Mã đ−ờng truyền cho hệ thống thông tin quang

5.4. Cấu trúc hệ thống thông tin quang

5.4.2. Mã đ−ờng truyền cho hệ thống thông tin quang

Phần cuối cùng quan trọng trong thiết kế một hệ thống thông tin quang lμ mã đ−ờng truyền. Trong các hệ thống thông tin truyền dẫn số, phía thu phải bảo đảm khôi phục

đ−ợc thời gian của thông tin đ−ợc truyền đi một cách chính xác vμ tạo điều kiện hiệu chỉnh đ−ợc lỗi của hệ thống. Mã hoá tín hiệu đã sử dụng tập hợp các luật (hay còn gọi lμ các quy tắc) để sắp xếp các ký hiệu của tín hiệu theo một mẫu có tính đặc tr−ng riêng,

đây chính lμ mã đ−ờng truyền của hệ thống. Chức năng chủ yếu của mã đ−ờng truyền lμ tạo ra sự d− thừa trong chùm tín hiệu số mang thông tin để giảm lỗi tới mức nhỏ nhất.

Dựa vμo độ d− nμy, có thể thực hiện đ−ợc việc truyền tín hiệu số không có lỗi ở mức độ nμo đó trên tuyến truyền dẫn quang. Để thực hiện truyền dẫn tín hiệu trên tuyến, có 3 loại mã nhị phân 2 mức đ−ợc sử dụng lμ dạng NRZ (Non Return-to-Zero), RZ (Return-to- Zero) vμ dạng PE (Phase-Encoded). Trong dạng NRZ, bit số liệu đ−ợc truyền chiếm cả

chu kỳ bit. Đối với dạng RZ thì bit đ−ợc truyền biểu hiện nhỏ hơn một chu kỳ bit (th−ờng lμ một nửa chu kỳ bit). Còn ở dạng PE thì cả các bit đầy vμ nửa chu kỳ bit đ−ợc truyền đi.

Mã NRZ :

Hiện nay, các dạng mã NRZ khác nhau đã đ−ợc sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang vμ nhiều khi ng−ời ta còn sử dụng băng tần của chúng lμm chuẩn với các nhóm mã khác. Dạng đơn giản nhất lμ NRZ-L (NRZ-Level) nh− ở hình 5.10.

Trong một chuỗi dữ liệu nối tiếp nhau, tín hiệu đơn cực (đóng-mở) thể hiện số “1” bằng một xung dòng hay xung ánh sáng chiếm toμn bộ một chu kỳ bit vμ số “0” ứng với không có xung đ−ợc truyền. Mã nμy rất đơn giản cho việc tiến hμnh mã hoá nh−ng nó lại không có khả năng tự giám sát lỗi hay hiệu chỉnh tín hiệu vμ không tự đồng bộ đ−ợc.

Mã NRZ cần có băng tần hẹp nh−ng năng l−ợng trung bình tới bộ thu lại phụ thuộc vμo dạng dữ liệu. Chẳng hạn nh− năng l−ợng mức cao thu đ−ợc trong một chuỗi dμi các bit

“1” liên tiếp có thể dẫn tới hiện t−ợng trôi mức nền nh− ở hình 5.11. Hiện t−ợng nμy xảy ra do có sự tích tụ các đuôi xung từ các đặc tính tần số thấp của bộ lọc ghép ac trong bộ

thu. Nếu bộ thu trở về ng−ỡng ban đầu chậm hơn chuỗi các bit “1” thì có thể xuất hiện lỗi nếu bit “1” tiếp theo có biên độ thấp. Hơn nữa, chuỗi dμi các bit “0” vμ “1” ở mã NRZ không chứa các thông tin đồng bộ vì không có sự dịch chuyển mức. Vì vậy, chuỗi dμi gồm N bit giống nhau có thể dễ bị nhầm thμnh chuỗi (N - 1) hoặc (N + 1) bit trừ khi tín hiệu clock (đồng hồ) cực kỳ ổn định. Tuy nhiên, sử dụng tín hiệu clock có tính ổn định cao sẽ lμm tăng giá thμnh hệ thống vμ đòi hỏi thời gian khởi động dμi để nhận đ−ợc đồng bé.

Hình 5.10. Ví dụ mẫu một chuỗi tín hiệu NRZ-L.

Hình 5.11. Trôi mức nền tại bộ thu khi truyền dẫn với luồng dμi các bit “1” ở mã NRZ.

Có hai kỹ thuật phổ biến để hạn chế khoảng thời gian dμi nhất khi không có sự chuyển dịch mức xảy ra trong chuỗi tín hiệu lμ sử dụng các mã khối vμ Scrambling (trộn).

Scrambling đ−a ra chùm mẫu số liệu ngẫu nhiên nhờ phép cộng modul-2 một chuỗi bit đã

cho với chùm dữ liệu. Tại đầu thu, dãy bit đó lại đ−ợc cộng modul-2 lần nữa với dữ liệu thu đ−ợc, vμ kết quả lμ chuỗi bit ban đầu đã đ−ợc khôi phục. Mặc dù tính ngẫu nhiên của dữ liệu mã NRZ Scrambling bảo đảm tốt về thông tin đồng bộ nh−ng lại lμm tăng tính phức tạp của mạch mã hoá vμ giải mã NRZ. Thực tế, người ta đã thực nghiệm thμnh công một hệ thống truyền dẫn cự ly dμi gần 100 km với tốc độ 10 Gbit/s dùng mã NRZ.

Mã RZ :

0 1 1 1

1 1 0 1

1 1 0 0 0 0 0 0

0

t

Xung ®Çu vμo bé thu

t

Xung ®Çu ra bé thu

Đuôi xung ra

t

. . .

Chuỗi bit “1” đầu vμo

t

. . .

Chuỗi bit “1” đầu ra Ng−ìng quyết định

Trôi mức nền

Trong trường hợp có băng tần thoả đáng, mỗi một bit dữ liệu có thể được mã hoá như

hai bit đ−ờng truyền quang; đây chính lμ mấu chốt cơ bản của mã RZ. Trong mã nμy, sự chuyển dịch mức tín hiệu xảy ra ở một vμi hoặc tất cả các chu kỳ bit để có đ−ợc thông tin

đồng bộ. Một số dạng mã RZ đ−ợc mô tả nh− hình 5.12. Tín hiệu cơ bản (NRZ-L) nh− ở hình 5.12a. ở mã RZ đơn cực, một bit “1” có thể biểu thị bằng xung quang nửa chu kỳ, nó có thể xuất hiện ở nửa đầu hoặc nửa sau của chu kỳ bit. Bit “0” đ−ợc biểu thị lμ không có tín hiệu trong cả chu kỳ bit. Mã RZ đơn cực có nh−ợc điểm lμ khi có chuỗi dμi các bit

“0”, chúng có thể lμm mất tín hiệu đồng bộ. Dạng tín hiệu phổ biến không bị hạn chế nμy lμ mã hai pha hay Manchester quang (hình 5.12d). Cần lưu ý ở hình vẽ nμy rằng đây lμ mã đơn cực, nó ngược với mã Manchester lưỡng cực thông thường dùng trên các đường dây kim loại. Tín hiệu Manchester quang thu đ−ợc bằng cách cộng modul-2 trực tiếp giữa tín hiệu băng cơ sở (NRZ-L) với tín hiệu clock (hình 5.12b). Trong mã nμy có sự dịch chuyển mức tại tâm của từng độ dμi bit. Chuyển dịch từ dưới lên biểu thị bit “1” vμ chuyển dịch từ giá trị d−ơng xuống biểu thị bit “0” đ−ợc gửi đi. Mã Manchester cho phép quá trình tạo vμ giải mã đơn giản. Vì nó lμ một loại mã RZ cho nên băng tần của nó lớn gấp hai băng tần của mã NRZ. Ngoμi ra, nó không có khả năng tách vμ hiệu chỉnh lỗi.

Hình 5.12. Ví dụ về các dạng mã:

a) mã NRZ-L; b) tín hiệu clock; c) mã RZ; d) mã Manchester quang;

e) dịch chuyển xảy ra trong chu kỳ bit của mã Manchester.

Các hệ thống cáp đồng trục vμ đối xứng kim loại thường dùng mã RZ lưỡng cực hoặc loại mã AMI (Alternate-Mark-Inversion). Các mã đ−ờng dây nμy cũng đ−ợc đ−a vμo các hệ thống thông tin quang đơn cực. Các dạng xung quang AMI hai mức yêu cầu băng tần truyền dẫn gấp đôi mã NRZ nh−ng chúng lại chứa thông tin đồng bộ trong chùm dữ liệu

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0

a) Luồng số (NRZ-L)

b) Clock

c) Luồng RZ

d) Luồng Manchester e) Chuyển dịch

Manchester

vμ tính d− của thông tin đã đ−ợc mã hóa (vốn có trong các mã nμy) cho phép hiệu chỉnh lỗi một cách trực tiếp.

mã khối

Một loại mã nhị phân d− rất có hiệu quả lμ mã khối mBnB. ở mã nμy, các khối có m bit nhị phân đ−ợc biến đổi thμnh các khối có n bit nhị phân với n > m. Các khối mới nμy đ−ợc phát vμo các dạng NRZ hoặc RZ. Vì có các bit d− thêm vμo mμ băng tần đ−ợc tăng lên vμ

đ−ợc xác định bằng tỷ số n / m. Cũng vì sử dụng băng tần cao lên mμ các mã khối mBnB chứa thông tin đồng bộ vμ hiệu chỉnh lỗi, vμ nó không gặp phải các vấn đề trôi mức nền vì

các chuỗi bit “0” vμ “1” kéo dμi đã bị loại bỏ.

Bảng 5-1 sau đây lμ một số mã mBnB. Các thông số trong bảng nμy nh− sau:

- Tỷ lệ n / m cho biết sự tăng băng tần.

- Số các ký hiệu liên tiếp giống nhau dμi nhất Nmax (giá trị Nmax cμng nhỏ cμng dễ khôi phôc clock).

- Giới hạn tính khác biệt tích luỹ, D.

- Tỷ lệ phần trăm các từ bit n không đ−ợc sử dụng, W.

Bảng 5-1: so sánh một số mã mBnB

Mã n/m Nmax D W%

3B4B 6B8B 5B6B 7B8B 9B10B

1,33 1,33 1,20 1,14 1,11

4 6 6 9 11

± 3

± 3

± 4

± 7

±8

25 75 28 27 24

Các mã phù hợp nhất vμ đ−ợc sử dụng thông dụng lμ các mã 3B4B, 5B6B, vμ 6B8B. Nếu tính đến sự đơn giản trong các mạch mã hoá vμ giải mã thì mã 3B4B lμ thuận tiện nhất.

Nh−ng mã 5B6B lại lμ mã −u việt nhất về mặt băng tần của hệ thống.

Ch−ơng-6

Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG COHERENT

Cho đến nay, hầu hết các hệ thống thông tin quang đang khai thác trên mạng lưới của các nước đều lμ các hệ thống sử dụng điều biến cường độ vμ tách sóng trực tiếp (IM- DD).

Đó lμ hệ thống đã được xem xét trong chương trước. Tuy đã đóng vai trò quan trọng trong các mạng lưới viễn thông, từ đường trục cho tới thuê bao, từ các tuyến trên đất liền cho tới các tuyến v−ợt biển vμ đã mang lại lợi ích về kinh tế, song kỹ thuật nμy vẫn còn ch−a tận dụng có hiệu quả tính chất của sóng ánh sáng vμ băng tần của sợi dẫn quang đơn mode hiện nay. Các sợi quang thông thường có thể đáp ứng băng tần 200THz (1THz = 1000GHz), trong khi đó các hệ thống truyền dẫn quang IM - DD đơn kênh quang mới chỉ

đạt tốc độ 622 Mbit/s, 2,5 Gbit/s ở cự ly vμi chục km vμ số ít hệ thống 10 Gbit/s ch−a

đ−ợc phổ biến nhiều. Mặt khác độ nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ bit truyền dẫn cao, tốc độ bit cμng cao thì độ nhạy thu có xu hướng giảm lμm cho giải pháp IM- DD không thể cùng một lúc vừa tăng cự ly vừa tăng tốc độ đ−ợc.

Kỹ thuật thông tin quang Coherent đã từng đ−ợc nghiên cứu vμ thử nghiệm ở một số n−ớc lμ một b−ớc tiến lớn trong thông tin quang. Hệ thống thông tin quang Coherent có phương thức hoạt động vμ khai thác đã từng được coi rất có hiệu quả trong kỹ thuật thông tin quang, nhất lμ vμo thập kỷ những năm 1980. Khác với hệ thống IM-DD, hệ thống thông tin quang Coherent lμ một hệ thống thông tin quang dựa theo nguyên lý truyền sóng ánh sáng mang tín hiệu kết hợp với một sóng ánh sáng khác tại phía thu quang. Nh−

vậy, hệ thống nμy không đơn thuần chỉ điều chế nguồn phát bằng dòng điều khiển vμ thu trực tiếp tín hiệu ánh sáng từ sợi quang để cho ra dòng photo tuyến tính với ánh sáng tín hiệu tới nh− ở IM - DD, mμ hệ thống nμy đã kết hợp ánh sáng mang tín hiệu với ánh sáng phát ra từ một nguồn dao động nội dùng diode laser trước khi tiến hμnh tách sóng. Với nguyên lý hoạt động nμy, hệ thống có thể cho ra hiệu quả rõ rệt, thứ nhất lμ cải thiện đ−ợc tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra của mạch tiền khuếch đại trong bộ thu quang photodiode, thứ hai lμ lμm tăng tính hiện thực của kỹ thuật điều biến vμ giải điều biến kết hợp theo đúng nghĩa với lý thuyết về thông tin.

Trong hệ thống thông tin quang Coherent, những −u điểm trội lên hμng đầu so với hệ thống thông tin quang IM-DD thông thường lμ có độ nhạy thu cao vμ cho phép kéo dμi thêm cự ly truyền dẫn tới 100 km tại b−ớc sóng 1,55 μm; băng tần của hệ thống khá lớn vμ đặc biệt có thể điều chỉnh lựa chọn các kênh quang. Tất cả tạo nên một hệ thống thông tin hoμn chỉnh nhằm khai thác triệt để băng tần của sóng ánh sáng trên sợi quang vμ tạo ra một hệ thống rất linh hoạt, cho khả năng áp dụng có hiệu quả trên các tuyến thông tin vμ các cấu trúc mạng quang sau nμy. Thực chất yếu tố cốt lõi của hệ thống thông tin quang Coherent lμ ở phía thu quang. Vì thế ta sẽ tập trung trọng tâm về phần nμy vμ sẽ lần l−ợt phân tích hệ thống theo h−ớng phát triển thiết bị thu quang lμ chính.

Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng nguyên lý thông tin quang Coherent đã lμm nảy sinh rất nhiều vấn đề phức tạp có liên quan tới một loạt các giải pháp kỹ thuật vμ quá trình công nghệ. Từ phía phát tới phía thu của hệ thống, nhiều mắt xích cần phải giải quyết bao trùm các vấn đề về phổ, ổn định tần số, duy trì phân cực vv... nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện hoạt động ở tốc độ Gbit/s với cự ly hμng trăm km.

Trong lần xuất bản trước đây [1], chúng tôi đã có dịp giới thiệu sơ lược về hệ thống vμ một số đặc tính của chúng. Để đáp ứng thiết thực có tính chuyên sâu hơn, chúng ta sẽ đi vμo phân tích một cách cơ bản vμ toμn diện hơn về hệ thống thông tin quang Coherent trong tμi liệu nμy. Từ đó có thể thấy đ−ợc rõ rμng những −u điểm vμ hạn chế của hệ thống so với hệ thống IM-DD vμ các công nghệ tiên tiến khác mới đây.