Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng" được nghiên cứu với mục tiêu: Tổng quan về cấu trúc mạng thông tin viễn thông; Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số và phân tích đánh giá hiệu suất giảm méo tín hiệu của kỹ thuật DBP truyền thống với bước chia đều cho hệ thống truyền dẫn băng rộng; Đánh giá và đề xuất phương pháp làm giảm tác động của méo phi tuyến cho hệ thống truyền tải kết hợp quang/vô tuyến sử dụng các bộ khuếch đại điện công suất lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA GIẢM MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG BĂNG RỘNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số : 9520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2023
Mở đầu Lí do chọn đề tài Hệ thống thông tin quang đóng vai trò rất quan trọng trong mạng thông tin liên lạc. Hệ thống này đảm bảo truyền tải dung lượng lớn trên khoảng cách xa và chi phí truyền trên đơn vị bit thấp. Công nghệ truyền dẫn phân cấp số đồng bộ SDH dung lượng 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s ra đời từ lâu và dần không đáp ứng kịp mức tăng trưởng rất nhanh về nhu cầu về dung lượng của người dùng. Công nghệ truyền dẫn quang 100 Gbit/s sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch pha cầu phương phân cực kép DP-QPSK và máy thu quang coherence số đã được nghiên cứu thành công và được đưa vào thương mại hóa. Tuy nhiên, nhu cầu cao về dung lượng của người dùng tiếp tục tăng nhanh, các kênh truyền dẫn quang băng rộng hơn với tốc độ dữ liệu 400 Gbit/s, 1 Tbit/s hay cao hơn đang được nghiên cứu phát triển. Việc phát và thu tín hiệu băng rộng này giúp tăng hiệu suất phổ và giảm chi phí. Tuy nhiên, do các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang tăng mạnh khi truyền dẫn tín hiệu có tốc độ ký tự lớn, sử dụng định dạng điều chế bậc cao, chất lượng truyền hệ thống thông tin sợi quang băng rộng bị suy giảm rất nhanh. Cho đến nay, nhiều kỹ thuật giảm méo tín hiệu cho hệ thồng truyền có tốc độ dữ liệu thấp (dưới 50 Gbaud) được nguyên cứu, trong khi các kỹ thuật giảm méo tín hiệu cho hệ thống truyền băng rộng (50 Gbaud trở lên) rất quan trọng với các ứng dụng tốc độ cao trong tương lai, chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Để đạt mục tiêu truyền khoảng cách lớn, hiệu suất phổ cao cho hệ thống sợi quang, luận án với nội dung: "GIẢM MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG BĂNG RỘNG" phát triển bộ thu phát băng rộng với tín hiệu định dạng điều chế cầu phương QAM nhiều mức. Tôi nghiên cứu các kỹ thuật bù méo phi tuyến sợi dùng phương pháp quang và phương pháp số. Phương pháp quang là kỹ thuật sử dụng bộ liên hợp pha quang OPC được áp dụng. Trong phương pháp số, kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP linh hoạt có độ phức tạp thấp được nghiên cứu. Thêm vào đó, việc tăng dung lượng truyền dẫn của mạng truy cập là chủ đề rất nổi trội thu hút rất nhiều quan tâm. Các thiết bị và người sử dụng với 1
đặc thù thường tập trung ở các khu vực đô thị, thành phố lớn có mật độ dân cư đông và địa hình phức tạp. Vì vậy, thế hệ tiếp theo của mạng truy cập ngoài thách thức về dung lượng truyền tải dữ liệu, nó còn có thách thức về khả năng triển khai và chi phí vận hành. Hệ thống lai ghép kết hợp sợi quang/vô tuyến như: sóng vô tuyến truyền qua sợi quang RoF, sóng milimét mmW và truyền thông quang học trong không gian tự do FSO đã chứng minh được tính hiệu quả và đáp ứng các thách thức kể trên. Để tăng chất lượng truyền dẫn tín hiệu qua mạng truy cập hỗn hợp sợi quang/vô tuyến, tôi nghiên cứu về các tác động của việc cắt xén tín hiệu trong các bộ khuếch đại công suất lớn ở các ăng-ten phát sóng. Đồng thời, các kỹ thuật giảm méo tín hiệu trong xử lý kỹ thuật số ở phía phát và thu cũng được nghiên cứu để giảm tác động của các dạng méo tín hiệu trong quá trình truyền dẫn qua mạng truy cập hỗn hợp này. Nội dung nghiên cứu: - Phát triển bộ thu phát quang băng rộng (trên 100 Gbit/s) hiệu suất cao dùng định dạng điều chế QAM nhiều mức kết hợp kỹ thuật ghép kênh cao cấp. - Truyền dẫn tín hiệu quang băng rộng hiệu suất phổ cao dùng các kỹ thuật bù phi tuyến phương pháp quang và số để khắc phục các giới hạn Shanon phi tuyến. - Truyền dẫn tín hiệu qua mạng truy cập hỗn hợp sợi quang/vô tuyến băng rộng sử dụng sóng milimét qua sợi quang. Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống thông tin sợi quang băng rộng và máy thu phát quang coher- ence tốc độ trên 100 Gbit/s. - Định dạng điều chế cao cấp và bộ xử lí tín hiệu số DSP cho thông tin quang. - Kỹ thuật ghép kênh cao cấp: ghép kênh theo tần số trực giao quang coherence OFDM, ghép kênh theo bước sóng dùng lọc Nyquist, ghép kênh theo phân cực. - Hệ thống truyền dẫn tín hiệu sóng milimet qua sợi quang với các bộ khuếch đại công suất lớn. Bố cục luận án Trong chương 1, luận án trình bày tổng quan về cấu trúc mạng thông tin viễn thông, các nhu cầu, thách thức, vấn đề gặp phải của hệ thống thông tin viễn thông ngày nay. Đồng thời, luận án trình bày nền tảng lý thuyết về tín hiệu lan truyền trong sợi quang và các méo dạng tín hiệu trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng. Cuối cùng, luận án giới thiệu một số các kỹ thuật giảm 2
méo tuyến tính và phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang. Chương 2 trình bày về kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số và phân tích đánh giá hiệu suất giảm méo tín hiệu của kỹ thuật DBP truyền thống với bước chia đều cho hệ thống truyền dẫn băng rộng. Tiếp đến, luận án đề xuất bước chia logarit tổng quát bằng phương pháp tối ưu hóa bước chia và tỷ số hệ số phi tuyến làm giảm độ phức tạp ở phía thu, nâng cao chất lượng truyền dẫn cho hệ thống truyền băng rộng. Chương 3 trình bày chất lượng đường truyền bằng kỹ thuật bù méo liên hợp pha quang trong bối cảnh truyền dẫn tín hiệu quang băng rộng. Ảnh hưởng của tán sắc bậc ba đến hệ thống truyền sợi quang băng rộng được nghiên cứu và phân tích. Sau đó, luận án sử dụng bộ liên hợp pha để giảm méo phi tuyến của kỹ thuật này cho hệ thống truyền dẫn tần số vô tuyến RoF nhiều băng, băng rộng. Trong chương 4, tôi đưa ra các đánh giá và đề xuất phương pháp làm giảm tác động của méo phi tuyến cho hệ thống truyền tải kết hợp quang/vô tuyến sử dụng các bộ khuếch đại điện công suất lớn. Đồng thời, tôi xây dựng bộ thu phát xử lý số DSP, ứng dụng bộ lọc thích nghi với kỹ thuật bình phương trung bình tối thiểu ở phía thu để khôi phục tín hiệu và giảm tác động méo tín hiệu bao gồm tuyến tính lẫn phi tuyến khi truyền tín hiệu RoF/mmW ở băng tần W và tín hiệu quang học truyền trong không gian tự do băng rộng. 3
Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang và méo tín hiệu trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng Trong chương này, luận án giới thiệu về cấu trúc mạng thông tin viễn thông, các thành phần cơ bản quan trọng trong mạng viễn thông, và cơ sở lan truyền tín hiệu trong sợi quang. Từ đó, luận án tiếp tục phân tích và thảo luận về các hiệu ứng méo tín hiệu trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng. Cấu trúc hệ thống thông tin viễn thông Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng thông tin quang. Các thành cơ bản của hệ thống thông tin sợi quang Cơ sở truyền tín hiệu trong sợi quang Sợi quang về bản chất là một ống dẫn sóng điện môi có khả năng hoạt động ở tần số quang học. Vì ánh sáng về mặt quang sóng là một sóng điện từ nên sự lan truyền của sóng ánh sáng trong sợi quang. Quá trình truyền tín hiệu qua sợi quang, trường điện A(z, t) được tính toán với kết quả được biểu diễn như sau: 4
∂A α jβ2 ∂ 2 A β3 ∂ 3 A = − A− 2 + 3 + jγ|A|2 A (1.45) ∂z 2 2 ∂T 6 ∂T suy hao phi tuyến Kerr tán sắc bậc 2 tán sắc bậc 3 trong đó, A = A(z, t) là đường bao xung thay đổi chậm của trường điện, z là trục truyền sóng. Và T = t − z/vg là thời gian quy chiếu ứng với t là thời gian vật lý, vg là vận tốc nhóm. α, β2 , β3 lần lượt là hệ số suy hao sợi, hệ số tán sắc vận tốc nhóm bậc 2, hệ số tán sắc bậc 3. Phương trình phi tuyến Schr¨dinger mô tả sự phát triển xung tín hiệu o truyền qua sợi quang chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như suy hao công suất, méo dạng tuyến tính từ tán sắc bậc 2 và bậc 3 kết hợp với méo dạng phi tuyến từ hiệu ứng phi tuyến Kerr. Các hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc rất lớn vào cường độ của tín hiệu và hệ số phi tuyến Kerr. Các méo dạng tín hiệu tuyến tính và phi tuyến xuất hiện trong quá trình truyền dẫn tác động đến hiệu suất truyền của hệ thống thông tin sợi quang. Hiện tượng phi tuyến Kerr Tự điều chế pha SPM Tự điều chế pha là hiện tượng méo phi tuyến được hình thành do chiết suất vật liệu sợi quang thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Hiệu ứng phi tuyến này làm giãn nở phổ của các xung quang. Pha tự điều chế θ SP M (z, T) được định nghĩa: θ SP M (z, T ) = γLef f |A (0, T )|2 , (1.65) Hiện tượng tự điều chế pha không ảnh hưởng đến hình dạng của sóng điện từ. Quá trình này làm thay đổi độ dịch chuyển pha phi tuyến θSP M mà pha phi tuyến này tỷ lệ thuận với hệ số phi tuyến, chiều dài hiệu quả Lef f và công suất tín hiệu quang |A (0, T )|2 . Mức độ mở rộng của phổ tín hiệu quang dưới tác động của SPM phụ thuộc vào hình dạng xung của tín hiệu truyền. Sự thay đổi theo thời gian của mức độ mở rộng của phổ δω tạo ra theo biến thiên của tần số. Vì thế, các thành phần tần số mới được tạo ra liên tục khi tín hiệu quang lan truyền qua sợi. Điều chế pha chéo XPM Khi có hai hoặc nhiều kênh quang khác nhau đồng thời truyền dẫn qua sợi quang như hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, các xung của những kênh quang này bị giãn nở trên miền thời gian dưới tác động của tán sắc. Những xung quang giãn nở này chồng chất và tương tác với nhau theo một cách phi tuyến. Hiện tượng này được gọi là điều chế pha chéo.   θj = γLef f |Aj |2 + 2 NL |Am |2  , (1.68) m=j 5
Vế bên phải của phương trình (1.68) có hai thành phần: tương ứng với tự điều chế pha và điều chế pha chéo. Hệ số nhân 2 trong thành phần XPM của phương trình trên cho thấy trong hệ thống WDM, hiệu ứng của điều chế pha chéo XPM mạnh gấp đôi so với tự điều chế pha với cùng một mức công suất. Độ dịch chuyển pha tổng cộng phụ thuộc vào tổng công suất của tất cả các kênh và được thay đổi tùy thuộc vào chuỗi bit của các kênh kế cận nhau. Để nâng cao hiệu suất phổ, các tín hiệu quang truyền dẫn được điều chế định dạng bậc cao. Kết hợp với mức định dạng điều chế bậc cao của tín hiệu truyền, tác động của méo pha phi tuyến pha chéo càng trở nên trầm trọng và làm giảm chất lượng đường truyền. Trộn bốn bước sóng FWM Khác với hiện tượng điều chế pha chéo, méo phi tuyến XPM được hình thành do công suất giữa các kênh khác nhau tác động lên pha của nhau. Trong khi đó, hiện tượng trộn bốn bước sóng được tạo ra từ việc trao đổi năng lượng giữa các kênh khác nhau. Chiết suất của sợi quang phụ thuộc vào công suất với sự xuất hiện của độ nhạy cảm ứng điện bậc ba χ3 . Vì thế, hiện tượng trộn bốn bước sóng là hiện tượng méo dạng phi tuyến bậc ba. Trong hệ thống truyền dẫn WDM, ba trường điện với các sóng có tần số quang khác nhau fi , fj , fk được truyền dẫn đồng thời, trường điện thứ tư được hình thành trong đó tần số của nó có môi liên hệ với các trường điện cũ: fijk = fi + fj − fk , với k = i, j (1.70) Mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM sẽ giảm khi tán sắc vật liệu hay/và khoảng cách giữa các kênh khác nhau trong kỹ thuật WDM được tăng lên. Tuy nhiên, để tăng hiệu suất phổ khoảng cách giữa các kênh WDM được thiết lập nhỏ lại. Ngoài ra, để giảm hiệu ứng của hiện tượng trộn bốn bước sóng này, khoảng cách giữa các kênh WDM có thể được đặt không đều nhau. Việc này giúp loại bỏ được những tần số sinh ra thông qua hiện tượng FWM mà không trùng với các tần số của các sóng quang được truyền dẫn qua sợi. Thực tế là khoảng cách tần số giữa các kênh khác nhau được đặt đều nhau và là bội số của 50 GHz (hoặc nhỏ hơn). Vì thế, trộn bốn bước sóng trong sợi quang là hiệu ứng phi tuyến quan trọng đối với tín hiệu thông tin quang với hai thông số chính là dung lượng tín hiệu truyền và định dạng điều chế. Méo dạng tín hiệu do băng thông giới hạn của bộ thu phát Hiện nay, việc tạo tín hiệu dựa vào bộ chuyển đổi số sang tương tự - DAC là phương pháp hấp dẫn do có cấu hình đơn giản và khả năng linh hoạt để tạo tín hiệu. Trong những năm gần đây, việc phát tín hiệu sử dụng bộ DAC đã đạt đến 100 Gbit/s và cao hơn nữa. Thêm vào đó, DAC cho phép phát các tín hiệu 6
với dạng sóng tùy ý với định dạng điều chế khác nhau, được điều khiển bằng phần mềm ngoại tuyến. Tuy nhiên, trong các bộ ngày nay, băng thông tín hiệu được phát ra thường nhỏ hơn một nữa tốc độ lấy mẫu. Điều này dẫn đến tín hiệu được tạo ra phải chịu các méo dạng do giới hạn băng thông gây ra. Việc giảm méo tín hiệu do băng thông giới hạn thường được thực hiện bởi bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR bằng cách bù méo trước tín hiệu trong miền điện. Phần này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4. Để xác lập bộ lọc FIR, người ta cần đo chính xác băng thông của hệ thống. Theo phương pháp truyền thống, một tín hiệu kích thích được sử dụng, ví dụ một tín hiệu hình sin, cho qua bộ điều chế Mach – Zehnder. Bằng cách quét tần số của tín hiệu kích thích và đo công suất quang từ đầu ra của MZM, người ta có thể xác định băng thông của nó. Để hạn chế ảnh hưởng của méo dạng tín hiệu phi tuyến, tín hiệu hình sin có biên độ nhỏ được sử dụng. Băng thông giới hạn được đo với một tín hiệu có biên độ lớn sẽ bị ảnh hưởng bởi tính phi tuyến, làm cho kết quả đo không chính xác. Do những lý do về giới hạn của băng thông thiết bị truyền dẫn và các hiệu ứng lọc, chất lượng hệ thống cũng bị suy giảm nghiêm trọng do nhiễu xuyên ký tự và nhiễu được tăng cường giữa các kênh với nhau. Méo dạng tín hiệu do giới hạn cắt của bộ khuếch đại công suất lớn Nâng cao dung lượng truyền dẫn của hệ thống mạng truy cập là một chủ đề lớn đang thu hút rất nhiều quan tâm. Các thách thức về năng lượng, tính linh hoạt và năng lượng cho cơ sở hạ tầng truyền tải dữ liệu được đặt ra. Nhiều nghiên cứu chỉ ra hệ thống lai ghép kết hợp sóng vô tuyến qua sợi quang và sóng milimét có nhiều ưu điểm nổi trội từ việc tận dụng băng rộng sợi quang và tính linh hoạt sóng vô tuyến. Một trong những thách thức chính trong hệ thống này là nâng cao tần số sóng mang dẫn đến suy hao trên đường dẫn sóng vô tuyến rất lớn. Điều này gây nên nhiều áp lực cho bộ khuếch đại công suất đặt ở bộ phát sóng ăng-ten. Để bù đắp cho tổn thất đường dẫn lớn, về mặt kỹ thuật bộ khuếch đại công suất hoạt động càng gần mức bão hòa càng tốt. Điều này gây ra méo tín hiệu phi tuyến và làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống truyền dẫn. 7
Chương 2 Giảm méo phi tuyến sử dụng kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số cho hệ thống sợi quang băng rộng Trong chương này, tôi trình bày về nền tảng của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số, kết hợp với việc phân tích và đánh giá hiệu suất bù méo phi tuyến của kỹ thuật DBP truyền thống với bước chia đều trong hệ thống sợi quang băng rộng. Tiếp đến, tôi đề xuất phương pháp chia bước logarit tổng quát bao gồm tối ưu hóa khoảng cách bước kết hợp tối ưu hóa hệ số phi tuyến trong tuyến truyền ảo cho hệ thống truyền đơn kênh băng rộng để giảm độ phức tạp ở máy thu đồng thời nâng cao hiệu suất của kỹ thuật truyền ngược này. Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống của kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số DBP. Kỹ thuật lan truyền ngược trong miền số là kỹ thuật số tại máy thu với mục tiêu đảo ngược tán sắc và phi tuyến đã bị gây ra trong quá trình truyền tín hiệu qua sợi quang đến máy thu (Hình 2.1). Phương trình Manakov biểu diễn tín hiệu lan truyền theo phân cực x- và phân cực y- có xét đến sự tương tác giữa hai phân cực trong miền số ở máy thu được biểu diễn như sau: ∂Ex α j ∂ 2 Ex 8 = (D + N )Ex = − Ex − β2 2 + jγ (|Ex |2 + Ey )Ex , 2 (2.1) −∂z 2 2 ∂T 9 ∂Ey 2E α j ∂ y 8 = (D + N )Ey = − Ey − β2 2 + jγ (|Ey |2 + Ex )Ey , 2 (2.2) −∂z 2 2 ∂T 9 Hệ phương trình Manakov (2.1) và (2.2) không có nghiệm phân tích chính xác. Để thực hiện tuyến quang ảo này, phương pháp chia bước Fourier được áp 8
dụng bằng cách chia tuyến quang thành nhiều phần (hay còn gọi là bước), trong đó tán sắc và phi tuyến được tính toán độc lập. Độ chính xác của phương pháp chia bước Fourier này phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm số lượng bước, tốc độ ký tự của tín hiệu quang truyền dẫn và năng lượng của tín hiệu. Hiệu suất kỹ thuật GLSS dựa trên tối ưu hóa khoảng cách bước Hình 2.6: SNR (dB) theo công suất phát (dBm) của 50 Gbaud DP 16-QAM qua tuyến truyền 2400 km SSMF dùng kỹ thuật S-SSFM, GLSS (e,1) và GLSS (1.5,1) với 6 bước/phân đoạn. Hình 2.6 mô tả tỷ số công suất độ lợi trên nhiễu SNR (dB) là hàm theo công suất phát cho tín hiệu 50 Gbaud DP 16-QAM qua tuyến quang dài 2400 km sợi quang đơn mode chỉ sử dụng bộ khuếch đại EDFA với cùng độ phức tạp tính toán 6 bước/phân đoạn dùng các kỹ thuật chia đều bước S-SSFM, chia bước logarit truyền thống GLSS (e,1) và chia bước logarit cơ số a = 1.5. Kết quả cho thấy tầm quan trọng của việc thay đổi khoảng cách các bước trong một phân đoạn của tuyến quang ảo ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng tín hiệu truyền. Cụ thể là với việc thay đổi cách chia bước từ kỹ thuật chia đều sang kỹ thuật logarit truyền thống chỉ cải thiện được 0.3 dB. Tuy nhiên, với cùng độ phức tạp, thì chất lượng hệ thống khi dùng kỹ thuật logarit với cơ số a = 1.5 đã tăng 1.2 dB so với kỹ thuật chia đều bước. Hiệu suất bù méo phi tuyến của kỹ thuật GLSS (aopt ,1) được so sánh với kỹ thuật chia bước logarit truyền thống được thể hiện thông qua Hình 2.8. Độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu trường hợp này được định nghĩa giữa độ chênh lệch SNR cực đại giữa GLSS (aopt ,1) và GLSS (e,1) tại công suất phát đỉnh phi tuyến. Độ lợi SNR này được biểu diễn là hàm theo tốc độ truyền với số bước/phân đoạn khác nhau. Kết quả chỉ ra rằng, phương pháp chia bước 9
Hình 2.8: Độ lợi SNR (dB) của DBP GLSS (aopt ,1) so với GLSS (e,1) là hàm theo tốc độ truyền (Gbaud) qua đường truyền 2400 km SSMF với số bước/phân đoạn khác nhau. logarit tổng quát có nhiều ưu điểm so với phương pháp chia bước logarit truyền thống đặc biệt với tốc độ truyền nhỏ hơn 100 Gbaud. Cụ thể, với 6 bước/phân đoạn, độ lợi SNR đạt đến 1.3 dB cho tín hiệu 40 Gbaud 16-QAM. Hiệu suất kỹ thuật GLSS dựa trên tối ưu hóa khoảng cách bước kết hợp tối ưu hệ số phi tuyến Hình 2.11: Độ lợi SNR (dB) của DBP GLSS (aopt , kopt ) so với GLSS (aopt ,1) là hàm theo tốc độ truyền qua 2400 km SSMF với số bước/phân đoạn khác nhau. Tiếp đến, hiệu suất bù méo của kỹ thuật DBP chia bước tổng quát kết hợp tối ưu hệ số phi tuyến GLSS (aopt , kopt ) được so sánh với kỹ thuật DBP chỉ áp dụng tối ưu hóa khoảng cách bước GLSS (aopt , 1) (Hình 2.11). Ta có thể thấy rằng, việc tối ưu hóa khoảng cách bước phần lớn chỉ có tác dụng với 10
đường truyền có băng thông nhỏ hơn 100 Gbaud, trong khi với tốc độ lớn hơn 100 Gbaud, hiệu suất bù méo tín hiệu của phương pháp này phần lớn dựa vào tỷ số của hệ số phi tuyến giữa tuyến truyền ảo và của sợi quang. Kết quả là khi kết hợp tối ưu cả hai thông số, hiệu suất bù méo tín hiệu được tăng đối với tín hiệu băng rộng lên đến 200 Gbaud. Hình 2.14: Giới hạn tốc độ truyền tín hiệu tại đô lợi SNR = 2 dB là hàm theo số bước/phân đoạn qua 2400 km SSMF với kỹ thuật DBP chia bước đều, DBP chia bước logarit cơ số e và kỹ thuật GLSS (aopt , kopt ). Hình 2.14 chỉ ra giới hạn băng thông truyền tín hiệu với độ lợi cần đạt được 2 dB so với EDC của ba kỹ thuật DBP lần lượt là chia bước đều, chia bước logarit truyền thống và kỹ thuật kết hợp tối ưu hóa kích thước bước và tỷ số hệ số phi tuyến. Kết quả cho thấy, giới hạn này chỉ đạt được 40 Gbaud, 90 Gbaud và 135 Gbaud khi dùng 2, 10, 20 bước/phân đoạn. Giới hạn này được mở rộng đến 50 Gbaud, 125 Gbaud, 185 Gbaud khi dùng DBP với các bước logarit cơ số e và càng được nâng cao lên 55 Gbaud, 140 Gbaud và 205 Gbaud khi dùng phương pháp GLSS ứng với 2, 10, 20 bước/phân đoạn. 11
Chương 3 Giảm méo phi tuyến sử dụng kỹ thuật bộ liên hợp pha quang cho hệ thống sợi quang băng rộng Trong chương này, nguyên lý hoạt động của kỹ thuật sử dụng bộ liên hợp pha quang được trình bày. Sau đó, tôi phân tích ảnh hưởng tán sắc bậc ba đến chất lượng hệ thống truyền dẫn sợi quang băng rộng, đồng thời, tôi sử dụng kỹ thuật này để giảm méo tín hiệu cho hệ thống truyền dẫn RoF nhiều băng. Kỹ thuật bù méo tín hiệu sử dụng bộ liên hợp pha quang Hình 3.1: Sơ đồ truyền dẫn sử dụng bộ liên hợp pha quang OPC. Hình 3.1 minh họa sơ đồ của hệ thống truyền thông sợi quang sử dụng bộ liên hợp pha quang. Để mô tả quá trình thay đổi của tín hiệu quang lan truyền một nữa phần đầu của tuyến truyền và một nữa khoảng cách còn lại khi sử dụng bộ liên hợp pha quang OPC được tóm tắt theo Bảng 3.1. Ta nhận thấy thông số của suy hao giống nhau trước và sau khi liên hợp pha vì thế suy hao sợi không thể bù đắp được thông qua liên hợp pha mà chỉ được bù thông qua các bộ khuếch đại quang. Việc bù tán sắc vận tốc nhóm bậc hai GVD và hiệu ứng phi tuyến Kerr có thể được thực hiện thông qua OPC vì các giá trị của hiệu ứng này bị đảo ngược bởi phép toán liên hợp, điều này chứng tỏ các méo dạng tín hiệu gây ra bởi tán sắc bậc hai và phi tuyến sau nửa đầu của liên kết đường truyền có thể được bù đắp thông qua sự lan truyền của 12
Bảng 3.1: Sự thay đổi các thông số của NLSE trước và sau khi liên hợp pha quang. Thông số Trước liên hợp pha Sau liên hợp pha Suy hao −αA2 − α A∗ 2 2 2 * j ∂ A j Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) − 2 β2 ∂T 2 2 β2 ∂ A2 ∂T 3 3 * 1 Tán sắc bậc ba 6 β3 ∂ A ∂T 3 1 6 β3 ∂ A3 ∂T 2 Phi tuyến Kerr jγ|A|2 A −jγ A* A* tín hiệu quang liên hợp cùng pha trong nửa sau của liên kết đường truyền. liên hợp pha quang. Ngoài ra, thành phần tán sắc bậc ba không được đổi dấu vì vậy vẫn được tích lũy trên đường truyền giống như các hệ thống thông thường. Ảnh hưởng của tán sắc bậc ba trong hệ thống sợi quang băng rộng sử dụng bộ liên hợp pha quang (a) (b) Hình 3.3: So sánh chất lượng của hệ thống truyền dẫn 16-QAM OFDM sử dụng DC và OPC trong các trường hợp Rb = 50 GBaud (a) và Rb = 100 GBaud (b). Hình 3.3 trình bày kết quả mô phỏng so sánh chất lượng tín hiệu theo công suất phát lên đường truyền dưới tác động của tán sắc bậc ba (β3 =0.128 ps3 /km tương ứng với độ dốc tán sắc S =0.057 ps/nm2 /km) lên các hệ thống truyền không có OPC (bù tán sắc tại máy thu - DC) và có sử dụng OPC trong hai trường hợp Rb =50 GBaud (a) và Rb =100 GBaud (b). Hình 3.3a, ta thấy tác động của tán sắc bậc ba β3 =0.128 ps3 /km lên hệ thống khá nhỏ vì băng thông tín hiệu nhỏ. Tuy nhiên, trường hợp băng thông tín hiệu lớn với Rb = 100 GBaud trong Hình 3.3b, độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu suy giảm còn 0.7 dB trong trường hợp β3 =0 và chỉ còn rất nhỏ 0.2 dB trong trường hợp β3 =0.128 ps3 /km. 13
(a) (b) Hình 3.5: Độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu khi sử dụng OPC là hàm của tốc độ mẫu tín hiệu Rb trong các trường hợp khác nhau của β3 trên hệ thống truyền dài 1600 km (a) và 2400 km (b). Hình 3.5 khảo sát sự phụ thuộc của độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu khi sử dụng OPC (so với không dùng OPC) theo Rb trong các trường hợp khác nhau của hệ số tán sắc bậc ba β3 cho hệ thống truyền chiều dài 1600 km (a) và 2400 km (b). Có thể nhận thấy rằng, độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu giảm một cách nhanh chóng từ khoảng 3.5 dB tại Rb = 25 GBaud xuống dưới 0.5 dB khi Rb lớn hơn 75 GBaud khi có sự xuất hiện của tán sắc bậc ba. Nếu xét độ lợi tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại ngưỡng lớn hơn 1 dB, thì việc sử dụng OPC chỉ có ý nghĩa khi tốc độ ký tự của tín hiệu làm việc nhỏ hơn 50 GBaud. Hiệu suất bù méo phi tuyến của OPC cho hệ thống thông tin quang RoF đường dài Đánh giá hiệu suất bù méo tín hiệu cho hệ thống truyền dùng OPC theo công suất thu Hình 3.10 lần lượt thể hiện kết quả mô phỏng EVM (%) là hàm của công suất quang phía thu với cấu hình truyền dẫn 50 km, 200 km. Từ kết quả mô phỏng có khoảng cách 50 km trong hình trên 3.10 cho thấy, công suất tín hiệu phía thu tại -6 dBm đều có 3 băng bằng và dưới ngưỡng EVM = 17.5 % cho định dạng điều chế QPSK, băng 1 có giá trị EVM = 19.34 %. Trong khi đó, với cự truyền dẫn 200 km, hình dưới 4.10 thì công suất tín hiệu phía thu tại -6 dBm cả 4 băng đều trên ngưỡng EVM = 17.5 %. Với công suất thu phía quang lớn hơn -4 dBm, hiệu suất bù của OPC cho đường truyền với khoảng cách ngắn ở tốc độ 10 GBaud QPSK luôn được đảm bảo. 14
(a) (b) Hình 3.10: EVM(%) là hàm theo công suất quang phía thu với (a) cấu hình truyền dẫn ở cự ly 50 km và (b) cấu hình truyền dẫn ở cự ly 200 km. Đánh giá hiệu năng bù méo tín hiệu cho hệ thống truyền dùng OPC theo công suất sóng mmW phía thu (a) (b) Hình 3.11: Đánh giá tỉ số lỗ bít của hệ thống: cấu hình truyền dẫn ở cự ly (a) 50 km, và (b) 200 km. Trong Hình 3.11 biểu diễn mối quan hệ log10 (BER) với giá trị công suất mmW thu được sau tách sóng. Trong cả hai kết quả ta thấy rằng, để đảm bảo phẩm chất của hệ thống thì ngưỡng log10 (BER) ≤ 3.8 × 10−3 (FEC). Từ kết quả log10 (BER) của cấu hình hệ thống ở cả cự ly 50 km và 200 km thì thấy hệ thống không có lỗi khi công suất mmW thu được sau tách sóng (PD) lớn hơn – 25 dBm. 15
Chương 4 Giảm méo phi tuyến cho mạng truy cập quang hỗn hợp băng rộng Trong chương này, tôi trình bày khả năng chống chịu méo dạng tín hiệu do sự cắt xén của bộ khuếch đại công suất ở vùng bão hòa của tín hiệu OFDM và SCM-Nyquist trong bối cảnh hệ thống tích hợp quang và vô tuyến cho các mạng di động không đồng nhất tốc độ truyền cao. Bộ khuếch đại công suất lớn Hình 4.1: Bộ khuếch đại công suất SSPA với các mức bão hòa khác nhau ở biên độ trung bình. Hình 4.1 mô tả đường đặc tuyến biên độ/biên độ của bộ khuếch đại SSPA với các ngưỡng bão hòa khác nhau ứng với giá trị trung bình của biên độ tín đầu vào đã chuẩn hóa là 0.244 và được mô tả bằng điểm màu đỏ trên Hình. Giá trị p mô tả độ cong mịn của đường đặc tuyến và được đặt bằng 3 để mô phỏng các bộ khuếch đại thực tế. Ba ngưỡng bão hòa có tỷ lệ cắt 3, 5 và 7 dB ứng với biên độ bão hòa của tín hiệu đầu ra Asat lần lượt là 0.376, 0.474 và 0.597. Lưu ý rằng tỷ lệ cắt nhỏ hơn dẫn đến điểm làm việc của bộ khuếch đại được đặt gần ngưỡng bão hòa hơn, gây ra hiệu ứng cắt mạnh hơn và biến dạng tín hiệu nghiêm trọng hơn. 16
Hiệu ứng xén tín hiệu Hình 4.2: 10 Gbaud 16-QAM (a) OFDM và (b) Tín hiệu SCM-Nyquist 1 băng khi với công suất phát 0 dBm và tỷ lệ cắt (CR) là 3 dB (đường màu đỏ). Hình 4.2 mô tả tín hiệu được biểu diễn trong miền thời gian, cụ thể là, tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM (Hình 4.2a) và tín hiệu SCM-Nyquist 1 băng 10 Gbaud 16-QAM (Hình 4.2b) tại công suất phát 0 dBm và tỷ số cắt là 3 dB. Có thể lưu ý rằng, do có PAPR cao hơn, tín hiệu OFDM có các đỉnh xuất hiện khá thường xuyên do các sóng mang con được cộng dồn khi có cùng pha như thảo luận ở phần trên. Do hiệu ứng cắt, các đỉnh này bị giới hạn tại các ngưỡng cắt và gây ra méo tín hiệu. Sự biến dạng phi tuyến này trở nên nghiêm trọng trong các hệ thống truyền có tần số sóng mang cao. Kết quả mô phỏng và thảo luận Hình 4.5: Đường cong BER là hàm của SNR (dB) cho tín hiệu Nyquist 1 băng và OFDM 10 Gbaud 16-QAM ở CR 3 dB và 7 dB. 17
Hình 4.5 so sánh tỷ lệ lỗi bit BER của tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM và tín hiệu SCM-Nyquist 1 băng 10 Gbaud 16-QAM với các tỷ lệ cắt khác nhau. Chất lượng truyền dẫn hệ thống giảm đi đáng kể dưới tác động của các ngưỡng bão hòa khác nhau. Kết quả rõ ràng cho thấy các tín hiệu Nyquist đơn kênh có khả năng chống chịu hiệu ứng cắt rất lớn so với tín hiệu OFDM, đặc biệt trong trường hợp CR thấp. Ở tỷ lệ cắt CR là 3 dB, trong khi tín hiệu OFDM hoàn toàn không thể phát hiện được ở ngưỡng tỷ lệ lỗi của FEC, tín hiệu Nyquist vẫn có thể phát hiện được nếu SNR được cung cấp nhiều hơn 4.5 dB so với khi không có hiệu ứng cắt. Hình 4.6: Giản đồ chòm sao tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM (a, c) và Nyquist 1 băng (b, d) tại SNR 20 dB với CR = 3dB (a, b) và CR = 7 dB (c, d). Hình 4.6 mô tả giản đồ chòm sao của tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM và tín hiệu SCM-Nyquist 1 băng tại SNR là 20 dB trong các trường hợp CR = 7 dB và CR = 3 dB. Với các điểm làm việc của PA gần sát với ngưỡng bão hòa, tín hiệu bị méo dạng càng lớn. Tuy nhiên, nhờ có PAPR nhỏ hơn, tín hiệu SCM-Nyquist 1 băng được quan sát có biên độ vector lỗi tốt hơn nhiều, cho thấy nó có nhiều khả năng chống lại các méo dạng phi tuyến do cắt xén so với tín hiệu OFDM. SNR Penalty (dB) được biểu diễn dưới dạng hàm theo tỷ lệ cắt (dB) cho tín hiệu SCM-Nyquist 10 Gbaud 16-QAM bao gồm 1 băng, 3 băng, 5 băng và tín hiệu OFDM với cùng băng thông và định dạng điều chế (Hình 4.7). Ta rõ ràng nhận thấy, SNR Penalty giảm xuống khi tỷ lệ cắt tăng tức điểm làm việc của PA nằm càng xa vùng bão hòa. Các của tín hiệu SCM-Nyquist N băng tần có giá trị nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM, đặc biệt khi số lượng sóng mang con giảm. Hơn nữa, để đạt được mức SNR Penalty 2 dB, tín hiệu SCM-Nyquist luôn yêu cầu bộ khuếch đại công suất có tỷ lệ cắt nhỏ hơn tín hiệu OFDM. Cuối cùng, khả năng tác động của méo dạng phi tuyến từ hiệu ứng cắt cho 18
Hình 4.7: SNR Penalty (dB) là hàm theo tỷ lệ cắt (dB) cho tín hiệu OFDM và tín hiệu SCM-Nyquist N băng 10 Gbaud 16-QAM. Hình 4.11: Tỷ lệ cắt CR (dB) tối thiểu cần thiết để có được SNR Penalty là 2 dB đối với định dạng 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM tín hiệu SCM-Nyquist và OFDM. tín hiệu SCM-Nyquist và OFDM với định dạng điều chế bậc cao được nghiên cứu và trình bày trong Hình 4.11 thông qua biểu đồ mô tả mức cắt tối thiểu cần thiết để hệ thống có được mức SNR Penalty 2 dB cho tín hiệu 16-QAM, 32-QAM và 64-QAM. Các tín hiệu SCM-Nyquist có khả năng chịu đựng tốt hơn việc cắt xén và yêu cầu tỷ lệ cắt tối thiểu ít hơn so với tín hiệu OFDM, đặc biệt đối với tín hiệu Nyquist có số lượng băng ít hơn. Ngoài ra, từ Hình 5.11 cũng thấy được, tín hiệu M-QAM cấp cao hơn yêu cầu CR tối thiểu cao hơn, có nghĩa là định dạng điều chế bậc cao hơn thì nhạy hơn trong bối cảnh có xét đến việc cắt xén. 19