Các dạng điều chế

6.3. Các dạng điều chế

6.3.1. Các dạng điều chế

Nh− đã đề cập trong phần 6.2.1, ta biết trong hệ thống thông tin quang Coherent, tín hiệu quang trước lúc truyền đi được điều chế biên độ, tần số, hoặc pha của sóng mang quang. Điều chế lμ một quá trình mμ sóng mang bị biến đổi về một vμi tham số dưới tác

động của tín hiệu mang thông tin. Về nguyên lý, có thể thực hiện đ−ợc cả điều chế số (digital) vμ điều chế t−ơng tự (analog); nh−ng trong thực tế thì việc điều chế số cho hệ thống lμ rất phổ biến, còn điều chế t−ơng tự rất ít đ−ợc áp dụng. Hiện nay chỉ sử dụng ở một số thí nghiệm truyền dẫn analog lμ tín hiệu video. Vì lý do đó mμ trong phần nμy của tμi liệu chỉ xem xét tới việc điều chế số. Quá trình điều chế, l−ợng tin của nguồn tín đ−ợc bảo toμn, chỉ thay đổi mối tương quan về tần số vμ công suất của tín hiệu truyền đi. Trong hệ thống thông tin quang, điều chế trước lúc truyền dẫn nhằm mục đích để đạt thêm được một số điều mong muốn so với các vấn đề đã đề cập ở các mục trước lμ: thứ nhất nhằm dịch chuyển băng tần tín hiệu sang những vùng mong muốn để tạo điều kiện thuận lợi cho việc ghép kênh; thứ hai để tạo nên những tín hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớp đoạn hoặc lớp quang.

Tr−ớc hết chúng ta nhắc lại một số điểm về điều chế t−ơng tự sóng quang. Trong điều chế tương tự dạng tín hiệu tác động vμo các tham số tương ứng biến đổi theo quy luật của tín hiệu d−ới dạng t−ơng tự. Có thể phân điều chế ra lμm 3 loại:

Điều biên - AM: Dạng điều chế nμy tạo ra bằng cách cho tín hiệu thông tin tác động vμo biên độ với sóng mang quang có tần số cao hơn vμ lọc sang băng mong muốn để truyÒn ®i.

Điều tần - FM: Tín hiệu thông tin tác động vμo tần số sóng mang quang lμm cho tần số

đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu.

Điều pha - PM: Tín hiệu thông tin tác động vμo pha của sóng mang quang tạo nên độ lệch pha theo quy luật của lín hiệu cần điều chế.

Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vμo độ rộng băng tần của tín hiệu điều chế vμ phương pháp ghép sau đó. Chọn phương pháp điều chế phụ thuộc vμo độ mong muốn cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đối với băng tần bị chiếm vμ các yếu tố khác nh− giá

thμnh, độ phức tạp của hệ thống. Đối với các hệ thống thông tin trên cáp sợi quang tồn tại một khách quan lμ độ rộng băng tần của sợi dẫn quang rất rộng, công suất tín hiệu nhỏ.

Vì vậy, sử dụng điều chế tín hiệu nhằm duy trì SNR của băng gốc yêu cầu, trong lúc đó công suất tín hiệu của kênh truyền dẫn đạt giá trị tối thiểu. Nói chung, cuộc đánh đổi độ rộng băng tần cho công suất tức lμ SNR hoặc tỷ số sóng mang trên nhiễu CNR (carrier-to- noise ratio) của kênh truyền dẫn có thể đ−ợc trao đổi bằng độ rộng của kênh truyền dẫn lớn hơn vμ vẫn giữ SNR của băng gốc không đổi.

Trong các hệ thống thông tin quang digital, có ba dạng điều chế lμ: điều chế khoá dịch biên độ ASK, điều chế khoá dịch tần FSK, vμ điều chế khoá dịch pha PSK. Hình 6.3 mô

tả các dạng tín hiệu đ−ợc điều chế nμy. Sau đây, ta sẽ đi vμo phân tích cụ thể các dạng

®iÒu chÕ.

Hình 6.3. Các dạng tín hiệu đ−ợc điều chế ASK, FSK, vμ PSK.

6.3.2 Điều chế dạng khóa dịch biên độ ASK

Khóa dịch biên độ ASK hay còn gọi lμ khoá đóng mở OOK (On-Off Keying). Đây lμ cách điều chế sóng mang quang đơn giản nhất vμ nó cũng thích hợp như điều chế cường

độ. Trường sóng tín hiệu quang có thể viết như sau :

Es(t)=E0m(t)cos[ω0t+φs(t)] (6-15) Trong đó As = E0m(t) lμ biên độ đ−ợc điều chế thông qua tín hiệu điều chế m(t), trong khi đó phải giữ cho ω0 vμ φs lμ hằng số. Vì lμ điều chế số nên m(t) chỉ có hai giá trị “0” vμ

“1” tuỳ thuộc vμo các bít “0” hay “1” cần đ−ợc phát đi. Trong hầu hết các tr−ờng hợp thì

As có giá trị bằng không khi truyền các bit “0”. Dạng phổ tín hiệu của ASK đ−ợc biểu thị trong hình 6.4a). Thực hiện điều chế ASK cho các hệ thống Coherent sẽ khác đáng kể so với tr−ờng hợp hệ thống có tách sóng trực tiếp. Trái với hệ thống tách sóng trực tiếp có

1 0 1 0 1 0 1

Tín hiệu nhị phân

ASK

FSK

PSK

chùm bit tín hiệu quang th−ờng đ−ợc phát ra bằng cách điều chế trực tiếp LED hoặc diode laser bán dẫn LD, trong hệ thống Coherent thì việc sử dụng điều chế ngoμi lμ rất cần thiết.

Lý do lμ ở chỗ nó có liên quan tới sự thay đổi pha mμ nó nhất định xảy ra khi biên độ As hoặc công suất bị thay đổi nhờ điều biến dòng đ−ợc dùng cho laser bán dẫn. Đối với các hệ thống IM-DD, những sự biến đổi pha không cố ý nh− vậy sẽ không đ−ợc thể hiện trong bộ tách sóng vμ cũng không hệ trọng trừ khi hệ thống có sự mất mát công suất do chirp gây ra, vì rằng bộ tách sóng chỉ đáp ứng với công suất tín hiệu quang đi đến. Tình thế nμy hoμn toμn khác đối với hệ thống thông tin quang Coherent, nơi mμ đáp ứng bộ tách sóng sẽ phụ thuộc vμo pha của tín hiệu thu đ−ợc. Rõ rμng theo nh− biểu thức (6-15) thì khi thực hiện điều chế ASK cho hệ thống Coherent luôn đòi hỏi pha φs duy trì gần nh− hằng số.

Điều nμy có thể thực hiện đ−ợc bằng cách khai thác liên tục laser bán dẫn tại dòng không

đổi vμ sử dụng bộ điều chế ngoμi tại đầu ra của nó. Vì tất cả các bộ điều chế ngoμi có suy hao xen nên cần phải có một l−ợng công suất đền bù cho bất kỳ hệ thống nμo sử dụng bộ

điều chế ngoμi. Giá trị suy hao của bộ điều chế ngoμi theo công nghệ tích hợp đơn khối hiện nay có thể giảm tới nhỏ hơn 1 dB.

Hình 6.4. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số:

P(dB)

fIF-2B fIF-B fIF fIF+B fIF+2B t

P(dB)

fIF-0,75B fIF fIF+0,75B t

P(dB)

fIF-B fIF fIF+B t

P(dB)

fIF-Be fIF fIF+Be t

a) ASK, b) MSK, c) FSK, vμ d) PSK.

Vì một nửa công suất bị lãng phí trong sóng mang, cho nên sử dụng ph−ơng pháp điều chế nμy không đ−ợc hiệu quả lắm. Có thể sử dụng nó trong hệ thống thu heterodyne hoặc homodyne. Tín hiệu trung tần IF có thể đ−ợc giải điều chế đ−ờng bao hoặc giải điều chế

đồng bộ.

6.3.3 Điều chế dạng khóa dịch tần số FSK

Trong dạng điều chế FSK, thông tin đ−ợc mã hoá trên sóng mang quang bằng cách dịch tần số sóng mang ω0 dựa theo biểu thức (6-15). Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế nμy, đường bao sóng mang giữ không đổi; còn tần số ω0 có hai giá trị lμ (ω0-Δω) vμ (ω0+Δω) tuỳ thuộc vμo tín hiệu phát đi lμ bit “0” hay “1”. Sự dịch Δf = Δω/2π đ−ợc gọi lμ lệch (trệch) tần. Đại l−ợng 2Δf đôi khi đ−ợc gọi lμ khoảng cách tone vì nó biểu hiện khoảng cách tần số giữa các bit “0” vμ “1”. Tr−ờng quang của dạng điều chế FSK đ−ợc viÕt nh− sau:

Es(t)=E0cos[ (ω0t+m(t)2πΔf)+φs] (6-16) ở đây m(t) có thể nhận giá trị ±1. Bằng cách chú ý rằng Agumen của cosine có thể đ−ợc viết lμ ω0t + (φs ± Δωt) thì điều chế khoá FSK cũng có thể đ−ợc coi nh− lμ một dạng điều chế PSK để cho pha sóng mang tăng hay giảm một cách tuyến tính trên chùm bit. Nếu 2Δf lμ độ lệch tần đỉnh-đỉnh thì tham số β = 2Δf/B đ−ợc gọi lμ chỉ số điều chế tần số.

Tương ứng với các β khác nhau sẽ có các sơ đồ khác nhau.

Khi β = 0,5 thì đ−ợc coi lμ điều chế khóa dịch tối thiểu MSK (Minimum Shift Keying), dạng phổ công suất nén rất chặt lμm cho sơ đồ nμy rất hấp dẫn đối với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm không ở thực tế ≈ 1,5B (Hình 6.4b).

Khi β ≈ (0,5 ữ 0,7) thì đ−ợc coi lμ điều chế khóa dịch tần pha liên tục CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) hoặc lμ độ lệch tần hẹp, vμ dạng phổ của nó bị nén rất chặt, nh− vậy có thể coi MSK lμ tr−ờng hợp riêng của CPFSK. Giải điều chế tại tầng IF có thể đ−ợc thực hiện bằng bộ phân biệt tần số đ−ờng dây trễ.

Khi β >> 1 thì đ−ợc coi lμ điều chế FSK lệch tần rộng vμ phổ của nó đ−ợc phân thμnh hai thμnh phần, tập trung quanh fs - Δf vμ fs + Δf t−ơng ứng, mỗi thμnh phần đ−ợc coi giống nh− phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu β đủ lớn (xem Hình 6.4c). Nh− vậy độ rộng băng tần tổng cộng rất rộng, vì thế sơ đồ nμy không thích hợp cho các hệ thống tốc độ cao, nh−ng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản vμ rẻ tiền. Có thể giải điều chế tín hiệu IF bằng phương pháp đường bao hoặc đồng bộ.

Các tr−ờng hợp trung bình β ≈ 1 thực tế không quan tâm. Vì tần số của tín hiệu không phải lμ hằng số trong khi điều chế, sơ đồ FSK không thể thực hiện đ−ợc cho dù lμ hệ thống đồng tần số.

Việc thực hiện điều chế FSK đòi hỏi các bộ điều chế có khả năng dịch đ−ợc tần số của tín hiệu quang đến. Các bộ điều chế dựa trên LiNbO3 có thể cho ra sự dịch pha tỷ lệ với

điện áp đ−ợc 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 vμ thông dụng nhất đối với điều chế FSK lμ sử dụng khả năng điều chế trực tiếp các laser bán dẫn. Nh− đã biết, những thay đổi về dòng hoạt động của laser bán dẫn LD sẽ dẫn đến thay đổi cả biên độ vμ tần số của ánh sáng đ−ợc phát ra. Trong tr−ờng hợp điều chế ASK hay OOK thì sự dịch tần số sẽ chirp các xung quang đ−ợc phát ra vμ đó lμ điều không mong muốn. Nh−ng sự chirp cùng tần số lại có thể đ−ợc coi lμ một

−u điểm cho điều chế FSK. Các giá trị tiêu biểu của sự dịch tần số th−ờng vμo khoảng 0,1ữ1 GHz/mA. Vì thế mμ chỉ có một chút thay đổi nhỏ về dòng hoạt động cỡ ∼1 mA lμ

đ−ợc yêu cầu để cho ra sự dịch tần 1 GHz. Những thay đổi dòng nh− vậy lμ đủ nhỏ để cho sự thay đổi biên độ từ bit sang bit lμ ít.

6.3.4 Điều chế dạng khóa dịch pha PSK vμ khoá dịch pha vi phân DPSK

Trong dạng điều chế khoá dịch pha PSK, các chùm bit tín hiệu quang đ−ợc phát ra bằng cách điều chế pha φs trong biểu thức (6-15), trong khi đó thì biên độ As = E0 vμ tần số ω0 của sóng mang quang đ−ợc giữ lμ hằng số. Khi đó có thể viết nh− sau:

Es(t)=E0cos[ω0t+m(t)π] (6-17) trong đó m(t) nhận các giá trị 0 vμ 1, vμ điều nμy có nghĩa lμ pha φs nhận hai giá trị 0 vμ π.

Dạng phổ công suất giống nh− của ASK, nh−ng có vạch phổ sóng mang nh− thể hiện trong hình 6.4d). Vậy sơ đồ nμy hữu hiệu hơn so với sơ đồ ASK. Có thể sử dụng hệ thống homodyne hoặc heterodyne vμ tín hiệu IF cần phải đ−ợc 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 lμ cường độ quang duy trì

không đổi trong khi toμn bộ các bit vμ tín hiệu lại xuất hiện để có dạng sóng liên tục CW (Continuous-wave). Tách sóng Coherent lμ cần thiết đối với dạng điều chế PSK vì toμn bộ thông tin có thể bị mất nếu nh− tín hiệu quang đ−ợc tách trực tiếp mμ 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 ngoμi có khả năng biến đổi pha quang đáp ứng với điện áp đ−ợc cấp cho nó. Cơ chế vật lý sử dụng các bộ điều chế nh− vậy đ−ợc gọi lμ khúc xạ điện. Bất kể một tinh thể điện- quang nμo có định hướng đúng đều có thể được dùng lμm bộ điều chế pha. Trong thực tế, tinh thể LiNbO3 đ−ợc dùng phổ biến. Có thể tham khảo bộ điều chế pha trong ch−ơng cuối của tμi liệu [1]. Các laser bán dẫn cũng có thể đ−ợc sử dụng lμm các bộ điều chế pha,

đặc biệt khi mμ cấu trúc giếng nhiều l−ợng tử MQW (Multiquantum Well) đ−ợc sử dụng, vì rằng hiệu ứng khúc xạ điện sinh ra từ hiệu ứng Stark giam l−ợng tử sẽ đ−ợc tăng lên đối với thiết kế giếng l−ợng tử. Các bộ điều chế pha MQW đ−ợc phát triển trong một vμi năm qua có khả năng hoạt động tại tốc độ bit lên tới 20 Gbit/s trong dải bước sóng từ 1,3 μm

đến 1,6 μm. Tuy nhiên các module điều chế nμy có suy hao xen tương đối lớn có thể tới 8

dB. Để đạt đ−ợc đặc tính tốt, bộ điều chế pha bán dẫn nên đ−ợc tích hợp đơn khối trong bộ phát quang. Những bộ phát quang nh− vậy hoμn toμn phù hợp với hệ thống thông tin quang Coherent.

Điều chế dạng khóa dịch pha vi phân DPSK

Điều chế dạng khoá dịch pha vi phân DPSK (Differential PSK) cũng giống nh− điều chÕ PSK, nh− vËy cã thÓ viÕt:

Es(t)=E0cos[ω0t+m(t)π] (6-18) Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thông tin đ−ợc mã hóa theo sự khác nhau về pha giữa hai bit kế tiếp nhau. Chẳng hạn nh− nếu φk thể hiện pha của bit thứ k thì

sự khác pha ở đây sẽ lμ Δφ = φk - φk-1 đ−ợc thay đổi bởi π vμ 0 tuỳ thuộc vμo bit thứ k lμ bit “1” hay “0”. −u điểm của điều chế DPSK lμ tín hiệu phát có thể đ−ợc điều chế thμnh công cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dμi hai bit. Điều chế nμy th−ờng đ−ợc dùng trong các hệ thống thực tế, vì không cần các bộ giải điều phức tạp mμ vẫn cho đặc tính tốt.

6.3.6 §iÒu chÕ ph©n cùc

Các ph−ơng pháp điều chế ở trên xuất phát từ các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến vμ nó cũng thích hợp trong thông tin quang. Trong phần nμy chúng ta xem xét các ph−ơng pháp

điều chế phân cực, một 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 lμ hai kênh độc lập có liên quan tới trạng thái “0” vμ trạng thái “1” của tín hiệu mã nhị phân. Sơ đồ hệ thống áp dụng khóa dịch phân cực POLSK (Polarization Shift Keying) lμ hệ thống bao gồm điều chế phân cực vμ phần thu có thể tách vμ giải điều biến cả hai trạng thái phân cực.

Hình 6.5. Sơ đồ khóa dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân chia phân cực lμ song song với các trạng thái phân cực.

LASER phát

LO Laser

§iÒu khiÓn

Tín hiệu vμo

Sợi quang

~ ~

Tín hiệu ra

Bộ thu hoạt động theo cách sau: tín hiệu đ−ợc kết hợp với sóng của bộ dao động nội trong bộ trộn quang vμ tín hiệu đầu ra của nó đ−ợc đ−a đến bộ tách sóng phân cực, ở đây trường tín hiệu được tách thμnh hai thμnh phần trực giao. Tuỳ thuộc vμo sự định hướng tương đối các trục véc tơ của tín hiệu, trường của bộ dao động nội vμ bộ chia phân cực có thể theo hai sơ đồ giải điều chế khác nhau.

Hình 6.6. Đồ thị véc tơ của sơ đồ khoá dịch cực bộ dao động nội nằm ở 45o.

Sơ đồ thứ nhất nh− trên hình 6.5, trong đó các trục của bộ phân chia phân cực lμ song song với các trạng thái phân cực, tương ứng với “0” vμ “1” , trong khi đó bộ dao động nội nằm ở 450 như thể hiện trong hình 6.6. Căn cứ vμo sự định hướng tương đối của các trục nhận thấy rằng tín hiệu đ−ợc tách ra đối với hai kênh giống nh− tín hiệu điều chế ASK kép, các tín hiệu trên hai nhánh lμ bù nhau nếu bỏ qua các thμnh phần pha, dòng IF có thể viÕt nh− sau:

iIFX(t)=I0m(t)cos(ωIFt) (6-19)

[1 ( )]cos( ) )

(t I0 m t t

iIFY = − ωIF (6-20) Như vậy mỗi kênh tạo ra một bộ giải điều chế đường bao ASK, sau đó các đầu ra của bộ giải điều chế đ−ợc trừ với nhau vμ qua bộ lọc thông thấp.

Hình 6.7. Sơ đồ khóa dịch cực ASK kép, trong đó các trục của bộ phân chia phân cực 45o

“1”

“0”

y x

LASER phát

LO Laser

§iÒu khiÓn

Tín hiệu vμo

Sợi quang

Tín hiệu ra

~ ~

Sợi quang vμ các mode truyền dẫn

Sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien