Báo cáo khoa học: "vấn đề Nâng cao chất l-ợng truyền dẫn tín hiệu M - QAm qua hệ thống thông tin quang có sử dụng EDFA" pot

Trong bμi báo nμy, chúng tôi đưa ra một phương pháp mới tính công suất bù BER cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn tín hiệu được điều chế M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụn

vấn đề Nâng cao chất lượng truyền dẫn tín hiệu M - QAm qua hệ thống

thông tin quang có sử dụng EDFA

KS lê trung thành

Bộ môn Thông tin viễn thông Khoa Điện - Điện tử - Trường ĐH GTVT

Tóm tắt: Vấn đề nâng cao chất lượng truyền dẫn dựa vμo việc tính toán công suất bù

BER đã được đưa ra trong [1] Trong bμi báo nμy, chúng tôi đưa ra một phương pháp mới tính công suất bù BER ( ) cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn tín hiệu được điều chế M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Mối quan hệ giữa

tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) vμ tỷ số sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio) sau tách sóng quang được thiết lập; mối quan hệ giữa

BER

P Δ

BER

P

Δ vμ các tham số của hệ thống

được xác định vμ mô phỏng

Summary: This paper proposes a new method of calculating the BER compensative

Power ( ) for designing M-QAM signals transmission systems over optic- fiber link with EDFA The Carrier to Noise Ratio and the Bit Error Rate at the receiver are calculated; the relation between

BER

P

Δ

BER

P

Δ and the parameters of the system are defined and simulated

i giới thiệu

Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống thông tin quang SDH phải dựa vào các chuẩn được khuyến nghị bởi ITU-T Tuy nhiên, tham số BER - tham số thể hiện chất lượng của hệ thống thì chưa được quy chuẩn và các nhà thiết kế có thể chọn

hoặc tuỳ theo hệ thống Khái niệm về công suất bù BER đã được đưa ra trong [1], [2] cho việc thoả mãn mọi giá trị BER yêu cầu của bài toán thiết kế Tuy nhiên, các kết quả đó chỉ

được áp dụng cho các hệ thống thông tin sợi quang OOK (On - Off Keying), dạng tín hiệu là RZ hoặc NRZ, khi đó việc đánh giá chất lượng truyền dẫn dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện sau tách sóng quang (eSNR) và mối quan hệ giữa BER và eSNR Trong hệ thống truyền tín hiệu được điều chế M - QAM qua tuyến thông tin quang thì kết quả đó không còn được áp dụng, bởi chất lượng truyền dẫn lúc này lại được đánh giá bằng CNR ở đầu thu, mối quan hệ giữa BER

và CNR còn phụ thuộc vào số mức điều chế tín hiệu M [4-8]

10

10

12

10

BER = ư

Bài báo đưa ra phương pháp mới tính công suất bù BER (Δ PBER) cho việc thiết kế các hệ thống truyền tín hiệu được điều chế M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Kết quả đạt được cho phép các nhà thiết kế hệ thống đánh giá được chất lượng truyền dẫn và chọn được các tham số thiết bị phù hợp cho việc nâng cấp hệ thống, đáp ứng với yêu cầu truyền thông băng rộng ngày nay

II Tính toán tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm (CNR)

1 Cấu trúc hệ thống

Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể được sử dụng làm khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier), khuếch đại đường truyền LA (In - Line Amplifier) hay tiền khuếch đại PA (Pre - Amplifier) [2] Hình 1 chỉ ra hệ thống truyền tín hiệu M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA

Ptx, L1, α1 L2, α2

Hình 1 Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA

2 Tính CNR sau tách sóng quang

Công thức tính CNR sau tách sóng quang được xác định [7], [8]:

2 tot

2 s

2I m 5 , 0 CNR

σ

trong đó: m là chỉ số điều chế quang, Is =ℜPs là 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 sp 2

sp s 2 sh 2 tot =σ +σ +σ +σ +σ

(2)

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]:

2 th 2 RIN 2

sp sp 2

sp s

2

sh,σ ,σ ,σ ,σ

) I P G ( eB

2 e 2 1 tx ASE

2

2 1 0

e 2

sp

B

B

=

) 2

B B ( I B

0 2 ASE 2 0

e 2 2

sp

R

kTB

2

th =

trong đó: 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,

; là công suất của phát xạ tự phát được khuếch đại;

0

e,B B

ASE

I

0 sp

ASE

ASE P 2 n h (G 1)B

,

h

,

nsp , 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 e kTB 4 e B 2 ) G

( RIN 1 2 tx

e 0 2 ASE 2 0 e 2 2 ASE tx 2 2 1 0

e ASE tx 1 2 e

2 tx 2 1 2

P )

2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G ( eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

+

ℜ α α +

ư α

+ ℜ α α + + α ℜ α

ℜ α α

CNR khi EDFA được dùng làm BA là:

R e kTB 4 e B 2 ) G ( RIN 2 tx

e 0 2 ASE 2 e 2 ASE tx 2 1

e ASE tx 2 e

2 tx 2 2

P )

2

B B ( I B

B I

P G B

B 2 ) I P G ( eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

+

ℜ α +

ư α

+ ℜ α + + ℜ α

ℜ α

và khi EDFA được dùng làm PA:

R e kTB 4 e B 2 ) G ( RIN 1 tx

e 0 2 ASE 2 e ASE tx 1 0

e ASE tx 1 2 e

2 tx 1 2

P )

2

B B ( I B

B I P G B

B 2 ) I P G ( eB

2

) P G ( m 5 , 0 CNR

+

ℜ α +

ư +

ℜ α + + α ℜ α

ℜ α

III Quan hệ giữa BER vμ CNR của hệ thống điều chế M-QAM

Với hệ thống điều chế M - QAM sử dụng mã Gray, xác suất lỗi bít BER được xác định theo công thức [3]:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

ư

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

ư

2 2

1

0

b 2

2

2

1

1 L

3 Q L log

) L 1 ( 2 N

E 2 1 L

L log 3 Q L log

) L 1 ( 2

trong đó: là số mức điều chế; tương ứng là năng lượng bít và mật độ tạp âm; Q(x) được xác định qua hàm bù sai lỗi:

2

L

) 2

x exp(

2 x

1 ) 2

x ( erfc 2

1 ) x ( Q

2

ư π

≈

số công suất sóng mang trên tạp âm trung bình sau tách sóng quang [7]:

avr

CNR

2 M

1 i

2 i

) 1 M ( 3

1 M CNR A

CNR M

1 CNR

ư

ư

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

(7)

IV Tính công suất bù BER

Công suất bù BER là công suất cần thêm vào nguồn phát để nâng cấp hệ thống từ một giá trị BER =BER0đến giá trị mới BER =BER1, chẳng hạn từ BER=10ư6 đến BER=10ư9 Công suất bù BER được tính như sau [2]:

tx

txNew BER

P

P lg 10

(8)

ở đó, Ptx,PtxNew tương ứng là công suất phát tại BER =BER0và BER =BER1

Nhận xét rằng, từ các phương trình (3), (4), (5) và (7) CNR trung bình đều có dạng:

D CP ) BP (

) AP ( CNR

tx 2 tx

2 tx

+ +

(9)

trong đó: A, B, C, D được tính cho từng trường hợp sử dụng EDFA trên tuyến:

- khi EDFA được dùng làm LA:

ASE 2 2 1 0

e 2

1 e

2 1 e

2 1 2

I G B

B 2 G eB 2 C

G RINB

B

G m ) 1 M ( 3

1 M 5 , 0 A

ℜ α α + ℜ α α

=

ℜ α α

=

ℜ α α

ư

ư

=

R kTB 4 ) 2

B B ( I B

B I

eB 2

0

e 2 2 ASE 2

=

- khi EDFA được dùng làm BA:

ASE 2 2 0

e 2

e

2 e

2 2

I G B

B 2 G eB 2 C

G RINB B

G m ) 1 M ( 3

1 M 5 , 0 A

ℜ α + ℜ α

=

ℜ α

=

ℜ α

ư

ư

=

R kTB 4 ) 2

B B ( I B

B I

eB 2

0

e 2 2 ASE 2

=

- khi EDFA được dùng làm PA:

ASE 1 0

e 1

e

1 e

1 2

I G B

B 2 G eB 2 C

G RINB B

G m ) 1 M ( 3

1 M 5 , 0 A

ℜ α + ℜ α

=

ℜ α

=

ℜ α

ư

ư

=

R

kTB 4 ) 2

B B ( I B

B I eB 2

0 2 ASE 2 0

e ASE

=

Ta sẽ sử dụng công thức chung về CNR (9) để tính toán ΔPBER rồi từ đó sẽ suy ra cho từng trường hợp BA, LA và PA Coi CNR là tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm ứng với

và CNRNew cho trường hợp BER bằng giá trị mới theo yêu cầu thiết kế, khi đó:

4

10

D CP ) BP (

) AP ( CNR

tx 2 txnew

txnew New

+ +

Đặt

tx

txnew

P

P

k = , từ (9) và (10) ta tính được

a

b

, trong đó a, b, c tính theo A, B, C,

CNR

CNR D

c

; CP b

; BP

New tx

Do vậy, công suất bù BER được tính theo công thức:

3 ) a lg(

10 ) b lg(

10 a

b lg 10 k lg 10 ] dB [

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

=

=

Phương trình (11) là công thức tính ΔPBER chung cho ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến

Ta có nhận xét rằng giá trị của công suất bù BER không những phụ thuộc vào các tham số của thiết bị như hệ số suy hao sợi quang, công suất phát, hệ số khuếch đại G của EDFA, … mà còn phụ thuộc vào vị trí của EDFA trên tuyến và số mức điều chế M được sử dụng

V Mô phỏng số kết quả

Trong phần này chúng ta sẽ mô phỏng kết quả với các tham số hệ thống:

GHz 1 B , K 300 T , 50

Hình 2 Quan hệ giữa công suất bù vμ BER Hình 3 Quan hệ giữa CS bù vμ BER với M khác nhau

Hình 2 và 3 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và BER, so sánh giá trị

của ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến và số mức điều chế M khác nhau, M = 16, 32, 64 (giá trị BER ban đầu là ) Ta có nhận xét rằng khi EDFA được sử dụng làm tiền khuếch đại thì công suất bù BER có giá trị nhỏ nhất và giá trị công suất bù BER tỷ lệ thuận với

số mức điều chế M Khi cần tăng chất lượng truyền dẫn, giá trị công suất bù BER cũng tăng

công suất bù xấp xỉ 3dB, LA cần 5 dB và BA cần 5,5dB

BER

P Δ

2

0 10 BER

6

1 10 BER ER

Hình 4, 5 và 6 thể hiện mối quan hệ giữa công suất bù BER và hệ số khuếch đại G của EDFA Kết quả mô phỏng cho ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền, tiền khuếch đại và so sánh các hệ thống có số mức điều chế khác nhau Ta thấy rằng khi G có giá trị còn nhỏ (<10 dB) thì công suất bù BER có giá trị xấp xỉ bằng nhau với 3 phương án sử dụng EDFA Tuy nhiên khi G lớn hơn 10dB thì giá trị công suất

bù BER với BA tăng đột biến và lớn hơn so với hai phương án còn lại Kết quả này có được vì khi EDFA làm khuếch đại công suất BA, công suất quang đầu vào EDFA sẽ lớn và làm cho EDFA

đạt đến trạng thái bão hoà nhanh hơn so với LA và PA Từ đó ta có thể tìm được giá khoảng giá

Từ hình 5 ta cũng có nhận x

trị tối ưu (optimal Gain) của G từ

th

dB 25

10 ữ

Hình 5 Quan hệ giữa công suất bù vμ G

ét rằng khi số mức điều chế M tăng thì hiệu suất sử dụng băng

ông sẽ tăng tỷ lệ với log2M [3], tuy nhiên giá trị của công suất bù BER tăng theo tương ứng với cả ba phương án sử EDFA trong hệ thống Đồng thời, khi EDFA được sử dụng làm khuếch đại đường truyền và tiền khuếch đại thì giá trị công suất bù BER thay đổi rất nhỏ so với

G Do vậy thực tế tuỳ theo hệ thống mà người ta chọn giá trị M thích hợp Ví dụ với hệ thống truyền hình thì có thể chọn số mức điều chế M = 32 hoặc 64 [5]

dụng

Trường hợp EDFA làm PA

Hình 4 Quan hệ giữa công suất bù vμ G

Hình 6 Công suất bù BER vμ G với số

mức điều chế M khác nhau

- EDFA lμm BA

- EDFA lμm LA

- EDFA lμm PA

Mối quan hệ giữa giá trị của công suất bù BER và hệ số khuếch đại G với số mức điều chế

M là 8, 16, 32 và 64 tại BER tương ứng với các công suất phát khác nhau -10, -5, 0, 5 và 10 dBm được thể hiện trên hình 7 Các tham số được sử dụng cho mô phỏng này là: khoảng cách từ nguồn phát tới EDFA, L

6

ư

=

=

1

0 10 BER

km 40

= ; khoảng cách từ EDFA tới bộ tách sóng PIN

; hệ số suy hao sợi quang

km

50

phát Ptx tăng thì giá trị của công suất bù BER tăng theo tương ứng, đồng thời khi công suất phát nhỏ (Ptx = - 10dBm), giá trị công suất bù BER hầu như không thay đổi theo G; chỉ khi công suất phát có giá trị đủ lớn, Ptx > 0dBm thì giá trị của công suất bù BER tăng khi hệ số khuếch đại G

của EDFA tăng

Hình 7 Công suất bù BER vμ G với số mức điều chế M khác nhau vμ công suất phát khác nhau

Hình 8 và 9 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và khoảng cách từ máy phát

đến bộ khuếch đại quang sợi EDFA, , khi khoảng cách tuyến là L = 90km Ta có nhận xét rằng, khi tăng từ 0 đến 90 km, tức EDFA dịch chuyển từ phía phát đến phía thu thì giá trị công suất bù giảm dần, giá trị công suất bù đạt cực tiểu khi EDFA được dùng làm tiền khuếch đại Kết quả mô phỏng cũng cho thấy với mọi hệ thống có số mức điều chế M khác nhau đều tồn tại giá trị bão hoà của hệ số khuếch đại G ( ) và giá trị này cỡ khoảng 25 dB Khi hệ số khuếch đại G thì giá trị của công suất bù BER sẽ không còn giảm theo L1 nữa Đồng thời từ hình 8 ta cũng có nhận xét rằng với M xác định, ta có thể chọn được các cặp tham số G, L1 để đạt cùng một giá trị công suất bù Từ đó thực tế trong thiết kế tuyến truyền dẫn cáp sợi quang, tuỳ theo điều kiện mà có thể chọn vị trí đặt EDFA và hệ số khuếch đại G để đạt giá trị công suất bù phù hợp

1

L

1

L

bh

G

bh

G

f

Hình 8: Mối quan hệ giữa công suất bù vμ khoảng cách L1 với Ptx, M khác nhau

Hình 9 Quan hệ giữa công suất bù BER vμ khoảng cách L1[km]

VI Kết luận

Bài báo đã tính được CNR ở đầu thu cho hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang trong cả ba phương án làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền và tiền khuếch đại Mối quan hệ giữa BER và CNR được khảo sát

Đồng thời bài báo cũng đưa ra một khái niệm và phương pháp tính toán mới về công suất bù BER cho việc thiết kế các hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua sợi quang Kết quả được tính toán, mô phỏng và so sánh với các tham số hệ thống khác nhau Các kết quả này có thể áp

dụng trực tiếp để thiết kế, nâng cấp các hệ thống truyền hình cáp CATV, đồng thời cho phép các nhà thiết kế hệ thống nâng cấp đến mọi giá trị BER mong muốn

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Quốc Dũng, Lê Văn Hải Phương pháp tính công suất bù BER cho thiết kế các hệ thống thông tin

quang Tạp chí Bưu chính viễn thông, chuyên san, p.20-23, 4/10, 2000

[2] Lê Trung Thμnh, Trần Đức Hân 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

[3] Bernard Sklar Digital Communications, Prentice Hall, 1998.

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

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

[5] 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.

[6] 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.

[7] A Pappert, D Lafaw Performance evaluation of a 64- QAM microwave fiber optic link wih a remote

external modulator, Proceedings of the Seventh Annual DARPA symposium on Photonic systems for antenna applications, 13-16, Jan., 1997

[8] F.V.C Mendis CNR requirements for Subcarrier Multiplexed Multichannel Video FM transmission on optical fiber, Electronic Letters, pp.72-74,Vol 25, No.1, Jan 1989

[9] Lê Trung Thμnh Nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu video được điều chế bằng phương pháp M – QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng bộ khuyếch đại quang sợi EDFA Tạp chí khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng, 5/2004♦