Tái sử dụng sóng mang DQPSK trong mạng quang thụ động DWDM 100gbs

Cần Thơ Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Khoá Năm trúng tuyển : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Tái sử dụng sóng mang DQPSK trong mạng quang thụ động DWDM 100Gb/s 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tác giả đề

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

^—]

TRẦN NHỰT KHẢI HOÀN

TÁI SỬ DỤNG SÓNG MANG DQPSK TRONG MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 07 năm 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Trần Nhựt Khải Hoàn Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 27/05/1980 Nơi sinh : TP Cần Thơ

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: Tái sử dụng sóng mang DQPSK trong mạng quang thụ động

DWDM 100Gb/s 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tác giả đề nghị giải pháp mới, mô hình tái điều chế

(Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng trong mạng quang thụ động DWDM - PONs

100Gb/s (Dense Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Networks) Mục tiêu

của Đề tài là chứng minh tính khả thi của giải pháp đề ra bằng cách mô hình hoá và mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink Kết quả đạt được sẽ là một giải pháp cho việc triển khai các thế hệ DWDM PONs sắp tới

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS Lê Nguyên Bình

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

LỜI CẢM ƠN

^—]

Bằng tất cả tấm lòng, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:

GS.TS Lê Nguyên Bình, là Cán bộ trực tiếp hướng dẫn Dù từ phương xa nhưng Thầy đã dành rất nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức và phương pháp nghiên cứu; cung cấp rất nhiều tài liệu và công cụ Simulink hữu ích Những lời động viên và nhắc nhở thường xuyên của Thầy đã giúp cho tác giả rất nhiều trong quá trình hoàn tất luận văn;

TS Nguyễn Minh Hoàng, là Cán bộ trực tiếp hướng dẫn Dù rất bận rộn nhưng Thầy đã dành nhiều thời gian để hướng dẫn, góp ý, và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian xây dựng đề cương và hoàn tất luận văn;

Anh Nguyễn Đức Nhân, NCS tại Đại học Monash, đã dành nhiều thời gian trao đổi, hướng dẫn, cung cấp và giới thiệu nhiều tài liệu kỹ thuật quý báu;

Qúi Thầy Cô trong BM Viễn Thông - Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Bách khoa đã truyền đạt những kiến thức hữu ích trong suốt khoá học;

Quí Thầy Cô BM Điện tử Viễn thông – Khoa Công nghệ – Trường Đại học Cần Thơ

đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt khoá học;

Cuối cùng, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp

đã quan tâm, động viên, cung cấp tài liệu trong suốt quá trình hoàn tất luận văn Xin chân thành cảm ơn!

TP HCM, Tháng 06/2008

Trần Nhựt Khải Hoàn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

^—]

Luận văn này đề nghị giải pháp mới, mô hình tái điều chế (Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng trong mạng quang thụ động DWDM - PONs 100Gb/s (Dense

Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Networks) Kết quả mô phỏng

trên mô hình đã chứng minh khả năng triển khai thực tế của giải pháp đề nghị Mô

phỏng sử dụng 67% và 50% RZ-DQPSK (Return to Zero DQPSK) cho thấy hệ thống truyền nhận không lỗi (Bit Rate Error, BER = 10 -9 ) ở khoảng cách 40km với

đoạn không bù tán sắc 500m đến 600m trên sợi SMF-28 chuẩn, và 1100m trên sợi

MetroCor Kết quả mô phỏng cũng chỉ ra rằng việc sử dụng NRZ-DQPSK

(Non-Return to Zero DQPSK) là không khả thi.

ABSTRACT

^—]

We propose and demonstrate by simulation a scheme of remodulation of the

lightwave carrier from a downstream DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift

Keying) data sequence for upstream transmission for passive optical networking

We have simulated the transmission performance of this remudulation scheme for

PON (Passive Optical Network) of 100Gb/s data rate using DQPSK modulation format with pulse shaping RZ (Return to Zero) 50% and 67% pulse symbol period

Error free (BER=1e-9) can be obtained for 40km fully compensated transmission with residual dispersion of 0.5km to 0.6km when using SMF-28, and 1.1km when using MetroCor fiber The simulation also shows that dispersion allowance is not acceptable when using NRZ line code

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

Chương 1 - MỞ ĐẦU 1

1.1 Quá trình phát triển mạng quang 1

1.2 Giới thiệu về PONs 1

1.3 Sơ lược tình hình nghiên cứu giải pháp mới cho PONs 2

1.3.1 Lý do của việc tái điều chế - Remodulation 2

1.3.2 Các giải pháp đã được nghiên cứu và đề nghị cho PONs 3

1.4 Đặt vấn đề của Luận văn 4

1.4.1 Mục tiêu 4

1.4.2 Giới thiệu hướng giải quyết 4

1.5 Cách trình bày luận văn 5

1.6 Kết luận 6

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Điều chế DPSK – Differential Phase-shift Keying 7

2.1.1 BPSK – Binary Phase Shift Keying 7

2.1.2 DPSK 7

2.2 Điều chế DQPSK – Differential Quadrature Phase-shift Keying 8

2.2.1 QPSK – Quadrature Phase-shift Keying 8

2.2.2 DQPSK 9

2.3 Ưu điểm của các kiểu điều chế PSK 10

2.4 Hệ thống thông tin quang 10

2.4.1 Thiết bị phát – Optical transmitter 11

2.4.2 Thiết bị thu - Optical receiver 15

2.4.3 Kênh thông tin - Communication channel 18

2.5 Phân loại sợi quang 19

2.6 Giới thiệu MatLab Simulink 23

Chương 3 - PONs & MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TÁI ĐIỀU CHẾ DÙNG MATLAB SIMULINK 25

3.1 Giới thiệu về PONs 25

3.2 Phân biệt NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK 28

3.2.1 Sơ lược về mã đường truyền (line code) 28

3.2.2 Phân biệt NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK 29

3.3 Cấu trúc mô hình mô phỏng dùng Simulink 31

3.3.1 Bộ phận phát RZ-DQPSK 32

3.3.2 Bộ phận thu DQPSK 37

3.4 Giải pháp tái điều chế (Re-Modulation) tại ONUs 39

3.4.1 Logic của quá trình tái điều chế 40

3.4.2 Mô phỏng kiểm tra bộ phận tái điều chế 42

Chương 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TÁI ĐIỀU CHẾ 45

4.1 Giới thiệu các thông số khảo sát 45

4.2 Mô phỏng 100Gb/s 50%-RZ-DQPSK trên sợi SMF-28 46

4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc lên độ nhạy của bộ thu 46

4.2.2 Ảnh hưởng của đồng bộ tại ONU lên độ nhạy bộ thu tại CO 49

4.3 Mô phỏng 100Gb/s NRZ-DQPSK trên sợi MetroCor 54

4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc lên độ nhạy của bộ thu 54

4.3.2 Ảnh hưởng của đồng bộ tại ONU lên độ nhạy bộ thu tại CO 56

4.4 Mô phỏng 100Gb/s 67% RZ-DQPSK trên sợi SMF-28 58

4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc lên độ nhạy của bộ thu 59

4.4.2 Ảnh hưởng của đồng bộ tại ONU lên độ nhạy bộ thu tại CO 61

4.5 Mô phỏng 100Gb/s 67% RZ-DQPSK trên sợi MetroCor 63

4.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của tán sắc lên độ nhạy của bộ thu 63

4.5.2 Ảnh hưởng của đồng bộ tại ONU lên độ nhạy bộ thu tại CO 64

Chương 5 - KẾT LUẬN & HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 66

5.1 Tóm tắt kết quả 66

5.2 Kết luận 67

5.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

Hình 2.2: Nguyên tắc điều chế DPSK 8

Hình 2.3: Đồ thị điểm của QPSK – Nguồn Wikipedia 9

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của hệ thông tin quang 10

Hình 2.5: Sơ đồ khối thiết bị phát 11

Hình 2.6: Cấu trúc MZM -Nguồn [5] - Fiber Optics Communication Systems - Page 122 12

Hình 2.7: MZM khi phân cực đơn - Nguồn [4] Page 8 13

Hình 2.8: Biểu diễn ngõ ra của MZM khi phân cực đơn 14

Hình 2.9: MZM khi phân cực đôi - Nguồn Werner Rosenkranz - Optical Communications - chapter 8 page 8-17 14

Hình 2.10: Biểu diễn ngõ ra của MZM khi phân cực đôi 14

Hình 2.11: Cấu trúc bộ điều chế pha - Nguồn: Uri Cummings - Linearized And High Frequency Electrooptic Modulators - Thesis - page 12 15

Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ thu quang 16

Hình 2.13: Nguyên tắc tính BER theo xác suất 17

Hình 2.14: Ảnh hưởng của tán sắc - Nguồn [6], trang 165 18

Hình 2.15: Sợi đa mode (trái) và đơn mode (phải) - Nguồn www.fiber-optics.info 19

Hình 2.16: Kích thước của sợi quang - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 20

Hình 2.17: Đồ thị tán xạ của NDSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 21

Hình 2.18: Đồ thị tán xạ của DSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 21

Hình 2.19: Sợi NZ DSF luân phiên 20km (+D) và (-D) - Nguồn www.fiber-optics.info 22

Hình 2.20: Suy hao theo bước sóng của SMF 28 (trái) và SMF 28e (phải) - Nguồn: Corning - Product information 22

Hình 3.1: Vị trí của PONs - Nguồn http://www.iec.org 26

Hình 3.2: TDM - PON - Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture 26

Hình 3.3: WDM - PON -Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture 27

Hình 3.4: WDMTDM PON hổn hợp Nguồn: C.W.Chow National Chiao Tung University -Lecture 27

Hình 3.5: Các wavelength của mạng PONs ban đầu - Nguồn: Hitachi Communication Technologies - 2007 28

Hình 3.6: Mã dòng NRZ và RZ 29

Hình 3.7: Tương tác giữa các symbols đối với NRZ & RZ - Nguồn [9] page 13 29

Hình 3.8: Phân biệt NRZ-DQPSK (trái) & 50%-RZ-DQPSK (phải) 30

Hình 3.9: Phổ quang của NRZ-DQPSK và RZ-DQPSK - Nguồn: [1] - trang 9 30

Hình 3.10: Sơ đồ tạo RZ-DQPSK: Trực tiếp (trái) và gián tiếp (phải) 30

Hình 3.11: Xung RZ-DQPSK dạng Gaussian 31

Hình 3.12: Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 32

Hình 3.13: Cấu trúc bộ phát RZ-DQPSK 33

Hình 3.14: Nguyên tắc của khối khắc xung 34

Hình 3.15: Hàm truyền và quan hệ vào ra của RZ - MZM 34

Hình 3.19: Bộ Re-modulation dùng 2 bộ phát QPSK nối tiếp 41

Hình 3.20: Sơ đồ nguyên tắc tái điều chế tại ONU 42

Hình 3.21: Constellation diagram (a) chuỗi bit 0, (b) chuỗi bit 1 43

Hình 3.22: Sơ đồ khảo sát hoạt động của bộ tái điều chế 44

Hình 3.23: So sánh biến đổi pha của DQPSK theo thời gian trong 2 trường hợp: re-modulation (hình trên) và không có re-modulation (hình dưới) 44

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát của mô hình 46

Hình 4.2: Độ nhạy back to back, tại ONU và CO theo chiều dài đoạn tán sắc 47

Hình 4.3: Độ nhạy theo chiều dài tán sắc ứng với BER = 1e-009 49

Hình 4.4: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng bộ thời gian (ps) 51

Hình 4.5: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 53

Hình 4.6: Độ nhạy back to back, tại ONU và CO theo chiều dài đoạn tán sắc 55

Hình 4.7: Độ nhạy của luồng xuống tại ONUs 56

Hình 4.8: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng bộ thời gian (ps) 57

Hình 4.9: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 58

Hình 4.10: Xung quang với độ rộng 67% chu kỳ 59

Hình 4.11: Độ nhạy back to back, tại ONU và CO theo chiều dài đoạn tán sắc 60

Hình 4.12: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng bộ thời gian (ps) 61

Hình 4.13: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 62

Hình 4.14: Độ nhạy back to back, tại ONU và CO theo chiều dài đoạn tán sắc 63

Hình 4.15: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng bộ thời gian (ps) 65

Hình 4.16: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 65

Phụ lục 1: Thông số kỹ thuật Bộ thu quang tốc độ cao của Chipsat 70

Phụ lục 2: High Gain Narrowband Optical Receivers Frequency Response Curves of R408 71

Phụ lục 3: Typical gain characteristic of 80 Gbps Broadband Amplifier (100 Gbps Ethernet) - SHF 827 71

Phụ lục 4: Phổ tần của 50% RZ-DQPSK 72

Phụ lục 5: Phổ tần của 67% RZ- DQPSK 72

Phụ lục 6: Phổ tần của NRZ-DQPSK 73

Phụ lục 7: Giản đồ mắt tại bộ thu của CO (luồng lên) khi công suất quang tại đầu vào bộ thu là -26.37 dBm 74

Bảng 3.1: Góc dịch pha của DQPSK ứng với từng cặp bits của chuỗi dữ liệu vào 33

Bảng 3.2: Pha truyền của bộ điều chế QPSK ứng với cặp bits IQ 36

Bảng 3.3: Nguyên tắc bù pha để tạo sóng mang “sạch” tại ONUs theo I d Q d 40

Bảng 3.4: Luật dịch pha tại ONUs theo I u Q u và I C Q C 41

Bảng 4.1: Độ nhạy theo chiều dài đoạn không bù tán sắc 48

Bảng 4.2: Độ lệch đồng bộ thời gian theo chiều dài đoạn tán sắc với 50% RZ-DQPSK 52

Bảng 4.3: Độ lệch đồng bộ thời gian theo chiều dài đoạn tán sắc với 67% RZ-DQPSK 62

Bảng 4.4: Độ lệch đồng bộ thời gian theo chiều dài đoạn tán sắc với 67% RZ-DQPSK 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

APD Avalanche PhotoDiode

ASE Amplified Spontaneous Emission

BER Bit Error Rate

CO Central Office

CW Continuous Wave

D(B)PSK Differential (Binary) Phase-shift Keying

DCF Dispersion Conpensation Fiber

DM Direct Modulation

DSF Dispersion Shift Fiber

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

FWM Four-Wave Mixing

IM Intensity Modulation

IRZ-OOK Inverse Return to Zero On/Off Keying

ISI Inter-Symbol Interference

LEAF Large Effective Area Fiber

MZI Mach-Zehnder Interferometer

MZM Mach-Zehnder Modulator

NDSF Non-Dispersion Shift Fiber

NRZ-DQPSK Non-Return to Zero Differential Quadrature Phase-shift Keying NRZ-OOK Non-Return to Zero On/Off Keying

NZ-DSF Non-Zero Dispersion Shift Fiber

OLT Optical Line Terminal

ONT Optical Network Terminal

ONU Optical Network Unit

OOK On/Off Keying

OSI Open Systems Interconnection

OSNR Optical Signal to Noise Ratio

PIN Positive Intrinsic Negative

PM Phase Modulator

RZ-OOK Return to Zero On/Off Keying

SMF Single Mode Fiber

SNR Signal to Noise Ratio

SPM Self-Phase Modulation

TDM Time Division Multiplexing

TDM Time Division Multiplexing

TDMA Time Division Multiple Access

XPM Cross Phase Modulation

Chương 1 - MỞ ĐẦU

^—]

1.1 Quá trình phát triển mạng quang

Mạng thông tin quang đầu tiên được thương mại hoá vào năm 1992 có tốc độ

2.5Gb/s Sau đó 4 năm, hệ thống WDM (wavelength division multiplexing) được

triển khai với tốc độ 40Gb/s Đến năm 2001, dung lượng của các hệ thống WDM đã đạt đến tốc độ 1.6Tb/s, rồi 3.2Tb/s và hơn nữa Trong vòng 2 năm sau đó, việc triển khai các hệ thống thông tin quang tốc độ cao trên diện rộng, các hệ thống thông tin quang vượt đại dương không ngừng được triển khai Hệ thống quang toàn cầu với hơn 250.000km, dung lượng 2.56Tb/s (64channel 10Gb/s trên 4 đôi sợi quang) được đưa vào sử dụng vào năm 2002 [5]

Trong những năm gần đây, việc bùng nổ nhu cầu thông tin của người dùng làm cho tốc độ của hệ thống thông tin quang liên tục tăng Nhiều chuẩn hoá đã ra đời Chuẩn Gigabit Ethernet trên sợi quang đầu tiên được chuẩn hoá bởi IEEE 802.3z qui định tốc độ 1Gb/s Sau đó, vào năm 2003, 10Gb/s Ethernet trên sợi quang được chuẩn hoá bởi IEEE 802.3ae, và 100Gb/s Ethernet đang dự kiến chuẩn hoá vào năm 2010

1.2 Giới thiệu về PONs

PONs (Passive Optical Networks) là mạng quang dạng điểm-đa điểm (point to

multipoint), mục đích là đưa sợi quang đến tận người dùng (fiber to the home) Nhờ

vào các bộ chia công suất quang (Optical Splitters), PON cho phép một sợi quang đơn mode SMF (Single Mode Fiber) có thể phục vụ cùng lúc nhiều người dùng, thường là 16 đến 128 Trong PON, các bộ chia/ghép công suất quang (Optical

Splitters) không được cấp nguồn (thụ động)

Một PON bao gồm một OLT (Optical Line Termination) đặt tại trung tâm CO

(Central Office) của nhà cung cấp dịch vụ và một số lượng hữu hạn các ONUs

(Optical Network Units) đặt tại người dùng (User Terminals) Cấu trúc của PON

cho phép giảm số lượng sợi quang được triển khai, cũng như là giảm số lượng CO

dùng so với các mạng có cấu trúc điểm điểm (point to point)

Dưới đây là một số chuẩn hoá cho mạng PON:

- ITU-T G.983: APON (ATM PON) là chuẩn hoá đầu tiên cho PON dựa trên ATM; BPON (Broadband PON) là một chuẩn dựa trên APON;

- ITU-T G.984: GPON (Gigabit PON), chuẩn này dựa trên BPON có thể dùng

cho ATM, Ethernet;

- IEEE 802.3ah: EPON/GEPON (Gigabit Ethernet PON) là chuẩn của IEEE

1.3 Sơ lược tình hình nghiên cứu giải pháp mới cho PONs

1.3.1 Lý do của việc tái điều chế - Remodulation

Trong mạng DWDM PONs, khoảng cách an toàn giữa các bước sóng hiện nay là 50GHz đến 100GHz (tương đương khoảng cách các bước sóng là 0,4nm đến

0,8nm) Do đó, bước sóng ở luồng lên (từ ONUs đến OLT) phải có độ chính xác

cao; lasers đặt tại các ONUs phải hoạt động ổn định Giải pháp truyền thống này tỏ

ra tốn kém và gây khó khăn trong việc bảo trì và quản lý bước sóng Giải pháp cho

vấn đề này là tập trung nguồn sáng (CLS - Centralized Light Source) đặt tại tổng đài trung tâm CO (Central Office) Nguồn sáng này được phân phối từ OLT đến các

ONUs để làm sóng mang cho luồng lên

Theo [3], hiện có 2 mô hình CLS:

- Sử dụng bộ tạo nguồn sáng băng rộng (Supercontinuum) có thể đạt tốc độ cao

(10Gb/s luồng lên) Khó khăn gặp phải là việc đồng bộ giữa xung quang phát ra

tại CO và bộ điều chế ở ONUs

- Sử dụng lại năng lượng sóng mang (wavelength reuse) của luồng xuống (luồng

sóng mang đã điều chế phát từ CO đến ONUs) để tái điều chế (ReModulation)

cho luồng dữ liệu lên (từ ONUs đến CO)

1.3.2 Các giải pháp đã được nghiên cứu và đề nghị cho PONs

Giải pháp tái sử dụng sóng mang đang được quan tâm nghiên cứu và triển khai Nhiều mô hình tái điều chế sóng mang cho DWDM PONs đã được nghiên cứu và

đề nghị Tất cả đều xoay quanh vấn đề tăng hiệu năng và giảm chi phí triển khai Khác nhau cơ bản trong giải pháp của các mô hình này là ở việc sử dụng kiểu điều chế trên đường truyền Dưới đây là một số giải pháp đã nghiên cứu và đề nghị

1 Mô hình sử dụng mã điều chế OOK (On-Off Keying) cho cả luồng lên và

xuống; bộ tái điều chế luồng lên dùng Injection-locked Fabry-Perot lasers diode [16] Khoảng cách từ CO đến các ONUs là 50Km, tốc độ xuống 10Gb/s và lên 1Gb/s Mô hình này được đề nghị hoạt động trên hệ WDM PONs

2 Mô hình sử dụng DPSK (Differential Phase-shift Keying) cho luồng xuống

và OOK luồng lên; bộ tái điều chế luồng lên dùng Injection-locked Perot laser diode [2] Kết quả với khoảng cách đến ONUs là 50Km ở tốc độ xuống 10Gb/s và lên 2,5Gb/s

Fabry-3 Mô hình WDM PONs dùng IRZ-OOK (Inverse Return to Zero) cho luồng xuống và OOK cho luồng lên [17] Kết quả thí nghiệm với tốc độ lên xuống 2,5Gbps, khoảng cách đến ONUs là 20Km

4 Mô hình WDM PONs dùng OOK cho luồng xuống và DPSK cho luồng lên; hoạt động không cần bù tán sắc [3] Tốc độ thí nghiệm lên xuống đạt 10Gbps, ở khoảng cách CO-ONUs 30Km

5 Mô hình DWDM PONs dùng DPSK cho luồng lên và xuống; hoạt động không cần bù tán sắc với khoảng CO-ONUs 20Km, và tốc độ lên xuống là 10Gb/s [18]

1.4 Đặt vấn đề của Luận văn

Nhắm đến nhu cầu tăng băng thông cá nhân, cũng như sự tăng nhanh số lượng

người dùng mà các hệ thống mạng quang thụ động DWDM (DWDM PONs: Dense

Wavelength Division Multiplexing Passvie Optical Networks) tốc độ cao (10Gb/s -

100Gb/s) đã và đang được nghiên cứu để triển khai ứng dụng trong tương lai, nhất

là khi Gigabit Ethernet được chuẩn hoá vào năm 2006 Vấn đề đặt ra là nếu 100Gb/s Ethernet được IEEE chuẩn hoá đúng dự kiến vào năm 2010 thì 100Gb/s DWDM PONs có được lựa chọn hay không, và giải pháp cho 100Gb/s PONs là gì?

1.4.2 Giới thiệu hướng giải quyết

Việc thiết lập mô hình thí nghiệm thực tế là rất tốn kém và điều kiện trong nước không thực hiện được Đề tài được thực hiện dựa trên việc thiết lập mô hình mô phỏng trên máy tính, đây cũng là điều kiện tiên quyết trước khi thiết lập mô hình thí nghiệm thực tế Với giao diện thân thiện, sự phong phú của thư viện lập sẵn, và đặc biệt là sự kế thừa các công cụ sẵn có do Giáo sư hướng dẫn cung cấp mà tác giả đã lựa chọn Matlab Simulink để làm công cụ mô hình hoá trong đề tài này

Sau khi thiết lập mô hình, 2 thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của hệ

thống được khảo sát là mức độ tán sắc tối đa cho phép (dispersion tolerance) và sai

lệch đồng bộ thời gian trong quá trình tái điều chế tại ONUs (Timing mis-alignment

tolerance)

Kết quả mô phỏng ở bước sóng 1550nm cho thấy rằng, mô hình đề nghị là khả thi,

có thể triển khai với dispersion tolerance là 500 đến 600m đối với sợi SMF-28 chuẩn, và 1100m đối với sợi MetroCor của Corning

1.5 Cách trình bày luận văn

Luận văn này được trình bày bồm 5 chương; các chương cụ thể trình bày các nội dung sau:

- Chương 1 lướt qua về lịch sử phát triển của mạng quang, giới thiệu về PONs các thách thức nghiên cứu về PONs trong thời điểm 2008 Từ đó, nêu vấn đề đặt ra và phương hướng giải quyết vấn đề của tác giả

- Chương 2 trình bày các lý thuyết cơ sở đã sử dụng trong đề tài, bao gồm: tóm tắt về các kiểu điều chế pha trong thông tin quang; trình bày các thành phần trong hệ thống thông tin quang và phân loại sợi quang có liên quan đến đề tài

- Chương 3 sẽ giới thiệu về PONs, các mã đường truyền (line code), và mô hình

mô phỏng hệ thống tái điều chế dùng Matlab Simulink

- Chương 4 trình bày các kết quả mô phỏng dựa trên mô hình đã lập trong các điều kiện khác nhau, cùng với các nhận xét và lời bàn ứng với mỗi kết quả

- Chương cuối cùng tóm tắt kết quả, kết luận và nêu hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Nội dung luận văn có một số thuật ngữ không có từ tương đương trong tiếng Việt nên tác giả sử dụng từ gốc tiếng Anh Một số thuật ngữ tác giả dịch sang tiếng Việt, tuy nhiên để tránh hiểu sai nghĩa, tác giả có ghi thêm từ gốc bằng tiếng Anh trong ngoặc đơn liền theo thuật ngữ đã dịch Các từ viết tắt trong luận văn đã liệt kê sau phần mục lục Dù vậy, ở đầu mỗi chương hoặc các tiểu mục có sử dụng từ viết tắt nhiều lần, tác giả có ghi lại từ gốc tiếng Anh trong ngoặc đơn ở lần đề cập đầu tiên

1.6 Kết luận

Sau thời gian thực hiện, tác giả đã hoàn chỉnh mô hình cho giải pháp mới về việc tái

sử dụng sóng mang (wavelength reuse) với DQPSK (Differential Quadrature

Phase-shift Keying) cho 100Gb/s DWDM PONs Mô hình xây dựng đã bao gồm

các nguồn nhiễu như ASE (Amplified Spontaneous Emission) ở bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), các nguồn nhiễu của bộ thu và các ảnh

hưởng tuyến tính và phi tuyến trên sợi quang

Kết quả mô phỏng cho thấy, mô hình đề nghị là khả thi nếu sử dụng RZ-DQPSK

(Return to Zero DQPSK) với độ tán sắc cho phép là 500 đến 600m đối với sợi SMF

28 và 1100m đối với sợi MetroCor Mô phỏng cũng chỉ ra rằng sử dụng

NRZ-DQPSK không hiệu quả do tương tác giữa các symbols liền kề (intersymbol

interference) rất lớn

Với tính khả thi của giải pháp đặt ra, tác giả đề nghị khảo sát tiếp 2 vấn đề sau:

- Khảo sát ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang khi công suất phát lớn vượt ngưỡng tuyến tính Trong PONs, việc tăng công suất phát tại CO là cần thiết khi

số lượng ONUs gia tăng

- Phát triển mô hình để khảo sát các ảnh hưởng XPM (Cross Phase Modulation), FWM (Four Wave Mixing),… trên 100Gb/s DWDM PONs, khi mật độ bước

sóng sử dụng dày đặc

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

^—]

Chương 2 sẽ tóm lượt cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài, bao gồm các nội dung:

- Giới thiệu các kiểu điều chế DPSK, DQPSK; và lý do lựa chọn DQPSK trong đề tài;

- Giới thiệu về hệ thống thông tin quang, một số loại sợi quang thực tế;

- Giới thiệu MatLab Simulink, công cụ mô phỏng trong đề tài

2.1 Điều chế DPSK – Differential Phase-shift Keying

2.1.1 BPSK – Binary Phase Shift Keying

BPSK là dạng đơn giản nhất của PSK Trong kiểu điều chế này, pha truyền của sóng mang là 0 hoặc π tuỳ theo dữ liệu nhị phân vào là 1 hoặc 0; biên độ sóng mang

không thay đổi Hình 2.1 là đồ thị điểm (Constellation Diagram) của BPSK

Q

10

I

Hình 2.1: Đồ thị điểm của BPSK – Nguồn Wikipedia

BPSK có hạn chế là nơi giải điều chế phải biết thông tin pha đầu của sóng mang PSK vi phân (hay DPSK) giải quyết vấn đề này bằng cách mã hoá dữ liệu vào thay

vì phải gởi thông tin về pha gốc của sóng mang

2.1.2 DPSK

Khác với BPSK, DPSK mã hoá thông tin bằng cách thay đổi pha của sóng mang giữa các bits liền kề: sóng mang sẽ dịch pha 1 góc π so với pha của bit truyền trước

đó nếu dữ liệu nhị phân vào là bit 1, nếu dữ liệu vào là bit 0 thì pha truyền sẽ giống với pha truyền của bit trước đó (1) Như vậy, với DPSK thì pha của sóng mang phụ thuộc vào bít hiện tại và bit trước đó

Bộ điều chế DPSK có cấu trúc như Hình 2.2, gồm bộ mã hoá vi phân (differential

Encoder), hay tiền mã hoá (Precoder), theo sau là bộ điều chế BPSK Theo hình vẽ

thì ngõ ra của bộ Precoder là bk

1k

ek

e = − ⊕ (2)

Hình 2.2: Nguyên tắc điều chế DPSK

Việc giải điều chế DPSK chỉ cần dựa vào sự dịch pha của sóng mang thu được để quyết định bit nhị phân thu được là bit 1 hay 0 mà không cần phải dựa vào thông tin

về pha đầu của sóng mang

2.2 Điều chế DQPSK – Differential Quadrature Phase-shift Keying

2.2.1 QPSK – Quadrature Phase-shift Keying

Đồ thị điểm (Constellation Diagram) của QPSK được mô tả trong Hình 2.3 Với 4

góc pha, QPSK mã hoá mỗi lần 2 bits (thứ tự IQ), gọi là một symbol Như vậy, với

cùng một băng thông, QPSK tăng tốc độ dữ liệu (data rate) gấp đôi so với BPSK;

hoặc ở cùng một tốc độ dữ liệu thì QPSK chỉ cần một nửa băng thông so với BPSK Giống như BPSK, việc giải điều chế QPSK phải tham khảo pha ban đầu của sóng

mang tại nơi phát QPSK vi phân (hay DQPSK) cải biến QPSK bằng cách mã hoá

dữ liệu trước khi điều chế

1Advanced Optical Modulation Formats - Peter J Winzer, Senior Member IEEE, and Rene-Jean Essiambre,

Member IEEE page 13

2 http://en.wikipedia.org

Hình 2.3: Đồ thị điểm của QPSK – Nguồn Wikipedia

mô tả trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Góc dịch pha của DQPSK ứng với từng cặp bits của chuỗi dữ liệu vào

di-bits vào (a I a Q ) Góc dịch pha (so với symbol trước)

01

2 π

bộ mã hoá vi phân, hay tiền mã hoá (precoder), đặt trước khối điều chế QPSK Bộ

precoder của DQPSK thì phức tạp hơn, là hàm của 4 bits: 2 bits nhị phân vào aIaQ

của symbol hiện tại và 2 bits trạng thái pha I0Q0 của symbol trước đó (2 bits ngỏ ra trước đó của bộ precoder) Tuỳ cấu trúc của khối điều chế QPSK mà bộ precoder được thiết kế khác nhau sao cho pha của sóng mang thay đổi theo Bảng 2.1

2.3 Ưu điểm của các kiểu điều chế PSK

Trong những năm gần đây, khi mà tốc độ đạt trên 10Gb/s, các kiểu điều chế pha PSK được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi một số lợi điểm của nó so với các kiểu

điều chế OOK (On-Off Keying):

- Ở cùng BER (Bit Error Rate) thì OSNR (Optical Signal to Noise Ratio)

thấp hơn ít nhất 3dB (1);

- Ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu phi tuyến như hiệu ứng tự điều pha SPM

(self phase modulation) và biến điệu chéo pha XPM (cross phase modulaion);

- Có thể tăng hiệu quả sử dụng phổ tần bằng cách tăng số pha điều chế

Mô hình đề nghị trong đề tài vận hành ở tốc độ 100Gb/s, vượt quá khả năng đáp ứng của các bộ thu phát quang hiện tại; bộ thu nhanh nhất hiện tại chỉ thu được các xung quang có độ rộng tương đương 64GHz (2) Do đó, việc sử dụng điều chế DQPSK trong mô hình đề nghị cho phép giảm băng thông kênh truyền xuống một nửa DQPSK mã hoá 2 bits cho mỗi symbol nên tốc độ baud là 50Gs/s

2.4 Hệ thống thông tin quang

Hệ thống thông tin quang có thể chia làm 2 loại: hữu hướng (guided) và vô hướng

(unguided) Các hệ thông tin hữu hướng truyền dữ liệu trên kênh truyền là sợi

quang, trong khi hệ thông tin vô hướng lan truyền tia sáng trong không gian Hầu hết các ứng dụng trên mặt đều sử dụng hệ thống thông tin dùng sợi quang Các ứng dụng thông tin quang vô hướng trong không gian hiện đang được nghiên cứu

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của hệ thông tin quang

1 Reference [1] - Advanced Optical Modulation Formats - Page 17- Table 4

2 http://www.chipsat.com/products/narrowband/datasheet.php

Hình 2.4 là sơ đồ các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin quang, bao gồm

3 thành phần chính: thiết bị phát, thiết bị thu và kênh truyền

2.4.1 Thiết bị phát – Optical transmitter

2.4.1.1 Các thành phần cơ bản của thiết bị phát

Chức năng của khối này là chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang Hình 2.5 là sơ

đồ các khối chính của thiết bị phát, gồm 3 thành phần chính: nguồn quang (Optical

source) là một lasers bán dẫn hoặc diode phát quang; bộ phận điều chế (Modulator)

và bộ phận ghép kênh (channel coupler) Thành phần chính của bộ phận ghép kênh

là một vi thấu kính (microlens) dùng để hội tụ ánh sáng sau khi điều chế vào kênh

truyền sợi quang

Hình 2.5: Sơ đồ khối thiết bị phát

Việc điều chế quang có 2 dạng: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài Trong điều chế

trực tiếp (DM - direct modulation), tín hiệu điện được đưa trực tiếp vào dòng phân

cực lasers DM chỉ được sử dụng ở tốc độ thấp, dưới 10Gb/s (1)

Hình 2.5 là sơ đồ khối thiết bị phát sử dụng bộ điều chế ngoài Điều chế ngoài được

sử dụng khi tốc độ truyền là 10Gb/s hoặc cao hơn, khi sự dịch tần (frequency chirp)

của DM là đáng kể Trong điều chế ngoài, lasers được phân cực cố định để phát

quang liên tục (CW - Continuous Wave) Nguồn quang phát ra được đưa vào bộ

điều chế đặt gần đó Có 2 kiểu điều chế ngoài là điều chế hấp thu điện dựa trên hiệu

1 G.P.Agrawal - Fiber Optics Communication Systems - Chapter 3 - Page 122

ứng Franz-Keldysh và sử dụng bộ điều chế Mach-Zehnder (MZM - Mach-Zehnder

Modulator) Mô hình mô phỏng trong đề tài sử dụng bộ điều chế MZM

2.4.1.2 Cấu trúc bộ điều chế ngoài MZM (Mach-Zehnder Modulator)

Cấu trúc của MZM được mô tả trong Hình 2.6 Gồm 2 nhánh dẫn quang LiNbO3

được khuếch tán titanium và các điện cực để phân cực điện cho MZM Khi áp điện thế ngoài vào, chất liệu quang điện như LiNbO3 sẽ thay đổi chiết suất (refractive

index) Pha của tín hiệu quang đi vào sẽ dịch đi một góc tuỳ thuộc vào độ lớn điện

thế áp vào các điện cực Ngõ ra của MZM là giao thoa giữa 2 nhánh MZM ứng dụng phổ biến trong điều chế biên độ và điều chế pha quang

Hình 2.6: Cấu trúc MZM -Nguồn [5] - Fiber Optics Communication Systems - Page 122

Có 2 cách phân cực cho MZM là phân cực đơn (single drive) và phân cực đôi (dual

drive) tuỳ theo mục đích sử dụng Hình 2.7 vẽ MZM khi phân cực đơn Trong kiểu

phân cực này, chỉ một nhánh của MZM được áp điện thế

Hình 2.7: MZM khi phân cực đơn - Nguồn [4] Page 8

Ngõ ra của MZM là giao thoa giữa 2 nhánh và có biểu thức như sau:

= +

= π π πV π

V j in V

V j in in Out

in in

e 1 2

E e

2

E 2

E

Trong đó, Ein là cường độ ánh sáng ngõ vào MZM,

EOut là cường độ ánh sáng ngõ ra

Vπ là điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng dịch 180o

Vin là điện thế phân cực cho MZM

2

Ein

là một nửa công suất vào, chia đều cho mỗi nhánh

Hình 2.8 là đồ thị vectơ ứng với công thức (2.1) với

π π

= θ V

Vin, là góc pha trên nhánh được phân cực bằng một điện áp Vin Như vậy, tuỳ theo điện thế phân cực trên một

nhánh mà cường độ sáng ở ngõ ra của MZM biến thiên từ cực đại (On state) đến triệt tiêu (Off state)

2

Ein

2

Einθ

EOut

Hình 2.8: Biểu diễn ngõ ra của MZM khi phân cực đơn

Hình 2.9: MZM khi phân cực đôi - Nguồn Werner Rosenkranz - Optical

Communications - chapter 8 page 8-17

Hình 2.9 vẽ MZM khi phân cực đôi Trong trường hợp này, thường 2 nhánh được phân cực đối xứng (U1=-U2) Ngõ ra của MZM có biểu thức như (2.2), đồ thị vectơ của ngõ ra được vẽ trong Hình 2.10 Từ đồ thị vectơ cho thấy, có thể phân cực

nguồn đôi trong biến điệu cường độ (IM - intensity modulation) hoặc đảo pha ánh

= +

= π π π π π π −πV π

U j V

U j in V

U j in V

U j in Out

1 1

2 1

e e

2

E e

2

E e

2

MZM được dùng trong các bộ điều chế cường độ OOK, điều chế pha PSK và trong

thiết bị khắc xung quang (pulse carver) khi mã RZ (Return to Zero) được dùng Chi

tiết ứng dụng MZM trong đề tài sẽ được nêu trong Chương 3 -

Ngoài ra, kết cấu sử dụng 1 nhánh của MZM như Hình 2.11 được dùng như bộ điều chế pha Biểu thức ngõ ra như (2.3) Pha ngõ ra là hàm theo điện thế Vac cấp vào

π π

= V

V j in Out

ac

e E

Hình 2.11: Cấu trúc bộ điều chế pha - Nguồn: Uri Cummings - Linearized And High

Frequency Electrooptic Modulators - Thesis - page 12

2.4.2 Thiết bị thu - Optical receiver

Thiết bị thu chuyển đổi năng lượng của tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện

Sô đồ khối tổng quát của bộ thu quang được vẽ trong Hình 2.12, gồm 3 thành phần chính:

- Bộ ghép kênh (channel coupler) là một vi thấu kính dùng để hội tụ năng

lượng quang thu được vào một photodiode;

- Photodetector chuyển năng lượng quang thu được thành tín hiệu điện Tuỳ kiểu điều chế mà bộ phận tách sóng quang thiết kế khác nhau Nó là 1 photodiode theo sau là bộ khuếch đại điện đối với điều chế cường độ IM

(intensity modulation) như NRZ-OOK (NonReturn to Zero On-Off Keying)

hay RZ OOK Đối với kiểu điều chế pha như PSK (Phase shift keying),

hay PSK vi phân thì phải chuyển về IM trước khi đưa vào photodiode Nếu gọi Pin là công suất quang chiếu vào photodiode thì dòng điện IP sinh ra được tính theo công thức:

in

P P

Trong đó, ℜ gọi là đáp ứng (Responsivity) của photodiode, có

giá trị khoảng 0.5 đến 0.8 (A/W) (1)

- Bộ giải điều chế (Demodulator) chuyển dòng thu được từ photodetector

thành tín hiệu nhị phân Mức độ chính xác tuỳ thuộc vào SNR của tín hiệu điện được tạo ra từ photodetector

Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ thu quang

Chất lượng của hệ thống thông tin quang được đặc trưng bới 2 thông số: BER (Bit

Error Rate) và độ nhạy của bộ thu (Receiver sensitivity) BER là xác suất lỗi bit

trung bình Trong các hệ thống thông tin quang, BER thường phải đạt mức tối thiểu

là 10-9 Độ nhạy của bộ thu được định nghĩa là công suất thu trung bình tối thiểu (dBm) để BER đạt mức 10-9 BER cũng như độ nhạy bộ thu phụ thuộc vào SNR

1 http://www.chipsat.com/products/receivers/datasheet.php

Việc xác định BER dựa vào phương pháp đếm không khả thi vì mất nhiều thời gian

do BER rất nhỏ Trong thực tế, BER được tính theo phướng pháp xác suất, dựa trên việc lấy mẫu tín hiệu tại nơi thu Nguyên tắc tính BER theo cách này được mô tả trong Hình 2.13

Hình 2.13: Nguyên tắc tính BER theo xác suất

Trong đó,

- I1 (I0) là dòng điện trung bình của các mẫu thu được ứng với các bits 1 (0);

- σ1 (σ0) là phương sai của nhiễu ứng với các bits 1 (0);

Như vậy, từ n mẫu xi thu được, ta tính được dòng trung bình I và phương sai σ theo công thức xác suất như sau:

2

i xx1n1

(2.5)

0 1

0

1 I I Q

σ + σ

−

2.4.3 Kênh thông tin - Communication channel

Kênh thông tin thường là sợi quang silica, có nhiệm vụ vận chuyển tín hiệu quang

từ nơi phát đến nơi thu Kênh thông tin có thể bao gồm các bộ ghép/ chia công suất,

các bộ khuếch đại hoặc bộ lặp (Repeater) tuỳ theo thiết kế cụ thể Các thông số

quan trọng tác động đến kênh truyền quang bao gồm:

™ Suy hao - Fiber losses

Khi lan truyền trong sợi quang, công suất ánh sáng sẽ giảm dần theo chiều dài sợi quang theo qui luật hàm mũ Suy hao có nhiều nguyên nhân gây ra: sự hấp thu do chất liệu bên trong sợi quang, suy hao do tán xạ, khi ánh sáng đi ngang qua các điểm uốn cong, các chỗ hàn nối, …

Hệ số suy hao của sợi quang ký hiệu là α (dB/km) Các sợi quang hiện nay có hệ số suy hao trung bình vào khoảng 0.2dB/km, tức là cứ truyền đi mỗi 15km thì công suất ánh sáng sẽ suy hao phân nửa

™ Tán sắc - Dispersion

Khi lan truyền trong sợi quang, tín hiệu ngõ ra sẽ bị sai dạng, đó gọi là hiện tượng tán sắc Tán sắc thường làm giãn các xung truyền, dẫn đến các xung bị chồng lấp lên nhau

Hình 2.14: Ảnh hưởng của tán sắc - Nguồn [6], trang 165

1 erfc: Complementary error function

Dựa vào các thông số của Hình 2.14, Độ tán sắc của sợi quang được định nghĩa:

i o t

Người ta thường quan tâm đến độ trải xung trên 1 km, và có đơn vị là ps/km Các sợi quang trong thực tế thường sử dụng đơn vị là (ps/nm.km) để chỉ mức độ tán sắc chất liệu trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ là 1nm Sợi quang

thông dụng hiện nay (SMF 28) có độ tán xạ vào khoảng 17 ps/nm.km Tuỳ mục

đích sử dụng mà nhà sản xuất có thể cho ra các sợi quang có độ tán sắc nhỏ hơn

™ Các ảnh hưởng phi tuyến:

Cũng giống như các hệ thống thông tin điện, các hệ thống thông tin quang cũng chịu nhiều ảnh hưởng phi tuyến Các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang bao gồm:

tán xạ Raman, tán xạ Brillouin; hiện tượng tự điều pha SPM (self-phase

modulation), biến điệu chéo pha XPM (cross-phase modulation); hiện tượng trộn 4

bước sóng FWM (four wave mixing), …

Tuỳ ứng dụng mà các hiện tượng phi tuyến trong sợi quang đôi khi tác động tích cực Các ảnh hưởng phi tuyến có thể tối thiểu hoá bằng cách giảm công suất phát quang dưới ngưỡng phi tuyến, khi đó các ảnh hưởng phi tuyến của sợi quang trở nên không đáng kể và có thể bỏ qua Thông thường, ngưỡng phi tuyến của sợi quang là 5mW

2.5 Phân loại sợi quang

Sợi quang có thể phân ra làm 2 loại: đa mode (multi mode) và đơn mode (SMF -

single mode fiber) Hình 2.15 biểu diễn nguyên tắc truyền ánh sáng trong sợi đa

mode và đơn mode

Hình 2.15: Sợi đa mode (trái) và đơn mode (phải) - Nguồn www.fiber-optics.info

Sợi đa mode là sợi đầu tiên được ứng dụng trong thương mại Tuy nhiên, sợi đa mode không thể truyền thông tin ở tốc độ cao và khoảng cách xa Việc đề cập đến sợi đa mode ở đây chỉ nhằm mục đích so sánh

Sợi đơn mode có đường kính lõi nhỏ hơn rất nhiều so với sợi đa mode Như tên gọi, ánh sáng truyền trong lõi theo một mode nhất định Sợi đơn mode ít bị ảnh hương bởi tán xạ đa mode Sợi đơn mode cho phép truyền nhiều thông tin hơn và truyền xa hơn so với sợi đa mode

Hình 2.16 mô tả kích thước của 2 loại sợi quang đơn mode và đa mode Vì sợi đơn mode có kích thước lõi rất nhỏ nên việc ghép nối rất khăn, đây là một bất lợi của sợi đơn mode Mặc dù vậy, với nhiều ưu điểm vượt trội, sợi đơn mode thích hợp trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao, dung lượng lớn và truyền khoảng cách xa

Hình 2.16: Kích thước của sợi quang - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org

Sợi đơn mode SMF (single mode fiber) được phân làm 3 loại (1):

- NDSF (non-dispersion shift fiber): loại này ra đời trước tiên và được triển

khai rộng rãi, sử dụng cho vùng bước sóng 1310nm Đồ thị tán xạ của sợi

NDSF được vẽ trong Hình 2.17 Điểm không tán xạ (zero dispersion) ứng

với bước sóng 1310nm

1 www.fiber-optics.info

Hình 2.17: Đồ thị tán xạ của NDSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org

- DSF (dispersion shift fiber): loại này ra đời để sử dụng cho các hệ thống

thông tin quang xung quanh vùng 1550nm nên với DSF, điểm Zero dispersion được dịch đến điểm ứng với bước sóng 1550nm Đồ thị tán xạ của sợi DSF được vẽ trong Hình 2.18

Hình 2.18: Đồ thị tán xạ của DSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org

- NZ DSF (non zero dispersion shift fiber): DSF sử dụng tốt ở 1 bước sóng đơn 1550nm Tuy nhiên, trong hệ DWDM (Dense wavelength division

multiplexing) thì DSF bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các tác nhân phi

tuyến Do đó, NZ-DSF ra đời NZ DSF hoạt động theo nguyên tắc bù tán

xạ, nghĩa là cứ một đoạn tán xạ dương thì theo sau là một đoạn tán xạ âm Hình 2.19 là đồ thị biểu diễn tán xạ của sợi NZ DSF ứng với mỗi 20km tán

xạ dương thì 20km tiếp sau được bù tán xạ

Hình 2.19: Sợi NZ DSF luân phiên 20km (+D) và (-D) - Nguồn www.fiber-optics.info

™ Một số loại sợi quang trong thực tế của Corning

Hình 2.20: Suy hao theo bước sóng của SMF 28 (trái) và SMF 28e (phải) - Nguồn:

Corning - Product information

Chuẩn SMF 28 và SMF 28e được sử dụng trong mô hình mô phỏng của đề tài Trong mô hình mô phỏng ở bước sóng 1550nm, suy hao tại điểm này là 0.2dB/km

và tán xạ D # 17 ps/nm.km

- Corning MetroCor:

MetroCor được chế tạo với độ tán sắc âm, thích hợp để truyền tốc độ cao trong khu vực đô thị hoặc khoảng cách tầm trung Suy hao của MetroCor cũng vào khoảng 0.2dB/km Độ tán sắc thay đổi từ -10 đến -1 (ps/nm.km) tương ứng với dải tần từ

1530 đến 1605 nm, và được tính theo công thức sau:

(2.9)

Các thông số của MetroCor cũng được dùng để mô phỏng trong đề tài

- Corning LEAF:

LEAF (Large Effective Area Fiber) thuộc loại NZ DSF có vùng hiệu dụng lớn

(vùng tiết diện cho phép ánh sáng đi qua bên trong lõi) cho phép giảm thiểu các ảnh hưởng phi tuyến, cũng như là dễ ghép nối với SMF 28 chuẩn LEAF được thiết kế cho các hệ thống thông tin quang DWDM truyền ở tốc độ cao và khoảng cách xa

Độ tán sắc của LEAF từ 2 đến 6 ps/nm.km ứng với khoảng 1530 đến 1565nm; và từ 4.5 đến 11.2 ps/nm.km ứng với dải từ 1565 đến 1625nm

2.6 Giới thiệu MatLab Simulink

Simulink là một công cụ của Matlab, được MathWorks giới thiệu vào tháng 6 năm

2003 (Simulink 5.0) Simulink cho phép phân tích, mô hình hoá và mô phỏng các hệ

thống động một cách trực quan trong môi trường giao tiếp đồ hoạ Simulink hỗ trợ các hệ thống tuyến tính lẫn phi tuyến, mô hình ở chế độ thời gian liên tục, hoặc rời rạc, hoặc có thể là hệ ghép liên tục và rời rạc Simulink là công cụ rất hữu dụng cho người làm công tác mô hình, mô phỏng

Thư viện sẵn có của Simulink rất phong phú, thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau như điều khiển, viễn thông, xử lý tin hiệu, xử lý ảnh, … Ngoài các khối được xây dựng sẵn, Simulink còn thiết kế sẵn các khối mở, cho phép người dùng tự định nghĩa

chức năng Chính vì vậy, nó cho phép mô hình hoá và mô phỏng cho bất kỳ hệ thống nào

Chính vì những lợi điểm trên, Simulink được chọn làm công cụ cho việc mô hình hoá và mô phỏng của đề tài

Chương 3 - PONs & MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ

THỐNG TÁI ĐIỀU CHẾ DÙNG

MATLAB SIMULINK

^—]

Chương 3 trình bày các nội dung sau:

- Giới thiệu mạng quang thụ động - PONs (Passive Optical Networks);

- Phân biệt NRZ-DQPSK (Non-Return to Zero Differential Quadrature

Phase-Shift Keying) và RZ-DQPSK (Return to Zero Differential

Quadrature Phase-Shift Keying);

- Mô hình mô phỏng dùng Matlab Simulink

3.1 Giới thiệu về PONs

Mạng quang thụ động PONs (Passive Optical Networks) là mạng dạng điểm - đa điểm (point to multipoint) Trong mạng này, các bộ chia/ghép quang (Optical

Splitters) không được cấp nguồn (thụ động), cho phép một sợi quang SMF (Single Mode Fiber) có thể chia đều năng lượng đến nhiều sợi quang khác tại điểm nối

Splitter và vị trí của PONs được mô tả trong Hình 3.1

Một PON bao gồm các bộ phận sau:

- Đầu cuối đường dây quang - OLT (Optical Line Terminal) đặt tại tổng đài trung tâm CO (Central Office)

- Các đơn vị mạng quang ONUs (Optical Network Units), hoặc các thiết bị đầu cuối mạng quang ONTs (Optical Network Terminals): các thiết bị này

sẽ kết nối với dữ liệu, thoại và video của người dùng với PON ONUs cung cấp các chức năng đến tầng 3 của mô hình OSI (1)

Các tín hiệu đường xuống (từ OLT đến các ONUs) được broadcast trên một sợi quang chung SMF (Single Mode Fiber)

1 http://www.iec.org/online/tutorials/epon/ - page 8

Các tín hiệu đường lên (từ các ONUs đến OLT) được truyền theo một giao thức đa

truy cập nào đó tuỳ theo loại mạng PONs (ATM PONs, Ethernet PONs, Gigabits

PONs,…) Tuy nhiên, có thể phân PON ra làm 3 loại sau: (1)

Hình 3.1: Vị trí của PONs - Nguồn http://www.iec.org

3.1.1 TDM-PON - Time Division Multiplexing PON

Hình 3.2: TDM - PON - Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture

1 http://www.cc.nctu.edu.tw/~cwchow/teach.htm - Lecture 10 - Slice 9, 10, 11

Hình 3.2 mô tả 1 PON cơ bản dựa trên cở sở TDMA Với cấu trúc này, các ONUs muốn truyền gói phải đợi đến khe thời gian tương ứng của mình Các tín hiệu đồng

bộ khe (Synchronization Maker) được chèn vào đầu mỗi khung xuống của OLT

3.1.2 WDM - PON - Wavelength Division Multiplexing

Hình 3.3: WDM - PON -Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture

Hình 3.3 mô tả WDM PON Mô hình này cấp cho mỗi ONU một bước sóng, nghĩa

là các ONUs có thể truyền gói dữ liệu ở thời điểm bất kỳ Thách thức của mô hình này là phải trang bị nguồn phát quang với bước sóng thật chính xác ở mỗi ONU

3.1.3 Mạng hổn hợp WDM-TDM PON

Hình 3.4: WDM-TDM PON hổn hợp - Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung

University -Lecture

Hình 3.4 là mô hình kết hợp WDM và TDM Mô hình này chỉ sử dụng để triển khai trên qui mô lớn

Mạng PONs được triển khai nhằm mục đích đưa sợi quang đến tận người dùng

(Fiber to home) Theo ITU-T G.652, các mạng PONs trước đây sử dụng 3 bước

sóng là 1310nm cho luồng lên, 1490nm cho luồng xuống, và 1550nm cho dịch vụ video (xem Hình 3.5)

Hình 3.5: Các wavelength của mạng PONs ban đầu - Nguồn: Hitachi Communication

Technologies - 2007

Nhắm đến nhu cầu tăng băng thông cá nhân, cũng như sự tăng nhanh số lượng người dùng mà các hệ thống WDM PONs, DWDM PONs đã và đang được nghiên cứu để triển khai ứng dụng một cách có hiệu quả trong tương lai Tất cả đều xoay quanh vấn đề băng thông và tối thiểu chi phí

3.2 Phân biệt NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK

3.2.1 Sơ lược về mã đường truyền (line code)

NRZ (Non-Return to Zero), RZ (Return to Zero) được gọi là các mã đường truyền hay mã dòng (line code) Thực tế có nhiều loại mã dòng khác nhau, được lựa chọn

sử dụng tuỳ trường hợp cụ thể Ở đây chỉ giới thiệu NRZ và RZ, đây là 2 loại mã được sử dụng mô phỏng trong đề tài này RZ và NRZ phân biệt nhau như Hình 3.6