ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chi tiết Khoa ĐTVT ĐHBK ĐN : Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang 2020

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa ĐTVT ĐHBK ĐN : Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang . Đồ án tốt nghiệp khoa điện tử viễn thông ĐHBK ĐN 2020.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa ĐTVT ĐHBK ĐN : Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang . Đồ án tốt nghiệp khoa điện tử viễn thông ĐHBK ĐN 2020.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa ĐTVT ĐHBK ĐN : Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang . Đồ án tốt nghiệp khoa điện tử viễn thông ĐHBK ĐN 2020.

Tên đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thốngthông tin sợi quang”.

Sinh viên thực hiện:

Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang: Khái niệm, các

thành phần cơ bản trong hệ thống thông tin sợi quang, ưu điểm, hạn chế và những nộidung chính của hệ thống thông tin sợi quang, tổng quan về khuếch đại quang, nhiễutrong EDFA

Chương 2: Trình bày về các phương trình Maxwell, phương trình truyền sóng

trong sợi quang, phương pháp biến đổi Fourier tách bước, mô phỏng truyền sóng trongsợi quang dùng phương pháp biến đổi Fourier tách bước, lưu đồ truyền tín hiệu trongsợi quang và kết quả mô phỏng và nhận xét

Chương 3: Trình bày về kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số (DBP): Lưu đồ

thuật toán, phương pháp giải phương trình Schrödinger phi tuyến tính, tối ưu hóa kíchthước bước

Chương 4: Mô phỏng và khảo sát đặc tính kỹ thuật lan truyền ngược trong miền

số với kích thước bước chia đều và kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số với kíchthước bước chia không đều Tiến hành khảo sát chất lượng kênh truyền quang thôngqua hệ số SNR Gain phụ thuộc vào các thông số như: công suất phát, tán sắc, phituyến, tốc độ ký tự, M-QAM và chiều dài sợi quang Từ đó đưa ra nhận xét cho các kếtquả từ việc sử dụng phần mềm Matlab

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Nguyễn Văn Long 106160121 16DTCLC1 Kỹ thuật Viễn Thông

2 Nguyễn Quốc Vinh 106160122 16DTCLC1 Kỹ thuật Viễn Thông

1 Tên đề tài đồ án:

“Nghiên cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang”

2 Đề tài thuộc diện: ☐Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin sợi quang

Chương 2: Truyền sóng trong sợi quang và phương pháp biến đổi Fourier tách bướcChương 3: Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP để bù trừ hiện tượng tán sắc

và phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang

Chương 4: Mô phỏng hệ thống thông tin sợi quang sử dụng kỹ thuật lan truyền ngượctrong miền số

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Nguyễn Văn Long Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số trong hệ

thống thông tin sợi quang

2 Nguyễn Quốc Vinh Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số trong hệ

thống thông tin sợi quang

b Phần riêng:

1 Nguyễn Văn Long Giới thiệu về hệ thống thông tin sợi quang

2 Nguyễn Quốc Vinh Truyền sóng trong sợi quang và phương pháp biến đổi

Fourier tách bước

c Phần riêng:

1 Nguyễn Văn Long Mô phỏng chất lượng kỹ thuật lan truyền ngược trong

miền số với kích thước bước chia đều

2 Nguyễn Quốc Vinh Mô phỏng chất lượng kỹ thuật lan truyền ngược trong

miền số với kích thước bước chia không đều

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

Phần riêng:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Nguyễn Văn

Long

Mô phỏng tán sắc khi truyền tín hiệu trong sợi quang

và kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số với kích thước bước chia đều

2 Nguyễn Quốc

Vinh

Mô phỏng suy hao, phi tuyến khi truyền tín hiệu trong sợi quang và kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số

có kích thước bươc chia không đều

6 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 07/09 /2020

8 Ngày hoàn thành đồ án: 14/12 /2020

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2020

Trưởng Bộ môn kỹ thuật Viễn thông Người hướng dẫn

PGS.TS Nguyễn Tấn Hưng

Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn tronglĩnh vực viễn thông Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quangchính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đãthể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phongphú và hiện đại của thế giới.

Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyềnthống và hệ thống vô tuyến như: băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnhhưởng của nhiễu sóng điện từ và có khả năng bảo mật thông tin cao Các hệ thống nàykhông chỉ phù hợp với các tuyến thông tin lớn như đường trục, tuyến xuyên ĐạiDương,… mà còn có tiềm năng trong các hệ thống thông tin nội hạt với cấu trúc linhhoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện tại và cả tương lai

Với nhu cầu sử dụng thông tin của con người ngày càng cao, việc nâng cao tốc

độ truyền, cự li truyền dẫn,… là điều bắt buộc trong hệ thống thông tin sợi quang Vìảnh hưởng của các hiện tượng tán sắc, phi tuyến sẽ làm giảm chất lượng đường truyền,

do đó việc nghiên cứu các kỹ thuật để loại bỏ các hiệu ứng tán sắc, phi tuyến này đểtăng chất lượng hệ thống

Vì vậy đồ án tốt nghiệp này, chúng em tập trung “Nghiên cứu kỹ thuật lan

truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang” để nâng cao chất

lượng truyền dẫn, đồ án này bao gồm bốn chương chính:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin sợi quang

Chương 2: Truyền sóng trong sợi quang và phương pháp Split - Step Fourier Transform

Chương 3: Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang

Chương 4: Mô phỏng hệ thống thông tin sợi quang sử dụng kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số

Do thời gian làm đồ án và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án còn nhiều thiếu sót vàcần bổ sung Do vậy chúng em mong các thầy, cô chỉ bảo và bổ sung cho đồ án nàyhoàn thiện hơn

Tấn Hưng, thầy đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho chúng em, giúp

chúng em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến

thầy ThS Nguyễn Văn Điền và các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông đã tạo

điều kiện giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đồ án đồ án tốt nghiệp này

Chúng em xin cam đoan rằng nội dung của đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên

cứu kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống thông tin sợi quang” không

phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạmchúng em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2020

Sinh viên thực hiện

Mai Xuân Hùng - Võ Văn Huy

LỜI MỞ ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Giới thiệu về thông tin sợi quang 1

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang 1

1.3.1 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang 1

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang quang 2

1.4 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang 3

1.5 Những nội dung chính của hệ thống thông tin sợi quang 4

1.5.1 Suy hao trên sợi quang 4

1.5.2 Tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang 5

1.5.2.1 Hiện tượng tán sắc 5

1.5.2.2 Các loại tán sắc 6

1.6 Tổng quan về khuếch đại quang 7

1.6.1 Giới thiệu về khuếch đại quang 7

1.6.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) 9

1.6.2.1 Cấu trúc của EDFA 9

1.6.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA 10

1.7 Nhiễu trong EDFA 11

1.8 Kết luận chương 13

CHƯƠNG 2 TRUYỀN SÓNG TRONG SỢI QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI FOURIER TÁCH BƯỚC 14

2.1 Giới thiệu chương 14

2.2 Các phương trình Maxwell 14

2.3 Phương trình truyền sóng trong sợi quang 16

2.4 Phương pháp biến đổi Fourier tách bước 18

2.5 Mô phỏng truyền sóng trong sợi quang dùng phương pháp biến đổi Fourier tách bước 20

2.5.1 Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tin băng cơ sở và đáp ứng xung Cosine nâng 20

2.5.2 Điều chế M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation) 23

24

2.5.4 Sơ đồ hệ thống và thiết lập thông số 25

1.6Lưu đồ truyền tín hiệu trong sợi quang 27

2.7 Kết quả mô phỏng và nhận xét 29

2.7.1 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống truyền dẫn thông tin quang 29

2.7.2 Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống truyền 31

2.8 Kết luận chương 33

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT LAN TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN SỐ CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 35

3.1 Giới thiệu chương 35

3.2 Sơ đồ hệ thống của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP 35

3.3 Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số (DBP) 35

3.4 Giải phương trình Schrödinger phi tuyến tính 36

3.5 Lưu đồ thuật toán của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP 38

3.6 Tối ưu hóa kích thước bước 42

3.7 Kết luận chương 43

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LAN TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN SỐ 44

4.1 Giới thiệu chương 44

4.2 Thiết lập thông số cho hệ thống 44

4.3 Kết quả khảo sát 46

4.3.1 Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số với kích thước bước chia đều 46

4.3.2 Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số với kích thước bước chia không đều .52 4.4 Kết luận chương 62

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ TÀI PHÁT TRIỂN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu với trạm trung tâm (CS) và đơn

vị kết nối quang ONU 1

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin sợi quang 3

Hình 1.3 Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi 5

Hình 1.4 Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang[1] 6

Hình 1.5 Mô hình tổng quan của một bộ khuếch đại quang[3] 8

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA[3] 9

Hình 1.7 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980nm và 1480nm 10

Y Hình 2.1 Sơ đồ minh họa phương pháp biến đổi Fourier tách bước chia đối xứng cho mô phỏng số[5] 19

Hình 2.2 Đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc RC[6] 21

Hình 2.3 Đáp ứng xung của bộ lọc RC[6] 22

Hình 2.4 Đáp ứng xung của bộ lọc RRC[6] 22

Hình 2.5 Mô hình hệ thống thông tin sợi quang với đường truyền sử dụng các bộ khuếch đại EDFA mắc xen kẽ 25

Hình 2.6 Sơ đồ khối giải thuật mô phỏng hệ thống thông tin sợi quang với đường truyền sử dụng các bộ khuếch đại EDFA mắc xen kẽ 27

Hình 2.7 Giản đồ chòm sao tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang NZ-DFS chưa có kỹ thuật bù 29

Hình 2.8 Giản đồ chòm sao tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang SSFM chưa có kỹ thuật bù 30

Hình 2.9 Giản đồ mắt tín hiệu 25 Gbaud 16 QAM khi truyền qua 8km sợi quang SSFM chưa có kỹ thuật bù 30

Hình 2.10 SNR là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud 16QAM qua 800 km sợi quang đơn mode với suy hao 0.2 dB/km, 0.25 dB/km và 0.3 dB/km 31

Hình 2.11 EVM là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud 16QAM qua 800 km sợi quang đơn mode với suy hao 0.2 dB/km, 0.25 dB/km và 0.3 dB/km 32

Hình 2.12 SNR là hàm của công suất phát khi truyền 25 Gbaud và 50 Gbaud 16QAM qua 800km SSFM 33

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP 35

Hình 3.2 Sơ đồ khối của lan truyền thuận (FP) và kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số (DBP) 36

Hình 3.4 Hình cấu hình phân phối công suất theo khoảng cách của DBP thông thường

và chia không đều 42

Y

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP[7] 44 Hình 4.2 (a) Hệ số SNR của DBP chia đều 10 steps/span với EDC theo công suất phát Ptx tại khoảng cách 3200km, 16 QAM, 60 Gbaud; (b) giản đồ chòm sao của (DBP), (c) giản đồ chòm sao của EDC 46 Hình 4.3 Hệ số của DBP có kích thước bước chia không đều và đều với EDC 16 QAM với (a) 2 steps/span, (c) 6 steps/span, (d) 8 steps/span, (e) 10 steps/span, (d) 20 steps/span 48 Hình 4.4 Độ lợi SNR của DBP với 20steps/span ở các khoảng cách truyền dẫn khác nhau 49 Hình 4.5 Độ lợi SNR của kỹ thuật DBP khi chia nhỏ số bước 50 Hình 4.6 Độ lợi SNR của kỹ thuật DBP 20steps/span qua các QAM 51 Hình 4 7 (a) Hệ số SNR của DBP chia không đều 10 steps/span với EDC theo công suất phát Ptx tại khoảng cách 3200km, 16 QAM, 60 Gbaud; (b) giản đồ chòm sao của (DBP), (c) giản đồ chòm sao của EDC 52 Hình 4.8 (a)Hệ số SNR của DBP có kích thước bước chia không đều so với DBP có kích thước bước chia đều 20steps/span theo Ptx, khoảng cách 3200km, bộ điều chế 16QAM, băng thông 120Gbaud, giản đồ chòm sao của (b) EDC, (c)DBP đều, (d) DBP không đều 54 Hình 4.9 Hệ số của DBP có kích thước bước chia không đều và đều với EDC 16 QAM với (a) 2 steps/span, (c) 6 steps/span, (d) 8 steps/span, (e) 10 steps/span, (d) 20 steps/span 56 Hình 4.10 Độ lợi SNR (dB) của DBP có kích thước bước chia không đều và đều 20 steps/span tại khoảng cách 3200km, 16 QAM theo tốc độ truyền 57 Hình 4.11 Độ lợi SNR (dB) của DBP có kích thước bước chia không đều với 20 steps/span, 16 QAM theo tốc độ truyền tại các khoảng cách khác nhau 58 Hình 4.12 Độ lợi SNR (dB) của DBP có kích thước bước chia không đều theo tốc độ truyền với các kích thước bước khác nhau tại khoảng cách 2400km 59 Hình 4.13 Độ lợi SNR (dB) của DBP có kích thước bước chia không đều 20 steps/span với 4 QAM, 16 QAM, 64 QAM tại khoảng cách 2400km theo tốc độ truyền 60

steps/span, 16 QAM tại khoảng cách 2400km có thay đổi chiều dài mỗi span theo tốc

độ truyền 61

APD Avalanche Photodiode Photodiode thác

ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát được khuếch

đại

DBP Digital Back Propagation Lan truyền ngược trong miền số

EDC Electronic Dispersion Compensation Bộ bù tán sắc điện tử

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp

Erbium

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa ký tự

NZ DSF Non-zero Dispersion Shifted Fiber Sợi tán sắc dich chuyển không về 0QAM Quadrature Amplitude Modulation Bộ điều chế biên độ trực giaoQPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha 4 mức

SOA Optical Semiconductor Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn

SRS Simulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thíchSSFM Split Step Fourier Method Phương pháp biến đổi Fourier

tách bước

WDM Wavelength Division Mutiplexing Ghép kênh phân theo chia bước

sóng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, đồ án sẽ tập trung giới thiệu tổng quát về hệ thống thông tinsợi quang, chương bao gồm các nội dung chính như sau:

- Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

- Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang

- Các hiệu ứng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin sợi quang

- Bộ khuếch đại quang, tập trung về bộ khuếch đại quang EDFA

1.2 Giới thiệu về thông tin sợi quang

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng môi trườngtruyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin sợi quang là một hệ thốngtruyền tin thông qua sợi quang Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánhsáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang Tại nơi nhận, nó lại được biến đổitrở lại thành thông tin ban đầu Hình 1.1 biểu diễn một mô hình hệ thống thông tinquang tiêu biểu với trạm trung tâm (CS) và đơn vị kết nối quang ONU

Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin quang tiêu biểu với trạm trung tâm (CS) và đơn

vị kết nối quang ONU

1.3 Đặc điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.3.1 Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Trong thông tin sợi quang các ưu điểm sau của sợi quang đã được sử dụng mộtcách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn Thêm vào đó, chúng cóthể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm vớicác đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễu hiệu ứng sóng điện

từ Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tếnhất đang có hiện nay Nó có những ưu điểm như sau[1]:

 Thứ nhất, nó có dung lượng cực lớn: Băng thông(BW) gấp khoảng 10000 lần sovới thông tin vi ba (BW thường chọn khoảng vài % tần số sóng mang(f), f củaánh sáng cỡ 200 THz, f của vi ba cỡ 20 GHz)

 Thứ hai, độ tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2 dB/km, so vớicáp đồng trục 10 - 30 dB/km

 Thứ ba, kích thước nhỏ và gọn nhẹ: trong một dây cáp quang có nhiều sợiquang vì kích thước của nó rất nhỏ (ví dụ cáp Corning tiêu biểu có 144 sợiquang)

 Thứ tư, tính chống nhiễu cao: sợi quang được cấu tạo từ thủy tinh oxit (trong đóSiO2 là loại oxit thông dụng dùng để tạo ra sợi) nên không bị ảnh hưởng củađiện từ trường bên ngoài và các loại nhiễu từ nhà máy điện nguyên tử, sấm sét

 Thứ năm, giá thành sợi quang thấp: vì thạch anh là nguyên liệu chính để sảnxuất sợi quang có sẵn trong thiên nhiên, so với kim loại thì nguồn nguyên liệunày dồi dào

 Thứ sáu, khoảng cách truyền dẫn lớn: kết hợp khả năng khuếch đại của các bộkhuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và

độ nhạy thu cao của máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn.Hiện nay, người ta đã triển khai nhiều hệ thống cáp sợi quang vượt đại dương

có khoảng cách hàng chục ngàn km với dung lượng đến hàng ngàn Gb/s

 Thứ bảy, tốc độ cao, hiệu suất lớn: các linh kiện thu và phát quang có khả năngđiều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao

 Thứ tám, khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: thông tin sợiquang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau.Đặc tính này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn

1.3.2 Nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang quang

 Các hệ thống thông tin sợi quang có chi phí lắp đặt ban đầu lớn do vậy màchúng thường triển khai trên các mạng khoảng cách lớn và dung lượng cao đểđảm bảo hiệu quả về chi phí đầu tư

 Do sợi quang có kích thước và làm từ làm vật liệu điện môi trong suốt như thủytinh nên việc hàn nối trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi phải có kỹ năng để đảmbảo chất lượng mối hàn

 Sợi quang dễ bị tác động bởi ứng suất căng, uốn cong nên đòi hỏi cần phải chú

ý cẩn thận trong khi triển khai sử dụng

Tuy có một số nhược điểm nhưng những lợi ích rất lớn mà hệ thống thông tin sợiquang đem lại đã tạo cơ sở cho việc triển khai ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vựckhác nhau Đối với lĩnh vực viễn thông, hệ thống thông tin sợi quang đã trở thành nềntảng cơ bản của cấu trúc hạ tầng mạng truyền tải ở mọi cấp từ mạng quốc tế liên lụcđịa, mạng quốc gia cho đến mạng truy nhập Những thành tựu đạt được và sự pháttriển nhanh chóng qua mạng Internet ngày nay có được cũng nhờ vào sự thành công

có được của công nghệ thông tin sợi quang

1.4 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin sợi quang

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin sợi quang.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin sợi quang được mô tả như hình1.2 Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến đổi thành tínhiệu quang Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi dẫn quang vàqua các bộ khuếch đại EDFA để khắc phục suy hao sau đó truyền đến phía thu Ở phíathu, quá trình được thực hiện ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ

bộ biến đổi quang-điện (O/E)[1]

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều

khiển liên kết với nhau; bao gồm các phần tử mã hóa, điều khiển, nguồn phát quang.Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc Laser Diode LED phù hợpvới với hệ thống có cự li truyền dẫn ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành chocác hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao

Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang Các loại sợi được sử dụng là sợi đơn

mode hay đa mode

Bộ khuếch đại EDFA: Khi lắp đặt tuyến quang, tham số quan trọng cần chú ý

đến là suy hao tín hiệu trên sợi theo bước sóng Khi hệ thống cần truyền tải thông tinvới khoảng cách lớn thì suy hao truyền dẫn giữa nguồn phát và nguồn thu lớn Do đócần phải lắp đặt thêm các trạm khuếch đại để bù lại suy hao đó Bộ khuếch đại được sửdụng phổ biến hiện nay là khuếch đại EDFA

Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, các mạch khuếch đại, điều khiển

giải mã Các bộ tách quang thường được sử dụng là Photodiode PIN hoặc diode thácquang APD, cả hai loại đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh

Hệ thống thông tin sợi quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn phụthuộc khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu chuẩn (khoảng 100 km) Hệ

thống dài thường là tuyến đường trục mặt đất có dung lượng lớn nối giữa các thànhphố, quốc gia hoặc cáp biển xuyên đại dương, hệ thống ngắn thường là tuyến và cácvòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp hơn với khoảng cách dưới 10 km.

1.5 Những nội dung chính của hệ thống thông tin sợi quang

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thốngthông tin quang, bao gồm[2]:

 Suy hao

 Tán sắc

 Hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang

Tuy nhiên, đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tốnày cũng khác nhau Ví dụ :

- Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quantâm là suy hao

- Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cầnquan tâm là suy hao và tán sắc

- Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 yếu tố trên cầnphải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến

1.5.1 Suy hao trên sợi quang

Suy hao là một trong những đặc tính quan trọng của sợi quang ảnh hưởng đếnthiết kế hệ thống thông tin quang vì nó xác định khoảng cách truyền dẫn tối đa giữa bộphát quang và bộ thu quang hoặc bộ khuyếch đại quang trên đường truyền Cơ chế suyhao chủ yếu trên sợi là do suy hao hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng[1].Suy hao công suất tín hiệu trên sợi quang ∆ P có chiều dài L được tính theo biểuthức:

 Các loại suy hao trong sợi quang:

- Suy hao tín hiệu do hấp thụ

- Suy hao do tán xạ Rayleigh

- Suy hao do uốn cong sợi

- Suy hao lớp vỏ và lõi

1.5.2 Tán sắc trong hệ thống thông tin sợi quang

1.5.2.1 Hiện tượng tán sắc

Hình 1.3 Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi.

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một khoảngđường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc Tín hiệu bịméo dạng khi xung bị giãn ra sẽ phủ chòm lên các xung bên cạnh cho đến khi vượt quámột giới hạn nào đó thì thiết bị phía thu sẽ không còn phân biệt được các xung kề nhaunữa, bấy giờ sẽ suất hiện lỗi bít và dung lượng truyền dẫn của sợi Như vậy, đặc tínhtán sắc đã hạn chế tốc độ bit và dung lượng truyền dẫn của sợi[1]

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu là D, có đơn vị là giây (s) được xácđịnh bởi công thức:

D=√τ o2

Trong đó: τ i , τ o là độ rộng xung vào và xung ra Độ tán sắc qua mỗi km sợi đượctính bằng ns/km hoặc ps/km Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ củanguồn quang thì đơn vị được tính là ps/nm.km

1.5.2.2 Các loại tán sắc

Hình 1.4 Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang[1]

 Tán sắc mode (đối với sợi đa mode): Xảy ra khi nhiều mode truyền đối với cùngmột tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang Tán sắc mode khôngxảy ra trong sợi đơn mode.

 Tán sắc vật liệu hay là tán sắc màu: Trong môi trường tán sắc, chỉ số khúc xạ làmột hàm của bước sóng Vì thế, nếu tín hiệu được truyền với nhiều hơn một bướcsóng, một số bước sóng sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các bước sóng khác Bởi

vì không laser nào có thể tạo ra tín hiệu với một bước sóng chính xác nên tán sắcmàu xảy ra hầu hết ở các hệ thống

 Tán sắc ống dẫn sóng: Khi ánh sáng được ghép vào sợi quang để truyền đi, mộtphần chính truyền đi trong lõi sợi, phần nhỏ truyền đi trong lớp vỏ với những vậntốc khác nhau do chiết suất trong phần lõi và vỏ của sợi quang khác nhau Sựkhác biệt vận tốc truyền ánh sáng gây nên tán sắc ống dẫn sóng

 Tán sắc mode phân cực: Mặc dù là sợi quang đơn mode nhưng trên thực tế nóluôn truyền hai mode sóng được gọi chung cùng một tên Các mode này là cácsóng điện từ được phân cực tuyến tính truyền trong sợi quang trong những mặtphẳng vuông góc với nhau Nếu chiết suất của sợi quang là không như nhau trênphương truyền của hai mode trên, hiện tượng tán sắc mode phân cực xảy ra

1.5.3 Hiệu ứng phi tuyến

Trong các tuyến thông tin quang có cự li và dung lượng lớn, để đảm bảo cho máythu nhận được tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy theo yêu cầu, cần phải tăng côngsuất quang trên đường truyền khi tốc độ bít tăng Tuy nhiên, công suất quang khôngthể tăng vượt mức giới hạn cho phép bởi vì các hiệu ứng phi tuyến quang sẽ xuất hiện

và ảnh hưởng lớn đến hệ thống khi mức công suất lớn Sự tác động của tín hiệu ánhsáng vào môi trường truyền có thể dẫn đến sự xuyên âm giữa các kênh, méo tín hiệu

và suy hao mức công suất quang, làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR[1]

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang có thể được chia làm hai loại: hiệu ứng tán

xạ cưỡng bức (tán xạ kích thích Raman SRS và tán xạ kích thích Brillouin SBS) vàloại còn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều chế pha SPM, điều chế pha chéoXPM, trộn bốn bước sóng FWM) do sự phụ thuộc của chiết suất sợi vào cường độquang Các hiệu ứng tán xạ cưỡng bức được biểu hiện bằng sự phụ thuộc của hệ sốkhuếch đại và suy hao vào cường độ quang, trong khi đó các hiệu ứng do chiết suất sợi

lại làm thay đổi pha của trường quay Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng

do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức công suất ngưỡng nhất định nào đó, khicông suất vào sợi quang lớn hơn mức công suất ngưỡng này thì các hiệu ứng tán xạkích thích mới gây ảnh hưởng đến tín hiệu truyền Còn các hiệu ứng Kerr không cóngưỡng công suất như vậy

1.6 Tổng quan về khuếch đại quang

1.6.1 Giới thiệu về khuếch đại quang

Suy hao của sợi quang là nguyên nhân giới hạn cự ly truyền của các hệ thốngthông tin quang Đối với các hệ thống truyền dẫn quang cự ly dài, giới hạn về suy haođược khắc phục bằng cách sử dụng các trạm lặp quang điện (Optoelectronic Repeater).Các trạm lặp quang điện đã được sủ dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫnquang một bước sóng Tuy nhiên, khi sử dụng cho các hệ thống truyền dẫn quang đabước sóng như hệ thống WDM, rất nhiều trạm lặp quang điện cần được sử dụng đểkhuếch đại và tái tạo các kênh quang có bước sóng khác nhau Điều này làm tăng độphức tạp cũng như tăng giá thành của hệ thống truyền dẫn quang WDM[3]

Để khắc phục các nhược điểm của trạm lặp quang điện, đó là sử dụng các bộkhuếch đại quang (Optical Amplifier) Trong các bộ khuếch đại quang này, tín hiệuánh sáng được khuếch đại trực tiếp trong miền quang và không thông qua việc biến đổisang miền điện

Hình 1.5 Mô hình tổng quan của một bộ khuếch đại quang[3]

Trong một bộ khuếch đại quang, quá trình khuếch đại ánh sáng được diễn ratrong một môi trường được gọi là vùng tích cực (Active Medium) Các tín hiệu quangđược khuếch đại trong vùng tích cực với độ lợi lớn hay nhỏ tùy thuộc vào năng lượngđược cung cấp từ một nguồn bơm bên ngoài (Pump Source) Các nguồn bơm này cótính chất như thế nào tùy thuộc vào loại khuếch đại quang hay nói cách khác phụthuộc vào cấu tạo của vùng tích cực

Có thể chia khuếch đại quang thành hai loại chính: Khuếch đại quang bán dẫnSOA và khuếch đại quang sợi OFA

 Khuếch đại quang bán dẫn SOA (Optical Semiconductor Amplifier)

- Vùng tích cực được cấu tạo bằng vật liệu bán dẫn.

- Cấu trúc vùng tích cực của SOA tương tự như vùng tích cực của laser bán dẫn.Điểm khác biệt giưa SOA và laser là SOA hoạt động ở dưới mức ngưỡng phátxạ

- Nguồn cung cấp năng lượng để khuếch đại tín hiệu quang là dòng điện

 Khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier)

- Vùng tích cực là sợi quang được pha đất hiếm Do đó, OFA còn được gọi làDFA (Doped-Fiber Amplifier)

- Nguồn bơm là năng lượng ánh sáng được cung cấp bởi các laser có bước sóngphát quang nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu cần khuếch đại

Tùy theo loại đất hiếm được pha trong lõi của sợi quang, bước sóng bơm củanguồn bơm và vùng ánh sáng được khuếch đại của OFA sẽ thay đổi Một số loại OFAtiêu biểu:

 EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier): 1530nm - 1565nm

 PDFA (Praseodymium-Doped Fiber Amplifier): 1280nm – 1340nm

 TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier): 1440nm – 1520nm

 NDFA (Neodymium-Doped Fiber Amplifier): 900nm, 1065nm hoặc1400nm

Trong các loại OFA này, EDFA được sử dụng phổ biến hiện nay vì có nhiều ưuđiểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530nm –1565nm) thích hợp EDFA hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Ngoài ra,một loại khuếch đại quang khác cũng được sử dụng nhiều trong hệ thống WDM hiệnnay là khuếch đại Raman

Trong báo cáo này sẽ chỉ tập trung vào khuếch đại quang sợi EDFA để mô phỏng

hệ thống truyền dẫn sợi quang

1.6.2 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA)

1.6.2.1 Cấu trúc của EDFA

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của bộ khuếch đại EDFA[3]

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA bao gồm:

- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): Thường có độdài lớn hơn hoặc bằng 50m là nơi xảy ra quá trình khuếch đại (vùng tích cực)của EDFA

- Laser bơm (Pumping Laser): Cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng tháinghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bướcsóng 980nm hoặc 1480nm

- Bộ ghép (Coupler): Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laserbơm vào trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler chophép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Bộ cách ly quang (Optical Isolator): Ngăn không cho tín hiệu quang đượckhuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đườngtruyền phản xạ ngược về EDFA

1.6.2.2 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Hình 1.7 Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980nm và

1480nm Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích[3].

Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bướcnhư sau:

Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+¿ ¿ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từ các photon (có năng lượng E photon=1.27 eV) và chuyển lên trạng thái nănglượng cao hơn ở vùng bơm (Pumping Band)(1)

Tại vùng bơm, các ion Er3+ ¿ ¿ phân rã không bức xạ rất nhanh và chuyển xuốngvùng giả bền (2)

Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ¿ ¿ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từ các photon (có năng lượng E photon=0.841eV) và chuyển sang trạng thái nănglượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3).

Các ion Er3+¿ ¿ trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùngnăng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms) nếu không được kích thích bởi cácphoton có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ ¿ ¿ sẽ chuyển sangtrạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát) (5).Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er3+ ¿ ¿ ở vùng nền (6) Tín hiệu ánhsáng bị suy hao

- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+¿ ¿ ở vùng giả bền (7) Hiện tượngphát xạ kích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+¿ ¿ bị kích thích sẽ chuyển trạngthái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượngthấp ở vùng nền và phát xạ ra photon mới có cùng hướng truyền, cùng phâncực, cùng pha và cùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích (khuếchđại) xảy ra trong khoảng bước sóng 1530nm-1565nm Đây cũng là vùng bước sónghoạt động của EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn1565nm và băng 0dB tại bước sóng 1616nm

1.7 Nhiễu trong EDFA

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thốngtruyền dẫn Loại nhiễu chính được tạo ra trong bộ khuếch đại quang là nhiễu phát xạ tựphát được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission) Nguồn gốc của nhiễunày là do sự tái hợp tự phát của các electron và lỗ trống trong đoạn sợi khuếch đại Sựtái hợp này làm tăng độ rộng phổ nền của các photon được khuếch đại cùng với tínhiệu quang Nhiễu ASE sinh ra do hiện tượng phát xạ tự phát các ion Erbium trong sợiEDF của EDFA khi chúng nhảy từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp

mà không có sự kích thích của ánh sáng tín hiệu Quá trình này sinh ra các photon cóhướng và pha ngẫu nhiên Một số photon bức xạ tự phát được giữ lại ở các mode củasợi quang và lan truyền dọc theo bên trong sợi, chúng lại được khuếch đại Quá trìnhnày tạo ra bức xạ tự phát được khuếch đại ASE[4]

Tất cả các bộ khuếch đại làm suy giảm tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệuđược khuếch đại do phát xạ tự phát làm tăng thêm nhiễu cho tín hiệu trong quá trìnhkhuếch đại của nó Do nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) này, SNR bị suy

giảm và mức độ suy giảm được xác định thông qua tham số F n, được gọi là hệ sốnhiễu khuếch đại (amplifier noise figure) Hệ số nhiễu F n là tỉ số giữa SNR đầu vào vàSNR đầu ra của bộ khuếch đại:

I d : dòng tối (dark current)

q: điện tích của điện tử

∆ f: băng thông điện của máy thu

P¿ : Độ lợi của bộ khuếch đại

n sp là hệ số phát xạ tự phát hoặc gọi là hệ số nghịch đảo mật độ tích lũy và đượcxác định:

n sp= n2

Với n1, n2 là nồng độ ion Erbium ở mức năng lượng nền và mức năng lượng kích thích.Xét tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR của tín đầu ra bộ khuếch đại được xác định bởicông thực:

(SNR) out=(R d GP¿)2

Với σ là phương sai của dòng quang:

σ2=2 q(R d GP¿)∆ f +4(R d GP¿) (R d S ASE)∆ f (1.14)Suy ra SNR đầu ra của bộ khuếch đại bằng:

Khi G lớn nó trở thành 2 n sp Một bộ khuếch đại lý tưởng sẽ có n sp=1 khi đó F n=2

(hoặc 3 dB) Như vậy sử dụng bộ thu lí tưởng với một bộ khuếch đại lí tưởng sẽ làmgiảm tỉ số SNR 2 lần Trong bộ EDFA thực tế n sp khoảng bằng 2 và hơn nữa do đóSNR đầu vào bị giảm đi khoảng 4 lần (6-8 dB)

Vậy mật độ phổ công suất của nhiễu ASE được biểu diễn:

S ASE=hv (G−1 ) F n

2 =h (G−1) F n c

λ .

12

ra trong chương này, để hiểu rõ hơn tác động của các hiệu ứng này làm giảm chấtlượng tín hiệu của hệ thống, qua đó chương 1 đưa ra những giải pháp để hạn chế ảnhhưởng của những hiệu ứng này Và để nâng cao cự ly truyền dẫn, việc sử dụng bộkhuếch đại quang, đặc biệt là khuếch đại EDFA là không thể thiếu Với những lợi thế

mà sợi quang mang lại, thì việc sử dụng hệ thống sợi quang trong đời sống là điều tấtyếu

CHƯƠNG 2 TRUYỀN SÓNG TRONG SỢI QUANG VÀ PHƯƠNG PHÁP

BIẾN ĐỔI FOURIER TÁCH BƯỚC2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ tập trung trình bày phương trình Schrödinger dùng để mô tảtrường điện từ của sóng ánh sáng lan truyền trong sợi quang và phương pháp biến đổiFourier tách bước (Split-Step Fourier Method - SSFM) để giải phương trìnhSchrödinger này, qua đó mô phỏng sự lan truyền ánh sáng qua sợi quang sử dụngphương pháp biến đổi Fourier tách bước với chương trình mô phỏng Matlab Nội dungcủa chương này bao gồm:

- Các phương trình Maxwell và phương trình truyền sóng trong sợi quang

- Phương pháp biến đổi Fourier tách bước

- Giới thiệu về bộ tạo xung cosine nâng và bộ điều chế M-QAM

- Mô phỏng sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (Standard Single Mode Fiber –SSMF) kết hợp với bộ tạo xung cosine nâng (RRC-Root Raised Cosine) và bộđiều chế biên độ trực giao M-QAM qua đó khảo sát chất lượng trên đườngtruyền quang có sử dụng bộ khuếch đại EDFA

2.2 Các phương trình Maxwell

Để hiểu được bản chất mode truyền ánh sáng và các đặc tính truyền dẫn kháctrong sợi quang, đặc biệt trong sợi đơn mode, lý thuyết truyền sóng sử dụng hệ phươngtrình maxwell cần được sử dụng

Sự lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang cũng tuân thủ theo các phươngtrình Maxwell Trong môi trường điện môi không có điện tích tự do, hệ phương trìnhnày có dạng[5]:

Trong đó ⃗E và ⃗H là các vectơ trường điện và trường từ Vectơ ⃗D và ⃗B tương ứng

là vectơ cảm ứng điện và cảm ứng từ Vectơ mật độ dòng điện ⃗J và mật độ điện tích ρ f

đại diện cho các nguồn trường điện từ Trong trường hợp không có điện tích tự dotrong môi trường như sợi quang thì ⃗J =0 và ρ f =0.

Các đại lượng⃗D và ⃗B liên hệ với các vectơ ⃗E và ⃗H theo biểu thức sau:

Với ε0 là hằng số điện môi và μ0 là độ từ thẩm của môi trường, ⃗P và ⃗M tương ứng là

phân cực điện và từ Đối với sợi quang thì ⃗M = 0 vì bản chất của thủy tinh là không

nhiễm từ Và vectơ phân cực điện ⃗P trong điều kiện tuyến tính liên hệ với ⃗E qua:

Để thuận tiện các biến đổi chỉ sử dụng đại lượng điện trường ⃗E vì đại lượng ⃗H

cũng có biến đổi tương tự Bằng việc lấy rot phương trình (2.1) và sử dụng các phươngtrình (2.2), (2.5), (2.6), ta tính được phương trình:

Cũng tương tự đối với P(r,t) và sử dung phương trình (2.7), (2.8) có thể viết được

trong miền tần số như sau

Trong đó Re và Im ký hiệu cho phần thực và phần ảo tương ứng Cả hai đại lượng n

và αL đều phụ thuộc tần số Sự phụ thuộc tần số của n liên quan đến hiệu ứng tán sắcvật liệu trong sợi quang

Để đơn giản việc giải phương trình (2.10) ta cho gần đúng công thức Trước hết ε

có thể lấy được phần thực và thay thế bằng n2 vì suy hao nhỏ trong sợi quang thủy

tinh Thứ hai, vì n(r,ω¿ độc lập với tọa độ không gian r ở cả lõi và vỏ trong sợi SI, ta

có thể dùng đẳng thức:

Ở đây phương trình (2.3) và hệ thức ~D=ε~E được sử dụng để đặt ∇ ~E = 0 Phươngtrình (2.15) vẫn có thể đúng cho các sợi GI khi sự biến đổi chiết suất xảy ra ở cỡ độdài hơn bước sóng Bằng cách sử dụng phương trình (2.15) và (2.10) ta được:

∇2~

E+n2(ω) k02~E=0 (2.16)Trong đó hệ số sóng không gian tự do k0được định nghĩa như sau:

k0=ω

c=

2 π

λ là bước sóng của trường quang trong chân không dao động tại tần số ω

2.3 Phương trình truyền sóng trong sợi quang

Từ phương trình (2.16) bằng phương pháp tách biến ta được[5]:

~

E(r,ω−ω0¿ =F ( x , y )~A(z , ω−ω0)exp ⁡(i β0z ) (2.18)Với ~A ( z , ω) là thành phần biên độ biến đổi chậm của xung và β0 là số bước sóng Từphương trình (2.16) ta có hai phương trình sau F ( x , y ) và ~A ( z , ω)

∂ t) Phương trình kết quả cho A(z; t) trở thành:

Khi đã có phương trình (2.28) biên độ xung A được giả sử là chuẩn hóa sao cho

|A|2 đại diện cho công suất quang Số lượng γ|A|2 được đo bằng đơn vị m−1 nếu n2 đượcbiểu thị bằng đơn vị m2

/W Tham số A eff được gọi là diện tích hiệu dụng vùng lõi sợi

Tóm lại: Với phương trình truyền sóng trong sợi quang có các thông số là:

A = A(z,t): là đường bao xung thay đổi chậm của điện trường

2.4 Phương pháp biến đổi Fourier tách bước

Để hiểu sâu hơn về phương pháp Fourier tách bước, phương trình (2.32) chínhthức ở dạng[5] :

∂ A

∂ z=(^D+^ N)A (2.33)Trong đó ^D là một toán tử vi phân chiếm sự tán sắc và suy hao trong một môi trườngtuyến tính và ^N là một toán tử phi tuyến chi phối hiệu ứng của sợi phi tuyến trên lantruyền xung Các toán tử này được đưa ra bởi công thức như sau :

z+h được thực hiện theo hai bước Trong bước đầu tiên, phi tuyến tính hoạt động mộtmình và ^D=0 trong biểu thức(2.33) Trong bước thứ hai, tán sắc hoạt đông độ lập và

^

N=0 trong biểu thức (2.33) Về mặt toán học như sau :

A( z + h,T) ≈ exp(h ^ D)exp(h ^ N)A ( z , T ) (2.36)

Có thể đánh giá toán tử toán tử mũ (h^D) trong miền Fourier theo quy tắc như sau:

exp(h ^ D¿B ( z ,T )=F−1T exp[h ^ D (iω)]F T B ( z, T ) (2.37)Trong đó F T biểu thị hoạt động biến đổi Fourier, ^D(iω) đạt được từ phương trình(2.34) bằng cách thay thế toán tử vi phân ∂ /∂T bằng iω và là tần số trong miềnFourier Vì ^D(iω) chỉ là một số trong không gian Fourier, đánh giá phương trình (2.37)

là đơn giản Việc sử dụng thuật toán FFT giúp đánh giá phương trình số (2.38) tươngđối nhanh Chính vì vậy, khiến phương pháp biến đổi Fourier tách bước có thể nhanhhơn so với hầu hết các sơ đồ sai phân hữu hạn Để ước tính độ chính xác của phươngpháp biến đổi Fourier bước tách ,phương trình (2.33) được đưa ra như sau :

Và nếu h đủ nhỏ thì biểu thức trên được xấp xỉ:

A ( z+h ,T )=exp(h2D^)exp(h ^ N)exp(h2D^)A (z , T ) (2.40)

Ý tưởng của phương pháp này là chia hai phần tuyến tính ở hai bên và phần phituyến ở chính giữa Đối với phần tuyến tính thứ nhất sẽ xem tác động trong miền tần

số trong đoạn z+h /2 Sau đó, tại điểm z +h/2 xung quang được chuyển về miền thờigian và xét tác động của yếu tố phi tuyến trên toàn đoạn h Cuối cùng xung quang

truyên đoạn h /2 còn lại và chỉ chịu ảnh hưởng của phần tuyến tính trong miền tần số.Đầu ra của tín hiệu quang này sẽ là tín hiệu vào của đoạn tiếp theo Việc chuyển đổiqua lại giữa miền thời gian và miền tần số được thực hiện bằng biến đổi Fourier Thế(2.34) và (2.35) vào (2.40) và tính toán theo các bước sẽ có được những biểu thức sau:Bước tuyến tính đầu tiên:

Trong đó, F và F-1 là phép biến đổi Fourier thuận và ngược

Trong mô phỏng đề tài, các công thức trên được sử dụng để mô tả sự lan truyềnsóng trong sợi quang và được viết trong phần mềm Matlab

2.5 Mô phỏng truyền sóng trong sợi quang dùng phương pháp biến đổi Fourier tách bước

2.5.1 Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tin băng cơ sở và đáp ứng xung Cosine nâng

Với bất kỳ kênh thực tế nào, không thể tránh khỏi hiện tượng trải rộng các kýhiệu dữ liệu riêng lẻ khi đi qua kênh truyền Với các ký hiệu liên tiếp nhau, một phần

ký hiệu chồng lấn sang các ký hiệu bên cạnh hiện tượng này gọi là hiện tượng nhiễugiao thoa giữa các ký hiệu (ISI – Intersymbol Interference) Bằng cách lẫy mẫu luồng

ký hiệu chính xác tại các điểm mà ISI tiến dần tới 0, năng lượng phổ của các xung bêncạnh không bị ảnh hưởng tới các giá trị của các xung đang lấy mẫu tại các điểm lấymẫu Điều đó chứng tỏ thời gian lấy mẫu phải được tính toán chính xác để giảm tối đanhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ISI

Để hạn chế dải thông tín hiệu trong kênh truyền và giảm nhiễu ISI chúng ta sửdụng bộ lọc RC (Raised – cosine filter)[6] Bộ lọc này được xây dựng theo tiêu chuẩnNyquist với đáp ứng xung dạng cosine nâng (raised cosine pulses) để xấp xỉ đặc tuyếndạng sin ( x )/ x Băng thông của Nyquist W được định nghĩa: W = 1

2 T

Đặc trưng biên độ - tần số H(f) của bộ lọc RC phụ thuộc vào hai tham số là T (chu kỳ

lấy mẫu của tín hiệu) và β (roll-off factor – hệ số uốn cong), 0 ≤ β ≤ 1 Trong đó, β xácđịnh khoảng ∆ f vượt quá băng thông của bộ lọc (BW) so với giải thông chiếm giữNyquist với hệ số β nằm trong dải từ 0 đến 1[6]

Hình 2.3 Đáp ứng xung của bộ lọc RC[6]

Đáp ứng xung cho thấy hai thành phần: thành phần đầu tiên có dạng sin ( x )/ x đểđảm bảo rằng bộ lọc có các cực không tại những thời điểm bội lần chu kỳ lấy mẫu.Như vậy, có thể dễ dàng trích mẫu thông tin theo thời gian; thành phần thứ hai là hàmcosine để hiệu chỉnh cho thành phần thứ nhất làm cho nó có đặc tuyến tần số tốt hơn.Khi β được chọn càng nhỏ thì đặc tuyến biên độ - tần số của bộ lọc càng tiến đến hìnhvuông, còn đáp ứng xung trở nên dao động mạnh hơn, nghĩa là kéo dài hơn

Trong hệ thống thông tin quang thực tế có sử dụng các bộ lọc phối hợp do ảnh hưởngcủa nhiễu trắng Do đó, để thỏa mãn việc làm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ISI, đápứng xung phối hợp của hai bộ lọc này (một bộ ở phía phát H T(f ) và một bộ ở phía thu

H R(f )) thỏa mãn đáp ứng của bộ lọc RC, nghĩa là:

2.5.2 Điều chế M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation)

Điều chế M-QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên độ vàđiều chế pha Tên gọi điều chế biên độ trực giao hay cầu phương xuất phát từ thực tế

là tín hiệu M-QAM được tạo ra bằng cách cộng các tín hiệu điều chế biên độ √M mức

có các sóng mang trực giao (vuông góc) với nhau

Quá trình điều chế M-QAM được thực hiện như sau: dòng m bít vào đã mã hóamang m bít được chia thành hai dòng tín hiệu I (đồng pha) và Q (lệch pha 90°

¿ Mỗi

tín hiệu mã hóa mang m/2 bít tương ứng với 2m /2 trạng thái Các bậc của tín hiệu I, Qđược biểu diễn trong giản đồ chòm sao Sau khi chuyển đổi từ tín hiệu số sang tin hiệutương tự (DAC – Digital to analog converter), hai tín hiệu được đưa qua bộ điều chế, I

và Q lệch pha nhau 90° Kết quả quá trình điều chế này sẽ tạo thành các chùm điểm gọi

là chòm sao (constellation) Giản đồ chòm sao mô tả bằng đồ thị nhằm quan sát trựcquan chất lượng và sự méo của một tín hiệu, tức là giản đồ chòm sao biểu diễn biên độ

và pha của sóng mang đã được ánh xạ trong mặt phẳng phức Tóm lại, điều chế QAM là phương pháp điều chế tín hiệu hai chiều, trong đó tín hiệu mang thông tinđược sử dụng để thay đổi biên độ của hai sóng mang trực giao

M-STT Loại điều chế Số bit/I(Q) Số bit/ký hiệu Số trạng thái

Bảng 2.1 Phân loại các loại điều chế QAM

 Ưu điểm: điều chế QAM cho phép tăng dung lượng bít kênh truyền nhưngkhông làm tăng dải thông của kênh truyền Do đó QAM thích hợp cho các ứngdụng tốc độ cao

 Nhược điểm: khi cùng công suất phát nếu tăng mức điều chế có thể tăng thêmlỗi

2.5.3 Kỹ thuật bù tán sắc trong miền điện (Electrical Dispersion Compensation EDC)

-Kỹ thuật bù tán sắc trong miền điện được sử dụng trong phương pháp này Vì có

sự phát hiện trực tiếp tại máy thu, các biến dạng tuyến tính trong miền quang, ví dụ: sựtán sắc màu, được chuyển thành các biến dạng phi tuyến sau khi chuyển đổi quangđiện Chính vì lý do này mà khái niệm loại bỏ phi tuyến và mô hình kênh phi tuyếnđược thực hiện EDC làm chậm tốc độ truyền thông vì nó làm chậm quá trình chuyểnđổi kỹ thuật số sang tương tự[7]

Dựa trên mô hình Gaussian-noise (GN) và phần mở rộng của nó để tính tươngtác tín hiệu-nhiễu, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống thông tin truyền dẫnbằng sợi quang với bộ khuếch đại EDFA lý tưởng và bù tán sắc trong miền điện hoàntoàn (EDC) có thể được ước tính là:

SNR EDC= I s

trong đó I s, I ASE, I s−s, I s− ASE, tương ứng, là mật độ phổ công suất của tín hiệu, mật độphổ nhiễu ASE tích lũy của đường truyền, mật độ phổ nhiễu phách tín hiệu – tín hiệuphi tuyến, mật độ phổ nhiễu phách tín hiệu – nhiễu ASE phi tuyến qua đường truyền.Các thông số được biểu diễn như sau [7]

2.5.4 Sơ đồ hệ thống và thiết lập thông số

Hình 2.5 Mô hình hệ thống thông tin sợi quang với đường truyền sử dụng các bộ

khuếch đại EDFA mắc xen kẽ

Sơ đồ hệ thống mô phỏng được mô tả trong hình 2.5 Tại phía phát 216 bit đượctạo ra ngẫu nhiên, độc lập với nhau Chuỗi bit này được điều chế theo biên độ cầuphương 16 QAM Đồ án này, dùng kênh truyền đơn được điều chế với xung cosinenâng ( Raised Root Cosine – RRC) có hệ số uốn lọc là 0.1 Sóng ánh sáng đượctruyền qua sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (Standard Single Mode Fiber – SSMF) Cácthông số về suy hao, tán sắc bậc hai và hệ số phi tuyến Kerr của sợi này lần lượt là

αL=0.2 dB /km, β2=−21.68 ps2/km, γ=1.2 /W /km, tán sắc bậc ba rất nhỏ được bỏ qua Hệthống truyền dẫn do suy hao theo chiều dài của sợi nên được khuếch đại sử dụng bộkhuếch đại sợi quang pha tạp erbium thông dụng (erbium-doped fiber amplifier –

EDFA) Công suất nhiễu tự phát (Amplified Spontaneous Emission – ASE) được tínhtoán theo công thức ở chương 1.

Tại phía thu, tín hiệu ánh sáng sau khi qua sợi quang thông qua bộ thu quang kếthợp được đưa vào bộ xử lí số Tại đây tín hiệu được giải điều chế bằng xung cosinenâng tương ứng như phía phát Sau khi xử lí sai pha chung (Common Phase Error –CPE, các ký tự được giải điều chế thành các chuỗi bit và hệ số phẩm chất hệ thống như

Q, tỷ lệ bit lỗi BER và tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu SNR được đo đạc

Để khảo sát hiệu suất của việc truyền tín hiệu trên sợi quang, thì người ta thường

sử dụng các thông số như tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR, tỉ lệ lỗi bit BER , hệ số phẩmchất Q, độ lớn vectơ lỗi EVM để đánh giá Trong báo cáo này chỉ tập trung vào tỉ lệ tínhiệu trên nhiễu SNR và độ lớn vectơ lỗi EVM, thông số của SNR và EVM được tínhtoán như sau[10]:

Trong đó S n là ký hiệu thứ n được chuẩn hóa trong luồng các ký hiệu được đo,

S n 0 là điểm chòm sao được chuẩn hóa lý tưởng của ký hiệu thứ n và N là số ký hiệuduy nhất trong chòm sao

I.6 Lưu đồ truyền tín hiệu trong sợi quang