Trong một thế giới ngày càng kết nối với nhau, nhu cầu truyền tín hiệu tốc độ cao và dung lượng cao đang thách thức giới hạn của hệ thống cáp đồng trục truyền thống. Gần đây, sự quan tâm của mọi người đến việc truyền tần số vô tuyến cáp quang (RFoF) ngày càng tăng. Công nghệ này kết hợp ưu điểm tổn thất thấp và băng thông cao của cáp quang với tính đa chức năng của truyền thông tần số vô tuyến (Hình 1). Hệ thống RFoF truyền tín hiệu RF qua sợi quang, đạt được khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách xa, không bị nhiễu trong nhiều ứng dụng từ trạm vệ tinh mặt đất, triển khai ăng-ten từ xa đến cơ sở hạ tầng 3G-5G và hệ thống phòng thủ. Bài viết này tìm hiểu các nguyên tắc cơ bản của thiết kế hệ thống RFoF.
Chức năng chính của RFoF
Hình 1: Đặc điểm chính của RFoF. (Nguồn ảnh: NuPhotonics)
Truyền dẫn đường dài - cường độ tín hiệu
Hiệu suất của cáp đồng trục thay đổi tùy theo cấu hình cáp. Suy hao chèn của cáp SMA điện môi điển hình là khoảng 0,25 dB/m (ở tần số 2 GHz). Hiệu suất của cáp bơm hơi tốt hơn một chút, nhưng giá thành cao hơn nhiều. Chính đặc tính tổn thất cao này đã làm cho công nghệ RFoF có thể áp dụng cho khoảng cách truyền vượt quá 50 mét. Trong công nghệ RFoF, bước sóng được sử dụng phổ biến nhất là 1310 nm và 1550 nm. Suy hao ở bước sóng 1310 nm là khoảng 0,35 dB/km, trong khi suy hao ở bước sóng 1550 nm chỉ là 0,25 dB/km. Có thể thấy, suy hao của công nghệ này thấp hơn đáng kể so với cáp đồng trục.
DigiKey và NuPhotonics đơn giản hóa quy trình mua sắm linh kiện
DigiKey đã dẫn đầu thế giới trong việc đơn giản hóa quy trình mua sắm các thành phần quan trọng. Những người đam mê nghiệp dư, sinh viên, chuyên gia và các tập đoàn lớn đều mua linh kiện thông qua DigiKey. Là nhà sản xuất hàng đầu trong ngành công nghiệp thiết bị quang điện tử và RF, NuPhotonics đã hợp tác với DigiKey để cung cấp các sản phẩm linh kiện dễ sử dụng và dễ tiếp cận cho ngành, đây là một bước phát triển tự nhiên (xem Hình 2).
NuPhotonics 10G PIN photodiode đuôi sợi FC/APC
Hình 2: Sợi đuôi photodiode NuPhotonics10G PIN FC/APC. (Nguồn ảnh: NuPhotonics)
Mặc dù hiện nay đã có một số giải pháp thương mại nhưng chúng thường thiếu lợi ích kinh tế. Bài viết này sẽ giới thiệu thiết kế tiêu chuẩn, cho phép người dùng phát triển các giải pháp chuyên dụng với chi phí thấp bằng cách sử dụng các thành phần NuPhotonics. Bạn có thể dễ dàng mua các sản phẩm và giải pháp được thảo luận trong bài viết này từ DigiKey.
Thiết kế máy phát RFoF -10G DFB laser
Phần đầu tiên của việc thiết kế hệ thống RFoF là phát triển máy phát. Đối với kiến trúc RFoF, cần phải điều chế tín hiệu RF dữ liệu thành tín hiệu sóng mang quang, sau đó truyền nó qua liên kết quang. Laser phản hồi phân tán (DFB) có thể được điều chế trực tiếp bằng tín hiệu tần số vô tuyến, khiến chúng trở thành thiết bị lý tưởng để chuyển đổi tín hiệu điện tần số vô tuyến thành tín hiệu quang. Nguyên lý cơ bản được thể hiện trong Hình 3. Do phương pháp phân cực phía anode được sử dụng trong laser nên nó cũng là đầu vào đầu vào cho tần số RF. Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, mạch bao gồm một tụ chặn DC (C2). Giá trị của C2 sẽ được tinh chỉnh theo điểm cắt tần số thấp mong muốn. Điện trở R1 trong mạch được sử dụng để phối hợp trở kháng của laser DFB 10 Ω với hệ thống 50 Ω. Giá trị R1 càng lớn thì khả năng khớp với liên kết càng tốt nhưng nhược điểm là sẽ làm tăng suy hao chèn của liên kết quang. Điều này có thể đạt được mức độ kiểm soát chính xác để đạt được các chỉ báo suy hao chèn và kết hợp trở kháng cần thiết. Điện trở R2 trong mạch là điện trở giới hạn dòng điện dùng để giới hạn dòng điện của laser. Cuộn cảm L là đường dẫn trở kháng cao cho tín hiệu RF và cũng là đường dẫn dòng trở kháng tối thiểu cho độ lệch DC của laser. Tụ điện C1 là thiết bị tùy chọn dùng làm tụ lọc để lọc nhiễu nguồn điện trên các tụ phân cực loại T.
Laser DFB 10G với mạch kết hợp trở kháng và tiếp giáp chữ T thiên vị
Hình 3: Laser DFB 10G với mạch kết hợp trở kháng và tiếp giáp chữ T. (Nguồn ảnh: NuPhotonics)
Thiết kế máy thu RFoF -10G PIN Photodiode
Ánh sáng trong sợi quang cần được chuyển đổi thành tín hiệu điện hữu ích hơn. Đối với điều này, photodiod có thể được sử dụng. Khi các photon có đủ năng lượng va chạm với một diode, các cặp lỗ trống electron sẽ được tạo ra. Cơ chế này còn được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Các lỗ trống này di chuyển về phía cực dương (+) và các electron di chuyển về phía cực âm (-). Hiệu ứng này sẽ tạo ra dòng quang điện. Do có sự tham gia của hoạt động băng thông rộng trong mạch, các điốt quang sẽ hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Khi phân cực ngược, dòng điện sẽ chỉ đi qua photodiode với điều kiện ánh sáng tới tạo ra dòng quang. Phương pháp sai lệch này còn có một ưu điểm khác là cải thiện tính tuyến tính của photodiode. Bằng cách tăng kích thước của lớp suy giảm, thời gian phản hồi sai lệch ngược có thể được rút ngắn. Việc tăng chiều rộng lớp suy giảm sẽ làm giảm khả năng tiếp giáp và tăng tốc độ trôi của các hạt mang điện trong photodiode. Thời gian vận chuyển của các hãng vận tải được rút ngắn và thời gian phản hồi cũng sẽ được rút ngắn tương ứng.
Hình 4 cho thấy mạch điều khiển cơ bản của photodiode. Có những điểm tương đồng giữa mạch photodiode và mạch laser. Tụ C là tụ chặn DC dùng để bảo vệ các cổng RF. Cuộn cảm L là đường nối đất DC có trở kháng thấp cho phép dòng điện chạy từ chân phân cực DC xuống đất, vì tụ điện chặn DC C không có đường nối đất trực tiếp. Việc chọn đúng R1 và C1 có thể giúp cải thiện khả năng kết hợp trở kháng tần số cao.