Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao (DWDM )

Kỹ thuật này ghép các tín hiệu quane có bước sóng khác nhau lại và truyền đi trên một sợi quang duv nhất, do vậy tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ thống.. Công nahệ này tăng được dung l

] / - k > / S ò

HÀ NỘI - 2002

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PA Pre-Amplifier

2.5.1 Cấc bước phân tích, tối ưu theo cách tiếp cận quỹ công suất và O SNR 35

3.1 Giới thiệu chung 47

3.6 Tính toán, phàn tích các thông sô của hệ thống theo quỹ công suất và theo

3.7 Xem xét hệ thống trén quan điểm sử dụng bộ tiền khuếch đại bơm từ

xa(RO PA), khuếch đại Raman và mã sửa lỗi trước FEC-Cấu hình Festoon 80

Chương 4: KẾT LUẬN 99

Thõng tin sợi quana đã có những bước phát triển nhảy vọt trong vài thập kỷ gần đây,

và đã có những tác động mạnh mẽ trong nhiều mặt của kỹ thuật viễn thông Đặc biệt trong truyền dẫn, thống tin sợi quang đã đóng một vai trò chủ đạo, đáp ứng được nhu cầu về băng thồne cũng như đảm bảo được nhữns yêu cầu về chất lượng truyền dẫn

Hệ thốns thông tin quang bước đầu được khai thác với dung lượng hệ thống nhỏ, vài chục Mbiựs(PDH) v ề sau, dung lượng này đã tăng lên một cách đáng kể cỡ vài trăm Mbit/s hay lớn hơn 2,5Gbit/s Trone những năm đầu thập kỷ 90, con số này cũng là một điều đáng kinh ngạc

Tuy nhiên trong những năm gần đây, trước sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ thoại, phi thoại mà đặc biệt là Internet và các dịch vụ yêu cầu băng rộng khác, nhu cầu về băng thôns đối với từng thêu bao tăng lên, tạo ra một sự bùns nổ về dung lượng Điểu này đặt lên vai các nhà cung cấp dịch vụ đường trục những thách thức

mới Việc sử dụng kỹ thuật TDM để nâng dune lượng của tuyến đường trục cũng có khả năng đáp ứng được phẩn nào song cũng gặp phải những hạn chế do bản thân kỹ thuật này gây ra Việc tăng tốc độ truvền trên kênh từ 2,5Gb/s(STM-16) lên 10Gb/s(STM-64) hiện nay đã có Tuy nhiên với tốc độ cao hơn nữa việc này trở nên rất khó khăn, khó trở thành hiện thực khi chỉ sử dụng công Iishệ TDM để nâng cấp dung lượng đường trục trong tương lai

Mot sự lựa chọn khác cho các nhà cung cấp đó là việc sử dụng công nghệ truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng mật độ cao(DWDM) để tăng dung lượng của

hệ thôn2 Kỹ thuật này ghép các tín hiệu quane có bước sóng khác nhau lại và truyền đi trên một sợi quang duv nhất, do vậy tăng dung lượng truyền dẫn trên hệ

thống Công nahệ này tăng được dung lượng truyền dẫn trên một sợi quang mà không cần phải tănạ tốc độ của từng kênh trên mỗi bước sóng quang

Ngoài vấn đề này ra, DWDM còn tạo ra được khả năng linh hoạt về dung lượng Như đã biết, DWDM kết hợp các bước sóng quang lại với nhau và truyền trên một sợi quang duy nhất, nên mỗi bước sóng này lại có thể hoạt động ở các tốc độ khác nhau với các định dạng khác nhau(SDH, ATM, số liệu )

Bên cạnh lợi ích to lớn về dung lượng, DWDM còn là bước đầu tiên trên con đường tiến tới hiện thực hoá lớp mạng toàn quang Khái niệm toàn quang ở đây nhằm để chỉ nhà cuns cấp dịch vụ có thể truy xuất lưu lượng ở mức quang tại các nút khác nhau Các bước sóng quang có thể được tách/ghép vào đường truyền m à khôna cần

phải thông qua các thiết bị đầu cuối SDH Việc kết hợp giữa các bộ xen/tách quang(OADM), bộ ghép/tách DWDM và các bộ nối chéo quang(OXC) tạo cho các nhà cung cấp dịch vụ có được mạng quang hiệu quả, dung lượng lớn và linh hoạt

Về mặt kỹ thuật, việc thiết k ế một hệ thống truyền dẫn DWDM với những yêu cầu

khoảng cách kết nối xa, dung lượng lớn, mật độ ghép cao cũng đã nảy sinh ra nhiều vần đề cần quan tâm Các hệ thống đường trục cáp quang Việt Nam hiện nay chỉ khai thác đơn kênh Viêc triển khai hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) trên các tuyến trục của nước ta là hướng đi đầy hứa hẹn, đáp ứng các như cầu về truyền dẫn hiện tại cũng như trong tương lai Đề tài này cố

gắng mang lại những hiểu biết chuns về truyền dẫn quang ghép kênh mật độ cao (DWDM) và ứng dụng thiết k ế hệ thống cáp quang biển trục Bắc - Nam

ihống Tuy nhiên trone khuôn khổ hạn chế của đề tài, các hiệu ứng phi tuyến trong chương này được giới thiệu những nét chính, để xác định những mặt lợi cũng như

cách hạn chế những ảnh hưởng xấu của chúng đến hệ thống truvền dẫn quans Chương 2 xây dựng phươns án thiết k ế hệ thống DWDM, trên các cở sở xem xét hệ thống các mặt: Quỹ thời gian của hệ thốnơ, quỹ công suất-OSNR của hệ thống và tránh các ảnh hưởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến đến chất lượng đường truyền Chương 3: Kết quả thu được tư chương 2 là tiền để quan trọn? trons việc thiết kế hệ thốns cáp quang biển trục Bắc-Nam sử dụng cônơ Iishệ DWDM Xem xét các kỹ thuật khả thi để sử dụng cho cấu hình hoa cung, và lựa chọn ra cấu hình phù họp nhất cho hệ thống cáp biển trục Bắc-Nam trên cơ sở sử dụng các kỹ thuật ROPA, khuếch đai RAMAN, FEC Phương án phân bổ bước sóng, iưu lượno, kết nối SDH, kết nồi với hệ thống đườns trục trên đất liền cũng được trình bàv trong chương này

Chương 4 là phần kết luận, và cuối cùng là phần phụ lục

duns lượng của hệ thống là sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng K ỹ thuật

ghép kênh theo bước sóng thực hiện ghép các bước sóng quang khác nhau lại với nhau và truyền đi trên một sợi quang duy nhấtịxem hình 1.1) [2][11 ] [23].

1.1.1 G hép thưa

Trong hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng ghép thưa(CWDM), các bước sóng ahép lại với nhau tại đầu thu và tách ra tại đầu phát Trong hệ thống này các bước sóng cách nhau rất xa, thường là thuộc các cửa sổ truyền dẫn quang khác

nhau Cách ghép này thường dùng cho các ứng dụng tốc độ thấp [11]

1.1.2 G hép m ật độ cao D W D M

Đối với hệ thốne ghép kênh quang mật độ cao(DWDM) vấn đề trở nên phức tạp hơn

nhiều Chữ "mật độ cao" ở đây V muôn nhấn mạnh đến khoảng cách giữa các kênh

rất gần nhau Tuv nhiên như thế nào thì được gọi là một độ cao thì có nhiều cách

hiểu khác nhau, một số cho rằng với khoảng cách kênh khoảng 3,6nm, một số khác cho rằng khoảng cách này là lnm hay nhỏ hơn[l 1][23J

Hình 1.2 mô tả hệ thống ghép kênh quang mật độ cao DWDM điểm-điểm Mỗi

kênh được gắn với một bước sóng Thường các kênh quang này cách nhau 1 khoảng lnm (gọi là độ rộns kênh), và tín hiệu truyền đi phải nằm trong kênh quang này Nói chuna độ rộng kênh này phải lớn hơn độ rộna; của tín hiệu và phụ thuộc vào nhiều vấn đề như độ rộng phổ của nsuồn quans được điều chế, độ ổn định của nó, và dung sai của các phần tử trone hệ thống[8]

Ghép kênh

BA: Khuẽch đại cô ns suất

LA: Khuếch đại đường truyền

PA: Tiền khuếch đại

0 6 9 2 mhàm đám bảo được khả nãng tươne thích giữa nhà sản xuất khác nhau Có thể sứ dụng các bộ chuyên đổi hước sóng tron2 các trường hợp cần thiết như khi không có sự tương thích về bước sóng[8]Ị19].

Các bộ g h ép kên h và tách kên h(M U X ID E M U X ):

Tại đầu phát, bộ ghép kênh thực hiện ghép các tín hiệu phát tại các bước sóng khác

nhau vào một sợi quane duy nhất Các bộ tách kênh thực hiện tách tín hiệu đã 2hép lại này thành các bước sónơ khác nhau ở đầu thu Các bộ ghép kênh, tách kênh này thường được xây dựng dựa trên các bộ lọc quang, các bộ coupler, FBG,

A W G Trong đó bộ lọc quang là thành phần cơ bản của các bộ ghép kênh và tách kênh[8][19]

Các hộ k h u ế c h đại quang:

Khuếch đại quang đã đem lại nhiều lợi ích cho các mạng quang có cự li truyền dẫn

xa cũng như mạng quang nội vùng Khuếch đại toàn quang khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ: nó chỉ thực hiện khuếch đại công suất của tín hiệu, không phục hổi lại dạng hoặc định thời lại tín hiệu Kiểu khuếch đại này gọi là khuếch đại 1R,

có tính trons suốt về mặt số liệu(quá trình khuếch đại độc lập với dạng điều chế của tín hiệu) Khuếch đại 1R đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền dẫn quang DW D M ngày nay, và sẽ là sự lựa chọn của mạng toàn quang trong tương

lai [19]

Khuếch đại quang sử dụng nguvên tắc phát xạ kích thích, tương tự như cách tiếp cận trong laser Hai dạng cơ bản của khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA và các bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm EDFA Trong đó bộ khuếch đại quang bán dẫn SOA thường dùng trong các ứns dụns chuyển mạch, bộ chuyển đổi bước sóng Nó có khả năng khuếch đại đồng thời tín hiệu trong băng

l,3fim và l,5|.im Tuy nhiên, nó ít được dùng trong hệ thống DWDM do xuyên âm

của nó rất mạnh Bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng rộng rãi trong các hệ

thống truyền dẫn DWDM EDFA hoạt động ở cửa sổ sóng l,5ịim Kha năng khuếch

6

-+ Bộ khuếch đại công suất(BA): Bộ này thườne được đặt ngay sau nguồn phát quang, có chức năng khuếch đại công suất quang lên một mức cao Trong hệ thống DWDM, BA thường được dùng để khuếch đại tín hiệu sau bộ ehép kênh trước khi truyền trên sợi BA có thể tích họp với bộ ghép kênh hoặc có thể tách riêng.

+ Bộ tiền khuếch đại(PA): Bộ này thườns được đặt trước máy thu Nó được thiết k ế

để có chức năng khuếch đại với hệ số khuếch đại cao và mức nhiễu thấp PA có thể được tích hợp với bộ tách kênh hoặc có thể tách riêns

+ Bộ khuếch đại đường truyền(LA): Bộ này thường sử dụng trên tuyến có chức năng

khuếch đại các tín hiệu đã bị suy giảm trên đường truyền Nó thường được thiết k ế trên cở sở các bộ BA và PA

Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố đất hiếm Erbium(EDFA) hoạt động dựa trên nguyên lí: Bức xạ cưỡng bức và sự đảo lộn mật độ Bộ khuếch đại EDFA có độ

rộng băng khoảng 30nm hoạt động ở cửa sổ sóng thứ 3(1530 -ỉ- 1565nm) Độ rộng

băng của khuếch đại xác định phạm vi tần số(bước sóng) hoạt động có hiệu quả của

bộ khuếch đại Độ rộng băng khuếch đại sẽ hạn chế số lượng bước sóng trone hệ thống khi biết khoảng cách ghép giữa các bước sóng Công suất ra cực đại của bộ EDFA nằm trong khoảng từ 17dBm đến 27đBm(thường khoảng 20dBm), và có chỉ

số nhiễu (NF) khoảng từ 4 -ỉ- 6 dB

Nguồn bơm cấp năng lượng cho bộ khuếch đại EDFA thường có bước sóng 1480nm

và 980nm Bơm ở bước sóng 1480 có hiệu suất thấp hơn so với bơm ở bước sóng

980nm Mức độ đảo lộn mật độ khi sử dụng nguồn bơm 1480nm cũng thấp hơn điều này cũng có nghĩa là mức độ nhiễu tự phát(ASE) cũng cao hơn so với nguồn bơm 980nm Tuy nhiên các Laser bơm tại bước sóng 1480nm có công suất phát lớn hơn

so với các laser 980nm, và hoạt động ở vùng cửa sổ NÓ ne có mức suy hao ihâp hơn

Do vậy trong một số trường hợp laser bơm 1480nm có thể đặt ở xa bộ khuếch đại nhằm tránh phải đặt thêm các phần tử tích cực trên đường truvền.

Trong các bộ khuếch đại quang, nguồn nhiễu chủ yếu là phát xạ tư phát được

khuếch đại(ASE), do các photon phát xạ tự phát trons miền hoạt tính của bộ khuếch đại Nhiễu của bộ khuếch đại trở thành vấn đề khi có nhiều bộ khuếch đại được ghép nối tiếp với nhau trên đường truyền, nhiễu của bộ khuếch đại trước sẽ được bộ khuếch đại phía sau khuếch đại, nên nhiễu ngày cans được tích luỹ dần lên[8][19]

Sợi quang:

J

Sợi quang được sử dụ n s nhiều nhất hiện nay là sợi quang đơn mode tiêu chuẩn(G.652) Sợi dịch tán sắc(DSF) có tán sắc bằng không ở bước sóng 1550m, nhưng không phù hợp với hệ thống DWDM do hiệu ứng trộn bốn sóng(FWM) xảy

ra rất nghiêm trọng Sợi quang mới NZ-DSF có mức tán sắc thấp ở cửa sổ sóng thứ

3 Loại sợi này rất phù hợp cho các hệ thông DW DM có cự li dài Trong một số trường họp khi phải đối mặt với vần đề về quỹ công suất người ta có thể sử dụng loại sợi quang tinh khiết PSCF, có mức suy hao rất thấp(0.19 dB/km)[5][8][19]

lỗ trống ở miền n chạy sang miền p, kết quả là ta có dòng điện Một trons những thông số quan trọng của photodiode là độ nhạy thu, nó thể hiện khả năng tách được mức nãng lượng ánh sáng nhỏ nhất, tham số này quyết định độ dài đường truyền của

hệ thống theo giới hạn về quỹ công suất[8][ 19]

tính, có nghĩa là, suy hao và chiết suất của sợi khỏna phụ thuộc vào công suất của tín hiệu Tuy nhiên khi cóng suất tín hiệu quang đạt đến mức iươna đối cao, chúng

ta cần phải xem xét đến các ảnh hưởns của hiệu ứng phi tuvến Thực tế cả suy hao

và chiết suất đều phụ thuộc vào côns suất quang trong sợi quang Các hiệu ứng phi tuyến có thể gây ra những giới hạn đáng kể cho các hệ thống hoạt động ở tốc độ cao như các hệ thống DWDM

Các hiệu ứno phi tuyến có thể chia thành hai loại Loại thứ nhất xuất hiện do các hiệu ứng tán xạ trong môi trường sợi quang do tác độnạ của sóng ánh sáng với các phonon(2Íao động của phân tử) trons môi trườns silica Hai hiệu ứng chính trong loại này là: Tán xạ kích thích Briilouin(SBS) và tán xạ kích thích Raman(SRS) Loại thứ hai xuất hiện là do sự phụ thuộc của chiết xuất vào công suất quang Loại này gồm có các hiệu ứng: Trộn bốn sóns(FW M ), tự điều chế pha(SPM), và điều chế pha chéo(CPM)

Trừ hiệu ứng SPM và CPM, các hiệu ứng còn lại đều chuyển một phần năng lượng

lừ kênh này sang kênh kia SPM và CPM chỉ ảnh hưởng đến pha của tín hiệu và gây

ra dãn xung làm tăng độ thiệt thòi tán sắc

Tươns tác phi tuyến phụ thuộc vào độ dài truyền dẫn và diện tích mặt cắt ngang của sợi Độ dài truyền dẫn càng dài, tương tác càng nhiều và ảnh hưởng của hiệu ứng phi

tuyến càng tăng lên Mặt khác khi mà tín hiệu truyền đi công suất của nó giảm dần

do suy hao của sợi, các hiệu ứns phi tuvến cũng giảm dần Đê biểu diễn hiệu ứng này người ta đưa ra khái niệm độ dài hiệu dụng Le Giả sử p là công suất phát ghép

vào sợi và P(z) = p e “z là công suất tại điểm z, a là hệ số suy hao L là độ dài truyền

dẫn thực tế, độ dài hiệu dụna được định nghĩa như sau(xem hình 1.3):

độ dài hiệu dụng trong hệ thống là tổng của các độ dài hiệu dung Với khoảng

truyền dẫn L và khoảng cách giữa các trạm lặp , độ dài hiệu dụng xấp xỉ tính nhưsau:

Trong đó, r và 0 là toạ độ cực Tronơ các trườna hợp ở đây, A e là diện tích hiệu

dụng của lõi sợi đơn mode, xấp xỉ 5 0 ụ m 2, giả thiết đường kính lõi sợi là 8|im Trong

các hiệu ứng tán xạ, năng lựợng truyền từ bước sóng này sang bước sóng đài hơn(năng lượng thấp hơn) Năng lượng mất đi bị hấp thụ bởi dao động của phân tử hay phonon của môi trường (dạng phonon trong SRS và SBS là khác nhau) Bước sóng thứ hai này 2Ọ1 là bước sóng Stoke Tín hiệu có thể coi là bước sóng bơm và tạo

ra khuếch đại tại bước sóng Stoke(bước sóng được truyền năng lượng) Khi tín hiệu bơm truyền trong sợi quang, năng lượng của nó bị mất dần và truyền năng lượng sang bước sóng Stoke Trong trường hợp của chúng ta, sóng bơm là sóng tín hiệu, còn bước sóng Stoke là sóng không mong muốn xuất hiện do quá trình tán xạ Nói chuno các hiệu ứng tán xạ đặc trưng bởi hệ số khuếch đại g, đo bằng m/w và độ rộng phổ Af mà có khuếch đại

(Ae/pi)1/2 Bán kính

H ìn h 1.4 D iện tích m ặt cắt hiệu d ụ n g A e

Hiệu ứng tán xạ phi tuyến phu thuộc vào tích PLC, nên nó tăng khi công suất đầu vào

và độ dài truyền dẫn tăna Đường Iruyền càng dài thì phần năng lượng càng lớn

12

-truyền từ tín hiệu sang bước sóng Stoke Đối với một đường -truyền cho trước, giới

hạn mức công suất tương đối mà tại đó hiệu ứng phi tuyến trở nên đáng kể thì gọi là mức công suất ngưỡng Đối với một độ dài sợi cho trước, công suất ngưỡng tán xạ phi tuyến được định nghĩa theo cỏns suất quang tới trên mỗi kênh ghép vào sợi và đầu ra công suất quang trên bước sóng bơm và bước sóna Stoke bằng nhau Trong

các hệ thống khuếch đại, công suất ngưỡng giảm do tăng độ dài hiệu dụng Điều này làm cho các hệ thốno sử dung khuếch đại nhạy cảm hơn đối với các hiệu ứng phi tuyến

1.2.1 T án xạ kích thích B rilloitĩ(SB S)

Trong trường hợp SBS, các phonon liên quan là các phonon âm học, và tương tác

xảy ra tronơ một độ rộng băng rất hẹp AfB=20MHz tại bước sóng l,55ụm Hơn nữa

bước sóng bơm và bước sóng Stoke truyền ngược chiều nhau Do đó SBS không gây

ra các tươne tác giữa các bước sóng khác nhau, miễn là khoảng cách giữa các bước sóng lớn hơn nhiều 20MHz Tuy nhiên SBS có thể gây ra méo đáng kể trong kênh tín hiệu SBS tạo ra hệ số khuếch đại ngược với hướng truyền của tín hiệu, hay về phía nguồn phát Do đó nó làm cho tín hiệu phát bị suy giảm và tạo ra một tín hiệu mạnh truyền ngược lại phía đầu phát, và phía phát cần phải được bảo vệ bởi bộ cách

li Hệ số khuếch đại SBS là gB xấp xỉ 4 x icr' 'mẠV,không phụ thuộc vào bước sóng

Cường độ của sóng bơm Ip và bước sóng Stoke Is quan hệ với nhau theo hai phương trình sau:

giá thiết rằng bước sóns bơm khôns bị cạn kiệt Có thể bỏ qua đại lượng -gBIpIs phần phía bén phải phương trình (1.4) Với giả thiết này (1.4) và (1.5) có thê giải được với độ dài truyền dẫn L:

Chú V rằng đầu ra của bước sóng bơm tại Z=L, nhưng đầu ra của bước sóng Stoke tại

Z -0 do hai sónơ này truyền ngược chiều nhau.

Việc tính toán công suất ngưỡng Pth khá phức tạp, chúng ta có công thức xấp xỉ như

1< b < 2, phu thuộc vào độ phân cực tương đối của các bước sóng bơm và Stoke Giả thiết rằng giá trị xấu nhất của b = l, chúng ta có P,h=I,3m W Đây là một giá trị thấp, do vậy khi thiết k ế hệ thống truyền dẫn quang cần phải chú ý để giảm thiệt thòi do SBS

Biểu thức trước giả thiết rằng tín hiệu bơm có độ rộng rất hẹp và nằm trong độ rộng băna khuếch đại SBS Cône suất nsưỡns tăng đáng kể nếu tín hiệu có độ rộng băng lớn do đó cônơ suất bơm nằm ngoài độ rộng băng khuếch đại SBS 20MHz Biểu thức xấp xỉ kết hợp chặt chẽ hiệu ứng này như sau:

trong đó AĨM,urLC là độ rộng băng của nguồn Với Afsolirce=200MHz, và giả thiết b = l,

mức ngưỡng tăng lên 14.4mW

14

-Độ thiệt thòi SBS có thể giảm theo các cách sau:

] Giữ công suất trên các kênh dưới mức ngưỡng SBS Tuy nhiên, trong hệ

thống có cự li truyền lớn điểu này có nghĩa chúng ta phải giảm khoảng lặp giữa các trạm khuếch đại

2 Do độ rộng của băng khuếch đại của SBS rất nhỏ, hiệu ứng của nó có thể giảm khi tăng độ rộng dải của nguồn Điều này có thể thực hiện được nhờ vào việc điều chế laser trực tiếp(gây ra dãn rộng phổ nguồn do chirp) Điều này gây nên nhữns thiệt thòi đáng kể về tán sắc Tuy nhiên độ thiệt thòi tán sắc có thể giảm nhờ vào việc quản lí tán sắc phù hợp Một cách tiếp cận khác

đó là rung tần số của laser một chút 200MHz, nó không gây ra độ thiệt thòi

về tán sắc lớn nhưnơ nó tăng mức cỏnơ suất ngưỡng của SBS Cách tiếp cận này thường được sử dụns tronẹ các hệ thốn® truyền dẫn tốc độ cao với công suất phát cao

3 Sử dụng điều chế pha thay cho điều chế biên độ Điều này sẽ giảm công suất

tronẹ sóng mang quane, do đó giảm thiệt thòi SBS Trong trường hợp này độrộng nguồn có thể tỷ lệ với tốc độ bit Tuy nhiên đây không phải là sự lựachọn trong đa số các hệ thống

1.2.2 Tán xạ kích thích R a m a n (SR S )

Khi hai hay nhiều tín hiệu tại các bước sóng khác nhau ghép vào sợi quang, hiệuứng SRS gây nên hiện tượng chuyển năng lượng từ bước sóng ngắn hơn sang bướcsóng dài hơn(xem hình ] 4) Không giống như SBS, SRS là hiệu ứng băng rộng.Hình 1.5 biểu diễn hệ số khuếch đại theo hàm của khoảng cách bước sóng Hệ số

khuếch đai đỉnh 2r xấp xỉ 6 x lO 'l4mẠV tại bước sóng l,55fim, nhỏ hơn hệ số khuếch

đại của SBS Tuy nhiên, các kênh nằm trong khoảng cách 15THz(125nm) bị ghépvới nhau do hiệu ứng SRS Hiện tượng ghép xảy ra đối với cả hướng truyền và hướng ngược lai Hiện tượng ghép xảy ra giữa hai kênh chỉ khi cả hai kênh truyền bít l(có nghĩa là năng lượng xuất hiện cả trong hai kênh) Do đó độ thiệt thòi SRS

Â1 X2 / 3 Â4 /U n Ầ3 ) A

H ìn h 1.4 N ă n g lượng chuyển từ bước sóng ngắn sang bước sóng dài h ơ n -S R S

Khoảng cách kênh (nm)

H ìn h 1.5 Đ ư ờng cong biểu diễn hệ sỏ k h u ế c h đại S R S theo khoản g cách kênh.

Đê tính toán hiệu ứng SRS trong hệ thống đa kênh, chúng ta biểu diễn xấp xỉ đường khuếch đại Raman theo hình tam giác, tron2 đó hệ số khuếch đại Raman là hàm của

khoảna cách bước sóng AẤ như sau:

g ( Ả Ẩ ) =

AẴ AẨ.

, 0 < A Ẵ < AẴr ,0 > AẨ hay AẤ > AẦC

(1.10)

1 6

-ở đây chúng ta chọn AÀ ;=125nm Xét hệ thống w kênh cách đều nhau ÂÀS : 0,1, , W-1 Giả thiết ràng tất cả các kênh đều nằm trong độ rộng băng khuếch đại Raman

Điều này có nghĩa là độ rộng băng của hệ thống A=(W-1 )ÀẰS<ÀẦC Đâv là trường

hợp được quan tâm trong thực tế Độ rộng băng khuếch đại Raman là 125nm và các

kênh tronc hệ thống DW DM thườnc phải đặt trong phạm vi độ rộng băng 30nm phù hợp với độ rộng băng của các bộ khuếch đại quang

Kênh bị ảnh hưởng xấu nhất là kênh tươns ứng với bước sóng ngắn nhất, kênh 0, khi

có bit 1 ở tất cả các kênh Giả thiết rằng công suất phát ở tất cả các kênh là như nhau, không có tác động ảnh hưởng giữa các kênh Công suất của các kênh khác nhau giữ nguyên như nhau(giả thiết này tạo ra một lỏi nhỏ) Giả thiết các phân cực được trộn đều Đây là trường họp trons các hệ thống thực tế Trong các hệ thống sử dụng sợi duv trì phân cực, tương tác Raman tăng, và trong phương trình dưới đây không có hệ số 2 ở mẫu số Một phần nàng lượng được ghép từ kênh bị ảnh hưởng xấu nhất, kênh 0, truyền sang kênh i như sau:

Biểu thức này có thể rút ra từ các phương Irình sóne ghép đối với SRS tương tự như phương trình (1.4) và (1.5) Do vậy phần năng lượng ghép từ kênh 0 sang các kênh khác là:

\w -1

n = 2 > « ( 0 = / = ]

Xem xét tổng độ rộng băng của hệ thống A=(W-1)AA.S và tons cỏn2 suất phát đi P,„,=WP Do vậv kết quả có thể biểu diễn lại như sau:

Côna thức trước rút ra với giả thiết không có tán sắc trong hệ thóng Với sự xuất hiện của tán sắc thì vế phải có thể tãng lên 80.000 mW nm km

Mặc dù SRS khônơ phải là vấn đề đáng kể tronc các hệ thống với số lượng kênh nhỏ

do công suất ngưỡng tươnơ đối cao, nhưne nó có thể vấn đề nghiêm trọng irons các

hê thống với số lượng bước sóng lớn Để giảm bót ảnh hưởng của SRS chúng ta có

thể:

+ Giũ' cho khoảng cách giữa các kênh càng gần nhau càng tốt, và/hoặc

+ Giữ cho các mức cônơ suất dưới mức ngưỡng, điều nàv sẽ làm giảm khoảng cách giữa các trạm lặp

1.2.3 H iệu ứng trộn bốn sóng (F W M )

Phân cực phi tuyến làm cho ba tín hiệu tại các tần số fj, fj, fk tác động lẫn nhau và

tạo ra các tín hiệu tại các tần số fj ± fj ± fk Tronơ các tín hiệu này, thành phần tác hại

nhất là tín hiệu tương ứns với

Tuv thuộc vào từng tần số , tín hiệu tạo ra này có thể nằm vào hoặc rất gần một trong các kênh, kết quả là tạo ra xuvên âm đáng kể cho kênh này Trons hệ thống đa

kênh (W kênh) hiệu ứng này tạo ra W (W -1)2 tín hiệu xuyên nhiễn tương ứng với i, j , k (thay đổi từ 1 cho đến W) theo (1.13) Trong hệ thống với 3 kênh thì sẽ tạo ra 12 thành phân xuyên nhiễu như trong hình 1.6

PlolALe<40.000 mW nm km

(1.13)

Đ M ISO'

b) C ác th ành p h ầ n tần sô tạo ra do hiệu ứng F W M với 3 kênh

có kh oản g cách kênh k h ô n g đều nhau

Tẩn s ố quang

Hiệu ứng trộn bốn sóng phụ thuộc vào pha của các tín hiệu tương tác Nếu tất cả các tín hiệu xuyên nhiễu truyền với cùng tốc độ nhóm, như trong trường hợp không

có tán sắc, hiệu ứng trộn bốn sóng xảy ra mạnh hơn.

Nói cách khác, với sự xuất hiện của tán sắc, các tín hiệu khác nhau truyền với vận tốc nhóm khác nhau Do đó các sóng khác nhau luân phiên chồng lên nhau phù hợp

về pha và không phù hợp về pha, do vậy giảm hiệu suất trộn Sự khác biệt về vận tốc lớn hơn khi các kênh đặt xa nhau (trong hệ thống có tán sắc)

Chúng ta bắt đầu với công thức:

P; ijk ■fiìkn d ìjk '

Phương trình này giả thiết đường truyền độ dài L không có suy hao và tán sắc Pj, Pj,

và Pk là công suất của các bước sóng trộn và Pj|k là công suất của bước sóng mới

được tạo ra, ĩ ĩ là chiết suất phi tuyến (3,0x10"s firrr/W), và d i|k là hệ số suy giảm

Trong hệ thống thực tế, có cả tán sắc và suy hao Đẻ xem xét đến suy hao, chúng ta thay L bằng độ dài hiệu dụng Le Sự xuất hiện của tán sắc làm giảm hiệu suất trộn,

và chúng ta có thể biểu diễn bằng tham số r|jjk, để biểu diễn hiệu suất trộn của của 3

sóng tại các tần số fj, fj, fk Xem xét cả hai yếu tố này, phương trình trên có thể thay đổi như sau:

Đối với tín hiệu OOK, (công suất Pjjk có ảnh hưởng xấu nhất tại tần số fjjk khi các bit

1 được truyền đi đồng thời trên các tần số fị, fj và fk

Hiệu suất r |ijk giảm khi không có sự phù hợp về pha Ap giữa các tín hiệu xuyên

nhiễu tãng Hiệu suất biểu diễn như sau:

Trong đó , AỊ3 là độ chênh lệnh hằng số truyền giữa các sónẹ khác nhau Chú ý rằng

hiệu suất có thành phần biến đổi theo chu kỳ theo độ dài là các bước sóng xuyên nhiễu hơp và không hợp về pha Sự phù hợp về pha có thể tính toán như sau:

trong đó pr là hằng số truyền dẫn tại bước sóng Ằ.r(r = i,j,k)

Hiệu ứng trộn bốn sóng gây nên xuyên âm giữa các kênh Công suất xuyên âm tổng

đối với một kênh fc cho trước là V f Piịk Tronơ các hệ thống DWDM, bên cạnh

việc xem xét các biện pháp để giảm hiệu ứng FWM, cần phải tính toán thêm độ thiệt thòi do xuyên âm gây ra

Hiệu ứng trộn bốn sóng FW M là vấn để nghiêm trọng trong các hệ thống DVVDM

sử dụng sợi dịch tán sắc(DSF) nhưng thường không phải là vấn đề quan trọng trong

(1.16)

1 Khoảng các các kênh không bằng nhau: vị trí của các kênh có thể lựa chọn

kỹ để các thành phần nhiễu không đè lên các kênh số liệu trong độ rộng băng của máy thu Điều này có thể thực hiện được đối với số lượng kênh nhỏ trong một số trường hợp, nhưng cần phải tính toán kỹ càng vị trí các kênh chínhxác

2 Tăng khoảng cách giữa các kênh: làm tăng vận tốc nhóm giữa các kênh Điều này có nhược điểm là làm tăng độ rộng băng của hệ thống, và yêu cầu phải

có bộ khuếch đại quang có độ rộng băng khuếch đại rộng hơn Bên cạnh đó tâng độ rộng băng cũng sẽ làm tăng độ thiệt thòi do SRS

3 Sử dụng các bước sóng cao hơn 1560nm với sợi DSF, là do trong phạm vi nàv sợi có một lượng tán sắc đáng kể để giảm hiệu ứne FWM Tuy nhiên vấn đề

là thiếu những bộ khuếch đại tốt trong dải này Hệ số khuếch đại EDFA hiện nay giảm rất nhanh đối với nhũng bước sóng lớn hơn 1560nm Nshiên cứu

để mở rộng băng của bộ khuếch đại EDFA đang được thực hiện để có thể truvền dẫn với cự li lớn tron2 băng sóng này

4 Như đối với các hiệu ứng phi tuyến khác, giảm công suất phát và khoảng cách các bộ khuếch đại sẽ giảm độ thiệt thòi

5 Nếu các bước sóng có thể tách/ghép trên đoạn trung gian của đường truyền dẫn, chúng ta có thể tạo ra mức độ trễ khác nhau đối với mỗi hước sóng Điều

này có tác dụng ngẫu nhiên hoá mối quan hệ về pha giữa các bước sóng khác nhau

1.2.4 H iệu ứng tu diều c h ế p h a (SPM )

Độ dịch pha do hiệu ứns SPM gây ra được tính theo công thức sau đây:

Trons đó, là độ dịch pha phi tuyến, y là hệ số phi tuvến của sợi quang, Pin là công

suất quang ghép vào sợi, Le là độ dài hiệu duns sợi quang

Qua công thức trên ta nhận thấy, độ dịch pha phi tuyến tỷ lệ với công suất tổng của ánh sáng ghép vào sợi với độ dài hiệu dụng của sợi và hệ số phi tuyến của sợi Khi

Le và y không đổi việc tăng công suất phát sẽ làm tăng độ dịch pha ®

Đê hiểu hơn về cơ chế tự điều chế pha (SPM), hãy xem xét xung ánh sáng truyềnqua sợi Xung này sẽ có một hình bao với sóng mang quang

Cơ chế SPM xảy ra như sau: Độ dịch pha phi tuyến của sóng mang quang thay

đổi theo thời gian do cường độ của xung cũng thay đổi theo ihời gian Nhữns thay đổi về pha tiếp theo gây ra do Pjn(t), tươns ứng khi xung truyền dọc theo sợi quang

Do vậy <t> trở thành hàm phụ thuộc vào thòi gian O(t) Do tần số là sự dịch pha theo

thời gian, chúng ta có đO(t)/dt *0 Sự thay đổi về tần số như này gọi là chirping, và

hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tự điều chế pha (SPM)

Chiết suất của sợi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng truyền trong sợi(P) và mắt cắt

hiệu dụng của sợi (Ae), biểu diễn theo công thức sau:

SPM thuộc vào dạng hiệu ứng Kerr, xuất hiện là do sự phụ thuộc của chiết suất khúc

xạ của sợi vào cường độ ánh sáng Hiệu ứng phi tuyến này của sợi gây nên sự dịch pha cảm ứng tỷ lệ với cường độ của xung Do đó nhữns phần khác nhau của xung chịu những dịch pha khác nhau, và làm tăng hiện tượng chirp của các xung Hiện tượng chirp này của xung sẽ làm dãn rộng xung, tỷ lê với công suất của tín hiệu phát

đi Do đó SPM xảy ra mạnh hơn trong hệ thống sử dụng công suất phát cao Chirp cam ứng SPM gây ra hiệu ứng tán sắc mở rộng xung, do vậy điều này rất quan trọng

trong những hệ thống tốc độ cao mà đã có những giới hạn dán2 kể về tán sắc rồi Đối với những hệ ihống hoạt động ở bước sóng lOGb/s hay hơn hoặc những hệ thống có tốc độ bú thấp hơn mà có công suất phát cao, SPM làm tăng đáng kể độ dự trữ cho hệ thống do tán sắc gây ra Hiện tượno này ảnh hưởng chủ yếu đến hệ thống đơn kênh, trong hệ thốno đa kênh nó ảnh hưởng đến bản thân kênh đó

1.2.5 H iệu ứng điều chê p h a chéo (XPM )

Trong hệ thống DWDM, tín hiệu chép từ các kênh có cường độ rất cao ngay cả khi công suất trên mỗi kênh không cao, nó làm tăng các hiệu ứng phi tuvến phụ thuộc cường độ ở trên sợi Gây ra dịch pha phụ thuộc cường độ trong một kênh tăng lên do cường độ tín hiệu trên các kênh khác Hiệu ứng này là hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM)

Hiệu ứng điều chế pha chéo(XPM) này chỉ xảy ra trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng Khi các xunẹ quang được truyền đồng thời trong sợi quang, hiện tượng

dịch pha của một kênhcí*,) không chỉ phụ thuộc vào cườn? độ trên kênh đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của các kênh lân cận Trong trường hợp hệ thống có 3 kênh,

độ dịch pha của kênh thứ nhất 0 | được biểu diễn như sau:

xa nhau, các xung mà ban đầu truyền tạm thời là trùng khớp, thì không còn được duy trì như vậy nữa sau khi truyền qua một khoảng cách xác định, và không thể tác

độ n s lẫn nhau hơn nữa Do đó ảnh hưởng CPM giảm Nhìn chung, tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang là yếu và phu thuộc vào chiều dài tương tác lẫn nhau

để tích luỹ đủ ảnh hưởng đáng kể Có nhiều cơ chế làm giảm chiều dài tác động ảnh hưởng lẫn nhau và làm giảm hiệu ứng phi tuyến Tuv nhiên chú V rằng trong sợi dịch tán sắc, các xung trong các kênh khác nhau chúng không truyền cách xa nhau mà do chúng truyền với tốc độ nhóm xấp xỉ nhau Do đó CPM có thể là vấn đề đáng kể trong hệ thống DWDM tốc độ cao(10 Gb/s hay cao hơn) hoạt động trên sợi dịch tán sắc.

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống D W D M so với hệ thống TD M

Đê đạt được cùng một dune lượng, có thể so sánh DWDM với TDM như sau:

/

ư u điểm:

+ Do sử dụng tốc độ bit thấp hơn nên, do đó khoảng cách giới hạn của hệ thống do

tán sắc gây ra lớn hơn so sới hệ thống TDM Ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực

PMD không gây nhưns giới hạn đáng kể với tốc độ bit 2,5Gb/s hoặc những tốc độ bít thấp hơn

+ Việc mở rộng dung lượng hệ thống có thể tiến hành theo module khi nhu cầu về dung lượng cần thiết bằng cách °hép thêm các bước sóng mới

+ Các hệ thống DWDM có thể thiết k ế là các hệ thống trong suốt Điều này cho phép các bước sóng có thể truyền với các tốc độ bít khác nhau với các định dạng giao thức khác nhau

+ DWDM thuận tiện hơn so với TDM khi thiết k ế những m ạns lưới phức tạp

Tuy nhiên bén cạnh đó hệ thống D W D M cũng có những nhược điểm khi so sánh với

hệ thống TDM :

+ Các hệ thống DWDM thường không phù hợp khi sử dụng sợi quang dịch tán sắc

DSF do hiệu ứng phi tuyến FWM gây ra những méo dạng tín hiệu rất mạnh trên loạisợi này

2 4

-+ Hệ thông DWDM yêu cầu có những thiết kế đặc biệt để có được đường đặc tính khuếch đại quane bằng phảng Hơn nữa hệ sô khuếch đại của các bộ khuếch đại cẩn phải không phụ thuộc vào số lượng bước sóng trong hệ thống đê dễ dàng hơn trong việc nâng cấp hệ thống

+ Hệ thống DW DM véu cầu có những thiết bị kết cuối riêng rẽ đối với từng kênh bao gồm cả những nguồn thu và phát quang đắt tiền Còn đối với hệ thống TDM chỉ cần có một thiết bị kết cuối duy nhất, tuv nhiên thiết bị nàv cần phải có những phần

tử điện cần thiết để shép và tách các luồng tốc độ thấp

+ Đối với hệ thống DW DM trong suốt, khả năng giám sát và quản lí mạng lưới là thấp hơn so với hệ thống TDM Nên chúng không biết được định dạn2 thực tế cũng như tốc độ bít thực tế trên từng kênh Do đó chúng khốn? thể giảm sát được các tham số như: tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi khung trong luồne số liệu Mặc dù các thông số này được kiểm soát ngay tại những thiết bị khác kết nối tới hệ thống DWDM Điều này đôi khi cũng tạo ra những khó khăn khi phải xác định lỗi xảy ra trong hệ thống

DW DM hay trong thiết bị phía sau nó

1.4 Kết luận

Chương này giới thiệu chung về công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao- DWDM Giới thiệu mô hình hệ thống DWDM điểm-điểm cùng các phần tử liên quan: Đầu phát, các bộ tách ghép kênh(MƯX, DEMUX), các bộ khuếch đại quang sợi EDFA, sợi quang, đầu thu Giới thiệu các hiệu ứng phi tuyến tuyến: Tán xạ

Brilloin (SBS), tán xạ Raman (SRS), hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM), hiệu ứng tự

điều chế pha (SPM) hiệu ứns điều chế pha chéo(XPM) Ánh hưởng của chúno đến

truyền dẫn quang, và các biện pháp nhằm giảm thiểu những tác động của các hiệu ứng này đến chất lượng đường truyền

CHƯƠNG 2:

T H IẾT KÊ HỆ T H Ố N G D W D M

2.1 Giới thiệu chung

Cho đến nay mạng truyền dẫn quang trên thế giới đã trở thành mạng truyền dẫn lớn nhất và phổ biến nhát Trước đây những hệ thống truyền dẫn quang sử dụng công nshệ PDH vói dung lượng lên tới 560Mb/s mà trong bản thân nó còn có nhữns vướng mắc về mặt tiêu chuẩn không được thống nhất giữa các khu vực trên thế giới Với bước phát triển hơn nữa trong công n°hệ truyền dẫn quang nhằm khắc phục nhược điểm không thống nhất về mặt tiêu chuẩn của PDH, côns Ii2hệ truyền dẫn

quang SDH ra đời và đã tạo ra được bước đột phá về dung lượns Các hệ thống SDH

có thể có dung lượna lên tới 2,5 Gb/s hay lOGb/s Tuy nhiên, các hệ hông PDH hay SDH nêu trên mới chỉ là các hộ thốns đơn kênh hoạt động ở cửa sổ sóng 850nm, 1310nm hay 1550 nm Cho đến nay các hệ thống đơn kênh kiểu này dườns như quá tải trước những nhu cầu đa dạng của dịch vụ, trước sự bùng nổ Internet trên toàn thế giới Nhu cầu về băng thông trên hệ thống truyền dẫn tăng lên rất cao, đòi hỏi cần phải có một hệ thống có khả năng tương ứng Hệ thống DW DM đã ra đời và đáp ứng được điều này với dung lượng của hệ thống có thể lên tới hàng TBit/s Việc thiết

k ế các hệ thốns truyền dẫn quang PDH mà đặc biệt là hệ thống truyền dẫn quang SDH sau này thường được tính toán dựa trên quỹ công suất và quỹ thời gian với một

tv lệ lỗi bit BER yêu cầu Tuy nhiên đối với hệ thống truyền dẫn quang DWDM, việc thiết kế hệ thốna cần phải có cách tiếp cận phù hợp hơn, xem xét đến các khía canh kỹ thuật đặc thù của hệ thống DWDM

Hệ thống DWDM có thể xem là sự xếp chồng của rất nhiều các hệ thốns đơn kênh

Vậv nên việc thiết k ế có thể dựa trên từng kênh riêng biệt dựa trên phương phát tiếp cận quỹ công suất và quỹ thời gian Tuy nhiên bên cạnh đó chúng ta phải xem xét đến vấn đề tránh các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trên sợi quang do công suất của các kênh quá cao kiểm soát nhiễu tích luỹ khi sử dụng các bộ khuếch đại quang liên

2 6

-tiếp trên đường truyền và từ đó kiểm soát được tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang(OSNR), tỷ lệ lỗi bit (BER)

2.2 Các bước thiết kê chung [8][25]

Hiện nay chưa có các bước thiết k ế hệ thống DWDM mang tính tiêu chuẩn nào do các yêu cầu thiết k ế trên thực tế rất đa dạng phong phú Trong đề tài này xin đưa ra một số bước chung nhất (xem hình 2.1) trong việc triển khai công việc thiết k ế nhưsau:

+ Xác định các thông số thiết k ế : Độ dài đoạn truyền dẫn, độ dài khoảng lặp khuếch đại quang, duns lượng kênh, sô' lượng kênh, khoảng cách kênh

+ Xây dựns sơ đổ hệ thống,

+ Phân tích, tối ưu hoá hệ thống,

+ So sánh các cấu hình khác nhau, tìm ra các cấu trúc hợp lí nhất

H ìn h 2.1 Các bước thiết kê ch u n g

2.3 Nguyên tắc thiết kê

Hệ thống được thiết k ế dựa trên các thông số xác định ở đầu vào Hệ thống gồm nhiều bước sóng được shép lại với nhau, cho nên về mặt nguyên tắc mỗi bước sóng

có thể hoạt động ở nhữnơ tốc độ khác nhau

Với cách tiếp cận quỹ thời gian, chúnơ ta kiểm soát được thời gian lên của các phần

tử trong hệ thống, mà liên quan đến nó là vấn đề tán sắc của hệ thống Như vậy với cách này chúng ta kiểm soát được tốc độ có thể trên từng kênh của hệ thốnơ Tuv nhiên cách tiếp cận này chưa kiểm soát được mức tín hiệu đến đầu máy thu, cũng như các hiệu ứng phi tuyến khác có thể xảy ra trên sợi

28

-Tlìeo cách tiếp cận vê quỹ côniỊ suất: Trone phương pháp này, tăng công suất đến

đầu thu có thể cải thiên được đặc tính của hệ thống Sư suy giảm chất lượng của mỗi phần tử trên đường truyền có thê biểu diễn bằng độ thiệt thòi công suất Do đó cóng suất phát đi có thê được xác định vào việc phán bổ độ thiệt thòi cốns suất trên mỗi

thiết bị để đạt được OSNR mone muốn Phương pháp này khỏna hoàn toàn hoàn hảo khi thiết kế các hệ thống quang hiện đại do việc tăng côns suất phát không thể khắc phục được các cơ chế suy giảm chất lượng của hệ thống như tán sắc, phi tuyến

Với hai cách tiếp cập thiết k ế hệ thống nêu trên, mỗi cách cho ta kiểm soát được hệ thốns ở một góc độ nhất định,, Để hệ thống có thể hoạt động được thì kết quả xem xét từ 2ÓC độ nào cũng phải đạt yêu cầu đề ra Tuy nhiên bên cạnh đó vấn đề xem

xét ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuvến đến đặc tính hệ thốns là rất quan trọng

Hệ thống được thiết k ế với các thông số phải đảm bảo tránh hoặc giảm thiểu các ảnh hưởng khôns tốt của các hiệu ứng phi tuyến này (như đã trình bày trong chương 1)

Có th ể nói nguyên tắc thiết k ế hệ thống ở đây là sự kết hợp íịiữa cách tiếp cận vê quỹ thời gian, quỹ công suất và việc khống c h ế những ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trên sợi quang.

2.4 Quỹ thừi gian của hệ thống [7][ 10J

Mục đích của việc xem xét quỹ thời gian lên của hệ thống là để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động được tại tốc độ bit dự kiến Ngay cả khi độ rộng băng của từng phần tử lớn hơn tốc độ bit, hệ thốns vẫn có thể không hoạt động được tại tốc độ bit đó Khái niệm thời gian lên dùng để xác định độ rộng băng của hệ thống được hợp thành từ những phần tử khác nhau Thời gian lên của hệ Ihống tuyến tính được định nghĩa là khoảng thời gian mà đáp ứng tăng từ 10% đến 90% giá trị đầu ra cuối cùns của nó khi đầu vào thay đổi nhảy bậc (Xem hình 2.2)

Vin Vout Ạ

T

0 ,9

-Hệ thốnơ tuyến tính

0,1 1

H ìn h 2.2 M in h h o ặ k h á i niệm thời gian lên của hệ thống T sỵs

Giữa độ rộng băng A/ và thời gian lên Tsvs trong hệ thống tuyến tính có mối quan hệ

tỷ lệ nghịch với nhau, và được biểu diễn theo công thức nổi tiếng sau[ 10]:

0 35

Mối quan hệ giữa độ rộng bãng A / v à tốc độ bít B phụ thuộc vào dang của tín hiệu

số Trong trường hợp sử dụng mã RZ, A / = B và BTsys=0,35 Trong trường hợp NRZ,

A/ ~ B/2 và BTSVS = 0,7 Trong cả hai trường họp, tốc độ bít này xác định giới hạn

trên thời gian lên lớn nhất có thể của hệ thống Thường trong hệ thống viễn thôns, Tsys phải được thiết k ế để đảm bảo nhỏ hơn giá trị cực đại, có nehĩa là[ 10]:

Trong hệ ihống truyền dẫn quang, ba phần tử chính là đầu thu đầu phát và sợi quang đều có thời gian lên tương ứng của nó Thời gian lên tổng của toàn bộ hệ thống liên quan đến Ihời gian lên của từng phần tử, có thể biểu diễn theo công thức dưới đây:

(2.3)

30

-Trong đó Ttr, Tfí và T là thời gian lên tương ứng của các phần tử: đầu thu, sợi

quang, đầu phát Thường thời gian lên của đầu phát T" cỡ vài ns đối với nguồn phát

là LED và cỡ o ln s đối với nguồn phát LASER Thời gian lén của đầu thu Tre nằm

trong phạm vi khoảng 0,05 -ỉ- 0,5ns, có thể ước tính từ phương trình (2.1) và (2.3) khi

biết thời gian lên của nguồn và sợi quang Thời gian lên của sợi Tfị thường bao gồm

tán sắc mode và tán sắc màu thông qua mối quan hệ sau:

Đối với sợi đơn mode, T mod=0, và Tfi = Tchr Tmod có thể tính xấp xỉ theo công thức

dưới đây đối với sợi đa mode chiết suất bậc:

Trong đó À X là độ rộng phổ của nguồn quans(độ rộng sụt đỉnh một nửa) Tham số

tán sắc D có thể thav đổi dọc theo đường truyền nếu các phần khác nhau có các thông số tán sắc khác nhau

Hê thốn2 DWDM thường sử dụng sợi đơn mode Do vậy, khôna có thành phần tán sắc mode, và thời gian lên Tmod=0 Lúc này trong, hệ thống ta chỉ quan tâm đến thời

gian lên do tán sắc màu gây ra mà thôi Tdir[7]| 10]

Trên đây chúng ta đã có được cơ sở về mặt lí thuyết để có thể kiểm tra, kiểm soát được thời gian lên của hệ thống hay chính là độ rộng băng của hệ thống Như trên ta

đã biết mối quan hệ tỷ ]ệ nghịch giữa độ rộng băng và thời gian lên của hệ thông theo công thức(2.1) Điều này có nghĩa là để tăng độ rộng băng của hệ thống cần phải giảm thời gian lên của hệ thống Theo công thức (2.3) ta nhận thấv sự phụ

thuộc thời sian lên của hệ thốna vào thời gian lên của từng phần tử trong hệ thống

Do vậy, từ mối quan hệ theo hai công thức trên, công việc kiểm tra thời gian lên của

hệ thống có thể tiến hành theo các bước sau đây:

1 Xác định thời gian lên lớn nhất của hệ thống để hệ thông có thể hoạt động được với tốc độ bít B và loại mã đường truyền cho trước tương ứng theo công thức (2.1) Thực chất của bước nàv là tìm ra giới hạn trên thời gian lên của hệ thống

từ bước 1 Do tại bước này nếu hệ thống sử dụng loại mã đườns truyền là RZ, chúno

ta có thể sử dụng loại mã N RZ để tăng thời gian lên của hệ thống Trong trường hợp vẫn chưa đảm được yêu cầu về thời gian lên của hệ thống, hoặc không thể đổi loại

mã đường truyền, hoặc đã dùns loại mã này rồi, chúns ta phải tiến hành việc điều chỉnh thời gian lên của hệ thống liên quan đến bước thứ 2 Trong bước thứ hai này,

chúng ta đã biết thời gian lên của hệ thống được tính toán theo còna thức:

TL = T; + 7}; + T;

32

-Theo công thức này thời gian lên của hệ thống Tsys có thể coi là một hàm phụ thuộc

vào 3 biến số là Ihời gian lên của đầu phát Ttr, thời gian lên của đầu thu Trc, và thời

gian lên của sợi quang Tfi Vậy nên việc điểu chỉnh thời gian lên của hệ thống sao cho nhỏ hơn thời gian gian lên lớn nhất của hệ thống Tsys.max có thể tiến hành theo các phươns án hoặc kết họp giữa chúng như sau:

1 Điều chỉnh, lựa chọn cả 3 thông số Ttr, Tfị và Tre để đạt được Tsys < Tsys_max

2 Cố định thời gian lên 2 trong 3 phần tử của hệ thống, dựa vào thời gian lên Tsys_max

và phươns trình (2.3) để tìm ra giới hạn trên lớn nhất thời gian lên của phần tử còn lại(Tmax,) Dựa vào kết quả này, chúng ta lựa chọn thời gian lên của phần tử còn lại

sao cho phù hợp, thoả mãn điều kiện T; < Tmax i (Tị thời gian lên của phần tử i trong

hệ thống, Tmax j là thời gian lên lớn nhất của phần tử ấy) Giả sử trường hợp ta biết thời gian lên của nguồn phát và đường truyền Chúng ta sẽ lựa chọn thời gian lên của đầu thu thoả mãn phương trình sau:

Việc lựa chọn các phần tử có thời gian lên nhỏ, có nghĩa là độ rộng băng của các phần tử này rất lớn, cũng đồng nghĩa với việc phải chi phí tài chính nhiều hơn cho các phần tử này Vậy nên việc lựa chọn các phần tử này mang tính nhạy cảm cao và cần phải có sự cân đối giữa yêu cầu về kỹ thuật và giá thành của hệ thống

Đối với những hệ thống có cự li truyền dẫn ]ớn(xuyên đại dương) sử dụng các trạm lặp khuếch đại quang, mặc dù đã lựa chọn đầu thu và đầu phát có chất lượng rất cao song vẫn không đảm bảo được quỹ thời gian lên của hệ thống do thời gian lên của sợi quang lớn(cự li truyền dẫn lớn) Cụ thể ở đây thời gian lên của sợi quang liên quan đến tán sắc của sợi, theo công thức (2.7) Do vậy đặt ra vấn đề là việc quản lí tán sắc của hệ thốnơ như thế nào đê đảm bảo cho hệ thốnạ có thể hoạt động được với cự li truyền dẫn lớn như vậy

Thường đối với hệ thống khi mà đầu phát và đầu thu xác định, thì ta cũng xác định

được luốn tán sắc cho phép của hệ thống Khi tán sắc trong quá trình truyền đạt đến mức ngưỡng tán sắc cho phép của hệ thống, chúng ta phải tiến hành các biện pháp

bù tán sắc cho hệ thống Việc bù tán sắc cho hệ thống thườn2 có thể sử dụng sợi DCF hay NZ-DSF Việc bù tán sắc này dựa trên nguyên tắc sử dụng những phần tử

có tán sắc âm/dương xen kẽ nhau trên đường truyền để bù cho nhau Tuy nhiên đối với hệ thống DWDM, việc bù tán sắc này cũng không thể tiến hành tốt đối với tất cả các bước sóng mà chỉ có thể tiến hành bù tán sắc tối ưu ở một bước sóns nào đó, các bước sóng khác sẽ chịu một lượng tích luv về tán sắc nhất định trong quá trình truyền, do độ dốc đường đặc tính tán sắc của sợi quane được sử đụng Do vậy xét về mặt tán sắc, chúng ta không thể kéo dài cư li truyền dẫn của hệ thốna mãi được mà chỉ có thể tối đa hoá cự li truyền dẫn này Để truyền xa hơn nữa, hệ thống có thể cần phải có trạm lặp điện để loại bỏ hết tán sắc dư không bù lại được của các bước sóng trong hộ thốns Côn« việc bù tán sắc nàv có thể mô tả theo hình vẽ sau đây [ố]:

K h o ả n g cá ch tru y ề n d ẫ n (k m )

0

H ìn h 2.3 - S ơ đồ bù tán sắc sử d ụ n g sợi N Z -D S F và sợi S M F

Hình trên là việc bù tán sắc bằng cách sử dụng sợi có tán sắc âm và dương xen kẽ

nhau, sợi NZ-DSF và SMF Trên từng khoảng cách nhất định, bước sóng Ấị sẽ được

bù lán sác đê sao cho tán sắc lổng trên đoạn này bằng 0 Như đã biết hệ số tán sắc

34

-phụ thuộc vào bước sóng, nên các bước sóng khác Ằ| không được bù tán sắc hoàn

toàn, do vậy còn lượng tán sắc dư tích lũv trên từng đoạn Ví dụ trong hình vẽ trên là

các bước sóng Ằ.n Đến một khoảng cách nhất định, hệ thống có thể sẽ phải sử dụng

bộ lặp điện để loại bỏ tán sắc tích luv này

Đế xác định được lượng tán sắc cho phép của hệ thống DWDM, thông qua mối quan

hệ giữa thời gian lên lớn nhất của sợi quang, và mối quan hệ giữa thời gian lên của sợi với tán sắc màu, được biểu diễn thông qua mối quan hệ của các phương trình như sau:

Đối với sợi đơn mode, Tchr= T,j

Thay Tfi = Tchr ~ DLAÃ , rút gọn công thức theo tích DL ta thu được tán sắc cho phép

đối với hệ thống như sau:

Khi thời gian lên của đầu thu và đầu phát xác định, theo công thức (2.10) ta xác định được tán sắc cho phép của hệ thống

Đối với những hệ thống có tốc độ bít thấp (nhỏ hơn hoặc bằng 2.5Gb/s) thì ảnh

hưởng của tán sắc mode phân cực là không đáng kể và có thể bỏ qua trong công thức tính toán thời gian lên của sợi quang, cũng như của hệ thống