Từ việc phân tích trên, cả tách sóng homodyne vμ heterodyne có thể đ−ợc sử dụng để biến đổi tín hiệu quang thμnh tín hiệu điện. Tín hiệu quang đ−ợc giải điều biến trực tiếp tới băng cơ bản trong tách sóng homodyne. Mặc dù quan niệm thì đơn giản nh−ng homodyne rất khó thực hiện trong thực tiễn, vì nó đòi hỏi bộ dao động nội có tần số hợp với tần số sóng mang một cách chính xác vμ có pha đ−ợc gõ đúng với pha tín hiệu đến.
Giải điều chế nh− vậy gọi lμ đồng bộ, vμ lμ giải điều chế cơ bản cho tách sóng homodyne.
Tách sóng heterodyne cho phép đơn giản đ−ợc thiết kế bộ thu vì không cần khoá pha quang vμ cũng không cần trùng hợp tần số. Giải điều chế có thể đ−ợc thực hiện ở cả đồng bộ vμ không đồng bộ. Giải điều chế không đồng bộ đ−ợc gọi lμ không kết hợp trong thông tin vô tuyến. Trong thông tin sợi quang, từ tách sóng Coherent đ−ợc dùng phổ biến hơn.
45o y
“1”
“0”
x LO
6.4.1 Giải điều chế đồng bộ heterodyne
Để xem xét quá trình giải điều chế đồng bộ heterodyne, ta tham khảo hình 6.9 mô tả sơ
đồ khối của bộ thu quang heterodyne động bộ. Dòng đ−ợc phát ra tại photodide đ−ợc đi qua bộ lọc băng thông BPF (Band Pass Filter) đặt ở tâm tần số trung gian ωIF. Dòng đ−ợc lọc khi không có nhiễu có thể viết nh− sau:
( )t =I (ω t −φ)
If p cos IF (6-24) ở đây Ip lấy bằng Isho(t) đã đ−ợc cho từ biểu thức (6-6) vμ φ lμ sự khác pha giữa pha của sóng dao động nội vμ pha của tín hiệu quang. Nhiễu bộ thu cũng đ−ợc lọc qua BPF. Nếu chúng ta sử dụng các thμnh phần cầu ph−ơng trong vμ ngoμi pha của nhiễu Gausian đ−ợc lọc, thì nhiễu bộ thu sẽ đ−ợc viết bao gồm các thμnh phần sau:
( )t (I i ) ( t) (I i ) ( t)
If = p cosφ + c cosωIF + p sinφ + s sinωIF (6-25) ở đây ic vμ is lμ các biến ngẫu nhiên Gaussian với giá trị bằng không, có biến đổi nhiễu σ2
đã cho trong biểu thức (6-9). Đối với giải điều biến đồng bộ, If(t) sẽ đ−ợc khuếch đại bằng
đại l−ợng cos(ωIFt) vμ rồi đ−ợc lọc thông qua bộ lọc băng thấp LPF (Low-Pass Filter). Tín hiệu băng cơ bản đ−ợc viết nh− sau:
( IF ) ( p c)
f
d I t I i
I = ω = cosφ +
2
cos 1 (6-26) ở đây dấu ngoặc nhọn để ký hiệu lọc thông thấp nhằm loại bỏ các thμnh phần xoay chiều dao động tại 2ωIF. Biểu thức (6-26) chỉ ra rằng chỉ có thμnh phần nhiễu trong pha gây ảnh hưởng đến đặc tính bộ thu heterodyne đồng bộ.
Hình 6.9. Sơ đồ khối của bộ thu heterodyne đồng bộ.
Giải điều chế đồng bộ yêu cầu khôi phục sóng mang vi ba tại trung tần ωIF. Có một số sơ đồ điện có thể đ−ợc dùng cho mục đích nμy, tất cả đều đòi hỏi mạch khoá pha PLL
điện. Có hai loại mạch đ−ợc sử dụng phổ biến lμ mạch Squaring vμ mạch Costas. Mạch Squaring sử dụng thiết bị theo luật bình phương để thu tín hiệu dạng cos2(ωIFt) có thμnh phần tần số tại 2ωIF. Thμnh phần nμy có thể đ−ợc sử dụng để phát ra tín hiệu vi ba tại ωIF.
BPF LPF
Khôi phục sãng mang Tín hiệu
Dao động nội
Bộ tách sóng
6.4.2 Giải điều chế không đồng bộ heterodyne
Hình 6.10 mô tả sơ đồ khối của bộ thu quang heterodyne không đồng bộ. Nó không đòi hỏi việc khôi phục sóng mang vi ba tại tần số trung gian, vμ nh− vậy thiết kế mạch bộ thu
đơn giản hơn nhiều. Tín hiệu đ−ợc lọc If(t) đ−ợc biến đổi về băng cơ bản bằng cách sử dụng bộ tách sóng đ−ờng bao có bộ lọc thông thấp theo sau. Tín hiệu thu đ−ợc nhờ mạch quyết định với Id = ⏐If ⏐, ở đây If đ−ợc cho từ biểu thức (6-25). Nó có thể đ−ợc viết nh−
sau:
( ) ( )
[ p cos c 2 p sin s 2]12
f
d I I i I i
I = = φ + + φ + (6-27)
Sự khác nhau chủ yếu lμ cả hai thμnh phần cầu ph−ơng trong pha vμ ngoμi pha của nhiễu bộ thu đều ảnh hưởng tới tín hiệu. Vì vậy tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bị giảm đi so với trường hợp giải điều chế đồng bộ.
Hình 6.10. Sơ đồ khối bộ thu quang heterodyne không đồng bộ.
Bộ thu heterodyne không đồng bộ nh− ở hình 6.10 sẽ đòi hỏi có sự cải biến khi sử dụng các dạng điều chế FSK vμ PSK. Có hai sơ đồ giải điều chế nh− ở hình 6.11. Bộ thu lọc kép FSK có hai nhánh riêng rẽ để xử lý các bit “1” vμ “0” chứa các tần số sóng mang, vμ nh−
vậy các trung tần sẽ khác nhau. Sơ đồ có thể đ−ợc sử dụng khi mμ khoảng cách tone lớn hơn nhiều tốc độ bit, nhằm để phổ của các bit “1” vμ “0” gối sang nhau không đáng kể (tr−ờng hợp FSK chệch rộng). Hai bộ lọc BPF có các tần số trung tâm của nó cách nhau
đúng bằng khoảng cách tone sao cho mỗi một BPF chỉ cho qua hoặc bit “1” hoặc bit “0”.
Bộ thu có lọc kép FSK có thể đ−ợc coi nh− lμ hai bộ thu có lọc đơn ASK song song có các
đầu ra kết hợp với nhau trước khi tới mạch quyết định. Bộ thu lọc đơn như hình 6.10 có thể đ−ợc dùng cho giải điều chế FSK nếu nh− độ rộng băng của nó đ−ợc chọn đủ rộng để cho qua toμn bộ chùm bit. Sau đó tín hiệu đ−ợc xử lý bằng bộ phân biệt tần số để nhận dạng bit “1” vμ “0”. Sơ đồ nμy chỉ hoạt động tốt đối với điều chế FSK chệch hẹp, vì ở đây khoảng cách tone it hơn hoặc ngang bằng với tốc độ bit.
Giải điều chế không đồng bộ không thể dùng cho dạng điều chế PSK vì pha của laser phát vμ bộ dao động nội không đ−ợc gõ cùng nhau vμ có thể trôi theo thời gian. Tuy nhiên, sử dụng dạng DPSK sẽ cho phép giải điều chế không đồng bộ bằng cách sử dụng sơ đồ trễ như mô tả trong hình 6.11b). Với ý tưởng lμ nhân chùm bit thu được bằng bản
BPF LPF
Tín hiệu
Dao động nội
Bộ tách sóng
Tách sóng ®−êng bao