Khảo sát đặc tính hệ thống rof wdm sử dụng khuếch đại quang edfa và máy thu coherence

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence là kỹ thuật mới đang được thế giới quan tâm.. - Hoạt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN THIỆN

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM

SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ

MÁY THU COHERENCE

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN THIỆN

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM

SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ

MÁY THU COHERENCE

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi, không phải là bản sao chép hoàn toàn của bất kỳ một luận văn, đồ án nào trước đó

Đà Nẵng, ngày 04 tháng 9 năm 2018

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Thiện

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu luận văn 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RoF) 3

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 3

1.2 KỸ THUẬT RoF 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Hệ thống RoF 3

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT RoF 4

1.3.1 Ưu điểm 4

1.3.2 Nhược điểm 6

1.4 ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT RoF 6

1.5 TỔNG QUAN KỸ THUẬT RoF-WDM 7

1.5.1 Đặc điểm của Hệ thống RoF-WDM 8

1.5.2 Ưu, nhược điểm của kỹ thuật WDM trong hệ thống RoF 9

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 10

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 11

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 11

2.2 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE 11

2.2.1 Khái niệm 11

2.2.2 Cấu trúc của hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence 11

2.2.3 Nguyên lí hoạt động 13

2.2.4 Kỹ thuật điều chế ở máy phát 14

2.2.5 Kỹ thuật tách sóng ở máy thu Coherence 16

2.2.6 Ưu, nhược điểm của hệ thống RoF sử dụng máy thu quang Coherence 18

2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 19

2.3.1 Giới thiệu 19

2.3.2 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang EDFA 19

2.3.3 Nguyên lý hoạt động EDFA 20

2.3.4 Bộ khuếch đại EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM 21

2.3.5 Ưu, nhược điểm của EDFA 22

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM VÀ CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG 23

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 23

3.2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG 2 BỘ EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE 23

3.3 CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG 24

3.3.1 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến 24

3.3.2 Nhiễu lượng tử 28

3.3.3 Nhiễu nhiệt 29

3.3.4 Nhiễu ASE 29

3.4 TÍNH TOÁN SNR VÀ BER TRONG HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE 30

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 31

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 32

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 32

4.2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM 32

4.3 KHẢO SÁT SNR VÀ BER CỦA HỆ THỐNG 32

4.4 BÀI TOÁN TỐI ƯU SỐ KÊNH TRUYỀN 36

4.4.1 Lưu đồ thuật toán 37

4.4.2 Kết quả thuật toán 38

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI

QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE

Học viên: Nguyễn Văn Thiện Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, thông tin vô tuyến ngày

càng phát triển mạnh mẽ Những ưu điểm vượt trội của thông tin vô tuyến mà kỹ thuật hữu tuyến không thể có được đó là tính di động cao Vì lý đó kỹ thuật Radio over Fiber (RoF) ra đời, với ưu điểm là băng thông lớn và cự ly truyền dẫn xa, sẽ là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai Đề tài này khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM kết hợp với sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence để tăng khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy máy thu từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu và tăng dung lượng kênh truyền Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF) Sau đó mô tả hệ thống RoF kết hợp sử dụng máy thu Coherence và khuếch đại quang EDFA Tiếp theo, đưa ra mô hình khảo sát và tính toán các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, tính toán SNR, BER Cuối cùng, khảo sát đặc tính của hệ thống và giải quyết bài toán tối ưu số kênh truyền của hệ thống, đánh giá kết quả đạt được

Từ khóa – Tối ưu số kênh truyền, RoF-WDM, Coherence, Nâng cao chất lượng hệ

thống RoF-WDM

SURVEYING RoF-WDM SYSTEM CHARACTERISTICS USE EDFA OPTICAL

AMPLIFIER And COHERENCE RECEIVER

Summary - Today, with the advancement of science and technology, wireless communication has grown rapidly The outstanding advantages of wireless communication that wired technology cannot have is a high mobility For this reason, Radio over Fiber (RoF) technology, with the advantage of high bandwidth and long-distance transmission, will be the foundation for the broadband wireless access network in the future This dissertation investigates characteristics of the RoF-WDM system combined with the use of EDFA optical amplifiers and Coherence receivers to increase the transmission distance and receiver sensitivity thereby enhancing the quality of signal and increasing the capacity of the transmission channel Firstly, the dissertation presents an overview of the technique of transmitting radio signals via optical fiber (RoF) Then describe the combined RoF system using Coherence receiver and EDFA optical amplifier Nextly, giving a survey model and calculate the noise parameters affecting the system, calculate the SNR, BER Finally, survey the characteristics of the system and solve the optimization problem of transmission channel number of the system, evaluate the results achieved

Key words – The optimal problem of transmission channel number, Coherence, Enhancing system quality

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CNR Carrier Noise Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu

D

DPSK Differential Phase Shift Keying Điều chế pha vi phân

DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc

E

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

Erbium

F

I

IM-DD Intensity Modulation – Direct

Detection

Điều chế cường độ - Tách sóng trực

tiếp

L

LO Local Oscillator Bộ dao động nội

M

MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế ngoài Mach-Zehnder

P

R

RoF Radio over Fiber Kỹ thuật truyền tín hiệu vô tuyến

trên sợi quang

S

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tí hiệu trên nhiễu

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

4.1: Thông số đầu vào hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ khuếch

4.2: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=100km) 38 4.3: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1= 125km) 39 4.4: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=130km) 40 4.5: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=140km) 41 4.6: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=150km) 41 4.7: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=160km) 42 4.8: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=170km) 43 4.9: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=180km) 44 4.10: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=190km) 45 4.11: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=200km) 46 4.12: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=210km) 47 4.13: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=220km) 48 4.14: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=230km) 49 4.15: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=240km) 50 4.16: Kết quả khảo sát số kênh tối đa tại mỗi giá trị PLO (L1=250km) 51

2.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence 11

2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu

2.8: Cấu trúc tổng quát bộ khuếch đại quang EDFA 20

3.1: Mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ EDFA và

4.1: Mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ khuếch đại

4.2: Quan hệ giữa SNR và G2 theo số kênh khác nhau 33 4.3: Quan hệ giữa BER và G2 theo số kênh khác nhau 34 4.4: Quan hệ giữa SNR và Pphát theo số kênh khác nhau 35 4.5: Quan hệ giữa BER và Pphát theo số kênh khác nhau 35 4.6: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=100km 38 4.7: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1= 125km 39 4.8: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=130km 40 4.9: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=140km 40 4.10: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=150km 41 4.11: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=160km 42 4.12: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=170km 43 4.13: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=180km 44 4.14: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=190km 45 4.15: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=200km 46

Số hiệu

4.16: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=210km 47 4.17: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=220km 48 4.18: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=230km 49 4.19: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=240km 50 4.20: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 và PLO khi L1=250km 51 4.21: Biểu đồ tổng hợp số kênh tối đa tại mỗi vị trí đặt EDFA thứ 2 52

MỞ ĐẦU

1 Lí do lựa chọn đề tài

Thông tin vô tuyến ngày nay đang phát triển mạnh mẽ và không ngừng phát triển dưới sự tiến bộ của khoa học và công nghệ Các hệ thống thông tin truyền thống như thông tin vô tuyến, thông tin hữu tuyến ngày càng thay đổi để phù hợp với nhu cầu thực tế đó là dung lượng lớn và tốc độ truyền tin cao Với nhu cầu đó thì hàng loạt các

kỹ thuật ứng dụng trong truyền dẫn vô tuyến ra đời Những ưu điểm vượt trội của thông tin vô tuyến mang lại, đạt tính di động cao mà các kỹ thuật hữu tuyến không thể

có được Mặt khác với sự phát triển của mạng truy nhập băng thông rộng thì mạng truy nhập vô tuyến bắt đầu lộ những nhược điểm, như tốc độ thấp, vùng phủ sóng hẹp và băng thông thấp Để khắc phục những nhược điểm đó, một trong những phương pháp được sử dụng là kỹ thuật Radio over Fiber (RoF), với ưu điểm là băng thông lớn và cự

ly xa, nó là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai Việc kết hợp kỹ thuật RoF-WDM sử dụng bộ khuếch đại EDFA cho phép gia tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn của hệ thống Đồng thời kết hợp máy thu Coherence giúp nâng cao độ nhạy và có thể chọn kênh trong môi trường phân phối đa kênh Ngoài ra hệ thống thông tin Coherence ra đời còn khắc phục nhược điểm của hệ thống IM-DD là độ nhạy không cao, không thể chọn các kênh quang tùy ý

Với những ưu điểm vượt trội đó tôi quyết định chọn đề tài “Khảo sát đặc tính

hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence” để

làm luận văn tốt nghiệp Đề tài giúp khảo sát đặc tính hệ thống, từ đó đưa ra các thông

số cần thiết để sử dụng hệ thống tốt hơn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence

- Khảo sát phương pháp tăng số kênh truyền, dung lượng và đảm bảo chất lượng tín hiệu trên đường truyền

- Xây dựng mô hình và đánh giá kết quả

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF)

- Hệ thống RoF sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence

- Các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống

- Khảo sát và đánh giá kết quả

Phạm vi nghiên cứu

Khảo sát tính toán các thông số nhiễu, ảnh hưởng số kênh, hệ số khuếch đại, công suất phát đến SNR và BER hệ thống Mô phỏng đưa ra số kênh tối đa với các thông số đầu vào như hệ số khuếch đại, công suất dao động nội, vị trí đặt các bộ khuếch đại

4 Phương pháp nghiên cứu luận văn

Từ các kiến thức tìm hiểu thông qua lý thuyết, đọc tài liệu, tham khảo các bài báo khoa học, tổng hợp kiến thức, xây dựng lưu đồ thuật toán và tiến hành mô phỏng bằng phần mềm Matlab

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence là kỹ thuật mới đang được thế giới quan tâm Mang tính cấp thiết trong thực tế khi cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu trên đường truyền, làm tăng dung lượng và khoảng cách truyền dẫn Từ đó có thể ứng dụng vào truyền thông tin đến các vùng xa xôi của tổ quốc như biên giới, biển đảo của Việt Nam

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vô tuyến qua sợi quang (RoF)

- Chương 2: Hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence và khuếch đại quang EDFA

- Chương 3: Mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM và các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống

- Chương 4: Khảo sát đặc tính của hệ thống và đánh giá kết quả

Trong quá trình thực hiện luận văn, Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn đã tận tình hướng dẫn để Em có thể hoàn thiện luận văn này Nếu

có gì sai sót mong Thầy, Cô góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU

VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RoF)

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này trình bày kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang (RoF) kết hợp

kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM thông qua các nội dung cơ bản sau đây:

- Kỹ thuật RoF

- Ưu, nhược điểm của kỹ thuật RoF

- Ứng dụng của kỹ thuật RoF

- Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM-RoF

1.2 KỸ THUẬT RoF

1.2.1 Khái niệm

Mạng không dây đã phát triển rất mạnh mẽ trong những năm gần đây bởi chính tính linh động của nó Con người có thể truy cập vào mạng bằng cách kết nối những thiết bị như điện thoại di động, máy tính xách tay thông qua tín hiệu vô tuyến tại bất

kỳ nơi đâu mà không cần dây dẫn truyền thống Hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng đang phát triển rất nhanh chóng Yêu cầu về các nhu cầu dịch vụ thoại, số liệu, hình ảnh, đa phương tiện với chất lượng cao… khiến cho dung lượng truyền dẫn của các hệ thống thông tin vô tuyến ngày càng tăng Đó là lí do hình thành nên một hệ thống thông tin băng thông rộng đủ sức đáp ứng cho những nhu cầu trong hiện tại và cả tương lai, góp phần hình thành kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang (RoF)

Kỹ thuật RoF là phương pháp truyền dẫn tín hiệu vô tuyến đã được điều chế trên sợi quang

RoF sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao để truyền dẫn các tín hiệu RF (analog) đến các trạm thu phát

1.2.2 Hệ thống RoF

Công nghệ truyền sóng vô tuyến qua sợi quang sử dụng đường truyền sợi quang để phân phối các tín hiệu tần số vô tuyến (RF) từ các vị trí trạm đầu cuối tập trung tới các khối anten đầu xa (RAUs) Trong hệ thống thông tin băng hẹp và WLANs, các chức năng xử lí tín hiệu RF như nâng tần, điều chế sóng mang và ghép kênh, được thực hiện

ở các trạm gốc BS và ngay sau đó được đưa tới anten Công nghệ RoF cho phép tập trung các chức năng xử lí tín hiệu RF tại một vị trí chung (trạm đầu cuối), sau đó sử dụng sợi quang có suy hao thấp ( 0.2dB/km cho bước sóng 1550nm, 0.5dB/km cho

bước sóng 1310nm) để phân phối các tín hiệu vô tuyến RF tới các khối anten RAUs đầu xa

Hình 1.1: Mô hình của một hệ thống RoF tiêu biểu

Hình 1.1 là mô hình tiêu biểu của một hệ thống RoF Tín hiệu vô tuyến được truyền qua sợi quang từ trạm trung tâm CS đến hệ thống trạm gốc BS trước khi phát xạ

ra môi trường không khí Mỗi trạm gốc có thể liên lạc với nhiều thiết bị di động RAUs nằm trong vùng phủ sóng của nó

Nhờ công nghệ RoF, các RAU được đơn giản hóa hơn, chúng chỉ còn chức năng chuyển đổi quang - điện và khuếch đại Việc tập trung các chức năng xử lý tín hiệu

RF, cho phép chia sẽ thiết bị, phân bố động tài nguyên, đơn giản hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống và có thể đạt được vùng phủ sóng rộng theo yêu cầu của hệ thống Với những ưu điểm này giúp làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cần mật độ BS cao

1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT RoF

1.3.1 Ưu điểm

- Độ suy hao thấp

Việc truyền một tín hiệu vô tuyến điện tần số cao trong cả môi trường không gian

tự do hay trên các đường truyền có dây đều bị suy hao lớn và tốn kém Trong không gian tự do tổn hao do hấp thụ và phản xạ tỉ lệ với độ tăng tần số và trong đường truyền

có dây thì trở kháng đường dây tăng theo tỉ lệ tần số do đó cũng dẫn đến tổn hao cao Nếu truyền trên sợi quang thì suy hao giảm đáng kể Sử dụng sợi quang có suy hao thấp, công nghệ RoF cùng lúc có thể có được cả sự phân phối sóng mm suy hao rất thấp và đơn giản hóa RAU Các sợi đơn mode (SMF) làm từ thủy tinh có suy hao dưới 0.2dB/km và 0.5dB/km tại các cửa sổ 1550nm và 1300nm Các suy hao này thấp hơn

nhiều so với suy hao trong cáp đồng và trong không khí Việc này đồng nghĩa với khoảng cách truyền sẽ tăng gấp vài lần và công suất yêu cầu sẽ giảm đáng kể

mở rộng băng thông trên sợi quang, cùng với việc sử dụng khuếch đại quang EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) tại cửa sổ 1550nm

Băng thông khổng lồ của sợi quang còn có nhiều ưu điểm khác ngoài dung lượng cao để truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần Băng tần quang lớn cho phép xử lý tín hiệu tốc

độ cao, công việc rất khó hoặc không thực hiện trong miền điện Nói cách khác một số chức năng lọc, trộn, nâng hạ tần có thể thực hiện trong miền quang

- Không bị nhiễu tần số vô tuyến

Đây là đặc điểm ưu việt của thông tin quang Các tín hiệu truyền đi dưới dạng ánh sáng trong sợi quang, không bị tác động mạnh mẽ bởi vô số nguồn nhiễu điện từ trong không gian, làm tăng chất lượng tín hiệu tại máy thu Ngoài ra còn cung cấp khả năng chống nghe trộm, tăng tính bảo mật cho hệ thống

- Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng

Trong hệ thống RoF, các thiết bị phức tạp và đắt tiền được đặt tại CS, khiến các

BS đơn giản hơn Đa số công nghệ RoF không cần bộ dao động nội và các thiết bị liên quan tại BS Trong các trường hợp này, BS chỉ cần 1 bộ tách sóng quang, 1 bộ khuếch đại RF và 1 anten Thiết bị điều chế và chuyển mạch được đặt ở CS và được sử dụng bởi nhiều BS Sự sắp xếp này làm cho các BS nhỏ và nhẹ hơn, làm giảm giá thành lắp đặt và bảo dưỡng Việc lắp đặt dễ dàng và giá thành bảo dưỡng thấp của BS là rất quan trọng đối với hệ thống sóng mm, bởi vì các hệ thống này cần một số lượng lớn các BS

- Giảm công suất tiêu thụ

Giảm công suất tiêu thụ là kết quả của việc sử dụng trạm gốc đơn giản và thiết bị được rút gọn Hầu hết các thiết bị phức tạp đều được đặt tập trung tại trạm trung tâm, làm giảm số lượng thiết bị tại trạm gốc, dẫn đến giảm công suất tiêu thụ ở mỗi trạm Năng lượng tiêu thụ tại trạm trung tâm được chia sẽ cho nhiều trạm gốc Ngoài ra, trong một số ứng dụng các trạm gốc hoạt động ở chế độ thụ động Việc giảm năng lượng tiêu thụ tại trạm gốc rất quan trọng khi tính đến việc các RAUs được đặt ở nơi

xa, những nơi chưa có mạng lưới điện

- Linh động phân bố tài nguyên

Các chức năng chuyển mạch, điều chế và các chức năng khác được thực hiện tại trạm CS nên có thể phân phối dung lượng một cách linh động

Khi sử dụng mạng phân phối RoF cho hệ thống GSM, dung lượng có thể được phân bố thêm tới khu vực nào đó trong các giờ cao điểm và sau đó phân bố lại cho các khu vực khác khi qua giờ cao điểm Những sự phân bố linh động này có thể đạt được bằng cách cấp phát thêm các bước sóng quang nhờ kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) khi nhu cầu tăng lên Cấp phát dung lượng động là cần thiết, vì nó giúp ta tránh được sự lãng phí tài nguyên do lưu lượng trên mạng biến đổi thường xuyên

- Hoạt động với đa nhà cung cấp và đa dịch vụ

Trong hệ thống RoF, các kỹ thuật ghép kênh như SCM và WDM có thể được sử dụng để truyền nhiều tín hiệu vô tuyến trên cùng một sợi cáp quang Điều này sẽ tiếp tục được nâng cao khả năng chia sẻ hạ tầng mạng và tăng đáng kể lợi ích về kinh tế

1.3.2 Nhược điểm

Vì RoF liên quan đến điều chế tương tự và tách sóng ánh sáng nên về cơ bản đây

là một hệ thống truyền dẫn tương tự Do đó tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu và méo, đây là hạn chế trong các hệ thống thông tin tương tự cũng như hệ thống RoF

Nguồn tạp âm trong đường truyền sợi quang tương tự bao gồm tạp âm cường độ tương đối của laser, nhiễu pha laser, nhiễu nổ của bộ tách sóng quang, nhiễu nhiệt của

bộ khuếch đại, tán sắc sợi Trong hệ thống RoF sử dụng sợi đơn mode, tán sắc màu giới hạn chiều dài tuyến và cũng là nguyên nhân làm tăng nhiễu pha sóng mang RF Đối với méo dạng trong hệ thống RoF, thành phần méo dạng chính là dạng phi tuyến của quá trình điều chế và tán sắc của sợi ( tán sắc màu đối với SMF và tán sắc mode với MMF) Ta có thể khắc phục méo dạng này bằng các kỹ thuật ước tính kênh

và cân bằng áp dụng tại bộ phát hoặc bộ thu để tuyến tính hóa các đặc tính điều chế

1.4 ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT RoF

- Mạng cục bộ không dây (WLAN)

Các hệ thống phân phối RoF có thể được dùng trong các tòa nhà để phân phối các tín hiệu vô tuyến của cả hệ thống thông tin số liệu lẫn di động Cơ sở hạ tầng sợi quang trong các tòa nhà có thể sử dụng trong các ứng dụng hữu tuyến và vô tuyến Đặc biệt khi sử dụng sợi đa mode MMF hoặc sợi chất dẻo POF cung cấp cho các RAUs có thể giảm hơn nữa giá thành lắp đặt và bảo dưỡng, đặc biệt với các ứng dụng trong nhà

- Mạng tế bào

Một ứng dụng quan trọng của kỹ thuật RoF là mạng di động.Với số lượng thuê bao di động không ngừng tăng nhanh cùng với nhu cầu ngày càng lớn các dịch vụ

băng rộng đã gây ra áp lực đòi hỏi mạng di động phải tăng thêm dung lượng Bởi vậy, lưu lượng di động có thể được truyền dẫn một cách hiệu quả giữa các trạm gốc với nhau cũng như từ trung tâm đến trạm gốc bằng cách tận dụng những lợi ích của sợi quang Ngoài ra, khả năng cấp phát lưu lượng linh hoạt giúp cho kỹ thuật RoF đáp ứng được yếu tố nhu cầu không đều giữa các tế bào di động

- Thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là một trong những ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật RoF, liên quan đến đầu xa của anten các trạm mặt đất Hệ thống sử dụng các tuyến sợi quang ngắn có chiều dài nhỏ hơn 1 km và hoạt động tại tần số từ 1GHz đến 15GHz Bằng cách đó, các thiết bị tần số cao có thể được lắp đặt một cách tập trung, cải thiện tầm nhìn của vệ tinh và giảm nhiễu từ các hệ thống trạm mặt đất khác

1.5 TỔNG QUAN KỸ THUẬT RoF-WDM

Kỹ thuật RoF-WDM là kỹ thuật truyền dẫn đồng thời nhiều bước sóng tín hiệu quang (được chuyển đổi từ tín hiệu RF sang tín hiệu quang) trong cùng sợi quang Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

Kỹ thuật RoF-WDM cho phép gia tăng dung lượng truyền của sợi quang Việc sử dụng WDM hỗ trợ cho tín hiệu RoF như hình 1.2

Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa bằng

sơ đồ khối tổng quát như hình 1.2

Hình 1.2: Kỹ thuật RoF-WDM

Hệ thống RoF sử dụng kỹ thuật ghép kênh WDM có thể tăng dung lượng lên tới 1Tbps trên sợi quang đơn Tại thời điểm, tốc độ bit trên một kênh truyền có thể đạt tới 10Gbps – 40Gbps Khoảng cách các kênh truyền trong WDM có thể giảm 50GHz –

25GHz và truyền lên tới 100 kênh Tuy nhiên, với đường truyền RoF, nó không hiệu quả về phổ sử dụng do băng thông điều chế tín hiệu có thể rộng hơn ảnh hưởng đến các kênh quang lân cận

1.5.1 Đặc điểm của Hệ thống RoF-WDM

- Nguồn phát quang

Nguồn phát quang có chức năng biến đổi tín hiệu RF thành quang và truyền đi Tín hiệu đầu vào có thể ở dạng tương tự (RF), sẽ được chuyển thành tín hiệu quang tương ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ dòng điều biến Bước sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang được khai thác trên tuyến Nguồn phát quang của thiết bị có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Nhưng hiện nay, do tốc độ bit cao nên hệ thống chỉ sử dụng Laser bán dẫn

- Bộ thu quang

Bộ thu quang có chức năng chính là biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu RF Khi truyền dẫn trên sợi quang, tín hiệu quang thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ thu quang phải khuếch đại các tín hiệu

bị suy hao và khôi phục lại tín hiệu giống như tín hiệu ban đầu Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy máy thu, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit (BER) cho phép của hệ thống

Có 2 loại photodiode được dùng là photodiode PIN và photodiode thác APN, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng

và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt

- Môi trường truyền dẫn

Thành phần chính là cáp sợi quang và có thêm các bộ khuếch đại dọc theo đường truyền Cáp sợi quang được sử dụng là sợi đơn mode hay đa mode, các loại bù tán sắc nhằm giảm sự giãn nỡ xung, hạn chế méo tín hiệu, tăng dung lượng truyền và tốc độ bit đảm bảo Khi lắp đặt tuyến quang, một trong các tham số cần chú ý là suy hao tín hiệu trên sợi quang theo bước sóng, các bộ khuếch đại có nhiệm vụ bù lại phần suy hao đã mất trên đường truyền để đảm bảo tín hiệu truyền đi Cùng với việc khuếch đại tín hiệu để bù lại phần suy hao bị mất trên đường truyền thì phần tín hiệu nhiễu cũng được khuếch đại theo

- Bộ ghép kênh quang (MUX)

Bộ ghép kênh quang có tác dụng ghép các kênh quang có bước sóng khác nhau

để đưa vào đầu sợi quang Đối với sợi quang đơn mode, thường sử dụng công nghệ WDM ghép sợi

Bộ ghép sợi hoạt động dựa vào việc ghép hai trường ánh sáng ngoài lõi Nó có tính lựa chọn bước sóng nên có thể kết hợp hoặc tách các bước sóng khác nhau Chùm ánh sáng xuất hiện ở cả hai đầu ra sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các lõi sợi, chỉ

số khúc xạ vật liệu ở giữa, đường kính lõi sợi, độ dài tương tác và bước sóng ánh sáng

- Bộ giải ghép kênh quang (DEMUX)

Trong suốt quá trình phát triển của WDM, đã có những tiến bộ vượt bậc về mặt công nghệ trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị WDM Mới đầu chỉ là các thiết bị tách/ghép kênh sử dụng lăng kính hoặc cách tử đơn giản với số kênh cho phép là 4 Đến nay, các sản phẩm thương mại của một số hãng với số kênh bước sóng là 80, trong phòng thí nghiệm người ta đã tiến hành ghép 170 bước sóng cho một tuyến WDM dung lượng 1 Tbit/s qua một sợi đơn mode chuẩn dựa trên cấu trúc ống dẫn sóng (Array Wave Guide)

- Truyền dẫn hai chiều trên cùng một sợi, điều này cũng cho phép tăng dung lượng của hệ thống lên đáng kể

- Truyền dẫn đồng thời các dạng tín hiệu khác nhau, các loại hình thông tin đa dịch

vụ băng thông rộng, chẳng hạn như dữ liệu, hình ảnh, âm thanh dạng số và tương tự

- Nhờ việc phân chia dung lượng truyền dẫn thành nhiều kênh nên giảm được tốc

độ truyền trong mỗi kênh, từ đó giảm ảnh hưởng của tán sắc đến chất lượng hệ thống nên có thể kéo dài cự li các trạm trung gian, giảm giá thành hệ thống

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kĩ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang

- Quản lí băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lí hiệu quả băng tần truyền dẫn và cấu hình lại dịch vụ mạng

kỹ thuật này mang lại và chỉ ra những mặt hạn chế mà kỹ thuật RoF còn vấp phải Sự

ra đời của kỹ thuật truyền sóng vô tuyến trên sợi quang là thành quả của xu thế hiện nay và sẽ được tiếp tục phát triển về sau Với khả năng kết hợp kỹ thuật RoF vào các

hệ thống truyền thông không dây Chúng ta có thể nghiên cứu sâu thêm và tìm ra hướng để áp dụng công nghệ này vào thực tế

Đồng thời trong chương này cũng trình bày về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, là một giải pháp rất hiệu quả trong việc tăng dung lượng truyền dẫn Nhưng ở kỹ thuật này còn có những hạn chế cần khắc phục như suy hao, xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến tán sắc

Để nâng cao chất lượng hệ thống, chương tiếp theo sẽ nghiên cứu về hệ thống thông tin Coherence và bộ khuếch đại EDFA

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE VÀ

KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống thông tin Coherence và khuếch đại quang EDFA, bao gồm:

- Hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence (khái niệm, cấu trúc, nguyên

lí, kỹ thuật điều chế ở máy phát, kỹ thuật tách sóng ở máy thu Coherence, ưu nhược điểm của hệ thống)

- Bộ khuếch đại quang EDFA (giới thiệu, cấu trúc, nguyên lý, EDFA trong hệ thống WDM, ưu nhược điểm của bộ khuếch đại quang EDFA)

2.2 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE

2.2.1 Khái niệm

Máy thu quang Coherence với bộ trộn quang đặt trước ngay bộ tách sóng để kết hợp ánh sáng mang tín hiệu truyền dẫn với ánh sáng phát ra từ nguồn dao động nội dùng diode laser thành tín hiệu quang tổng hợp trước khi tiến hành tách sóng Máy thu

lý tưởng hoạt động trong vùng bước sóng 1300nm đến 1600nm cần năng lượng từ 10 đến 20 photon/bit, có thể đạt BER tối ưu từ 10-14

đến 10-9, là loại tách sóng cho ưu điểm lớn nhất trong hệ thống tốc độ cao hoạt động trong vùng bước sóng dài Máy thu quang Coherence cải thiện được tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở đầu ra của mạch tiền khuếch đại, dẫn tới độ nhạy máy thu cao, sử dụng hiệu quả hơn băng tần của sợi quang bằng cách tăng hiệu suất phổ của hệ thống WDM, nâng cao khả năng truyền dẫn đến vài trăm km

2.2.2 Cấu trúc của hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin quang Coherence được thể hiện trong hình 2.1 dưới đây Có thể chia nó làm ba phần: khối phát, sợi quang truyền dẫn, và khối thu

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence

Khối phát trong hệ thống này bao gồm các thiết bị: bộ điều khiển, laser bán dẫn,

bộ điều chế ngoài, ngoài ra còn có bộ điều khiển và khuếch đại công suất khi cần thiết Đặc điểm của từng thiết bị như sau:

- Các bộ điều khiển công suất quang có nhiệm vụ tự động bù đắp sự suy giảm công suất phát Một phần tín hiệu thông tin hồi tiếp từ máy phát về bộ điều khiển công suất để xử lý và điều khiển dòng laser sao cho phù hợp

- Laser bán dẫn thường là loại DFB, có độ rộng phổ hẹp  0.1nm, hoặc các loại laser có bộ cộng hưởng ngoài, hay laser cách tử có độ rộng đường  10MHz đến 100MHz Khối này nhằm ổn định nhiệt để đảm bảo ổn định tần số

- Bộ điều chế có thể thực hiện bằng một trong hai cách sau:

Điều chế trực tiếp, bộ điều chế điều khiển trực tiếp dòng nội xạ của laser Hoặc điều chế ngoài, sử dụng các thiết bị thích hợp điều khiển trường ánh sáng phát ra với các kỹ thuật điều chế tương ứng Ngoài ra còn phải có bộ cách ly giữa nguồn quang và sợi quang để ngăn ngừa các thành phần ánh sáng phản xạ về, gây bất ổn định cho sóng mang quang và độ rộng phổ của laser

- Bộ khuếch đại công suất quang có vai trò nâng mức công suất quang sau khi điều chế lên mức cần thiết do suy hao trên đường truyền Số bộ khuếch đại bị giới hạn bởi các nhiễu phi tuyến, nên sử dụng nó như thế nào, với bộ khuếch đại bao nhiêu cần phải được khảo sát kỹ

Khối thu là phần quan trọng nhất và đặc trưng cho hệ thống thông tin quang Coherence Gồm các thiết bị: laser dao động nội, bộ trộn quang, photodiode tách sóng,

bộ khuếch đại tín hiệu điện, bộ lọc thông giải, bộ điều khiển tần số tự động (AFC),bộ lọc vòng và bộ giải điều chế

- Laser dao động nội có cấu trúc gần giống với laser phát, chỉ có một điểm khác biệt là ở khả năng điều chỉnh tần số phát trong một khoảng rộng để đảm bảo tần số tín hiệu sau khi trộn luôn ổn định Tần số của laser dao động nội và laser phát có thể giống nhau trong trường hợp thu đồng tần, hoặc khác nhau trong trường hợp thu đổi tần và hiệu của hai tần số trên bằng tần số trung tần

- Bộ trộn quang có hai ngõ vào, một dành cho tín hiệu quang mang thông tin được truyền đến, ngõ vào còn lại cho tín hiệu quang từ laser dao động nội, chúng được trộn với nhau và cộng tuyến tính tại đầu ra Vì trạng thái phân cực của trường tín hiệu dọc theo sợi quang bị biến đổi nên cần có bộ điều khiển phân cực đặc biệt ở tuyến cuối sợi quang Độ lệch các trạng thái phân cực của tín hiệu đến và laser dao động nội gây ảnh hưởng đến quá trình tách sóng

- Photodiode tách sóng cùng với bộ trộn hoạt động như một chuyển đổi tần số thấp trong trường hợp thu đổi tần, hoặc như một bộ tách pha khi thu đồng tần

- Bộ khuếch đại tín hiệu điện có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau khi ra khỏi photodiode tách sóng, đảm bảo đủ công suất cho quá trình xử lý ở các thiết bị phía sau

và được giới hạn băng tần nhiễu bằng bộ lọc thông dải

- Bộ lọc thông dải dùng để lọc nhiễu, chỉ cho những tín hiệu trong băng thông của

bộ lọc đi qua, các thành phần khác bị loại bỏ

- Bộ giải điều chế tiến hành với phương pháp giống như trong bộ điều chế ở máy phát, để khôi phục lại tín hiệu gốc

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence

Bộ điều chế nhận tín hiệu vào để điều chế trực tiếp bằng các kỹ thuật điều chế biên

độ (ASK), tần số (FSK) hoặc điều chế pha (PSK) sóng mang quang, làm ánh sáng phát

từ laser có tần số S thay đổi theo quy luật của tín hiệu hoặc điều chế ngoài theo các phương thức làm ES hay S(t) thay đổi Tín hiệu này sẽ được truyền đến máy thu Tín hiệu quang truyền vào máy thu có biên độ ES, pha S, và tần số góc S được biểu diễn bằng phương trình:

Quá trình trộn giữa tín hiệu quang đến và tín hiệu quang từ bộ dao động nội được tiến hành trên bề mặt của photodiode tạo ra tín hiệu có giá trị dòng là IP(t), gọi là dòng photo Dòng IP(t) tỉ lệ với công suất quang P(t) theo công thức:

Trong đó: P(t) là công suất quang

là hệ số chuyển đổi quang điện, cho biết khả năng biến đổi công suất thành dòng điện

Với:  là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện tích electron

hv là năng lượng photo Công suất quang và điện trường tổng đưa đến photodiode liên hệ với nhau thông qua hằng số Z theo biểu thức sau:

(2.5) Thay các biểu thức (2.1) và (2.2) vào biểu thức (2.5) và biến đổi ta được:

(2.6) Các thành phần 2S, 2LO, S + LO được bỏ qua, do bộ tách sóng không đáp ứng tần số này

Cosθ(t) thể hiện độ lệch phân cực giữa sóng quang đến và bộ dao động nội, được giữ ổn định nhờ mạch kiểm soát phân cực AFC theo nguyên lý hồi tiếp

Thay P(t) trong (2.6) vào (2.4) ta suy ra được công thức tính Ip(t) là:

(2.7) Với PS, PLO lần lượt là công suất quang hiệu dụng của tín hiệu và tín hiệu từ bộ dao động nội Thông thường chọn PLO >> PS và PLO là một hằng số nên thành phần thứ nhất trong (2.7) xem như là thành phần một chiều và có thể bỏ qua Dòng tín hiệu ở đầu ra Photodiode của máy thu Coherence được biểu diễn:

Ưu điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp là sự đơn giản và rẻ tiền, được ứng dụng nhiều trong các hệ thống thông tin quang hiện nay Khi dùng sợi tán sắc thấp, hệ thống

sẽ trở nên tuyến tính Tuy nhiên hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp là khả năng đáp ứng tần số của laser là có giới hạn, laser điều chế trực tiếp chỉ có khả năng hoạt

động ở tần số tầm 10GHz Có một số laser có thể hoạt động ở tần số 40GHz nhưng giá thành rất cao và không phổ biến trên thị trường

Hình 2.3: Kỹ thuật điều chế trực tiếp 2.2.4.2 Điều chế ngoài

Trong kỹ thuật này, sóng laser được cấp một tín hiệu liên tục (Continuous Wave – CW) để phát ra ánh sáng có năng lượng không đổi theo thời gian Thành phần thứ hai, được gọi là bộ điều biến được sử dụng như một công tắc để cho ánh sáng đi qua tương ứng với tín hiệu điều chế mang thông tin được đưa vào bộ điều biến Như vậy, laser không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế tín hiệu mà thông qua một bộ điều chế quang học bên ngoài với tốc độ bit cao, cho phép chuyển đổi tín hiệu giữa hai trạng thái (mở và đóng) đủ nhanh để hoạt động tốt ở tốc độ bit mong muốn

Hình 2.4: Kỹ thuật điều chế ngoài

Trong kỹ thuật điều chế ngoài, có hai bộ điều chế ngoài thường được sử dụng Loại thứ nhất dựa trên sự thay đổi hấp thụ của các vật liệu bán dẫn dưới sự điều khiển bởi một số tinh thể dưới tác động điều khiển của một điện trường bên ngoài Loại thứ hai dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ của một số tinh thể dưới tác động điều khiển của một điện trường bên ngoài

- Bộ điều chế ngoài hấp thụ electron:

Một laser DFB phát ra một nguồn sáng liên tục chạy qua các ống dẫn được chế tạo bằng các vật liệu bán dẫn Khi không có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần như trong suốt với nguồn sáng được phát ra từ laser do tần số cắt λc ngắn hơn so

với bước sóng tia tới, lúc đó năng lượng tia tới E sẽ nhỏ hơn hiệu ứng bandgap Eg Khi một hiệu điện thế điều khiển được đặt vào, hiệu ứng bandgap của vật liệu giảm đi, sóng ánh sáng sẽ bị hấp thụ khi E > Eg Bằng cách thay đổi điện áp của ống dẫn sóng, đặc tính điều chế tín hiệu cũng như bản thân tín hiệu cũng sẽ thay đổi theo

- Bộ điều chế ngoài Mach – Zenhder:

Bộ điều chế ngoài Mach – Zenhder là dựa trên sự thay đổi chỉ số khúc xạ dưới tác dụng của điện trường ngoài thông qua hiệu ứng quang điện

Hình 2.5: Bộ điều chế ngoài Mach Zenhder

Người ta cấy vào ống dẫn sóng một tinh thể quang điện tử, thường là pin lithium – niobate (LiNbO3), chiết suất của lớp lithium – niobate này thay đổi khi đặt vào nhánh của nó một hiệu điện thế Giả sử nguồn sáng đến được chia làm hai nhánh đi qua ống dẫn sóng Khi không có hiệu điện thế đặt vào, cả hai nửa tia tới sẽ không bị dịch pha, tại ngỏ ra chúng sẽ giao thoa với nhau và tái tạo lại dạng sóng ban đầu Khi có một hiệu điện thế đặt vào thì hai tia tới sẽ bị dịch pha, công suất tại đầu ra bộ điều chế phụ thuộc vào sự sai khác pha của hai tia Ta có độ lệch pha:

Công suất sóng ra được tính như sau:

Trường hợp phổ biến nhất, tia tới thứ nhất sẽ bị dịch pha 90o

bởi chiết suất của ống dẫn sóng bị thay đổi, trong khi nhánh thứ hai sẽ bị dịch pha -90o Kết quả là tổng hợp ngõ ra ống dẫn sóng cả hai đều bị triệt tiêu

2.2.5 Kỹ thuật tách sóng ở máy thu Coherence

2.2.5.1 Tách sóng đồng tần

Phương pháp này lựa chọn tần số dao động nội ωLO bằng tần số sóng mang quang, nên ωIF = 0, sau khi tách sóng tín hiệu sẽ được khôi phục tại băng tần cơ sở như ở máy thu tách sóng trực tiếp

Dòng đầu ra của photodiode ở tách sóng đồng tần:

(2.11) Bên cạnh đó, giả sử pha của bộ dao động nội được khóa so với pha của tín hiệu sóng mang quang, dẫn đến Ø(t) = 0 Từ biểu thức (2.11), tín hiệu đồng tần được cho bởi:

(2.12) Hơn nữa, phương pháp tách sóng Coherence đồng tần được thể hiện qua biểu thức (2.12) Theo đó, dù ωIF = 0, thành phần pha của tín hiệu có thể truyền thông tin bằng cách điều chế pha của sóng mang quang Trong khi đó, tách sóng trực tiếp không cho phép điều chế pha vì tất cả các thông tin về pha tín hiệu đều bị mất

2.2.5.2 Tách sóng đổi tần

Đối với phương pháp này, tần số của bộ dao động nội ωLO được chọn khác với tần

số tín hiệu ωS sao cho ωIF ≠ 0 Cũng giống như tách sóng đồng tần, thông tin được truyền đi có thể sử dụng phương pháp điều chế ASK, FSK và PSK Đồng thời, bộ dao động nội khuếch đại tín hiệu nhận được, vì thế nâng cao được tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Tuy nhiên, hệ số cải thiện trong phương pháp này thấp hơn 2 lần (3dB) so với tách sóng đồng tần Đây là một nhược điểm của kỹ thuật tách sóng đổi tần, nhưng bù lại thiết kế máy thu đơn giản hơn đáng kể vì không cần thiết phải có vòng khóa pha Điều này làm cho máy thu tách sóng đổi tần thích hợp với các ứng dụng thực tế của hệ thống thông tin quang Coherence

Tách sóng đổi tần có hai loại là tách sóng đổi tần đồng bộ và tách sóng đổi tần không đồng bộ

Hình 2.6: Sơ đồ khối của máy thu đổi tần đồng bộ

Trong máy thu đổi tần đồng bộ (hình 2.6), dòng photo được tạo ra sau khi thực hiện quá trình tách sóng quang, được truyền qua một bộ lọc thông dải, một phần sẽ đưa vào mạch khôi phục sóng mang Sau đó nó sẽ được trộn với tín hiệu ra từ bộ lọc thông dải ở bộ trộn, rồi qua mạch lọc thông thấp để khôi phục lại tín hiệu đã điều chế ban đầu

Hình 2.7: Sơ đồ khối máy thu đổi tần không đồng bộ

Trong máy thu đổi tần không đồng bộ (hình 2.7) không cần khôi phục sóng mang Tín hiệu băng gốc sẽ được khôi phục khi qua bộ nắn hoặc bộ bình phương rồi qua bộ lọc thông thấp để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

2.2.6 Ưu, nhược điểm của hệ thống RoF sử dụng máy thu quang Coherence

2.2.6.1 Ưu điểm

- Nâng cao độ nhạy thu

Ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang Coherence là sự cải thiện độ nhạy thu Với việc kết hợp sử dụng hai phương pháp tách sóng đồng tần và đổi tần, hệ thống quang Coherence cho phép gia tăng khoảng cách truyền giữa hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền dẫn trong các tuyến thông tin đường trục và tăng số kênh trong mạng nội hạt hoặc thuê bao

- Nâng cao khả năng truyền dẫn

Với phương pháp ghép kênh theo tần số, các hệ thống thông tin quang Coherence

có dung lượng truyền dẫn rất lớn Ví dụ, nếu trong vùng bước sóng hoạt động 1550nm chọn độ rộng phổ để truyền thì trong vùng này có thể truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương

- Cung cấp khả năng lựa chọn kênh

Theo nguyên tắc tách sóng đổi tần, tương tự như máy thu đổi tần trong miền sóng

vô tuyến Khả năng chọn lọc kênh ở phía thu dựa trên khả năng thay đổi tần số ánh sáng của laser dao động nội Do đó trong môi trường đa kênh với các tần số là f1, f2…,

fn ta chỉ cần thay đổi tần số bộ dao động nội fLO sao cho fIF = | fLO – ft |, với ft là tần số của kênh thứ i bất kỳ, thì máy thu sẽ nhận được tín hiệu từ kênh đó Chính vì vậy nó được sử dụng trong mạng phân phối đa kênh quang

- Hạn chế được nhiễu bắn thu được

Khi công suất tín hiệu thu được nhỏ, chỉ cần tăng PLO tại máy thu Coherence là

có được kết quả SNR mong muốn, lúc này bộ dao động nội hoạt động như bộ khuếch đại tín hiệu trong khi hệ thống IM-DD thì chịu ảnh hưởng của nhiễu bắn cũng như hiệu ứng phi tuyến khác, vì vậy máy thu quang Coherence giúp tăng khoảng cách truyền dẫn và tăng tốc độ thông tin

- Khả năng chọn lọc tần số

Kỹ thuật tách sóng Coherence có thể chọn lọc tần số một cách chính xác bằng

cách sử dụng bộ lọc tách sóng quang để chuyển tín hiệu điện sang quang Ngoài ra còn tăng khả năng truyền dẫn của hệ thống, tối ưu hóa băng thông kênh truyền Điều này cho phép khai thác tối đa năng lực của kỹ thuật ghép kênh WDM

- Khả năng kết hợp Coherence với kỹ thuật khuếch đại quang

Sự kết hợp giữa thu Coherence và kỹ thuật khuếch đại quang có thể tạo nên các tuyến thông tin có dung lượng truyền dẫn rất lớn và kéo dài khoảng cách trạm lặp Khả năng này được ứng dụng trong các tuyến đường trục và tuyến cáp quang thả biển

2.2.6.2 Nhược điểm

- Tần số của bộ dao động nội và tín hiệu đến cần phải qua bộ điều khiển phân cực

để tạo ra tần số trung tần được yêu cầu, trong khi đó, hệ thống IM-DD chỉ quan tâm tới

tần số của laser điều chế quang có phù hợp với photodiode được sử dụng hay không

- Trạng thái phân cực của bộ dao động nội (LO) và tín hiệu phải giống nhau hoàn

toàn tại photodiode

- Độ rộng đường của bộ dao động nội (LO) và nguồn quang phải thích hợp với kiểu điều chế được sử dụng, trong khi đối với hệ thống IM-DD, độ rộng nguồn quang

chỉ được xác định chủ yếu lỗi tán sắc sợi quang

2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA

2.3.1 Giới thiệu

Trong các tuyến truyền dẫn quang thì khi cự li truyền dẫn xa đến một mức nào đó, suy hao tín hiệu trên đường truyền sẽ làm đầu thu khó hoặc không thể tái tạo lại tín hiệu Khi đó phải sử dụng các bộ khuếch đại trên đường truyền Trước khi có các bộ khuếch đại thì lựa chọn tốt nhất là các trạm lặp với chức năng: nhận tín hiệu quang, chuyển thành tín hiệu điện, khôi phục và chuyển lại thành quang rồi phát đi Điều này làm hạn chế tính trong suốt và tăng chi phí bảo trì hệ thống

Kỹ thuật khuếch đại quang ra đời có ưu thế hơn so với trạm lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit và các định dạng tín hiệu, hệ thống dễ nâng cấp

và băng thông lớn nên có thể sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM

Kỹ thuật khuếch đại quang khắc phục được các nhược điểm của trạm lặp như băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn hay các ảnh hưởng của nhiễu điện Có nhiều loại khuếch đại quang sợi nhưng bộ khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA được sử dụng rộng rãi trong hệ thống WDM

2.3.2 Cấu trúc của bộ khuếch đại quang EDFA

Cấu trúc một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA được minh họa ở hình 2.8

Hình 2.8: Cấu trúc tổng quát bộ khuếch đại quang EDFA

- Sợi quang pha ion hiếm Erbium EDF: là nơi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA Trong đó vùng lõi trung tâm của EDF được pha trộn ion Er3+

là nơi có cường

độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Lớp bọc có chiết suất thấp hơn bao phủ quanh lõi Lớp phủ bảo vệ bao quanh sợi quang có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang

- Laser bơm: phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc 1480nm, cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực

- WDM Coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong sợi quang Cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

- Bộ cách ly quang: ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ ngược về EDFA

2.3.3 Nguyên lý hoạt động EDFA

Khuếch đại EDFA là loại khuếch đại quang sợi được pha tạp Erbium Với dải bước sóng khuếch đại không đồng dạng 1500nm – 1600nm, đỉnh khuếch đại xung quanh bước sóng 1532nm Do đó EDFA phù hợp để sử dụng cho các hệ thống WDM thường sử dụng cửa sổ 1530nm – 1565nm (C-band) để truyền tải tín hiệu

Quá trình bức xạ xảy ra trong EDFA nhìn chung có thể được phân cấp thành bức

xạ kích thích và bức xạ tự phát theo sự chuyển tiếp mức năng lượng của ion Er3+ tương ứng với sự hấp thụ năng lượng từ bước sóng bơm được chỉ ra trong hình 2.9

Hình 2.9: Sơ đồ mức năng lượng của ion Er 3+

Hiện tượng bức xạ bình thường có thể là bức xạ tự phát (là cơ chế bình thường khi điện từ nhảy mức năng lượng) hoặc bức xạ sẽ xảy ra mạnh theo cơ chế bức xạ kích thích, tức là do sự có mặt của các photon mang năng lượng bằng với năng lượng dịch chuyển mức của các điện tử (trong EDFA thì đó là photon của tín hiệu được khuếch đại ) sẽ kích thích sự phát xạ và tạo ra thêm nhiều photon tỉ lệ với số photon của chùm sáng Nhờ vậy tín hiệu được khuếch đại khi đi qua sợi pha tạp Erbium

Khi các ion Er3+ được kích thích từ trạng thái nền thông qua sự hấp thụ ánh sáng bơm, nó sẽ phân rã không phát xạ từ các mức năng lượng cao hơn cho tới khi tiến tới trạng thái giả bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới sẽ gặp các ion Erbium đã được kích thích Lúc này sẽ xảy ra quá trình bức xạ kích thích các ion Erbium sẽ chuyển từ mức giả bền 4I13/2 xuống mức năng lượng nền thấp nhất 4I15/2 (nơi mà mật độ điện tử cao) và tạo ra các photon có cùng pha và hướng quang như tín hiệu tới Như vậy đã đạt được quá trình khuếch đại quang trong EDFA

2.3.4 Bộ khuếch đại EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM

2.3.4.1 Các yêu cầu về bộ khuếch đại EDFA

Bộ khuếch đại quang sử dụng trong hệ thống WDM cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Băng tần khuếch đại bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao

- Phổ khuếch đại đồng đều với tất cả các kênh bước sóng

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- EDFA có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và ra để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh

2.3.4.2 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến sợi quang

- Trường hợp BA (khuếch đại công suất) đặt ngay sau máy phát: cho tỷ số SNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được quá cao 15dBm do điều kiện kết nối

sợi với sợi quang Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát

- Trường hợp PA (tiền khuếch đại) đặt ngay trước máy thu: có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu

vào của máy thu do ít bị suy giảm Điều này giới hạn tỷ số SNR

- Trường hợp LA (khuếch đại đường truyền) đặt giữa đường truyền: ở trường hợp này ta có thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lí để

đạt được công suất tín hiệu và SNR thích hợp

2.3.5 Ưu, nhược điểm của EDFA

- Ưu điểm

Các nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất lớn Cấu trúc của bộ EDFA tương đối đơn giản do đó sẽ giảm chi phí giá thành của hệ thống Cấu trúc nguồn nuôi cần cho bộ EDFA nhỏ nên rất thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượt biển Do tín hiệu truyền là quang nên không bị nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như các bộ khuếch đại quang bán dẫn và không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu

- Nhược điểm

Một trong những nhược điểm của bộ khuếch đại quang sợi EDFA đó là phổ độ lợi không bằng phẳng Ngoài ra nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây nên hạn chế trong cự ly truyền dẫn

Để làm rõ hơn hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence, trong chương tiếp theo sẽ đưa ra mô hình khảo sát và tính toán các thông

số nhiễu ảnh hưởng đến SNR và BER của hệ thống

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM VÀ CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này sẽ khái quát mô hình khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence; Các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, bao gồm:

- Mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ EDFA và máy thu Coherence

- Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến

- Các loại nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống khi sử dụng 2 bộ khuếch đại EDFA: nhiễu lượng tử, nhiễu nhiệt, nhiễu ASE

- Tính toán các thông số SNR và BER trong hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence

3.2 MÔ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG 2 BỘ EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE

Đối với việc ứng dụng truyền tín hiệu từ đất liền ra ngoài hải đảo, ví dụ như muốn truyền tín hiệu di động RF giữa trạm CS đặt tại đất liền và trạm BS đặt trên các đảo, đường truyền RoF có thể dài hơn nhiều so với khoảng cách (100-250) km

Đối với đường truyền RoF khoảng vài trăm cây số, suy hao trên đường truyền là không thể tránh khỏi Để giải quyết vấn đề đó thì ở đây ta có thể sử dụng 2 bộ khuếch đại EDFA và máy thu Coherence là giải pháp thích hợp Các bộ khuếch đại dùng để bù tổn hao trên đường truyền và bộ thu Coherence để tăng khoảng cách và độ nhạy hệ thống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phục hồi tín hiệu ở đầu thu Tuy nhiên công suất phát, công suất bộ dao động nội, độ lợi của EDFA cũng như vị trí đặt EDFA trên đường truyền cũng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, số lượng kênh truyền Do đó, với khoảng cách truyền nhất định (250km) chúng ta cần xác định đồng thời các thông

số bao gồm công suất phát, công suất của bộ dao động nội, độ lợi EDFA và vị trí đặt EDFA thích hợp trên đường truyền để đáp ứng các yêu cầu cho các giá trị SNR và BER Dưới đây là mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ EDFA và máy

thu Coherence:

Hình 3.1: Mô hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng 2 bộ EDFA và máy thu

Coherence

Mô hình trên sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ (IM), có 2 bộ EDFA và máy thu Coherence Với bộ EDFA đầu tiên được cố định tại máy phát, bộ EDFA thứ 2 sẽ nằm trên đường truyền với khoảng cách từ 100km đến 250km (vì bộ EDFA thứ 1 có thể bù tổn hao khoảng 100km đầu đường truyền) Máy thu Coherence dùng để tăng cường khoảng cách truyền và độ nhạy của hệ thống Từ mô hình trên chúng ta sẽ tìm hiểu

thêm về các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống ở phần tiếp theo

3.3 CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG

Trong hệ thống RoF-WDM có hai bộ EDFA mắc chuỗi và máy thu Coherence khi

số kênh tăng lên và các kênh này được truyền qua một khoảng cách lớn thì ảnh hưởng Hiệu ứng phi tuyến sẽ tăng lên Đồng thời tại máy thu của hệ thống thông tin quang luôn có các loại nhiễu gồm nhiễu lượng tử, nhiễu ASE và nhiễu nhiệt sẽ làm suy giảm chất lượng hệ thống Do dó, các nhiễu trên được xem như là thành phần chính làm suy giảm dung lượng và cự ly truyền dẫn của hệ thống

3.3.1 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang xảy ra do sự thay đổi hệ số khúc xạ trong sợi quang và hiện tượng tán xạ không đàn hồi

Hiệu ứng quang được gọi phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào cường

độ ánh sáng (công suất)

Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất hiện khi tốc độ dữ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng và công suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến này đã có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn của hệ thống và thậm chí trở nên quan trọng hơn vì sự phát triển của bộ khuếch đại quang sợi EDFA cùng với sự phát triển của các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với việc tăng hiệu quả truyền thông tin

mà có thể bằng cách tăng số lượng kênh truyền và giảm khoảng cách giữa các kênh, làm cho ảnh hưởng của phi tuyến sợi trở nên đóng vai trò quyết định hơn

Hiệu ứng phi tuyến có thể chia làm 2 loại:

- Hiệu ứng tán xạ không đàn hồi: phát sinh do tác động qua lại giữa các sóng ánh sáng với các photon (rung động phân tử) trong môi trường silica dẫn đến tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và tán xạ do kích thích Raman (SRS)

- Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến: sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường (Kerr) dẫn đến hiệu ứng tự điều pha (SPM), hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) và hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM)

3.3.1.1 Hiệu ứng tán xạ không đàn hồi

- Hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin (SBS)

Hiện tượng SBS là khi có sự hình thành bước sóng Stoke dài hơn bước sóng của ánh sáng tới Một phần ánh sáng bị tán xạ do các phonon âm học và làm cho phần ánh sáng bị tán xạ này dịch tới bước sóng dài hơn

Hiệu ứng SBS xảy ra trên dải tần hẹp ∆f = 20MHz ở bước sóng 1550nm Không gây ra bất kì tác động qua lại nào giữa các bước sóng khác nhau khi khoảng cách bước sóng > 20MHz Tạo độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu (hướng về nguồn) dẫn đến làm suy giảm tín hiệu mạnh

Ảnh hưởng của hiệu ứng SBS làm suy yếu năng lượng tín hiệu tới, năng lượng này làm giảm khoảng cách khẩu độ sợi quang cho phép Vì vậy trong hệ thống WDM khi tất cả các kênh cùng truyền theo một hướng thì hiệu ứng SBS không gây ra nhiễu xuyên kênh

- Hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS)

Hiện tượng SRS là quá trình tán xạ mà trong đó photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lượng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn, phần còn lại được phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng mới này được gọi là ánh sáng Stocke) Khi tín hiệu trong sợi quang có cường độ lớn, quá trình này trở thành quá trình kích thích Raman

Hiệu ứng SRS sinh ra bởi sự chuyển động của các phân tử do mật độ năng lượng cao trong sợi quang Ánh sáng tán xạ được phát ra ở tần số thấp (bước sóng dài) hơn tín hiệu tới (tán xạ không đàn hồi)

Hiệu ứng SRS sinh ra năng lượng chuyển đổi những kênh có bước sóng ngắn thành các kênh có bước sóng dài hơn dẫn đến tạo ra phổ nghiêng Sự suy hao năng lượng trong các kênh có bước sóng nhỏ hơn làm giảm hiệu suất truyền, suy hao tín hiệu lớn và giảm số kênh trong hệ thống

3.3.1.2 Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến

- Hiệu ứng tự điều pha (SPM)

Hiện tượng SPM là khi chiết suất của môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường

độ ánh sáng truyền Sự dịch tần phi tuyến làm cho sườn trước của xung dịch đến tần số

ω < ω0 và sườn sau của xung dịch đến tần số ω > ω0 dẫn đến phổ của tín hiệu bị co dãn trong quá trình truyền

Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM dẫn đến sự giao thoa gây nhiễu giữa các kênh (đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh gần nhau) Tuy nhiên SPM dùng để tạo ra các xung cực ngắn với tỉ lệ lặp cao được sử dụng trong chuyển mạch quang nhanh Để giảm ảnh hưởng do hiệu ứng SPM đến mức thấp nhất trên tuyến thì độ dịch pha phi tuyến của hệ thống phải rất nhỏ so với 1

- Hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM)

Hiện tượng xảy ra khi có nhiều kênh trên một đường truyền và sự phụ thuộc của

độ dịch pha một kênh vào cường độ (công suất) của các kênh kia Điều này dẫn đến độ dịch pha một kênh không chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng của chính kênh đó, mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại Hiện tượng này gọi là hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM Hiệu ứng này chủ yếu xảy ra ở các hệ thống đa kênh tốc độ bit cao, khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi sử dụng các tần số sóng mang khác nhau Ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống

- Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM)

Hiệu ứng trộn bốn bước sóng là một hiện tượng phi tuyến bậc ba, tương tự như quá trình méo điều chế trong các hệ thống điện Giống như các hiệu ứng SPM và XPM, hiệu ứng FWM được sinh ra do sự phụ thuộc của chiết suất sợi vào cường độ quang, tuy nhiên ảnh hưởng của nó đến hệ thống WDM là hoàn toàn khác Hiệu ứng SPM và XPM chỉ ảnh hưởng đến các hệ thống có tốc độ bit cao, hiệu ứng FWM không phụ thuộc vào tốc độ bit mà lại phụ thuộc vào khoảng cách kênh và tán sắc màu của sợi

Trong FWM, sự tác động giữa hai kênh có bước sóng khác nhau của một hệ thống WDM sẽ điều chế pha của một trong hai kênh đó tại bước sóng của nó và tạo ra các kênh mới như là các băng tần cạnh Khi có ba bước sóng có tần số lần lượt là fi, fj,

fk (i, j # k) tác động lẫn nhau thông qua ảnh hưởng phi tuyến bậc ba của sợi quang thì tại đó sẽ tạo ra một bước sóng mới có tần số: fi, j, k = fi + fj - fk

Gọi Pi,j,k là công suất của bước sóng ωi,j,k (tại tần số fi,j,k) trong sợi quang thì Pi,j,k

được tính như sau:

là phối hợp pha tích lũy trong phân đoạn m

n 0: là chiết suất của sợi

G: là hệ số khuếch đại EDFA [lần]

χ: là độ nhạy cảm phi tuyến bậc 3 [m3/W.s]

A eff : là diện tích hiệu dụng của lõi sợi [m2]

α 1,2 : là suy hao của 2 loại sợi [1/m] ( hai loại sợi có tán sắc khác nhau

nhưng có cùng suy hao)

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

: suy hao trong phân đoạn m

Hai yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng FWM là khoảng cách kênh và tán sắc sợi Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM càng lớn nếu như khoảng cách giữa các kênh trong

hệ thống WDM càng nhỏ cũng như khi khoảng cách truyền dẫn và mức công suất của mỗi kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM sẽ hạn chế dung lượng và cự ly truyền dẫn của

hệ thống WDM

Trong hệ thống WDM có các bộ khuếch đại mắc chuỗi thì việc tính toán công suất trộn bốn bước sóng phức tạp hơn nhiều Do công suất tín hiệu luôn được tăng cường nhờ các bộ khuếch đại nên công suất FWM lớn hơn nhiều so với hệ thống không có khuếch đại quang Ngoài ra, trong trường hợp này, việc quản lí tán sắc sợi đóng vai trò rất quan trọng, vừa phải giảm thiểu được hiện tượng FWM vừa không ảnh hưởng đến tốc độ, khoảng cách hệ thống