Tính toán độ nhạy thu của tuyến thông tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang

Nội dung text: Tính toán độ nhạy thu của tuyến thông tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 TÍNH TOÁN ĐỘ NHẠY THU CỦA TUYẾN THÔNG TIN QUANG M-QAM CÓ SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG INVESTIGATION OF RECEIVER SENSITIVITY OF M-QAM OPTICAL COMMUNICATION LINKS WITH OPTICAL AMPLIFIER Lê Trung Thành Trần Đức Hân, Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Duy Huyển Trường Đại học GTVT Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Bài báo đề xuất phương pháp phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống truyền dẫn quang M-QAM, một công nghệ mới đang được quan tâm hiện nay. Các tham số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn như các nguồn tạp âm của bộ khuếch đại và bộ tách sóng quang đã được phân tích, đánh giá. Đã xây dựng phương pháp tính toán độ nhạy thu quang cho hệ thống M-QAM có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA như bộ tiền khuếch đại PA. Đã khảo sát định lượng sự phụ thuộc của công suất thu sau bộ tách sóng quang vào các tham số của hệ thống như hệ số khuếch đại G, mức điều chế M , hệ số tạp âm NF, băng tần bộ lọc quang Bo, hệ số bức xạ tự phát Nsp, tỉ số lỗi bit BER và tốc độ bit Rb v.v. Kết quả phân tích thu được sẽ là cơ sở cho bài toán thiết kế hệ thống M-QAM. Với cự ly truyền dẫn L km cùng tốc độ bit Rb ( Gbps ) và tỉ số lỗi bit BER . cho trước người thiết kế dễ dàng tính toán xác định được một bộ thông số tối ưu cho hệ thống. ABSTRACT The purpose of this paper is to propose a method for analysis and calculation of M-QAM optical transmission system, a technology that has been attracting much attention recently. A numbers of noise sources such as noise from optical amplifier and from optical detector, which all have an influence on the sensitivity and consequently an accurate estimation of the receiver sensitivity of the system is analyzed A calculation method of the receive sensitivity of M-QAM transmission system using the optical fibre amplifier EDFA as PA is studied. The theory results are simulated on computer using different parameters of the system such as: the gain G of EDFA, the NF of amplifier, the BER, M-modulation level, band of optical filter Bo, bit rate Rb and spontaneous emission coefficient Nsp The results of the analysis has applied to design the M-QAM transmission systems. With given transmission distance L km, bit rate Rb and BER, a designer can calculate different parameters of the system, to determine the optimal saturable gain of the amplifier. I. ĐẶT VẤN ĐỀ II. PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ NHẠY THU QUANG CỦA TUYẾN THÔNG TIN Độ nhạy thu quang là một tham số rất QUANG M-QAM quan trọng và cần phải được tính toán trong quá trình thiết kế một tuyến thông tin quang. Trong Giả sử bộ khuếch đại quang EDFA được các tuyến thông tin quang truyền tín hiệu khoá sử dụng làm tiền khuếch đại (PA) trong hệ đóng-mở (OOK:On-Off Keying), độ nhạy thu thống (hình 1). đã được nghiên cứu khá chi tiết trong một số công trình [1.6.7]. Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin quang truyền tín hiệu M-QAM thì chưa có một kết quả nghiên cứu chi tiết nào. Bài báo đề xuất phương pháp tính toán độ nhạy thu quang và cự ly truyền dẫn của tuyến thông tin quang M-QAM. Các kết quả này sẽ được mô phỏng, đánh giá và so sánh với các tham số khác nhau của hệ thống có sử dụng và không sử Hình 1. Hệ thống thông tin quang M-QAM dụng EDFA. 28
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm trong đó, Be, B0 là băng tần điện của bộ thu và CNR sau tách sóng quang của hệ thống này sẽ băng tần quang của bộ lọc quang sau EDFA; được tính theo [2,3,4]: e,k,R,T lần lượt là điện tích electron, hằng số Boltzman, điện trở tải tách sóng và nhiệt độ 0,5m2 I 2 CNR s , (1) tuyệt đối; IASE là dòng phôtô tạo ra do phát xạ tự 2 tự phát được khuếch đại sau tách sóng,  total I ASE PASE 2nsph(G 1)B0 PASE là trong đó, m là chỉ số điều quang, Is là dòng công suất của phát xạ tự phát được khuếch đại; phôtô sau tách sóng quang và  2 là tổng total n ,h, , G tương ứng là hệ số phát xạ, hằng số công suất tạp âm sau tách sóng. sp Plank, tần số quang và hệ số khuếch đại của Đồng thời, mối quan hệ giữa CNR và xác EDFA. suất lỗi bit BER của tín hiệu M-QAM được tính theo [3]: Nếu hệ thống dùng sợi quang có hệ số suy hao (dB/km) , thì khoảng cách truyền 2(1 L 1) 3log L 2E 2(1 L 1) 3 2 b dẫn của tuyến thông tin quang M-QAM được BER Q Q CNRavr log L L2 1 N log L L2 1 2 0 2 tính theo công thức: (2) Ptx Ps 2 L [km] (5) trong đó M=L là số mức điều chế; Eb,N0 tương ứng là năng lượng bít và mật độ tạp âm; ở đó, P là công suất phát đưa vào đầu sợi Q(x) được xác định qua hàm bù sai lỗi: tx quang và Ps là độ nhạy thu quang. 1 x 1 x 2 Q(x) erfc( ) exp( ) ; III. MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 2 2 x 2 2 Như vậy ta có nhận xét là độ nhạy thu CNRavr là tỷ số công suất sóng mang trên quang phụ thuộc vào nhiều tham số của hệ tạp âm trung bình sau tách sóng quang [7]: thống thông tin quang như: phụ thuộc vào hệ số khuếch đại G của bộ khuếch đại quang, vào 1 M M 1 CNR CNR A2 CNR A2 băng tần của bộ lọc quang, vào tốc độ bit truyền avr  i 2 max M i 1 3( M 1) dẫn, vào dạng điều chế hay vào hệ số tạp âm của bộ khuếch đại quang,v.v Do vậy, trong (3) thiết kế tính toán tuyến truyền dẫn quang M- QAM có sử dụng khuếch đại quang ta cần phải trong đó Ai là biên độ của điểm tín hiệu thứ i, A là biên độ cực đại. nghiên cứu sự phụ thuộc của độ nhạy thu và max khoảng cách truyền dẫn vào các tham số khác Theo định nghĩa thì độ nhạy thu là công nhau của hệ thống, để từ đó tìm ra tập giá trị tối suất nhỏ nhất có thể thu được tại một giá trị xác ưu các tham số của hệ thống mà vẫn đảm bảo suất lỗi bit BER nào đó của hệ thống. Do vậy, chất lượng truyền tin. Với mục đích đó, trong từ (1) độ nhạy thu tính được là: phần này chúng tôi mô phỏng sự phụ thuộc của độ nhạy thu quang và khoảng cách truyền dẫn 2 1/ 2 B CNR của tuyến vào một số tham số khác nhau của hệ e P thống. ASE 2 B 0,5m G 0 Trên hình 2 là kết quả mô phỏng cho sự 2 B CNR 4kTB h CNR phụ thuộc của độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại e e G của EDFA với các tốc độ bít khác nhau và PASE PS= 2 2 B0 0,5m G R e 0,5m G cho hệ thống điều chế M-QAM có các mức điều chế M= 8, 16, 32 và 64 tương ứng. Các B CNR e P 2 B B / 2 tham số được sử dụng trong mô phỏng này là: 2 ASE 0 e 2 B 0,5m G 0 0 R=50  , T=300 K, B0=1GHz,  =1550nm, m=0,2;  =0,8A/W,xác suất lỗi bit BER=10-9. (4) 29
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 âm tác động lên hệ thống, làm cho tổng công suất tạp âm sau tách sóng quang cũng tăng theo. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống, do đó, sẽ không tăng được nữa và đạt đến giá trị bão hoà. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại G với hệ số tạp âm NF và băng tần của bộ lọc quang B0 khác nhau được mô phỏng trên hình 3. Ta thấy rằng, băng tần của bộ lọc quang B0 có ảnh hưởng rất ít đến độ nhạy thu; trong khi, hệ số bức xạ tự phát Nsp lại có ảnh hưởng lớn đến giá trị của độ nhạy thu. Ví dụ dùng phương pháp điều chế M=64, thì giá trị của độ nhạy thu sẽ giảm gần 2 dB khi Nsp tăng từ Nsp=1 đến giá trị Nsp=1,26. Hình 2. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G với tốc độ bit khác nhau Hình 4. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào NF với số mức điều chế khác nhau Hình 3. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G với băng tần quang và Nsp khác nhau Kết quả mô phỏng cho thấy, độ nhạy thu đạt được giá trị cao khi giá trị của hệ số khuếch đại G tăng; tuy nhiên nó lại tỷ lệ nghịch với tốc độ bit, khi tốc độ bít tăng thì độ nhạy thu bị giảm xuống. Độ nhạy thu đạt được các giá trị Hình 5. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G và cao như -50dBm, -49 dBm, -47dBm và -46 dBm với M khác nhau cho các tốc độ bit 2,5 Gb/s, 5 Gb/s, 7,5 Gb/s và 10 Gb/s. Đồng thời ta cũng có nhận xét là giá trị Ngoài ra, độ nhạy thu còn phụ thuộc vào độ nhạy thu không tăng và đạt đến bão hoà nếu các tham số khác của hệ thống như hệ số tạp âm như hệ số khuếch đại G của EDFA tăng quá NF của bộ khuếch đại và số mức điều chế M. một giá trị giới hạn nào đó. Điều này có thể Hình 4 và hình 5 mô phỏng mối quan hệ giữa được giải thích như sau: khi G tăng thì công độ nhạy thu của hệ thống với NF của bộ khuếch suất tín hiệu sau tách sóng quang tăng theo, đại và với hệ số khuếch đại G khi hệ thống sử nhưng khi đó cũng làm tăng các thành phần tạp dụng các phương pháp điều chế khác nhau. Kết 30
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 quả mô phỏng cho thấy giá trị của độ nhạy thu truyền dẫn của tuyến; bởi với một khoảng cách sẽ giảm nhanh khi NF tăng, điều này là do khi tuyến truyền dẫn cho trước, nhà thiết kế cần NF tăng thì các thành phần tạp âm bức xạ tự chọn các tham số khác của hệ thống để đảm bảo phát được khuếch đại tăng, làm giảm tỷ số tín được chất lượng truyền tin yêu cầu hay với một hiệu trên tạp âm sau tách sóng quang và ảnh tập các tham số cho trước thì ta cần phải tính hưởng mạnh đến độ nhạy thu. Ví dụ với hệ toán được xem là khoảng cách truyền dẫn cực thống 64-QAM như được chỉ ra trên hình 4, tại đại có thể đạt được là bao nhiêu với một giá trị G = 25dB, giá trị của độ nhạy thu đạt được là - BER cho trước. Trên hình 6 và hình 7 là mối 46 dBm khi NF=4 dB; tuy nhiên khi NF tăng quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn của tuyến đến 8 dB thì độ nhạy thu lúc này chỉ là - và hệ số khuếch đại G của EDFA với các tốc độ 42dBm. Mặt khác, khi số mức điều chế tăng thì bit 2,5 Gb/s, 5 Gb/s, 7,5 Gb/s và 10 Gb/s tương hiệu suất băng thông sẽ tăng nhưng lại làm cho ứng, kết quả mô phỏng cho hai hệ thống 64- độ nhạy thu giảm xuống như được chỉ ra trên QAM và 256- QAM, với BER 10 9 . Rõ ràng hình 5; ví dụ tại M= 16 và G = 5dB giá trị độ khi tốc độ bit tăng thì khoảng cách truyền dẫn nhạy thu đạt được -46,5 dBm; tuy nhiên khi số của tuyến sẽ bị giảm xuống; ví dụ tại tốc độ bit mức điều chế M tăng lên đến 64 thì độ nhạy thu 2,5 Gb/s, khoảng cách truyền cực đại có thể đạt lúc này chỉ đạt -44dBm. Do đó, khi thiết kế hệ được 225 km cho hệ thống 64- QAM và 212 thống truyền tín hiệu M-QAM thì nhà thiết kế km cho hệ thống 256- QAM, tại G = 5dB; tuy phải cân nhắc tính toán giữa các tham số: nhiên khi tốc độ bit tăng đến 10 Gb/s thì khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy thu quang, hệ khoảng cách chỉ còn là 210 km cho hệ thống số khuếch đại G và số mức điều chế được sử 64-QAM và 195 km cho hệ thống 256- QAM dụng để đảm bảo được chất lượng truyền dẫn với cùng một giá trị G như trên. yêu cầu. Ta thấy rằng, yêu cầu về tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy thu cũng như khoảng cách truyền dẫn của tuyến và yêu cầu về chất lượng của hệ thống thông tin càng cao thì khoảng cách truyền dẫn cực đại của hệ thống càng nhỏ. Kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn của tuyến 64-QAM với hệ số khuếch đại G của EDFA cho hai hệ thống có yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER tương ứng là 10-9 và 10-12 được chỉ ra trên hình 8. Ta thấy khi yêu cầu chất lượng của hệ thống -9 Hình 6. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và truyền tin cao, giả sử từ BER=10 đến giá trị -12 G với M=64 BER=10 thì khoảng cách truyền dẫn sẽ giảm khoảng 10 km tại tốc độ bit Rb=10Gb/s. Hình 7. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và G với M=256 Hình 8. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và Một trong những tham số quan trọng cần G với BER khác nhau quan tâm khi thiết kế tuyến là khoảng cách 31
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn sẽ tăng hơn nhiều và có thể đạt đến 190 km cho hệ thống 256- QAM hay thậm chí là 220 km cho hệ thống 16- QAM. Như vậy hệ thống sử dụng khuếch đại quang sẽ có khoảng cách truyền dẫn lớn hơn hẳn so với hệ thống không sử dụng bộ khuếch đại quang. IV. KẾT LUẬN Trong thiết kế tính toán tuyến truyền dẫn quang M-QAM, khoảng cách truyền dẫn và độ Hình 9. So sánh hệ thống có và không có nhạy thu quang là hai tham số rất quan trọng khuếch đại quang EDFA. cần được nghiên cứu. Hai giá trị này phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau của hệ thống như Để tăng khoảng cách truyền dẫn của hệ số khuếch đại G, phương pháp điều chế được tuyến cũng như độ nhạy thu quang, người ta sử dụng hay hệ số tạp âm NF của bộ khuếch thường dùng bộ khuếch đại quang EDFA làm đại. Bài báo đã khảo sát sự phụ thuộc của độ tiền khuếch đại. Hình 9 so sánh khoảng cách nhạy thu quang và khoảng cách truyền dẫn của truyền dẫn tối đa có thể đạt được của các hệ tuyến thông tin quang M-QAM vào một số thống: có và không sử dụng bộ khuếch đại tham số của hệ thống. Các kết quả này có thể quang và các hệ thống có số mức điều chế M được dùng để thiết kế tuyến thông tin quang khác nhau. Với hệ thống không có sử dụng truyền tín hiệu M-QAM đảm bảo giá trị BER khuếch đại quang EDFA thì khoảng cách truyền theo yêu cầu. dẫn cực đại chỉ đạt khoảng 40 km tại BER 10 9 , trong khi hệ thống có sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Trần Đức Hân, Trần Quốc Dũng, Lê Trung Thành, Đào Ngọc Nam; Phương pháp tính toán công suất bù BER trong hệ thống truyền dẫn quang; Tạp chí BCVT, Chuyên san các Công trình nghiên cứu triển khai VT và CNTT, Số 11, 3/2004. 2. Lê Trung Thành; Nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu video được điều chế bằng phương pháp M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA; Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5/2004. 3. Lê Trung Thành; So sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M-QAM có sử dụng bộ khuếch đại quang; Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 8, tháng 9/2004. 4. Lê Trung Thành; Phương pháp tính công suất bù BER thiết kế các hệ thống truyền tín hiệu M- QAM qua tuyến thông tin cáp sợi quang; Tạp chí Khoa học – Công nghệ trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, T.XX, No.3, 2004. 5. Roberto Sabella; Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber link; IEEE Transactions on communications, pp.715-721,vol.47, No.5, May 1999 6. Vu Van San, Hoang Van Vo; Accurate Estimation of Receiver sensitivity for 10 Gb/s optically amplified systems; Optic Communication Journal, Amsterdam, The Netherland, Vol.181, July, 2000. 7. A. Pappert, D. Lafaw; Performance evaluation of a 64- QAM microwave fiber optic link wih a remote external modulator. Proceedings of the Seventh Annual DARPA symposium on Photonic systems for antenna applications , 13-16, Jan., 1997. Địa chỉ liên hệ: Trần Đức Hân - Tel: (04) 3853.2909 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 32