Node Quang Là Gì Khái Niệm Và Nguyên Lý Hoạt Động

I.GIỚI THIỆU

• Node quang , hay còn gọi là bộ thu quang, là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tố chức hệ thống huyền dẫn nơi mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đua tới, và cũng vì thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất luợng toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Chức năng chính của nó là biến đối tín hiệu quang thu đuợc thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ và bảo đảm độ tin cậy cao.
• Tại bộ thu quang, sóng tín hiệu quang từ phía phát đi tới, đuợc biến đối thành tín hiệu điện, rồi đuợc khuyếch đại và phục hồi hở lại thành tín hiệu cùng dạng nhu ở đầu vào thiết bị phát quang. Tín hiệu quang đuợc biến đổi thành tín hiệu điện tại bộ biến đổi quang điện (O/E). Bộ biến đổi quang điện thuờng là một bộ tách sóng phô-tô-điôt. Đây là một bộ tách sóng theo luật bình phuơng vì nó biến đổi công suất quang thu đuợc trực tiếp thành dòng điện (dòng photo tại đầu ra của nó). Vì thế mà bộ thu kiểu này đuợc gọi là bộ thu tách sóng trực tiếp DD (Direct Detection). Tín hiệu quang từ phía phát đi vào sợi quang sẽ dễ bị suy hao dần, và độ méo tăng lên theo độ dài cự ly truyền dẫn do tác động của tán xạ, hấp thụ và tán sắc trong sợi dẫn quang. Vì vậy, bộ thu quang phải làm việc trong điều kiện gặp nhiều các yếu tố tác động, việc thiết kế thiết bị thu quang sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với thiết bị phát quang. Bộ thu phải đảm bảo thu đuợc tín hiệu rất yếu, bị méo và phải tách đuợc các thành phần nhiễu khá lớn so với tín hiệu, trong các bộ thu quang số thực tế, tín hiệu điện yếu thu đuợc tại đầu ra bộ tách song sẽ đuợc khuyếch đại, cân bằng tại các bộ khuyếch đại điện và bộ cân bằng tuơng ứng. Cuối cùng, tín hiệu sẽ đuợc phục hồi tại mạch quyết định.
• Đe có đuợc một tuyến truyền dẫn dài với tốc độ bit lớn, bộ thu quang cần phải thỏa mãn những yêu cầu chính sau đây:

+ Có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ration) lớn và độ

nhạy thu cao.

+ Hoạt động trong điều kiện tín hiệu có băng tần lớn.

II.Cấu hình bộ thu quang (Node Quang)

Node Quang trong hệ thống thông tin quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ khếch đại điện và mạch xử lý tín hiệu.Các thành phần thiết bị này trong bộ thu có các chức năng tuơng ứng là biến đối năng luợng tín hiệu quang yếu đi vào phô tô điot thành tín hiệu điện và rồi khếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể đuợc xử lý bằng các mạch điện theo sau.Nhu đã đề cập ở trên,phần khếch đại điện của bộ thu quang có thể bao gồm mạch tiền khếch đại và mạch khếch đại chính,ta sẽ xét bộ thu với cấu hình này.Hơn nữa hầu hết các hệ thống huyền dẫn quang sử dụng dạng điều chế số nên ở tài liệu này sẽ tập trung vào phân tích bộ thu quang số.cấu hình tiêu chuẩn của bộ thu quang sử dụng phô tô điot đuợc thể hiện ở hình 10.Các thành phần tiêu biểu của bộ thu này thuờng đuợc sắp xếp theo thứ tự ba nhóm: phần truớc bộ thu,kênh tuyến tính và phần hồi phục tín hiệu số.

Hình 10 cẩu hình bộ thu quang sổ tiêu biểu Trong phần đầu của chuơng này chúng tôi cũng đã giới thiệu về bộ tách sóng với các thành phần nhiễu của nó để đạt đuợc tỷ số tín hiệu hên nhiễu. Tuy nhiên cần phải nhấn mạnh rằng tỷ

số tín hiệu hên nhiễu điện eSNR tại bộ tách sóng quang là chỉ đủ để đánh giá chất luợng của tín hiệu thu đuợc có đáp ứng đuợc tiêu chuẩn hệ thống đã cho hay không,nhu trong truờng họp truyền dẫn analog cơ bản cho thông tin tiếng nói và vi deo.Nhung đối với các hệ thống truyền dẫn số tỷ số tín hiệu trên nhiễu điện tự bản thân nó không là một hình ảnh mang ý nghĩa có giá trị.Điều này có thế đuợc chỉ

ra bằng việc xem xét nguyên lý cơ bản của bộ tách sóng số.Trong bối cảnh bộ thu quang số,các nhiễu và méo tin hiệu khác nhau sẽ không thể tránh khỏi trong quá hình thu và có thể dẫn tới lỗi trong việc thuyên chuyển tín hiệu thu đuợc.Dòng đuợc lấy ra từ bộ tách sóng thuờng là rất yếu và bị ảnh huởng bất lợi do các nhiễu ngẫu nhiên có lien quang tới quá trình tách sóng quang.Đe thiết kế bộ thu quang việc xác định các đặc tính của nó dựa trên các mô hình toán học về các trạng thái bộ thu khác nhau là một việc làm cần thiết.Các mô hình này phải tính tới các thành phần nhiễu và méo và chúng ta cần đuợc chỉ ra cho nguời thiết kế các thành phần nào là có thế lựa chọn đế bộ thu đáp ứng đuợc các chuẩn mực đặc tính mong muốn.Tiêu chuẩn có ý nghĩa nhất đế xác định đặc tính của hệ thống thông tin số là xác suất xuất hiện lỗi trung bình.Trong khi đó tiêu chuẩn trung thực thuờng đuợc đặc trung duới dạng tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu hiệu dụng trong hệ thống analog.

Cấu hình bộ thu quang số duới dạng giản đồ đuợc mô tả trong hình 4.11 .Ở đây bộ thu quang bao gồm bộ tách sóng quang,bộ khếch đại điện,mạch cân bằng và mạch quyết định. Ta giả thiết là phô tô điot PIN đuợc sử dụng trong bộ thu này. Bộ tách sóng phô tô điot có hiệu suất luợng tử T|, điện dung Cd.Điện trở R_l là điện trở tải hoặc điện trở thiên áp Rb và ib là dòng nhiễu nhiệt phát ra từ điện trở tải trong bộ tách sóng.Trong khi đó bộ khếch đại có điện trở R_a và điện dung c_a tại đầu vào và hai thành phần này đuợc kết hợp thành trở kháng đầu vào do sự mắc sun.

Trong cấu hình bộ thu quang này có hai yếu tố đáng chú ý.Đó là dòng nhiễu đầu vào i_a(t) do nhiễu nhiệt của điện trở đầu vào bộ khếch đại R_a sinh ra,và nguồn điện áp nhiễu e_a(t) thế hiện nhiễu nhiệt của kênh bộ khếch đại.Hai nguồn nhiễu này đuợc coi là thống kê Gaussian,phổ phang và không tuơng quang.Theo sau bộ khếch đại điện là mạch cân bằng.Mạch này thuờng là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính, và được dung để giảm các ảnh hưởng của méo tín hiệu và giao thoa giữa các ký tự ISI.Mạch quyết định ở sau mạch cân bằng để khôi phục tín hiệu và cho ra chuỗi tín hiệu số.Tín hiệu clock phải được đưa vào đầu vào quyết định để xác định các thời gian lấy mẫu.Như vậy,để thiết kế bộ thu quang ta xem xét 3 thành phần chính cấu trúc nên thiết bị như sau:

4- Front- end

Front-end của bộ thu quang bao gồm một phô tô điot và một bộ tiền khếch đại.Phô tô điot biến đối luồng bit ánh sáng thành tín hiệu điện thay đối theo thời gian.Bộ tiền khếch đại điện có vai hò khếch đại tín hiệu điện cho quá hình xử lý tiếp sau. Việc thiết kế front-end đòi hỏi sự tương xứng giữa tốc độ bit và độ nhạy thu. Khả năng của bộ thu quang có đáp ứng được cho hệ thống thông tin quang có tốc độ bit cao và cự ly xa không phụ thuộc phần lớn vào việc thiết kế front-end thu. Khi sử dụng điện trở tải R_L có giá trị lớn,điện áp đầu vào mạch tiền khếch đại có thể tăng và khi đó ta có bộ íront- end hở kháng cao.Giá trị điện hở R_L lớn có thế giảm nhiễu nhiệt và do đó tăng được độ nhạy thu.Neu như không quá quan tâm đến độ nhạy thu ta có thế giảm R_l đế tăng băng tần hệ thống,và khi đó ta có bộ front-end trở kháng thấp.

V Kênh tuyến tính

Kênh tuyến tính trong bộ thu quang bao gồm bộ khếch đại chính và mạch cân bằng.BỘ khếch đại chính thường là bộ khếch đại có độ khếch đại cao.Mạch cân bằng ở ngay sau bộ khếch đại thường là bộ lọc sharp-tần số tuyến tính.Nó được sử dụng để làm giảm ảnh hưởng của méo và ISI tín hiệu. Trong một số các trường họp mạch cân bằng có thể được sử dụng chỉ để hiệu chỉnh đáp ứng tần số điện của bộ tách sóng quang và bộ khếch đại. Độ khếch đại của bộ khếch đại được điều khiển một cách tự động để giới hạn điện áp đầu ra trung bình tới mức cố định bất kể công suất quang trung bình đến bộ thu như thế nào.Bộ lọc thông thấp sẽ tạo xung điện áp.

Đe tính toán với các xung chữ nhật được gửi từ phía phát,có thế mô tả như sau.Neu P(t) là công suất quang thu được trên bộ tách sóng thì chuỗi xung số nhị phân trên bộ tách sóng có thể được diễn giải bằng biểu thức sau:

P(0= Ỳé^bn^hp^~^nTb)

n=—00

Với b_n là tham số biên độ thể hiện digit tín hiệu thứ n nó có thể lấy giá trị “1” và “0”; T_b là chu kì bit và hp(t) là dạng xung bộ thu mà là dương cho mọi t.Neu ta giả thiết xung đầu vào phô tô điot không âm,h(t) được chuẩn hóa để có vùng bằng 1 thì:

ịh_p{t)dt = \

Dòng đầu ra trung bình từ photo-điot tại điểm t có thể viết nhu sau:

(i■ịt)) = ^ĩ^-P{t) = RỸ_Jb_nh_p{t-nT_b)

Với R là đáp ứng của photo-diot, khi sử dụng APD thì thay bằng Rapd Dòng này đuợc khuếch đại và đuợc lọc để cho ra điện áp hung bình tại đầu ra của mạch cân bằng đuợc cho bởi tích chập của dòng với đáp ứng xung bộ khuếch đại. điện áp này đuợc viết nhu sau:

{v'_ou!(t)) = ARP(t)*h_B(t)*h_eq(t)

Với A là khuếch đại của bộ khuếch đại,h_B(t) là đáp ứng xung của mạch thiên áp, h_cq(t) là đáp ứng xung mạch cân bằng , và * là ký hiệu tích chập, dựa vào hình 4.11, h_B(t) đuợc cho bởi dạng chuyển đổi Fourier nguợc của hàm truyền đạt mạch thiên áp H_B(f) và đuợc viết nhu sau:

h_B(t)=Fⁱ[H_B{f)]= ịĩỉ_B{fy^df

Với F là ký hiệu thuật toán dạng chuyến đối Fourier. Hàm huyền đạt dòng thiên áp H_B(f) đơn giản là điện kháng của tổ họp mắc song song của Rb, R_a,c_a và Cd đuợc

viết là:

Với                              4 = 4- + -Ị- và c = c +C.

R R R_r                                                                                                      °

a L

Tuơng ứng nhu ở biểu thức (4.32), điện áp trung bình ở đầu ra mạch cân bằng đuợc viết nhu sau:

KẢt))=Ỹ.^b.h„M-nT

Ở đây:           h_out (0 = ARh_p (0 * h_B (í)* h_eq (í)

Là dạng của xung đuợc khuếch đại và lọc cô lập . dạng chuyển đổi Fourier

của biểu thức (4-40) có thể đuợc viết nhu là:

00

H.M)= ịKJt>^ =ẢRH_r(f)H,ự)H^{f)

—00

Với Hp(f) là hàm chuyển đổi của dạng xung thu đuợc hp(t),Heq(f) là hàm truyên đạt của bộ cân băng, ị- Khôi phục tín hiệu

Phần khôi phục tín hiệu số của bộ thu quang bao gồm mạch quyết định và mạch hồi phục clock.Mạch quyết định so sánh tín hiệu ra từ kênh tuyến

tính với mức ngưỡng tại các thời điểm lấy mẫu được xác định bởi mạch hồi phục clock,và quyết định xem tín hiệu có tương ứng với bit “1” hoặc “0” hay không. Thời điểm lấy mẫu tốt nhất sẽ ứng với vị trí mà trong đó sự khác nhau về mức tín hiệu giữa các bit “0” và “1” là lớn nhất.Điều này có thế được xác định từ đồ hình mắt được tạo bằng việc xếp chồng các chuỗi xung điện dài 2-3 bit trong chùm bit trên đỉnh với nhau.Thời điếm lấy mẫu tốt nhất tương ứng với độ mở mắt lớn nhất.Vì nhiễu tồn tại ở mọi bộ thu,cho nên sẽ luôn luôn có một xác suất nhất định mà bit có thế được nhận dạng một cách không chính xác tại mạch quyết định. Tuy nhiên bộ thu quang số có thế có giá trị tỷ số lỗi bit rất nhỏ là do mạch quyết định thường được thiết kế để hoạt động theo cách như vậy.

2.Các nguồn lỗi trong bộ thu quang (Node quang)

Nhìn chung ,việc thiết kế bộ thu quang là phức tạp hơn nhiều so với thiết kế bộ phát quang vì bộ thu phải tách sóng các tín hiệu yếu và bị méo dạng,rồi quyết định xem tín hiệu số nào đã được phát tới từ phía phát.Quá tình tách sóng trong bộ tách sóng quang của bộ thu quang phải chịu ảnh hưởng từ các nhiễu khác nhau và các tác động khác có liên quan tới tách sóng tín hiệu trong thiết bị.Các nguồn nhiễu không mong muốn này xuất phát từ nhiều yếu tố.Các nguồn nhiễu có thể đến từ ngoài hệ thống như nhiễu khí quyển,và nhiễu của thiết bị nào đó,hoặc có từ bên trong bản thân hệ thống.Trong tài liệu này ta xem xét nhiễu bên trong của hệ thống.Nhiễu này được phát ra từ những sự không ốn định tự phát của dòng điện hoặc điện áp trong mạch điện.Như đã phân tích ở trên ,nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt là hai nhiễu hội trong bộ thu quang.Tốc độ đến ngẫu nhiên của các phô tôn là nguyên nhân sinh ra nhiễu lượng tử trong bộ tách sóng quang.Nhiễu này luôn phụ thuộc vào mức tín hiệu ,vậy thì nó rất quan trọng cho bộ thu sử dụng phô tô điot p- i-n thường có các mức đầu vào quang lớn.Đặc biệt khi sử dụng bộ tách sóng qang APD,nhiễu lượng tử còn tăng lên do bản chất thống kê của quá trình nhân thác;và mức nhiễu có thế tăng theo hệ số nhân M.Nhiễu nhiệt sinh ra từ điện trở tải của bộ tách sóng và các mạch điện khếch đại trong bộ thu quang.Loại nhiễu này sẽ hội khi bộ tách sóng phô tô điot p-i-n có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SRN thấp.Vì nhiễu nhiệt là nhiễu có bản chất Gaussian,chúng có thể được hạn chế nhờ áp dụng các giải pháp kỹ thuật chuẩn.

Dòng photon ban đầu được phát từ phô tô điot là một quá trình Poisson biến đổi theo thời gian có từ sự đến ngẫu nhiên của các photon tại bộ tách sóng.Khi đó có một công suất tín hiệu quang P(t) tới bộ tách sóng quang, số trung bình các cặp điện tử-lỗ trống được phát trong thời gian X được cho như sau:

Với TỊ là hiệu suất luợng tử,hv là năng luợng photon,và E là năng luợng thu đuợc trong khoảng thời gian X.Trong bộ tu quang thực tế các cặp điện tử-lỗ trống thực sự m đuợc phát ra sẽ dao động quanh số trung bình theo phân bố Poisson.Vì thế xác suất p_r(m) mà m là cặp điện tử-lỗ trống đuợc phát trong khoảng X sẽ là:

Trên thực tế không thế dự báo chính xác có bao nhiêu cặp điện tử-lỗ trống là đuợc phát ra từ một công suất quang đã cho đi đến phô tô điot.Đó là nguồn gốc của nhiễu luợng tử.

Một nguồn nhiễu khác phát sinh từ sự giãn xung trong sợi quang,và loại nhiễu này gọi là nhiễu giao thoa giữa các ký tự ISI.Mỗi một xung tín hiệu thuờng đuợc đặc trưng một khe thời gian nhất định,khi xung này được phát đi,hầu hết năng lượng của xung có thể đi tới bộ thu quang trong khe thời gian tương ứng. Vì các xung bị giãn trải trong quá trình lan truyền theo sợi, một phần năng lượng được phát sẽ dãn dần sang các khe thời gian lân cận. Sự có mặt của năng lượng này ở khe thời gian lân cận sẽ làm cho tín hiệu giao thoa, và đây là giao thoa giữa các ký tự.

CÁC NODE QUANG VÀ MÁY THU QUANG TRÊN THI TRƯỜNG HIỆN NAY :

Máy Thu Quang

Node Quang Ngoài Trời

Node quang trong nhà (Mini Node)