Đề tài: Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

Mục lục

Mục lục................................................................................................................................ I

Thuật ngữ viết tắt .............................................................................................................. IV

Danh mục hình vẽ ............................................................................................................. VI

Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... VIII

Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang ..................................................... 1

1.1. Mô hình tuyến thông tin quang ................................................................................ 1

1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang .................................... 2

1.2.1. Suy hao ............................................................................................................. 3

1.2.2. Tán sắc .............................................................................................................. 4

1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................... 7

1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM ................................................................................ 7

1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) ......................................................................... 9

1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) .................................. 10

1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế ................................................................ 12

1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích ............................................................... 12

1.3.1.1. Quỹ công suất .......................................................................................... 12

1.3.1.2. Quỹ thời gian lên ..................................................................................... 13

1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn ........................................................... 16

1.3.2.1. Tính tương thích ...................................................................................... 16

1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất ................... 18

1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê ............................................... 18

Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao ........................................................................................................................................... 21

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số .......................... 21

2.1.1. Tính toán với tán sắc ...................................................................................... 21

2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu .......................................................... 21

2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu ................................................................... 27

2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc ..................................................................... 27

2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống ............................................ 31

2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF............................ 33

2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR ................................... 34

2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm .......................................................... 37

2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang ....................................................................... 42

2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ ......................................................................... 42

2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh ................................................................................ 43

2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa ........................................................ 47

2.1.5. Ví dụ ............................................................................................................... 50

2.2. Tính toán theo số liệu thống kê ............................................................................. 57

2.2.1. Phương pháp chung ........................................................................................ 57

2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống ................................................. 57

2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống ............................................ 57

2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng .............................................................................. 58

2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê ............................................................................... 60

2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu ........................................................................ 62

2.2.3.1. Cơ sở ....................................................................................................... 62

2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu .............................................................. 62

2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang ...................................... 65

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

2.2.3.4. Ghép nối thống kê ................................................................................... 66

2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực ...................................................... 71

2.3. So sánh hai phương pháp ....................................................................................... 71

Kết luận ............................................................................................................................. 73

Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 74

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

Thuật ngữ viết tắt

viết Từ gốc Nghĩa

Từ tắt

APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác

BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít

CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu

DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc

DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc

DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt

DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước sóng

Multiplexing mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium

EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng

FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg

FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất

FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng

GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm

LD Laser Diode Laze diode

LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV

Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt

MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode

MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường

MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode

NF Noise Factor Hệ số tạp âm

NRZ Non Return to Zero Không trở về không

OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm

pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất

p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

rms Root mean square Trung bình quân phương

RZ Return to Zero Trở về không

SC Single Channel Đơn kênh

SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode

SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode

SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng

XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V

Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. ............................. 1

Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang ............... 6

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền .................................................. 6

Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung ................................................. 9

Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác ............................. 11

Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp ..................................... 16

Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp ........................................ 17

Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp .......................................... 17

Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp ........................................ 18

Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm ...... 25

Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất ....................................... 29

Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc ............. 30

Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau .............................................. 30

Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt ................................................................................. 32

Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 ............ 34

Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER ....................................... 35

Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào ........ 35

Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm ..... 38

Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản ................................................................ 44

Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh ............................................................................... 45

Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh ...................... 46

Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI

Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô hình Gausse) .............................................................................................................. 50

Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại ............................... 60

Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm ....................................... 63

Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm ....................................... 63

Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng ................................................. 64

Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng ........................................... 64

Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 ........................................ 67

Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 ...................... 68

Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình ................................................................. 69

Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc .............................................. 69

Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 ........................... 70

viên:

Lê

Đức

Vượng

Lớp

D04VT2

Sinh VII

Danh mục bảng Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục bảng biểu

Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử ............................... 19

Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon ................................................. 23

Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại ............................................................................... 26

Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm ....................................... 26

Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB ....... 27

Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] ....................................................... 34

Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên ....................................... 41

Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng ............................................................................ 43

Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống ............................................................ 58

Bảng 2-11 Một số giá trị ........................................................................................ 66

viên:

Lê

Đức

Vượng

Lớp

D04VT2

Sinh VIII

Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu

Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương... mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai.

Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang.

Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương:

Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê.

Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX

Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp đại học

Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.

Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã

hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.

Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008

Sinh viên

Lê Đức Vượng

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang

1.1. Mô hình tuyến thông tin quang

Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang.

Nơi phát Thiết bị Môi trường Thiết bị Nơi thu tín

tín hiệu phát truyền dẫn thu hiệu đến

Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).

Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.

1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang

Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham

số.

Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:

 Suy hao.

 Tán sắc.

 Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.

 Quỹ thời gian

 Nhiễu

Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số

này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian

luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này

lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh

hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác nhau với các hệ thống khác nhau.

 Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần

quan tâm là suy hao.

 Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm

có suy hao và tán sắc.

 Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích

Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu

ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 2

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều

chế pha chéo.

Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này

1.2.1. Suy hao

Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo

tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ

thống thông tin quang.

Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thông

tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với

sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các thiết bị xen rẽ kênh … cũng có

thể gây ra suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới

hạn cho phép cũng gây ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi

nên có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Bên cạnh suy hao ngoài bản chất là suy hao bản chất bên trong sợi quang. Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản

thân sợi quang cũng có suy hao làm cho cường độ tín hiệu giảm xuống khi đi qua một cự

ly nào đó. Các dạng suy hao bản chất gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy

hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong các dạng suy hao trên, suy hao do hấp thụ có

liên quan tới vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu.

Suy hao bức xạ là do sự sai lệch cấu trúc hình học của sợi gây ra.

Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số

suy hao và được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu vào của sợi dẫn quang

dải L với công suất quang đầu ra . Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi

là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau:

(1-1)

Với được tính theo dB/km và chiều dài L được tính theo km. Các sợi truyền dẫn quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, lúc đó

công suất đầu vào gần như bằng công suất đầu ra và dB/km.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn:

(1-2)

Nếu gọi công suất tín hiệu quang trung bình phát vào sợi quang là và công suất

tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất tại đầu vào của bộ thu quang với tốc độ truyền

dẫn là B. Khi đó, cự ly truyền dẫn cực đại được tính:

(1-3)

Cự ly truyền dẫn L còn phụ thuộc vào tốc độ bít là do công suất thu được phụ

thuộc vào tốc độ bít B, vì rằng trong đó hv là năng lượng photon và là

số photon trung bình trên bit được yêu cầu tại bộ thu quang .

Như vậy, cự ly truyền dẫn L giảm theo hàm logarit với sự tăng tốc độ bít B tại

bước sóng hoạt động của hệ thống. Có 3 vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu đó là (vùng

tại đó mà suy hao tín hiệu là nhỏ nhất) vùng bước sóng 0.85 , vùng bước sóng 1.3

và vùng bước sóng 1.55 . Trong các vùng bước sóng thì cự ly truyền dẫn ngắn nhất

khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 0.85 do tại vùng này suy hao tín hiệu tương đối

lớn. Khoảng cách lặp của các tuyến sử dụng hệ thống này khoảng từ 10 đến 30 km hoàn

tuỳ theo tốc độ bít. Ngược lại cự ly lớn hơn 100 km hoàn toàn có thể thực hiện được với

hệ thống hoạt độn tại vùng bước sóng 1.55 .

1.2.2. Tán sắc

Suy hao mặc dù có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, nhưng nó chỉ được quan tâm đặc biệt khi hệ thống thông tin quang có cự ly ngắn, dung lượng thấp.

Tuy nhiên khi khoảng cách tăng lên thì suy hao không còn là vấn đề quan trọng nữa, bởi vì suy hao dễ dàng được khắc phục bởi các bộ khuếch đại. Khi suy hao không còn là vấn đề quan trọng thì tán sắc trở thành mối quan tâm chủ yếu nhất ảnh hưởng tới cự ly truyền dẫn và tốc độ bít.

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao. Suy hao

là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra.

Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và trễ nhóm.

Tuy nhiên hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều sử dụng sợi quang đơn mode nên

tán sắc đơn mode trở thành một yếu tố hết sức quan trọng và vì vậy ở đây chỉ xét đến tán

sắc bên trong mode.

Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra trong một mode.

Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo

tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát. Độ rộng phổ là dải bước sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mô tả độ dãn xung bằng

công thức sau đây:

(1-4)

Với L là độ dài của của sợi quang, là trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài, là

bước sóng trung tâm và là độ rộng trung bình quân phương rms của phổ nguồn phát.

Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode

và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên trong mode lại gồm có tán sắc ống dẫn sóng và

tán sắc vật liệu. Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic

dispersion). Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu.

Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân

chính gây nên hiện tượng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang,

vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu. Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông

thường.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 5

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang

Trên hình vẽ 1-2, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận

tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế

không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ

nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ Δλ0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng

đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị

chèn lên nhau (hình 1-3). Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2

xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc

rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu.

Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền

a) Xung tại đầu phát

b) Xung tại đầu thu

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 6

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến

Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, có cự ly dài, dung lượng rất lớn thì ngoài tham số suy hao và tán sắc còn phải tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi

tuyến. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là do tương tác lẫn nhau giữa các kênh với

các bước sóng khác nhau được ghép trong sợi quang.

1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được

gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi

tuyến ở cùng một tần số. Chỉ số chiết suất biến đổi như sau:

n = n + . với j=1,2… (1-5)

Trong đó: n , n là chiết suất lõi và vỏ.

là hệ số chiết suất phi tuyến.

n là chỉ số chiết suất tuyến tính

W với sợi silica

Hệ số truyền dẫn phi tuyến:

(1-6)

Với Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến.

Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi

tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 7

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

(1-7)

Pin giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của Pin vào thời gian làm cho

thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới hình dạng xung qua GVD. Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha

phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện <<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của

công suất quang:

(1-8)

Với W , ta có:

W= 23mW Pin <<

Rõ ràng sự phụ thuộc chiết suất vào công suất quang là một yếu tố giới hạn với

hệ thống truyền thông quang. Hiện tượng phi tuyến tương ứng với giới hạn này được gọi

là tự điều chế pha SPM vì độ dịch pha được cảm ứng bởi chính trường quang. SPM

tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền trong sợi quang. Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng

lớn. Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang. Hiệu ứng này có thể

xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung

có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều này dẫn đến sự dịch các sườn

xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc sợi để mở rộng xung.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 8

Xung đã phát

Sự

dịch

xung

Tần số

Xung bị mở rộng khi lan truyền trong sợi

Chirp tần số

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung

1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM)

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể

cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha. Nó chỉ xuất hiện

trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi

sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng

không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác. Độ dịch pha cho kênh j là:

(1-9)

Trong đó: M là tổng số kênh

). Pj là công suất kênh j (j=

Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ dịch pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào kiểu bit của kênh lân cận.

Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu

nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 9

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

(1-10)

Để và 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị

ở vùng =1,55 . Rõ ràng XPM có thể là nhân tố giới hạn công suất chính.

Tóm lại: Với những xung quang rộng tương đối (>100ps), ảnh hưởng của tán sắc

không đáng kể. Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến

hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới. Cụ thể sự mở rộng xung

quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường.

1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)

Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi

tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi . Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4

sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của trong sợi thủy tinh. Nếu 3 trường

quang với tần số sóng mang lan truyền đồng thời trong sợi, tạo ra trường

thứ tư mà tần số của nó liên quan với các tần số qua công thức: = .

Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau

của các dấu +, -. Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng

được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của dạng là gây rắc rối nhất

cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi

bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0.

Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là:

- Đầu tiên là khoảng cách kênh. Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng

cách kênh trở nên gần hơn.

- Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế, các sợi dịch tán sắc thường được thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của FWM.

Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác

nhau theo khoảng cách kênh

Ở mức cơ bản, một quá trình FWM có thể xem như một quá trình tán xạ mà hai

photon năng lượng và tạo ra 2 photon năng lượng và . Điều kiện thích

ứng pha bắt đầu từ yêu cầu duy trì động lượng. Quá trình FWM cũng có thể xẩy ra khi

hai phonon bắt đầu suy biến ( ), vì vậy .

FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh nhưng lại trở nên

quan trọng với các hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (wavelength division multiplexing ). Một lượng công suất lớn của kênh có thể

được truyền tới kênh lân cận qua FWM. Sự truyền năng lượng như vậy không chỉ làm suy hao công suất cho một kênh riêng mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm giảm hiệu năng hệ thống quang. Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống

sóng ánh sáng. Nó được sử dụng để giải ghép kênh khi ghép kênh phân chia theo thời gian được sử dụng trong miền quang. Từ những năm 1933, FWM đã được sử dụng để

tạo tín hiệu ngược phổ qua quá trình phân chia pha quang (optical phase conjugation)-

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 11

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

một trong các kỹ thuật sử dụng cho sự bù tán sắc và có thể cải tiến hiệu năng của hệ

thống ánh sáng được hạn chế tán sắc.

1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế

Có nhiều phương pháp thiết kế một tuyến thông tin quang. Đối với các hệ thống

đơn giản ta có thể sử dụng phương pháp dùng các công thức tính toán, việc sử dụng các

công thức để tính toán các tham số khi thiết kế hệ thống quang được gọi là phương pháp thiết kế theo giải tích. Với một số trường hợp khác ta có thể sử dụng phương pháp mô

phỏng để tìm ra các yêu cầu của các thiết bị cần được sử dụng.

1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích

Trong phần này, xét quá trình thiết kế bằng quỹ công suất và thời gian lên

1.3.1.1. Quỹ công suất

Quỹ công suất quang được coi như một yếu tố bao quát tổng hợp quan trọng nhất

nhằm khẳng định xem công suất quang có đủ để đi từ thiết bị phát tới thiết bị thu hay

không để duy trì các đặc tính tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống. Nếu như tại đầu vào bộ thu yêu cầu một công suất quang trung bình nhỏ nhất là độ nhạy thu Prec và có một công suất quang trung bình Pt tại đầu ra bộ phát quang thì quỹ công suất CT của tuyến có thể được xem như là tổng suy hao giữa bộ phát và bộ thu quang. Vì thế quỹ

công suất quang có thể được biểu diễn dưới dạng đơn giản sau:

(1-11)

Với là suy hao bộ nối quang tính bằng dB, là hệ số suy hao sợi tính bằng

dB/km, L là độ dài sợi quang trên tuyến và coi như là cự ly truyền dẫn, là tổng các suy

hao các mối hàn nối sợi tính bằng dB. Trong biểu thức trên ta giả thiết chỉ sử dụng 2 bộ nối quang ở hai đầu.

Đại lượng là dự phòng hệ thống. Dự phòng hệ thống là một lượng công suất

quang xác định được thêm vào hệ thống để bù vào sự mất mát công suất có thể xảy ra trong quá trình quá trình khai thác hệ thống, chẳng hạn như sự xuống cấp của các thành phần thiết bị, sự thay đổi của nhiệt độ và sự thay đổi các điều kiện môi trường làm giảm hiệu năng của hệ thống, và các biến cố nhỏ khác. Trong thiết kế tuyến, dự phòng hệ

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 12

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

thống thường lấy giá trị từ 3 đến 8 dB. Biểu thức (1-1) có thể được sử dụng để xác định

cự ly truyền dẫn lớn nhất khi đã xác định được các phần tử hệ thống. Một khi bước sóng

đã được lựa chọn thì điều cần phải thực hiện là quyết định xem các thiết bị phát và thu nào nên được dùng. Đối với nguồn quang thì xem xét nguồn laze bán dẫn LD hay LED

là phù hợp. Tương tự như vậy đối với các thiết bị thu quang thì nên sử dụng bộ tách sóng

p-i-n hay APD. Việc quyết định này cần quan tâm đến tính kinh tế mà cụ thể là giá cả

của hệ thống phải thấp.

1.3.1.2. Quỹ thời gian lên

Quỹ thời gian lên cũng được coi là yếu tố quan trọng, nó được đưa ra nhằm xác

định xem hệ thống có đủ khả năng để hoạt động tại tốc độ bít đã định hay không. Thậm

chí ngay cả khi băng tần của các thành phần hệ thống vượt qua tốc độ bít, nó vẫn cho

thấy rằng toàn bộ hệ thống có thể không đủ khả năng hoạt động tại tốc độ bít đó. Quan

niệm thời gian lên được dùng để định rõ băng tần trong các thành phần hệ thống khác nhau. Ta có thể mở rộng và chứng tỏ rằng thời gian lên Tr của một hệ thống tuyến tính tăng tử 10% đến 90% giá trị đầu ra sau cùng của nó khi đầu vào có sự thay đổi đột ngột-

hàm bước nhảy.

Có một quan hệ giữa băng tần và thời gian lên của hệ thống tuyến tính.

Quan hệ này có thể được hiểu bằng việc xem xét mạch RC đơn giản làm ví dụ cho hệ thống tuyến tính. Khi điện áp đầu vào mạch RC thay đổi một cách tức thời từ 0 đến V0 thì điện áp đầu ra thay đổi như sau:

(1-12)

Trong đó R và C tương ứng là điện trở và điện dung của mạch RC. Khi đó thời

gian lên được tìm là:

(1-13)

Hàm chuyển đổi H(f) của mạch RC sẽ thu được bằng phép biến đổi Fourier biểu

thức (1-12) và ta có:

(1-14)

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 13

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Băng tần điện tương ứng với tần số mà tại đó và được cho

bởi biểu thức . Sử dụng biểu thức (1-13) thì giữa và có mối quan hệ

sau:

(1-15)

Với biểu thức này thi quan hệ nghịch đảo giữa thời gian lên và băng tần sẽ đúng

cho mọi hệ thống tuyến tính. Tuy nhiên, tích thường khác 0.35.

Mối liên quan giữa băng tần điện và tốc độ bít B phụ thuộc vào dạng tín hiệu

số. Với dạng tín hiệu RZ (Return to Zero), khi đó thì và . Ngược lại với

tín hiệu dạng NRZ (Non Return to Zero) thì và do đó . Trong cả hai

trường hợp, tốc độ bit đặc trưng đặt ra giới hạn cho thời gian lên lớn nhất có thể cho

phép. Điều này có nghĩa là hệ thống thông tin phải được thiết kế để đảm bảo rằng nằm

trong giá trị lớn nhất này, tức là:

(1-16)

Trong hệ thống thông tin quang có ba thành phần thời gian lên riêng rẽ. Thời gian

lên tổng của toàn bộ hệ thống có quan hệ với các thời gian lên thành phần riêng rẽ này

một cách xấp xỉ như sau:

(1-17)

Trong đó, , và tương ứng lần lượt là thời gian lên của thiết bị phat, sợi

quang và thiết bị thu quang. Thông thường thời gian lên của thiết bị phát quang và thiết bị thu quang được biết trước khi thiết kế hệ thống. Trước hết thời gian lên của thiết bị

phát được xác định từ các thành phần điện của mạch điều khiển và các thành phần

điện liên quan đến nguồn quang. Giá trị tiêu biểu của là khoảng vài ns đối với thiết bị

phát LED, nhưng nó có thể nhỏ tới 0.1ns đối với thiết bị phát lase bán dẫn LD. Thời gian

lên của bộ thu được xác định trước hết là từ băng tần điện 3dB của phần mặt trước

(front-end) bộ thu. Biểu thức (1-15) có thể được dùng để ước lượng nếu như băng tần

front-end được xác định.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 14

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Thời gian lên của sợi sợi quang được tính thông qua các tán sắc mode và tán

sắc vận tốc nhóm được biểu diễn bởi phương trình sau:

(1-18)

Với là thời gian lên do tán sắc mode và là thời gian lên do tán sắc vận

tốc nhóm gây ra. Đối với sợi đơn mode thì có = 0 và vì thế mà .

Đối với sợi có tán sắc mode thì có thể coi thời gian lên xấp xỉ thời gian trễ và

khi không có sự trộn mode thì:

(1-19)

Với L là cự ly truyền dẫn, c là vận tốc của ánh sáng, là sự khác nhau về chỉ số

chiết suất lõi vỏ của sợi quang, và . Thành phần cũng có thể được tính xấp xỉ

bởi như sau:

(1-20)

Trong đó

là độ rộng phổ của nguồn phát quang được tính theo độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWHM. Tham số tán sắc D có thể thay đổi dọc theo sợi quang nếu

như các phần sợi khác nhau có các đặc tính khác nhau, vì thế nên lấy giá trị trung bình

trong biểu thức (2-20). Từ biểu thức này, giả sử nếu hệ thống hoạt động tại vùng bước

sóng 1.3µm thì = 0.3 ns khi cự ly truyền dẫn là 50 km, độ rộng phổ nguồn phát 2

nm, và tán sắc trung bình bằng 3 ps/km.nm. Các thời gian lên bộ phát và bộ thu quang

tương ứng là 0.25 ns và 0.35 ns. Đối với tuyến sử dụng sợi quang đơn mode thì tán sắc

mode bằng 0 và khi đó thì . Thời gian lên của hệ thống được tính từ biểu thức

(1-17) có kết quả là 0.524 ns. Nếu áp dụng biểu thức (1-16) thì hệ thống không thể hoạt

động tại tốc độ 1Gbit/s khi dạng tín hiệu là RZ. Tuy nhiên nếu chuyển sang mã NRZ thì hệ thống hoàn toàn có thể hoạt động được. Dạng tín hiệu NRZ thường được sử dụng vì nó cho phép thời gian lên của hệ thống lớn hơn với cùng một tốc độ bít, và như vậy việc thiết kế sẽ thuận lợi hơn nhiều.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 15

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn

Các phương pháp ở trên là tính toán dựa theo các số liệu cụ thể của linh kiện của một nhà sản xuất, tuy nhiên trong một số trường hợp thì để thiết kế một tuyến quang thì

không phải lúc nào cũng sử dụng tất cả các linh kiện của một nhà sản suất. Khi đó tuyến

quang sẽ bao gồm các linh kiện của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Vì vậy, để thích hợp

điều này ta sử dụng phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn nhằm mục đích để có thể thích ứng được các linh kiện của các nhà sản xuất khác nhau và có khả năng mở rộng, sửa

chữa, nâng cấp mạng quang sau khi đã sử dụng. Trong phương pháp thiết kế theo cách

tiếp cận tiêu chuẩn xét đến phương pháp thiết kế trong trường hợp các giá trị là xấu nhất

và thiết kế theo giá trị thống kê. Trước khi xét đến hai phương pháp này, ta nêu ra khái

quát về tính tương thích.

1.3.2.1. Tính tương thích

Tính tương thích thì lại gồm có tương thích dọc và tương thích ngang.

Tương thích ngang

Tính tương thích ngang là khả năng các đầu cuối quang có thể sử dụng của phần quang có thể được xác định bởi thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Hình sau đây

minh hoạ tính tương thích ngang trong trường hợp hệ thống đơn chặng. Với hệ thống này

thì cần xác định đầy đủ các tham số và các giá trị tại cả cả hai điểm giao diện MPI-S và

Vendor A

Vendor B

MPI-R

MPI-S

Tx hoặc

Rx hoặc

Txs

Rxs

MPI-R.

Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp

Với các hệ thống đa nhịp thì tính tương thích ngang được minh hoạ bởi hình vẽ:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 16

Vendor C

Vendor A

Vendor B

MPI-S

MPI-R

Tx hoặc Txs

Rx hoặc Rxs

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp

Đây là trường hợp với tính tương thích chiều ngang trong đó các bộ khuếch đại được

cung cấp bởi một nhà cung cấp thiết bị đầu cuối khác (Vendor C). Trong khi các thiết bị

đầu cuối phía phát được cung cấp bởi Vendor A, và thiết bị phía thu được cung cấp bởi

Vendor B.

Tính tương thích dọc

Không giống với trường hợp trên, một ứng dụng được gọi là “tương thích chiều

dọc” khi cả hai đầu cuối của một bộ phận quang là thiết bị đầu cuối của một nhà sản

xuất. Trong trường hợp này, yêu cầu một tập hợp các tham số hạn chế hơn so với hệ

thống tương thích chiều ngang. Ở đây, chỉ có các đặc tính cáp (suy hao, tán sắc, DGD,

Vendor A

Vendor A

tán sắc) được chỉ rõ. Hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp được minh họa trong hình 12-5.

Tx Rx

Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp

Đối với các hệ thống đa nhịp, cũng có thể có tính tương thích chiều dọc. Điều này tương tự như hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp, mà hệ thống đơn nhịp này có tất cả các thiết bị đều được cung cấp bởi một nhà cung cấp. Điều này đuợc minh họa trong hình 12-6. Vì trong trường hợp đơn nhịp thì chỉ có một số tham số rất hạn chế được yêu

cầu cụ thể mặc dù tán sắc màu và PMD phải được điều khiẻn tại một đầu cuối đến đầu cuối.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 17

Vendor A

Vendor A

Vendor A

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Tx Rx

Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp

1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất

Các giá trị tham số quang trong các khuyến nghị giao diện quang khác nhau được

chọn tùy theo tiếp cận thiết kế trường hợp xấu nhất (worst case design).

Phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất có nghĩa là trong một tuyến quang thì

tất cả các tham số quang cụ thể đồng thời là giá trị tại khoảng thời gian mà thiết bị hết

thời gian sử dụng EOL (End Of Life), tỉ số lỗi bít BER sẽ không xấu hơn giá trị cụ thể

của ứng dụng, chẳng hạn là . Trong trường hợp này, EOL được xét đến như một điều kiện, trong đó đặc tính của thiết bị (chẳng hạn như máy phát hoặc máy thu) bị suy

giảm không còn thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật và vì thế gây ra lỗi.

Vì thế, khi mức công suất quang đầu ra của thiết bị phát quang tại EOL của nó đạt

giá trị nhỏ nhất thì độ nhạy thiết bị thu tại EOL là giá trị lớn nhất, suy hao sợi quang tại

EOL sẽ có giá trị lớn nhất, và các đặc tính phổ nguồn cần bù tuyến quang với giá trị lớn

nhất, các điều này dẫn đến tỉ số lỗi bít BER của hệ thống sẽ không lớn hơn giá trị danh

định của ứng dụng, như . Kết luận này không nói lên rằng thông thường một tuyến

quang hoạt động tại BER chuẩn này. Thay vào đó, một tuyến quang hoạt động ảo không

có lỗi dưới những điều kiện hoạt động danh định, xác suất mà các tham số quang đồng

thời tại giới hạn của trường hợp xấu nhất là rất thấp.

1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê

Với hệ thống có ít thành phần thì thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) là hữu ích, thiết kế đó cung cấp các dự phòng thích hợp với hệ thống. Tuy nhiên, với một hệ thống có nhiều thành phần như hệ thống đa nhịp hoặc đa kênh thì các dự trữ của thiết kế tĩnh trở nên không phù hợp. Việc thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) với các hệ thống này sẽ gây ra sự lãng phí không cần thiết. Trong bối cảnh này, các nhà khai thác mạng cũng như các nhà sản xuất mạng đã nghiên cứu việc sử dụng thiết kế thống kê

(statistical design approach).

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 18

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Phương pháp thống kê là dựa trên việc thiết kế nâng cấp phần cáp cơ sở và có thể

có chiều dài đoạn lớn hơn chiều dài trong trường hợp xấu nhất. Bằng cách thêm vào một

xác suất nào đó mà suy hao và tán sắc giữa các điểm R và S lớn hơn các giá trị cụ thể hệ thống, hoặc thiết kế tương thích ngang không thể đạt được, thì các hệ thống quang tốc bít

cao cự ly dài có thể có chi phí thấp hơn thông qua việc giảm số lượng các connector.

Khi sử dụng phương pháp thống kê, các tham số hệ thống phụ được biểu diễn

bằng phân bố thống kê, mà phân bố này được lấy từ nhà sản xuất. Các phân bố như thế có thể được tính toán hoặc bằng số (chẳng hạn phương pháp Monte Carlo) hoặc theo

phép phân tích (chẳng hạn độ lệch chuẩn và trung bình Gausse).

Trong phương pháp thiết kế thống kê có hai tham số cần được phân biệt. Đó là tham số của hệ thống và tham số của phần tử (linh kiện). Các thông số của hệ thống là

các tham số của cả tuyến quang (chẳng hạn suy hao cực đại hoặc tán sắc màu lớn nhất

của tuyến …), còn tham số của phần tử thì là tham số cụ thể của một phần tử linh kiện

nào đó (chẳng hạn như hệ số suy hao, hệ số tán sắc màu của sợi quang). Các thông số

của hệ thống được xác định bằng cách thiết kế hệ thống trong các thuộc tính thống kê

của các thông số phần tử. Các ví dụ về quan hệ giữa các tham số phần tử và tham số hệ

thống được cho trong bảng 1-1:

Tham số hệ thống Tham số phần tử

Hệ số suy hao sợi cáp, công suất đầu ra máy phát, độ

Suy hao cực đại nhạy máy thu, điểm bù công suất, suy hao mối nối,

suy hao connector.

Tán sắc màu cực đại Hệ số tán sắc sợi, độ rộng phổ máy phát

Hệ số cáp PMD, công suất chia giữa trạng thái phân DGD cực đại cực chính với các phần tử khác trong liên kết

Công suất đầu ra cực đại

Hệ số suy hao cáp, bước sóng sợi tán sắc không, vùng sợi hiệu dụng, hệ số sợi phi tuyến, khoảng cách kênh.

Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 19

Chương 1: Tổng quan về thiết kế Đồ án tốt nghiệp đại học

Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế thống kê ở đây chỉ một tham số hệ thống

trong bất kì hệ thống cụ thể nào được xét thống kê. Ví dụ, trong các hệ thống giới hạn

tán sắc, tán sắc màu cực là được xét thống kê, trong khi tất cả các tham số khác được xem như sử dụng phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 20

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao

2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số

2.1.1. Tính toán với tán sắc

2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu

Phần này xác định “mô hình epsilon” của khuyến nghị ITU-T G.957 để tính toán

hiệu ứng tán sắc của độ rộng trong cả phổ nguồn và điều chế máy phát, trong trường hợp

xảy ra chirp và bất kì mode biên nào là không đáng kể. Trong nhiều trường hợp thực tế,

chirp có thể trội và giới hạn tán sắc theo lí thuyết có trong phần này sẽ cao hơn hoặc thấp

hơn so với thực tế.

Lí thuyết về tính toán được trình bày trong phụ lục I của Series G Supplement 39

ITU-T. Giả thiết rằng độ rộng lí thuyết rms (roof mean square: độ rộng trung bình quân

phương) theo Gausse đối với phổ nguồn và điều chế có thể được áp dụng vào dạng

chung, và tán sắc bậc hai là nhỏ so với tán sắc bậc một. Như trong khuyến nghị ITU-T

G.957, sự mở rộng xung cho phép là một phần của chu kì bit bị giới hạn tới một giá trị

tối đa, và giá trị này được gọi là giá trị epsilon – ε, và giá trị này được xác định bởi bù

công suất.

Công thức tán sắc

Các công thức dưới đây được biến đổi tiếp theo phần phụ lục I.7 của tài liệu Series G Supplement 39 ITU-T. Thông thường xung đầu vào có chu kì là một phần f của chu kì đối với xung RNZ, giá trị f này được gọi là chu trình làm việc. Khi đó ta có: đối với mã đường truyền RZ thì f <1, còn đối với mã đường truyền NRZ thì f = 1. Trong sợi quang dài L km, tốc độ B Gbps với hệ số tán sắc là D ps/km nm tại bước sóng λ μm thì tán sắc màu ps/nm tối đa cho phép kết nối là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 21

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

(2-1)

Ở đây được tính theo GHz là độ rộng -20 dB của phổ nguồn trong tần số

quang. Độ rộng này tương ứng với độ rộng -20dB của phổ bước sóng  theo nm được đưa ra bởi phương trình:

(2-2)

Trong trường hợp giới hạn tốc độ bit thấp/phổ rộng, phương trình (2-1) và (2-2)

thành:

hoặc (2-3)

Trong phương trình (2-1) khi thì xấp xỉ này chính xác tới nằm trong

1%. Phương trình bên phải trong các phương trình (2-3) được sử dụng trong khuyến nghị

ITU-T Rec. G.957 (bù khoảng 1dB và BER = ) để suy ra các yêu cầu về nguồn cho

khoảng cách đích trong các bảng này.

Ngược lại, nếu tốc độ bít cao/phổ hẹp thì phương trình (2-1) được cho bởi phương

trình:

(2-4)

Lấy xấp xỉ chính xác 1% của phương trình (2-1) khi . Khi bù tán sắc là 1

là 0.3 như được cho ở bảng dưới) và sử dụng mã đường

dB (lúc đó thì giá trị của truyền là NRZ (khi đó chu trình làm việc f=1), phương trình (2-4) thành:

(2-5)

Mối quan hệ giữa và bù công suất.

Phương trình liên quan phần mở rộng xung để bù công suất (tính theo dB)

cho các xung NRZ và các laser đơn mode SLM (Single Longitudinal Mode) là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 22

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

(2-6)

Kết quả này độc lập với BER, BER khoảng trong khuyến nghị G.957 ITU-

, bởi vậy ε có thể giảm

T. Trong thực tế bù công suất tăng rất ít khi BER tăng đến khoảng vài phần trăm tại mức bù cụ thể.

Bảng (2-1) đưa ra một số giá trị tại một số giá trị bù công suất, có sử dụng lấy xấp

xỉ làm tròn xuống khoảng 1½-2%

Bù công suất [dB] Giá trị epsilon

0.5 0.203  0.2

1 0.305  0.3

2 0.491  0.48

Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon

Đối với laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode) bù công suất cho tạp âm

cạnh tranh mode MPN (Mode Partition Noise) được mô hình như:

(2-7)

Trong đó k là hệ số MPN và hệ số Q là tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng tại một

giá trị BER cụ thể. Tỉ số lỗi bít BER tương ứng với hệ số Q là 7.03. Bù công suất

tổng là tổng của và .

Việc xác định giá trị của ε đối với các laser MLM trong khuyến nghị G.957 ITU- T , cho phép bù công suất tổng là 1dB, với hệ số Q = 6.36 thì tương ứng với tỉ số lỗi bít BER = 10-10 và hệ số k có giá trị 0.7 cho hệ số của MPN. Giá trị cực đại của ε (ε = 0.115) trong khuyến nghị G.957 ITU-T nhỏ hơn giá trị được cho phép trong phương trình (2-7), vì kết quả của sự phán đoán kĩ thuật xác định rằng có nhiều giá trị bảo toàn hơn được sử dụng.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 23

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Đối với tỉ số lỗi bít BER là 10-12 thì sử dụng giá trị epsilon là 0.109 được suy ra từ

phương trình (2-7) với các hệ số Q=7.03 và k=0.76.

Các ví dụ chỉ xét laser SLM có MPN bằng 0

Ví dụ

Ở đây, tốc độ bít STM được sử dụng đối với NRZ 10G: 9.95328 Gbit/s, và đối với

NRZ 40G: 39.81312 Gbit/s giống trong khuyến nghị G.707/Y.1322 của ITU-T. Từ bảng

(2-1), ta có ε = 0.3 hoặc 0.48 để bù công suất tương ứng là 1 hoặc 2dB.

Ví dụ 1: Xét tán sắc màu cho phép lớn nhất tại một số tốc độ bít NRZ không xảy

ra chirp với độ rộng nguồn khác không (với chirp hoặc mode biên không đáng kể) khi sử dụng bù công suất là 1dB. Như thế phương trình (2-1) tại bước sóng 1550nm cho hình (2-1) (từ phương trình (2-2) tại bước sóng này, trải tần số 100GHz tương đương với việc

trải bước sóng khoảng 0.8nm). Các giá trị tán sắc yêu cầu độc lập với loại sợi.

Chú ý rằng khi độ rộng phổ nguồn tăng thì giá trị tán sắc màu cho phép lớn nhất

giảm. Điều này ít thấy tại tốc độ bít cao hơn, mà tại tốc độ đó phổ điều chế tạo nên sự

chia nhỏ lớn hơn trong độ rộng phổ tổng.

Chiều dài giới hạn tán sắc có được bằng cách chia tán sắc màu cho hệ số tán sắc

màu của sợi. Ví dụ, với sợi G.652 thì D(1550)=17ps/nm.km, sơ đồ giống như các kết quả

hình (2-1) với trục tung được chia thành 17 để hiển thị chiều dài theo đơn vị Km.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 24

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm

Ví dụ 2: Xét trường hợp giới hạn trong ví dụ 1 của máy phát có độ rộng vạch phổ

hẹp và tốc độ bít cao (các giá trị trên tung độ của đồ thị). Tán sắc màu cho phép được

cho bởi phương trình (2-4) biến đổi thành:

(2-8a)

nếu bù công suất là 1 dB (khi đó giá trị của epsilon sẽ là 0.3)

(2-8b)

nếu bù công suất là 2 dB (khi đó epsilon là 0.48)

Bảng (2-2) đưa ra các giá trị tán sắc màu tương ứng (các số 1dB tương ứng với

các mặt phẳng đứng trong hình (2-1))

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 25

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Tán sắc màu cực đại [ps/nm.km] Tốc độ bít NRZ

không chirp (Gbps) Bù 1 dB Bù 2 dB

2.5 18.820 30.110

10 1.175 1.880

40 73.5 118

Bảng 2-2 Tán sắc màu cực đại

Ví dụ 3: Xét nguồn độ rộng phổ vạch hẹp ở dải cao hơn của băng C là tại bước

sóng 1565nm và bù 1dB. Như vậy, theo phương trình (2-5) thì chiều dài giới hạn tán sắc

được xác định theo công thức:

(2-9)

Bảng 2-3 cho một số ví dụ.

Loại sợi G.652 G.653 G.655

Hệ số tán sắc tại bước sóng 19 3.5 10 1565 nm [ps/(nm·km)]

Chiều dài giới NRZ 10G 61 333 116

hạn tán sắc

NRZ 40G 3.8 20.8 7.3 [km]

Bảng 2-3 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm

Nhắc lại rằng trong các mã ứng dụng hệ thống có: trong cơ quan I (25 km), cự ly

ngắn S (40 km), cự ly dài L(80 km), và rất dài V (120 km). Các ví dụ trong bảng (2-

3) được sử dụng tại bước sóng 1565nm.

 Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.653 cho các ứng dụng I, S, L và V hoặc với sợi G.655 cho các ứng dụng I, S và L thường không yêu cầu thích ứng tán sắc màu.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 26

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

 Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.652 cho các ứng dụng L và V yêu cầu tán sắc

màu thích ứng.

 Các hệ thống NRZ 40G yêu cầu thích ứng tán sắc cho tất cả các loại sợi và cho các ứng dụng I, S, L và V. Đối với loại sợi G.652 thì giới hạn chiều dài NRZ 40G

bắt đầu tại vài km.

Ví dụ 4: Trong ví dụ cuối cùng này, xét phương trình (2-4) cho một số trường hợp

tại tốc độ 40Gbps.

Dạng mã đường Tán sắc màu cực đại [ps/nm] truyền (không chirp)

NRZ 118

RZ(⅔) 78

RZ(½) 59

RZ(⅓) 39

Bảng 2-4 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB

2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu

Khuyến nghị ITU-T G.959.1 đưa ra việc bù đường truyền tối đa là 1dB cho các hệ

thống tán sắc thấp và 2dB đối với các hệ thống có tán sắc cao. Các giá trị bù công suất

không tỉ lệ với khoảng cách để tránh hoạt động với các điểm bù cao.

Trong tương lai, các hệ thống sử dụng các kĩ thuật DA dựa vào độ méo trước (chẳng hạn chirp trước) của tín hiệu quang tại máy phát có thể được giới thiệu. Trong trường hợp này, bù tuyến quang có thể được xác định chỉ giữa các điểm với các tín hiệu

không méo. Tuy nhiên, các điểm này không trùng khớp (cùng thời gian) với các giao diện tuyến chính, và vì thế có thể thậm chí không thể truy nhập. Việc xác định bù đường truyền cho việc sử dụng này sẽ được nghiên cứu sau.

2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc

Trong hệ thống giới hạn tán sắc thì hệ thống nào có tổng tán sắc tích lũy cho một xung truyền mà lớn hơn tán sắc cực đại cho phép thì hệ thống không thể hoạt động do

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 27

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

nhiễu giữa các kí hiệu xảy ra nghiêm trọng hoặc sự mở rộng xung ban đầu. Vì thế chúng

cần thiết phải đặt các khối bù tán sắc DCU (Dispersion Compensate Unit) tại các vị trí

khác nhau trong mạng. Các sợi quang cũng có khả năng bù tán sắc như sợi dịch tán sắc

hoặc sợi FBG là những sợi thông dụng nhất. Khi thiết kế một tuyến WDM tốc độ cao (trong đó tán sắc có thể xem là nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống) thì

chúng ta nên sử dụng bản đồ tán sắc để thiết kế hệ thống được hiệu quả.

Bản đồ tán sắc là bản đồ hai chiều mà đồ thị là tán sắc tích lũy với chiều dài

truyền dẫn. Bản đồ này đặc biệt có ích, nó giúp cho người thiết kế biết được vị nào nên đặt bộ bù tán sắc trong mạng. Tán sắc tích lũy được tính toán bằng cách nhân tán sắc yêu

cầu kĩ thuật của sợi và laser đối với tốc độ bít cho trước với chiều dài của sợi tương ứng. Ví dụ, sợi SMF có giá trị tán sắc thông thường là 16ps/nm.km, điều đó có nghĩa là với

mỗi km truyền dẫn của sợi SMF thì một xung tốc độ 10 Gbps trải rộng ra khoảng 16ps.

Phải đảm bảo rằng sự mở rộng xung tích lũy khi tín hiệu truyền qua x km phải nhỏ hơn

giới hạn tán sắc cực đại (giá trị tán sắc giới hạn cực đại này có thể là 1600ps/km.nm đối

với tín hiệu tốc độ 10Gbps).

Từ đây, rõ ràng là tín hiệu có thể đi được 100 km (1600:16) đối với sợi SMF tại

tốc độ 10Gbps. Khi tín hiệu truyền dẫn ở khoảng cách lớn hơn thì tán sắc tích lũy cũng

tăng lên. Đối với hệ thống có tốc độ bít cho trước và bước sóng hoạt động cho trước

(hoặc băng sóng hoạt động) thì tán sắc tích lũy cho phép cực đại được đưa ra bởi một

yêu cầu kĩ thuật chuẩn. Tại điểm không trong bản đồ tán sắc, giá trị của đường cong cao

hơn giới hạn tán sắc cho phép. Chú ý rằng các tham số tán sắc phụ thuộc vào nhiều yếu

tố. Các yếu tốc chính là tốc độ bít (điều này được thể hiện bởi độ rộng xung), chiều dài

sợi, các tham số tán sắc cơ bản và độ rộng phổ của laser. Một nghiên cứu đáng chú ý là

sự thay đổi của bù công suất đối với hệ thống giới hạn tán sắc như một hàm của tham số tán sắc D, giá trị D này được suy ra từ yêu cầu kĩ thuật của sợi cơ bản. Giá trị D có thể được xét đến như một thành phần cân bằng giữa tốc độ bít, chiều dài sợi, và độ rộng của

nguồn phổ phát xung.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 28

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất

Có hai kĩ thuật được sử dụng để bù tán sắc. Đó là phương pháp bù tán sắc trước

(precompensation) và phương pháp bù tán sắc sau (postcompensation). Đúng như tên gọi

của nó, bù trước có nghĩa là bù tán sắc trước khi tín hiệu được đưa vào hệ thống. Đây là

kĩ thuật bù xung tiên tiến với các khối DCU. Ngược lại, kĩ thuật bù tán sắc sau sử dụng

thiết bị bù tán sắc được đặt tại cuối sợi. Trong kĩ thuật bù trước, có thể đặt khối DCU sau

bộ khuếch đại đường. Các khối như thế có các vòng sợi có mặt nghiêng tán sắc ngược

với mặt nghiêng tán sắc của sợi truyền dẫn. Ví dụ, một sợi truyền dẫn có tham số tán sắc

là 16 ps/nm.km. Khối DCU có thể có mặt nghiêng tán sắc xấp xỉ -50ps/nm.km. Tín hiệu

qua các khối DCU và xung đã được bù tán sắc. Ngược lại, với kĩ thuật bù tán sắc sau, các

modul DCU được đặc trước các bộ tiền khuếch đại đường, như được chỉ ra ở trong hình 2-3.

Khi thêm các khối DCU vào thì suy hao sẽ tăng lên đáng kể. Điều này là do sự ghép nối khác nhau giữa sợi truyền dẫn và khối DCU. Hơn nữa, các mặt nghiêng tán sắc khác nhau dẫn đến sự ghép đôi không đối xứng pha, điều này để ngăn hiện tượng FWM

xảy ra. Đây là một ưu điểm của DCU trong việc hạn chế các hiệu ứng phi tuyến. Hình 2- 3 và 2-4 cho thấy vị trí của các DCU, cũng như giá trị tán sắc từng chặng.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 29

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc

Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 30

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống

Nếu phân loại theo số lượng kênh thì có hai loại hệ thống, đó là hệ thống đơn

kênh và hệ thống đa kênh. Cũng như vậy ta xét dung sai tán sắc màu dư của hệ thống

đơn kênh SC và của hệ thống đa kênh MC.

Dung sai tán sắc màu dư của hệ thống đơn kênh SC

Tương đối khó để đưa ra một hướng dẫn chung cho dung sai tối đa về tán sắc màu

dư trong hệ thống 1x40Gbps vì một số khía cạnh phải được xét.

Khía cạnh đầu tiên là dạng điều chế truyền dẫn: trong trường hợp này xét hình

thức truyền dẫn RZ ( =5ps). Điểm thứ hai là công suất đầu vào quang; trong thực tế

các công suất đầu vào thấp cho phép hoạt động trong chế độ tuyến tính nhưng không

đảm bảo tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm (OSNR). Mặt khác, nếu công suất đầu vào cao

hơn thì mặc dù có OSNR tốt hơn nhưng lại gây ra các hiệu ứng phi tuyến.

Các kết quả được thực hiện với khoảng cách bộ khuếch đại 100km trên 500km,

công suất quang đầu vào thay trong khoảng từ 0 đến 10dBm, và tán sắc dư thay đổi trong

khoảng giữa -30 và 30 ps/nm. Hình (2-6) là bù trên sơ đồ dạng mắt theo dB để chống lại

tán sắc dư đối với hai công suất đầu vào: 5dBm (đường liền) và 10dBm (đường đứt)

Có thể nhận thấy rằng, việc thiết lập giới hạn trên 1dB trong điểm bù kết thúc mắt

ứng với trường hợp bù chính xác, dẫn đến tán sắc dư lớn nhất là khoảng 17ps/nm. Giá trị

tán sắc dư này tương ứng với dung sai chỉ khoảng 1km trên tổng chiều dài kết nối khi sử

dụng sợi G.652 và khoảng 4km khi sử dụng sợi G.655.

Các nghiên cứu trên không phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng bù tán sắc, mặc dù

rõ ràng tính khả dụng của thiết bị có thể điều hướng được sẽ cho phép giải quyết tốt vấn đề này. Khi đề cập tới các sợi bù tán sắc (DCF), hệ thống sẽ được sửa đổi để chứa các bộ khuếch đại trạng thái kép. Các kết quả trong hình (2-5) chỉ đúng đắn khi phát vào sợi

DCF công suất quang thấp hơn 3dBm để giảm các hiệu ứng phi tuyến.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 31

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt

Dung sai tán sắc màu dư trên hệ thống đa kênh Nx40Gbps

Trong trường hợp hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, cũng cần lưu ý

tới độ dốc tán sắc sợi. Do độ dốc tán sắc, mỗi kênh WDM được đặc trưng bởi một giá trị

hệ số tán sắc khác nhau. Giá trị này được xấp xỉ tại vùng bước sóng 1550nm như phương

trình:

(2-10)

trong đó D là hệ số tán sắc, S là hệ số độ dốc tán sắc và  là bước sóng kênh.

Lúc này vẫn tương đối khó để tìm các thiết bị bù tán sắc có thể bù chính các độ dốc tán sắc. Sau này, khi đề cập tới các hệ thống WDM, thiết bị bù tán sắc được chọn để bù tán sắc chính xác cho kênh trung tâm trong khi các kênh bên chịu tán sắc dư. Tại

điểm này, dung sai tán sắc dư lớn nhất cho mỗi kênh có thể được đánh giá lại trong hình 2-5. Một giá trị như thế đưa ra giới hạn tại cùng thời gian 3 con số: số kênh N, khoảng cách kênh và chiều dài hệ thống.

Khi một số kênh được đặc trưng bởi tán sắc dư lớn hơn thì nó vẫn có thể thu được hiệu năng chấp nhận được bằng cách thêm thiết bị bù đặt sau bộ giải ghép kênh và với giá trị tối ưu cho mỗi kênh.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 32

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF

Trong phần này cung cấp một ví dụ thực tế của các đề cập trên

Xét một hệ thống truyền dẫn WDM 4x40Gbps trên sợi G.652 sử dụng DCF với

các thông số sau:

 Bốn kênh WDM cách nhau 200GHz tại các bước sóng:

– Kênh 1: = 1554.13 nm;

– Kênh 2: = 1555.75 nm;

– Kênh 3: = 1557.36 nm;

– Kênh 4: = 1558.98 nm;

 Băng thông bộ giải ghép là B=160GHz

 Sợi G.652 có hệ số tán sắc D=17ps/nm.km và S0=0.0677ps/nm2.km

 Bù tán sắc bởi thiết bị DCF là D= - 80 ps/nm.km và = - 0.2

 Các thông số khác giống như trong phần các giả thiết.

Vì độ dốc tán sắc là khác nhau từ các DCF nên các kênh khác nhau có tán sắc

khác nhau và vì thế chúng không có bù bằng nhau.

DCF được chọn để bù chính xác cho kênh thứ 3 ( ). Sau bộ lọc điện

chúng ta đánh giá hiệu năng hệ thống bởi thiết bị kết thúc dạng mắt theo dB.

Hình 2-6 chỉ ra mỗi kênh, sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của kênh đối với

kênh thứ 3. Theo cách này chúng ta có thể đánh giá tán sắc dư tại các vị trị của bộ khuếch đại.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 33

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3

Bảng 2-6 là một số giá trị CD thu được sau 500km.

CD(1) CD(2) CD(3) CD(4)

–40.9 –20.9 –1 19.1

Bảng 2-5 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm]

2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR

Để thiết kế một mạng, thì bắt buộc phải tuân theo yêu cầu về tỉ số lỗi bít BER của mạng trong khi thiết kế hệ thống. Tuy nhiên có thể dựa vào hệ số Q của tín hiệu quang.

Hệ số Q mô tả định tính hiệu năng máy thu bởi vì nó là một hàm của tỉ số tín hiệu trên tạp âm quang. Hệ số Q đưa ra tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR nhỏ nhất yêu cầu để thu được BER cụ thể đối với tín hiệu cho trước. Hình dưới chỉ ra mối quan hệ giữa tỉ số lỗi bit BER và hệ số Q. Như được thấy trong hình, thì giá trị của hệ số Q càng cao thì tỉ số

lỗi bít càng thấp.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 34

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER

Hình 2-9 chỉ ra bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào:

Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 35

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hệ số Q của tín hiệu quang là tỉ số tín hiệu trên tạp âm tại mạch quyết định tính

theo đơn vị điện áp hoặc dòng điện và thường được biểu diễn bởi phương trình (2-11).

(2-11)

Trong phương trình này, là giá trị của dòng điện bít 1, là giá trị của dòng điện

bít 0, là độ lệch chuẩn của dòng điện bít 1, và là độ lệch chuẩn của dòng điện bít 0.

Quan hệ của hệ số Q và tỉ số lỗi bít được cho ở phương trình (2-12):

(2-13)

Trong đó hàm erfc(x) là hàm bù lỗi cho bởi phương trình:

(2-14)

Tại sao BER rất khó để tính toán? Với một thiết kế mà tỉ số lỗi bít cho trước (ví dụ là 10-12 và tốc độ là 155Mbps) thì mạng có thể có một lỗi trong khoảng thời gian khoảng 10 ngày. Và có thể cần 1000 ngày để báo cáo lại trạng thái của giá trị BER. Đó là

lí do tại sao việc tính toán BER là khá khó khăn. Mặt khác, phân tích hệ số Q là tương

đối dễ dàng so với tỉ số lỗi bít. Hệ số Q thường được được đo theo đơn vị dB.

Từ hệ số Q có thể tính toán được tỉ số lỗi bít theo phương trình sau:

Hoặc thông thường có thể tính theo công thức xấp xỉ sau: nếu

Q > 3

Tính toán hệ số Q từ OSNR

OSNR là tham số quan trọng nhất được kết hợp với tín hiệu quang cho trước. Nó là một tham số có thể đo được trong một mạng cho trước, và có thể tính toán được thông

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 36

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

qua các tham số hệ thống. Các phần sau đây chỉ ra cách tính toán OSNR. Trong phần này

sẽ thảo luận mối quan hệ giữa OSNR và hệ số Q:

Mối quan hệ giữa tỉ số Q (dB) và OSNR được cho bởi phương trình (2-15):

(2-16)

Trong phương trình này, là độ rộng băng quang của thiết bị đầu cuối (bộ tách

sóng quang) và là độ rộng băng điện của bộ lọc máy thu.

Vì thế hệ số Q được tính bởi phương trình (2-17):

(2-17)

Nói cách khác, hệ số Q có phần nào tỉ lệ với OSNR. Thông thường, tính toán tạp âm được thực hiện bởi máy phân tích phổ quang OSA hoặc máy hiện sóng mẫu và các phép đo này được thực hiện thông qua một dải đo cụ thể là Bm. Bm thường xấp xỉ 0.1nm hoặc 12.5GHz đối với một OSA. Từ phương trình (2-17), có thể thấy rằng nếu B0 < Bc

thì OSNR (dB )> Q (dB). Với các thiết kế thực tế thì OSNR(dB) > Q(dB) ít nhất là 1 đến

2 dB. Thông thường, trong khi thiết kế hệ thống thông tin tốc độ cao, quỹ dự trữ tại máy

thu khoảng 2dB, do hệ số Q nhỏ hơn khoảng 2 dB so với OSNR

2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm

Xét một tuyến vật lí AB, như được chỉ trong hình 2-10. Giả sử rằng đây là tuyến

thông tin WDM cự ly dài (một tuyến có thể vài trăm km). Các bộ khuếch đại được đặt định kì với khoảng cách đều nhau để khuếch đại công suất tín hiệu. Vì thế tín hiệu có thể đi xa hơn nhiều so với khả năng cho phép, tùy theo suy hao do sợi. Tuy nhiên, mỗi tầng khuếch đại thêm vào cũng tạo ra nhiễu phát xạ tự phát và làm giảm OSNR. Hơn nữa,

mỗi bộ khuếch đại thì ngoài việc khuếch đại tín hiệu thì cũng khuếch đại nhiễu. Vì thế, bắt buộc phải sử dụng phương pháp tính toán OSNR tại cuối của hệ thống khuếch đại N tầng.

Trong một thiết kế dựa vào OSNR, thì phải chắc chắn rằng OSNR của tầng cuối cùng là trong giới hạn cho phép của OSNR hệ thống và vì thế đáp ứng được tỉ số lỗi bít.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 37

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Để tạo ra hệ thống cung cấp một BER cụ thể thì cần tạo ra OSNR thỏa mãn yêu cầu thiết

kế hệ thống.

Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm

OSNR cho mỗi tầng được cho trong phương trình (2-18)

(2-18)

Trong phương trình này, NFstage là hệ số nhiễu của mỗi tầng, h là hằng số plank là độ rộng băng để đo NF (và nó thường (6.6260.10-34), v là tần số quang 193 THz và

có giá trị là 0.1nm).

Để tính OSNR của hệ thống có thể sử dụng phương trình nghịch đảo, (2-19) là

công thức tính OSNR tổng của hệ thống:

(2-19)

Với N là số tầng của hệ thống (chính là số bộ khuếch đại của hệ thống)

Đối với hệ thống chỉ sử dụng một bộ khuếch đại có độ lợi G thì OSNR được tính

theo phương trình (2-20):

(2-20)

Trong phương trình này, là tham số đảo mật độ được cho bởi phương trình (2-

21) và nó là tỉ số của các điện tử trạng thái cao hơn với trạng thái thấp hơn:

(2-22)

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 38

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Trong đó, N2 và N1 lần lượt là số electron trạng thái cao hơn và trạng thái thấp

hơn.

Tham số đảo mật độ cũng có thể được tính theo phương trình (2-23):

(2-23)

Đối với hệ thống có N tầng khuếch đại, mỗi bộ khuếch đại sẽ bù cho suy hao của , có mối quan hệ giữa chặng trước đó, và suy hao mỗi chặng tính theo dB kí hiệu là

OSNR của tầng cuối cùng với được biểu diễn bởi phương trình sau:

(2-25)

Lấy logarit hai vế của phương trình và đổi sang dB ta được phương trình (2-26):

(2-26)

Với hoặc 12.5 GHz, thì từ phương trình (4-20) ta suy ra phương trình

(2-27) dưới đây:

(2-27)

Giả sử các điều kiện sau đây thỏa mãn:

- Giá trị NF của mỗi bộ khuếch đại là như nhau (ở đây giả sử rằng các sản phẩm

cùng loại nên các giá trị NF của tất cả các bộ khuếch đại sẽ bằng nhau).

- là suy hao của mỗi chặng và suy hao này bằng nhau đối với tất cả các chặng.

- Nhiễu là tổng của cả hai trạng thái phân cực. Nói ngắn gọn, nó là nhiễu không

phân cực.

Phương trình (2-27) cung cấp một công thức toán học tính toán giá trị OSNR thực tế. Phương pháp tính toán này là cách tính gần đúng, nhưng chúng ta vẫn có thể tìm được

OSNR hệ thống có mức độ chính xác cao. Trong hệ thống WDM đa kênh, thiết kế sẽ tính toán OSNR trong trường hợp kênh xấu nhất (đó là kênh có suy hao, ảnh hưởng lớn nhất). Kênh xấu nhất thông thường là kênh đầu tiên hoặc cuối cùng trong phổ.

Các yêu cầu dự trữ

Trong tuyến WDM đa mode, thành phần suy hao chính của hệ thống không phải

suy giảm do tuyến truyền dẫn; nhưng thay vào đó là suy hao kết hợp với các hệ thống

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 39

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

con khác nhau. Một tuyến điển hình gồm nhiều node, mỗi node được trang bị nhiều

thành phần linh kiện khác nhau. Suy hao do mỗi thành phần linh kiện lại lớn, điều này

dẫn đến khi thiết kế hệ thống phải tiến hành penalty. Một node WDM tiêu biểu có thể có

phân đoạn ghép kênh quang OMS (optical multiplex session) mà OMS gồm các ống dẫn sóng ma trận AWG (arrayed waveguide) và ma trận chuyển mạch. Một cách tử dựa vào

ống dẫn sóng ma trận có suy hao 5 dB (suy hao xen). Tín hiệu quang khi đi qua một node

với hai cách tử ống dẫn sóng như thế (phần ghép kênh và phần phân kênh) thì có 10 dB

suy hao thêm vào suy hao cơ cấu chuyển mạch. Việc đánh giá suy hao có thể được hiểu thông qua giải thích sau:

Xét hệ thống có hai node, mỗi node được trang bị các AWG (suy hao mỗi AWG là 5dB) và cơ cấu chuyển mạch (suy hao 3dB) cộng với suy hao connector (2dB). Nếu

chiều dài mỗi chặng là 50 km và sử dụng sợi quang SMF (sợi này có suy hao là 0.2

dB/km) thì suy suy hao do truyền dẫn là 0.2x50=10dB. Trong khi đó, tại mỗi node suy

hao là 5+5+3+2=15dB. Nói cách khác, các suy hao thuộc node có thể cao hơn hoặc bằng

so với suy hao truyền dẫn. Điều này cũng ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống và OSNR.

Bảng 2-7 trình bày suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên.

Linh kiện Suy hao xen Suy hao phụ Suy hao phụ NF xuyên âm

(dB) thuộc bước thuộc phân (dB)

sóng (dB) cực (dB)

Bộ ghép kênh/ 5 < 1 0.1 - 40

phân kênh

Chuyển mạch 1.2 <0.2 0.1 -40

quang xen rẽ 2x2

thụ 3 - - -

Coupler 2x2 động

Bộ lọc màng mỏng 1 0.1 - -40

Đan xen 2-3 - - -

Kết nối chéo quang 3 <0.4 0.1 -40

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 40

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

(OXC)

Bảng 2-6 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên

Bảng 2-8 trình bày các yêu cầu dự trữ cho một hệ thống hoạt động tốt. Các dự trữ

này thêm vào với các mức tín hiệu khác nhau, đặc biệt trên các lớp động.

Các tham số dự trữ Suy hao dự trữ

Tán sắc sợi 1 dB

Dự trữ SPM 0.5 dB

Dự trữ XPM 0.5 dB

Bù DCU 0.5 dB

FWM 0.5 dB

SRS/SBS 0.5 dB

PDL 0.3 dB

PMD 0.5 dB

Độ nghiêng độ lợi bộ khuếch đại (do 3.0 dB

phổ độ lợi không phẳng)

Độ nghiêng độ nhạy thu (do bước sóng 0.5 dB

phụ thuộc tán sắc mode phân cực PMD)

Chirp máy phát 0.5 dB

Xuyên âm AWG 0.2 dB

Các connector sợi 0.5 dB

Bảng 2-8 Các yêu cầu dự trữ cho một hệ thống hoạt động tốt

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 41

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang

2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ

Vì các thuật ngữ được sử dụng để mô tả xuyên âm quang và các ảnh hưởng của nó không hoàn toàn thích hợp với công nghiệp nên ở đây nó được định nghĩa ngắn gọn

(xem bảng 2-10). Trong nhóm nghiên cứu 15 của ITU-T, thông thường thuật ngữ “xuyên

âm” được dùng để mô tả các hiệu ứng hệ thống và các thuộc tính của các linh kiện sử

dụng thuật ngữ “sự cách ly” (isolation).

Kí Định nghĩa Thông số [đơn vị] Định nghĩa hiệu trong ITU

Các tham số hệ thống

Tỉ số công suất tổng trong các kênh gây

Xuyên âm liên kênh nhiễu với công suất tổng của kênh cần sử G.692 [dB] dụng (các kênh cần sử dụng và gây nhiễu có

bước sóng khác nhau)

Tỉ số của công suất gây nhiễu (không tính Xuyên âm do dụng đến ASE) với công suất mong muốn trong – cụ đo giao [dB] một kênh đơn.

Bù xuyên âm liên Bù được ấn định trong quỹ công suất để tính – kênh [dB] toán xuyên âm liên kênh.

Bù xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa – Bù được ấn định trong quỹ hệ thống để tính toán cho xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa. [dB]

d G.959.1 Chênh lệch công suất kênh [dB] Công suất khác nhau tối đa giữa các kênh trong một thiết bị.

Tỉ số tắt dần Tỉ số của công suất tại trung tâm của mức

r G.691

(Extinction ratio) (sử dụng tuyến tính) logic 1 trên công suất trung tâm tại mức logíc 0.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 42

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Bù độ nhạy thu do tất cả các hiệu ứng eye-

Bù eye-closure [dB] E closure. Điều này bao gồm bù tán sắc màu và

eye-closure bộ phát.

Các thông số linh kiện

Là sự giảm công suất từ cổng đầu vào đến Suy hao xen [dB] IL G.671 cổng đầu ra tại kênh bước sóng sử dụng

Sự khác nhau giữa suy hao thiết bị tại một

I G.671 kênh bước sóng gây nhiễu và suy hao tại Sự cách li một hướng [dB] kênh bước sóng sử dụng

Sự cách li kênh lân Sự cách li của thiết bị tại các bước sóng một G.671 cận [dB] kênh trên và dưới kênh sử dụng.

Sự cách li của thiết bị tại các bước sóng của Sự cách li kênh G.671 tất cả các kênh gây nhiễu ngoại trừ các kênh không lân cận [dB] lân cận.

Bảng 2-7 Các thuật ngữ sử dụng

Việc nghiên cứu hiệu ứng xuyên âm được chia thành 2 phần: xuyên âm liên kênh

và xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa.

2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh

Nguyên nhân gây ra hiệu ứng xuyên âm là do phân kênh không hoàn hảo của một

tín hiệu truyền dẫn đa kênh thành các kênh riêng trước khi thành một tập kênh đơn tại các máy thu. Trường hợp này được mô tả trong hình 2-10

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 43

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản

Ở đây, một số kênh DWDM đi tới cổng chung của một bộ phân kênh. Trường hợp

xấu nhất cho bất kì kênh riêng nào là công suất của nó có giá trị nhỏ nhất và công suất

của tất cả các kênh khác đạt giá trị lớn nhất. Sự khác nhau lớn nhất cho phép giữa các

kênh được biểu thị (denote) bằng d (dB). Khi các kênh có công suất lớn hơn từ các cổng

đầu ra riêng thì các kênh gây nhiễu làm suy giảm kênh sử dụng một lượng bằng suy hao

một hướng I (dB).

Thông số chính ảnh hưởng mức xuyên âm quang cực đại mà có thể chấp nhận

được trong bất kì hệ thống quang nào là bù xuyên âm liên kênh . Từ tham số này và

một số nhỏ các tham số khác là cần thiết để có thể thu được các thông số cách li yêu cầu

của bộ phân kênh.

Có thể lập một phương trình cho xuyên âm của một hệ thống k kênh:

(2-28)

Điều này là cần thiết để có thể suy ra giá trị yêu cầu từ giá trị của bù xuyên âm

liên kênh. Nếu giả sử một số lượng lớn biên độ tín hiệu nhiễu bằng nhau như trên thì một

mô hình quan hệ đơn giản có thể được lập để thực hiện điều này. Trong các bộ phân kênh thực tế, giá trị cách li cho đối với các kênh lân cận trực tiếp tới kênh được yêu cầu

thì nhỏ hơn cách li của các kênh gây nhiễu không lân cận . Việc tính toán đối với

trường hợp này, thay đổi trạng thái như được minh họa trong hình 2-11.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 44

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh

Phương trình cho xuyên âm liên kênh Cc vì thế trở thành:

(2-29)

Tuy nhiên, trong hoàn cảnh này các giá trị khác nhau là và có thể làm hệ

thống với các sự điểm bù xuyên âm liên kênh khác nhau nhưng có cùng giá trị .

Sau đây là 2 trường hợp giới hạn của phương trình:

Đối với trường hợp kênh gây nhiễu đơn

(2-30)

Trong đó r là tỉ số tắt dần tuyến tính (linear extinction ratio)

Chú ý 1: phương trình này không trực tiếp ảnh hưởng của bất kì sự suy giảm nào.

Tuy nhiên các hiệu ứng này có thể bao gồm việc tính toán một giá trị hiệu dụng của r (kí hiệu là r’) mà đưa cả hai tỉ số tắt dần và eye closure vào tính toán.

(2-30)

Trong đó E là lượng bù eye closure tính theo dB. Ví dụ, nếu tỉ số tắt dần là 6dB

thì r=3.98. Để tính được lượng bù eye closure thêm 3dB đặt r’=1.86.

Đối với một số lớn các kênh gây nhiễu biên độ bằng nhau (với dữ liệu không tương quan) thì xuyên âm liên kênh trở thành tạp âm và xấp xỉ Gausse có thể sử dụng.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 45

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Trong trường hợp này xuyên âm giống tạp âm phải cùng với tạp âm gây nhiễu của bộ thu

(hoặc ASE) để cung cấp một lượng bù hiệu dụng. Sử dụng các phương pháp trong [4],

[15] và bằng cách sử dụng một xấp xỉ Gausse để gây méo nhị thức, phương trình trở

thành:

(2-31)

Trong đó . Với BER bằng thì Q  7.03.

Bù quang cảm ứng (induced optical penalty) là đồ thị (plot) ngược với xuyên âm

liên kênh đối với các giả thiết khác nhau trong hình 2-12. Bù quang thực tế trong một hệ

thống quang nằm ở dưới đường cong cao nhất.

Chú ý 2: Điểm bù xuyên âm cũng có thể phụ thuộc vào mã đường truyền (RZ

hoặc NRZ) và liên quan đến tốc độ bít của các tín hiệu mong muốn và nhiễu.

Hình 2-12 Đồ thị bù lại xuyên âm liên kênh

Thủ tục cho việc xác định yêu cầu cách ly có thể là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 46

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

 Từ các thông số hệ thống thiết lập một giá trị mà có thể khác với các hệ

thống khác. Ví dụ, một thống phạm vi ngắn có thể cung cấp một điểm bù

xuyên âm cao hơn một hệ thống phạm vi dài.

 Tìm giá trị từ . Yêu cầu mô hình là nằm giữa hai tín hiệu nhiễu khi có

nhiễu lớn nằm giữa và trong suốt mô hình Gausse khi bằng

và k lớn. Đường cong xấu nhất trong hình 2-12 có giá trị -15dB.

 Từ các thông số hệ thống thiết lập một giá trị d mà nó sẽ thay đổi từ hệ thống tới hệ thống. Ví dụ, trong khuyến nghị G.959.1 của ITU-T mã ứng

dụng P16S1-1D2 có d=6dB trong khi P16S1-2C2 có d=2dB. (điều này dẫn

đến yêu cầu cách li khác nhau 4 dB giữa các ứng dụng này.). Vì thế đối với P16S1-1D2 đặt d=6dB (cũng đối với P16S1-1D2, các ứng dụng này đặt

k=16).

 Thay các giá trị này vào phương trình CC = d – I + 10log10 (k – 1) được

- 15 = 6 – I + 10log10 (15)  I = 32.8dB.

2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa

Xuyên âm do dụng cụ đo xảy ra khi kênh gây nhiễu và kênh sử dụng tại cùng

bước sóng danh định. Các ví dụ minh họa cho điều này:

 Trong một bộ ghép xen-rẽ, bước sóng được nói đến không hoàn toàn được rẽ

trước khi tín hiệu mới được thêm vào.

 Trong một bộ ghép quang, một bộ phát có thể phát công suất tại bước sóng của kênh khác (chẳng hạn, do tỉ số triệt tiêu (suppression ratio) mode biên không đối xứng), điều này được gọi là nhiễu xuyên âm phía phát trong khuyến nghị G.692.

 Trong một kết nối chéo quang thiếu khả năng cách li chuyển mạch gây ra

ánh sáng từ nhiều sợi nguồn tới bộ thu.

 Trong bất kì linh kiện hoặc nhóm các linh kiện có nhiều hơn một tuyến truyền ánh sáng tới bộ thu. Điều này được gọi là nhiễu đa đường MPI (MPI:

Muti Path Interference)

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 47

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa được tính khác nhau từ nhiễu xuyên âm

liên kênh khi 2 tín hiệu quang đủ gần nhau mà tần số phách nằm trong độ rộng băng

miền điện của bộ thu. Trong trường hợp này, đó là các trường quang mà tác động tới thủ

tục nhiễu xuyên âm thay vì công suất quang, và vì vậy các mức nhiễu xuyên âm yêu cầu điểm bù cụ thể nhỏ hơn nhiều.

Đối với một nhiễu đơn, nhiễu xuyên âm đơn có thể được mô hình như một hàm

mật độ xác suất (pdf). Bù nhiễu xuyên âm từ [5] (và gồm hiệu ứng của tỉ số triệt tiêu

không hoàn hảo) là:

(2-32)

đối với ngưỡng công suất trung bình:

(2-33)

đối với ngưỡng công suất tối ưu

Điểm bù nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa đối với tín hiệu mong muốn với

tỉ số triệt tiêu 6dB được thể hiện sơ lược trong hình 2-13

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 48

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-13 Lược đồ bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa

Đối với nhiều nhiễu, hàm mật độ xác suất pdf trở thành xấp xỉ Gausse và đối với

một bộ thu PIN điểm bù nhiễu xuyên âm quang từ [15] là:

(2-34)

Đối với ngưỡng công suất trung bình.

(2-35)

Đối với ngưỡng quyết định tối ưu, trong đó và

. Nếu BER là thì Q´  6.94 và Q  7.03.

Các hàm này được thể hiện trong hình 2-14 cho một tín hiệu mong muốn lí tưởng

và cũng cho một tín hiệu có tỉ số triệt tiêu 6 dB

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 49

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô

hình Gausse)

2.1.5. Ví dụ

Trường hợp 1:

Thiết kế tuyến WDM 4x25 nhịp với độ lợi bộ khuếch đại là 22 dB, hệ số nhiễu

NF bằng 5 dB. Tính toán OSNR cuối cùng nếu công suất đầu vào là 0 dB. Tính toán

công suất tín hiệu tại máy thu.

Hệ thống này có làm việc không nếu độ nhạy máy thu cực tiểu là -25 dB?

Hệ thống này có làm việc không nếu công suất đầu vào là 10 dB?

Câu trả lời được cho trong hình sau:

Ta có thể tính toán OSNR bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau đây.

Phương pháp một:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 50

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Với N=4 (chính là số nhịp của tuyến)

NF=5dB

Từ đó: (giá trị đánh giá tốt nhất)

Phương pháp 2:

Tầng i có OSNR được tính theo công thức toán học sau:

OSNRstagei = 1/(1/OSNRstage0 + NF.h.v.∆f /Pin) (1/OSNRstage0 = 0)

Với OSNR tầng 1:

NF=5dB hay bằng 3.166

h = 6.6260exp(-34)

v là tần số của ánh sáng và bằng 1.935exp(14)

là độ rộng băng (đo NF) = 12.5 KHz (.nm)

Pin là công suất đầu vào bộ khuếch đại = 0 – 25 =-25 dB

Công suất đầu ra bộ khuếch đại là -25 + 22 =-3dB

Với OSNR tầng 2:

Công suất đầu vào bộ khuếch đại thứ 2 là: -3 – 25 = -28 dB

OSNRstage2 = 23 dB

Công suất đầu ra bộ khuếch đại là: -28 + 22 =-6 dB

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 51

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

OSNR tầng 3:

Đầu vào bộ khuếch đại thứ ba: -6 – 25 = -31 dB

OSNRstage3 = 20 dB

Đầu ra bộ khuếch đại : -31 + 22 = -9 dB

Công suất tại máy thu = -9 – 25 = - 34 dB

Nếu như độ nhạy của máy thu là -25 dB thì hệ thống không hoạt động được

Phương pháp giải quyết là hoặc a) tăng độ lợi của bộ khuếch đại hoặc b) tăng

công suất đầu vào bộ phát.

Với giải pháp như thế khi công suất đầu vào là 10 dB được chỉ ra trong hình trên

Sử dụng phương pháp 1: OSNRfinal =10+58-25-6-5=32 dB

Sử dụng phương pháp 2:OSNRfinal =29 dB

Sự khác nhau giữa các giá trị của các phương pháp tính toán là do sự xấp xỉ của

tham số.

Công suất cuối cùng tại máy thu:

= 10(Tr) – 25 (loss1) + 22 (gain1) – 25 (loss2) + 22 (gain 2) – 25 (loss 3) + 22

(gain 3) – 25 (loss) = –24 dB

Độ nhạy máy thu cho là -25 dB, vì thế hệ thống làm việc.

Trường hợp 2:

Tính toán số nhịp (chặng) của một tuyến, nếu cho Pin là 0dB, OSNRfinal =20 dB, tổng chiều dài 300km. Tốc độ bít 5 Gbps; NF = 5 dB (giả sử sợi quang sử dụng là sợi SMF có suy hao là 0.2dB/km).

Trả lời

Suy hao tổng cho toàn bộ chiều dài truyền dẫn là: 300x0.2=60 dB

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 52

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Giả sử có N chặng của tuyến, như vậy suy hao của mỗi chặng sẽ là 60/N

20 = 0 + 58 – 60/N - 10logN – 5

 N=2

Vì thế số chặng của tuyến là 2.

Trường hợp 3:

OSNR là 20 dB, tán sắc sợi là 17 ps/nm/km, suy hao chặng là 22 dB. Tính chiều dài của hệ thống? (NF của bộ khuếch đại là 4 dB và tán sắc cho phép là 1600ps/nm, Pin bằng 10)

Trả lời

20 = 10 + 58 – 22 – 4 – 10logN

 N = 158

Vậy tuyến có 158 nhịp

Vì thế chiều dài tuyến bằng 158*22/0.2 = 17280 (giới hạn theo lí thuyết)

Nhưng do tán sắc nên chiều dài tối đa chỉ có thể là 1600/17 = 94 km.

Trường hợp 4

Khách hàng A muốn xây dựng một tuyến OC48 có chiều dài 200km để truyền lưu

lượng. Hãy thiết kế tuyến với các tham số sau đây (giả sử sử dụng sợi được dùng là SMF có suy hao là 0.25 dB/km và có tán sắc là 18 ps/nm.km)

 Độ nhạy thu: -18 dBm tại tỉ số lỗi bít BER = 10-12

 Công suất quá tải: -10 dBm tại tỉ số lỗi bít BER = 10-12

 Công suất phát nằm trong khoảng: +7 đến + 9 dBm

 Dung sai tán sắc: 1500ps/nm

 Bù tán sắc: 1.5 dB với dung sai tán sắc là 1500ps/nm

 OSNR cho phép là 20 dB với độ phân dải băng thông là 0.1 nm.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 53

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

 Bộ khuếch đại sử dụng là EDFA có:

 Dải công suất đầu vào: +3 đến -25 dBm;

 Độ lợi: từ 20 dB đến 14 dB

 Công suất đầu ra cực đại -17 dBm

 Hệ số nhiễu: 5dB

 Khối DCU

 Suy hao: 5 dB

 Bù tán sắc màu: xấp xỉ 1100ps.

Trả lời

Để đáp ứng yêu cầu của bài toán tiến hành một số bước sau.

Bước 1: do tổng khoảng cách là 200 km nên tổng suy hao sẽ là 200*0.25 = 50 dB

 Cần phải sử dụng các bộ khuếch đại để đạt được khoảng cách này

Bước 2: Tán sắc tổng là 200*18 = 3600 ps.nm

Cần phải sử dụng các bộ bù tán sắc bởi vì tán sắc cho phép là 1500 ps.nm. Khoảng cách cực đại cho hệ thống mà không sử dụng DCU là 1500/18 = 83.33 km. Do

các bộ DCU có bù tán sắc là -1100ps nên nếu sử dụng 3 khối DCU thì tán sắc còn lại sẽ là 3600 – 3x1100 = 300, như vậy với việc sử dụng 3 DCU thì tán sắc đã thỏa mãn yêu cầu của tuyến. Bộ DCU có suy hao 5 dB, vì thế tốt nhất nên đặt nó trước bộ tiền khuếch đại.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 54

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Phân tích bài toán

Công suất phát là + 7 dB

Tầng 1:

Suy hao = -10 (suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = -17.5 dB

Pin = công suất tại cuối tầng 1 = 7 – 17.5 = - 10.5

Độ lợi bộ khuếch đại là 20 dB nên công suất đầu ra bộ khuếch đại bằng (công suất

đầu vào + độ lợi khuếch đại) -10.5 + 20 = 9.5 dB

Tính toán OSNR

(đối với tầng 1 thì 1/OSNR0 bằng 0)

Thay các giá trị:

Pin = -10.5 dB = 8.9125 e(-0.5) (W)

NF = 5 dB chuyển thành 3.166

h = 6.6280 exp (-34) (hằng số plank)

v = 1.935exp(14) (tần số của ánh sáng)

là độ rộng băng (đo NF) = 12.5 KHz (.nm)

Sau khi thay tính được OSNR = 42 dB.

Tầng 2:

Suy hao = -20 (suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = -27.5 dB

Công suất tại cuối của tầng 2

Pin = 9.5 – 20 – 6 – 1.5 (dự trữ) = -18 dB

Độ lợi khuếch đại tầng 2: 20 dB

Công suất đầu ra bộ khuếch đại: -18 + 20 = 2 dB

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 55

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

OSNR1 là OSNR của tầng 1 và bằng 42 dB; Pin = - 18 dB

OSNRstage2 = 34 dB.

Suy hao tầng 3:

–20(suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = –27.5 dB (suy hao)

Công suất tại cuối tầng 3

Pin = 2 – 27.5 = -25.5 dB

Độ lợi khuếch đại tầng 3 là 20 dB.

Công suất đầu ra bộ khuếch đại -25.5 + 20 = -5.5 dB

OSNR

OSNR = 26 (dB)

Trường hợp 5

Tính toán công suất tại đầu ra của một bộ ghép kênh DWDM có 8 kênh (như được

0dB

0dB

0dB

0dB

0dB

0dB

0dB

0dB

chỉ trong hình dưới) nếu công suất đầu vào là 0 dB (suy hao xen là 5 dB)

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 56

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Pdau ra = Pkenh + 10logN – suy hao xen (trong đó N là số kênh ghép)

= 0 + 10log8 – 5dB = 4 dB

2.2. Tính toán theo số liệu thống kê

2.2.1. Phương pháp chung

2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống

Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống được định nghĩa bằng xác suất tỉ số lỗi bít

BER vượt quá . Tuy nhiên vì BER phụ thuộc vào nhiều tham số (như đặc tính của máy phát và máy thu) nên rất khó đưa ra được BER trong việc thiết kế thống kê chung.

Vì vậy, thay vào đó ta xét đến “mức ý nghĩa hệ thống” thích hợp hơn xác suất ngừng

hoạt của động hệ thống, và không đưa ra BER. Mức ý nghĩa là thuật ngữ sử dụng chung

trong thống kê đối với các giả thuyết kiểm tra [7].

Đối với mỗi tham số hệ thống, mức ý nghĩa hệ thống được xác định khi xác suất

tham số hệ thống vượt quá một giá trị x nào đó. Tất nhiên, mức ý nghĩa hệ thống là một

hàm của x. Ví dụ, mức ý nghĩa hệ thống của DGD là 4.2 × khi x bằng 3 lần giá trị

DGD trung bình (kết quả này cho trong khuyến nghị G.691 của ITU-T). Một ví dụ khác,

mức ý nghĩa hệ thống của tán sắc màu cực đại là 1.3 × khi x bằng tổng giá trị trung

bình và 3 ( là độ lệch chuẩn) [6].

2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống

Ngưỡng xác suất ( ) được định nghĩa bằng mức ý nghĩa tối đa có thể chịu đựng

được của mỗi tham số hệ thống. Ngưỡng xác suất sẽ phụ thuộc vào môi trường hoạt động của mạng, và cũng quan hệ cân bằng giữa xác suất vượt quá giá trị và chi phí.

Chú ý rằng đối với một vài tham số được xét, ở đây thể hiện xác suất mà giá trị

được vượt quá tại thời gian mà tuyến hoạt động. Ví dụ, trong trường hợp tán sắc màu, giá

trị là có nghĩa là trung bình cứ 1000 liên kết thì có 1 liên kết vượt quá tán sắc cụ

thể khi hoạt động. Tuy nhiên, với các tham số khác thì thể hiện xác suất vượt quá tại

bất kì thời gian cụ thể nào khi liên kết tồn tại. Một ví dụ về điều này là PMD có bằng

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 57

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

có nghĩa là tại bất kì thời gian nào xác suất lớn hơn giá trị DGD cực đại là một trong

một trăm nghìn.

Bảng 2-12 đưa ra một số ví dụ về giá trị của cùng với các giá trị tương đương

của số độ lệch chuẩn so với trung bình của thống kê Gausse và tương đương với tỉ số cực

đại trên trung bình đối với phân bố Maxwell (PMD).

Xác suất giới hạn Gausse: Độ lệch Maxwell: Tỉ số cực đại

trên trung bình [S] chuẩn []

3.1 2.5

4.3 3.2

5.2 3.7

6.0 4.2

Bảng 2-8 Giới hạn xác suất của hệ thống

2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng

Biểu đồ dòng chung được mô tả ở phía trái của hình 2-16. Phía bên phải hình 2-16

minh họa một ví dụ về tán sắc màu cực đại.

1) Lựa chọn tham số hệ thống để xác định

Trong ví dụ của hình 2-16, tham số hệ thống là tán sắc màu cực đại

2) Tìm hàm phân bố xác suất cho các tham số phần tử tương ứng

Như được thấy trong biểu đồ, hệ số tán sắc trung bình của sản phẩm thứ I gọi là

Di và độ lệch chuẩn là .

3) Tính toán phân bố xác suất p(x) có điều kiện.

Trong ví dụ này, điều kiện đưa ra là chiều dài liên kết sợi quang là 160km. Phân bố thống kê của tham số hệ thống có thể đạt được khi ghép chuỗi các phân bố của các suốt chỉ sợi. Từ định lí giới hạn trung tâm, trung bình tổng của tán sắc màu là 17x160=2720ps/nm, trong khi độ lệch chuẩn là 48ps/nm. Chú ý rằng, khi sử dụng thiết

kế trường kế trường hợp xấu nhất thì tán sắc màu cực đại là 20x160=3200ps/nm.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 58

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

4) Lựa chọn giá trị Pth, giới hạn xác suất đối với hệ thống.

Trong ví dụ này, có thể chấp nhận nếu một trong một nghìn liên kết có tán sắc cao

hơn giá trị tính toán ( là ).

5) Xác định tham số hệ thống X từ phương trình , trong đó Pth là giới

hạn xác suất

Trong ví dụ này, tán sắc màu cực đại được xác định 17.9x160=2864, giả sử

. Vì thế, tán sắc yêu cầu cho hệ thống truyền dẫn giảm giảm 336ps/nm so với

thiết kế trong trường hợp xấu nhất.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 59

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại

2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê

Một tuyến tích lũy bao gồm một số mối hàn các chiều dài của cáp sợi quang. Các

yêu cầu đối với chiều dài được trình bày trong các khuyến nghị sợi và cáp quang. Các

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 60

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

tham số truyền dẫn cho các tuyến tích lũy phải đưa vào tính toán không chỉ về hiệu năng

của chiều dài cáp riêng mà còn về các thống kê tích lũy.

Các đặc tính truyền dẫn của chiều dài cáp sợi quang sẽ có một phân bố xác suất

nào đó, mà thường cần thiết cho việc tính toán để xác định được hệ thống thiết kế mang tính kinh tế nhất. Các đoạn sau trong phần này sẽ trình bày bản chất thống kê của các

thông số khác nhau.

Thuộc tính tuyến bị ảnh hưởng bởi các hệ số ngoại trừ cáp sợi quang như mối

hàn, connector và việc lắp đặt. Mục đích của việc đánh giá các giá trị thuộc tính tuyến

(thường là giá trị của liên kết sợi quang) được cung cấp trong phần phụ lục của mỗi khuyến nghị về cáp và sợi. Các phương pháp đánh giá các tham số cần thiết cho việc thiết kế hệ thống là dựa vào phép đo, mô hình hoặc các cách thức khác.

Suy hao A của một liên kết được cho bởi:

(2-35)

Trong đó:

hệ số suy hao của cáp sợi quan trong tuyến

Suy hao ghép nối trung bình

Số mối ghép nối của một tuyến

Suy hao trung bình của connector

Số connector của một tuyến (nếu có)

Chiều dài tuyến

Dự trữ phù hợp sẽ tạo thuận lợi cho việc sửa chữa trong tương lai của cấu hình cáp (ghép nối thêm, thêm chiều dài cáp, hiệu ứng già hóa, sự thay đổi nhiệt độ…). Các

giá trị điển hình thấy trong phụ lục của các khuyến nghị cáp và sợi là hệ số suy giảm của các tuyến sợi quang.

Việc kết hợp của các bộ góp suy hao này trong việc kết hợp với giá trị suy hao

cực đại hệ thống dẫn đến sự thay đổi chiều dài của các nhịp. Chiều dài nhịp là một giá trị đích đối với các khuyến nghị như G.957 cà G.691 của ITU-T nhưng có thể dài hơn chiều dài giới hạn của tán sắc màu.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 61

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu

2.2.3.1. Cơ sở

Khi các thành phần khác nhau hoặc các sợi quang khác nhau được kết hợp thì tán sắc màu kết hợp là tổng của các giá trị tán sắc màu của các tán sắc riêng rẽ trên một bước

sóng bởi bước sóng cơ bản. Sự thay đổi của tán sắc tống của các tuyến quang sẽ phụ

thuộc vào các phân bố của sản phầm sử dụng trong các liên kết.

Chú ý: Trong phần sau, một số ví dụ đưa ra đối với một sợi cụ thể và loại thành

phần cụ thể. Các ví dụ này không cần thiết thể hiện tính rộng rãi.

Hệ số tán sắc màu sợi D(λ) được đo như một hàm của bước sóng λ mà các

phương pháp được phác thảo trong khuyến nghị G.650.1 của ITU-T: Các phương pháp

kiểm tra và xác định tuyến tính, thuộc tính tĩnh của cáp và sợi đơn mode. Khi cho một

dải bước sóng, nó thường được biểu diễn bằng một công thức mà bao gồm các tham số

có thể thay đổi từ sợi đến sợi. Một số công thức được cho trong khuyến nghị G.650.1 và

các đơn vị thường là ps/nm.km. Với các thành phần, các loại biểu thức giống nhau có thể

sử dụng để đặc tính tán sắc màu CD(λ) theo ps/nm.

2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu

Phương pháp luận đặc tính phù hợp với các thốgn kê dạng chuỗi của một phân bố

đơn hoặc kết hợp các phân bố là tính toán hệ số tán sắc cho mỗi bước sóng trong các bước sóng của dải sử dụng trong các ứng dụng- mỗi đoạn sợi riêng biệt. Điều này tạo ra

một giá trị hệ số tán sắc phân bố cho mỗi bước sóng. Hình 2-16 và 2-17 là các phân bố

đối với loại sợi G.655 tại hai bước sóng được chọn.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 62

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm

Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm

Phân bố đối với mỗi bước sóng là một đặc tính với một giá trị trung bình và một

độ lệch chuẩn như trong hình 2-18 và 2-19.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 63

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng

Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng

Chú ý rằng quan hệ tuyến tính thể hiện giá trị trung bình và quan hệ bình phương thể hiện độ lệch chuẩn. Đây là do phần nào biểu diễn tuyến tính của hệ số tán sắc theo

bước sóng. Số liệu từ các ví dụ trong các hình 2-18 và 2-19 có thể rút ra công thức sau

đây theo bước sóng (nm):

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 64

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

(2-36a)

(2-36b)

Trong đó  là giá trị trung bình và  là độ lệch chuẩn.

2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang

Các thống kê này dựa trên giả thiết Gausse. Các ví dụ được tính toán tại mức “3”

cho một giới hạn trên và giới hạn dưới Pth (giới hạn xác suất) =0.13% . Các mức xác

suất khác có thể được chọn.

Giả sử các chiều dài bằng nhau, hệ số tán sắc của các sợi ghép chuỗi là trung bình

hệ số tán sắc của các sợi riêng biệt, và nó được thể hiện bởi công thức sau:

(2-37)

Sử dụng định lí giới hạn trung tâm thì các giá trị trung bình này có thể khác rất

lớn tùy theo phân bố ngẫu nhiên Gausse. Sử dụng giới hạn xác suất được cố định không

đổi khoảng 99.7% (trên và dưới 0.13% ) của phân bố giới hạn của giá trị hệ số tán sắc

tuyến DTot được cho bởi công thức:

(2-38a)

Giả sử n không đổi kết hợp với chiều dài đoạn cực đại LSeg cùng với một tuyến

LTot, phương trình 2-38a có thể viết thành:

(2-39b)

Việc hạn chế vể giá trị tán sắc trên tuyến CDTot chính là hạn chế giá trị hệ số tán

sắc nhân với chiều dài tuyến:

(2-40)

Bảng 2-13 chỉ ra các giá trị tính toán khi giả sử chiều dài tuyến là 120km và chiều dài một đoạn là 5km. Các giá trị này đa số đều thấp hơn giá trị được suy ra từ yêu cầu kĩ thuật trong trường hợp xấu nhất là -420ps/nm

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 65

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Bước sóng CDmin CDmax

1530 nm –336 ps/nm –304 ps/nm

1540 nm –249 ps/nm –219 ps/nm

Bảng 2-9 Giá trị tán sắc màu thống kê

Nếu phân bố dựa trên các phép đo của các phần con của các tuyến được thiết lập thì thay đổi chiều dài LSeg bằng các phần con đo được hoặc hoặc giá trị lớn hơn chiều dài của đoạn con lớn nhất trong tuyến.

2.2.3.4. Ghép nối thống kê

Kí hiệu mở rộng I, II là các hàm trung bình và độ lệch chuẩn, ví dụ LI-Tot là

chiều dài sợi quang của loại I và nA là số linh kiện loại A.

Các giới hạn xác suất được tính lại cùng với 1 giới hạn xác suất kết hợp với độ

lệch Gausse 3, nhưng các phương trình được chia thành các thành phần “trung bình”

va “độ lệch chuẩn” trước khi kết hợp chúng lại với nhau. Tán sắc trung bình là:

(2-41a)

Độ lệch chuẩn của tán sắc tổng là:

(2-41b)

Vậy các giới hạn là:

(2-41c)

Việc thêm các linh kiện hoặc các sợi có thể thực hiện chỉ đơn giản là mở rộng các

công thức trên.

Các công thức này minh họa sự kết hợp phân bố của các sợi G.652 và phân bố của các linh kiện bù tán sắc như định nghĩa trong khuyến nghị G.671 của ITU-T. Giả sử các tham số của tuyến là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 66

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Các thống kê sợi cho hệ số tán sắc màu (ps/nm·km) và bước sóng (nm) được chỉ

trong hình 2-20 và 2-21:

Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 67

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652

Công thức cho đường thẳng trong hình 2-20 là:

(2-42a)

ở đây  tính theo nm.

Công thức cho đường cong trong hình 2-21 là:

(2-42b)

Các thống kê bù tán sắc được chỉ trong hình 2-22và 2-23

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 68

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình

Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc

Công thức cho đường cong trong hình 2-23 là:

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 69

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

(2-43a)

Công thức cho đường cong trong hình 2-24 là:

(2-43b)

Kết hợp các thống kê này theo các công thức của phương trình 2-41a, 2-41b và 2- 41c, và sử dụng các giả thiết của tuyến quang (chiều dài sợi 400km, chiều dài mỗi đoạn

nối 10km, 5 bộ bù tán sắc) thì có kết quả như hình 2-24. Chú ý rằng biểu diễn nhỏ hơn

hai dải đặc trưng bước sóng. Cho dù dải sử dụng cho sợi rộng hơn, và dải đặc trưng cho

cơ cấu bù là khống quá rộng.

Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652

Với băng C (bước sóng từ 1530 đến 1565nm) thì tán sắc màu của tuyến quang

được bù nằm trong khoảng 600 ps/nm. Trong khuyến nghị G.691 của ITU-T, giới hạn

truyền dẫn 10Gbps, với chỉ riêng tán sắc màu xấp xỉ 1000ps/nm đối với các máy phát và máy thu.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 70

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực

DGD thay đổi ngẫu nhiên theo phân bố Maxwell được đặc trưng bởi giá trị PMD.

PMD của cáp sợi quang cũng được xác định theo dạng thống kê mà có thể kết hợp với các phần tử khác của tuyến quang để xác định DGD cực đại mà DGD cực đại được xác

định bằng giới hạn xác suất. Phụ lục I/G.650.2 mô tả các yêu cầu kĩ thuật thống kê của

PMD đối với sợi quang. Khuyến nghị G.671 của ITU-T trình bày làm thế nào để kết hợp

các yêu cầu kĩ thuật của các phần tử tuyến khác với các yêu cầu kĩ thuật của cáp sợi quang để xác định DGD cực đại cho tuyến:

(2-44)

ở đây:

DGDmaxlink là DGD cực đại tuyến (ps)

là DGD (ps) cực đại cáp sợi quang ghép chuỗi DGDmaxF

S là hệ số hiệu chỉnh Maxwwell (xem bảng 10-2)

là giá trị PMD của linh kiện thứ i PMDCi

Phương trình này giả sử rằng các thống kê DGD tức thời được xấp xỉ bằng phân

bố Maxwell với xác suất DGD tức thời lớn hơn DGDmaxlink được điều khiển bởi giá trị

của hệ số hiệu chỉnh Maxwell lấy trong bảng 2-12.

2.3. So sánh hai phương pháp

Qua cách tính toán như trong phần 2.1 và phần 2.2 nhận thấy rằng về cơ bản các

tham số tính toán của phương pháp thiết kế theo giá trị giới hạn và phương pháp thiết kế theo giá trị thống kê gần giống nhau. Tuy nhiên trong phương pháp thiết kế theo giá trị giới hạn thì tất cả các tham số được lấy tại thời điểm hết thời gian sử dụng của thiết bị, có nghĩa là đây là trường hợp mà các tham số có giá trị như vậy thì hệ thống bắt đầu không đạt các yêu cầu kĩ thuật. Còn trong phương pháp tính toán theo giá trị thống kê thì giá trị của tham số được tính toán tối ưu hơn trong trường hợp tính toán giá trị trong trường hợp tính toán theo các giá trị giới hạn. Cụ thể là như trong ví dụ về tính toán giá

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 71

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

trị tán sắc đã trình bày ở trên, trong cùng một điều kiện như nhau thì giá trị tán sắc trong

trường hợp tính toán theo các giá trị tới hạn là 420 ps/nm, trong khi đó đối với tính toán

theo các giá trị thống kê thì giá trị tán sắc là 304 ps/nm. Như vậy giá trị tán sắc của

trường hợp tính toán theo các giá trị giới hạn tối ưu hơn giá trị trong trường hợp tính toán theo giá trị thống kê. Điều dễ thấy là chiều dài giới hạn giới hạn tán sắc sẽ thấp hơn

chiều dài tán sắc được tính toán theo giá trị thống kê. Từ đó sẽ dẫn đến cự ly truyền dẫn

đối với trường hợp tính toán theo giá trị thống kê trên một chặng sẽ lớn hơn cự ly truyền

dẫn trên một chặng đối với trường hợp tính toán theo các giá trị thống kê. Kết quả là phương pháp tính toán theo giá trị thống kế các tham số sẽ mang tính kinh tế hơn phương

pháp tính toán theo các giá trị giới hạn.

Tuy nhiên phương pháp tính toán theo giá trị thống kê mà đồ án đề cập thì trong

các tham số được tính toán thì chỉ có một tham số là thống kê, còn tất cả các tham số còn

lại đều là giống trong trường hợp thiết kế theo các giá trị giới hạn.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 72

Chương 2: Một số phương pháp tính toán Đồ án tốt nghiệp đại học

Kết luận

Thiết kế tuyến thông quang là công việc hết sức khó khăn và phức tạp. Trong đó

bao gồm việc tính toán các giá trị tham số ảnh hưởng đến truyền dẫn sợi quang cũng như cả tuyến quang. Tính toán được giá trị các tham số ảnh hưởng một cách đúng đắn chính

xác thì có thể sử dụng dự trữ thích hợp, tiết kiệm chi phí. Nội dung của đồ án đã nêu và

trình bày hai phương pháp tính toán giá trị các tham số ảnh hưởng trong thiết kế tuyến

thông tin quang.

Chương 1: Sơ lược về một tuyến thông tin quang tổng quát. Làm rõ ảnh hưởng

của các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến quang. Trình bày tổng quát các phương

pháp thiết kế và giới thiệu về phương pháp thiết kế theo giá trị giới hạn và theo giá trị

thống kê.

Chương 2: Trình bày về các cách tính các tham số đối với hệ thống đơn kênh đa

kênh, bao gồm tán sắc, xuyên âm quang… Từ đó đưa ra các bộ bù tán sắc thích hợp và

dự trữ công suất để bù lại công suất đã bị mất.

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 73

Tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp đại học

Tài liệu tham khảo

[1] ITU-T, Series G: Transmission systems and media, digital and media, digital

systems and networks, Optical system design and engineering considerations,

[2]

ITU-T Recommendation G.957 (1999), Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy.

10/2003

[4]

TAKAHASHI (H.), ODA (K.), TOBA (H.): Impact of crosstalk in an arrayed-waveguide multiplexer on N × N optical interconnection, J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 6, pp. 1097-1105, 1996.

[15] LIU (F.), RASMUSSEN (C.J.), PEDERSEN (R.J.S.): Experimental verification of a new model describing the influence of incomplete signal extinction ratio on the sensitivity degradation due to multiple interferometric crosstalk, Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 1, pp. 137-139, 1999.

[5]

LEGG (P.J.), TUR (M.), ANDONOVIC (I.): Solution paths to limit interferometric noise induced performance degradation in ASK/Direct detection lightwave networks, J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 9, pp. 1943-1954, 1996

[3] http://www.tapchibcvt.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=15830

[6] IEC SC86C/WG1 ST-20, Statistical treatment of chromatic dispersion (submitted

by T.A. Hanson), 2000.

[7] MAKSOUDIAN (Y.L.): Probability and Statistics with Applications, Scranton

International Textbook Company, 1969.

[8] Vũ Văn San: Hệ thống thông tin quang 12/2003

[9] Ashwin Gumaste, Tony Antony: WDM Network Designs and Engineering

Solutions 12/2002

Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 74