intTypePromotion=3

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

Chia sẻ: Tuong Vi Danh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

0
30
lượt xem
10
download

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

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất một mô hình tính toán hiệu năng (SNR, BER) của hệ thống truyền dẫn tín hiệu vô tuyến sóng milimét qua sợi quang ghép kênh theo bước sóng (WDM MMW/RoF) sử dụng bộ tiền khuếch đại quang EDFA và máy thu Coherence.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: 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 />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản