Báo cáo nghiên cứu khoa học xác ĐỊNH các THÔNG số tối ưu CHO TUYẾN THÔNG TIN sợi QUANG WDM sử DỤNG EDFA

XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG WDM SỬ DỤNG EDFA DETERMINATION OF THE OPTIMAL PARAMETERS IN WDM OPTIC FIBER COMMUNICATION LINK USING EDFA NGUYỄN VĂN TUẤN T

XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO

TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG WDM SỬ DỤNG EDFA

DETERMINATION OF THE OPTIMAL PARAMETERS IN WDM OPTIC

FIBER COMMUNICATION LINK USING EDFA

NGUYỄN VĂN TUẤN

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TRẦN NHẬT LINH

Trung tâm Dịch vụ Viễn thông khu vực 3 - GPC Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo xây dựng thuật toán, tính toán mô phỏng nhằm xác định các thông số tối ưu như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt bộ khuếch đại EDFA trên tuyến thông tin sợi quang đa kênh ghép kênh theo bước sóng (WDM) có khoảng cách truyền dẫn 250km

sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA sao cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR tại đầu máy thu lớn nhất Sau đó, xây dựng bảng kết quả và vẽ đồ thị cho phép xác định ngay các thông số tối ưu tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến và khai thác mạng

ABSTRACT

In this paper, we built the algorithm, simulated fiber optic communication link using WDM and EDFA for determination optimal parameters such as power of optical source, gain of EDFA and its location on the link in order to achieve the maximum of OSNR at the receiver We then calculated and found out the set of optimal parameters corresponding to the different distances (from 100km to 250km) and presented the results through tables and the graphs The results can be applied effectively in designing fiber optic communication link as well as in exploitation its operation

1 Giới thiệu

Công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch đại quang sợi EDFA cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên đáng kể mà không cần sử dụng thêm sợi quang, nên được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và được ứng dụng bước đầu ở Việt Nam Thông thường, khoảng cách giữa các thành phố không quá 250km, nên phạm vi của bài báo là khảo sát tuyến WDM có đặt một EDFA với khoảng cách truyền dẫn

250km

Bài toán được đưa ra là đặt EDFA ở vị trí nào trên tuyến để tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR tại máy thu đạt giá trị cực đại? Đặt ngay sau máy phát và bộ ghép kênh MUX (gọi là phương án BA), đặt trước máy thu và bộ giải ghép kênh DEMUX (gọi là PA) hay đặt trên đường truyền (gọi là LA) Nội dung của bài báo nhằm giải quyết bài toán nêu trên, đồng thời xác định các thông số tối ưu khác như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại EDFA tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km

2 Nội dung

Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có đặt EDFA ở 3 vị trí khác nhau được biểu diễn như hình sau:

Trong đú: TX1 TXn, RX1 RXn, lần lượt là cỏc mỏy phỏt quang và mỏy thu quang MUX, DEMUX là bộ ghộp và giải ghộp bước súng 1 n: là cỏc bước súng của cỏc kờnh được ghộp theo WDM

Vỡ tuyến truyền dẫn đang xột chỉ sử dụng một bộ khuếch đại EDFA trờn đường truyền nờn cú 3 trường hợp đặt bộ khuếch đại EDFA là đặt ngay sau bộ ghộp kờnh (BA), đặt trờn đường truyền (LA) và đặt ngay trước bộ giải ghộp kờnh (PA) như hỡnh 1 Ta xột trường hợp

tổng quỏt là đặt bộ EDFA trờn đường truyền (LA) cỏch mỏy phỏt một khoảng L1 và mỏy thu một khoảng L 2 (với L 1 =L 1 (1) +L 2 (1) ; L 2 =L 1 (2) +L 2 (2) ), khi đú BA và LA là 2 trường hợp đặc biệt:

BA tương ứng với L1 = 0, L 2 = L và PA tương ứng với L 1 = L, L 2 = 0

Sơ đồ khối của tuyến truyền dẫn quang xột đối với từng kờnh thụng tin được biểu diễn như hỡnh 2 sau đõy:

Tỉ số OSNR của một kờnh thụng tin h bất kỳ trong hệ thống WDM được xỏc định theo

biểu thức:

) (

) ( )

(

h noise

h sig h

f P

f P f

trong đú OSNR(fh ), P sig (f h ),P noise (f h ) lần lượt là tỉ số tớn hiệu trờn nhiễu quang, cụng suất tớn

hiệu hữu ớch và cụng suất cỏc loại nhiễu gõy ra trờn kờnh h tại đầu vào mỏy thu quang

Trong cỏc hệ thống WDM sử dụng EDFA, cỏc loại nhiễu thường xuất hiện là nhiễu phỏt xạ tự phỏt được kớch thớch (ASE) do EDFA gõy ra và nhiễu do cỏc hiệu ứng phi tuyến như trộn bốn bước súng (FWM), tỏn xạ Brillouin kớch thớch (SBS), tỏn xạ Raman kớch thớch (SRS), tự điều chế pha (SPM), điều chế chộo pha (XPM) Khi công suất quang mỗi kênh

<20mW và tốc độ bit <10Gbit/s thỡ 2 loại nhiễu chớnh tỏc động đến chất lượng tớn hiệu trong

hệ thống là nhiễu ASE và nhiễu FWM [2] Vỡ vậy tỉ số OSNR được viết lại như sau:

Mỏy

Phát

Mỏy Thu quang

L 1 (1) , L 2 (1)

P in (f h )

LA

L 1 (2)

, L 2 (2)

B 0

P sig (f h )

Hỡnh 2 Cỏc thành phần chớnh trong tuyến WDM khi xột một kờnh thụng tin riờng lẻ

 1

 n  1 ,  n

Sợi dẫn quang

 1 ,  n

 1

 n

RX1

RX n

TXn

TX1

Hỡnh 1 Sơ đồ khối tuyến WDM điển hỡnh cú EDFA

) ( )

(

) ( )

(

h ASE h

FWM

h sig h

f P f P

f P f

OSNR



Trong đó:

+ Công suất tín hiệu của kênh thông tin tại bộ thu (bị suy hao trên đường truyền và tại các mối nối) được biểu diễn bởi biểu thức:

2 10 )

2 ( 2 ) 2 ( 1 ) 1 ( 2 ) 1 ( 1

exp )

( )

L

h in h

P















+ Công suất nhiễu ASE gây ra trên kênh thông tin [4](cũng bị suy hao trên đường truyền và tại các mối nối):

) 2 ( 2 ) 2 ( 1 2 10 ) (

) 2 ( 2 ) 2 ( 1 1

)

1 (

)

L L

sp t h

P

















+ Công suất nhiễu FWM gây ra trên kênh thông tin (cũng bị suy hao trên đường truyền và tại các mối nối) được suy ra từ [1], [2], với một bộ EDFA trên tuyến:









h j i

h pqr h

Với:

2

2 1

) 2 ( 2 2 1

) 2 ( 1 1 1

1

) 2 ( 1 1 1

) 1 ( )

1 ( 2 ) 1 ( 1 1 3

2 1

) 1 ( 2 2 1

) 1 ( 1 1 1 1

1

) 1 ( 1 1 1

10 )

2 ( 2 ) 2 ( 1 ) 1 ( 2 ) 1 ( 1 1 2

3 2 2

2 4 0 6

) (

exp 1 ) (

exp

) (

exp 1 ) (

exp

) (

exp 1 ) (

exp

) exp(

1

10 ) (

exp ) (

1024 )

2



























































































































































































i

L i

L i i

L i

i L L G

i

L i L

i i

L i G

L L L L A

P d

c n f f f

f

L

eff

in k

j i

h

pqr

(6) Trong đó:  1,2 : phối hợp pha của sợi 1 và 2











































d

dD c f f f f D

c f f f

k j k i k

k k j k i

) ( 2

) (

) (

) (

2 ) )(

2

2 , 1 2

2

,

1

) ( 2 2 ) ( 1 1

)

L



n 0 : chiết suất của sợi; : bước sóng [m]; L 0: chiều dài mỗi cuộn cáp quang [m];

c: vận tốc ánh sáng [m/s]; P l (l=i, j, k): công suất của các kênh được đưa vào đầu sợi quang

[W];

d: hệ số suy giảm (d =3 nếu i = j  k, d = 6 nếu i  j  k); G: hệ số khuếch đại EDFA [lần];

: độ nhạy cảm phi tuyến bậc 3 [m3/W.s]; 2 : suy hao mối hàn [dB];

A eff : diện tích hiệu dụng của lõi sợi [m2], cho gần đúng bằng diện tích thật của lõi;

 1 : suy hao của 2 loại sợi [1/m], 2 loại sợi có tán sắc khác nhau nhưng có cùng suy hao

D 1,2 ( k ): tán sắc của 2 loại sợi tại bước sóng  k [s/m2];

3.Thuật toán tính toán các thông số hệ thống

Dựa vào các biểu thức từ (2) đến (6) chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán xác định các thông số tối ưu như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt EDFA như hình 6

4 Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận

Ðể kết quả tính toán lý thuyết sát với thực tế nhưng không làm mất tính tổng quát của bài toán, giá trị của các tham số tính toán được lựa chọn dựa vào các giá trị tiêu biểu của chúng trong thực tế Phần mềm tính toán mô phỏng được sử dụng là Mathcad2001 và Excel

L 1 (1) , L 2 (1) là chiều dài của 2 loại sợi quang có tán sắc khác nhau được sử dụng trong phân

đoạn đường truyền đặt trước EDFA và L1 (2) , L 2 (2) đặt sau Chúng tương ứng với sợi quang đơn mode SMF có tán sắc D1=18ps/nm.km và sợi dịch chuyển tán sắc DSF có tán sắc D2 = -2ps/nm.km với tỉ lệ chiều dài của 2 loại sợi này trong mỗi phân là 4,76/45,24 [2] để thực hiện

bù tán sắc tại bước sóng 1550nm Độ biến thiên tán sắc theo bước sóng của 2 loại sợi là

dD 1,2 ()=0,07ps/nm.km

Các tham số cơ bản của tuyến truyền dẫn được trình bày trong bảng 1 sau đây [1][2],[3],[4]:

m3/W.s Diện tích hiệu dụng của lõi sợi Aeff = 50.10-12 m2

Số mode truyền của quá trình phân cực mt = 2

Băng thông quang của bộ lọc quang i trước mỗi bộ thu B0 = 0,1nm  12,5GHz

Dải công suất của máy thu tại mỗi kênh thông tin -25dBm  -10dBm

Kết quả tính toán và mô phỏng được thể hiện như sau:

Vị trí đặt EDFA tối ưu trên tuyến là đặt cách bộ phát quang 56km tương ứng với mức công suất phát quang từng kênh (sau bộ MUX) là 2dBm, hệ số khuếch đại của EDFA là 13dB

và khi đó tỉ số OSNR thu được của kênh thấp nhất (kênh số 4) trong 8 kênh là 42,9dB (hình 1)

1 2 3 4 5 6 7 8 42.9

42.95 43 43.05

Vi tri kenh

Hình 3 Quan hệ giữa OSNR theo các kênh tương ứng với Ptx=2dBm, G=13dB và bộ EDFA đặt cách bộ phát quang 56km Kênh số 4 tương ứng với OSNR thấp nhất nên là kênh được chọn để khảo sát thêm mối quan hệ giữa công tín hiệu, nhiếu, OSNR theo hệ số khuếch đại G

của EDFA

100

81.25

62.5

43.75

25

6.25

12.5

31.25

50

Cong suat nhieu FWM

Cong suat nhieu ASE

Cong suat tin hieu

He so khuech dai (dB)

.

Hình 4 Quan hệ giữa công suất nhiễu FWM, ASE

và công suất tín hiệu của kênh 4 với Ptx=2dBm

theo hệ số khuếch đại G

0 20 40 60

He so khuech dai (dB)

.

Hình 5 Quan hệ giữa OSNR của kênh 4 tương ứng với Ptx = 2dBm theo hệ số khuếch đại G

của EDFA

_Nhập các thông số sợi quang: no,  ,  , D1, D2, Aeff, dD/d 

_Nhập các thông số khác: m t , h, c,  ,  1 ,

 2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6 ,  7 ,  8

_Nhập vào chiều dài của tuyến: L

_Tính công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu: P(Ptx,G) _Tính công suất nhiễu FWM tại kênh m: Ptot(m,L1,Ptx,G) _Tính công suất nhiễu ASE tại kênh m: Pase(m,L1,G) _Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang của kênh m:

OSNRdB(m,L1,Ptx,G)

_Tính OSNRdB nhỏ nhất trong các kênh:

OSNRdBmin(L1,Ptx, G)

_ Bắt đầu với Ptx = -1dBm; G = 10dB; L1 =50km _Tính OSNRdBmin(50,-1,10)  K

For Ptx = -10, -9 2

For G = 1, 2 40

(G+Ptx-0,21.L1-0,1.L/4)  2 

-25 < G+Ptx-0,21.L-7,7 <-10?

For L1 = 0,1, 2 L

Tính OSNRdBmin (L1,Ptx,G)

OSNRdBmin(L1,Ptx,G) > K?

OSNRdBmin(L1,Ptx,G) 

K

Nhận các giá trị L1,Ptx,G

_ Vị trí đặt EDFA: L1 _Công suất phát: Ptx _Hệ số khuếch đại G _Tỉ số OSNR

_Công suất tín hiệu thu được.

Bắt đầu

Kết thúc

Yes

Yes

No

No

Hỡnh 6 Lưu đồ thuật toỏn xỏc

định cỏc thụng số tối ưu của

tuyến truyền dẫn

Dựa vào 2 đồ thị hình 4 và 5 ta thấy công suất tín hiệu tăng gần như tuyến tính theo G, trong khi đó trong đoạn G = 1dB22dB, nhiễu ASE là nhiễu trội so với nhiễu FWM nên tác động chính đến tỉ số OSNR, loại nhiễu này có tốc độ tăng tương tự như đối với tín hiệu nên OSNR trong đoạn này giảm không đáng kể Trong đoạn còn lại G = 23dB 40dB, công suất nhiễu FWM tăng nhanh và lớn hơn nhiều so với nhiễu ASE nên nó là nhiễu trội và làm OSNR giảm đi đáng kể Như vậy, OSNR lớn nhất đạt tại G = 1dB Tuy nhiên hệ số khuếch đại này làm công suất tín hiệu thu được tại máy thu quá nhỏ (không nằm trong dải công suất làm việc của máy thu) nên phải tăng G đến 13dB

Đồ thị hình 7 và 8 cho thấy công suất tín hiệu và công suất nhiễu FWM đều tăng theo Ptx, công suất nhiễu ASE không thay đổi theo Ptx, tuy nhiên công suất nhiễu FWM dù tăng lên vẫn nhỏ hơn nhiều so với nhiễu ASE do đó tổng công suất nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống chủ yếu là nhiễu ASE gần như không đổi vì vậy tỉ số OSNR tăng lên theo Ptx Như trên

đồ thị ta thấy tỉ số OSNR lớn nhất đạt tại mức Ptx = 2dBm

Tiến hành các bước tính toán tương tự như trên cho các tuyến có chiều dài thay đổi từ 100km đến 250km với bước thay đổi là 10km, chúng tôi xác định được các thông số tối ưu, từ

đó lập thành bảng 2 và vẽ đồ thị như hình 9 Từ đây ta có thể kết luận hệ số khuếch đại và vị trí đặt EDFA tối ưu tăng tỉ lệ với chiều dài tuyến, trong khi đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR tối ưu thì lại giảm khi khoảng cách tuyến truyền dẫn tăng lên

Bảng 2 Các thông số tối ưu ứng với các tuyến truyền dẫn có chiều dài khác nhau

Chiều dài

tuyến (km)

Mức công suất phát tối ưu (dBm)

Hệ số khuếch đại tối ưu (dB)

Vị trí đặt EDFA tối ưu (km)

Tỉ số OSNR tối ưu (dB)

150

131.25

112.5

93.75

75

56.25

37.5

18.75

0

Cong suat nhieu FWM

Cong suat nhieu ASE

Cong suat tin hieu

Cong suat phat (dBm)

.

Hình 7 Quan hệ giữa công suất (CS) nhiễu FWM,

ASE và CS tín hiệu của kênh 4 ứng với G=13dB

theo CS Ptx

30 35 40 45

Cong suat phat(dBm)

.

Hình 8 Quan hệ giữa OSNR của kênh thứ

4 ứng với G=13dB theo công suất phát Ptx

200 2 25 107 30,81

5 Kết luận

Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế và khai thác mạng Ứng với mỗi tuyến truyền dẫn cụ thể có chiều dài khác nhau ta có thể xác định ngay được mức công suất phát, hệ số khuếch đại của EDFA và vị trí đặt EDFA tối ưu trên

tuyến để thông tin truyền đi đạt chất lượng tốt nhất

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Tấn Hưng, "Tính toán số kênh truyền cực đại trong hệ

thống WDM có EDFA mắc chuỗi dưới tác dụng của hiệu ứng FWM và nhiễu ASE

tích luỹ", Chuyên san tạp chí Bưu chính Viễn thông, số 12, tháng 8 năm 2004, trang

25-32

[2] Wolgang Zeiler, Fabrizio Di Pasquale, member IEEE, Polina Bayvel, Member IEEE,

and John E Midwinter, IEEE, “Modeling of Four-Wave Mixing and Gain Peaking in

Amplified WDM Optical Communication Systems and Networks”, Journal of

Lightwave Technology, Vol 14, No 9, September 1996

[4] P.C Becker, N A Olson, Erbiumdoped fiber amplifiers, Fundamentals and

Technology, Academic Press, 1999

Vị trí đặt EDFA tối ưu

Tỉ số OSNR tối ưu

Hệ số khuếch đại G tối ưu

Hình 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại G, OSNR và vị trí đặt EDFA tối ưu theo chiều dài các tuyến truyền dẫn

khác nhau