CHệễNG 4: HEÄ THOÁNG THOÂNG TIN QUANG COHERENT
3. Các dạng điều chế quang Coherent
Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để điều chế biên độ tín hiệu quang. Điều chế cường độ đã sử dụng trong hệ thống IM/DD là dạng điều chế ASK và tín hiệu thu được tách sóng theo qui luật bình phương. Do đó tín hiệu ASK có thể tạo ra bằng cách điều chế trực tiếp dòng kích cho laser. Tuy nhiên kỹ thuật này có vấn đề là không duy trì được sự ổn định tần số ngõ ra khi thay đổi dòng kích, sự thay đổi này khoảng 200MHz/mA.
Ngoài kỹ thuật điều chế trực tiếp, chúng ta có thể sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài để tạo tín hiệu ASK bằng cách sử dụng coupler định hướng DC hoặc bộ giao
thoa Mach-Zehnder MZI. Nhược điểm của điều chế ngoài là chúng ta chỉ sử dụng hiệu quả 50% công suất của bộ phát. [1]
Dưới đây xin trình bày chi tiết về điều chế ASK.
Nếu gọi tín hiệu số được điều chế là b(t) và tín hiệu trường phát ra từ laser bán dẫn là eS(t) có tần số góc ωS, ta có:
eS(t) = b(t)Emcos(ωSt) (4.1)
với:
=
) 0 ( 0
) 1 ( ) 1
( bit
t bit
b (4.2)
Dạng sóng của biểu thức (4.1) như ở hình 4.2.
Dạng phổ công suất tín hiệu ASK như hình 4.3.
Với: -
π ω 2
S
fS = là tần số sóng mang.
- B là băng thông của tín hiệu được điều chế b(t).
Hình 4.3 Phổ công suất của tín hiệu ASK.
Tín hiệu eS(t) sau khi lan truyền trên sợi quang và tới đầu thu sẽ lệch pha với tín hiệu phát là φS (giả sử bỏ qua suy hao về biên độ của tín hiệu eS(t)), biểu thức (4.1) có thể viết lại dưới dạng sau:
eS(t) = b(t)Emcos(ωSt + φS) (4.3)
Để khôi phục tín hiệu dải nền, chúng ta có hai cách sau. Cách thứ nhất là ta nhân tín hiệu eS(t) với cos(ωSt + φS) là tín hiệu được tạo ra từ bộ dao động nội, ta được:
b(t)Em[cos(ωSt + φS)]2 = ẵ b(t)Em[1+cos(2ωSt + 2φS)] =
= ẵ b(t)Em + ẵ b(t)Emcos(2ωSt + 2φS) (4.4) Như vậy tín hiệu dải nền b(t) đã xuất hiện. Với cách này đòi hỏi chúng ta phải tạo được tín hiệu dao động nội ở bộ thu có cùng tần số và cùng pha với tín hiệu tới.
Còn cách thứ hai là ta bình phương tín hiệu eS(t), biểu thức (4.3) trở thành:
[b(t)Emcos(ωSt + φS)]2 = ẵ [b(t)Em]2[1+cos(2ωSt + 2φS)] =
= ẵ [b(t)Em]2 + ẵ [b(t)Em]2 cos(2ωSt + 2φS)] (4.5) Sau đó cho tín hiệu này qua bộ lọc loại bỏ thành phần tần số 2ωS ta sẽ thu được tín hiệu dải nền b(t).
b) FSK
Các kiểu điều chế FSK được minh hoạ ở hình 4.4.
Đặc tính thay đổi tần số của điều chế trực tiếp trên laser có thể áp dụng cho hệ thống thông tin quang Coherent FSK băng rộng. Cụ thể là đối với tần số điều chế trên 1MHz thì sự thay đổi tần số là từ 100 đến 500MHz/mA.
Kỹ thuật điều chế ngoài cũng có thể áp dụng cho FSK bằng cách sử dụng cách tử Bragg hoặc bộ giao thoa Mach-Zehnder MZI.
Hình 4.4 Cấu hình bộ phát sử dụng điều chế FSK.
Trong dạng điều chế FSK, thông tin được truyền trên sóng mang có tần số ωS
theo biểu thức (4.1). Với dạng điều chế này, đường bao sóng mang không thay đổi, còn tần số ωS có hai giá trị là (ωS - ∆ω) và (ωS + ∆ω) tùy thuộc tín hiệu phát đi là bit 0 hay bit 1. Do đó biểu thức toán học biểu diễn dạng điều chế FSK có dạng:
eS(t) = Emcos[ωSt + b(t)2π∆f] (4.6)
với
= −
) 0 ( 1
) 1 ( ) 1
( bit
t bit
b (4.7)
∆f = ∆ω/2π gọi là độ lệch tần.
Nếu gọi 2∆f là độ lệch tần đỉnh - đỉnh thì đại lượng
B 2∆f
=
β được gọi là hệ số điều chế tần số.
Khi β = 0,5 thì khi này điều chế FSK được gọi là MSK (Minimum Shift- Keying). Dạng phổ công suất có dạng như hình 4.5, phổ bị nén chặt nên dạng điều chế này rất hấp dẫn cho các hệ thống tốc độ cao.
Hình 4.5 Phổ công suất tín hiệu điều chế MSK
Khi β = (0,5 ÷ 0,7) thì dạng điều chế này được gọi là CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift-Keying) hay còn gọi là điều chế lệch tần hẹp. Dạng phổ công suất của nó bị nén rất chặt.
Khi β >> 1 thì được coi là điều chế FSK lệch tần rộng. Dạng phổ công suất có dạng như hình 4.6, phổ của nó được chia làm hai thành phần tập trung xung quanh (fS - ∆f) và (fS + ∆f).
Hình 4.6 Phổ của tín hiệu điều chế FSK lệch tần rộng.
Như vậy độ rộng băng tần tổng rất rộng, do đó kiểu này không phù hợp với hệ thống tốc độ cao. Thực tế chỉ áp dụng cho hệ thống đơn giản, rẻ tiền.
Còn trường hợp β ≈ 1 thực tế không quan tâm vì tần số của tín hiệu không là hằng số trong khi điều chế.
c) PSK
Điều chế dịch pha tín hiệu quang cũng được áp dụng cho hệ thống thông tin quang Coherent. Khi tần số của laser được điều chỉnh chính xác với tần số tín hiệu
điều chế, lúc này quan hệ pha giữa tín hiệu ngõ ra với tín hiệu điều chế là 0. Để có được sự thay đổi quan hệ pha là π/2 thì ta phải điều chỉnh lại tần số của laser.
Trong dạng điều chế PSK, các bit tin 0 và 1 được truyền tải đi thông qua sự thay đổi pha của tín hiệu quang trong khi biên độ và tần số không thay đổi. Biểu thức toán học biểu diễn dạng điều chế PSK như sau:
eS(t) = Emcos[ωSt + b(t)π] (4.8)
với
=
) 1 bit ( 0
) 0 bit ( ) 1
t (
b (4.9)
Với giá trị của b(t) ta nhận thấy pha của tín hiệu điều chế nhận hai giá trị đó là 0 và π. Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch phổ sóng mang. Có thể sử dụng phương pháp tách sóng homodyne và heterodyne. Tuy vậy giải điều chế của nó rất phức tạp nên thực tế ít dùng.
Hình 4.7 Phổ của tín hiệu PSK.
Đối với dạng điều chế PSK, tách sóng Coherent cần duy trì cường độ quang không đổi vì toàn bộ thông tin có thể bị mất nếu như tín hiệu quang được tách sóng trực tiếp mà không trộn nó với tín hiệu dao động nội.
Điều chế DPSK (Differential PSK) là dạng điều chế mà thông tin được mã hoá theo sự chênh lệch về pha giữa hai bit kế cận. Chẳng hạn, nếu φk biểu diễn cho pha của bit thứ k thì độ lệch pha ∆φ = φk - φk-1 sẽ thay đổi là π hoặc 0 phụ thuộc vào bit thứ k là bit 1 hay bit 0. Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể được giải điều chế thành công cho cho đến khi pha của sóng mang duy trì ổn định trong khoảng thời gian hai bit.
d) PolSK
Đây là dạng điều chế phân cực. Trong thông tin quang Coherent PolSK, bộ phát sử dụng bộ điều chế ngoài, còn bộ thu áp dụng kỹ thuật tách sóng Heterodyne.
Bộ điều chế ngoài LiNi tạo ra sự dịch pha π rad giữa các mod sóng TE và TM, tức là
quay phân cực tín hiệu một góc 90°. Trạng thái phân cực trực giao này được duy trì trong suốt quá trình lan truyền trong sợi đơn mode.