CÁC KỸ THUẬT TẠO TÍN HIỆU BĂNG TẦN MILIMETER TRONG MẠNG ROF

I. Giới thiệu chung

Như đã giới thiệu trong bài kỳ 1 tháng 7, các băng sóng mm được xem như là một giải pháp tốt nhất cho việc cung cấp một số dịch vụ băng rộng trong tương lai. Tuy nhiên, việc sử dụng các băng tần sóng mm sẽ tạo ra một số tính năng mà phải được tính đến trong thiết kế hệ thống.  Các tính năng này chủ yếu liên quan đến các bước sóng ngắn và sự suy giảm thêm do mưa và sự hấp thụ oxy trong môi trường truyền dẫn.

Sử dụng băng tần mm có một số ưu điểm sau: hiệu quả sử dụng lại phổ tần cao, kích thước anten nhỏ và độ khả dụng phổ tần lớn. Mặt khác, suy hao tín hiệu lớn cũng là một nhược điểm đối với các liên kết truyền thông khoảng cách dài. Do đó, các ứng dụng có ý nghĩa của sóng mm thường là trong các hệ thống thông tin khoảng cách ngắn, từ vài mét tới 1km.

Việc tạo ra các tín hiệu vô tuyến sóng mm trong các trạm gốc BS sử dụng các công nghệ quang là rất quan trọng trong hệ thống RoF sử dụng sóng mm. Bài báo này sẽ đưa ra ba công nghệ quang để tạo ra tín hiệu sóng mm, bao gồm: Điều chế cường độ trực tiếp, tự trộn ánh sáng kết hợp và ghép tần số quang (OFM).

II. Các kỹ thuật tạo tín hiệu băng tần milimeter trong mạng RoF

2.1 Điều chế cường độ trực tiếp và điều chế cường độ ngoài

Điều chế cường độ trực tiếp (IM - DD)được thực hiện bằng cách áp dụng sóng mm một cách trực tiếp vào laser và thay đổi cường độ của ánh sáng phát ra, tín hiệu sóng mm có thể được khôi phục trong BS bằng cách phát hiện trực tiếp. Mô hình điều chế này được thể hiện trong hình 1 [1]. Tín hiệu video được truyền đi từ một máy tính xách tay tới một máy tính để bàn.

Hình 1 Mô hình điều chế cường độ trực tiếp

Nhược điểm chính của phương pháp điều chế cường độ trực tiếp là băng thông của tín hiệu điều chế bị hạn chế bởi băng thông của laser.

Một cách khác để thực hiện điều chế cường độ là điều chế ánh sáng được phát ra từ một laser hoạt động ở chế độ liên tục (CW) trong một bộ điều biến cường độ bên ngoài, ví dụ như, bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM) hoặc bộ điều chế hấp thụ electron (EAM). Hình 2 đưa ra sơ đồ tạo tín hiệu mm bằng cách sử dụng bộ điều chế MZM [1].

Hình 2 Sơ đồ sử dụng MZM như bộ điều chế ngoài

Từ hình 2, có thể thấy rằng nguồn laser được yêu cầu cùng với một bộ điều chế MZM. Bằng cách định thiên MZM tại Vpi, điện áp nửa sóng của MZM, sóng mang quang tại bước sóng trung tâm sẽ bị loại bỏ. Hai thành phần hài đầu tiên sẽ là tín hiệu sóng mm yêu cầu.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản. Thứ hai, nếu sợi tán sắc thấp được sử dụng cùng với một bộ điều chế ngoài (tuyến tính), hệ thống trở thành tuyến tính. Kết quả là, liên kết quang chỉ đóng vai trò như là một bộ khuếch đại hoặc bộ suy giảm và do đó là trong suốt đối với định dạng điều chế của tín hiệu RF [5]. Có thể nói rằng cả định dạng điều chế biên độ (AM) và định dạng điều chế đa mức như xQAM đều có thể sử dụng được. Một hệ thống như vậy cần ít hoặc không cần nâng cấp bất cứ khi nào thay đổi trong định dạng điều chế của tín hiệu RF xảy ra. Hơn nữa, không giống như điều chế cường độ laser trực tiếp, các bộ điều chế ngoài như Mach Zehnder Modulator (MZM) có thể được điều chế với tín hiệu sóng mm gần 100 GHz, mặc dù điều này đi kèm với chi phí lớn liên quan đến yêu cầu tuyến tính và hiệu quả công suất [3], [4].

Một nhược điểm của kỹ thuật IM-DD là rất khó sử dụng cho các ứng dụng sóng mm tần số cao vì để tạo ra các tín hiệu tần số cao hơn như sóng mm, tín hiệu điều chế cũng phải ở cùng tần số cao đó. Đối với điều chế tia laser trực tiếp, điều này là không thể do băng thông hạn chế, và tính phi tuyến của laser sẽ gây méo tín hiệu điều chế. Mặt khác, bộ điều biến ngoài như MZM có thể hỗ trợ tín hiệu RF tần số cao. Tuy nhiên, chúng yêu cầu điện áp điều khiển cao làm cho các bộ khuếch đại trở nên đắt hơn [3], [4].

Một nhược điểm khác của phương pháp này là nhạy cảm với tán sắc. Điều này có thể gây ra triệt biên độ phụ thuộc tần số hay độ dài của công suất RF, nếu điều chế hai băng của tín hiệu quang được sử dụng.

2.2 Kỹ thuật tự trộn ánh sáng kết hợp (Optical self-heterodyning)

Việc tạo tín hiệu sóng mm bằng cách tự trộn hai sóng ánh sáng có hiệu quả tốt để khắc phục sự tán sắc trong sợi quang.  Hình 3 dưới đây mô tả kỹ thuật tự trộn ánh sáng kết hợp.

Hình 3 Kỹ thuật điều chế tự trộn ánh sáng quang

Kỹ thuật tự trộn ánh sáng kết hợp được dựa trên việc truyền dẫn của hai tín hiệu quang có pha tương quan, ở tần số fl và f2. Sự khác biệt của hai tần số này là tần số của tín hiệu sóng mm mong muốn. Sau khi chuyển đổi quang-điện tại photodiode (PD) trong BS, sóng mm ở tần số fc (fc = f1-f2) được tạo ra. Hình 3 cho thấy mô hình của kỹ thuật điều chế tự trộn ánh sáng quang để tạo ra sóng mm 60 GHz.

Kỹ thuật này có một số ưu điểm sau:

-Có thể tạo ra tần số rất cao, chỉ bị hạn chế băng tần ở bộ tách sóng quang. Hơn nữa, kỹ thuật này còn mang lại hệ số khuếch đại cao hơn và tỉ số sóng mang trên nhiễu CNR cũng cao hơn.

-Trộn ánh sáng từ xa có ưu điểm vốn có của nó liên quan đến tán sắc. Nếu chỉ một trong hai sóng mang quang được điều chế với dữ liệu, độ nhạy hệ thống với tán sắc sẽ được giảm đi đáng kể. Điều này là không thể trong phương pháp điều chế cường độ trực tiếp. Giảm ảnh hưởng của tán sắc là rất quan trọng trong các định dạng điều chế nhạy cảm với nhiễu pha như xQAM, bởi tán sắc gây giảm công suất.

-Kỹ thuật này có khả năng tạo ra tín hiệu với độ sâu điều chế cường độ 100%.

Bên cạnh những ưu điểm đó, kỹ thuật tự trộn ánh sáng kết hợp còn có một số nhược điểm sau:

-Cần phải đồng bộ về pha lẫn tần số cho cả sóng tín hiệu lẫn sóng tham chiếu

-Nhiễu pha gây ra bởi laser phát hay nguồn dao động nội.

-Mất phối hợp phân cực (polarization mismatch)

-Tán sắc (fiber dispersion) làm giảm cấp tín hiệu một cách nhanh chóng trên đường truyền.

2.3 Ghép tần số quang (OFM)

2.3.1 OFM bằng kỹ thuật quét tần số quang

Ghép tần số quang (OFM) là một phương pháp quang trong đó sóng tần số vi ba được chuyển đổi thành sóng tần số mm. Việc tạo sóng mm bằng OFM được dựa trên  kỹ thuật quét tần số quang. Kỹ thuật tạo sóng ánh sáng từ laser có thể điều chỉnh nhanh được quét một cách có chu kỳ tại tần số vi ba. Tuy nhiên, kỹ thuật này không khả thi, vì loại laser này không có sẵn trên thị trường.

Hình 4 biểu diễn mô hình OFM sử dụng kỹ thuật quét tần số quang. Có thể thấy rằng trong trạm điều khiển trung tâm (CS), sóng ánh sáng được tạo ra bởi một laser hoạt động ở chế độ CW, điều chế pha pha ngoài bởi một tín hiệu vi ba tại tần số fs với chỉ số điều chế lớn. Sóng ánh sáng đầu ra trở thành một tín hiệu quét tần số quang có rất nhiều mode biên cách nhau một khoảng fs. Phổ pha được chuyển đổi thành một quang phổ cường độ bằng cách chuyển qua bộ lọc quang có chu kỳ như bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI). Các mode biên biến thiên theo cường độ này triệt tiêu nhau tại PD trong BS tạo ra một loạt các hài của tín hiệu quét. Sóng mm ở tần số 2nfs được tạo ra khi qua một bộ lọc băng hẹp, được khuếch đại và phát qua ăng-ten. Trong sơ đồ này, các tín hiệu dữ liệu có thể được điều chế cường độ dựa trên tín hiệu tần số quét quang bởi một bộ điều biến cường độ ngoài [2].

Hình 4 OFM sử dụng kỹ thuật quét tần số quang

2.3.2 OFM sử dụng điều chế phi tuyến của bộ điều chế Mach-Zehnder hai cực

Kỹ thuật OFM gồm hai quá trình cơ bản: một là điều pha quang với chỉ số điều chế lớn để tạo ra các mode biên cao; hai là biến đổi điều chế pha – điều chế cường độ để tạo ra việc tự trộn ánh sáng tại PD. Đối với việc thực hiện biến đổi điều chế pha - điều chế cường độ, cần có hai chùm tia laser giao thoa với nhau, nhưng bộ lọc quang MZI không phải là thiết bị duy nhất tạo ra giao thoa quang.

Thực tế là bộ điều chế Mach-Zehnder hai cực (DD-MZM) là sự kết hợp song song của hai bộ điều pha quang với các điểm phân cực có thể tạo ra giao thoa quang. Do đó, cấu trúc hệ thống OFM sử dụng điều chế phi tuyến của bộ điều chế DD-MZM được thể hiện như hình 5 [2].

Hình 5 Cấu trúc hệ thống OFM sử dụng điều chế phi tuyến của DD-MZM.

So với cấu trúc hệ thống OFM sử dụng kỹ thuật quét tần số quang như hình 4, OFM sử dụng điều chế phi tuyến của bộ điều chế DD-MZM có các ưu điểm sau:

-Điều kiện tối ưu để làm mất các hài lẻ và tối đa các hài chẵn là độc lập với bước sóng laser nên không cần sử dụng laser có khả năng điều chỉnh.

-Hệ thống này không cần sử dụng bộ lọc quang có chu kỳ, chẳng hạn như MZI, để thực hiện chuyển đổi PM-IM. Do đó, sự ổn định hệ thống được cải thiện bằng cách loại bỏ các thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ.

-Nhiễu pha của Laser bị triệt tiêu nên phổ đầu ra của sóng mm không bị nhiễu.

-Cấu hình của CS được đơn giản hóa bằng cách loại bỏ các DFB LD và MZI, nên tiết kiệm chi phí.

III. Kết luận

Bài báo đã đưa ra ba kỹ thuật tạo tín hiệu sóng mm, bao gồm điều chế cường độ trực tiếp, tự trộn ánh sáng kết hợp và ghép tần số quang (OFM) sử dụng quét tần số và điều chế phi tuyến của bộ điều chế DD-MZM. Ở phương pháp thứ nhất, công suất nguồn laser phát ra được điều khiển trực tiếp bởi cường độ dòng điện của tín hiệu RF. Ưu điểm phương pháp này là đơn giản và rẻ tiền được ứng dụng rộng rãi trong các mạch phát laser hiện nay. Tuy nhiên, do đáp ứng của laser, tần số RF điều chế bị hạn chế ở 10GHz. Một số laser có thể hoạt động ở tần số cao hơn 40Ghz nhưng nó có giá thành cao và không phổ biến trên thị trường. Để khắc phục nhược điểm đó, bộ điều chế ngoài được sử dụng kết hợp với một bộ điều chế cường độ nguồn quang ngoài. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép điều chế ở tần số cao hơn so với phương pháp điều chế trực tiếp. Tuy nhiên, do suy hao xen của phương pháp này lớn nên hiệu suất không cao. Với phương pháp tự trộn ánh sáng kết hợp, tín hiệu RF được điều chế sang dạng quang bằng phương pháp heterodyne, trộn các sóng ánh sáng kết hợp để đưa tín hiệu RF lên miền quang. Phương pháp này có ưu điểm là điều chế được ở tần số cao và tán sắc thấp, tuy nhiên lại gây ra nhiễu pha. Phương pháp cuối cùng khắc phục được nhược điểm này bằng cách sử dụng điều chế phi tuyến của bộ điều chế DD-MZM.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]Anthony Ng’oma. – Eindhoven, Radio-over-Fibre Technology for Broadband Wireless Communication Systems, Technische Universiteit Eindhoven, 2005

[2]Haoshuo Chen, Rujian Lin and Jiajun Ye, ‘Millimeter-wave Radio over Fiber System  for Broadband Wireless Communication’, ShanghaiUniversity, ShanghaiChina

[3]D. M. Pozar, “Microwave and RF Design of Wireless Systems”, (John Wiley & Sons, Inc., 2001).

[4]J. J. O’Reilly, P. M. Lane, and M. H. Capstick , “Optical Generation and Delivery of Modulated mm-waves for Mobile Communications”, in Analogue Optical Fibre Communications, B. Wilson, Z. Ghassemlooy, and I. Darwazeh, ed. (The Institute of Electrical Engineers, London, 1995).

[5]U. Gliese, T. N. Nielsen, S. Norskov, and K. E. Stubkjaer, “Multifunction Fibre-Optic Microwave Links Based on Remote Heterodyne Detection”, IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 5, 458 - 468, (1998).