tạo ra sóng hài bậc 2 hoặc bậc 4 của tín hiệu điều khiển.
Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF
2.5.1 Ghép kênh sóng mang phụ trong hệ thống RoF
Ghép kênh sóng mang phụ (SCM) là phương pháp hiệu quả và tiết kiệm cho việc sử dụng sợi quang băng rộng trong hệ thống thông tin quang, đặc biệt là trong hệ thống RoF Trong SCM, tín hiệu RF (sóng mang phụ) được dùng để điều chế một sóng mang quang, tạo ra một thành phần quang phổ tại tần số gốc f0 Khi sóng mang phụ được điều chế với dữ liệu, cả dữ liệu tương tự và số, sẽ hình thành các dải biên tập trung tại tần số f0 và fSC.
Để ghép nhiều kênh vào một sóng mang quang học, nhiều sóng mang phụ được kết hợp và điều chế sóng mang quang học Sóng mang phụ được phục hồi tại dải máy thu thông qua quét trực tiếp trước khi phát đi Các khung điều chế khác nhau có thể được sử dụng cho từng sóng mang phụ, cho phép một sóng mang phụ truyền dữ liệu số trong khi sóng khác truyền tín hiệu tương tự như video SCM hỗ trợ việc ghép kênh đa dạng, và điều chế sóng mang quang học có thể đạt được thông qua laser điều chế trực tiếp hoặc bằng bộ điều chế ngoài như MZM.
SCM có thể được áp dụng với cả IM-DD và RHD Kết hợp SCM với IM-DD đã được triển khai trong hệ thống RoF sử dụng cáp đa mode Tuy nhiên, các hệ thống này chủ yếu được thiết kế để truyền tín hiệu WLAN với tần số dưới 4 GHz.
Một ứng dụng thực tiễn của SCM trong RHD 60 GHz là hệ thống RoF, trong đó hai sóng mang phụ được sử dụng để ghép kênh.
Từ khi thiết lập dựa trên OIL, mỗi sóng mang phụ (1.27 GHz và 1.79 GHz) đã được điều chế bằng OQPSK với tốc độ 155 Mbps Các tín hiệu sóng mang quang học từ điều chế pha được truyền qua cáp cùng với một sóng mang tham chiếu thứ ba Sau khi thực hiện heterodyning tại photodiode, hai sóng mang phụ được chuyển đổi lên tới 62.07 GHz và 62.21 GHz Kết quả đo BER trên dữ liệu phục hồi tại RAU xác nhận đặc trưng của SCM trong hệ thống RoF.
Hệ thống SCM-RoF khác dùng thiết bị kết hợp giữa điều chế/ quét ở RAU được nói đến ở trên
2.5.1.1 Ưu điểm của bộ ghép kênh sóng mang phụ
Một ưu điểm chính của SCM là hỗ trợ chế độ trộn lưu lượng dữ liệu, cho phép mỗi sóng mang phụ truyền tín hiệu với định dạng điều chế độc lập Điều này mở rộng ứng dụng của SCM trong nhiều lĩnh vực như CATV, WLAN và sóng mm Kỹ thuật điều chế và sóng mang dữ liệu trên mỗi sóng mang phụ hoạt động độc lập, giúp tối ưu hóa hiệu suất Hơn nữa, với bì sóng mang con ở tần số thấp, các thành phần cần thiết cho hệ thống SCM thường có sẵn, cho phép tận dụng bộ điều chế, bộ trộn và bộ khuếch đại từ các hệ thống cáp TV và vệ tinh, từ đó giảm chi phí.
2.5.1.2 Nhược điểm của ghép kênh sóng mang phụ
Nhược điểm của hệ thống SCM là tính nhạy cảm cao với nhiễu và sự biến đổi không tuyến tính, điều này yêu cầu các thành phần phải đáp ứng các tiêu chuẩn tuyến tính nghiêm ngặt, đặc biệt trong các ứng dụng video, nơi tỷ số sóng mang/nhiễu (CNR) cần đạt trên 55dB Ngoài ra, nguồn ánh sáng gây ra tạp âm với cường độ tương đối (RIN) là nguồn chính của nhiễu, vì vậy cần được duy trì ở mức thấp.
2.5.2 Ghép kênh theo bước sóng trong hệ thống RoF
Việc sử dụng ghép kênh theo bước sóng (WDM) trong phân phối tín hiệu RoF là rất quan trọng, giúp khai thác hiệu quả băng thông mạng thông tin quang Mặc dù truyền tín hiệu RFoF chưa tối ưu hóa việc sử dụng phổ, nhưng có thể cải thiện hiệu suất bằng cách điều chế sóng mang với sóng mm và sử dụng bộ xen rớt quang (OADM) tại trạm gốc để lựa chọn sóng mang mong muốn Ứng dụng WDM vào mạng RoF mang lại nhiều lợi ích như đơn giản hóa mô hình mạng bằng cách gán các bước sóng khác nhau cho từng trạm phát sóng (BS), từ đó dễ dàng nâng cấp và quản lý mạng Hình 2.11 minh họa ứng dụng này cho tuyến downlink, cho thấy rằng chỉ với một sợi quang, kỹ thuật RoF có thể phục vụ nhiều BS, tùy thuộc vào số lượng kênh quang có thể truyền được trên sợi quang đó.
Hình 2.9 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF
Khó khăn trong việc áp dụng kỹ thuật WDM là mỗi kênh quang truyền một sóng mm ở tần số 60GHz, dẫn đến bề rộng phổ mỗi kênh quang vượt quá bề rộng phổ của một kênh WDM Cụ thể, phương pháp điều chế 2 biên yêu cầu sử dụng một kênh 200GHz, trong khi phương pháp điều chế 1 biên cần một kênh 100MHz, gây lãng phí lớn băng thông trong sợi quang Điều này cũng khiến các thiết bị trong hệ thống WDM cũ không tương thích với kỹ thuật RoF Hiện tại, nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ, trong đó khái niệm chèn tần số quang (optical frequency interleaving) đã được giới thiệu.
Mối quan hệ giữa số lượng bước sóng cần thiết cho mỗi bộ phát (BS) là rất quan trọng, vì mỗi BS cần đủ bước sóng để hoạt động song công hoàn toàn, tức là cần hai bước sóng: một cho chiều downlink và một cho chiều uplink Kỹ thuật tái sử dụng bước sóng cho phép sử dụng lại bước sóng trong tín hiệu downlink để truyền dẫn uplink, do đó chỉ cần một bước sóng cho cả hai chiều truyền dẫn Điều này giúp tăng hiệu quả sử dụng băng thông của sợi quang.
Hình 2.10 DWDM trong RoF a Điều chế hai dải biên, b Điều chế triệt một dải biên
Sóng mang quang học có dữ liệu sóng mm downlink
Sóng mang quang học không có dữ liệu sóng mm uplink
Hình 2.11 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM
Kiến trúc sóng mang đơn hướng được sử dụng để cung cấp dịch vụ vô tuyến băng thông rộng, trong đó tất cả các nguồn sáng uplink và downlink được ghép lại và khuyếch đại qua sợi quang Tín hiệu quang được đưa vào sợi quang nối mạng ring thông qua bộ điều chế kênh downlink và giải điều chế uplink Tại mỗi trạm phát sóng (BS), cặp bước sóng downlink và uplink được xen kẽ thông qua bộ OADM bởi bộ EAT, với cả hai thao tác diễn ra đồng thời Kênh uplink đã điều chế sẽ được thêm vào sợi quang và truyền về trung tâm điều khiển (CS), nơi tín hiệu được giải ghép và khôi phục Ưu điểm chính của mạng ring WDM P2MP là khả năng tập trung tất cả nguồn phát quang tại CS, tạo điều kiện cho cấu hình BS đơn giản.
Kết luận
Kỹ thuật phân phối tín hiệu RF qua sợi quang đã được xem xét lại, với các phương pháp RoF được phân loại theo tần số tín hiệu truyền Cụ thể, các kỹ thuật này bao gồm RFoF, IFoF và baseband over fibre Ngoài ra, theo phương thức điều chế, chúng cũng được phân loại theo điều chế cường độ như IM-DD, RHD và chuyển đổi lên sóng hài.
Vì vậy, 1 kỹ thuật RoF có thể thuộc về một hoặc nhiều loại, hoặc có thể kết hợp với vài kỹ thuật khác
Phương pháp RFoF sử dụng IM-DD là cách đơn giản nhất để truyền tín hiệu RF qua sợi quang, giúp giảm bớt sự phức tạp ở RAU do không cần chuyển đổi tần số Tuy nhiên, các hệ thống RoF tần số cao đòi hỏi thiết bị giao diện điện/quang phức tạp tại headend, dẫn đến chi phí cao và hiệu suất không tối ưu Hơn nữa, RFoF còn nhạy cảm với tán sắc ánh sáng, gây ra suy yếu sóng mang khi sử dụng bộ điều chế DSB đơn giản.
Một số kỹ thuật RoF dựa vào tính chất của RHD, nơi hai sóng mang quang học được trộn trong photodiode Các phương pháp khác để tạo sóng mang quang bao gồm FM/PM, tạo dải biên với bộ điều chế cường độ MZM, và laser chế độ kép Với RHD, tín hiệu RF ở tần số rất cao có thể được tạo ra, chỉ bị giới hạn bởi băng thông của photodiode.
Kỹ thuật RoF hiện đang được áp dụng chủ yếu với hệ thống dựa vào SMF, trong khi hệ thống MMF-RoF chỉ sử dụng IM-DD cho các ứng dụng WLAN Tín hiệu được truyền ở tần số dưới 6 GHz, do đó, việc đảm bảo sự phủ sóng trong nhà của các hệ thống vô tuyến là rất quan trọng Điều này đòi hỏi phải phân phối tín hiệu cao tần qua cáp đa mode, làm cho cấu trúc hạ tầng cáp trong nhà trở nên thiết yếu.