NGHIÊN CỨU VIỆC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU HÌNH ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ BẰNG PHƯƠNG PHÁP M-QAM QUA TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG CÓ SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA A STUDY ON PER
Trang 1NGHIÊN CỨU VIỆC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU HÌNH ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP M-QAM QUA TUYẾN
THÔNG TIN SỢI QUANG CÓ SỬ DỤNG
BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
A STUDY ON PERFORMANCE EVALUATION OF M-QAM VIDEO SIGNALS OVER OPTIC FIBER COMMUNICATION SYSTEMS WITH EDFA
LÊ TRUNG THÀNH
Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu hình được điều chế bằng phương pháp M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trên cơ sở xác định tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio), tỷ lệ lỗi bít- BER ở đầu thu phụ thuộc vào các nguồn tạp âm từ EDFA và các bộ tách sóng PIN hoặc APD
ABSTRACT
This paper proposes a method of evaluating the performance of M- QAM modulated video signals over optic fiber communication systems with EDFA; Carrier to Noise Ratio (CNR), Bit Error Rate at the receiver is calculated, including the effect of noise sources on the performance of the system
1 Giới thiệu
Việc truyền dẫn tín hiệu hình tương tự được điều chế bằng phương pháp điều tần FM hoặc điều biên AM đã được đưa ra trong một số công trình [6], [7] Tuy nhiên, để tận dụng hiệu quả băng tần, ngày nay tín hiệu hình thường được điều chế bằng phương pháp QAM M mức (M-QAM) Trong các hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quang- điện hay điện- quang Tốc tộ và khoảng cách truyền dẫn từ đó cũng được tăng lên Tuy vậy, ngoài khuếch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra tạp âm phát xạ tự phát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission), ảnh hưởng đến tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm ở đầu thu CNR và làm giảm khả năng hoạt động của hệ thống
Bài báo đưa ra phương pháp xác định chất lượng truyền dẫn tín hiệu hình dựa vào CNR và tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) ở đầu thu cho cả hai hệ thống dùng tách sóng PIN
và APD
2 Mô hình hệ thống
Việc truyền tín hiệu hình qua tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA được mô tả bởi
sơ đồ sau:
trong đó, bộ tách sóng dùng phôtôđiốt PIN hoặc APD
Hình 1: Sơ đồ hệ thống truyền tín
hiệu M- QAM qua sợi quang
Trang 22.1 Hệ thống dùng phôtôđiốt PIN
Công thức tính CNR sau tách sóng quang được xác định [5]:
2 tot
2 s 2
2
) GI ( m CNR
, (1) trong đó m là chỉ số điều chế quang; Is Ps là dòng phôtô sau tách sóng; ,Ps tương ứng
là đáp ứng và công suất quang đến của bộ tách sóng (
h
e
, là hiệu suất lượng tử); 2tot
là tổng công suất tạp âm sau tách sóng Trong trường hợp hệ thống dùng tách sóng PIN, tổng
công suất tạp âm sau tách sóng được tính như sau [1],[3]:
2 RIN 2
th 2
sp sp 2
sp s 2 sh 2 tot
, (2) với sh2 ,2ssp,sp2sp,2RIN,2th tương ứng là công suất tạp âm lượng tử, công suất tạp âm phách
giữa tín hiệu- phát xạ tự phát, 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:
) B S m GI ( eB
2
0
e 2
sp
B
B 4
2
B B B ( S m 2
2 e e 0 2 sp 2 t 2
sp
e B 2 ) s GI (
RIN 2
RIN
R e kTB 4
2
th
trong đó Be,B0 là băng tần điện của bộ thu và băng tần quang của bộ lọc quang sau EDFA; e,
k, m ,R, T lần lượt là điện tích electron, hằng số Boltzman, số mode lan truyền ngang của t
quá trình phân cực (m =2, với EDFA), điện trở của bộ tách sóng và nhiệt độ tuyệt đối; t
) 1 G
(
h
n
Ssp sp là mật độ phổ công suất của phát xạ tự phát; nsp,h,, G là hệ số phát xạ
tự phát, hằng số Planck, tần số quang và hệ số khuếch đại của EDFA; Isp Psp SspB0
Do vậy, trong trường hợp này CNR được xác định bởi công thức:
2 e
2 s e e
0 2
2 sp 2 0
e t s sp 0
e sp
t s e
2 s 2
) G e
h ( R
kTB 4 P RINB )
2
B B ( G
P B
B m 2 G
P P B
B 4 ) G
P m P ( G
h
B
2
P m 5 , 0 CNR
2.2 Hệ thống dùng phôtôđiốt APD
Tương tự, trong trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD, CNR sau tách sóng được
xác định bằng công thức:
2 apd
e 2
s e e
0 2
2 sp 2 0
e t s sp 0
e sp
t s e
2 s 2
) G M e
h ( R
kTB 4 P RINB )
2
B B ( G
P B
B m 2 G
P P B
B 4 F ) G
P m P ( G
h
B
2
P m 5 , 0 CNR
trong đó: Mapd là hệ số nhân của APD, F Mxapd là hệ số nhiễu trội của APD
3 Mối quan hệ giữa BER và CNR của hệ thống điều chế M-QAM
Với hệ thống điều chế M- QAM, sử dụng mã Gray, xác suất lỗi bit được xác định theo
công thức [2],[4]:
2 0
b 2
2
1 M
3 Q M log
) M / 1 1 ( 2 N
E 2 1 M
M log 3 Q M log
) M / 1 1
(
2
Trang 3trong đó M là số mức điều chế; Eb,N0 tương ứng là năng lượng bit và mật độ tạp âm; Q(x)
x2
e 2 x
1 ) x (
; CNRavr là CNR trung bình sau tách sóng quang được tính:
2 max 2 M
1 i
2 i
) 1 M ( 3
1 M CNR A
CNR M
1 CNR
(6)
ở đó, A là biên độ được chuẩn hoá (theo biên độ cực đại) của tín hiệu sóng mang cho ký i hiệu thứ i (điểm tín hiệu thứ i)
4 Kết quả mô phỏng
Trong phần này ta sẽ mô phỏng cho hệ thống điều chế 16 mức (16- QAM), giản đồ phân bố điểm tín hiệu cho ở hình 2:
Các tham số được giữ trong suốt quá trình mô phỏng này là:
GHz 1 B , MHz 10 B , K 300 T
,
50
Với chú ý quan hệ giữa công suất phát P và công suất quang đến tx P như sau: s
] W [ 10
P
Ps tx 0,1 fL
Ở đó f[dB/km], L lần lượt là hệ số suy hao sợi quang và khoảng cách truyền dẫn của tuyến
Hình 2 Giản đồ phân bố điểm tín
Trang 4Hình 3 mô phỏng mối quan hệ giữa CNR và công suất phát (Ptx) với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau (G =15dB) khi sử dụng phôtôđiốt PIN Ta thấy CNR tăng nhanh theo công suất phát khi công suất phát còn nhỏ hơn -15dBm Khi công suất phát lớn hơn -15dBm thì CNR tăng chậm theo Ptx (đặc tuyến có độ dốc ít dốc hơn) Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa CNR và hệ số khuếch đại G của EDFA với các công suất phát khác nhau Có nhận xét rằng khi G tăng và nhỏ hơn 20dB thì CNR tăng theo G, tuy nhiên khi G>20dB thì CNR không tăng theo G nữa và đạt đến giá trị bão hoà (giá trị G làm CNR bão hoà xấp xỉ: Gbh 20dB)
Do vậy khi thiết kế hệ thống thông tin quang, G được chọn từ 5 15dB là tối ưu Hình 5 mô phỏng mối quan hệ giữa CNR và Ptx cho các giá trị của G khác nhau Từ đồ thị ta cũng có kết luận khi G tăng đến một giá trị nào đó thì CNR tăng đến giá trị bão hoà Điều này được giải thích là do bức xạ tự phát được khuếch đại cũng được tăng theo G Kết quả là cho dù G có tăng lên thì CNR ở đầu thu cũng không tăng nữa và đạt đến giá trị bão hoà Hình 6 thể hiện mối quan hệ giữa CNR với hệ số suy hao tổng của sợi quang với các giá trị công suất phát Ptx khác nhau Ở đây hệ số suy hao tổng được định nghĩa là Ps/Ptx, càng lớn tức khoảng cách truyền dẫn càng nhỏ và ta thấy CNR càng tăng Hình 7 mô phỏng mối quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bit BER và công suất phát Ptx cho các khoảng cách truyền dẫn khác nhau.Từ đồ thị ta thấy khi khoảng cách truyền dẫn còn nhỏ thì cần công suất phát ít hơn để đạt một giá trị BER yêu cầu nào đó (ví dụ muốn đạt -6
10 R
BE , ở khoảng cách L= 50km cần công suất phát tối thiểu
là -33dBm; ở khoảng cách L= 60km cần Ptx tối thiểu là -23dBm và ở L=70km cần Ptx tối thiểu là -13 dBm) Đồng thời ở một khoảng cách nhất định muốn đạt BER yêu cầu thì công suất phát cũng không được quá cao, điều này được giải thích là do bức xạ tự phát được khuếch đại từ EDFA tăng theo công suất quang đầu vào EDFA (tức do tính bão hoà của EDFA)
Hình 8 và hình 9 mô phỏng cho trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD Kết quả
mô phỏng cho thấy khi công suất phát nhỏ hơn 0dBm thì CNR của hệ thống dùng tách sóng APD lớn hơn hệ thống dùng tách sóng PIN (với G=10dB) Tuy nhiên, khi công suất phát lớn hơn 0dBm thì CNR sau tách sóng dùng APD tiến đến bão hoà và CNR sau tách sóng khi hệ thống dùng phôtôđiốt PIN sẽ có giá trị lớn hơn Kết quả này có thể được giải thích như sau: Khi hệ thống dùng tách sóng APD, cả tín hiệu và tạp âm thác lũ sẽ được tăng theo hệ số nhân thác Mapd của nó, làm cho khi công suất quang đến phôtôđiốt APD dù có tăng thì CNR cũng không tăng nữa
Hình 6 Mối quan hệ giữa CNR và suy
Trang 5Hình 10, hình 11 so sánh CNR của các hệ thống có số mức điều chế khác nhau Ta thấy khi số mức điều chế M tăng thì CNR cũng tăng theo tương ứng Hình 12 so sánh CNR của hệ thống không sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA và hệ thống có sử dụng EDFA Ta
có nhận xét rằng khi công suất phát còn nhỏ (< -20dBm) thì CNR của hai hệ thống có giá trị xấp xỉ nhau Tuy nhiên khi công suất phát tăng lên thì hệ thống sử dụng EDFA sẽ có CNR lớn hơn, tức là BER nhỏ hơn và hoạt động tốt hơn Hình 13 là so sánh BER phụ thuộc vào công suất phát với số mức M khác nhau
Hình 10 Quan hệ giữa CNR và L
với số mức điều chế khác nhau Hình 11 Quan hệ giữa CNR và G với số mức điều chế khác nhau
Hình 12 So sánh CNR cho hệ thống
có khuếch đại quang và không
Hình 13 So sánh BER cho các hệ thống có số mức điều chế khác nhau
Ptx (khi dùng tách sóng PIN và APD)
Trang 65 Kết luận
Bài báo đã đưa ra phương pháp đánh giá chất lượng truyền tín hiệu hình được điều chế bằng phương pháp M-QAM qua hệ thống thông tin sợi quang có và không có sử dụng EDFA CNR ở đầu thu cho cả hai hệ thống dùng tách sóng PIN và APD được tính toán có xét đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm từ các bộ tách sóng quang (PIN hoặc APD) và bộ khuếch đại quang sợi EDFA lên hệ thống Đồng thời, bài báo cũng mô phỏng cho một số trường hợp CNR thay đổi theo công suất phát, theo số mức điều chế, khoảng cách truyền dẫn hay hệ số khuếch đại G của EDFA Các kết quả đạt được sẽ giúp cho các nhà thiết kế các hệ thống truyền hình, đặc biệt là hệ thống truyền hình cáp (CATV) dễ dàng chọn được các tham số thích hợp của hệ thống, thiết bị để đạt được chất lượng truyền hình theo yêu cầu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình tuyến thông
tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập công trình, Hội nghị Khoa
học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hà Nội, 2001
[2] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Cơ sở truyền dẫn Viba số, Nhà xuất bản Bưu
điện, Hà Nội, 2001
[3] L.T.Thanh, T.Đ.Han, Study on increasing the number of users in WDM star networks
by using EDFAs, Journal of Science and Technique, No.104 (III-2003), Military
Technical Academy, Hanoi 9/2003
[4] Bernard Sklar, Digital Communications, Prentice Hall, 1998
[5] Roberto Sabella, Performance analysis of wireless broadband systems employing optical
fiber links, IEEE Transactions on communications, p.715-721, vol.47, No.5, May 1999
[6] F.V.C Mendis, CNR requirements for Subcarrier Multiplexed Multichannel Video FM
transmission on optical fiber, Electronic Letters, p.72-74, Vol 25, No.1, Jan 1989
[7] J.A Chiddix, H.Loar, D.M Pangrac, L.D William, R.W Wolfe, AM video on fiber
CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on Selected Areas in
Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990
