Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.Giảm méo phi tuyến trong hệ thống thông tin sợi quang băng rộng.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 Mã số : KỸ THUẬT VIỄN THƠNG : 9520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2023 Mở đầu Lí chọn đề tài Hệ thống thơng tin quang đóng vai trị quan trọng mạng thông tin liên lạc Hệ thống đảm bảo truyền tải dung lượng lớn khoảng cách xa chi phí truyền đơn vị bit thấp Công nghệ truyền dẫn phân cấp số đồng SDH dung lượng 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s đời từ lâu dần không đáp ứng kịp mức tăng trưởng nhanh nhu cầu dung lượng 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 máy thu quang coherence số nghiên cứu thành công đưa vào thương mại hóa Tuy nhiên, nhu cầu cao dung lượng người dùng tiếp tục tăng nhanh, kênh truyền dẫn quang băng rộng với tốc độ liệu 400 Gbit/s, Tbit/s hay cao nghiên cứu phát triển Việc phát thu tín hiệu băng rộng giúp tăng hiệu suất phổ giảm chi phí Tuy nhiên, hiệu ứng phi tuyến sợi quang tăng mạnh 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 nhanh Cho đến nay, nhiều kỹ thuật giảm méo tín hiệu cho hệ thồng truyền có tốc độ liệu thấp (dưới 50 Gbaud) nguyên cứu, kỹ thuật giảm méo tín hiệu cho hệ thống truyền băng rộng (50 Gbaud trở lên) quan trọng với ứng dụng tốc độ cao tương lai, chưa 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 thu phát băng rộng với tín hiệu định dạng điều chế cầu phương QAM nhiều mức Tôi nghiên cứu kỹ thuật bù méo phi tuyến sợi dùng phương pháp quang phương pháp số Phương pháp quang kỹ thuật sử dụng liên hợp pha quang OPC áp dụng Trong phương pháp số, kỹ thuật lan truyền ngược miền số DBP linh hoạt có độ phức tạp thấp nghiên cứu Thêm vào đó, việc tăng dung lượng truyền dẫn mạng truy cập chủ đề trội thu hút nhiều quan tâm Các thiết bị người sử dụng với đặc thù thường tập trung khu vực đô thị, thành phố lớn có mật độ dân cư đơng địa hình phức tạp Vì vậy, hệ mạng truy cập thách thức dung lượng truyền tải liệu, cịn có thách thức khả triển khai chi phí vận hành Hệ thống lai ghép kết hợp sợi quang/vô tuyến như: sóng vơ tuyến truyền qua sợi quang RoF, sóng milimét mmW truyền thông quang học không gian tự FSO chứng minh tính hiệu đáp ứng thách thức kể Để tăng chất lượng truyền dẫn tín hiệu qua mạng truy cập hỗn hợp sợi quang/vô tuyến, nghiên cứu tác động việc cắt xén tín hiệu khuếch đại cơng suất lớn ăng-ten phát sóng Đồng thời, kỹ thuật giảm méo tín hiệu xử lý kỹ thuật số phía phát thu nghiên cứu để giảm tác động dạng méo tín hiệu q trình truyền dẫn qua mạng truy cập hỗn hợp Nội dung nghiên cứu: - Phát triển 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 kỹ thuật bù phi tuyến phương pháp quang số để khắc phục 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 máy thu phát quang coherence tốc độ 100 Gbit/s - Định dạng điều chế cao cấp xử lí tín hiệu số DSP cho thơng 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 khuếch đại công suất lớn Bố cục luận án Trong chương 1, luận án trình bày tổng quan cấu trúc mạng thông tin viễn thông, nhu cầu, thách thức, vấn đề gặp phải hệ thống thông tin viễn thông ngày Đồng thời, luận án trình bày tảng lý thuyết tín hiệu lan truyền sợi quang méo dạng tín hiệu hệ thống thơng tin sợi quang băng rộng Cuối cùng, luận án giới thiệu số kỹ thuật giảm méo tuyến tính phi tuyến hệ thống thông tin sợi quang Chương trình bày kỹ thuật lan truyền ngược miền số phân tích đánh giá hiệu suất giảm méo tín hiệu kỹ thuật DBP truyền thống với bước chia cho hệ thống truyền dẫn băng rộng Tiếp đến, luận án đề xuất bước chia logarit tổng quát phương pháp tối ưu hóa bước chia tỷ số hệ số phi tuyến làm giảm độ phức tạp phía thu, nâng cao chất lượng truyền dẫn cho hệ thống truyền băng rộng Chương trình bày chất lượng đường truyền kỹ thuật bù méo liên hợp pha quang bối cảnh truyền dẫn tín hiệu quang băng rộng Ảnh hưởng tán sắc bậc ba đến hệ thống truyền sợi quang băng rộng nghiên cứu phân tích Sau đó, luận án sử dụng liên hợp pha để giảm méo phi tuyến kỹ thuật cho hệ thống truyền dẫn tần số vô tuyến RoF nhiều băng, băng rộng Trong chương 4, đưa đánh giá đề xuất phương pháp làm giảm tác động méo phi tuyến cho hệ thống truyền tải kết hợp quang/vô tuyến sử dụng khuếch đại điện công suất lớn Đồng thời, xây dựng thu phát xử lý số DSP, ứng dụng lọc thích nghi với kỹ thuật bình phương trung bình tối thiểu phía thu để khơi phục tín hiệu giảm tác động méo tín hiệu bao gồm tuyến tính lẫn phi tuyến truyền tín hiệu RoF/mmW băng tần W tín hiệu quang học truyền không gian tự băng rộng Chương Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang méo tín hiệu hệ thống thơng tin sợi quang băng rộng Trong chương này, luận án giới thiệu cấu trúc mạng thông tin viễn thông, thành phần quan trọng mạng viễn thông, sở lan truyền tín hiệu sợi quang Từ đó, luận án tiếp tục phân tích thảo luận hiệu ứng méo tín hiệu hệ thống thông tin sợi quang băng rộng Cấu trúc hệ thống thơng tin viễn thơng Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mạng thông tin quang Các thành hệ thống thơng tin sợi quang Cơ sở truyền tín hiệu sợi quang Sợi quang chất ống dẫn sóng điện mơi có khả hoạt động tần số quang học Vì ánh sáng mặt quang sóng sóng điện từ nên lan truyền sóng ánh sáng sợi quang Q trình truyền tín hiệu qua sợi quang, trường điện A(z, t) tính tốn với kết biểu diễn sau: ∂A α jβ2 ∂ A β3 ∂ A = − A− + + jγ|A|2 A | {z } ∂z } ∂T } | {z | {z∂T } |6 {z suy hao tán sắc bậc tán sắc bậc (1.45) phi tuyến Kerr đó, A = A(z, t) đường bao xung thay đổi chậm trường điện, z trục truyền sóng Và T = t − z/vg thời gian quy chiếu ứng với t thời gian vật lý, vg vận tốc nhóm α, β2 , β3 hệ số suy hao sợi, hệ số tán sắc vận tốc nhóm bậc 2, hệ số tán sc bc Phng trỡnh phi tuyn Schrăodinger mụ t phát triển xung tín hiệu truyền qua sợi quang chịu ảnh hưởng yếu tố suy hao cơng suất, méo dạng tuyến tính từ tán sắc bậc bậc kết hợp với méo dạng phi tuyến từ hiệu ứng phi tuyến Kerr Các hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc lớn vào cường độ tín hiệu hệ số phi tuyến Kerr Các méo dạng tín hiệu tuyến tính phi tuyến xuất trình truyền dẫn tác động đến hiệu suất truyền hệ thống thông tin sợi quang Hiện tượng phi tuyến Kerr Tự điều chế pha SPM Tự điều chế pha tượng méo phi tuyến hình thành chiết suất vật liệu sợi quang thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Hiệu ứng phi tuyến làm giãn nở phổ xung quang Pha tự điều chế θ SP M (z, T) định nghĩa: θ SP M (z, T ) = γLef f |A (0, T )|2 , (1.65) Hiện tượng tự điều chế pha khơng ảnh hưởng đến hình dạng sóng điện từ Q trình làm thay đổi độ dịch chuyển pha phi tuyến θSP M mà pha phi tuyến tỷ lệ thuận với hệ số phi tuyến, chiều dài hiệu Lef f cơng suất tín hiệu quang |A (0, T )|2 Mức độ mở rộng phổ tín hiệu quang tác động SPM phụ thuộc vào hình dạng xung tín hiệu truyền Sự thay đổi theo thời gian mức độ mở rộng phổ δω tạo theo biến thiên tần số Vì thế, thành phần tần số tạo liên tục tín hiệu quang lan truyền qua sợi Điều chế pha chéo XPM Khi có hai nhiều kênh quang khác đồng thời truyền dẫn qua sợi quang hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, xung kênh quang bị giãn nở miền thời gian tác động tán sắc Những xung quang giãn nở chồng chất tương tác với theo cách phi tuyến Hiện tượng gọi điều chế pha chéo X θjNL = γLef f |Aj |2 + |Am |2 , (1.68) m6=j Vế bên phải phương trình (1.68) có hai thành phần: tương ứng với tự điều chế pha điều chế pha chéo Hệ số nhân thành phần XPM phương trình cho thấy hệ thống WDM, hiệu ứng điều chế pha chéo XPM mạnh gấp đôi so với tự điều chế pha với mức công suất Độ dịch chuyển pha tổng cộng phụ thuộc vào tổng công suất tất kênh thay đổi tùy thuộc vào chuỗi bit kênh kế cận Để nâng cao hiệu suất phổ, tín hiệu quang truyền dẫn điều chế định dạng bậc cao Kết hợp với mức định dạng điều chế bậc cao tín hiệu truyền, tác động méo pha phi tuyến pha chéo trở nên trầm trọng làm giảm chất lượng đường truyền Trộn bốn bước sóng FWM Khác với tượng điều chế pha chéo, méo phi tuyến XPM hình thành công suất kênh khác tác động lên pha Trong đó, tượng trộn bốn bước sóng tạo từ việc trao đổi lượng kênh khác Chiết suất sợi quang phụ thuộc vào công suất với xuất độ nhạy cảm ứng điện bậc ba χ3 Vì thế, tượng trộn bốn bước sóng tượng méo dạng phi tuyến bậc ba Trong hệ thống truyền dẫn WDM, ba trường điện với sóng có tần số quang khác fi , fj , fk truyền dẫn đồng thời, trường điện thứ tư hình thành tần số có mơi liên hệ với trường điện cũ: fijk = fi + fj − fk , với k 6= i, j (1.70) Mức độ ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM giảm tán sắc vật liệu hay/và khoảng cách kênh khác kỹ thuật WDM tăng lên Tuy nhiên, để tăng hiệu suất phổ khoảng cách kênh WDM thiết lập nhỏ lại Ngoài ra, để giảm hiệu ứng tượng trộn bốn bước sóng này, khoảng cách kênh WDM đặt khơng Việc giúp loại bỏ tần số sinh thông qua tượng FWM mà không trùng với tần số sóng quang truyền dẫn qua sợi Thực tế khoảng cách tần số kênh khác đặt bội số 50 GHz (hoặc nhỏ hơn) Vì thế, trộn bốn bước sóng sợi quang hiệu ứng phi tuyến quan trọng tín hiệu thơng tin quang với hai thơng số dung lượng tín hiệu truyền định dạng điều chế Méo dạng tín hiệu băng thơng giới hạn thu phát Hiện nay, việc tạo tín hiệu dựa vào chuyển đổi số sang tương tự - DAC phương pháp hấp dẫn có cấu hình đơn giản khả linh hoạt để tạo tín hiệu Trong năm gần đây, việc phát tín hiệu sử dụng DAC đạt đến 100 Gbit/s cao Thêm vào đó, DAC cho phép phát tín hiệu với dạng sóng tùy ý với định dạng điều chế khác nhau, điều khiển phần mềm ngoại tuyến Tuy nhiên, ngày nay, băng thơng tín hiệu phát thường nhỏ tốc độ lấy mẫu Điều dẫn đến tín hiệu tạo phải chịu méo dạng giới hạn băng thơng gây Việc giảm méo tín hiệu băng thông giới hạn thường thực lọc đáp ứng xung hữu hạn FIR cách bù méo trước tín hiệu miền điện Phần trình bày chi tiết chương Để xác lập lọc FIR, người ta cần đo xác băng thơng hệ thống Theo phương pháp truyền thống, tín hiệu kích thích sử dụng, ví dụ tín hiệu hình sin, cho qua điều chế Mach – Zehnder Bằng cách quét tần số tín hiệu kích thích đo cơng suất quang từ đầu MZM, người ta xác định băng thơng Để hạn chế ảnh hưởng méo dạng tín hiệu phi tuyến, tín hiệu hình sin có biên độ nhỏ sử dụng Băng thơng giới hạn đo với tín hiệu có biên độ lớn bị ảnh hưởng tính phi tuyến, làm cho kết đo khơng xác Do lý giới hạn băng thông thiết bị truyền dẫn hiệu ứng lọc, chất lượng hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng nhiễu xuyên ký tự nhiễu tăng cường kênh với Méo dạng tín hiệu giới hạn cắt khuếch đại công suất lớn Nâng cao dung lượng truyền dẫn hệ thống mạng truy cập chủ đề lớn thu hút nhiều quan tâm Các thách thức lượng, tính linh hoạt lượng cho sở hạ tầng truyền tải liệu đặt Nhiều nghiên cứu hệ thống lai ghép kết hợp sóng vơ tuyến qua sợi quang sóng milimét có nhiều ưu điểm trội từ việc tận dụng băng rộng sợi quang tính linh hoạt sóng vơ tuyến Một thách thức hệ thống nâng cao tần số sóng mang dẫn đến suy hao đường dẫn sóng vơ tuyến lớn Điều gây nên nhiều áp lực cho khuếch đại công suất đặt phát sóng ăng-ten Để bù đắp cho tổn thất đường dẫn lớn, mặt kỹ thuật khuếch đại cơng suất hoạt động gần mức bão hịa tốt Điều gây méo tín hiệu phi tuyến làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng hệ thống truyền dẫn Chương Giảm méo phi tuyến sử dụng kỹ thuật lan truyền ngược miền số cho hệ thống sợi quang băng rộng Trong chương này, trình bày tảng kỹ thuật lan truyền ngược miền số, kết hợp với việc phân tích đánh giá hiệu suất bù méo phi tuyến kỹ thuật DBP truyền thống với bước chia hệ thống sợi quang băng rộng Tiếp đến, 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 tuyến truyền ảo cho hệ thống truyền đơn kênh băng rộng để giảm độ phức tạp máy thu đồng thời nâng cao hiệu suất kỹ thuật truyền ngược Kỹ thuật lan truyền ngược miền số DBP Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống kỹ thuật lan truyền ngược miền số DBP Kỹ thuật lan truyền ngược miền số kỹ thuật số máy thu với mục tiêu đảo ngược tán sắc phi tuyến bị gây q 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- phân cực y- có xét đến tương tác hai phân cực miền số máy thu biểu diễn sau: ∂Ex b+N b )Ex = − α Ex − j β2 ∂ Ex + jγ (|Ex |2 + Ey2 )Ex , = (D (2.1) −∂z ∂Ey b+N b )Ey = − α Ey − = (D −∂z 2 ∂T j ∂ Ey β2 + jγ (|Ey |2 + Ex2 )Ey , 2 ∂T (2.2) Hệ phương trình Manakov (2.1) (2.2) khơng có nghiệm phân tích xác Để thực tuyến quang ảo này, phương pháp chia bước Fourier áp dụng cách chia tuyến quang thành nhiều phần (hay gọi bước), tán sắc phi tuyến tính tốn độc lập Độ xác phương pháp chia bước Fourier phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm số lượng bước, tốc độ ký tự tín hiệu quang truyền dẫn lượng tín hiệu Hiệu suất kỹ thuật GLSS dựa tối ưu hóa khoảng cách bước Hình 2.6: SNR (dB) theo cơng suất phát (dBm) 50 Gbaud DP 16-QAM qua tuyến truyền 2400 km SSMF dùng kỹ thuật S-SSFM, GLSS (e,1) GLSS (1.5,1) với bước/phân đoạn Hình 2.6 mơ tả tỷ số công suất độ lợi nhiễu SNR (dB) hàm theo cơng suất phát cho tín hiệu 50 Gbaud DP 16-QAM qua tuyến quang dài 2400 km sợi quang đơn mode sử dụng khuếch đại EDFA với độ phức tạp tính tốn bước/phân đoạn dùng kỹ thuật chia bước S-SSFM, chia bước logarit truyền thống GLSS (e,1) chia bước logarit số a = 1.5 Kết cho thấy tầm quan trọng việc thay đổi khoảng cách bước phân đoạn tuyến quang ảo ảnh hưởng nhiều đến chất lượng tín hiệu truyền Cụ thể với việc thay đổi cách chia bước từ kỹ thuật chia sang kỹ thuật logarit truyền thống cải thiện 0.3 dB Tuy nhiên, với độ phức tạp, chất lượng hệ thống dùng kỹ thuật logarit với số a = 1.5 tăng 1.2 dB so với kỹ thuật chia bước Hiệu suất bù méo phi tuyến kỹ thuật GLSS (aopt ,1) so sánh với kỹ thuật chia bước logarit truyền thống thể thơng qua Hình 2.8 Độ lợi tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu trường hợp định nghĩa độ chênh lệch SNR cực đại GLSS (aopt ,1) GLSS (e,1) công suất phát đỉnh phi tuyến Độ lợi SNR biểu diễn hàm theo tốc độ truyền với số bước/phân đoạn khác Kết rằng, phương pháp chia bước Hình 2.8: Độ lợi SNR (dB) DBP GLSS (aopt ,1) so với GLSS (e,1) hàm theo tốc độ truyền (Gbaud) qua đường truyền 2400 km SSMF với số bước/phân đoạn khác logarit tổng quát có nhiều ưu điểm so với phương pháp chia bước logarit truyền thống đặc biệt với tốc độ truyền nhỏ 100 Gbaud Cụ thể, với bước/phân đoạn, độ lợi SNR đạt đến 1.3 dB cho tín hiệu 40 Gbaud 16-QAM Hiệu suất kỹ thuật GLSS dựa tối ưu hóa khoảng cách bước kết hợp tối ưu hệ số phi tuyến Hình 2.11: Độ lợi SNR (dB) DBP GLSS (aopt , kopt ) so với GLSS (aopt ,1) hàm theo tốc độ truyền qua 2400 km SSMF với số bước/phân đoạn khác Tiếp đến, hiệu suất bù méo kỹ thuật DBP chia bước tổng quát kết hợp tối ưu hệ số phi tuyến GLSS (aopt , kopt ) so sánh với kỹ thuật DBP áp dụng tối ưu hóa khoảng cách bước GLSS (aopt , 1) (Hình 2.11) Ta thấy rằng, việc tối ưu hóa khoảng cách bước phần lớn có tác dụng với 10 đường truyền có băng thơng nhỏ 100 Gbaud, với tốc độ lớn 100 Gbaud, hiệu suất bù méo tín hiệu phương pháp phần lớn dựa vào tỷ số hệ số phi tuyến tuyến truyền ảo sợi quang Kết kết hợp tối ưu hai thông số, hiệu suất bù méo tín hiệu tăng tín hiệu băng rộng lên đến 200 Gbaud Hình 2.14: Giới hạn tốc độ truyền tín hiệu lợi SNR = dB hàm theo số bước/phân đoạn qua 2400 km SSMF với kỹ thuật DBP chia bước đều, DBP chia bước logarit số e kỹ thuật GLSS (aopt , kopt ) Hình 2.14 giới hạn băng thơng truyền tín hiệu với độ lợi cần đạt dB so với EDC ba kỹ thuật DBP chia bước đều, chia bước logarit truyền thống kỹ thuật kết hợp tối ưu hóa kích thước bước tỷ số hệ số phi tuyến Kết cho thấy, giới hạn đạt 40 Gbaud, 90 Gbaud 135 Gbaud dùng 2, 10, 20 bước/phân đoạn Giới hạn mở rộng đến 50 Gbaud, 125 Gbaud, 185 Gbaud dùng DBP với bước logarit số e nâng cao lên 55 Gbaud, 140 Gbaud 205 Gbaud dùng phương pháp GLSS ứng với 2, 10, 20 bước/phân đoạn 11 Chương Giảm méo phi tuyến sử dụng kỹ thuật liên hợp pha quang cho hệ thống sợi quang băng rộng Trong chương này, nguyên lý hoạt động kỹ thuật sử dụng liên hợp pha quang trình bày Sau đó, tơi phân tích ảnh hưởng tán sắc bậc ba đến chất lượng hệ thống truyền dẫn sợi quang băng rộng, đồng thời, sử dụng kỹ thuật để giảm méo tín hiệu cho hệ thống truyền dẫn RoF nhiều băng Kỹ thuật bù méo tín hiệu sử dụng liên hợp pha quang Hình 3.1: Sơ đồ truyền dẫn sử dụng liên hợp pha quang OPC Hình 3.1 minh họa sơ đồ hệ thống truyền thông sợi quang sử dụng liên hợp pha quang Để mơ tả q trình thay đổi tín hiệu quang lan truyền phần đầu tuyến truyền khoảng cách lại sử dụng liên hợp pha quang OPC tóm tắt theo Bảng 3.1 Ta nhận thấy thơng số suy hao giống trước sau liên hợp pha suy hao sợi khơng thể bù đắp thông qua liên hợp pha mà bù thông qua khuếch đại quang Việc bù tán sắc vận tốc nhóm bậc hai GVD hiệu ứng phi tuyến Kerr thực thơng qua OPC giá trị hiệu ứng bị đảo ngược phép toán liên hợp, điều chứng tỏ méo dạng tín hiệu gây tán sắc bậc hai phi tuyến sau nửa đầu liên kết đường truyền bù đắp thông qua lan truyền 12 Bảng 3.1: Sự thay đổi thông số NLSE trước sau liên hợp pha quang Thông số Trước liên hợp pha Sau liên hợp pha Suy hao − α2 A − α2 A∗ j ∂ A* Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) − 2j β2 ∂∂TA2 β 2 ∂T 1 ∂3A ∂ A* Tán sắc bậc ba β3 ∂T β3 ∂T Phi tuyến Kerr jγ|A|2 A −jγ A* A* tín hiệu quang liên hợp pha nửa sau liên kết đường truyền liên hợp pha quang Ngồi ra, thành phần tán sắc bậc ba khơng đổi dấu tích lũy đường truyền giống hệ thống thông thường Ảnh hưởng tán sắc bậc ba hệ thống sợi quang băng rộng sử dụng liên hợp pha quang (a) (b) Hình 3.3: So sánh chất lượng hệ thống truyền dẫn 16-QAM OFDM sử dụng DC OPC trường hợp Rb = 50 GBaud (a) Rb = 100 GBaud (b) Hình 3.3 trình bày kết mơ so sánh chất lượng tín hiệu theo cơng suất phát lên đường truyền tác động tán sắc bậc ba (β3 =0.128 ps3 /km tương ứng với độ dốc tán sắc S =0.057 ps/nm2 /km) lên hệ thống truyền khơng có OPC (bù tán sắc máy thu - DC) có sử dụng OPC hai trường hợp Rb =50 GBaud (a) Rb =100 GBaud (b) Hình 3.3a, ta thấy tác động tán sắc bậc ba β3 =0.128 ps3 /km lên hệ thống nhỏ băng thơng tín hiệu nhỏ Tuy nhiên, trường hợp băng thơng tín hiệu lớn với Rb = 100 GBaud Hình 3.3b, độ lợi tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu suy giảm cịn 0.7 dB trường hợp β3 =0 nhỏ 0.2 dB trường hợp β3 =0.128 ps3 /km 13 (a) (b) Hình 3.5: Độ lợi tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu sử dụng OPC hàm tốc độ mẫu tín hiệu Rb trường hợp khác β3 hệ thống truyền dài 1600 km (a) 2400 km (b) Hình 3.5 khảo sát phụ thuộc độ lợi tỷ số công suất tín hiệu nhiễu sử dụng OPC (so với không dùng OPC) theo Rb trường hợp khác hệ số tán sắc bậc ba β3 cho hệ thống truyền chiều dài 1600 km (a) 2400 km (b) Có thể nhận thấy rằng, độ lợi tỷ số cơng suất tín hiệu nhiễu giảm cách nhanh chóng từ khoảng 3.5 dB Rb = 25 GBaud xuống 0.5 dB Rb lớn 75 GBaud có xuất tán sắc bậc ba Nếu xét độ lợi tỷ số công suất tín hiệu nhiễu ngưỡng lớn dB, việc sử dụng OPC có ý nghĩa tốc độ ký tự tín hiệu làm việc nhỏ 50 GBaud Hiệu suất bù méo phi tuyến 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 cơng suất thu Hình 3.10 thể kết mô EVM (%) hàm cơng suất quang phía thu với cấu hình truyền dẫn 50 km, 200 km Từ kết mơ có khoảng cách 50 km hình 3.10 cho thấy, cơng suất tín hiệu phía thu -6 dBm có băng ngưỡng EVM = 17.5 % cho định dạng điều chế QPSK, băng có giá trị EVM = 19.34 % Trong đó, với cự truyền dẫn 200 km, hình 4.10 cơng suất tín hiệu phía thu -6 dBm băng ngưỡng EVM = 17.5 % Với cơng suất thu phía quang lớn -4 dBm, hiệu suất bù OPC cho đường truyền với khoảng cách ngắn tốc độ 10 GBaud QPSK đảm bảo 14 (a) (b) Hình 3.10: EVM(%) hàm theo cơng suất quang phía thu với (a) cấu hình truyền dẫn cự ly 50 km (b) cấu hình truyền dẫn cự ly 200 km Đánh giá hiệu bù méo tín hiệu cho hệ thống truyền dùng OPC theo cơng suất sóng mmW phía thu (a) (b) Hình 3.11: Đánh giá tỉ số lỗ bít hệ thống: cấu hình truyền dẫn cự ly (a) 50 km, (b) 200 km Trong Hình 3.11 biểu diễn mối quan hệ log10 (BER) với giá trị cơng suất mmW thu sau tách sóng Trong hai kết ta thấy rằng, để đảm bảo phẩm chất hệ thống ngưỡng log10 (BER) ≤ 3.8 × 10−3 (FEC) Từ kết log10 (BER) cấu hình hệ thống cự ly 50 km 200 km thấy hệ thống khơng có lỗi cơng suất mmW thu sau tách sóng (PD) lớn – 25 dBm 15 Chương Giảm méo phi tuyến cho mạng truy cập quang hỗn hợp băng rộng Trong chương này, tơi trình bày khả chống chịu méo dạng tín hiệu cắt xén khuếch đại cơng suất vùng bão hịa tín hiệu OFDM SCM-Nyquist bối cảnh hệ thống tích hợp quang vô tuyến cho mạng di động không đồng tốc độ truyền cao Bộ khuếch đại cơng suất lớn Hình 4.1: Bộ khuếch đại cơng suất SSPA với mức bão hòa khác biên độ trung bình Hình 4.1 mơ tả đường đặc tuyến biên độ/biên độ khuếch đại SSPA với ngưỡng bão hòa khác ứng với giá trị trung bình biên độ tín đầu vào chuẩn hóa 0.244 mô tả điểm màu đỏ Hình Giá trị p mơ tả độ cong mịn đường đặc tuyến đặt để mô khuếch đại thực tế Ba ngưỡng bão hịa có tỷ lệ cắt 3, dB ứng với biên độ bão hịa tín hiệu đầu Asat 0.376, 0.474 0.597 Lưu ý tỷ lệ cắt nhỏ dẫn đến điểm làm việc khuếch đại đặt gần ngưỡng bão hòa hơn, gây hiệu ứng cắt mạnh biến dạng tín hiệu nghiêm trọng 16 Hiệu ứng xén tín hiệu Hình 4.2: 10 Gbaud 16-QAM (a) OFDM (b) Tín hiệu SCM-Nyquist băng với công suất phát dBm tỷ lệ cắt (CR) dB (đường màu đỏ) Hình 4.2 mơ tả tín hiệu biểu diễn miền thời gian, cụ thể là, tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM (Hình 4.2a) tín hiệu SCM-Nyquist băng 10 Gbaud 16-QAM (Hình 4.2b) cơng suất phát dBm tỷ số cắt dB Có thể lưu ý rằng, có PAPR cao hơn, tín hiệu OFDM có đỉnh xuất thường xuyên sóng mang cộng dồn có pha thảo luận phần Do hiệu ứng cắt, đỉnh bị giới hạn ngưỡng cắt gây méo tín hiệu Sự biến dạng phi tuyến trở nên nghiêm trọng hệ thống truyền có tần số sóng mang cao Kết mơ thảo luận Hình 4.5: Đường cong BER hàm SNR (dB) cho tín hiệu Nyquist băng OFDM 10 Gbaud 16-QAM CR dB dB 17 Hình 4.5 so sánh tỷ lệ lỗi bit BER tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM tín hiệu SCM-Nyquist băng 10 Gbaud 16-QAM với tỷ lệ cắt khác Chất lượng truyền dẫn hệ thống giảm đáng kể tác động ngưỡng bão hòa khác Kết rõ ràng cho thấy tín hiệu Nyquist đơn kênh có khả chống chịu hiệu ứng cắt lớn so với tín hiệu OFDM, đặc biệt trường hợp CR thấp Ở tỷ lệ cắt CR dB, tín hiệu OFDM hồn tồn khơng thể phát ngưỡng tỷ lệ lỗi FEC, tín hiệu Nyquist phát SNR cung cấp nhiều 4.5 dB so với khơng có hiệu ứng cắt Hình 4.6: Giản đồ chịm tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM (a, c) Nyquist băng (b, d) SNR 20 dB với CR = 3dB (a, b) CR = dB (c, d) Hình 4.6 mơ tả giản đồ chịm tín hiệu OFDM 10 Gbaud 16-QAM tín hiệu SCM-Nyquist băng SNR 20 dB trường hợp CR = dB CR = dB Với điểm làm việc PA gần sát với ngưỡng bão hịa, tín hiệu bị méo dạng lớn Tuy nhiên, nhờ có PAPR nhỏ hơn, tín hiệu SCM-Nyquist băng quan sát có biên độ vector lỗi tốt nhiều, cho thấy có nhiều khả chống lại méo dạng phi tuyến cắt xén so với tín hiệu OFDM SNR Penalty (dB) biểu diễn dạng hàm theo tỷ lệ cắt (dB) cho tín hiệu SCM-Nyquist 10 Gbaud 16-QAM bao gồm băng, băng, băng tín hiệu OFDM với băng thơng định dạng điều chế (Hình 4.7) Ta rõ ràng nhận thấy, SNR Penalty giảm xuống tỷ lệ cắt tăng tức điểm làm việc PA nằm xa vùng bão hịa Các tín hiệu SCM-Nyquist N băng tần có giá trị nhỏ so với tín hiệu OFDM, đặc biệt số lượng sóng mang giảm Hơn nữa, để đạt mức SNR Penalty dB, tín hiệu SCM-Nyquist ln u cầu khuếch đại cơng suất có tỷ lệ cắt nhỏ tín hiệu OFDM Cuối cùng, khả tác động méo dạng phi tuyến từ hiệu ứng cắt cho 18 Hình 4.7: SNR Penalty (dB) hàm theo tỷ lệ cắt (dB) cho tín hiệu OFDM tín hiệu SCM-Nyquist N băng 10 Gbaud 16-QAM Hình 4.11: Tỷ lệ cắt CR (dB) tối thiểu cần thiết để có SNR Penalty dB định dạng 16-QAM, 32-QAM 64-QAM tín hiệu SCM-Nyquist OFDM tín hiệu SCM-Nyquist OFDM với định dạng điều chế bậc cao nghiên cứu trình bày Hình 4.11 thơng qua biểu đồ mơ tả mức cắt tối thiểu cần thiết để hệ thống có mức SNR Penalty dB cho tín hiệu 16-QAM, 32-QAM 64-QAM Các tín hiệu SCM-Nyquist có khả chịu đựng tốt việc cắt xén yêu cầu tỷ lệ cắt tối thiểu so với tín hiệu OFDM, đặc biệt tín hiệu Nyquist có số lượng băng Ngồi ra, từ Hình 5.11 thấy được, tín hiệu M-QAM cấp cao yêu cầu CR tối thiểu cao hơn, có nghĩa định dạng điều chế bậc cao nhạy bối cảnh có xét đến việc cắt xén 19 Kết luận hướng phát triển Kết luận Trong luận án, kỹ thuật giảm méo tín hiệu thơng dụng sử dụng bối cảnh hệ thống thông tin sợi quang băng rộng Nhiệm vụ sử dụng phù hợp, hiệu kỹ thuật giảm méo tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng khoảng cách truyền dẫn Các kỹ thuật bao gồm kỹ thuật giảm méo tín hiệu miền điện DBP, kỹ thuật giảm méo tín hiệu miền quang OPC, kỹ thuật bình phương tối thiểu để giảm méo khơi phục tín hiệu phía thu Các đóng góp luận án Đóng góp thứ nhất: Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật lan truyền ngược miền số tiên tiến dựa việc tối ưu kích thước bước logarit tổng quát hệ số phi tuyến Kerr Kỹ thuật đề xuất giúp cải thiện đáng kể hiệu suất bù méo phi tuyến cho hệ thống truyền dẫn băng rộng so với kỹ thuật truyền thống Cụ thể là, xét hệ thống truyền tín hiệu 40 Gbaud DP-16QAM qua 2400 km, phương pháp đề xuất đạt độ lợi SNR 1.3 dB so với phương pháp chia bước logarit tự nhiên với bước/phân đoạn Vì vậy, phương pháp đề xuất giảm độ phức tạp máy thu, nâng cao hiệu suất kỹ thuật lan truyền ngược miền số Đóng góp thứ hai: Nghiên cứu hiệu suất bù méo phi tuyến kỹ thuật sử dụng OPC có xét ảnh hưởng tán sắc bậc ba hệ thống sợi quang băng rộng Kết cho thấy, tác dụng bù méo phi tuyến liên hợp pha quang trở nên đáng kể với hệ thống truyền băng thông nhỏ 50 Gbaud Trong trường hợp hệ thống sợi quang băng rộng, ảnh hưởng tán sắc bậc ba yếu tố suy giảm khác trở nên đáng kể, làm giảm nghiêm trọng hiệu suất bù méo phi tuyến liên hợp pha quang Đồng thời, nghiên cứu hiệu suất kỹ thuật sử dụng OPC cho hệ thống RoF nhiều băng, băng rộng Cụ thể là, hệ thống RoF truyền thành cơng tín hiệu QPSK nhiều băng, băng rộng tần số 95 GHz qua hệ thống mô có chiều dài 50 km 200 km Kỹ thuật dùng liên hợp pha 20 quang giảm méo phi tuyến đáp ứng khả truyền dẫn cho hệ thống RoF băng rộng Đóng góp thứ ba: Nghiên cứu đề xuất sử dụng kỹ thuật ghép kênh SCMNyquist nhằm giảm méo phi tuyến tượng bão hịa khuếch đại cơng suất hệ thống truy cập quang hỗn hợp băng rộng Tôi rằng, tín hiệu SCM-Nyquist có tỷ lệ cơng suất đinh trung bình PAPR nhỏ so trường hợp OFDM, tín hiệu có khả kháng chịu hiệu ứng cắt xén Và, tín hiệu SCM-Nyquist trì khả chống méo cắt xén khuếch đại bão hòa tốt OFDM cho điều chế QAM cấp cao Tiếp đó, luận án phát triển xử lý tín hiệu số DSP hiệu thu/phát quang nhằm khơi phục tín hiệu, bù méo tuyến tính phi tuyến cho hệ thống truy cập quang hỗn hợp băng rộng sử dụng cơng nghệ RoF, FSO mmW Các kết thí nghiệm cho thấy, hệ thống có khả truyền tín hiệu SCM-Nyquist hai chiều qua hệ thống sợi quang/vô tuyến liền mạch băng tần W; tốc độ truyền đạt 45 Gbit/s cho đường xuống 20 Gbit/s cho đường lên Với hệ thống không đồng lai ghép sợi quang - mmW/FSO, tốc độ truyền tín hiệu SCM-Nyquist đạt 100 Gbit/s đường xuống 50 Gbit/s đường lên Hướng phát triển luận án: Tôi đưa đề xuất số kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn tín hiệu qua hệ thống thông tin sợi quang băng rộng đạt số kết Tuy nhiên, kết đạt có số hạn chế định hướng phát triển tương lai luận án Do giới hạn độ phức tạp xử lý số công nghệ tại, kỹ thuật lan truyền ngược miền số trình bày đề xuất cho hệ thống truyền đơn kênh Kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu phát triển cho tín hiệu ghép kênh theo bước sóng WDM Ngồi ra, kỹ thuật lan truyền ngược miền số cần biết trước thông số sợi quang suy hao, tán sắc, phi tuyến khoảng cách truyền dẫn Điều dẫn đến khó khăn hệ thống linh hoạt hệ thống có sợi quang bị tổn hao theo thời gian Đây hướng phát triển tương lai đề tài Kỹ thuật sử dụng liên hợp pha quang OPC đặt đường truyền để bù méo tín hiệu phi tuyến có nhiều ưu điểm OPC có băng thơng rộng, hoạt động cho nhiều tín hiệu WDM đồng thời có hiệu suất lượng cao Tuy nhiên, bối cảnh đường truyền tại, việc 21 sử dụng phần lớn khuếch đại quang EDFA có giãn đồ lượng không đối xứng hạn chế khả giảm méo tín hiệu kỹ thuật Vì thế, kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu với tuyến truyền có giản đồ lượng đối xứng Đồng thời, ảnh hưởng tán sắc bậc ba ảnh hưởng dịch pha liên hợp pha quang OPC cần tiếp tục nghiên cứu bối cảnh Với số khó khăn thiết bị công nghệ truyền dẫn tín hiệu di động băng thơng rộng qua hệ thống truy cập quang hỗn hợp quang - vô tuyến, thí nghiệm thực nhà với điều kiện truyền dẫn tương đối tốt khoảng cách truyền dẫn ngồi khơng gian tự ngắn Các thí nghiệm ngồi trời kỳ vọng thực tương lai gần Đồng thời, tác động hiệu ứng cắt xén khuếch đại PA cần nghiên cứu đánh giá thơng qua thí nghiệm Ngoài ra, để tiếp tục nâng cao dung lượng truyền dẫn, hệ thống MIMO cần áp dụng xử lý số DSP cho hệ thống cần tiếp tục phát triển hoàn thiện 22 Danh mục cơng trình cơng bố I Cơng trình sử dụng luận án Nguyen Van Dien et al., “Digital back-propagation optimization for highbaudrate single-channel optical fiber transmissions”, Optics Communications, 2021, Vol 491, 126913, ISSN 0030-4018 Nguyen Van Dien et al., “Tolerance of SCM Nyquist and OFDM signals for heterogeneous fiber-optic and millimeter-wave mobile backhaul links under the effect of power amplifier saturation induced clipping”, Computer Networks, 2022, Vol 204, 108697, ISSN 1389-1286 Nguyễn Văn Điền et al., “Ảnh hưởng tán sắc bậc ba hệ thống truyền dẫn sợi quang sử dụng liên hợp pha”, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia 2017 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (REV-ECIT), pp 74-78, 2017 Nguyễn Văn Điền et al., “Mơ truyền tín hiệu sợi quang sử dụng phương pháp chia bước Fourier”, Tạp chí Đại học Đà Nẵng, Vol 19, No 1, pp 25-29, 2021 Nguyễn Hồng Kiểm, Nguyễn Đức Bình, Nguyễn Thế Quang, Nguyễn Văn Điền, Nguyễn Vy Rin, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Tấn Hưng, Nguyễn Đông Nhật, “Đánh giá phẩm chất hệ thống RoF tín hiệu QPSK nhiều băng tần số 95 GHz”, REV-ECIT, pp 102-107, 2020 II Cơng trình tham gia nghiên cứu khoa học Nguyen Van Tuan, Nguyen Van Dien, et al., “An adaptive algorithm for Performance Enhancement of Long-Haul MMW/RoF System for Next Generation Mobile Communications”, International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, Vol 40, No 4, pp 267 - 276, 2021 Pham Tien Dat, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamamoto, Nguyen Van Dien, Nguyen Tan Hung, Tetsuya Kananishi, “Full-Duplex Transmission of Nyquist SCM Signal over a Seamless Bidirectional Fiber-Wireless System in WBand”, OFC, pp 1-3, 2019 23 Pham Tien Dat, Hideo Fujita, Mitsuji Matsumoto, Nguyen Van Dien, Nguyen Tan Hung, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamanoto, “Hybrid FSO/MMW System for High-Speed and Reliable Mobile Fronthaul System”, ECOC, pp 1-4, 2019 Nguyen Van Dien, et al., ”Impact of timing mismatch in multicarrier spectral-slicing transmission system using a single coherent receiver”, 2017 NICS, pp 275-280, 2017 10 Nguyen Duc Binh, Nguyen Van Dien, et al., “Impact of Frequency Shift on Nonlinear Compensation Using Optical Phase Conjugation for M-QAM Signals”, REV Journal on Electronics and Communication, Vol 9, No 3-4, pp 55-62, 2019 11 Nguyen Duc Binh, Nguyen Van Dien, et al., “Nonlinearity compensation in DWDM metro systems using optical phase conjugation”, 2019 ATC, pp 193-197, 2019 12 Nguyen Duc Binh, Nguyen Van Dien, et al., “Performance improvement of nonlinearity compensation using optical phase conjugation for metro DWDM systems with optical add drop multiplexers”, Journal of Science and Technique, Le Quy Don Technical University, No 212, pp 48-63, 2020 13 Nguyen Hong Kiem, Nguyen Van Dien, et al , “Performance analysis and optimization of hybrid fiber/FSO dual-polarization 16-QAM data link under different weather condition”, 2020 ATC, pp 24-29, 2020 14 Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền, Nguyễn Tấn Hưng, “Khảo sát hiệu hệ thống truy cập quang – vô tuyến dải bước sóng milimét cho thơng tin di động hệ mới”, Tạp chí Đại học Đà Nẵng, Vol 18, No 7, pp 18-23, 2020 15 Nguyen Van Tuan, Nguyen Van Dien et al., “Investigating the Performance of SCM/mmW/RoF Optical-Wireless Access System for Next Generation Communications”, Journal of Science and Technology: Issue on Information and Communications Technology, Vol 3, No 2, pp 43-50, 2021 16 Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Văn Điền, “Khảo sát hiệu hệ thống thông tin quang WDM mmW/RoF sử dụng tiền khuếch đại quang máy thu coherence”, Tạp chí Đại học Đà Nẵng, 5(126), Vol 1, pp 120-124, 2018 24