Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Phân tích nguồn Laser cho mạng quang thụ động

Sử dụng nguồn laser VCSEL trên nền công ngệ coherent PON được xem là một giải pháp mới cho mạng truy cập quang trong tương lai với khả năng cung cấp băng thông cao.. Sử dụng phần mềm Opt

Giới thiệu tổng quan

Tổng quan

Ngày nay sự phát triển vượt bậc của ngành viễn thông đã mang lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, trong những năm gần đây nhờ những tiến bộ không ngừng trong công nghệ lượng tử ánh sáng ( các laser thu phát quang ), các thiết bị cung cấp cho mạng truyền dẫn quang và giá thành triển khai cáp sợi quang trên toàn thế giới đã trở nên rẻ hơn trước đây, cũng như chất lượng sợi quang đã được cải thiện đáng kể về độ suy hao và tán sắc Những đều đó đã thúc đẩy mạng thông tin quang phát triển vô cùng mạnh mẽ làm cho dung lượng truyền dẫn mạng lõi gia tăng phi thường trong suốt thập kỷ qua Các hệ thống truyền dẫn quang thương mại tốc độ 1 Tb/s đã được triển khai sử dụng và công nghệ truyền dẫn cáp quang đã đạt dung lượng 10Tb/s trên mỗi sợi quang đơn Bên cạnh sự phát triển vược bậc của mạng lõi thì mạng truy cập phía người dùng vẫn chưa theo kịp sự phát triển này

Công nghệ cáp đồng hiện tại là cầu nối chủ yếu giữa người dùng và mạng lõi đang dần đạt đến giới hạn về băng thông và không thể triển khai khi thuê bao ở khoảng cách khá xa và tạo thành cái gọi là nút cổ chai ở phía người sử dụng Hiện nay do việc cải tiến mạnh mẽ về hiệu suất của các thiết bị điện tử kỹ thuật số và các thế hệ máy tính nói chung đã làm cho các dịch vụ đa phương tiện có khả năng được mở rộng như video theo yêu cầu, hội nghị truyền hình, truyền hình độ nét cao (HDTV), học trực tuyến, trò chơi tương tác, thoại qua IP, và các dịch vụ khác với tốc độ phát triển nhanh chóng của những dịch vụ đòi hỏi băng thông cao như những dịch vụ video và đang nổi lên những ứng dụng phục vụ cho những nhu cầu giải trí như game online, IPTV đã thúc đẩy sự phát triển của những công nghệ mới để làm thỏa mãn những nhu cầu trên Hình 1.1 dự báo sự tăng lưu lượng truy cập Internet của người dùng trên toàn cầu từ năm 2012-2017 [22] Xét về khu vực ta thấy rằng vào năm 2017 ở khu vực Châu Á chiếm lưu lượng cao nhất 47.1 %, xét về thiết bị công nghệ thì Smartphone chiếm lưu lượng cao nhất 67.5 %, còn về loại dữ liệu thì Mobile Video chiếm cao nhất 66.5 %, đến năm 2017 thì lưu lượng truy cập tăng đến 11.2 EB

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 3

Hình 1 1: Dự báo sự tăng lưu lượng truy cập Internet toàn cầu từ 2012-2017 Để giải quyết vấn đề nút cổ chai phía người sử dụng, công nghệ truy cập quang băng thông rộng như mạng quang thụ động (PONs) đã ra đời Công nghệ mạng quang thụ động còn được hiểu là công nghệ mạng quang truy cập giúp tăng cường kết nối giữa các nút mạng truy cập của nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng với không có bất kỳ thành phần tích cực nào từ phía OLT đến ONU, điều này làm giảm chi phí triển khai, vận hành khai thác bảo dưỡng mạng là sự lựa chọn tối ưu cho các nhà khai thác mạng trong bài toán hiệu quả chi phí

Trong đó, mạng G-PON có tốc độ Downstream đạt tới 10 Gb/s, tốc độ Upstream 2.5 Gb/s Tuy nhiên, do sự phát triển liên tục của các dịch vụ đa phương tiện và nhu cầu sử dụng những dịch vụ này với băng thông rộng ngày càng cao

Thực tế, đã có nhiều nhà cung cấp dịch vụ đã sẵn sàng cung cấp với tốc độ truy cập lên đến 1 Gbps cho những thuê bao của họ [22] Ngoài ra, theo kế hoạch đến năm 2020, tốc độ truy cập của mạng quang lên đến 10 Gb/s, năm 2030 tốc độ lên tới 100

Từ yếu tố trên việc cải thiện mạng GPON lên tốc độ cao hơn để đảm bảo đáp ứng dung lượng ngày càng tăng đảm bảo chi phí và tận dụng hạ tầng sẵn có đang là mối quan tâm của các nhà sản xuất đưa ra giải pháp

Công nghệ coherent detection sử dụng nguồn laser VCSEL làm laser cục bộ trong mạng PON cũng được nghiên cứu và là một giải pháp cho tương lai của mạng truy nhập PON Đề tài đưa ra giải pháp sử dụng điều chế vi sai để giải điều chế tín hiệu điều pha quang không sử dụng nguồn laser cục bộ trong mạng PON để tiết kiệm chi phí, giảm độ phức tạp ở mạch thu, linh hoạt và có thể sử dụng laser nguồn phát là VCSEL.

Lý do và mục đích chọn đề tài

Hiện nay với tốc độ dung lượng truy cập rất nhanh chóng, việc nâng cấp mạng GPON lên thế hệ tiếp theo được đặc biệt quan tâm và xem xét để tiết kiệm chi phí khi tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng GPON

Phân tích chất lượng của Laser lên hệ thống PON

- Sử dụng phương pháp cải tiến kết hợp pha vi sai (differential coherent) để giải điều chế tín hiệu điều chế giảm giá thành bộ thu, nâng cao dung lượng truyền dẫn

- Phương pháp mới này áp dụng cho mạng PON

- Sử dụng nguồn laser VCSEL có chi phí thấp để nâng tốc độ mạng GPON hiện tại lên 10Gb/s

- Tiết kiệm chi phí, tận dụng cơ sở hạ tầng hiện tại của mạng cáp quang để phát triển lên tốc độ cao hơn

- Tiết kiệm chi phí không dùng Laser cục bộ để gải điều chế theo phương pháp giải điều chế kết hợp.

Phạm vi nghiên cứu đề tài

Phạm vi và phương thức nghiên cứu của đề tài tập trung vào vấn đề phân tích nguồn laser DFB và VCSEL cho mạng GPON và mạng XGPON

Dùng phương pháp điều chế pha vi sai và phương pháp điều chế cường độ trực tiếp để đánh giá thông qua phần mềm Optisystem 7

Mô phỏng tương ứng các trường hợp dùng nguồn phát laser VSCEL và laser DFB đối với các trường hợp dữ liệu đầu vào như sau

Tốc độ hướng xuống, chiều dài và công suất thực hiện chạy mô phỏng được giới hạn như sau:

Tốc độ đường xuống 5Gb/s, 10Gb/s

Chiều dài cáp quang từ 20km đến 30km

Công suất phát cho Laser VCSEL 0dBm, Laser DFB 6dbm

Tốc độ hướng xuống sử dụng 5Gb/s và 10Gb/s để đánh giá tăng tốc độ mạng GPON từ 2.5Gb/s lên 5Gb/s và 10Gb/s dùng phương thức kết hợp vi sai để so sánh với phương thức điều chế cường độ trực tiếp trong mạng XGPON có tốc độ đường xuống 10Gb/s

Chiều dài bị hạn chế trong khoảng từ 20km đến 30km vì khi tăng khoảng cách lên trên 30km làm tăng suy hao và tán sắc nên dẫn đến BER tăng cao trong trường hợp dùng nguồn phương pháp điều chế pha vi sai và điều chế cường độ trực tiếp

Sử dụng công suất phát của nguồn Laser tương ứng từ 0dBm và 6 dBm để đánh giá bản chất của các nguồn laser gồm công suất của laser VCSEL và laser DFB đối với hệ thống Việc phân tích các laser này được trình bày kĩ trong chương

2 Đề tài sử dụng phương pháp điều chế pha vi sai và điều chế cường độ trực tiếp đê tiến hành phân tích các ưu điểm và khuyết điểm của từng phương pháp và đưa ra giải pháp lựa chọn.

Phương pháp nghiên cứu

Do không có điều kiện thực hiện trên mô hình thật để đánh giá kết quả, luận văn dùng phần mềm mô phỏng Optisystem 7 để thiết lập mô hình điều chế vi sai và mô hình điều chế cường độ trực tiếp thu thập dữ liệu đối với các trường hợp

Dùng chương trình Matlab 2013 để phân tích các dữ liệu thu được đối với phương pháp điều chế pha vi sai, sau đó đưa ra các giải thuật toán và đánh giá kết quả BER thu được tương ứng Đới với phương pháp điều chế cường độ trực tiếp phân tích các yếu tố như công suất nguồn laser, chiều dài, tốc độ ảnh hưởng đến hệ thống

Phân tích và so sánh cả hai trường hợp điều chế trên và xác định được yếu tố nào ảnh hưởng đến hệ thống nhiều nhất, sau đó đưa ra giải pháp lựa chọn cho tương lai.

Các đóng góp của luận văn

Thực hiện mô hình và mô phỏng Optisystem đánh giá nguồn laser hệ trong mạng truy cập GPON và XGPON dùng phương thức điều chế cường độ trực tiếp và phương pháp điều chế pha vi sai

Sử dụng phương pháp cải tiến mới hiện nay là kết hợp pha vi sai để giải tín hiệu điều chế trong mạng PON, phương thưc này làm giảm giá thành rất nhiều so với công nghệ coherent detection sử dụng nguồn laser cục bộ để giải điều chế tín hiệu điều chế pha ánh sáng quang

Luận văn cũng đóng góp được điều quan trọng là việc cải tiến sử dụng nguồn Laser VCSEL có công suất thấp giá rẽ hơn trong mạng PON dùng phương pháp điều chế pha vi sai sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp dùng điều chế cường độ trực tiếp không sử dụng được Laser VCSEL có công suất thấp cho hướng xuống (Downlink)

Sử dụng mạng hạ tầng cáp quang sẵn có đối với mạng truy cập PON hiện nay đang áp dụng Với luận văn trên em cũng mạnh dạn đề xuất với Công ty đầu tư thiết bị công nghệ kết hợp vi sai mạng PON sử dùng nguồn Laser VCSEL để tăng tốc độ mạng GPON từ 2.5Gbps lên 10Gbps trong tương lai

Phân tích các nguồn Laser trong mạng PON, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của PON, kỹ thuật điều chế cường độ trực tiếp và điều chế vi sai

Phân tích các nguồn LASER sử dụng cho mạng PON

Trong mạng PON hiện nay đang sử dụng các loại nguồn Laser là laser Fabry Perot (FP laser), laser phản hồi phân bố (distributed feedback laser – DFB laser) và laser phát xạ bề mặt dùng hốc cộng hưởng dọc (vertical-cavity surface-emitting laser – VCSEL) Đối với Laser Fabry Perot: Hình 2.1 mô tả cấu tạo của một laser Fabry Perot dùng cấu trúc double heterojunction và điện cực dạng dải để tập trung hạt mang điện Chiết suất của vùng tích cực cao hơn chiết suất của vùng xung quanh để tập trung photon vào ống dẫn sóng hình trụ ở giữa khối bán dẫn Tên gọi Fabry Perot bắt nguồn từ việc laser này dùng cấu trúc hốc cộng hưởng gồm hai mặt phản xạ, vốn là phát minh của hai nhà vật lý người Pháp Charles Fabry và Alfred Perot Hai mặt phản xạ này được tạo thành bằng cách mài nhẵn và phủ thêm các lớp phản xạ ở hai đầu của khối bán dẫn Cách hoạt động của laser này hoàn toàn tương tự như phần lý thuyết trình bày ở trên

Hình 2.1: Cấu tạo của một FP laser bán dẫn Đặc điểm của hốc cộng hưởng Fabry Perot là rất nhiều bước sóng bị phản xạ

Tùy vào chất lượng chế tạo, số lượng mode nằm trong băng thông khuếch đại có thể khá nhiều như thể hiện trong phổ quang ở hình 2.2 FP laser, do đó, còn được gọi là laser đa mode Khi FP laser được điều chế với tín hiệu xung điện có tần số cao hoặc thay đổi nhiệt độ, sự thay đổi mật độ hạt dẫn và thay đổi chiết suất làm dịch bước

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 8 sóng trung tâm (chirp) hoặc chuyển bước sóng trung tâm từ mode này sang mode khác Do bước sóng không ổn định và độ rộng phổ quang lớn, FP laser không được ưu chuộng cho các hệ thống thông tin quang chất lượng cao Chẳng hạn, một đường truyền 10 Gb/s dùng FP laser chỉ truyền được khoảng 1 km [23]

Hình 2.2: Phổ quang của một FP laser bán dẫn [25]

2.1.2 Laser phản hồi phân bố (distributed feedback laser – DFB laser): Điểm khác biệt chủ yếu của DFB laser là thay mặt phản xạ trong FP laser bằng mặt phản xạ Bragg Phản xạ Bragg là hệ quả của lý thuyết về nhiễu xạ Bragg (Bragg diffraction) do hai cha con nhà vật lý người Anh William Lawrence Bragg và William Henry Bragg công bố vào năm 1913 Nội dung tóm lược như sau: trong môi trường truyền dẫn ánh sáng, nếu chiết suất môi trường thay đổi tuần tự với khoảng cách một chu kỳ thay đổi là Λ, tương tác giữa ánh sáng tán xạ và lan truyền sẽ làm cho bước sóng thỏa điều kiện sau bị phản xạ ngược lại hướng truyền ban đầu:

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của DBR laser (trái) và DFB laser (phải)

Hình 2.4: Cấu tạo của một DFB laser bán dẫn

Hình 2.5: Phổ quang của một DFB laser bán dẫn dùng cấu trúc quantum well

Bằng cách tạo ra sự thay đổi chiết suất tuần tự trong hốc cộng hưởng laser, chỉ có một bước sóng duy nhất là λ Bragg bị phản xạ và tồn tại trong hốc cộng hưởng

Kết quả là phổ bức xạ laser chỉ có một mode Do đó, DFB laser có phổ quang hẹp hơn và bước sóng ổn định hơn

Về cấu tạo, tiền thân của DFB laser là Distributed Bragg Reflector laser (DBR laser) Trong DBR laser, hai mặt phản xạ được thay thế bằng hai vùng phản xạ Bragg Bằng cách tạo ra các dợn sóng tuần hoàn ở tiếp xúc của hai chất bán dẫn, chiết suất tương ứng sẽ thay đổi tuần tự và sinh ra hiện tượng phản xạ Bragg ở hai đầu hốc cộng hưởng DBR laser có công suất rất cao nhưng có bước sóng trong vùng 740-1083 nm nên không dùng cho truyền thông tin Sau năm 2000, cấu trúc cải tiến chuyển các dợn sóng trên vào trong hốc cộng hưởng, công suất phát tuy giảm nhưng vẫn đủ cho các ứng dụng truyền thông tin Cấu trúc này lại dễ chế tạo

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 10 cho các bán dẫn bức xạ trong vùng 1300-1550 nm Do λ Bragg không bị phản xạ một lần ở mặt phản xạ như DBR laser mà phản xạ từng phần với độ phản xạ tăng dần dọc theo hốc cộng hưởng, laser có cấu trúc này được gọi là laser phản hồi phân bố

Cấu tạo của một DFB laser dùng cấu trúc quantum well và điện cực dạng dải để tập trung hạt mang điện Tương tự như FP laser, chiết suất của vùng tích cực cao hơn chiết suất của vùng xung quanh để tập trung photon vào vùng tích cực ở giữa khối bán dẫn Tuy nhiên, phía trên vùng tích cực có cấu trúc dợn sóng để tạo phản xạ Bragg Phổ quang của một DFB laser thực tế thể hiện trong Hình Hiện nay, DFB laser là loại laser bán dẫn phổ biến nhất trong các hệ thống thông tin quang

2.1.3 Cấu tạo của một nguồn laser VCSEL

Hình 2.6: Cấu tạo của một VCSEL

Hình 2.7: Phổ quang của một VCSEL

Laser phát xạ bề mặt dùng hốc cộng hưởng dọc (vertical-cavity surface- emitting laser – VCSEL): điểm khác biệt chủ yếu của VCSEL (phát âm là vic-sel) so với FP laser và DFB laser là phát xạ trên bề mặt chứ không phải phát xạ tại cạnh

Cấu tạo của một VCSEL thể hiện trong hình 2.6 Hai mặt phản xạ nằm phía trên và phía dưới vùng tích cực có cấu tạo từ nhiều lớp bán dẫn xen kẽ nhau để tạo nên phản xạ Bragg như trong DBR laser Hai vùng này cũng đồng thời tạo nên tiếp giáp p-n ở trên và dưới vùng tích cực Ánh sáng sẽ dao động giữa hai mặt trên / dưới thay vì dao động dọc theo chiều dài hốc cộng hưởng Do khoảng cỏch này rất nhỏ (~1àm), cú rất ớt bước súng cộng hưởng Kết hợp với phản xạ Bragg ở hai mặt trên và dưới, chỉ còn một bước sóng được cộng hưởng và phát xạ theo chiều dọc ra khỏi bề mặt laser

Do vùng tích cực nhỏ hơn FP laser và DFB laser, VCSEL có dòng lái nhỏ hơn nhiều lần (khoảng vài chục mA) VCSEL có thể điều chế được với tín hiệu có tần số cao hơn DFB laser Búp sóng ánh sáng phát ra cũng có dạng hình nón đối xứng chứ không phải ellipse như DFB laser nên dễ dàng ghép vào sợi quang hơn

Hơn nữa, do phát xạ bề mặt, nhiều VCSEL có thể được ghép cạnh nhau trên một tấm bán dẫn để tiết kiệm diện tích Tuy nhiên, hốc cộng hưởng nhỏ dẫn đến công suất phát cũng nhỏ hơn DFB laser Do đó, VCSEL thường dùng trong các tuyến truyền cự ly ngắn hơn thay thế cho LED như trong các mạng LAN

2.1.4 Đặc tính điều chế của Laser

Nguồn laser thường chia làm hai chế độ hoạt động cơ bản là chế độ phát xạ liên tục (continuous wave – CW) và chế độ xung (pulse) Trong chế độ phát xạ liên tục, laser sẽ phát xạ với cường độ ổn định trong một khoảng thời gian dài Trong chế độ xung, laser sẽ phát xạ theo chu kỳ với thời gian phát xạ trong mỗi chu kỳ có thể ngắn đến femto giây (~ 10 -15 giây) Do năng lượng được tích lũy và phát tập trung theo thời gian, công suất trong mỗi xung có thể cao hơn gấp nhiều lần công suất khi phát xạ liên tục Một laser hoạt động ở chế độ CW có thể hoạt động ở chế độ xung, nhưng một laser hoạt động ở chế độ xung không thể hoạt động ở chế độ CW Trong mục này, các công thức được xây dựng cho chế độ CW

Như LED, laser có thể điều chế trực tiếp với tín hiệu cần truyền đi bằng cách thay đổi dòng lái laser Để tín hiệu điều chế không bị méo dạng, cần chú ý bốn điểm sau:

 Biên độ dòng lái nằm trên dòng ngưỡng

 Biên độ dao động nhỏ

 Tần số dòng lái nằm trong dải thông điều chế 3 dB

Phương trình liên hệ giữa biên độ dòng lái và công suất quang của laser được tìm từ hệ phương trình tốc độ laser sau:

Số electron theo thời gian = số electron bơm vào vùng tích cực – số electron tham gia tái kết hợp tự phát – số electron tham gia phát xạ kích thích

Số photon theo thời gian = số photon sinh ra do phát xạ kích thích + số photon sinh ra do phát xạ tự phát – số photon bị hấp thụ electron pump electron photon sp photon photon photon sp ph dN I N dt eV GN dN N

Mạng truy cập PON

Mô hình mạng quang tổng quát hiện nay thể hiện trong hình 2.15 Một cách tổng quát, có thể chia mạng quang thành ba vùng lớn: vùng thứ nhất kết nối giữa các quốc gia hoặc các thành phố lớn trong một quốc gia, vùng thứ hai kết nối giữa các trạm trong một thành phố hoặc một tỉnh, vùng thứ ba kết nối giữa các trạm của nhà cung cấp dịch vụ mạng đến các điểm kết nối với khách hàng Trong cuốn sách này, vùng thứ nhất được gọi tên là mạng long-haul, vùng thứ hai được gọi tên là mạng metro và vùng cuối cùng được gọi tên là mạng truy cập (access)

Hệ thống mạng truy cập quang đang được triển khai rộng rãi hiện nay ở Việt Nam là mạng quang thụ động hỗ trợ tốc độ gigabit (gigabit-capable passive optical network – GPON) và các biến thể của nó Cấu trúc hình học phổ biến của mạng truy cập là dạng tree có thể kết hợp bus Một mạng GPON tổng quát thể hiện trong hình

 Khối đầu cuối đường truyền quang (optical line termination – OLT) giữ hai trò kết nối giữa mạng quang metro thông qua thiết bị chuyển mạch và mạng quang phân phối đến người sử dụng OLT thực hiện hầu hết các nhiệm vụ quan trọng như đóng gói, cấp phát băng thông, cấp phát quyền truy cập v.v…

 Khối mạng phân phối quang (optical distribution network – ODN) là hệ thống dây cáp quang kết nối giữa phía nhà cung cấp và khách hàng Trong GPON, hệ thống này bao gồm một sợi cáp quang chung kết nối từ OLT đến một bộ chia công suất đặt gần phía khách hàng và các sợi cáp quang riêng kết nối từ bộ chia công suất này đến cho từng khách hàng Khoảng cách truyền dẫn tối đa cho GPON là 20 km Bộ chia công suất hiện nay có tỉ lệ chia đến 1:64, nghĩa là một OLT có thể kết nối với 64 ONU

Hình 2.15: Mô hình phân loại mạng quang

Hình 2.16: Kiến trúc TDM-PON

 Thay vì dùng một sợi cáp cho cả hai chiều truyền, có thể dùng một cặp cáp với mỗi sợi cáp truyền tín hiệu theo một chiều Tuy nhiên, cách làm này sẽ tăng giá thành triển khai hệ thống Thông thường 70% giá thành triển khai hệ thống nằm ở ODN Cáp quang sử dụng trong nhà là sợi đơn mode theo chuẩn

G.657 có suy hao uốn cong nhỏ hơn sợi đơn mode chuẩn G.652 thông thường

 Tên gọi mạng quang thụ động bắt nguồn từ việc không có các thiết bị cần cung cấp điện trong ODN Tuy nhiên, đối với các mạng GPON thế hệ sau, ITU-T có định nghĩa thêm khối tăng chiều dài tuyến (mid-span extender) có

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 26 cấu tạo là bộ khuếch đại hoặc bộ tái tạo tín hiệu Tuy cần cung cấp điện cho khối này hoạt động, chiều dài tuyến có thể tăng lên 2-3 lần

 Khối đơn vị mạng quang (optical network unit – ONU) là thiết bị đầu cuối phía người dùng Thiết bị này đóng vai trò chuyển đổi quang điện và đóng gói để giao tiếp giữa tín hiệu quang theo chuẩn GPON và tín hiệu điện thường theo chuẩn Ethernet Khối này cũng tham gia vào quá trình bảo mật với OLT Tùy theo phía khách hàng (hộ gia đình, khu phố, tòa nhà văn phòng, trạm di động không dây v.v…) ONU có thể có các tên gọi khác nhau trong các tài liệu khác nhưng bản chất và vai trò không có khác biệt lớn

 Dữ liệu trên GPON được chia thành hai hướng: hướng xuống (downstream) đi từ OLT đến ONU và hướng lên (upstream) đi từ ONU đến OLT Hướng truyền xuống có dạng kết nối điểm-đa điểm Trong đó, tín hiệu từ OLT được chia đều cho các ONU bằng bộ chia công suất Hướng truyền lên có dạng điểm-điểm, trong đó các tín hiệu từ ONU được kết hợp bằng bộ chia công suất và truyền đến OLT Bước sóng dành cho GPON trong băng O Tuy nhiên, nếu kết hợp hai chiều truyền lên cùng một cáp quang, bước sóng hướng xuống trong băng S và hướng lên trong băng O

 Một số thông số cơ bản của GPON cho hướng xuống và hướng lên thể hiện trong bảng 2.2 và bảng 2.3

Hình 2.17: Cấu trúc tổng quát của mạng GPON Bảng 2.2: Một số thông số cơ bản cho GPON hướng xuống

Thông số Đơn vị Giá trị

Tốc độ bit Gb/s 1,25 hoặc 2,5

Bước sóng Nm 1480-1500 nếu dùng 1 cáp cho 2 chiều

1260-1360 nếu dùng 1 cáp cho 1 chiều

Công suất phát dBm -4 đến 9

Công suất thu dBm -28 đến -1

Bảng 2.3: Một số thông số cơ bản cho GPON hướng lên

Thông số Đơn vị Giá trị

Tốc độ bit Gb/s 0,155 hoặc 0,625 hoặc 1,25

Công suất phát dBm -6 đến 2

Công suất thu dBm -33 đến -3

BER 10 -10 Đặc điểm của mạng truy cập là các ONU nằm ở các vị trí khác nhau Khoảng cách khác biệt tối đa của hai ONU có thể lên đến 20 km Do khoảng cách từ bộ chia công suất đến các ONU không bằng nhau, công suất thu / phát cũng như thời gian truyền giữa OLT và mỗi ONU cũng khác nhau Điều này dẫn đến hai yêu cầu sau:

 Yêu cầu thay đổi công suất phát: công suất phát của ONU và công suất phát tương ứng của OLT cho mỗi ONU sẽ được điều chỉnh giới hạn trong giá trị quy định của ITU-T G.984 Bằng cách tính toán giá trị công suất thu được và với các mức ngưỡng có sẵn (1 hoặc 2 mức tùy độ chính xác), ONU và OLT sẽ quyết định tăng hoặc giảm công suất phát tương ứng của mình Phương pháp đơn giản này gọi là điều chỉnh mức công suất (power levelling)

 Yêu cầu khoảng thời gian bảo vệ: do các ONU kết nối với cùng một OLT thông qua một sợi quang và một bước sóng, việc ghép kênh được thực hiện trên miền thời gian với mỗi ONU truyền trên một khe thời gian khác biệt

Tuy nhiên, khi khoảng cách từ các ONU đến OLT không bằng nhau, độ trễ tương ứng có thể làm tín hiệu bị nhiễu xuyên kênh Ngoài ra, thời gian bật tắt laser và các thời gian trễ phần cứng khác cũng làm cho ONU không thể truyền tín hiệu ngay khi bắt đầu khe thời gian của mình Khe thời gian cho mỗi ONU sẽ bao gồm hai phần là phần có tín hiệu dữ liệu và phần bảo vệ

Phần bảo vệ bao gồm hai phần là khoảng bảo vệ cố định cho phần cứng và khoảng bảo vệ cho thời gian lan truyền tùy thuộc vào khoảng cách ONU

Quá trình xác định khoảng bảo vệ này được gọi là quá trình điều chỉnh tầm (ranging) và được thực hiện mỗi khi có một ONU mới kết nối vào hệ thống

Hình 2.18: Sơ đồ bảo vệ loại B cho GPON

Hình 2.19: Sơ đồ bảo vệ loại C cho GPON

Việc bảo vệ ở lớp vật lý cho GPON tùy thuộc vào giá thành đầu tư triển khai hệ thống, được chia làm bốn loại sau:

 Loại A: dùng thêm dây cáp dự phòng

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạng PON

2.3.1 Suy hao trong sợi quang

Tiếp theo tìm hiểu các yếu tố quan trọng của một môi trường truyền dẫn tín hiệu bao gồm suy hao và méo dạng và nhiễu tín hiệu Đối với môi trường truyền dẫn bằng sợi quang, do tính chất nhiễu thấp và không bị tác động của nhiễu điện từ, các yếu tố cần quan tâm sẽ bao gồm suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến đặc trưng cho sợi quang Trong đó, suy hao là yếu tố quan trọng nhất và là nguyên nhân cáp quang được dùng để thay thế cáp đồng

Suy hao, về bản chất, là sự mất mát công suất của tín hiệu khi lan truyền dọc theo môi trường truyền Thông số suy hao sợi quang (fiber attenuation), thường có đơn vị dB/km trong các thiết bị thực, được tính toán theo công suất thu (tại khoảng cách z trên hướng truyền) và công suất phát (tại z=0) như sau:

Trong sợi quang, nguyên nhân gây ra suy được chia làm 3 nhóm chính:

 Suy hao do hấp thụ (absorption): sự hấp thụ chuyển đổi năng lượng photon thành năng lượng nhiệt dẫn đến suy hao

 Suy hao do tán xạ (scattering): sự tán xạ chuyển hướng truyền ánh sáng hoặc thay đổi bước sóng ánh sáng dẫn đến suy hao

 Suy hao do uốn cong (bending): uốn cong làm phát xạ ánh sáng ra ngoài lõi dẫn đến suy hao

Suy hao do hấp thụ bao gồm ba nguyên nhân: hấp thụ do cấu trúc phân tử thủy tinh không hoàn hảo, hấp thụ do các phân tử hoặc ion tạp chất, và hấp thụ do bản thân phân tử thủy tinh chế tạo nên sợi quang Trong đó, hấp thụ do cấu trúc liên kết không hoàn hảo giữa các phân tử thủy tinh có giá trị rất nhỏ và thường được bỏ qua

 Các tạp chất trong sợi quang thường gồm hai loại là các phân tử muối clorua hoặc oxit kim loại Fe, Cu, Co, Ni, Cr và Mn… và các ion OH - Các phân tử kim loại xuất hiện chủ yếu do các vật liệu dùng để tạo nên SiO 2 , còn các ion OH - xuất hiện chủ yếu trong quá trình nung Tùy vào phương pháp chế tạo,

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 36 tạp chất kim loại có thể được giảm đến mức 1-5 ppb [31] và tạp chất OH - có thể được giảm đến mức 20-100 ppb [32] Đơn vị tính 1 ppb nghĩa là một microgram tạp chất trong một kilogram thủy tinh

 Hấp thụ do phân tử thủy tinh có nguyên nhân từ hấp thụ ánh sáng cực tím vào các mức năng lượng của electron tạo thành phân tử SiO 2 và hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vào dao động nhiệt của phân tử SiO 2 Do SiO 2 là chất tạo nên môi trường truyền dẫn, suy hao này sẽ là giới hạn dưới của suy hao sợi quang

Suy hao do tán xạ bao gồm bốn nguyên nhân: tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman và tán xạ Brillouin Trong đó, tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie là tán xạ không đàn hồi (inelastic), nghĩa là năng lượng và bước sóng của hạt photon không thay đổi trong quá trình tán xạ Tán xạ Raman và tán xạ Brillouin là tán xạ đàn hồi (elastic), nghĩa là năng lượng và bước sóng của hạt photon thay đổi trong quá trình tán xạ

 Tán xạ Rayleigh: sự thay đổi mật độ phân tử SiO 2 dọc theo sợi quang, cũng như sự xuất hiện của các phân tử tạp chất trong sợi quang, làm cho chiết suất sợi quang thay đổi dọc theo môi trường truyền Nếu các thay đổi này có khoảng cách nhỏ hơn bước sóng ánh sáng lan truyền trên sợi quang, tán xạ Rayleigh sẽ xảy ra Một phần sóng ánh sáng bị thay đổi hướng so với hướng lan truyền Do cấu trúc hình trụ của sợi quang, nếu hướng tán xạ không thỏa điều kiện phản xạ toàn phần, ánh sáng tán xạ sẽ ra ngoài lõi Ngược lại, nếu hướng tán xạ thỏa điều kiện phản xạ toàn phần, ánh sáng sẽ truyền ngược lại hướng truyền ban đầu Nếu hiểu theo lý thuyết về quang lượng tử, năng lượng của photon được hấp thụ vào các nguyên tử và bức xạ toàn bộ trở lại theo một hướng khác như một anten Tuy nhiên, do tán xạ Rayleigh giảm theo λ 4 , sử dụng các bước sóng dài sẽ làm suy hao tán xạ này giảm đi đáng kể

 Tán xạ Mie: cấu trúc không đồng nhất do các lỗi như bọt không khí, méo dạng hình trụ, rạn nứt, thay đổi bán kính lõi hoặc thay đổi chiết suất có khoảng cách gần bằng bước sóng cũng khiến ánh sáng bị tán xạ Loại tán xạ

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 37 này, tên gọi là tán xạ Mie, khiến sóng ánh sáng bị thay đổi hướng và đi ra khỏi lõi sợi quang Từ nguyên nhân của tán xạ Mie, có thể thấy rằng cách tốt nhất để giảm tán xạ Mie là chọn lựa sợi có cấu trúc đồng đều và đặc biệt là thao tác cần đúng kỹ thuật trong quá trình cắt và hàn sợi quang

 Tán xạ Raman: trong loại tán xạ này, có sự thay đổi về mặt năng lượng của photon bị tán xạ Do đó, mặt dù tổng công suất không đổi, các bước sóng mới xuất hiện và công suất của bước sóng bị tán xạ sẽ giảm đi Tán xạ

Raman xảy ra do tương tác của hạt photon với sự rung động của các phân tử trong môi trường truyền Theo quang lượng tử, năng lượng của photon hấp thụ vào phân tử của môi trường Tuy nhiên, sau khi hấp thụ, sự rung động và thay đổi về trục của phân tử dẫn đến thay đổi năng lượng bức xạ Photon sau tán xạ có thể mang năng lượng thấp hơn hoặc cao hơn ban đần, dẫn đến bước sóng tán xạ Raman sẽ dài hơn (gọi là bước sóng Stokes) hoặc ngắn hơn (gọi là bước sóng anti-Stokes) một cách tương ứng Tuy nhiên, để photon tán xạ có năng lượng cao hơn ban đầu, phân tử tham gia tán xạ cần hạ mức năng lượng xuống thấp hơn mức năng lượng bình thường Điều này xảy ra rất hạn chế Vì vậy, bước sóng chủ yếu sinh ra từ tán xạ Raman sẽ là bước sóng Stokes Ánh sáng đã thay đổi bước sóng do tán xạ sẽ lan truyền theo cả hai chiều của sợi quang do đặc tính hình trụ của sợi Khi công suất truyền qua sợi quang càng lớn, xác suất xảy ra tương tác giữa photon và các phân tử môi trường truyền càng lớn, và tán xạ Raman sẽ xảy ra càng mạnh Trong thực tế, hiện tượng tán xạ Raman sẽ làm phát sinh bước sóng Stokes dài hơn bước sóng ban đầu với tần số tăng thêm 11-13 THz Để hạn chế tán xạ Raman, thông thường công suất vào sợi quang cần nhỏ hơn công thức thực nghiệm sau [26]

Trong đó a là bán kính lõi (μm), λ là bước sóng đang xét (nm) và α là suy hao sợi quang ở bước sóng đang xét (dB/km) P R (W) là công suất giới hạn để xảy ra mức tán xạ Raman có thể chấp nhận được

 Tán xạ Brilluoin: loại tán xạ này cũng làm thay đổi năng lượng photon bị tán xạ dẫn đến suy hao như tán xạ Raman Tuy nhiên nguyên nhân gây ra tán xạ Brillouin khác hẳn nguyên nhân gây ra tán xạ Raman Rung động nhiệt của các phân tử khiến mật độ phân tử thay đổi tại mỗi thời điểm khác nhau dọc theo môi trường truyền Sự thay đổi mật độ này dẫn đến sự thay đổi về hằng số điện môi kéo theo thay đổi về chiết suất Theo vật lý lượng tử, hiện tượng này được xem như là sự dao động của các hạt phonon (mang năng lượng nhiệt) trong môi trường truyền dẫn Khi photon ánh sáng tương tác với các phonon này, sự hấp thụ và bức xạ năng lượng làm photon tán xạ được tăng thêm hoặc mất đi năng lượng, dẫn đến bước sóng tán xạ ngắn hơn (anti- Stokes) hoặc cao hơn (Stokes) tương ứng Tuy nhiên, do năng lượng của phonon thấp hơn năng lượng của rung dộng phân tử trong trường hợp tán xạ Raman, bước sóng tán xạ chỉ cách bước sóng ban đầu khoảng 10-20 GHz

Công suất ánh sáng truyền qua càng cao, hiện tượng hấp thụ ánh sáng càng làm sinh ra nhiều phonon và hiện tượng tán xạ Brillouin xảy ra càng mạnh

Thực nghiệm mô phỏng dùng Optisystem phân tích nguồn Laser mạng

Phân tích nguồn Laser dùng điều chế pha vi sai

3.1.1 Sơ đồ khối mô phỏng phương pháp điều chế pha vi sai

Trong chương này sẽ trình bày mô hình chạy mô phỏng được thiết lập bằng phần mềm Optisystem 7

Dữ liệu NRZ Điều chế pha Nguồn

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng dùng điều chế pha vi sai

Giải thích sơ đồ khối:

 Khối dữ liệu đầu vào: 1 chuỗi bít gồm 2 14 bít ngẫu nhiên 0,1 được tạo từ Matlab, tín hiệu được đưa qua bộ định dạng xung NRZ, sau khi qua bộ định dạng xung NRZ được đưa tới bộ điều chế pha Phase Modulator

 Lần lượt mô phỏng các nguồn phát laser DFB (mã DFB-1310-10G-LCA) [17] và guồn phát laser VCSEL (mã VL-1310-10G-P2-LC) [15] với công suất phát tương ứng mỗi nguồn laser là 6dBm và 0dBm

 Tín hiệu quang được đi qua bộ Optical Fiber có chiều dài lần lượt tương ứng là 20 km, 25km, 30km Suy hao 0.5dB/km, giá trị tán sắc 3 ps/nm/km, giá trị

PMD 0.5 ps/sqrt (km) theo tiêu chuẩn cáp quang ITU-T G652

 Tín hiệu quang được qua bộ suy hao, để so sánh tương ứng với số User sử dụng, bộ suy hao được gán bằng 10lg 10 (N) dB, N gọi là số User [ITU-T G984]

 Sau đó tín hiệu được tới bộ chia công suất để tách thành hai tín hiệu giống nhau

 Một nhánh tín hiệu sẽ đi qua bộ Delay 1bit, bộ này thực hiện làm trễ 1 bít tín hiệu bằng tỉ số 1:B (Bandwidth), sau sau đó kết hợp tín hiệu ban đầu tới bộ X Couplerđược chia đều (3dB coupler), hai tín hiệu ra sẽ lệch pha π theo công thức hàm truyền (2.27) đã được trình bày trong Chương 2.

 Tín hiệu sau bộ X Coupler sẽ được đưa vào bộ thu photodiode cân bằng

(balanced photodiode) gồm hai photodiode phân cực ngược nối tiếp nhau

 Tín hiệu được lấy điểm giữa của hai photodiode gắn phân cực ngược nhau nên được sử dụng bộ trừ để hai tín hiệu trừ nhau như công thức (2.30) trong Chương 2 Sử dụng bộ Oscilloscope Visualizer hình 3.2 ghi nhận giá trị sau giải điều chế Sau đó Import giá trị thu được từ bộ Oscilloscope Visualizer vào trong Matlab để giải thuật tìm ra chuỗi các bít 0,1 sau giải điều chế, tiếp sau sau đó dùng thuật toán so sánh với chuỗi bít ban đầu để xác định được bít lỗi và tính ra BER

3.1.2 Sơ đồ thực tế trong Optisystem dùng điều chế pha vi sai

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng thực tế dùng phương pháp điều chế pha vi sai trong

 Mô phỏng dùng tín hiệu tương ứng là 5G/s, 10Gb/s, sau đó tín hiệu điện đến bộ điều chế pha

 Tín hiệu qua đường truyền cáp quang với độ dài tương ứng là 20km, 25km, 30km

 Việc giải điều chế tín hiệu được thực hiện như sau: tín hiệu điều chế được kết hợp với bản sao của nó trong quá khứ, thể hiện qua độ trễ một bit trong nhánh phía trên Bằng cách so sánh pha của bit hiện tại với pha của bit trước đó, có thể xác định được bit hiện tại là giống hay khác với bít trước đó, nếu bít hiện tại gống bít trước đó thì pha không thay đổi, nếu khác bít trước đó thì pha thay đổi Việc làm trễ một bit có thể được thực hiện dễ dàng trong thực tế bằng cách tăng chiều dài của nhánh trên so với nhánh dưới Cách làm này đơn giản hóa và giảm giá thành bộ thu Quy luật giải điều chế tín hiệu này được đề cập rất rõ trong phần điều chế vi sai ở chương 2

3.2 Sơ đồ giải thuật dùng chương trình Matlab

 Sau khi tiến hành chạy Optisystem, để thực hiện giải điều chế sau bộ thu, ta sử dụng một bộ hiển thị xung Oscilloscope dùng để lưu dữ liệu

 Giã sử ta cho dãy bít tại khối dữ liệu đầu vào hình 3.1 là dãy 8 bít sau:

11110000, tín hiệu sau giải điều chế hiển thị dạng xung trên bộ

Oscilloscope sau bộ trừ từ hình 3.2 có dạng hình 3.3(b)

 Sơ đồ hình 3.3(a) và 3.3 (b) được giải thích như sau: bít đầu tiên là bít 1, sau đó có 3 bít 1 liên tiếp giống bít 1 đầu tiên, có pha cùng pha với bít đầu tiên nên có biên độ thấp, đến bít thứ 5 là bít 0 khác pha với bít thứ 4 là 1 trước đó nên biên độ giải điều chế ở mức cao, sau đó có 3 bít 0 tiếp theo giống với bít 0 thứ 5 nên biên độ nằm dưới Điều này được thể hiện rõ trong công thức toán (2.30) ở chương 2.

Sơ đồ giải thuật dùng chương trình Matlab

Dang chuỗi bít ban đầu 11110000 Dụng xung tín hiệu sau bộ giải điều chế

Hình 3.3: (a) Dạng xung của chuỗi bít 11110000 đầu vào hình 3.2 (b) Dạng xung của tín hiệu sau bộ giải điều chế hình 3.2

Sử dụng chương trình Matlab để phân tích BER hệ thống

3.2.1 Sơ đồ giải thuật tìm chuỗi bít sau bộ thu giải điều chế

S -Nhập bít đầu tiên -Nhập giá trị cột y, S=y

-Nhập tổng số bít n -Nhập số lấy mẫu m z(i)=mean(A:,i) Đ z(i)>t Đ Z(i)=1

Hình 3.4: Sơ đồ giải thuật tìm chuỗi bít sau giải điều chế

Giải thích sơ đồ giải thuật tìm chuỗi bít ban đầu

 Theo quy luật giải điều chế vi sai là muốn biết được hiện tại thì phải biết bít trước đó Sơ đồ hình 3.4 được giải thích như sau:

 Trước hết nhập giá trị bít ban đầu tiên giống với bít đầu tiên của chuỗi bít từ khối dữ liệu đầu vào (hình 3.1), nhập giá trị cột y sau khi import dữ liệu vào Matlab lấy ra từ Oscilloscope, nhập tổng số bít cần so sánh, nhập

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 62 độ dài lấy mẫu m của 1 bít (md) Tìm giá trị kỳ vọng của chuỗi S

(S=y), S chính là giá trị cột y, t là giá trị kỳ vọng của S

 Đầu tiên i chạy từ 1 tới n, chia giá trị cột y thành các khoảng tương ứng với số mẫu trên mỗi bít A(:,i), sau đó tính kỳ vọng của giá trị A(:,i)=z(i), nếu z(i)>kỳ vọng t của chuỗi giá trị y, thì gán cho Z(i)=1 nằm trên (biên độ cao), ngược lại gán Z(i)=0 nằm dưới (biên độ thấp hơn)

 Tiếp tục cho i chạy từ 2 tới n, dùng hàm IF so sánh Z(i-1) với Z(i), ta tìm được giá trị bít x(i) dựa vào bít ban đầu.

 Nếu gái trị Z(i-1) và Z(i) như nhau và cùng nằm trên (biên độ cao) thì hai bít này khác nhau

 Nếu bít thứ Z(i-1) và Z(i) như nhau và cùng nằm dưới (biên độ thấp) thì hai bít này giống nhau

 Nếu giá trị Z(i-1) và Z(i) khác nhau và giá trị thứ Z(i-1) nằm dưới (biên độ thấp) thì bít thứ Z(i-1) và Z(i) khác nhau

 Nếu giá trị Z(i-1) và Z(i) khác nhau và giá trị thứ Z(i-1) nằm trên (biên độ cao) thì bít thứ Z(i-1) và Z(i) giống nhau

 Chương trình code của sơ đồ gải thuật hình 3.4 được ghi trong phần kèm phụ lục code chương trình Matlab mục 5.1

3.2.2 Giải thuật xác định số bít sai so với chuỗi bít ban đầu

-Nhập các chuổi bít đã dịch S -Nhập chuỗi bít ban đầu T -Nhập số bít cần so sánh lgth i=1 i>lgth c(i)=0 S(i)=T(i)

Hình 3.5: Sơ đồ giải thuật xác định số bít bị lỗi so với chuỗi bít ban đầu

 Nhập chuỗi bít sau khi dịch S, chuỗi bít ban đầu T, cho giá trị i ban đầu bằng 1, sau đó cho i chạy tới n bít và so sánh hai chuỗi bít sau khi dịch ra

S(i) và chuỗi ban đầu T(i), khi có giá trị sai lệch được gán cho sau khi tìm được giá trị j, khi có một bít sai lệch với chuỗi ban đầu ta cho j tăng lên 1 và khi chạy đến n thì tìm được giá trị BER bằng công thức như trong sơ đồ hình 3.5

 Chương trình code của hình 3.5 được đính kèm trong phần phụ lục code chương trình Matlab mục 5.2

3.2.3 Sơ đồ giải thuật xác định BER với các trường hợp mô phỏng vận tốc thay đổi

-Nhập các chuổi bít đã dịch S1, S2 -Nhập chuỗi bít ban đầu T i=1 i>2

Hình 3.6: Sơ đồ giải thuật xác định BER ứng với các tốc độ 5Gb/s, 10Gb/s

 Nhập các giá trị S1, S2 tương ứng với các chuỗi bít được dịch với các tố độ bít lần lượt là 5G, 10G Giải thuật để tìm chuỗi S1, S2 được trình bày trong sơ đồ hình 3.5

 Lần lượt tìm giá trị BER của các chuỗi S1, S2 tương ứng với tín hiệu tốc độ 5G, 10G theo sơ đồ giải thuật tìm BER trong hình 3.6 Sau đó lưu lần lượt các giá trị BER tương ứng và vẽ đồ thị

 Chương trình code của sơ đồ giải thuật hình 3.6 đính kèm trong phần phụ lục code Matlab

3.2.4 Sơ đồ gải thuật vẽ giá trị BER tương ứng với độ dài cáp quang thay đổi

-Nhập các chuổi bít đã dịch S1, S2, S3, S4,

S5, S6 -Nhập chuỗi bít ban đầu T i=1 i>6

Hình 3.7: Sơ đồ giải thuật xác định BER ứng với các khoảng cách 5km, 10km,

 Tiến hành mô phỏng các trường hợp tương ứng độ dài cáp quang 5km, 10km, 15 km, 20km, 25km, 30km ta được các chuỗi bít được dịch ra là S1, S2, S3, S4, S5, S6

 Dùng giải thuật xác định BER trong hình 3.5 để tìm ra giá trị BER hình 3.7 tương ứng các chuỗi S1, S2, S3, S4, S5, S6 của từng chuỗi so với chuỗi ban đầu

 Tiến hành vẽ giản đồ BER tương ứng với các chuỗi S1, S2, S3, S4, S5, S6

 Chương trình code của sơ đồ giải thuật hình 3.7 được đính kèm trong phần phụ lục chương trình Matlab.

Đánh giá kết quả thu được sau khi tiến hành mô phỏng dùng phương pháp điều chế pha vi sai đối với 2 loại nguồn Laser DFB và Laser VCSEL

3.3.1 Phân tích kết quả BER thu được khi sử dụng nguồn Laser DFB ứng với tốc độ bít 5Gb/s và 10Gb/s

Sau khi chạy mô phỏng Optisystem sử dụng Laser loại DFB [mã DFB-1310- 10G-LCA] có công suất phát 6dBm, bước sóng 1310nm, tốc độ tương ứng 5Gb/s và 10Gb/s Chuỗi bít đầu vào gồm 2 14 bít ngẫu nhiên 0,1 được tạo từ chương trình Matlab

Dạng xung tín hiệu thu được sau bộ giải điều chế tín hiệu thông qua bộ Oscilloscope khi chạy chuỗi 2 14 bít ngẫu nhiên 1,0 ứng với 8 bít đầu tiên

Hình 3.8: Hình dãy xung thu đươc sau khi qua bộ trừ

Bảng 3.1: Export dữ liệu từ hình 3.8 giá trị 8 bít đầu tiên ra các giá trị cột x,y tương ứng

Kết quả BER đạt được khi mô phỏng nguồn Laser DFB có công suất phát 6dBm

 Trong đó sử dụng bộ suy hao trong hình mô phỏng 3.2 để xác định số User gọi là N, giá trị suy hao bằng 10log 10 (N) Db theo ITU-T G984, nếu N=2 giá trị suy hao tương ứng 3dB, nếu N=4 giá trị suy hao tương ứng

 Tiến hành lần lượt mô phỏng theo sơ đồ hình 3.2 tín hiệu 5Gb/s, 10Gb/s với số lượng bít 2 14 bít 0, 1 ngẫu nhiên với khoảng cách độ dài tuyến cáp quang 20km Bước sóng 1310nm, với số User N là 4 và 2 tương ứng với suy hao là 6dB và 3dB Dựa vào sơ đồ giải thuật so so sánh hình 3.6 kết quả BER tương ứng như bảng sau:

Bảng 3.2: Giá trị BER thu được khi mô phỏng Laser DFB tốc độ 5G và 10G trường hợp có 2 và 4 User

Số USER Độ dài bít (bít) Độ dài cáp (Km)

 Sơ đồ giá trị BER tương ứng với bảng 3.2

Hình 3.9: Kết quả BER với tốc độ 5Gb/s và 10Gb/s với Laser DFB có 2 và 4

 Đánh giá kết quả: kết quả mô phỏng đối với tốc độ đường truyền 5Gb/s và 10Gb/s, độ dài cáp quang 20km, tương ứng suy hao và tán sắc cáp quang theo chuẩn ITUT-G652 và với số User N là 4 và 2 hướng Downlink đều có giá trị BER=0

3.3.2 Phân tích kết quả BER thu được khi sử dụng nguồn Laser DFB ứng với độ dài cáp quang 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

 Kết quả ứng với 2 User (N=2) tương ứng giá trị bộ suy hao 3dB

Lần lượt mô phỏng tín hiệu có tốc độ 10Gb/s với độ dài 2 14 chuỗi bít 0, 1 ngẫu nhiên với khoảng cách tuyến cáp ứng với 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

Sử dụng laser DFB (mã DFB-1310-10G-LCA) công suất phát 6dBm, bước sóng 1310nm, theo sơ đồ mô phỏng hình 3.2 Kết quả giá trị BER thu được theo bảng sau:

Bảng 3.3: Kết quả BER dùng Laser DFB có 2 User với độ dài cáp thay đổi stt Mã

 Từ bảng kết quả trên giá trị BER với tốc độ 10Gb/s Số User là 1, số bít 2 14 bít Độ dài tương ứng là 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

Hình 3.10: Hình hiển thị kết quả BER với tốc độ 10G và độ dài thay đổi 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km sử dụng nguồn Laser DFB với 2 User

 Kết quả BER ứng với số lượng 4 User ứng với độ dài thay đổi

Bảng 3.4: Kết quả BER dùng Laser DFB 4 User với độ dài thay đổi stt Mã

Số User Độ dài bít (bít) Độ dài cáp (Km) Bước sóng BER

 Giản đồ BER tương ứng với bảng giá trị trên

Hình 3.11: Kết quả BER ứng với 4 USER dùng Laser DFB ứng với khoảng cách cáp quang thay đổi

 Kết quả trên ta thấy khi tăng suy hao lên 6dB tức N=4 giá trị BER ở mức 25km và 30km xấu do suy hao đường truyền ảnh hưởng đến giá trị BER

3.3.3 Phân tích kết quả BER thu được khi sử dụng nguồn Laser VCSEL ứng với tốc độ bít 5Gb/s và 10Gb/s

Tiến hành mô phỏng kết quả ứng với nguồn Laser VCSEL (mã VL-1310- 10G-P2-LC) bước sóng 1310nm, có công suất phát 0dBm, tốc độ lần lượt 5Gb/s, 10Gb/s, với khoảng cách 20km

Bảng 3.5: Kết quả BER sử dụng nguồn Laser VCSEL theo tốc độ 5Gb/s,

Số USER Độ dài bít (bít) Độ dài (Km)

 Giản đồ BER hiển thị kết quả trên

Hình 3.12: Hiển thị kết quả BER sử dụng nguồn Laser VCSEL tốc độ

 Với việc sử dụng nguồn laser theo tốc độ 5Gb/s và 10Gb/s có giá trị BER

=0 Với hình phương pháp kết hợp điều chế vi sai, nguồn Laser VCSEL công suất thấp sử dụng được trong mạng PON tốc độ 10Gb/s

3.3.4 Phân tích kết quả BER thu được khi sử dụng nguồn Laser VCSEL ứng với độ dài 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

 Thực hiện mô phỏng sử dụng nguồn Laser VCSEL (mã VL-1310-

10G-P2-LC) có công suất phát 0dBm, tốc độ 10Gb/s, cho khoảng cách thay đổi 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km Kết quả mô phỏng thể hiện như sau

Bảng 3.6: Kết quả BER dùng nguồn Laser VCSEL với độ dài cáp thay đổi stt Mã

 Giản đồ BER thực hiện kết quả mô phỏng

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 79 Hình 3.13: Hiển thị kết quả BER sử dụng nguồn Laser VCSEL tốc độ 10Gb/s với khoảng cách cáp quang thay đổi Đánh giá kết quả:

 Kết quả thể hiện nguồn Laser VCSEL đạt BER tốt khi mô phỏng tốc độ

10Gb/s tại 20km đầu tiên

 Đối với 25km và 30km giá trị BER tăng cao do suy hao đường truyền ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống làm giá trị BER tăng cao

 Tuy nhiên thể hiện trên giản đồ BER hình 3.13 do phương pháp giải điều chế này theo quy luật là muốn xác định bít hiện tại phải căn cứ vào bít trước đó nên khi một bít bị lỗi dẫn đến kéo theo các bít khác lỗi tiếp theo nên hiện tượng giá trị BER tại 25km cao giá trị BER tại 30km

 Để khắc phục hiện tượng trên, luận văn cũng đưa ra 2 giải thuật để đánh giá BER trong phần tiếp theo

3.3.5 Sử dụng phương pháp tính tỉ số gói lỗi PER phân tích nguồn Laser

 Sơ đồ giải thuật phương pháp đánh giá tỉ lệ lỗi gói PER

 Để giải quyết vấn đề do giải điều chế dựa trên giá trị bít đầu tiên để tìm bít tiếp theo nên nếu có một bít bị lỗi sẽ kéo theo các bít sau bị lỗi dẫn

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 80 đến kết quả BER đánh giá trong hình 3.6 và hình 3.8 thay đổi đột ngột khi so sánh với khoảng cách 25km trở lên

 Để so sánh với giá trị BER trên, đưa ra giải thuật tính tỉ lệ lỗi gói PER

-Nhập các chuổi bít đã dịch S -Nhập chuỗi bít ban đầu T -Nhập số bít cần so sánh n j=1

Hình 3.14: Sơ đồ giải thuật tính tỉ lệ lỗi gói trên tổng số bít PER

 Giải thích: Nhập chuỗi bít đã dịch, chuỗi bít ban đầu, số bít cần so sánh

Cho biến đếm j=1, cho giá trị i chạy từ 1 tới n, chia chuỗi bít n thành các gói, mỗi gói gồm 8 bít Nếu giá trị BER của gói 8 bít đó khác 0 hoặc khác 1 thì xem gói đó bị lỗi và ghi nhận biến đếm j thêm một đơn vị Giá trị k cho biết số gói bị lỗi Cuối cùng xuất kết quả được giá trị lỗi gói PER trên tổng số gói

Kết quả PER đối với nguồn Laser DFB có số User 2

Bảng 3.7: Kết quả tỉ số lỗi PER với nguồn Laser DFB có số 2 User

 Giản đồ PER ứng với bảng kết quả 3.6

Hình 3.15: Kết quả phân tích tỉ số lỗi gói PER

 Từ kết quả trên ta thấy giá trị BER tại khoảng cách 30km đối với 2 User tốt hơn trường hợp hình 3.10

Kết quả PER đối với nguồn Laser DFB có số User là 4

 Đánh giá kết quả tỉ lệ lỗi gói PER đối với trường hợp dùng Laser DFB với các trường hợp thay đổi độ dài 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

Bảng 3.8: Kết quả tỉ lệ lỗi gói PER với nguồn Laser DFB có 4 User

 Giản đồ PER thể hiện giá trị bảng 3.8

Hình 3.16: Hình kết quả PER sử dụng nguồn Laser DFB tốc độ 10Gb/s, 4

User thay đổi dộ dài cáp quang 5km, 10km, 15km, 20km, 25km, 30km

Kết quả PER đối với nguồn Laser VCSEL

Bảng 3.9: Kết quả tỉ lệ lỗi gói PER với nguồn laser VCSEL

 Giản đồ PER ứng với bảng giá trị bảng 3.9 trên

Hình 3.17: Hình kết quả PER sử dụng nguồn Laser VCSEL tốc độ 10Gb/s

3.3.6 Giải thuật sử dụng phương pháp đếm số bít bị lỗi của chuỗi bít sau đó tính giá trị BER

 Do khi tính giá trị lỗi gói PER phải hủy một gói gồm 8 bít trên tổng số bít Nên phương pháp sau sử dụng phương pháp so sánh đếm số bít lỗi sau đó tính ra giá trị BER

-Nhập chuổi bít đã dịch y -Nhập chuỗi bít ban đầu T -Nhập số bít cần so sánh n k=0; j=0 i>length(y) j=j+1 i=1 k=1 y(i)==T(i)&&k==1 k=0 Đ y(i)~=T(i)&& k==0 j=j+1 S j=j/length(y) Đ Đ

Hình 3.18: Sơ đồ giải thuật theo phương pháp đếm lỗi bít

 Giải thích: Nhập giá trị chuỗi đã dịch y, nhập chuỗi bít ban đầu, nhập bít cần so sánh n

 Cho giá trị k=0, j=0, cho i chạy từ 1 đến length(y), nếu bít thứ i của chuỗi đã dịch y và chuỗi ban đầu khác nhau thì đếm 1 lỗi va tiếp tục tăng giá trị i để so sánh tiếp, tiếp theo đó tiếp tục so sánh đến giá trị

Phân tích nguồn Laser dùng phương pháp điều chế cường độ trực iếp

Hình 3.22: Sơ đồ khối mô phỏng phương pháp điều chế cường độ trực tiếp

 Giải thích sơ đồ khối: Sơ đồ khối mô phỏng sử dụng điều chế cường độ trực tiếp, sử dụng các thông số theo chuẩn XGPON ITU-TG987

 Gồm khối phát dữ liệu bít ngẫu nhiên, qua khối tạo dạng xung NRZ, tới khối điều chế cường độ trực tiếp, bước sóng 1550nm, suy hao cáp và tán sắc theo tiêu chuẩn ITU-G652 [18]

 Sử dụng bộ suy suy hao để xác đinh số User, suy hao bằng 10log 10 (N) dB ITU-T G984, N số User Nếu N=2, giá trị bộ suy hao là 3dB

 Bộ thu PIN Photodiode sử dụng loại InGaAs

 Bộ phân tích giá trị BER trực tiếp của hệ thống Optisystem

3.4.1.1 Sơ đồ mô phỏng thực tế dùng điều chế cường độ trực tiếp trong Optisystem

Hình 3.23: Hình mô phỏng trong Optisystem dùng điều chế cường độ trực tiếp

 Giải thích sơ đồ: Gồm bộ phát chuỗi bít ngẫu nhiên, bộ tạo xung NRZ, dùng LASER điều chế cường độ trực tiếp

 Tiến hành mô phỏng các trường hợp nguồn laser VCSEL (mã VL- 1550-10G-P2 TOSA) [15] và laser DFB (mã QDFBLD-1550-5AX) [16] Điều chế cường độ sử dụng nguồn Laser VCSEL

Bảng 3.13: Kết quả điều chế cường độ trực tiếp dùng Laser VCSEL

Stt Mã Tốc độ Số

USER Độ dài bít (bít)

Công suất (dbm) Độ dài (Km)

 Từ kết quả trên ta nhận thấy với phương pháp điều chế cường độ trực tiếp không sử dụng được Laser VCSEL [15] với công suất thấp có giá trị

BER =1 Điều chế cường độ trực tiếp với Laser sử dụng DFB

 Tiến hành mô phỏng và thu thập kết quả đối với trường hợp điều chế cường độ trực tiếp dùng laser DFB có công suất phát 6dBm, số User 16

Bảng 3.14: Kết quả điều chế cường độ trực tiếp dùng laser DFB

Số USER Độ dài bít (bít)

Công suất (dbm) Độ dài

So sánh đánh giá kết quả mô phỏng của phương pháp điều chế vi sai và phương pháp điều chế cường độ trực tiếp

Trong chương 3 đã tiến hành mô phỏng bằng Optisystem phân tích nguồn laser DFB và VCSEL sử dụng phương pháp điều chế pha vi sai và phương pháp điều chế cường độ trực tiếp, dùng phần mềm Matlab phân tích kết quả BER thu được đối với trường hợp dùng điều chế pha vi sai

Từ kết quả mô phỏng trong chương trên điều chế pha kết hợp vi sai và điều chế cường độ trực tiếp sử dụng Laser DFB và Laser VCSEL

 Kết quả mô phỏng dùng phương pháp điều chế pha vi sai với Laser DFB [17] và Laser VCSEL [15] đạt kết quả BER=0 với khoảng cách 20km, tuy nhiên giá trị BER bị ảnh hưởng rất lớn khi tăng khoảng cách cáp quang lên 25km và 30km do làm tăng suy hao và ảnh hưởng của tán sắc đường truyền

 Thực tế mạng GPON hiện tại có tốc độ đường Dowlink là 2.5Gb/s với độ dài cáp quang 20km theo ITUT-G984, trong tương lai có thể sử dụng

HVTH: Trần Hữu Hương MSHV: 12140022 91 phương pháp cải tiến là điều chế pha vi sai dùng với nguồn laser VCSEL có công suất thấp, để tiết kiệm chi phí và tận dụng hạ tầng GPON có sẵn về mạng cáp quang

 Đối với phương pháp điều chế cường độ trực tiếp không sử dụng được nguồn Laser VCSEL do công suất có giá trị không đạt Theo kết quả BER trên bảng 3.12

 Điều chế cường độ trực tiếp sử dụng laser DFB [17] có số lượng User nhiều hơn và đạt giá trị BER tốt hơn ứng với khoảng cách xa hơn do sử dụng bước sóng 1550nm có suy hao thấp hơn, tuy nhiên để nâng tốc độ mạng GPON hiện tại lên tốc độ 10Gb/s chiều Downlink cần sử dụng nguồn laser DFB có công suất cao chi phí cao hơn so với phương pháp điều pha vi sai

Tiêu đề	Phân tích nguồn Laser cho mạng quang thụ động
Tác giả	Trần Hữu Hương
Người hướng dẫn	TS. Phạm Quang Thái
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2016
Thành phố	TP.HỒ CHÍ MINH

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	2,2 MB