SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG COHERENCE TỐC ĐỘ BIT CAO COMPARING AND EVALUATING SIGNAL TRANSFERRING METHODS IN COHERENT FIBER OPTIC CO
Trang 1SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN
TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
SỢI QUANG COHERENCE TỐC ĐỘ BIT CAO
COMPARING AND EVALUATING SIGNAL TRANSFERRING METHODS IN COHERENT FIBER OPTIC COMMUNICATION SYSTEMS AT HIGH BIT -RATE
NGUYỄN VĂN TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo xây dựng mô hình tính toán, so sánh và đánh giá các phương án truyền dẫn có sự phối hợp giữa khuếch đại quang sợi EDFA và máy thu Coherence: PA-OACR, PA-OLCR, BA
và LA ở tốc độ nhiều Gbit/s trên cơ sở khảo sát qui luật biến thiên của tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện (eSNR) theo khoảng cách truyền dẫn, từ đó xác định hiệu quả của từng phương án Ngoài ra, trong phương án LA, bài báo cũng đã tìm được vị trí đặt EDFA trên đường truyền sao cho eSNR của máy thu đạt được giá trị lớn nhất
ABSTRACT
Signal transferring methods related to the combination of EDFA and Coherent receiver: PA-OACR, PA-OLCR, BA, LA at high Bit-Rate were compared basing on the relation between eSNR and transferring distance in order to evaluate their effectiveness In addition, as for LA method, the location of EDFA in the link for achieving the maximum of eSNR at receiver was also determined in this paper
1 Giới thiệu
Khi cự ly truyền dẫn lớn, vượt quá khả năng làm việc của máy thu Coherence thì cần lắp đặt thêm bộ khuếch đại EDFA để bù tổn hao công suất trên đường truyền, kéo dài cự ly truyền dẫn Tuỳ theo vị trí của EDFA trên đường truyền mà hệ thống Coherence được chia thành 3 phương án lần lượt là khuếch đại phát BA (Boost Amplifier-hình 2), tiền khuếch đại
PA (Preamplifier-hình 1) và khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier-hình 3) Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm các hệ thống truyền dẫn theo phương án BA [3], [4], theo PA [5] và theo LA [4] Nhìn chung kết quả đạt được của các công trình này đã khẳng định tiềm năng to lớn trong việc nâng cao hiệu quả của
hệ thống bằng các biện pháp phối hợp và khai thác tối đa tính năng khuếch đại của EDFA và
độ nhạy vốn dĩ rất cao của máy thu Coherence nhằm nâng cao hơn nữa cự ly truyền dẫn Ngoài ra, có một số công trình nghiên cứu cả 3 phương án [4]; bước đầu đã đề cập và đánh giá tổng quát ưu nhược điểm của các phương án dựa vào đặc điểm của từng loại Tuy nhiên việc phân tích, khảo sát cụ thể các phương án nêu trên nhằm trả lời rốt ráo câu hỏi đặt EDFA
ở đâu cho hiệu quả cao nhất thì cho đến nay vẫn còn để ngỏ Lý do là vì câu trả lời chính xác phụ thuộc vào nhiều yếu tố và điều kiện đặt ra ban đầu Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào điều kiện thực tiễn lắp đặt EDFA có thuận lợi cho việc bảo trì bảo dưỡng, cung cấp nguồn bơm và giám sát Rõ ràng đây là bài toán có nhiều tham số ảnh hưởng đến lời giải nhưng nó có ý nghĩa thực tiễn cao vì kết quả của bài toán cho phép các nhà thiết kế và lắp đặt có được phương án tối ưu cho từng trường hợp cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng trong hệ thống Coherence Nội dung của bài báo nhằm giải quyết vấn đề đang được quan tâm này
Trang 22 Xây dựng mô hình tính toán và tỉ số tín hiệu trên nhiễu của các phương án
Vì có hai loại máy thu liên quan đến mạch tiền khuếch đại là OACR và OLCR như đã
đề cập [1], [2] nên riêng trong PA, xét 2 phương án là PA-OACR và PA-OLCR như sau:
A Phương án PA-OACR: (hình 1) P TX,P S',P S,d: Lần lượt là công suất ra Laser diode, công suất vào của EDFA, của máy thu Coherence và khoảng cách truyền dẫn,
]
/
[dB km
f
, [lần]: lần lượt là tổn hao công suất trên 1 km sợi quang và trên toàn tuyến.
Tỉ số eSNR của máy thu trong PA-OACR được xác định như sau:
L
e o
e sp
t e
sp TX
e sp
LO o
sp t TX
LO e
LO TX
OACR
PA
R
KTB B
B G n m e B
G G n P h e
B G n P h
e B
G n m h GP P
B h e
G P P h e eSNR
4 )
1 ( )
( 2 ) 1 ( )
( 4
) 1 ( )
( 4 ) ) 1 ( (
2
) ( ) ( 2
2 2
2 2
2 2
2 2
Các tham số khác trong (1) được định nghĩa như trong [1], [2]
B Phương án OLCR: Tương tự bài báo cũng xác định được eSNR trong
PA-OLCR bằng cách thay đổi vai trò của P và S P cho nhau: LO
L
e o
e sp
t e
sp TX
e sp
LO o
sp t TX
LO e
LO TX OLCR
PA
R
KTB B
B G n m e B
G n P h e
B G G n P h
e B
G n m h P GP
B h e
G P P h
e eSNR
4 )
1 ( )
( 2 ) 1 ( )
( 4
) 1 ( )
( 4 ) ) 1 ( (
2
) (
) ( 2
2 2
2 2
2 2
2 2
(2)
C Phương án BA:
L
e o
e sp
t e
sp TX
e sp
LO o
sp t TX
LO e
LO TX BA
R
KTB B
B G n
m e B
G G n P h
e
B G n P h
e B
G n m h GP P
B h e
G P P h
e eSNR
4 )
1 ( )
( 2 ) 1 ( )
( 4
) 1 ( )
( 4 ) ) 1 ( (
2
) ( ) ( 2
2 2
2 2 2
2
2 2
2 2
Máy thu Cohence
Máy phát
Laserdiode
EDFA
TX P
G
S P P
f
d,
Hình 2 Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương án BA
Máy thu Cohence
Máy phát
Laserdiode
EDFA
'
S
P
TX P
f
d,
Hình 1 Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương án PA-OACR
S P
G
Trang 3D Phương ỏn LA:
L
e o
e sp
t e
sp TX
e sp
LO o
sp t TX
LO e
LO TX LA
R
KTB B
B G n
m e B
G G n P h
e
B G n P h
e B
G n
m h GP P
B h e
G P P h
e eSNR
4 )
1 ( )
( 2 ) 1 ( )
( 4
) 1 ( )
( 4 ) ) 1 ( (
2
) (
) ( 2
2 2
2 2 2 2
2
2 2 2
2
2 2
(4)
3 So sỏnh tớnh hiệu quả của cỏc phương ỏn
Để kết quả so sỏnh cú tớnh thực tiễn cao thỡ khoảng cỏch truyền dẫn được chọn
km
d 100 [3], [4] Cỏc mỏy thu đưa vào khảo sỏt là loại PSK đồng tần tốc độ Rb=10Gbit/s vỡ chỳng cú độ nhạy thu cao nhất và thớch hợp với tốc độ bớt cao Cỏc giỏ trị của cỏc tham số cũn lại được giả thiết như sau:Be 10GHz, Bo 10nm, NF4dB, 0.95, RL 50
Cụng suất đưa vào sợi quang trong phương ỏn BA được chọn bằng +12.5dBm để trỏnh hiện tượng phi tuyến trong sợi cú thể làm suy giảm đặc tớnh hệ thống Cụng suất ra từ nguồn phỏt trong 2 phương ỏn BA và LA được chọn như nhau và bằng -1.5 dBm Bước đầu chọn G=14dB để mỏy thu trong phương ỏn PA hoạt động ở điều kiện nhiễu phỏch và trỏnh hiện tượng phi tuyến trong phương ỏn BA, sau đú sẽ tăng giỏ trị G=25dB riờng cho trường hợp LA
để thấy được tỏc dụng tăng khoảng cỏch truyền dẫn của nú
Trước tiờn EDFA trong phương ỏn LA giả thiết là được đặt giữa mỏy phỏt và mỏy thu
Mỏy thu Cohence
Mỏy phỏt
Laserdiode
EDFA
S P
1
TX P
1
Hỡnh 3 Mụ hỡnh tớnh toỏn hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương ỏn LA
G
Hỡnh 4 Quan hệ giữa eSNR và d của
PA-OACR, PA-OLCR, BA, LA với Rb=10 Gbit/s
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
5 0
1 00 15 0 2 00 25 0 3 00
Cự ly tru yền dẫn [km ]
PA-OLCR:G=14dB
PA-OACR:G=14dB
BA:G=14dB
LA:G=14dB
s Gb R
Ho PSK b
95 0
/ 10
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Cự ly truyền dẫn của các phương án
[km]
Coherence
PA-OACR:G=14dB
LA:G=25dB PA-OLCR:G=14dB BA:G=14dB
LA:G=14dB
DD
Hỡnh 5 eSNR và d của PA-OACR, PA-OLCR
BA, LA, Coherence và DD với Rb=10 Gbit/s
Trang 44 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Từ kết quả mô phỏng trong hình 4 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR và d của PA-OACR, PA-OLCR, BA, LA với Rb=10 Gbit/s có thể rút ra những kết luận sau đây:
+ Cùng một khoảng cách truyền dẫn >150 km cho trước eSNR của 3 phương án PA-OACR, BA và LA xấp xĩ nhau, với điều kiện 10dB<G <15dB (để cho eSNR của OACR đạt giới hạn nhiều phách GHNP và không đưa công suất vào sợi quang quá lớn trong BA) Nghĩa
là trong trường hợp này hiệu quả sử dụng 3 phương án là như nhau, nhưng do PA và BA không cần dùng hệ thống bơm và giám sát từ xa như LA nên dễ vận hành, bảo quản và giá thành hệ thống hạ Do đó PA hoặc BA là giải pháp tốt nhất Tuy nhiên, ở phương án BA ta không thể tăng G được vì sẽ gây hiện tượng méo phi tuyến do công suất đưa vào sợi quá lớn, đồng thời ở phương án PA-OACR việc tăng G không mang lại hiệu quả vì máy thu đã làm việc trong điều kiện nhiễu phách tối ưu của nó Trong khi đó nếu càng tăng G>15dB thì ứng với một eSNR cho trước khoảng cách truyền dẫn của phương án LA sẽ tăng lên đáng kể Để thấy rõ hơn về điều này bài báo tiến hành so sánh tỉ số eSNR của 4 phương án trên với G=25dB cho trường hợp LA Đồng thời cũng khảo sát quan hệ giữa eSNR của 2 máy thu tách sóng trực tiếp DD và Coherence-PSK đồng tần (không sử dụng EDFA) trên cùng đồ thị với 4 phương án trên để có thể rút ra các kết luận chung Hình 5 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR theo cự ly truyền dẫn của PA-OACR, PA-OLCR, BA, LA, Coherence và DD với Rb=10Gbit/s Từ đây, có thể kết luận như sau: Khi tăng G trong phương án LA thì đường đặc tuyến dời sang bên phải và eSNR ở phương án LA càng tăng Chẳng hạn đường cong LA:G=25dB cho eSNR cao hơn đường cong LA:G=14dB đúng bằng 11 dB Nghĩa là nó cho phép tăng khoảng cách lên khoảng 52 km eSNR của máy thu Coherence PSK đồng tần cũng được thể hiện bởi đường thẳng // với đường PA-OACR và PA-OLCR nhưng thấp hơn chúng lần lượt là 6.2dB và 10.2dB eSNR của máy thu DD có độ dốc gấp đôi so với các phương án khác khi khoảng cách truyền dẫn càng tăng Do đó tỉ số eSNR của nó giảm nhanh theo d Qua khảo sát ta thấy việc dùng phương án LA khi tăng G đem lại hiệu quả cao Tuy nhiên như đã thảo luận ở trên, vì nó phải dùng nguồn bơm từ xa nên cần bước sóng bơm 1480nm gần với bước sóng làm việc của hệ thống (1550nm) để giảm tổn hao công suất nguồn bơm trên sợi Điều này làm đặc tính nhiễu của EDFA xấu hơn so với khi dùng bước sóng bơm 980nm Hệ số phát xạ tự phát nsp cũng lớn hơn và ảnh hưởng đến đến đặc tuyến hệ thống
10 15 20 25 30 35 40 45 50
100 150 200 250 300
Cù ly truyÒn dÉn trong p.¸n LA [km]
dB NF
s Gb R
Ho PSK
b
4
95 0
/ 10
Hình 7 Quan hệ giữa eSNR theo d trong p.án LA với các hệ số G khác nhau
G=14dB G=20dB G=25dB
G=30dB 15
20
25
30
35
40
100 150 200 250 300
Cù ly truyÒn dÉn trong p.¸n LA [km]
Hình 6 Quan hệ giữa eSNR theo d
trong p.a LA với các hệ số NF khác nhau
dB G
s Gb R
Ho PSK
b
14
95 0
/ 10
NF=5dB
NF=7dB
NF=9dB
NF=11dB
Trang 5Để minh hoạ điều này bài báo đã khảo sát sự thay đổi đặc tuyến eSNR theo khoảng cách tương ứng với các giá trị khác nhau của NF như trên đồ thị hình 6 Việc khảo sát ảnh hưởng của hệ số khuếch đại G đến eSNR trong phương án LA được thể hiện trong hình 7
Bài báo tiếp tục tiến hành thay đổi các vị trí đặt EDFA để trả lời câu hỏi đặt EDFA ở đâu thì hiệu quả sử dụng cao nhất
Để bài toán sát thực tiễn bài báo lấy số liệu theo thực nghiệm đã được Norimatsu và các đồng nghiệp của ông [3] đã tiến hành cho một hệ thống truyền dẫn PSK đồng tần tốc độ Rb=10Gbit/s, bước sóng làm việc 1554nm Từ thực nghiệm, công suất đưa vào sợi quang được chọn làP inFIBER 12.5dBm để tránh hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi làm giảm đặc
tính hệ thống Các thông số khác được chọn là G 20 dB , NF 4 dB , 0 95 , Be 10 GHz Kết quả tính toán trên hình 9 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR theo các vị trí khác nhau của EDFA trên đường truyền Từ đây ta rút ra các kết luận như sau:
+ Khi EDFA đặt càng gần máy phát (d1 càng nhỏ) thì eSNR càng tăng vì lúc đó công suất nhiễu quang ASE ở đầu ra EDFA càng bị giảm trên đường truyền, trong khi đó công suất quang truyền từ máy phát đến máy thu vẫn không đổi, nghĩa là eSNR tăng
+ Trên đồ thị, các đường cong ứng với
d 0
d1 gần trùng nhau khi d>150km Bài báo cũng đã tiến hành tính toán mô phỏng với các giá trị khác của G từ (15-30)
dB thì cũng nhận được kết quả tương tự + Từ đây suy ra với giá trị tiêu biểu của EDFA G=(15-30)dB đặt EDFA cách máy phát một khoảngd1 (0.10.5)d đều cho tỉ
số tín hiệu trên nhiễu gần như tốt nhất khi khoảng cách truyền dẫn d >150 km
Việc chọn cụ thể vị trí đặt EDFA trong khoảng này chỉ còn phụ thuộc vào địa hình thực tế lắp đặt và thuận tiện cho việc vận hành, bảo trì, bảo dưỡng về sau
Máy thu Coherence
Máy phát
LaserDiod
EDFA
S P
1
TX P
Hình 8 Sơ đồ khối hệ thống theo phương án LA để xác định vị trí EDFA có eSNR lớn nhất
dBm 5 12
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Cù ly truyÒn dÉn trong p ¸n LA[km]
Hình 9 Đồ thị eSNR theo d trong phg án LA
dB G
s Gb R
Ho PSK
b
20
95 0
/ 10
d1=0.5d
d1=0.7d
d1=0.1d
d1=0.2d
d1=0.8d
d1=0.9d
Trang 65 Kết luận
Trên cơ sở phân tích và tính toán mô phỏng, bài báo đã xác định được các phương án truyền dẫn tối ưu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống trong các trường hợp cụ thể tương ứng với yếu tố ban đầu và điều kiện đặt ra như tốc độ bit, cự ly truyền dẫn, công suất tối đa đưa vào sợi quang để tránh hiệu ứng phi tuyến trong sợi, hệ số khuếch đại và đặc tính nhiễu của
bộ khuếch đại EDFA Bài toán có thể được ứng dụng hiệu quả trong công tác thiết kế lắp đặt
và vận hành mạng nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Tuấn, "Máy thu khuếch đại quang Coherence: Giải pháp tối ưu tỉ số tín
hiệu trên nhiễu điện tại tốc độ 10Gbít/s trong hệ thống thông tin quang", Tạp chí Khoa
học và Công nghệ, số 30+31/2001, trang 26-32 (Tạp chí các trường Đại học: Hà Nội,
Đà Nẵng, Thủ Đức, TPHCM, Bưu chính Viễn thông)
[2] Nguyễn Văn Tuấn “Nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện (eSNR) ở tốc độ cao bằng
giải pháp sử dụng máy thu OLCR trong hệ thống thông tin sợi quang”, Tạp chí Khoa
học và Công nghệ các trường đại học Kỹ thuật (Hà Nội, Đà Nẵng, Thủ Đức, TPHCM,
Thái Nguyên, Bưu chính Viễn thông) số 46+47 năm 2004, trang 59-63
[3] Norimatsu, S., et al., "10Gbit/s Optical PSK Homodyne Transmission Experiments
using External Cavity DFB LDs ", Electronics Letters, 26(1990)10, 648-649
[4] Sadakuni Shimada, Coherent lightwave communication technology, Chapman & Hall,
1995
[5] B Glance, G Elsenstein, et al., "Sensitivity of an optical heterodyne receiver in
presence of an optical preamplifier," Electronics Letters, Vol.24, No.19, pp
1229-1230, 15th 9, 1988
