So s¸nh ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng
th«ng tin quang M - QAM cã sö dông
bé khuÕch ®¹i quang
KS. Lª trung thµnh
Bé m«n Th«ng tin - ViÔn th«ng
Khoa §iÖn - §iÖn tö - Tr−êng §¹i häc GTVT
Tãm t¾t: Bμi b¸o so s¸nh ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang M - QAM sö dông
c¸c bé khuÕch ®¹i quang. Tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR sau t¸ch sãng quang
®−îc tÝnh to¸n, so s¸nh vμ m« pháng víi ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trªn tuyÕn: lμm khuÕch
®¹i c«ng suÊt (BA), khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA), hay tiÒn khuÕch ®¹i (PA).
Summary: In this paper, we investigate the performance of M - QAM optical
communication systems with optical amplification. The Carrier to Noise Ratio (CNR) at the
receiver is calculated for three types: EDFA is used as Booster Amplifier (BA), In - line Amplifier
(LA), or Pre - Amplifier. The results are compared and simulated with different parameters of
the system.
i. giíi thiÖu
Trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang c¸c bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA th−êng ®−îc sö
dông lµm: khuÕch ®¹i c«ng suÊt (BA), khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA) hay tiÒn khuÕch ®¹i (PA).
Tuú theo vÞ trÝ sö dông mµ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn eSNR (electrical Signal to Noise Ratio)
vµ c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR (Carrier to Noise Ratio) sau t¸ch sãng quang kh¸c
nhau. ViÖc tÝnh to¸n eSNR vµ vÞ trÝ tèi −u cña EDFA trªn tuyÕn th«ng tin quang ®· ®−îc ®−a ra
trong mét sè c«ng tr×nh [1, 2]. Tuy nhiªn, c¸c kÕt qu¶ ®ã míi chØ xÐt cho hÖ thèng th«ng tin
quang ®iÒu biÕn c−êng ®é - t¸ch sãng trùc tiÕp (IM - DD), cßn trong c¸c hÖ thèng th«ng tin
quang truyÒn dÉn tÝn hiÖu cao tÇn RF, nh− tÝn hiÖu h×nh ¶nh ®−îc ®iÒu chÕ M - QAM th× ch−a
®−îc nghiªn cøu.
Trong bµi b¸o nµy chóng t«i sÏ nghiªn cøu vÞ trÝ ®Æt tèi −u cña EDFA trªn tuyÕn th«ng tin
quang M-QAM dùa vµo CNR sau t¸ch sãng quang cho c¶ ba tr−êng hîp sö dông EDFA lµm
khuÕch ®¹i c«ng suÊt, khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn hay khuÕch ®¹i c«ng suÊt.
ii. M« h×nh tÝnh to¸n Cnr
Bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA cã thÓ ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i c«ng suÊt BA, khuÕch
®¹i ®−êng truyÒn LA hay tiÒn khuÕch ®¹i PA (h×nh 1).
a
/
c
/
b
/
H×nh 1. HÖ thèng truyÒn tÝn hiÖu M – QAM qua sîi quang cã sö dông EDFA lμm:
a. KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt (BA)
b. KhuyÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA)
c. TiÒn khuyÕch ®¹i (PA)
1. TÝnh CNR cho mét ®iÓm tÝn hiÖu sau t¸ch sãng quang
Víi hÖ thèng ®iÒu chÕ M - QAM, ®Ó tÝnh to¸n tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m cña
toµn bé hÖ thèng (gåm M ®iÓm tÝn hiÖu), tr−íc hÕt ta cÇn tÝnh CNR cho mét ®iÓm tÝn
hiÖu. C«ng thøc tÝnh CNR sau t¸ch sãng quang ®−îc x¸c ®Þnh [3, 5]:
avr
CNR
2
tot
2
s
2Im5,0
CNR σ
= (1)
Trong ®ã m lµ chØ sè ®iÒu chÕ quang, ss PI
ℜ
=
lµ dßng ph«t« sau t¸ch sãng; t−¬ng
øng lµ ®¸p øng vµ c«ng suÊt quang ®Õn cña bé t¸ch sãng; lµ tæng c«ng suÊt t¹p ©m sau
t¸ch sãng, ®−îc tÝnh nh− sau [2]:
s
P,ℜ
2
tot
σ
2
tot
σ
,
2
RIN
2
th
2sps
2
sh
2
tot σ+σ+σ+σ=σ − (2)
víi t−¬ng øng lµ c«ng suÊt t¹p ©m l−îng tö, c«ng suÊt t¹p ©m
ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu vµ ph¸t x¹ tù ph¸t, c«ng suÊt t¹p ©m ph¸ch gi÷a ph¸t x¹ tù ph¸t- tù ph¸t,
c«ng suÊt t¹p ©m c−êng ®é t−¬ng ®èi vµ c«ng suÊt t¹p ©m nhiÖt sau t¸ch sãng quang, ®−îc x¸c
®Þnh bëi:
2
th
2
RIN
2spsp
2sps
2
sh ,,,, σσσσσ −−
;IPG
B
B
2);IPG(eB2 ASEtx
2
21
0
e
2spsASEtx12e
2
sh ℜαα=σ+αℜα=σ −
,
R
kTB4
;)GI(RIN);
2
B
B(I
B
Be
2
th
2
S
2
RIN
e
0
2
ASE
0
e
2
2
2spsp =σ=σ−α=σ −
trong ®ã: Be, B0 lµ b¨ng tÇn ®iÖn cña bé thu vµ b¨ng tÇn quang cña bé läc quang sau
EDFA; e,k, R, T lÇn l−ît lµ ®iÖn tÝch electron, h»ng sè Boltzman, ®iÖn trë sau t¸ch sãng vµ nhiÖt
®é tuyÖt ®èi; lµ dßng ph«t« t¹o ra do ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i sau t¸ch sãng,
P
ASE
I
;B)1G(hn2PI 0spASEASE −νℜ=ℜ= ASE lµ c«ng suÊt cña ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i;
nsp,h, ν, G t−¬ng øng lµ hÖ sè ph¸t x¹, h»ng sè Planck, tÇn sè quang vµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña
EDFA; lµ hÖ sè suy hao sîi quang tõ nguån ph¸t ®Õn EDFA vµ tõ EDFA ®Õn bé t¸ch
sãng quang t−¬ng øng.
21,αα
Do vËy, CNR sau t¸ch sãng quang khi EDFA ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA
lµ:
R
kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx21
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
21
01
e
ASEtx12e
2
tx21
2
+ℜαα+−α+ℜαα++αℜα
ℜαα
=
(3)
CNR khi EDFA ®−îc dïng lµm BA lµ:
R
kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx2
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
2
01
e
ASEtx2e
2
tx2
2
+ℜα+−α+ℜα++ℜα
ℜα
=
(4)
vµ khi EDFA ®−îc dïng lµm PA:
R
kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx1
e
0
2
ASE
2
0
e
ASEtx1
0
e
ASEtx12e
2
tx2
2
+ℜα+−+ℜα++αℜα
ℜα
=
(5)
2. TÝnh CNR trung b×nh cña hÖ thèng sau t¸ch sãng quang
Gäi lµ tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m trung b×nh sau t¸ch sãng quang cña
hÖ thèng, ®−îc tÝnh nh− sau:
avr
CNR
2
max
2
M
1i
2
iavr A
)1M(3
1M
CNRACNR
M
1
CNR −
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=∑
=
(7)
trong ®ã lµ biªn ®é cña ®iÓm tÝn hiÖu thø i, lµ biªn ®é cùc ®¹i.
i
Amax
A
Tõ c¸c c«ng thøc (3), (4), (5) vµ (7) chóng t«i t×m ra tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m
cña toµn bé hÖ thèng nh− sau:
avr
CNR sau t¸ch sãng quang khi EDFA ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M
CNR
)G(RIN tx21
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
21
0
e
ASEtx12e
2
tx21
2
2
avr
+ℜαα+−α+ℜαα++αℜα
ℜαα
−
−
=
(8)
CNR khi EDFA ®−îc dïng lµm BA lµ:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M
CNR
)G(RIN tx2
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
2
1
0
e
ASEtx2e
2
tx2
2
2
avr
+ℜα+−α+ℜα++ℜα
ℜα
−
−
=
(9)
vµ khi EDFA ®−îc dïng lµm PA:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M
CNR
)G(RIN tx1
e
0
2
ASE
2
0
e
ASEtx1
0
e
ASEtx12e
2
tx1
2
2
avr
+ℜα+−+ℜα++αℜα
ℜα
−
−
=
(10)
iii. KÕt qu¶ m« pháng
Trong phÇn nµy chóng t«i m« pháng kÕt qu¶ ®¹t ®−îc tõ ph©n tÝch lý thuyÕt ë trªn víi c¸c
tham sè hÖ thèng:
GHz10B,K300T,50R 0
0==Ω= ,W/A8,0;2,0m,nm1550
=
ℜ
=
=
λ
H×nh 2. Sù phô thuéc cña CNR vμo hÖ sè
khuyÕch ®¹i G cña EDFA
H×nh 3. Sù phô thuéc cña CNR vμo c«ng suÊt ph¸t
H×nh 2 m« pháng mèi quan hÖ gi÷a tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR vµ hÖ sè
khuÕch ®¹i G cña EDFA, cho hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M = 32. KÕt qu¶ so s¸nh CNR cho
ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trong hÖ thèng: EDFA lµm khuÕch ®¹i c«ng suÊt BA, lµm khuÕch
®¹i ®−êng truyÒn LA hay tiÒn khuÕch ®¹i PA. Tõ ®å thÞ ta thÊy r»ng khi gi¸ trÞ G cßn nhá,
G = 3 ÷ 10dB, CNR cña ba ph−¬ng ¸n lµ gÇn nh− nhau. Khi G t¨ng lªn, G > 10dB th× CNR trong
tr−êng hîp EDFA lµm PA cã gi¸ trÞ lín h¬n c¶ vµ trong tr−êng hîp BA, CNR cã gi¸ trÞ nhá nhÊt.
Do vËy, trong thùc tÕ thiÕt kÕ tuyÕn th«ng tin sîi quang, chóng ta sö dông EDFA lµm tiÒn
khuÕch ®¹i PA sÏ lµ tèi −u vÒ c¶ CNR vµ kh¶ n¨ng gi¸m s¸t ho¹t ®éng dÔ dµng. Tuy nhiªn, khi
G t¨ng lªn ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã (xÊp xØ 25dB cho ph−¬ng ¸n PA hay LA vµ 20 dB cho ph−¬ng
¸n BA) th× CNR sÏ kh«ng cßn t¨ng n÷a vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ b·o hoµ trong c¶ ba ph−¬ng ¸n.
Sù phô thuéc cña CNR cho ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trong hÖ thèng theo c«ng suÊt
ph¸t ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3. Tham sè hÖ thèng dïng cho m« pháng nµy lµ: M = 64,
kho¶ng c¸ch tuyÕn L= 70km, hÖ sè suy hao sîi quang
tx
P
km/dB21,0
f
=
α
, kho¶ng c¸ch tõ nguån
ph¸t ®Õn EDFA lµ km50L1
=
vµ kho¶ng c¸ch tõ EDFA ®Õn bé thu lµ km20L2
=
, víi chó ý r»ng
(lÇn) vµ (lÇn). KÕt qu¶ m« pháng cho thÊy, gi¸ trÞ cña CNR t¨ng
theo c«ng suÊt ph¸t trong c¶ ba ph−¬ng ¸n, vµ trong ph−¬ng ¸n EDFA lµm tiÒn khuÕch ®¹i th×
CNR cã gi¸ trÞ lín nhÊt. Gi¸ trÞ cña CNR trong ph−¬ng ¸n BA lµ nhá nhÊt bëi trong tr−êng hîp
nµy EDFA ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i b·o hoµ nhanh nhÊt.
1
L
f
1,0
110 α−
=α 2
L
f
1,0
210 α−
=α
Nh×n chung, hÖ sè khuÕch ®¹i G vµ c«ng suÊt ph¸t t¨ng sÏ n©ng cao ®−îc gi¸ trÞ cña CNR.
Tuy nhiªn, ®é khuÕch ®¹i sÏ trë nªn kh«ng cã ý nghÜa khi nã t¨ng ®Õn mét gi¸ trÞ cao nh− ®·
ph©n tÝch ë trªn. §iÒu nµy cã thÓ gi¶i thÝch lµ do nguån t¹p ©m cña bé khuÕch ®¹i quang sîi
EDFA, c«ng suÊt t¹p ©m t¨ng khi G t¨ng. Ngoµi ra, CNR cßn phô thuéc vµo h×nh ¶nh nhiÔu NF
(Noise Figure) cña bé khuÕch ®¹i quang nh− ®−îc chØ ra trong h×nh 4. ë ®©y, chóng t«i lÊy xÊp
xØ [1]. Tõ h×nh 4, ta cã nhËn xÐt r»ng CNR sÏ gi¶m khi NF t¨ng. Khi EDFA ®−îc dïng
lµm BA th× CNR gi¶m rÊt nhanh theo NF, cßn víi hai ph−¬ng ¸n cßn l¹i CNR gi¶m theo NF Ýt
h¬n.
sp
n2NF =
H×nh 4. Quan hÖ gi÷a CNR vμ NF cho
ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA
H×nh 5. Sù phô thuéc cña CNR vμo vÞ trÝ cña EDFA
cho hÖ thèng cã M kh¸c nhau
H×nh 5 so s¸nh CNR cña c¸c hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M = 16, 32 vµ 64 khi EDFA dÞch
chuyÓn trªn tuyÕn, kho¶ng c¸ch cña tuyÕn lµ L = 90km. Tõ ®å thÞ ta thÊy r»ng, khi EDFA dÞch
chuyÓn tõ nguån ph¸t Tx ®Õn bé thu Rx ( gi¶m dÇn) th× CNR t¨ng dÇn. §ång thêi khi M t¨ng
th× hiÖu suÊt sö dông b¨ng th«ng t¨ng tû lÖ víi [6], nh−ng CNR l¹i gi¶m. Do vËy, trong
thùc tÕ tuú theo yªu cÇu cña tõng hÖ thèng truyÒn dÉn mµ chän sè møc ®iÒu chÕ M thÝch hîp (vÝ
dô hÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu RF qua sîi quang tõ c¸c tr¹m thu ph¸t gèc BTS ®Õn tr¹m gèc
BS trong th«ng tin di ®éng dïng M = 64 [3], truyÒn tÝn hiÖu video qua sîi quang th× th−êng sö
dông sè møc ®iÒu chÕ M = 256 [4])
2
L
Mlog2
Sù phô thuéc cña CNR vµo c«ng suÊt ph¸t cho c¸c hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M vµ
hÖ sè khuÕch ®¹i G cña EDFA kh¸c nhau ®−îc thÓ hiÖn trªn c¸c h×nh 6 vµ 7. C¸c tham sè dïng
tx
P