Báo cáo khoa học: "So sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M - QAM có sử dụng bộ khuếch đại quang" doc

Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR sau tách sóng quang được tính toán, so sánh vμ mô phỏng với ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến: lμm khuếch đại công suất BA, khuếch đại đườn

So sánh hoạt động của các hệ thống

thông tin quang M - QAM có sử dụng

bộ khuếch đại quang

KS Lê trung thành

Bộ môn Thông tin - Viễn thông Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học GTVT

Tóm tắt: Bμi báo so sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M - QAM sử dụng

các bộ khuếch đại quang Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR sau tách sóng quang

được tính toán, so sánh vμ mô phỏng với ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến: lμm khuếch

đại công suất (BA), khuếch đại đường truyền (LA), hay tiền khuếch đại (PA)

Summary: In this paper, we investigate the performance of M - QAM optical

communication systems with optical amplification The Carrier to Noise Ratio (CNR) at the receiver is calculated for three types: EDFA is used as Booster Amplifier (BA), In - line Amplifier (LA), or Pre - Amplifier The results are compared and simulated with different parameters of the system

i giới thiệu

Trong các hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi EDFA thường được sử dụng làm: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đường truyền (LA) hay tiền khuếch đại (PA) Tuỳ theo vị trí sử dụng mà tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện eSNR (electrical Signal to Noise Ratio)

và công suất sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio) sau tách sóng quang khác nhau Việc tính toán eSNR và vị trí tối ưu của EDFA trên tuyến thông tin quang đã được đưa ra trong một số công trình [1, 2] Tuy nhiên, các kết quả đó mới chỉ xét cho hệ thống thông tin quang điều biến cường độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD), còn trong các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tín hiệu cao tần RF, như tín hiệu hình ảnh được điều chế M - QAM thì chưa

được nghiên cứu

Trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu vị trí đặt tối ưu của EDFA trên tuyến thông tin quang M-QAM dựa vào CNR sau tách sóng quang cho cả ba trường hợp sử dụng EDFA làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay khuếch đại công suất

ii Mô hình tính toán Cnr

Bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể được dùng làm khuếch đại công suất BA, khuếch

đại đường truyền LA hay tiền khuếch đại PA (hình 1)

c/

b/

Hình 1 Hệ thống truyền tín hiệu M – QAM qua sợi quang có sử dụng EDFA lμm:

a Khuyếch đại công suất (BA)

b Khuyếch đại đường truyền (LA)

c Tiền khuyếch đại (PA)

1 Tính CNR cho một điểm tín hiệu sau tách sóng quang

Với hệ thống điều chế M - QAM, để tính toán tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm của toàn bộ hệ thống (gồm M điểm tín hiệu), trước hết ta cần tính CNR cho một điểm tín hiệu Công thức tính CNR sau tách sóng quang được xác định [3, 5]:

avr CNR

2 tot

2 s 2 I m 5 , 0 CNR

σ

Trong đó m là chỉ số điều chế quang, Is =ℜPslà dòng phôtô sau tách sóng; tương ứng là đáp ứng và công suất quang đến của bộ tách sóng; là tổng công suất tạp âm sau tách sóng, được tính như sau [2]:

s P , ℜ 2

tot σ 2

tot

σ

, 2 RIN 2 th 2

sp s 2 sh 2 tot =σ +σ +σ +σ

với tương ứng là công suất tạp âm lượng tử, công suất tạp âm phách giữa tín hiệu và phát xạ tự phát, công suất tạp âm phách giữa phát xạ tự phát- tự phát, công suất tạp âm cường độ tương đối và công suất tạp âm nhiệt sau tách sóng quang, được xác

định bởi:

2 th 2 RIN 2

sp sp 2

sp s

2

sh,σ ,σ ,σ ,σ

B

B 2 );

I P G ( eB

0

e 2

sp s ASE tx 1 2 e 2

, R

kTB 4

; ) GI ( RIN );

2

B B ( I B

th 2 S 2

RIN e 0 2 ASE 0

e 2 2 2

sp

σ ư

trong đó: Be, B0 là băng tần điện của bộ thu và băng tần quang của bộ lọc quang sau EDFA; e,k, R, T lần lượt là điện tích electron, hằng số Boltzman, điện trở sau tách sóng và nhiệt

độ tuyệt đối; là dòng phôtô tạo ra do phát xạ tự phát được khuếch đại sau tách sóng,

P ASE

I

; B ) 1 G ( h n 2 P

IASE =ℜ ASE = ℜ sp ν ư 0 ASE là công suất của phát xạ tự phát được khuếch đại;

nsp,h, ν, G tương ứng là hệ số phát xạ, hằng số Planck, tần số quang và hệ số khuếch đại của EDFA; là hệ số suy hao sợi quang từ nguồn phát đến EDFA và từ EDFA đến bộ tách sóng quang tương ứng

2

1, α

α

Do vậy, CNR sau tách sóng quang khi EDFA được dùng làm khuếch đại đường truyền LA là:

R kTB 4 B ) P G ( RIN ) 2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G

(

eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

e e

2 tx 2 1 e

0 2 ASE 2 e 2 ASE tx 2 1 01

e ASE tx 1 2

e

2 tx 2 1 2

+ ℜ

α α +

ư α

+ ℜ α α + + α ℜ α

ℜ α α

(3) CNR khi EDFA được dùng làm BA là:

R kTB 4 B ) P G ( RIN ) 2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G (

eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

e e

2 tx 2 e

0 2 ASE 2 0

e 2 ASE tx 2

01

e ASE tx 2

e

2 tx 2 2

+ ℜ

α +

ư α

+ ℜ

α + + ℜ α

ℜ α

(4)

và khi EDFA được dùng làm PA:

R

kTB 4 B ) P G ( RIN ) 2

B B ( I B

B I P G B

B 2 ) I P G ( eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

e e

2 tx 1 e

0 2 ASE 2 0

e ASE tx 1 0

e ASE tx 1 2

e

2 tx 2 2

+ ℜ

α +

ư +

ℜ α + + α ℜ α

ℜ α

(5)

2 Tính CNR trung bình của hệ thống sau tách sóng quang

Gọi là tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm trung bình sau tách sóng quang của

hệ thống, được tính như sau:

avr

CNR

2 max 2 M

1 i

2 i

) 1 M ( 3

1 M CNR A

CNR M

1 CNR

ư

ư

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

=

(7)

trong đóAi là biên độ của điểm tín hiệu thứ i, Amax là biên độ cực đại

Từ các công thức (3), (4), (5) và (7) chúng tôi tìm ra tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm của toàn bộ hệ thống như sau:

avr

CNR sau tách sóng quang khi EDFA được dùng làm khuếch đại đường truyền LA:

R e kTB 4 e B 2 P )

2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G ( eB 2

) P G ( m 5 , 0 )

1

M

(

3

1

M

CNR

) G ( RIN 1 2 tx e

0 2 ASE 2 e 2 ASE tx 2 1 0

e ASE tx 1 2 e

2 tx 2 1 2 2

avr

+ ℜ α α +

ư α

+ ℜ α α + + α ℜ α

ℜ α α

ư

ư

=

CNR khi EDFA được dùng làm BA là:

R e kTB 4 e B 2 P )

2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G ( eB 2

) P G ( m 5 , 0 )

1 M

(

3

1 M

CNR

) G ( RIN 2 tx e

0 2 ASE 2 e 2 ASE tx 2

1

e ASE tx 2 e

2 tx 2 2

2 avr

+ ℜ

α +

ư α

+ ℜ α + + ℜ α

ℜ α

ư

ư

(9)

và khi EDFA được dùng làm PA:

R e kTB 4 e B 2 P )

2

B B ( I B

B I P G B

B 2 ) I P G ( eB 2

) P G ( m 5 , 0 )

1 M

(

3

1 M

CNR

) G ( RIN 1 tx e

0 2 ASE 2

e ASE tx 1 0

e ASE tx 1 2 e

2 tx 1 2

2 avr

+ ℜ

α +

ư +

ℜ α + + α ℜ α

ℜ α

ư

ư

iii Kết quả mô phỏng

Trong phần này chúng tôi mô phỏng kết quả đạt được từ phân tích lý thuyết ở trên với các tham số hệ thống:

GHz 10 B , K 300 T , 50

R= Ω = 0 0 = ,λ=1550nm,m=0,2;ℜ=0,8A/W

Hình 2 Sự phụ thuộc của CNR vμo hệ số

khuyếch đại G của EDFA

Hình 3 Sự phụ thuộc của CNR vμo công suất phát

Hình 2 mô phỏng mối quan hệ giữa tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR và hệ số khuếch đại G của EDFA, cho hệ thống có số mức điều chế M = 32 Kết quả so sánh CNR cho

ba phương án sử dụng EDFA trong hệ thống: EDFA làm khuếch đại công suất BA, làm khuếch

đại đường truyền LA hay tiền khuếch đại PA Từ đồ thị ta thấy rằng khi giá trị G còn nhỏ,

G = 3 ữ 10dB, CNR của ba phương án là gần như nhau Khi G tăng lên, G > 10dB thì CNR trong trường hợp EDFA làm PA có giá trị lớn hơn cả và trong trường hợp BA, CNR có giá trị nhỏ nhất

Do vậy, trong thực tế thiết kế tuyến thông tin sợi quang, chúng ta sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại PA sẽ là tối ưu về cả CNR và khả năng giám sát hoạt động dễ dàng Tuy nhiên, khi

G tăng lên đến một giá trị nào đó (xấp xỉ 25dB cho phương án PA hay LA và 20 dB cho phương

án BA) thì CNR sẽ không còn tăng nữa và đạt đến giá trị bão hoà trong cả ba phương án

Sự phụ thuộc của CNR cho ba phương án sử dụng EDFA trong hệ thống theo công suất phát được thể hiện trên hình 3 Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng này là: M = 64, khoảng cách tuyến L= 70km, hệ số suy hao sợi quang

tx

P

km / dB 21 , 0

f =

α , khoảng cách từ nguồn phát đến EDFA là L1=50kmvà khoảng cách từ EDFA đến bộ thu là L2 =20km, với chú ý rằng

(lần) và (lần) Kết quả mô phỏng cho thấy, giá trị của CNR tăng theo công suất phát trong cả ba phương án, và trong phương án EDFA làm tiền khuếch đại thì CNR có giá trị lớn nhất Giá trị của CNR trong phương án BA là nhỏ nhất bởi trong trường hợp này EDFA đạt đến trạng thái bão hoà nhanh nhất

1

f

1

,

0

1=10ư α

2 =10ư α α

Nhìn chung, hệ số khuếch đại G và công suất phát tăng sẽ nâng cao được giá trị của CNR Tuy nhiên, độ khuếch đại sẽ trở nên không có ý nghĩa khi nó tăng đến một giá trị cao như đã phân tích ở trên Điều này có thể giải thích là do nguồn tạp âm của bộ khuếch đại quang sợi EDFA, công suất tạp âm tăng khi G tăng Ngoài ra, CNR còn phụ thuộc vào hình ảnh nhiễu NF (Noise Figure) của bộ khuếch đại quang như được chỉ ra trong hình 4 ở đây, chúng tôi lấy xấp

xỉ [1] Từ hình 4, ta có nhận xét rằng CNR sẽ giảm khi NF tăng Khi EDFA được dùng làm BA thì CNR giảm rất nhanh theo NF, còn với hai phương án còn lại CNR giảm theo NF ít hơn

sp

n

NF =

Hình 4 Quan hệ giữa CNR vμ NF cho

ba phương án sử dụng EDFA

Hình 5 Sự phụ thuộc của CNR vμo vị trí của EDFA

cho hệ thống có M khác nhau

Hình 5 so sánh CNR của các hệ thống có số mức điều chế M = 16, 32 và 64 khi EDFA dịch chuyển trên tuyến, khoảng cách của tuyến là L = 90km Từ đồ thị ta thấy rằng, khi EDFA dịch chuyển từ nguồn phát Tx đến bộ thu Rx ( giảm dần) thì CNR tăng dần Đồng thời khi M tăng thì hiệu suất sử dụng băng thông tăng tỷ lệ với [6], nhưng CNR lại giảm Do vậy, trong thực tế tuỳ theo yêu cầu của từng hệ thống truyền dẫn mà chọn số mức điều chế M thích hợp (ví

dụ hệ thống truyền dẫn tín hiệu RF qua sợi quang từ các trạm thu phát gốc BTS đến trạm gốc

BS trong thông tin di động dùng M = 64 [3], truyền tín hiệu video qua sợi quang thì thường sử dụng số mức điều chế M = 256 [4])

2 L

M log2

Sự phụ thuộc của CNR vào công suất phát cho các hệ thống có số mức điều chế M và

hệ số khuếch đại G của EDFA khác nhau được thể hiện trên các hình 6 và 7 Các tham số dùng

tx P

cho mô phỏng này là: Khoảng cách truyền dẫn L = 70km, và L1=20km Kết quả mô phỏng chỉ

ra rằng, CNR tăng theo giá trị công suất phát gần nh− tuyến tính và hệ số khuếch đại G Tuy nhiên, khi tăng đến một giá trị nào đó CNR không còn tăng tuyến tính theo nữa Kết quả này có đ−ợc bởi giá trị của công suất tạp âm do EDFA tạo ra cũng tăng theo , làm cho CNR

đạt đến giá trị bão hoà khi tăng

tx

tx P tx

P

Hình 6 Quan hệ giữa CNR vμ Ptx (M khác nhau) Hình 7 Quan hệ giữa CNR vμ Ptx (G khác nhau)

Do vậy, khi cần tăng CNR đến một giá trị nào đó của bài toán thiết kế ta có thể chọn hoặc nâng cao giá trị công suất phát hoặc nâng cao độ khuếch đại G của EDFA Ví dụ tại giá trị công suất phát G = 15dB thì CNR = 40dB; giả sử yêu cầu của hệ thống CNR = 50dB

thì ta có thể giữ nguyên hệ số khuếch đại G của EDFA và tăng công suất phát đến

hoặc tăng hệ số khuếch đại G đến 20dB và giữa nguyên công suất phát

, dBm 10

Ptx = −

dBm

5

Ptx =−

Hình 8 Quan hệ giữa CNR vμ Ptx

với tốc độ bit khác nhau

Hình 9 Quan hệ giữa CNR vμ G

với tốc độ bít

Hình 8 và 9 là kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của CNR vào công suất phát và hệ số khuếch đại G của EDFA với các hệ thống có tốc độ bit khác nhau Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng CNR giảm khi tốc độ bit tăng, điều này phù hợp với thực tế bởi khi tốc tộ bit tăng thì tạp âm nhiệt và tạp âm lượng tử tăng theo, làm giá trị CNR giảm

b R

iv Kết luận

Trong bài báo này, chúng tôi đã so sánh hoạt động của các hệ thống truyền tín hiệu M-QAM qua sợi quang có sử dụng khuếch đại quang EDFA Kết quả đã chỉ ra rằng tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR giảm theo số mức điều chế M được sử dụng và tốc độ bit của

hệ thống

Tài liệu tham khảo

[1] Vu Van San, Nguyen Minh Dan, Moo-Jung Chu, and Hoang Van Vo The electrical signal to Noise ratio

of optically amplified receiver, R &D on Telecom and Infor Technology Journal, No.1, Pp.14-18, 1999, Vietnam

[2] Trần Đức Hân, Dương Quốc Hoμng, Trần Quốc Dũng, Trần Cảnh Dương Tối ưu hoá việc sử dụng các

bộ khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang Tuyển tập hội nghị 45 năm ĐHBKHN, 10/2001, tr.91-96

[3] Roberto Sabella Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber links,

IEEE Transactions on communications, vol.47, No.5, May 1999, pp.715-721

[4] Kanno, Katsuyoshi Fiber optic subcarrier multiplexing video transport employing multilevel QAM, IEEE

Journal on Selected Areas in Communications, Vol.8, Sep 1990, pp.1313-1319

[5] Shi Q Performance limits on M-QAM transmission in hybrid multichannel AM/QAM fiber optic system,

IEEE photonics technology Letters, ,Vol.5, Dec 1993, pp.1452-1455

[6] Bernard Sklar Digital Communications, Prentice Hall, 1998

[7] Trần Đức Hân, Lê Trung Thμnh Phương pháp tính công suất bù BER trong các hệ thống thông tin sợi

quang, Tạp chí Khoa học, Ban KHTN, trường ĐHSP Hà Nội, No.4, 9/2003♦