Khảo sát hiệu năng của hệ thống thông tin quang WDM - MMW/ROF sử dụng tiền khuếch đại quang và máy thu Coherence

Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền<br /> <br /> 120<br /> <br /> KHẢO SÁT HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM<br /> MMW/ROF SỬ DỤNG TIỀN KHUẾCH ĐẠI QUANG VÀ MÁY THU COHERENCE<br /> INVESTIGATING PERFORMANCE OF WDM MMW/ROF SYSTEM USING OPTICAL<br /> PREAMPLIFIER AND COHERENCE RECEIVER<br /> Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nvtuan@dut.udn.vn, nguyenvandieniuh@gmail.com<br /> Tóm tắt - Bài báo đề xuất một mô hình tính toán hiệu năng (SNR,<br /> BER) của hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến sóng milimét qua<br /> sợi quang ghép kênh theo bước sóng (WDM MMW/RoF) sử dụng<br /> bộ tiền khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence. Tiến hành<br /> khảo sát các loại nhiễu trội bao gồm nhiễu phát xạ tự phát (ASE)<br /> tạo ra từ EDFA, nhiễu trộn bốn bước sóng (FWM) do hệ thống<br /> ghép nhiều bước sóng quang và nhiễu từ máy thu Coherence để<br /> xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ<br /> thống. Tiếp đến, viết chương trình bằng Matlab, cho chạy chương<br /> trình và vẽ các đồ thị biểu diễn các đặc tính của hệ thống, chẳng<br /> hạn BER, SNR theo công suất máy phát, theo số kênh quang, theo<br /> độ khuếch đại G của EDFA, theo công suất dao động nội của máy<br /> thu Coherence, theo tốc độ bít từng kênh. Kết quả này có thể được<br /> sử dụng hiệu quả trong tính toán, thiết kế và khai thác hệ thống<br /> nhằm nâng cao dung lượng mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu<br /> truyền dẫn trong hệ thống.<br /> <br /> Abstract - In this paper, a calculating model of Milimeter-Wave<br /> (MMW) Radio-over-Fiber WDM Fiber Optic Communication<br /> System (WDM MMW/RoF) using EDFA preamplifier and<br /> Coherence receiver is proposed. We then investigate dominant<br /> noises including Amplified Spontaneous Emission (ASE) noise<br /> from EDFA, Four Wave Mixing (FWM) noise created by the WDM<br /> and receiver’s noise to determine the SNR, BER of this system.<br /> After that, we write MatLab-based program and make it run to draw<br /> graphs that show system performance, such as BER, SNR versus<br /> number of optical channels, transmitter’s power, EDFA’s Gain,<br /> oscillator power of Coherence receiver, bit rate of each channel.<br /> The results could be used effectively in calculating, designing and<br /> exploting the WDM MMW/RoF system to improve the capacity so<br /> that signal quality is still ensured in this system.<br /> <br /> Từ khóa - WDM; RoF; Coherence; ASE; FWM; SNR; BER<br /> <br /> Key words - WDM; RoF; Coherence; ASE; FWM; SNR; BER<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Mạng di động 5G và 5G thế hệ tiếp theo đòi hỏi sự cải<br /> tiến đáng kể về hiệu suất, công suất, điện năng tiêu thụ, độ<br /> trễ, và số người dùng [1]. Hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô<br /> tuyến qua sợi quang (RoF) kết hợp tính di động của thông<br /> tin di động và dung lượng cực lớn của thông tin sợi quang<br /> trở thành một trong những giải pháp tiềm năng đáp ứng với<br /> yêu cầu cao của mạng di động trong tương lai. Việc áp<br /> dụng các công nghệ quang điện hiện đại để tạo, truyền và<br /> chuyển đổi các tín hiệu vô tuyến tần số cao (ví dụ dải tần<br /> milimét) được coi là một trong những giải pháp đầy hứa<br /> hẹn vì nó giúp tăng công suất hệ thống và giảm chi phí, độ<br /> trễ, và độ phức tạp của các vị trí anten [2], [3]. RoF đã thu<br /> hút sự chú ý của các nhà mạng cho các ứng dụng mạng truy<br /> cập thế hệ tiếp theo bao gồm việc truyền thông di động 5G<br /> đến truyền tải tín hiệu cáp truyền hình (CATV) hoặc tín<br /> hiệu vệ tinh [4]. Nhờ những đặc tính ưu việt của nó, RoF<br /> đã và đang sử dụng các tuyến quang có độ tuyến tính cao,<br /> góp phần làm giảm số trạm lặp trên đường truyền và phân<br /> phối tín hiệu vô tuyến từ trạm trung tâm (CS) tới các trạm<br /> gốc (BS) và ngược lại, như được biểu diễn trong Hình 1.<br /> <br /> Bài báo khảo sát sự kết hợp RoF với kỹ thuật ghép kênh<br /> quang phân chia theo bước sóng (WDM) để nâng cao hiệu<br /> quả sử dụng băng thông, tăng dung lượng, cung cấp số kênh<br /> truyền dẫn đa dạng với các bước sóng khác nhau được truyền<br /> trên một sợi quang. Khi hệ thống khảo sát có khoảng cách<br /> truyền dẫn dài (chẳng hạn hệ thống RoF truyền dẫn tín hiệu<br /> giữa đất liền và các đảo) thì suy hao trên đường truyền rất<br /> lớn. Trường hợp này, việc sử dụng máy thu quang<br /> Coherence kết hợp bộ khuếch đại EDFA là giải pháp thích<br /> hợp với ưu điểm vượt trội so với máy thu tách sóng trực tiếp<br /> (DD). Máy thu quang Coherence với bộ dao động nội đặt tại<br /> máy thu (cấu hình tiền khuếch đại quang) cho phép tăng<br /> công suất tín hiệu đến đầu vào máy thu, bù đắp những tổn<br /> hao trên đường truyền, cải thiện độ nhạy máy thu, tăng tốc<br /> độ thông tin, đặc biệt là sự linh hoạt trong việc lựa chọn kênh<br /> quang trong môi trường đa kênh dựa trên sự thay đổi tần số<br /> dao động nội nhằm khôi phục tín hiệu ban đầu [5].<br /> Hệ thống WDM RoF sử dụng bộ khuếch đại EDFA<br /> cùng chủ điểm của bài báo đã được khảo sát trong những<br /> năm gần đây, chẳng hạn [10], tuy nhiên các tác giả mới chỉ<br /> khảo sát khoảng cách truyền dẫn đến 100 km và chưa đề<br /> cập máy thu Coherence trong hệ thống, đồng thời chỉ sử<br /> dụng phần mềm Optisystem mô phỏng chứ chưa xây dựng<br /> mô hình tính toán SNR và BER. Bài báo [11] khảo sát ảnh<br /> hưởng của một số loại khuếch đại quang như SOA, EDFA,<br /> Raman đến đặc tính của hệ thống WDM/SCM RoF và tìm<br /> độ khuếch đại phù hợp để nâng cao đặc tính của hệ thống.<br /> Tuy nhiên, các tác giả cũng chưa đề cập và chưa khảo sát<br /> máy thu Coherence để nâng cao khoảng cách truyền dẫn.<br /> Khác với các bài báo cùng chủ điểm, nội dung của bài<br /> báo này tập trung phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các<br /> loại nhiễu đến hiệu năng SNR, BER của hệ thống WDM<br /> <br /> Hình 1. Mô hình hệ thống RoF tiêu biểu<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1<br /> <br /> MMW/RoF sử dụng EDFA và máy thu Coherence.<br /> 2. Mô hình tính toán và tỉ số công suất tín hiệu trên<br /> nhiễu SNR, tỉ lệ lỗi bit BER<br /> Mô hình tính toán của hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô<br /> tuyến qua sợi quang ghép kênh theo bước sóng (WDM<br /> MMW/RoF) sử dụng bộ tiền khuếch đại quang EDFA và<br /> máy thu Coherence được biểu diễn như Hình 2.<br /> <br /> Với m =<br /> <br /> 121<br /> <br /> E i (t ) A<br /> là hệ số điều chế. Phổ của tín hiệu<br /> Eo<br /> <br /> quang sau khi điều chế được biểu diễn như Hình 3. Đây là<br /> kiểu điều chế AM hai biên (DSB) có tần số sóng mang là<br /> tần số ánh sáng của laser phát quang  s , 2 biên tần tương<br /> ứng với 2 tần số  s +  và<br /> <br /> s −  .<br /> <br /> Hình 3. Phổ của tín hiệu sau khi điều chế quang<br /> <br /> E phat và Pphat (công suất quang đưa vào sợi quang sau<br /> khi qua bộ ghép quang) được biểu diễn như sau:<br /> <br /> Pphat = K1<br /> <br /> 2<br /> E phat<br /> <br /> (4)<br /> <br /> 2 Z LASER<br /> <br /> Trong đó, Z LASER  là trở kháng ra của laser, K1 là hệ<br /> số tổn hao trong bộ ghép quang.<br /> <br /> Pphat sau khi qua bộ ghép<br /> <br /> quang sẽ được đưa vào sợi quang để truyền đến máy thu.<br /> Tại máy thu Coherence, tín hiệu quang đến máy thu và tín<br /> hiệu quang từ laser dao động nội cùng tác động lên<br /> photodiode trong mạch giải điều chế quang, chuyển đổi<br /> thành dòng điện tín hiệu, được biểu diễn như sau [5], [6]:<br /> <br /> I P ( t ) = 2 R PS PLO cos[(S − LO )t<br /> +  ( t )] cos ( t )<br /> <br /> Hình 2. Mô hình tính toán hệ thống WDM MMW/RoF<br /> <br /> Sóng vô tuyến tần số  được điều chế ASK bởi luồng<br /> tín hiệu số NRZ và được biểu diễn bởi biểu thức:<br /> <br /> s( t ) = Ei ( t ) A cos t<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó, Ei(t) là bit 0 hoặc bit 1. Sóng s(t) này được<br /> đưa vào bộ điều chế quang để chuyển đổi thành tín hiệu<br /> quang và truyền qua sợi quang đến máy thu.<br /> Tín hiệu quang từ Laser phát quang được cho bởi:<br /> <br /> ELaser ( t ) = Eo coss t +  s <br /> <br /> Trong đó, Eo ,  s ,<br /> <br /> (2)<br /> <br />  s lần lượt là biên độ, tần số và<br /> <br /> pha của tín hiệu quang từ laser. Sau khi qua điều chế, tín<br /> hiệu quang được biểu diễn như sau:<br /> <br /> E phat( t ) = Eo + s( t )cos( st +  s ) =<br /> <br />  E ( t )A<br /> <br /> = Eo 1 + i<br /> cos t  cosst +  s <br /> Eo<br /> <br /> <br /> = Eo 1 + m cos t cos( st +  s )<br /> <br /> (3)<br /> <br /> (5)<br /> <br /> PS[W], PLO[W] lần lượt là công suất quang đến máy thu<br /> và công suất quang từ laser dao động nội. Thông thường,<br /> người ta chọn PLO >> PS.  LO là tần số của tín hiệu quang<br /> của laser dao động nội. (t) là độ lệch pha giữa 2 sóng<br /> quang. R là hệ số chuyển đổi quang điện, cosθ(t) thể hiện<br /> độ lệch phân cực giữa hai sóng quang.<br /> Giả thiết (t)=0 nhờ sử dụng vòng khóa pha OPLL. Khi<br /> sử dụng phương pháp điều chế và giải điều chế ASK đổi<br /> tần, công suất tín hiệu điện tại đầu ra của photodiode được<br /> biểu diễn như sau [5]:<br /> 1<br /> 1<br /> 2<br /> Psignal = RL I p = RL (2 R PS PLO cos (t )) 2<br /> 4<br /> 4<br /> (6)<br /> = RL R 2 PS PLO cos2 (t )<br /> RL [Ω] là điện trở tải của photodiode.<br /> Tổng công suất nhiễu tại máy thu bao gồm công suất<br /> nhiễu do EDFA và máy thu Coherence tạo ra (PEDFA-CO) và<br /> công suất nhiễu trộn bốn bước sóng (PFWM) sinh ra do hệ<br /> thống sử dụng kỹ thuật ghép kênh WDM. Trong đó các<br /> 2<br /> thành phần của PEDFA-CO gồm nhiễu bắn  SH<br /> , nhiễu nhiệt<br /> <br /> Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền<br /> <br /> 122<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> TH<br /> <br /> <br /> <br /> , nhiễu phách<br /> <br /> 2<br /> ASE<br /> <br /> được biểu diễn như sau [6], [7]:<br /> <br />  2 SH =  2 SH _ S +  2 SH _ LO +  2 SH _ ASE<br /> =2<br /> <br /> e 2<br /> hf<br /> <br /> BeGPphat + 2<br /> <br /> e 2<br /> hf<br /> <br /> 2<br /> TH<br /> =<br /> <br /> <br /> <br /> 2<br /> <br /> ASE<br /> <br /> =<br /> <br /> 2<br /> <br /> +<br /> <br /> ASE _ S<br /> <br /> 2<br /> <br /> (7)<br /> <br /> Be PLO + 4e nsp ( G − 1 )Be Bo<br /> 2<br /> <br /> 4 KTBe<br /> RL<br /> <br /> ASE _ LO<br /> <br /> +<br /> <br /> 2<br /> <br /> ASE _ ASE<br /> <br /> (9)<br /> <br /> =4<br /> <br /> ( e )<br /> PphatnspG( G − 1 )Be<br /> hf<br /> <br /> +4<br /> <br /> ( e )2<br /> PLO nsp ( G − 1 )Be + 4( e )2 [ nsp ( G − 1 )] 2 Be Bo<br /> hf<br /> <br /> PEDFA−CO =  2 RL = (  2 SH +  2 ASE +  2TH )RL<br /> <br /> (10)<br /> Với Be [Hz] và Bo [Hz] lần lượt là băng thông nhiễu điện<br /> của máy thu và bộ lọc quang. Pphat [W] là công suất phát<br /> đưa vào sợi quang. nsp là hệ số nhiễu phát xạ tự phát của<br /> EDFA.  là hiệu suất lượng tử của photodiode, e là điện<br /> tích electron. hf là năng lượng photon của ánh sáng đến.<br /> α [1/lần] là tổn hao công suất do sợi gây ra trên toàn tuyến.<br /> G là độ khuếch đại của EDFA. K [J/K] là hằng số<br /> Boltzmann. T [°K] là nhiệt độ tại máy thu.<br /> Công suất nhiễu trộn 4 bước sóng (tổng nhiễu tích lũy)<br /> tại tần số fh được tính theo biểu thức [8]:<br /> (11)<br /> P ( f ) =   P ( f )<br /> h<br /> <br /> f k = fi + f j − f h<br /> <br /> pqr<br /> <br /> fi<br /> <br /> h<br /> <br /> fj<br /> <br /> Với fi, fj, fk là tần số của 3 kênh bất kỳ trong N kênh. Hệ<br /> thống khảo sát gồm 2 phân đoạn L1 = L(11 ) + L(21 ) và<br /> <br /> L2 = L<br /> <br /> (2)<br /> 1<br /> <br /> +L<br /> <br /> (2)<br /> 2<br /> <br /> thì công nhiễu từng thành phần<br /> <br /> Ppqr ( f h ) được biểu diễn như sau [8]:<br /> P<br /> 1024 6<br /> ( d . )2 . phat<br /> . exp− 1( L(11 ) + L(21 ) + L(12 ) + L(22 ) )<br /> 4 2 2<br /> n0 . .c<br /> Aeff2<br /> 3<br /> <br /> Ppqr ( f h ) =<br /> <br /> G 3 . exp− 1( L(11 ) + L(21 ) ) + i . ( 1 ) <br /> <br /> 2<br /> <br />  1 − exp( −1 + i .1 )L(11 )<br /> <br /> <br /> <br /> +<br /> <br /> −<br /> i<br /> .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> 1<br />  G .<br /> <br /> (1) <br /> <br /> <br /> 1<br /> −<br /> exp<br /> (<br /> −<br /> <br /> +<br /> i<br /> <br /> <br /> )<br /> L<br /> 2<br /> 2<br /> 2<br />  exp( −1 + i1 )L(11 ) <br /> <br /> <br /> <br />  2 − i 2<br /> <br /> <br /> <br /> 1,2 [rad/m] là pha phối hợp của sợi 1 và 2 trên 1 phân<br /> đoạn.<br /> 1,2 = ( f i − f k )( f j − f k )<br /> <br /> (13)<br /> <br /> <br />  dD1,2 ( k ) <br />   D1,2 ( k ) − ( f i − f k ) + ( f j − f k )<br /> 2c d <br /> <br /> <br />  (1) = 1 L1(1) +  2 L(21) là pha phối hợp tích luỹ<br /> trong phân đoạn 1; L = L1 + L2 là độ dài tuyến sợi quang.<br /> <br /> L1 = L + L và L2 = L + L tương ứng là 2 phân<br /> (2)<br /> 1<br /> <br /> (2)<br /> 2<br /> <br /> trong đó D1 và D2 tương ứng là hệ số tán sắc của sợi SMF<br /> và sợi DSF. c [m/s] là vận tốc ánh sáng. n0 là chiết suất của<br /> sợi;  [m] là bước sóng; d là hệ số suy giảm (d = 3 nếu<br /> i = j  k, d = 6 nếu i  j  k);  [m3/W.s] là độ cảm ứng phi<br /> tuyến bậc 3; Aeff [m2] là diện tích hiệu dụng của lõi sợi. 1,<br /> 2 [1/m] lần lượt là suy hao của 2 loại sợi SMF và DSF.<br /> D1,2(k) [s/m2] là tán sắc của 2 loại sợi tại bước sóng k.<br /> dD1,2/d [s/m3] là độ biến thiên tán sắc của sợi.<br /> Khi EDFA đặt ở cuối tuyến (đầu vào máy thu) theo<br /> phương án tiền khuếch đại thì:<br /> <br /> L2 = L(12 ) + L(22 ) = 0<br /> trong đó cả L(12 ) và L(22 ) đều bằng 0: L(12 ) = L(22 ) = 0 . Khi<br /> số kênh càng lớn, số tổ hợp các bước sóng mới tạo ra do<br /> hiệu ứng trộn 4 bước sóng càng nhiều, lúc đó việc tính tổng<br /> công suất nhiễu của tất cả số bước sóng mới trùng với bước<br /> sóng của kênh sẵn có được thể hiện qua biểu thức (11).<br /> Từ các biểu thức (6), (10) và (11), tỉ số công suất tín<br /> hiệu và công suất nhiễu (SNR) ở đầu ra của máy thu<br /> Coherence ở kênh h tương ứng với tần số fh trong N kênh<br /> được biểu diễn như sau:<br /> SNR( f h ) =<br /> =<br /> <br /> Psignal ( f h )<br /> PEDFA −CO ( f h ) + PFWM ( f h )<br /> RL R 2 PS PLO cos 2  (t )<br />  2 RL + PFWM ( f h )<br /> <br /> (14)<br /> <br /> Trong đó, Psignal( f h ) , PEDFA_ CO ( f h ) và PFW M( f h ) lần lượt là<br /> các công suất tín hiệu, công suất nhiễu do EDFA và máy<br /> thu Coherence tạo ra và công suất nhiễu trộn bốn bước sóng<br /> tương ứng với tần số fh. Sau khi qua máy thu Coherence tín<br /> hiệu trở về dạng sóng vô tuyến điều chế ASK s(t) như biểu<br /> thức (1). Sau đó tín hiệu này được đưa vào mạch giải điều<br /> chế RF (Hình 1) để khôi phục lại tín hiệu số NRZ ban đầu.<br /> Quan hệ giữa BER và SNR theo phương pháp giải điều chế<br /> ASK được biểu diễn như biểu thức [5], [6]:<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> SNR<br /> )<br /> 2<br /> <br /> (15)<br /> <br /> 3. Kết quả tính toán và thảo luận<br /> Bảng 1. Các giá trị của hệ thống RoF sử dụng tiền khuếch đại<br /> EDFA và máy thu Coherence<br /> Thông số<br /> <br /> 22k <br /> <br /> c<br /> 2<br /> k<br /> <br /> (1)<br /> 2<br /> <br /> D1L(11 ) + D2 L(21 ) = 0<br /> <br /> BER = 0,5erfc(<br /> (12)<br /> <br /> (1)<br /> 1<br /> <br /> (SMF) và đoạn L(21 ) là sợi quang tán sắc dịch chuyển<br /> (DSF) theo phương pháp bù tán sắc hoàn toàn:<br /> <br /> (8)<br /> <br /> 2<br /> <br /> FW M<br /> <br /> đoạn (ở 2 bên bộ khuếch đại EDFA), trong mỗi phân đoạn<br /> (chẳng hạn L1 ) sử dụng đoạn L(11 ) là sợi quang đơn mode<br /> <br /> Định nghĩa<br /> <br /> Giá trị và đơn vị<br /> <br /> RL<br /> <br /> Trở tải của photodiode<br /> <br /> Rb<br /> <br /> Tốc độ bit mỗi kênh<br /> <br /> 50 Ω<br /> <br /> L<br /> <br /> Chiều dài của sợi quang<br /> <br /> 150 km<br /> <br /> (1)<br /> 1<br /> <br /> L<br /> <br /> Sợi quang đơn mode (SMF)<br /> <br /> 10 km<br /> <br /> L(21 )<br /> <br /> Sợi quang tán sắc dịch<br /> chuyển (DSF)<br /> <br /> 140 km<br /> <br /> 10 Gbit/s<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1<br /> <br /> fRF<br /> <br /> Tần số RF<br /> <br /> G<br /> <br /> Độ khuếch đại EDFA<br /> <br /> nsp<br /> <br /> Hệ số nhiễu phát xạ tự phát<br /> của EDFA<br /> <br /> min-max Dải bước sóng quang<br /> PLO<br /> Pphat<br /> <br /> Công suất quang của laser<br /> dao động nội<br /> C. suất quang đưa vào sợi<br /> <br /> 60 GHz<br /> <br /> 123<br /> <br /> 3.2. Quan hệ của BER theo G của EDFA và số kênh N<br /> <br /> 10 dB - 40 dB<br /> 1,26<br /> 1.530 nm - 1.565 nm<br /> –5 dBm - +5 dBm<br /> –5 dBm - +5 dBm<br /> <br /> no<br /> <br /> Chiết suất lõi sợi quang<br /> <br /> <br /> <br /> Độ cảm ứng phi tuyến bậc 3<br /> <br /> 4.10-15 m3/W.s<br /> <br /> Aeff<br /> <br /> Diện tích hiệu dụng của lõi<br /> sợi<br /> <br /> 50.10-12 m2<br /> <br /> D1<br /> <br /> Hệ số tán sắc của sợi mode<br /> SMF<br /> <br /> 18 ps/nm.km<br /> <br /> D2<br /> <br /> Hệ số tán sắc của sợi tán sắc<br /> dịch chuyển DSF<br /> <br /> –1,29 ps/nm.km<br /> <br /> dD1,2()<br /> <br /> Độ biến thiên tán sắc của sợi<br /> <br /> 0,07 ps/nm.km<br /> <br /> 1,5<br /> <br /> 3.1. Quan hệ của SNR theo công suất phát (Pphat) và số<br /> kênh N<br /> <br /> Hình 4. Quan hệ giữa SNR và công suất phát tương ứng với số<br /> kênh khác nhau với G = 30 dB, PLO=5 dBm, Rb = 10 Gbit/s,<br /> L = 150 km<br /> <br /> Hình 4 biểu diễn mối quan hệ giữa SNR theo sự biến<br /> thiên của công suất phát Pphat từ –5 dBm đến 5 dBm với số<br /> kênh khác nhau (N = 1, 16, 24, 32, 40, 48 và 56) tương ứng<br /> với G = 30 dB, PLO = 5 dBm, Rb = 10 Gbit/s, L = 150 km.<br /> Qua đó ta thấy trong trường hợp hệ thống chỉ truyền 1 kênh,<br /> khi công suất phát Pphat tăng lên thì SNR tăng tuyến tính. Đối<br /> với trường hợp đa kênh, khi tăng Pphat đến một ngưỡng nhất<br /> định thì ảnh hưởng của hiệu ứng trộn 4 bước sóng (FWM)<br /> của hệ thống tăng nhanh, dẫn đến tổng công suất nhiễu cao,<br /> SNR của hệ thống giảm. Điều này được giải thích là khi Pphat<br /> tăng thì công suất các kênh quang đưa vào sợi Pphat tăng lên,<br /> làm cho công suất nhiễu FWM Ppqr ( f h ) trong biểu thức (12)<br /> và công suất nhiễu FWM tổng PFW M( f h ) trong biểu thức<br /> (11) cũng tăng lên. Do đó, dựa vào biểu thức (14), SNR của<br /> hệ thống giảm. Hơn nữa số kênh truyền càng lớn, số bước<br /> sóng mới tạo ra càng nhiều, công suất nhiễu FWM càng tăng<br /> làm SNR càng giảm, điều này được thể hiện khi số kênh N<br /> càng tăng lên thì SNR của hệ thống càng giảm và khi N = 56<br /> thì SNR có giá trị thấp nhất.<br /> <br /> Hình 5. Quan hệ giữa BER và G tương ứng với số kênh khác<br /> nhau tại Pphat = 5 dBm, PLO = 5 dBm, L = 150 km, Rb = 10 Gbit/s<br /> <br /> Hình 5 biểu diễn mối tương quan của BER biến thiên<br /> theo độ khuếch đại G từ 10 đến 40 dB với các số kênh khác<br /> nhau (N = 1, 16, 24, 32, 40, 48 và 56) tương ứng Pphat =5<br /> dBm, PLO = 5 dBm, L = 150 km, Rb = 10 Gbit/s. Ta nhận<br /> thấy, khi G tăng lên và nằm trong khoảng từ 10 dB đến 25<br /> dB thì BER giảm xuống. BER trong khoảng này không phụ<br /> thuộc vào số kênh hệ thống, nghĩa là các đặc tuyến BER<br /> tương ứng với các kênh khác nhau nhưng gần như trùng<br /> nhau, do chúng ít phụ thuộc vào số kênh. Điều này được<br /> giải thích là khi G còn nhỏ (< 25 dB) thì nhiễu do EDFA<br /> và máy thu Coherence tạo ra là nhiễu trội so với nhiễu trộn<br /> 4 bước sóng (FWM), mà loại nhiễu này không phụ thuộc<br /> vào số kênh N. Tuy nhiên khi G > 25 dB thì nhiễu FWM<br /> tăng nhanh, trở thành nhiễu trội trong hệ thống và làm cho<br /> BER tăng lên đáng kể. Ảnh hưởng của số kênh càng tăng<br /> cũng làm cho đặc tính BER càng xấu đi và các đặc tuyến<br /> BER ngày càng tách riêng ra, số kênh càng nhiều thì BER<br /> càng xấu, vì khi đó hiệu ứng trộn bốn bước sóng tạo ra càng<br /> nhiều bước sóng mới càng tăng, tác động vào các bước<br /> sóng của hệ thống làm chất lượng tín hiệu càng giảm. Cũng<br /> từ Hình 5, ta thấy khi số kênh truyền và độ khuếch đại G<br /> thay đổi, BER của hệ thống cũng thay đổi trong khoảng từ<br /> 10-19 đến 10-4. Đặc biệt, với số kênh xác định (chẳng hạn<br /> như N = 56 kênh) thì G thay đổi từ 30 dB đến 31 dB sẽ cho<br /> giá trị BER tương ứng trong khoảng từ 10-12 đến 10-9.<br /> 3.3. Quan hệ của SNR theo tốc độ bít và số kênh N<br /> <br /> Hình 6. Quan hệ giữa SNR và tốc độ bít tương ứng với các số kênh<br /> khác nhau với Pphat = 1 dBm, PLO = 5 dBm, L = 150 km, G = 30 dB<br /> <br /> Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền<br /> <br /> 124<br /> <br /> Hình 6 biểu diễn mối quan hệ giữa SNR và tốc độ bít<br /> Rb tương ứng với số kênh khác nhau (N = 1, 16, 24, 32, 40,<br /> 48 và 56) ứng với trường hợp Pphat = 1 dBm, PLO = 5 dBm,<br /> L = 150 km, G = 30 dB. Qua đó, ta thấy khi tốc độ bít Rb<br /> tăng lên thì SNR giảm. Điều này được giải thích là vì khi<br /> Rb tăng thì băng thông bộ lọc quang Bo và băng thông nhiễu<br /> điện của máy thu Be đều tăng lên (Be = 0,75 Rb), làm cho<br /> các loại nhiễu nhiệt, nhiễu bắn và nhiễu liên quan với phát<br /> xạ tự phát (ASE) do EDFA tạo ra cũng tăng lên, như thể<br /> hiện trong các biểu thức nhiễu (7), (8) và (9). Do đó, nhiễu<br /> tổng PEDFA−CO tăng lên dẫn đến SNR giảm. Ngoài ra, hệ<br /> thống càng nhiều kênh, SNR càng giảm do ngoài tác dụng<br /> của các nhiễu kể trên còn có thêm ảnh hưởng của nhiễu<br /> trộn bốn bước sóng FWM, mà nhiễu FWM này tăng tỉ lệ<br /> với số kênh như thể hiện trong biểu thức (11), (12). Kết quả<br /> là khi số kênh càng tăng thì SNR càng giảm. Chẳng hạn<br /> với cùng một giá trị tốc độ bít Rb = 5 Gb/s, SNR của hệ<br /> thống lần lượt khoảng 29 dB, 28 dB, 27 dB, 25,5 dB và<br /> 23,8 dB tương ứng với số kênh là 24, 32, 40, 48 và 56 kênh.<br /> 3.4. Quan hệ của BER theo công suất dao động nội và số<br /> kênh N<br /> <br /> Hình 7. Quan hệ giữa BER và công suất dao động nội ứng với<br /> các số kênh khác nhau với Pphat = 3 dBm, L = 150 km, G =30 dB<br /> <br /> Hình 7 biểu diễn đặc tuyến của BER thay đổi theo công<br /> suất dao động nội (PLO) tương ứng với số kênh khác nhau (N<br /> = 1, 16, 24, 32, 40, 48 và 56) ứng với trường hợp Pphat = 3<br /> dBm, L = 150 km, G = 30 dB, Rb = 10 Gbit/s. Từ đồ thị này<br /> ta nhận thấy rằng, công suất dao động nội càng tăng lên thì<br /> giá trị BER càng giảm. Điều này được giải thích là khi PLO<br /> tăng lên thì công suất tín hiệu Psignal trong biểu thức (6) và<br /> (14) tăng lên, làm SNR tăng, dẫn đến BER giảm xuống.<br /> Ngoài ra, tương ứng cùng một PLO, khi số kênh truyền càng<br /> nhiều thì BER càng tăng lên (chất lượng tín hiệu càng giảm).<br /> Chẳng hạn, tương ứng với PLO = 5 dBm, hệ thống có số kênh<br /> N = 32, 40, 48 thì BER có giá trị tương ứng là khoảng 10-30,<br /> <br /> 10 và 10 . Điều này được giải thích là khi hệ thống càng<br /> nhiều kênh, công suất nhiễu trộn bốn bước sóng FWM càng<br /> tăng, như thể hiện trong biểu thức (11). Điều này làm SNR<br /> giảm và BER tăng lên vì chúng biến thiên theo chiều ngược<br /> nhau, thể hiện trong biểu thức (14).<br /> -19<br /> <br /> -12<br /> <br /> 4. Kết luận<br /> Bài báo đã đề xuất được mô hình và xây dựng được các<br /> biểu thức tính toán hiệu năng của hệ thống WDM<br /> MMW/RoF sử dụng máy thu Coherence kết hợp bộ tiền<br /> khuếch đại EDFA. Trên cơ sở đó, bài báo đã tiến hành khảo<br /> sát, so sánh, đánh giá hệ thống khi sử dụng nhiều kênh<br /> truyền khác nhau và tốc độ bít khác nhau. Sự phụ thuộc của<br /> chất lượng tín hiệu vào số kênh, công suất phát, độ khuếch<br /> đại cũng như sự thay đổi tốc độ bít đã được phân tích, so<br /> sánh và đánh giá. Qua kết quả tính toán cho thấy, khi sử<br /> dụng hệ thống truyền dẫn đa kênh mặc dù chịu ảnh hưởng<br /> của các nhiễu không mong muốn nhưng có thể đảm bảo về<br /> SNR, BER trong khoảng số kênh truyền nhất định.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] P. Rost et al., “Mobile Network Architecture Evolution Toward 5G”,<br /> IEEE Communications Magazine, Vol. 54, No. 5, May 2016, pp. 84-91.<br /> [2] T. S. Rappaport et al., “Millimeter Wave Mobile Communications for<br /> 5G Cellular: It Will Work!”, IEEE Access, Vol. 1, 2013, pp. 335-349.<br /> [3] P. T. Dat, A. Kanno, N. Yamamoto and T. Kawanishi, “5G Transport<br /> Networks: The Need for New Technologies and Standards”, IEEE<br /> Communications Magazine, Vol. 54, No. 9, September 2016, pp. 18-26.<br /> [4] D. Novak et al., “Radio-Over-Fiber Technologies for Emerging<br /> Wireless Systems”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 52,<br /> No. 1, Jan. 2016, pp. 1-11.<br /> [5] K. Kikuchi, “Fundamentals of Coherent Optical Fiber<br /> Communications”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No.<br /> 1, Jan.1, 1 2016, pp. 157-179.<br /> [6] Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, John<br /> Wiley & Sons, Inc., NewYork, Third Edition, 2002.<br /> [7] G. Keiser, Optical Fiber Communications, 3rd ed., McGraw-Hill,<br /> Inc., 2000.<br /> [8] W. Zeiler, F. D. Pasquale, P. Bayel, J. Midwinter, “Modeling of<br /> Four-Wave Mixing and Gain Peaking in Amplified WDM Optical<br /> Communication Systems and Networks”, Journal of Lightwave<br /> Technology, Vol. 14, No. 9, September 1996, pp. 1933-1942.<br /> [9] A. Stohr et al., Coherent Radio-over-Fiber THz Communication<br /> Link for High Data-Rate 59 Gbit/s 64-QAM-OFDM and Real-Time<br /> HDTV Transmission, Optical Fiber Communication Conference,<br /> January 2017.<br /> [10] Mukesh Kumar, Sandeep Singh, Jay Singh, Rohini Saxena,<br /> “Performance Analysis of WDM/SCM System Using EDFA”,<br /> International Journal of Advanced Research in Computer Science<br /> and Software Engineering, Vol. 2, Issue 6, June 2012.<br /> [11] Sakshi Sharma, Kamaljeet Singh Bhatia, Harsimrat Kaur, “Effect of<br /> Optical Amplifiers on the Performance of SCM Radio over Fiber<br /> Systems”, Journal of Optical Communications, Vol. 36, 2015.<br /> <br /> (BBT nhận bài: 21/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/5/2018)<br /> <br />