MỤC LỤC
CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 2
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN 2
QUA SỢI QUANG (RoF) 2
1.1. Khái niệm về truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF) 2
1.2. Cấu trúc hệ thống RoF 4
1.3. Cấu hình tuyến RoF 5
1.4. Ưu điểm của công nghệ RoF 9
1.5. Hạn chế của công nghệ RoF 11
1.6. Ứng dụng của công nghệ RoF 12
CHƯƠNG 2 14
CÁC KỸ THUẬT TẠO VÀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 14
QUA SỢI QUANG 14
2.1. Kỹ thuật điều chế cường độ - tách sóng trực tiếp (IM-DD) 14
2.2. Kỹ thuật tách sóng heterodyne đầu xa 17
2.2.1. Nguyên lý kỹ thuật tách heterodyne quang 17
2.2.2. Phương pháp tạo sóng mang quang sử dụng một laser 21
2.2.3. Tạo tín hiệu quang RHD dùng OPLL/OFLL 22
2.2.4. Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIL 24
2.2.5. Tạo tín hiệu quang RHD dùng OIPLL 26
2.2.6. Các laser hai chế độ 27
2.3. Các kỹ thuật dựa trên sự phát sinh sóng hài 28
2.3.1. Kỹ thuật chuyển đổi FM-IM 28
2.3.2. Các kỹ thuật điều chế dải biên 30
2.3.3. Kỹ thuật sử dụng bộ đo giao thoa dựa trên trộn tín hiệu 32
2.4. Kỹ thuật thu phát quang sử dụng EAT 33
2.5. Các kỹ thuật ghép kênh trong RoF 34
2.5.1 Ghép kênh sóng mang con SCM 34
2.5.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM 36
trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc 63
4.4.2. Giải pháp xây dựng hệ thống anten phân tán (DAS) RoF để mở rộng vùng
phủ sóng điện thoại di động cho các khu công nghiệp, đô thị, chung cư cao tầng.
65
KẾT LUẬN 69
ii
CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADC Analog-to-digital converter Bộ chuyển đổi tương tự số
AP Access Point Điểm truy nhập
BS Base Station Trạm cơ sở
CBS Central Base Station Trạm cơ sở trung tâm
CDMA Code Division Multiple
Access Đa truy nhập phân chia theo mã
DAS Distributed Antenna System Hệ thống anten phân tán
DFB-LD Distributed FeedBack
Laser Diode Điốt laser hồi tiếp phân bố
DML Dual Mode Laser Laser hai chế độ
DR Dynamic Range Dải động
DSB Double Side Band Biên băng đôi
DWDM Dense Wave Division Ghép kênh theo mật độ bước sóng
Multiplexing
EAT Electroabsorption Transceiver Bộ thu phát hấp thụ điện từ
EDFA Erbium doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi Erbium
EMI Electromagnetic Interference Nhiễu điện từ
EOM External Optical Modulator Bộ điều chế quang ngoài
FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số
FWA Fiber Wireless Access Truy nhập không dây cố định
FTTB/P Fiber To The Building Cáp quang tới tòa nhà
FTTH Fiber To The Home Cáp quang tới nhà
IF Intermediate Frequency Trung tần
SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động tự do không xác thực
SMF Single Mode Fibre Sợi quang đơn mode
SSB Single Side Band Biên băng đơn
UWB Unltra Wide Band Băng tần siêu rộng
WDM Wave Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng
WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây
iv
v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang 2
Hình 1.2: Hệ thống RoF 900 MHz 3
Hình 1.3: Tuyến quang IM-DD 5
Hình 1.4: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là RF 6
Hình 1.5: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là IF 7
Hình 1.6: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là BB 7
Hình 1.7: Các tuyến RoF tiêu biểu với điều chế trực tiếp, tín hiệu điều chế băng BB 8
Hình 1.8: Sử dụng hạ tầng mạng sợi quang cho tích hợp các ứng dụng 12
Hình 2.1: Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ: (a) trực tiếp laser,
(b) Sử dụng bộ điều chế ngoài 15
Hình 2.2: Nguyên lý tạo hai sóng mang quang từ một laser 20
Hình 2.3: Tach sóng heterodyne đầu xa bằng cách sử dụng bộ lọc 21
Hình 2.4: Nguyên lý của mạch vòng khóa pha/tần số quang 22
Hình 2.5: Nguyên lý bơm khóa quang 24
Hình 2.6: Bộ tạo lược tần quang đối với sự tạo sóng mang qua ngoại sai 25
Hình 2.7: Nguyên lý vòng lặp bơm khóa pha quang (OIPLL) 26
Hình 2.8: Kỹ thuật 2f đối với việc tạo ra các sóng mm 31
Hình 2.9: Chuyển đổi tần số bằng bộ đo giao thoa Mach Zehnder 32
Hình 2.10: Bộ thu phát hấp thụ điện từ EAT 33
Hình 2.11: Ghép kênh sóng mang con SCM của các tín hiệu tương tự và số 33
Hình 2.12: Sơ đồ kết hợp của DWDM và truyền dẫn RoF 35
rộng - dung lượng cao, các mạng không dây tế bào đang là một
khuynh hướng phát triển, do đó cần số lượng các tế bào tăng liên tục
và việc tận dụng các dải tần cao hơn. Điều này dẫn tới việc triển khai
rất nhiều trạm cơ sở BS; bởi vậy, việc phát triển các trạm cơ sở BS chi
phí thấp là một chìa khóa tới thành công trên thị trường. Để giảm bớt
chi phí hệ thống, công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang đã
được đề xướng từ đó để xây dựng các BS với chức năng đơn giản, kết
nối thẳng với một trạm điều khiển trung tâm CS qua sợi quang. Chính
điều này đã đáp ứng được khả năng truyền tải các dịch vụ băng rộng tích hợp
(kết hợp các loại dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụ
gia tăng khác), đặc biệt hiệu quả với các ứng dụng trong trong tòa nhà, cho phép giảm
thiểu số lượng các trạm cơ sở mà vẫn đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêu cầu của hệ
thống.
Với mục đích nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ RoF, các kỹ thuật tạo và truyền
dẫn tín hiệu cũng như cấu trúc mạng RoF, các giải pháp ứng dụng RoF trong mạng
viễn thông, các ưu, nhược điểm và đề xuất khả năng ứng dụng công nghệ này trong
mạng viễn thông Vĩnh phúc luận văn được tổ chức thành 4 chương qua đó trình bày
một cách tổng quan về công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang, một số kỹ thuật
hiện đang áp dụng trong kỹ thuật RoF nhằm tạo và vận chuyển sóng vô tuyến trong
môi trường quang sợi, đánh giá các phương pháp trên cơ sở tính khả thi của kỹ thuật,
qua đó phân tích đánh giá cấu trúc cũng như cấu hình tuyến nhằm làm rõ các ích lợi và
hạn chế của công nghệ, các giải pháp và khả năng ứng dụng thực tế trên mạng viễn
thông đặc biệt là các ứng dụng tại các khu đô thị, chung cư cao tầng và các khu công
nghiệp qui hoạch trọng điểm.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN
QUA SỢI QUANG (RoF)
1.1. Khái niệm về truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF)
“Radio over Fiber” là khái niệm liên quan tới việc truyền dẫn tín hiệu vô tuyến
tương tự qua một tuyến sợi quang. Trong một hệ thống RoF tín hiệu vô tuyến được
một bộ LO riêng trong RAU, tín hiệu này có thể được đưa đến từ khối trung tâm tới
RAU bằng hệ thống RoF do vậy RAU được đơn giản hơn nhiều. Trong cấu hình này,
tuyến xuống trở thành phần quan trọng, chủ yếu của RoF một khi nó phải vận chuyển
các tín hiệu tần số cao và là một thách thức bởi khi đó hệ thống cần các thiết bị tần số
cao bởi băng thông lớn, hơn nữa các tín hiệu tần số cao sẽ dễ bị ảnh hưởng hơn đối với
máy phát, máy thu, và sự suy giảm tín hiệu truyền dẫn.
Ngoài phương pháp IM-DD còn có các phương pháp khác sẽ được trình bày kỹ
càng trong chương 2.
1.2. Cấu trúc hệ thống RoF
Có vài kỹ thuật xử lý quang để tạo ra và vận chuyển các tín
hiệu cao tần qua sợi quang. Bằng việc xem xét tần số của tín hiệu RF
truyền trong các tuyến RoF giữa trạm trung tâm và các trạm đầu xa,
kỹ thuật RoF được có thể được phân thành 3 kiểu kiến trúc sau:
1.Truyền dẫn tín hiệu RF qua sợi quang (RF - over – Fiber (RFoF)) trực tiếp
tại tần số sóng mang vô tuyến (Thông thường trong dải 800- 2200 MHz, Phụ thuộc vào
hệ thống vô tuyến). Đây là kiến trúc đơn giản nhất.
2. Truyền dẫn tín hiệu IF qua sợi quang (IF- over- Fibre (IFoF)). Tín hiệu RF
từ trạm cơ sở được hạ tần thành tín hiệu IF và truyền tới các trạm đầu xa, ở đó nó được
chuyển đổi trở lại tín hiệu RF gốc.
3. Truyền dẫn tín hiệu băng tần sơ sở (Baseband - over - Fibre (BBoF)).
RFoF là truyền dẫn trực tiếp tín hiệu RF qua sợi quang. Tuy
nhiên, trong IFoF và BBoF tín hiệu RF mong muốn được tạo ra tại RAU
bằng cách nâng tần nhờ một bộ dao động nội LO, tín hiệu LO cũng có
thể được lấy tại RAU hoặc được lấy từ xa tới RAU. Các hệ thống cần
có một bộ LO riêng biệt tại RAU ( BBoF hoặc IFoF) có thể sẽ làm tăng
giá thành của nó, bù lại các hệ thống này sẽ cải thiện được độ nhạy
máy thu.
Kỹ thuật RoF có thể cũng được phân loại dưới dạng các nguyên
lý điều chế/tách sóng được sử dụng và có thể nhóm lại thành 3 loại
được gọi là: Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp IM-DD, Tách sóng
Trong cấu hình biển diễn trong Hình 1.5, tín hiệu đã điều chế được tạo tại CS ở
băng tần IF và được truyền tới các BS bởi một EOM, nó được gọi là “IF qua sợi
quang”. Tại mỗi BS, tín hiệu điều chế được khôi phục bằng việc tách ra tín hiệu quang
đã điều chế bởi một PD, chuyển đổi nó lên băng tần RF và truyền tới các MH. Trong
sơ đồ này, ảnh hưởng của tán sắc sợi quang với tín hiệu IF được giảm đi nhiều tuy rằng
anten của các BS với kiểu truyền dẫn tín hiệu IF đòi hỏi phải bổ xung thêm thiết bị
điện tử như là bộ LO tạo sóng mang có bước sóng cỡ mm cho việc chuyển đổi tần lên
và xuống.
Hình 1.5: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là IF.
Trong cấu hình Hình 1.6, tín hiệu đã điều chế được tạo ra tại CS ở băng tần cơ
sở (BB) và được truyền tới các BS bởi một EOM, nó được gọi là “BB qua sợi quang”.
Tại mỗi BS, tín hiệu đã điều chế được khôi phục bằng việc tách ra tín hiệu quang đã
điều chế bởi một PD, chuyển đổi trực tiếp lên băng tần RF hoặc thông qua băng tần IF
và được truyền tới các MH. Trong truyền dẫn băng tần cơ sở, ảnh hưởng của hiệu ứng
tán sắc sợi quang không đáng kể nhưng cấu hình BS là phức tạp nhất.
Hình 1.6: Các tuyến RoF tiêu biểu với EOM, tín hiệu điều chế là BB.
Trong cấu hình biển diễn trong Hình 1.7. Tín hiệu đã điều chế được tạo tại CS
ở một băng tần cơ sở hoặc băng IF và truyền tới các BS bởi điều chế trực tiếp một LD.
Tại mỗi BS, tín hiệu đã điều chế được phục hồi bằng việc tách ra tín hiệu quang đã
điều chế bởi một PD, chuyển đổi lên băng RF và truyền tới các MH. Điều này khả thi
đối với các tần số tương đối thấp (thấp hơn 10 GHz.)
Hình 1.7: Các tuyến RoF tiêu biểu với điều chế trực tiếp, tín hiệu điều chế băng BB
Bằng việc giảm tần số tín hiệu được điều chế ra tại CS như là “IF qua sợi
quang” hay “BB qua sợi quang”, băng thông yêu cầu cho điều chế quang có thể giảm
được rất nhiều. Điều này đặc biệt quan trọng khi RoF tại các dải sóng mm được kết
hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng (DWDM) như sẽ được
bàn luận trong phần sau. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng số lượng thiết bị tại các BS vì
nó yêu cầu có 2 bộ chuyển đổi tần, một cho đường lên và một đường xuống. Trong
truyền dẫn sóng mang con RF, cấu hình BS có thể được đơn giản hóa chỉ khi có một bộ
điều chế quang ngoài sóng mm và một PD tần số cao được ứng dụng tương ứng cho
xuống có thể được thực hiện trong miền quang học. Ví dụ, khi đó thực hiện lọc bằng
cách sử dụng các thành phần quang như Giao thoa kế Mach - Zehnder MZI hay các
lưới Bragg sợi quang, và sau đó chuyển đổi tín hiệu đã được lọc ngược lại về dạng điện
. Hơn nữa, việc xử lý trong miền quang học dùng các điốt laser và các bộ điều chế
băng thông thấp vẫn có khả năng để xử lý các tín hiệu băng thông cao.
Mặt khác, trong các hệ thống quang tương tự bao gồm cả công nghệ RoF, ghép
kênh sóng mang con SCM được ưa dùng để tăng hiệu quả sử dụng băng thông sợi. Khi
đó các sóng mang con viba mà đã được điều chế với dữ liệu số hay tương tự được ghép
lại và điều chế với tín hiệu quang học truyền trên một sợi quang đơn. Điều này sẽ làm
nên những hệ thống RoF chi phí thấp.
1.4.3. Không có can nhiễu tần số vô tuyến
Loại bỏ được can nhiễu điện từ (EMI) là một thuộc tính rất hấp dẫn của các hệ
thống thông tin quang đặc biệt cho truyền dẫn viba. Đó là vì bởi các tín hiệu được
truyền dưới dạng ánh sáng xuyên qua sợi, loại bỏ ảnh hưởng của điện từ trường ngoài.
Điều này các cáp sợi quang được ưa dùng hơn, thâm chí là đối với cả các kết nối cự ly
ngắn ở các sóng mm.
1.4.4. Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng
Trong những hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và chi phí đắt là được đặt ở
khối trung tâm do đó nó làm cho RAU đơn giản hơn. Đa số các kỹ thuật RoF, tại RAU
không cần LO và thiết bị liên quan như vậy RAU chỉ gồm một bộ tách sóng quang,
một bộ khuếch đại cao tần và một anten. Thiết bị điều chế và chuyển mạch được đặt
trong khối trung tâm và dùng chung cho các RAU dẫn đến các RAU nhẹ và nhỏ hơn,
chi phí lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống giảm được một cách đáng kể điều này rất quan
trọng đối với các hệ thống sóng mm- sóng, bởi vì số lượng RAU trong các hệ thống
này lớn, mặt khác các RAU nhỏ hơn cũng làm đi giảm tác động môi trường.
1.4.5. Giảm lượng tiêu thụ điện
Tiêu thụ điện giảm là một hệ quả có được do RAU được đơn giản. Hầu hết thiết
bị phức tạp được giữ tại khối trung tâm. Trong một số ứng dụng, các RAU được vận
hành theo kiểu thụ động. Ví dụ, các hệ thống RoF 5GHz với các tế bào picocell có các
RAU có thể hoạt động theo kiểu thụ động này. Giảm bớt lượng tiêu thụ điện tại RAU
tán sắc sợi có thể làm giới hạn chiều dài tuyến sợi, băng thông và cũng có thể là
nguyên nhân gây mất tương quan pha dẫn đến làm tăng tạp âm pha sóng mang RF.
1.6. Ứng dụng của công nghệ RoF
Công nghệ RoF nói chung là không thích hợp cho các ứng dụng của hệ thống
yêu cầu có dải động tự do không xác thực cao ( SFDR bằng Công suất tín hiệu đầu ra
cực đại đối với công suất của thành phần điều chế bậc 3 nào bằng mức tạp âm nền).
Bởi vậy, những hệ thống phân phối RoF là rất khả thi cho việc phân phối các tín hiệu
vô tuyến của cả hệ thông thông tin di động và thông tin số liệu trong tòa nhà (WLAN).
Hình 1.8: Sử dụng hạ tầng mạng sợi quang cho tích hợp các ứng dụng
Trong trường hợp đó, hệ thống RoF trở thành một hệ thống anten phân tán
DAS, với các ứng dụng tần số cao như là WPAN nó có thể sử dụng hạ tầng mạng cáp
sợi quang trong tòa nhà cho tất cả các ứng dụng như biểu diễn trong Hình 1.8. Các hệ
thống RoF cũng hấp dẫn đối với các ứng dụng hiện tại và trong tương lai khác không
đòi hỏi SFDR phải cao (các hệ thống GSM), các hệ thống phân tán RoF đó có thể được
sử dụng cho việc phân phối tín hiệu UMTS cả trong nhà (Indoor) lẫn ngoài trời
(Outdoor). Phạm vi ứng dụng khác là trong các hệ thống truy nhập vô tuyến cố định
(FWA), như là WiMAX, ở đó công nghệ RoF có thể được sử dụng để vận chuyển các
tín hiệu quang học qua các khoảng cách dài dẫn đến các RAU gần phía người dùng
cuối được đơn giản một cách đáng kể, từ đó nó trợ giúp các tuyến thông tin vô tuyến để
đạt được sự truy nhập băng rộng từ đầu đến cuối với một chi phí hiệu quả.
Chương sau ta sẽ xem xét kỹ hơn các kỹ thuật sử dụng trong việc tạo và vận
chuyển tín hiệu vô tuyến qua sợi quang, các ưu điểm và hạn chế của chúng.
CHƯƠNG 2
CÁC KỸ THUẬT TẠO VÀ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN
QUA SỢI QUANG
Trong phần này sẽ đưa ra một tổng quan ngắn gọn về việc tạo và vận chuyển tín
hiệu vô tuyến qua một sợi quang trong các mạng RoF như thế nào. Thực tế tất cả các
tuyến quang phát các tín hiệu sóng mm đều áp dụng phương pháp điều chế cường độ
ánh sáng. Về cơ bản, có ba phương pháp khác nhau với điều chế cường độ:
(1) Điều chế cường độ trực tiếp
Có một hạn chế là băng thông điều chế của laser, một laser tương đối đơn giản
có thể điều chế được tới các tần số vài GHz, có thể tới 5 - 10 GHz, với tần số trên 10
GHz phương pháp điều chế ngoài thường được sử dụng hơn là phương pháp điều chế
trực tiếp. Mặt khác để tạo băng sóng cỡ mm thì tán sắc sợi và các biên tần trộn kết hợp
có thể là nguyên nhân mất gây mất truyền dẫn, thậm chí cả ở cự ly trung bình do đó
phương pháp kích thích quang hay được dùng hơn là truyền dẫn trực tiếp các tín hiệu
RF.
Trong mạng RoF số lượng BS nhiều nên phải sử dụng các thành phần đơn giản.
Bởi vậy, ở tuyến lên của một hệ thống mạng RoF sẽ thuận lợi hơn khi sử dụng điều chế
cường độ trực tiếp với các laser rẻ và do cần phải hạ tần đối với các tín hiệu RF thu
được tại BS. Trong tuyến xuống cũng có thể sử dụng hoặc các laser hoặc các bộ điều
chế ngoài.
Hầu hết các hệ thống RoF bao gồm cả các hệ thống RoF IM - DD
đều sử dụng các sợi đơn mode SMF cho phân phối tín hiệu. Tuy nhiên
người ta cũng sử dụng kỹ thuật RoF IM-DD để truyền các tín hiệu RF
của sợi đa mode bằng việc tận dụng băng thông truyền dẫn bậc cao
đối với các tín hiệu WLAN dưới 6 GHz.
(*) Ưu điểm của kỹ thuật IM-DD
Ưu điểm của phương pháp này là nó đơn giản. Thứ hai, nếu sợi
tán sắc thấp và sử dụng cùng với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính)
thì hệ thống trở thành hệ tuyến tính khi đó tuyến quang hoạt động
chỉ như một bộ khuếch đại hay bộ suy giảm và do vậy nó có tính
trong suốt đối với khuôn dạng của tín hiệu RF điều chế, như vậy có
thể sử dụng cả điều chế biên độ và các phương thức điều chế đa mức
khác như x-QAM. Hơn nữa, không giống như điều chế phân cực laser
trực tiếp các bộ điều chế ngoài như là Bộ điều chế Mach Zehnder có
thể điều chế những tín hiệu có tần số tới 100 GHz.
(*) Nhược điểm của IM-DD
Một hạn chế của kỹ thuật RFoF IM-DD là khó sử dụng cho các
ứng dụng sóng mm tần số cao vì để tạo ra các tín hiệu như vậy thì tín
(2.1)
Trong đó : ω
m
là tần số điều chế, β
2
là là đạo hàm bậc 2 của
hằng số truyền
sóng β, (ví dụ,
2
2
2
β
β
ω
∂
=
∂
), L
f
là chiều dài sợi quang, τ = t- (z/vg) với
v
g
là vận tốc nhóm. Phương trình cho thấy chiều dài tuyến sợi quang
của hệ thống IM-DD 60 GHz tại cửa sổ bước sóng 1550 nm có thể bị
giới hạn còn 1.5 km. Các hiệu ứng triệt biên độ có thể khắc phục
được bằng cách sử dụng các kỹ thuật tránh tán sắc như kỹ thuật điều
chế đơn biên băng quang hay bằng cách sử dụng các bộ điều chế
cường độ điều khiển kép. Tất cả điều này sẽ làm cho hệ thống RoF
OSSB IM-DD phức tạp hơn.
2.2. Kỹ thuật tách sóng heterodyne đầu xa.
(2.2)
( )
2 02 2
E E cos t
ω
=
(2.3)
Nếu cả hai trường tác động lẫn nhau trên một bộ tách sóng quang PIN thì kết
quả là dòng tách quang điện trên bề mặt sẽ tỉ lệ với bình phương của tổng các quang
trường. Từ đó, dòng tách quang i
PD
danh định sẽ là:
( )
2
1 2PD
i E E= +
(2.4)
( ) ( )
01 02 1 2 01 02 1 2PD
i E E cos t E E cos t
ω ω ω ω
= − + + +
thành phần khác (2.5)