TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
63
BÙ MÉO TÍN HIỆU SỬ DỤNG BỘ CÂN BẰNG KẾT HỢP FFE VÀ DFE CHO HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG CỰ LY NGẮN TỐC ĐỘ CAO
Vương Quang Phước
Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
Email: vqphuoc@husc.edu.vn
Ngày nhận bài: 15/6/2024; ngày hoàn thành phản biện: 18/6/2024; ngày duyệt đăng: 24/6/2024
TÓM TẮT
Hệ thống thông tin quang sử dụng phương pháp điều chế cường độ và giải điều chế
trực tiếp (IM/DD - Intensity Modulation/Direct Detection) phù hợp cho các ứng
dụng cự ly ngắn với yêu cầu đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, tương tác giữa tán
sắc (CD - Chromatic Dispersion) và giải điều chế trực tiếp gây ra hiện tượng giảm
dần công suất, làm méo tín hiệu và giới hạn cự ly truyền dẫn là những thách thức
đối với hệ thống IM/DD cự ly ngắn tốc độ cao. Bài báo giới thiệu việc kết hợp bộ cân
bằng lan truyền tới (FFE - Feed Forward Equalizer) và bộ cân bằng phản hồi quyết
định (DFE - Decision Feedback Equalizer) để cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng
cự ly truyền dẫn. Các thử nghiệm cho thấy việc sử dụng kết hợp FFE và DFE giúp
giảm tỷ lệ lỗi bit và cải thiện hiệu suất truyền thông của hệ thống thông tin quang.
Bên cạnh đó, việc điều chỉnh tham số và thuật toán cũng được thảo luận để tối ưu
hóa hiệu suất của bộ cân bằng.
Từ khóa: Bộ cân bằng FFE, bộ cân bằng DFE, hệ thống thông tin quang, IM/DD
1. TỔNG QUAN
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng và dịch
vụ băng rộng như Internet of Things, Thực tế ảo tăng cường/Thực tế ảo, Điện toán đám
mây và sự mở rộng hạ tầng 5G đã thúc đẩy nhu cầu về các liên kết cự ly ngắn trong các
trung tâm dữ liệu. Về cơ bản, các lưu lượng dữ liệu xuất hiện chủ yếu trong các tuyến
kết nối cự ly ngắn giữa các máy chủ và trung tâm dữ liệu. Và đây cũng trở thành động
lực cho sự phát triển của hệ thống thông tin quang [1], đặc biệt là cho các tuyến quang
cự ly ngắn. Khi xét đến các hệ thống truyền dẫn cự ly ngắn sử dụng phương pháp điều
chế cường độ và giải điều chế trực tiếp IM/DD, tán sắc (CD) được xem như là yếu tố
quan trọng gây ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Tán sắc dẫn đến hiện tượng méo
tín hiệu, gây ra nhiễu liên ký tự và tăng tỉ lệ lỗi. Bên cạnh đó, sự tương tác giữa tán sắc
và giải điều chế trực tiếp gây ra hiệu ứng giảm dần công suất và dẫn đến tín hiệu tách
Bù méo tín hiệu sử dụng bộ cân bằng kết hợp FFE và DFE cho hệ thống thông tin quang …
64
sóng có thể chứa các rãnh tần số, giới hạn khoảng cách truyền dẫn của hệ thống thông
tin sợi quang [2].
Để hạn chế các nhược điểm này và nâng cao tốc độ/cự ly truyền dẫn cho hệ thống,
một số kỹ thuật cân bằng khác nhau dựa trên xử lý tín hiệu số đã được nghiên cứu cho
các hệ thống thông tin quang tầm ngắn trong những năm qua. Xét về các yêu cầu của hệ
thống cự ly ngắn, bộ cân bằng lan truyền tới FFE [3] có thể được xem là một giải pháp
hiệu quả để bù cho các suy hao tuyến tính gây ra bởi hiện tượng giới hạn băng thông và
tán sắc, tuy nhiên thực tế triển khai đã chỉ ra FFE lại không hiệu quả trong việc xử lý
hiện tượng giảm dần công suất – một hiện tượng không thể tránh khỏi trong các hệ
thống IM/DD đó là hiện tượng. Để giải quyết vấn đề này, bộ cân bằng phản hồi quyết
định DFE [3] đã được nghiên cứu và triển khai, tuy nhiên, DFE dễ bị ảnh hưởng bởi
nhiễu, có thể bị lỗi lan truyền và hoạt động không ổn định.
Vì vậy, bài báo này trình bày thiết kế và ứng dụng bộ cân bằng cho hệ thống
thông tin quang cự ly ngắn tốc độ cao bằng cách kết hợp sử dụng FFE và DFE. Mục đích
là tận dụng ưu điểm của cả hai bộ cân bằng và khắc phục các nhược điểm của bộ cân
bằng truyền thống, nhằm bù méo tuyến tính và cải thiện chất lượng tín hiệu cho hệ thống
một cách hiệu quả. Phần còn lại của bài báo này được tổ chức như sau: Phần 2 trình bày
vắn tắt về kỹ thuật IM/DD, hiệu ứng giảm dần công suất và kỹ thuật cân bằng sử dụng
kết hợp FFE/DFE. Phần 3 đưa ra mô hình mô phỏng hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật
IM/DD với điều chế PAM4 cho truyền dẫn cự ly ngắn. Phần này cũng thực hiện khảo
sát nhằm làm rõ vai trò của bộ cân bằng trong việc cải thiện chất lượng hệ thống; bên
cạnh đó, một số tham số chính của bộ cân bằng cũng được đánh giá để làm rõ. Cuối
cùng, phần 4 đưa ra các kết luận.
2. MỘT SỐ KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ CHO HỆ THỐNG IM/DD
2.1. Hệ thống thông tin quang sử dụng IM/DD
Hình 1. Minh họa về một hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật IM/DD.
Hệ thống quang sử dụng IM/DD là một trong những công nghệ truyền thông
thông tin quang phổ biến. Nhìn chung, đây là một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng
thông tin quang cự ly ngắn thỏa mãn yêu cầu đơn giản và chi phí thấp, mặc dù có những
hạn chế về tốc độ và hiệu suất so với các phương pháp phức tạp hơn [4].
Về cơ bản, hệ thống IM/DD được mô tả như trong Hình 1. Ở phía thu, bộ điều
chế thực hiện điều chỉnh cường độ của tín hiệu quang. Công nghệ này có thể sử dụng
với nhiều định dạng điều chế khác nhau như NRZ, QAM, CAP [5], DMT [6] hay PAM.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
65
Tuy nhiên, xét về khía cạnh độ phức tạp khi triển khai cũng như năng lượng tiêu thụ,
PAM4 vẫn là một lựa chọn tối ưu hơn [7] và đây là định dạng được sử dụng trong quá
trình thực hiện các nghiên cứu khảo sát. Tại phía thu, tín hiệu quang được nhận bởi một
thiết bị tách sóng trực tiếp, thường là một photodiode PIN/APD, có thể sử dụng kết hợp
với các bộ khuếch đại TIA để tăng độ nhạy thu. Thiết bị này nhận tín hiệu quang và
chuyển đổi nó thành tín hiệu theo luật bình phương (Square law).
2.2. Hiện tượng giảm dần công suất ở hệ thống IM/DD
Trong hệ thống IM/DD, tín hiệu truyền bị méo dưới tác động của tán sắc, dẫn
đến dải trên và dải dưới sai khác với nhau, và dưới tác động của việc tách sóng trực tiếp
sử dụng luật bình phương thì tạo thành các rãnh tần số, hiện tượng này được gọi là hiện
tượng giảm dần công suất. Hình 2a là mô phỏng lý thuyết biểu thị đáp ứng cường độ mô
phỏng của hệ thống PAM4 28 Gbaud cho các khoảng cách truyền khác nhau [8]. Có thể
thấy rõ rằng số lượng rãnh quang phổ thay đổi khi khoảng cách truyền tăng lên. Hiện
tượng này được nhóm tác giả mô tả lại trong Hình 2b.
(a)
(b)
Hình 2. Minh họa về hiệu ứng giảm dần công suất (power fading) do sự tương tác giữa tán sắc
và tách sóng trực tiếp. (a) Đáp ứng cường độ hiển thị hiệu ứng giảm dần công suất [8]. (b) Mô
phỏng lại phổ tần số của tín hiệu PAM4 25 Gbaud sau 50 km truyền dẫn.
2.3. Bộ cân bằng DFE và mô hình kết hợp FFE và DFE
Như đã trình bày, hiện tượng giảm dần công suất này không thể bù được bằng
việc sử dụng bộ cân bằng FFE [9]. Một kỹ thuật cân bằng khác là DFE [10] đã được đề
xuất để giải quyết hiện tượng trên. Không giống như FFE, đầu vào của DFE là tín hiệu
sau khi đi qua bộ quyết định như trong Hình 3.
Bù méo tín hiệu sử dụng bộ cân bằng kết hợp FFE và DFE cho hệ thống thông tin quang …
66
Hình 3. Cấu trúc của bộ cân bằng DFE.
Hình 4. Mô hình kết hợp bộ cân bằng FFE và DFE.
Trong trường hợp DFE, tín hiệu trước khi quyết định được tính [10]
𝑧(𝑘) = 𝑟(𝑘)− ∑ ℎ𝑙𝛿(𝑘 − 𝑙)
𝑛−1
𝑙=0
(1)
với 𝑟(𝑘) là tín hiệu đến, 𝛿(𝑘) là tín hiệu sau bộ quyết định và là ngõ vào của DFE giúp
xác định độ sai lệch 𝑒(𝑘) và ℎ là đáp ứng của bộ cân bằng.
Về cơ bản, bộ cân bằng DFE có thể bù các rãnh tần số bằng cách chèn vào thêm
các cực tại các vị trí rãnh. Tuy nhiên, đầu vào của DFE được lấy từ bộ quyết định trực
tiếp nên có thể bị lỗi lan truyền và không ổn định. Mặt khác, DFE không xử lý hoàn hảo
cho 2 phía của nhiễu liên ký tự. Do đó, lựa chọn tốt nhất để triển khai thực tế là sự kết
hợp giữa FFE và DFE, và mô hình kết hợp được đề xuất trong Hình 4. Với tín hiệu được
ghép kết hợp bởi 2 bộ cân bằng FFE và DFE đặt liền kề. Theo đó, ngõ ra của bộ cân bằng
FFE sẽ được đưa vào bộ cân bằng DFE để tiếp tục xử lý. Cả 2 bộ cân bằng FFE và DFE
có thể được tối ưu bằng các thuật toán như Least Mean Square (LMS) hay Recursive
Least Square (RLS) với độ sai lệch 𝑒(𝑘) có thể được sử dụng chung để cập nhật trọng số
cho cả 2 bộ lọc 𝐻1(𝑧) và 𝐻2(𝑧).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Mô hình đánh giá
Hình 5 trình bày một hệ thống điển hình cho các ứng dụng thông tin quang cự ly
ngắn dựa trên kỹ thuật IM/DD. Ban đầu, dữ liệu gốc được tạo ra từ một chuỗi nhị phân
ngẫu nhiên và sau đó được ánh xạ thành các ký tự PAM4. Sau khi được lấy mẫu với tốc
độ lấy mẫu là q=8, tín hiệu được xử lý bằng cách sử dụng định dạng xung RC (raised
cosine) với hệ số cuộn là 0.1 để tối ưu hóa về hiệu suất phổ. Tín hiệu này sau đó được
đưa vào bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC để thu được tín hiệu điện trong miền tần
số cơ sở. Các tín hiệu đầu ra từ DAC sau đó được khuếch đại thông qua một mạch điều
khiển tuyến tính và sau đó được đưa vào một bộ điều chế để tạo ra tín hiệu quang PAM4.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 24, Số 1 (2024)
67
Hình 5. Mô hình khảo sát hệ thống IM/DD tầm ngắn sử dụng PAM4.
Sau đó tín hiệu được chuyển đến sợi quang, ở đây, hệ thống sử dụng sợi quang
đơn mode SSMF (Standard Single-Mode Fiber) ở bước sóng 1510 nm với hệ số tán sắc
(CD) 17.6 ps/nm/km. Tại máy thu, tín hiệu được tách sóng trực tiếp bằng bộ tách sóng
PIN với độ nhạy R=0.7 A/W. Để cải thiện độ nhạy của máy thu, một bộ khuếch đại TIA
(transimpedance amplifier) được sử dụng để khuếch đại tín hiệu điện. Sau khi xử lý
bằng bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC, tín hiệu được lấy mẫu xuống với tỉ lệ 1
mẫu/ký tự để đưa vào các bộ cân bằng. Ở đây, nghiên cứu thực hiện khảo sát hệ thống
với các trường hợp chỉ sử dụng FFE và sử dụng kết hợp FFE và DFE để đánh giá được
mức độ cải thiện của hệ thống. Cuối cùng, sau khi ánh xạ ngược các ký tự PAM4 về bit,
hệ thống thực hiện tính toán tỷ lệ lỗi bit (BER) và đưa ra dữ liệu nhận được.
Để có thể tham chiếu khi thực hiện đánh giá, các thông số khởi tạo của hệ thống
được thiết lập như sau:
Bảng 1. Thiết lập khởi tạo các thông số cho hệ thống được khảo sát
Các thông số của hệ thống khảo sát
N
107 bit
Baudrate
50 GBaudps
PTx/Rx
0 dBm (~1mW)
BW
25 GHz
λ
1510 nm
D
17.6 ps/nm/km
R
0.7 A/W
3.2. Đánh giá hệ thống IM/DD sử dụng PAM4 với bộ cân bằng kết hợp
3.2.1. Thông số đánh giá và thiết lập hệ thống
Chất lượng của hệ thống được đánh giá thông qua tỉ lệ lỗi bit BER. Tỷ số lỗi bit
(BER) được xác định tại bộ thu, là tỷ số giữa số bit thu bị lỗi trên tổng số bit được phát
đi trong một khoảng thời gian xác định. BER được xác định thông qua công thức sau:
𝐵𝐸𝑅 = Số bit lỗi
Tổng số bit truyền đi
(2)