Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu Chirped

Chương 2 – Lý thuyết tổng quan và tình hình nghiên cứu: điểm lại các lý thuyết về suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang; lý thuyết về bộ phát quang và bộ thu quang; các n

Giới thiệu vấn đề

Đặt vấn đề

Với một hệ thống truyền dẫn thông tin quang, việc xác định vị trí lỗi cáp là một vấn đề rất quan trọng Vì quá trình này nếu nhanh và chính xác thì sẽ giảm thiểu tối đa thời gian out-of-service của đường truyền Hiện nay, kỹ thuật đo quang dội (kỹ thuật đo OTDR) với xung vuông ngắn công suất cao đƣợc dùng phổ biến trong vấn đề này Đó là kỹ thuật đo OTDR truyền thống

Tuy đƣợc dùng khá nhiều nhƣng kỹ thuật đo OTDR truyền thống cũng gây ra một số hạn chế nhất định đó chính là sự đánh đổi giữa công suất phát và tầm đo

Một cách thức dùng xung khác cũng đang đƣợc nghiên cứu trong những năm gần đây đó là sử dụng xung chirp tần số tuyến tính có công suất thấp hơn thay cho việc dùng các xung vuông công suất cao truyền thống

Trong luận văn này, tôi muốn khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền thông qua việc đánh giá SNR đối với xung chirp.

Sơ nét về tín hiệu chirp

Tín hiệu chirp là tín hiệu có tần số tăng dần hoặc giảm dần theo thời gian tương ứng với sự giãn phổ trong miền tần số Ở đây, ta có hai loại tín hiệu chirp: một xung chirp điện và một xung chirp quang Cả hai loại này đều có ƣu điểm là dùng công suất thấp hơn một xung vuông có cùng độ rộng xung theo sự phân bố công suất trên diện tích xung chiếm giữ.

Sơ nét về các kỹ thuật xác định vị trí lỗi cáp

Hiện nay, ta có hai kỹ thuật xác định vị trí lỗi cáp: OTDR và C-OTDR Đối với các tuyến cáp đất, người ta hay dùng phương pháp đo OTDR với xung vuông truyền thống Tầm đo cho phép của máy đo OTDR truyền thống có thể lên đến khoảng 400 km

Riêng đối với những tuyến cáp biển dài hàng nghìn km trở lên, người ta dùng phương pháp đo C-OTDR chèn các bước sóng giám sát đi cùng hệ thống

Tuy nhiên, tín hiệu chirp (xung chirp điện) đƣợc áp dụng với mục đích so sánh với xung vuông truyền thống theo cùng một kỹ thuật đo OTDR

Công suất cao đƣợc dùng trong OTDR truyền thống gây ra những sự hạn chế về tầm đo, độ phân giải và nếu cao quá sẽ chạm đến các ngƣỡng công suất gây các tán xạ phi tuyến và hiệu ứng phi tuyến cho sợi quang truyền dẫn.

Lý do và mục đích chọn đề tài

Với những hiện trạng đã nêu về tín hiệu chirp và kỹ thuật đo OTDR, tôi muốn xây dựng bài khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng thông số SNR tại bộ thu tín hiệu phản hồi về khi ta dùng xung chirp điện tuyến tính và thiết lập mối liên hệ giữa SNR với thông số xung chirp điện này (gọi tắt là xung chirp) Từ đây, ta sẽ có một so sánh tương đối về SNR giữa hai cách thức dùng xung theo cùng một nguyên lý OTDR.

Phạm vi và phương thức nghiên cứu đề tài

Phạm vi và phương thức nghiên cứu của đề tài xuyên suốt theo lưu đồ khảo sát nhƣ hình 1.1 theo sau đây

 Khảo sát công thức SNR: giới hạn vùng bước sóng khảo sát có suy hao thấp 1400 † 1649 nm tương ứng với hệ số suy hao công suất của sợi quang theo 1 km chiều dài cho từng bước sóng (lấy theo file nguồn của phần mềm OptiSystem v7.0)

 Khảo sát và phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirp cho hai bước sóng thông dụng 1310 nm và 1550 nm

 Xét tính chirp miền điện

 Khảo sát tính toán và thiết lập công thức dùng Matlab

 Khảo sát độ sai lệch bộ thông số bằng bộ thông số của máy đo

 Thu thập một số dữ liệu từ file nguồn trong phần mềm OptiSystem v7.0 phục vụ khảo sát

Khảo sát công thức SNR /thời gian đo đạc theo các thông số Matlab

Xây dựng xung chirp cần khảo sát, thiết lập SNR theo thông số xung chirp, tìm điều kiện để SNR xung chirp lớn hơn SNR xung vuông

Khảo sát và so sánh SNR đƣợc thiết lập của xung chirp và xung vuông

Kết luận bước sóng đo

Tìm mức tán xạ ngƣợc theo độ rộng xung với công thức của máy đo

Xem mức tán xạ ngƣợc theo độ rộng xung MW9076B1 Độ sai lệch

Kết luận bộ thông số đã sử dụng khảo sát Kết luận điều kiện SNR xung chirp lớn hơn SNR xung vuông

Hình 1.1 Lưu đồ khảo sát trong luận văn Theo lưu đồ, ta có thể chia khảo sát thành ba phần:

 Phần 1 – khảo sát công thức SNR/ thời gian đo: ta sẽ khảo sát công thức SNR và thời gian đo đạc theo sự thay đổi của những thông số Sau khi có các kết quả khảo sát (dùng Matlab), ta đánh giá từng mối liên hệ Từ đó, ta đưa ra bước sóng đo có SNR và thời gian đo tốt nhất Tiếp đến, ta tìm các mức tán xạ ngƣợc theo độ rộng xung từ công thức của máy đo

 Phần 2 – khảo sát xung chirp: xây dựng xung chirp, tìm hàm SNR theo thông số xung chirp, tìm điều kiện để SNR của xung chirp lớn hơn SNR của xung vuông, khảo sát SNR của xung chirp và so sánh với SNR của xung vuông Kết luận về điều kiện để SNR xung chirp lớn hơn SNR xung vuông

 Phần 3 – đánh giá độ sai lệch của bộ thông số khảo sát với bộ thông số máy đo MW9076B1: xem mức tán xạ ngƣợc ứng với từng độ rộng xung trong máy đo và so sánh với mức tán xạ ngƣợc đƣợc tính theo công thức của máy đo từ bộ thông số dùng trong khảo sát để đánh giá độ sai lệch bộ thông số

Giới hạn của đề tài là:

 Khi khảo sát công thức SNR, vùng bước sóng khảo sát có hệ số suy hao thấp bị giới hạn bởi file nguồn của phần mềm OptiSystem v7.0.

 Các tương tác với tín hiệu của CW Laser đều gây ra chirp ở miền quang Ở đây, luận văn không xét đến sự tác động của xung chirp điện, bộ điều chế ngoài đối với tính chirp miền quang cũng bởi một lẽ rằng ta đang quan tâm đến mức công suất tán xạ ngƣợc khi có thể dùng một mức công suất vào thấp hơn kiểu truyền thống theo cùng một nguyên lý đo OTDR

Nếu xét đến tính chirp quang (dù mức độ gây chirp quang sẽ nhỏ từ xung chirp điện và bộ điều chế ngoài) thì ta lại đi theo nguyên lý đo khác là C- OTDR.

 Luận văn không xét nhiễu nguồn Laser (nhiễu RIN) vì mức công suất nhiễu rất nhỏ so với thực tế thu được (thường không thu được khi mức công suất nhỏ hơn -30 dBm).

 Phần mềm mô phỏng OptiSystem v7.0 xử lý toàn cục cho tất cả các khối bao gồm máy đo mô phỏng nên rất khó để một khối có tốc độ bit rất nhỏ so với tốc độ bit toàn cục mà máy đo mô phỏng cho ra kết quả.

Những đóng góp của luận văn

Một số nhiệm vụ mà luận văn đã thực hiện:

- Khảo sát công thức SNR/ thời gian đo

- Xây dựng hàm xung chirp, thiết lập và khảo sát hàm SNR của xung chirp

- Khảo sát mức tán xạ ngƣợc với máy đo MW9076B1

- Đánh giá độ sai lệch bộ thông số giữa thực tế và lý thuyết

Từ những nhiệm vụ đã thực hiện, luận văn có các đóng góp chính:

- Đưa ra bước sóng đo có SNR và thời gian đo tốt nhất

- Đƣa ra điều kiện để SNR của xung chirp lớn hơn SNR của xung vuông

- Một bài báo hội nghị khoa học: Pham Quang Thai, Bui Cong Bao Kim,

“Investigation on OTDR performance as a function of wavelength and electrical chirped signal”, The 2015 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE 2015), Ho Chi Minh, Oct 2015 (submitted).

Lý thuyết tổng quan và tình hình nghiên cứu

Sơ lƣợc lý thuyết thông tin quang

Một hệ thống truyền dữ liệu bao gồm 5 thành phần cơ bản: bộ phát, bộ thu, môi trường truyền, message và các protocol Hệ thống thông tin quang là một phần của hệ thống truyền dữ liệu mà trong đó xét đến ba thành phần cơ bản: bộ phát quang, bộ thu quang, sợi quang là môi trường truyền dẫn

Nhƣ vậy, để sơ lƣợc lý thuyết thông tin quang, tôi xin điểm lại một vài chủ điểm sau:

 Sợi quang truyền dẫn: suy hao (do hấp thụ, do tán xạ, do uốn cong), tán sắc (intermodal, chromatic, polarization), hiệu ứng phi tuyến

 Bộ phát Laser: dòng ngƣỡng, hiện tƣợng Auger, đặc tuyến điều chế, hiện tƣợng chirp, nhiễu nguồn RIN

 Bộ thu quang (PIN, APD): đáp ứng bộ thu, băng thông điều chế, các loại nhiễu bộ thu, thông số NEP

 Các loại điều chế: điều chế trực tiếp và điều chế ngoài

2.1.1 Sợi quang truyền dẫn Ánh sáng mang bản chất sóng điện từ và hạt photon Nguyên tắc lan truyền sóng ánh sáng trong sợi quang theo lý thuyết trường điện từ Do đó, từ hệ phương trình Maxwell ta có được mode (trường sóng ánh sáng) HE 11 là mode cơ bản trong sợi quang Và sợi quang đơn mode là sợi quang chỉ có một mode cơ bản truyền ánh sáng Ta xét sợi quang đơn mode SMF là trường truyền dẫn cho bài luận văn này

Ba vấn đề cơ bản của một sợi quang truyền dẫn đó là suy hao, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến

2.1.1.1 Suy hao Suy hao: dạng tín hiệu không thay đổi nhƣng công suất tín hiệu thay đổi

(2.1) P(z) là công suất ở z km, P(0) là công suất ở 0 km

Ba nguyên nhân gây ra suy hao: suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ, suy hao do uốn cong

Suy hao do hấp thụ gồm có hai loại:

 Extrinsic: không do bản thân sợi quang; do các ion, tạp chất, hơi nước (có tính hấp thụ ánh sáng) lẫn vào chất tạo sợi quang Ta có thể giảm hấp thụ loại này bằng cách giảm tạp chất

 Intrinsic: do bản thân nội tại sợi quang, bản thân silicon tạo sợi quang cũng hấp thụ ánh sáng với hai kiểu: ánh sáng hồng ngoại hấp thụ do kết nối silicon-oxygen và ánh sáng cực tím hấp thụ bởi silica

Suy hao do tán xạ có: kiểu elastic (không sinh ra bước sóng mới, tán xạ tuyến tính) và kiểu inelastic (sinh ra bước sóng mới, tán xạ phi tuyến)

 Tán xạ Rayleigh: elastic, một phần ánh sáng bị tán xạ theo hướng khác nhưng chủ yếu là hướng quay về Tán xạ Rayleigh phát sinh do các biến động về mật độ của môi trường ở cấp độ rất nhỏ Suy hao do tán xạ Rayleigh giảm khi bước sóng tăng Hệ số tán xạ Rayleigh là  s ở bước sóng  được mô tả ở phương trình (2.2) [7]

M là một thông số có giá trị trong đoạn [0.7;0.9] với thứ nguyên (dB/km).μm 4 [7]

Suy hao do tán xạ Rayleigh giảm một cách nhanh chóng khi bước sóng tăng do phụ thuộc vào   4 Hệ số  s đại diện cho một phần năng lượng bị tán xạ do ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh mang thứ nguyên là dB/km

 Tán xạ Mie: elastic, do cấu trúc không đồng nhất về bề mặt (nhƣ cắt sợi bị mẻ mặt), tán xạ này theo chiều tới

 Tán xạ Raman: inelastic, do công suất đƣa vào sợi quang lớn hoặc lõi sợi quang nhỏ làm cho các phân tử dao động, photon tương tác với sự dao động của các phân tử, photon va chạm với một phân tử đang dao động thì photon mất một phần năng lượng và chuyển thành photon có bước sóng khác, năng lƣợng mất đi có thể đƣợc truyền vào một photon khác và chuyển photon đó lên bước sóng khác, có thể gây nhiễu xuyên kênh nếu photon có bước sóng mới sinh ra trùng với photon đã có Tán xạ này theo cả hướng quay về và hướng theo chiều tới

 Tán xạ Brillouin: inelastic, do công suất đƣa vào sợi quang lớn hoặc lõi sợi quang nhỏ làm cho các phân tử rung động theo nhiệt trước và tạo những làn sóng thay đổi, kết quả là n thay đổi tuần tự chạy dọc n1, n2, n1…, ánh sáng tới va chạm vào làn sóng chạy dọc và tán xạ hướng quay về Hiện tượng này gây ảnh hưởng đến năng lượng sinh ra nằm sát năng lượng bước sóng đưa vào nên có thể chạy ngƣợc về nguồn làm hỏng laser Để khắc phục, ta có thể dùng bộ isolator ngăn ánh sáng chạy ngƣợc về nguồn Ngƣỡng công suất gây tán xạ Brillouin sẽ thấp hơn ngƣỡng công suất gây tán xạ Raman

Suy hao do uốn cong: gồm uốn cong vi mô và uốn cong vĩ mô Uốn cong vi mô là những tương tác mức độ thấp vào sợi quang (như tạo một áp lực lên sợi quang)

Uốn cong vĩ mô được quy định theo một ngưỡng giá trị phụ thuộc vào bước sóng và khẩu độ số NA

Suy hao của sợi quang phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng được truyền

Theo tài liệu [8], ta có hình vẽ (2.1) bên dưới Trong đó, ta nhận thấy trong sợi quang đơn mode: những bước sóng gần 1550 nm suy hao khoảng 0.2 dB/km, suy hao ở bước sóng 1310 nm và 1490 nm lần lượt là 0.32 dB/km và 0.21 dB/km Rõ ràng, ta thấy rằng suy hao của sợi quang giảm dần từ bước sóng 1310 nm đến 1490 nm đến 1550 nm Các tạp chất như ion OH gây ra rung động cộng hưởng dẫn đến đỉnh hấp thụ xung quanh bước sóng 1390 nm

Hình 2.1 Suy hao theo bước sóng

2.1.1.2 Tán sắc Tán sắc làm thay đổi dạng tín hiệu nhƣng công suất không đổi

 Intermodal: xảy ra trong sợi đa mode Trong sợi đa mode, ánh sáng truyền qua những đường đi khác nhau (mode khác nhau nên công suất cho mỗi mode khác nhau là khác nhau) nên các thời điểm đến khác nhau trong một xung Vì thế, xung bị kéo giãn tại bộ thu Kéo giãn do đa mode khá lớn nên có giới hạn 2 km cho sợi đa mode vì có sự chồng lấn tín hiệu

 Intramodal hay Chromatic: xảy ra trong sợi đơn mode

 Vật liệu (material): với ánh sáng có nhiều bước sóng khác nhau, các bước sóng khác nhau có chiết suất n khác nhau nên khi truyền thì vận tốc v = c/n nên v khác nhau, thời gian t khác nhau nên các bước sóng đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây tán sắc

 Ống dẫn sóng (waveguide): ngay cả khi ánh sáng chỉ có một bước sóng chạy qua sợi đơn mode, ánh sáng truyền trong sợi quang (phụ thuộc vào hình dạng ống dẫn sóng hay sợi quang) có một phần truyền trong lõi với n 1 và phần còn lại truyền ở cladding với n2 (Maxwell), nên vận tốc trong lõi và ngoài lõi khác nhau gây tán sắc do ống dẫn sóng

 Polarization: tán sắc do phân cực thường có giá trị rất nhỏ Giả sử ánh sáng chỉ chạy trong lõi thì vẫn bị sự không đồng nhất về chiết suất n gây tán sắc Ánh sáng trong sợi quang phân cực tròn Trong sợi quang, nó không đồng nhất về chiết suất thì chiết suất theo hai hướng phân cực là khác nhau nên tốc độ truyền ánh sáng theo các phân cực là khác nhau gây tán sắc do phân cực

Các nguyên lý đo xác định vị trí lỗi cáp

2.2.1 Nguyên lý đo OTDR Đo OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) còn gọi là đo quang dội trong miền thời gian Máy đo OTDR phát một xung ánh sáng ngắn vào sợi quang

Tán xạ, phản xạ ánh sáng sẽ xảy ra trong sợi quang do sự không đồng nhất gây ra bởi các connector, mối hàn, đoạn cong, vị trí cáp đứt Cường độ tín hiệu được đo theo những khoảng thời gian ngắn xác định và đƣợc sử dụng để đƣa ra các đặc điểm về sự kiện (đánh giá suy hao connector, suy hao mối hàn, suy hao do uốn cong,…) Độ chênh lệch thời gian giữa lúc phát và lúc thu tín hiệu phản hồi có liên quan đến tốc độ truyền ánh sáng trong vật liệu sợi quang, điều này cho phép OTDR tính toán khoảng cách theo công thức 2.3 [9]:

(2.3) với d là khoảng cách từ điểm lỗi đến máy đo, c là vận tốc ánh sáng, t là độ lệch thời gian phát và thời gian thu xung ánh sáng, n là chiết suất lõi sợi quang

Những phân tích nguyên lý OTDR ở trên đƣợc cô đọng trong sơ đồ khối máy đo OTDR tham khảo nhƣ hình 2.5 [9]

Hình 2.5 Sơ đồ khối máy đo OTDR tham khảo n t d c

Thiết bị đo OTDR sử dụng các ảnh hưởng của tán xạ Rayleigh và phản xạ Fresnel để đo kiểm các điều kiện trong sợi quang

 Tán xạ Rayleigh là biến động về mật độ của môi trường làm ánh sáng tán xạ nhiều hướng nhưng chủ yếu là hướng ngược lại (hướng quay về) Tán xạ theo hướng ngược lại gọi là tán xạ ngược (back-scattering)

 Phản xạ Fresnel: khi có sự tồn tại của hai môi trường tại điểm khảo sát (điểm cáp gãy hoặc điểm các connector kết nối hở) hoặc điểm khảo sát là điểm tiếp giáp giữa môi trường thứ 1 (lõi sợi quang) và môi trường thứ 2 (thường là không khí đối với cáp bờ, nước biển đối với cáp biển) Từ [10], độ phản xạ Fresnel Rfl đƣợc tính theo công thức (2.4) nhƣ sau:

(2.4) với n core là chiết suất lõi sợi quang (môi trường thứ 1), n env là chiết suất môi trường thứ 2 Ở đây, nếu xét môi trường thứ 2 là không khí thì n env = 1 và Rfl 4% Giá trị Rfl này rất nhỏ và thường ta không xét đến khi đánh giá tín hiệu phản hồi về

Nếu OTDR đánh giá suy hao theo cường độ tín hiệu quay về, xác định vị trí điểm đứt theo thời gian đi và về thì C-OTDR là sự kết hợp giữa cường độ (biên độ) và pha của sóng ánh sáng

Với tín hiệu chirp quang đƣợc phát đi, để xác định vị trí lỗi cáp, ta trộn tín hiệu phản hồi với tín hiệu tham chiếu (là tín hiệu trích xuất từ tín hiệu phát ban đầu) tạo thành tín hiệu beat Ta xác định đƣợc vị trí lỗi cáp thông qua tín hiệu beat nhƣ hình 2.6 [11] Đây là phương pháp đo Coherent (dùng tương tác pha để có sự khác biệt vị trí phổ tương tác)

( env core env core n n n Rfl n

Hình 2.6 Xác định vị trí lỗi theo tín hiệu beat Để minh họa thêm, tôi xin giới thiệu hệ thống giám sát đường truyền cáp quang biển dùng C-OTDR Hệ thống dùng riêng hai bước sóng cho việc giám sát repeater và hai bước sóng cho việc giám sát cáp nên không gây ảnh hưởng đến traffic lưu thông Nếu nguyên tắc giám sát repeater chỉ dựa trên việc đánh giá cường độ tín hiệu quay về thì nguyên tắc giám sát cáp dựa trên cả pha và biên độ (cường độ) của tín hiệu quay về đƣợc phản ánh qua các thông số trên thiết bị giám sát RFTE theo nguyên lý nhƣ hình 2.7a [12] và hình 2.7b [12]

Hình 2.7a Nguyên lý giám sát hệ thống cáp biển

Hình Hệ thống giám sát cáp quang biển dùng C-OTDR

Hình 2.7b Hệ thống giám sát hệ thống cáp biển

Công thức tính SNR/ thời gian đo

Ta có SNR ở lần đo đầu tiên nhƣ công thức (2.5) [4]:

(2.5) Và công suất tán xạ ngƣợc nhƣ công thức (2.6) [4]: in g S scat S v W P

Từ [13], ta có công thức (2.7) và (2.8): (2.7)

(2.8) Xuất phát từ [3] và [4], ta có công thức (2.9):

P d  (2.9) với: SNR initial là tỷ số tín hiệu trên nhiễu lúc đầu (dB)

P sp SNR initial  20 log 10 (Re scat )  d  2

Resp là đáp ứng bộ thu (A/W)

P scat là công suất tán xạ ngƣợc (W)

P d là công suất quang tối thiểu mà bộ thu thu đƣợc (dBm, nền nhiễu của bộ thu) α là hệ số suy hao của sợi quang (thay đổi theo bước sóng λ) (dB/km)

L là chiều dài sợi quang truyền dẫn (km) α S là hệ số tán xạ Rayleigh (dB/km), M là thông số thuộc đoạn [0.7;0.9]

Trong khảo sát, ta chọn M = 0.8 và sẽ đƣợc hiệu chỉnh theo độ sai lệch với thực tế đo

S là hệ số tán xạ ngƣợc của sợi quang, K là hệ số khả dụng của sợi quang, N 1 chiết suất core, N2 chiết suất cladding v g là vận tốc sóng theo tần số (m/s), liên quan đến tán sắc của ánh sáng Tán sắc của ánh sáng trong sợi single mode tăng đồng biến trong vùng bước sóng [1310;1550] nm Do đó, ta có thể tính gần đúng, xem nhƣ tăng đồng biến là tăng tuyến tính và chọn giá trị chiết suất hiệu dụng N eff tuyến tính theo giá trị đó trong vùng bước sóng [1310;1550] nm Với sợi SMF-28 của Corning (được đính kèm phần phụ lục), ta có biểu thức cho toàn vùng [1310;1550] nm đƣợc xây dựng từ hai điểm (N eff / 1310 = 1.4677, N eff /1550 = 1.4682) là:

Tuy nhiên, nếu khảo sát định tính ta có thể lấy giá trị N eff = 2.10 8 m/s [3], [4] cho các bước sóng do độ chênh lệch giá trị vg giữa các bước sóng rất nhỏ c là vận tốc ánh sáng (3.10 8 m/s)

W là độ rộng xung phát (s)

Pin là công suất phát ánh sáng (W) B là băng thông 3dB của bộ thu (Hz)

NEP (A/ Hz) = Resp(A/W)NEP (W/ Hz) (2.11) Riêng về hệ số S, ta có thể tính toán nhƣ sau:

 Sợi SMF-28 của hãng Corning cho các thông số khẩu độ số NA = 0.14, độ lệch chiết suất ∆ = 0.0036

Từ (2.7) và (2.12), ta suy ra: S = 2K∆ = 0.0072K (2.13)

Ta dùng công thức trong [14]: 2

Do K là hằng số, N 1 trong [3] lấy theo SMF-28 của Corning nên ta tính đƣợc S = 0.00256 ứng với NA = 0.14 và ∆ = 0.0036

Sau khoảng thời gian lấy trung bình đo đạc thì SNR đƣợc tính nhƣ sau [3], [4]:

Với SNRaft là SNR sau quá trình lấy trung bình của Nav (là số lần lấy trung bình đo đạc) Khi đó thời gian đo đạc đƣợc tính cho khoảng cách L (chiều dài truyền dẫn) nhƣ công thức (2.19) [4]:

NA av initial aft SNR N

Máy đo OTDR – Anritsu MW9076B1

2.4.1 Thiết lập các thông số đo

Hình 2.8 Thiết lập màn hình đo thứ 1

System Chọn hệ thống đo (OTDR/OLTS/CD) Do máy này chỉ có chức năng

OTDR nên chỉ chọn đƣợc OTDR

Channel Chọn „None‟ Trong trường hợp máy đo được kết nối thiết bị chọn kênh ngoài thì ta chọn kênh mong muốn

Mode Chọn chế độ đo (Full Auto/Auto/Manual)

Máy đo tự động thiết lập khoảng cách, độ rộng xung, suy hao, giá trị trung bình và tự động thực thi tìm vị trí lỗi

Máy đo tự động thiết lập thông số suy hao đầu vào, tự động thực thi tìm vị trí lỗi Và những thông số khác có thể thiết lập theo điều kiện đo

Trong chế độ đo này các thông số được thiết lập bởi người sử dụng

Event Chọn cách thức tạo bảng sự kiện (Auto Search/Fixed)

Dò tìm tự động đƣợc thực thi lần nữa mà không cần xem xét kết quả dò tìm trước đó

Một điểm sự kiện được phát hiện thì sự kiện trước nó cũng được phát hiện

Measurement Parameter (tham số đo) Wavelength (bước sóng)

Cho phép chuyển đổi giữa các bước sóng Với máy đo MW9076B1 chỉ cho phép chuyển đổi được hai bước sóng 1310nm/1550nm

Cho phép chọn lựa tầm đo (Auto/ 1/ 2.5/ 10 / 25 / 50/ 100/ 200/ 250/ 400 km) Nếu tầm đo đƣợc thiết lập tự động và sau khi ấn phím START thì tầm đo tối ƣu sẽ đƣợc tìm ra và hiển thị trên màn hình Nếu chọn tầm đo dài hơn khoảng cách đo đạc thì sẽ cho kết quả đo tốt hơn Ngƣợc lại nếu chọn tầm đo nhỏ hơn khoảng cách đo đạc thì sẽ cho kết quả đo không trung thực Thông thường để phép đo chính xác, ta chọn tầm đo gấp đôi khoảng cách cần đo

Pulse Width (độ rộng xung)

Chọn độ rộng xung trong dãy (Auto/ 10/ 20/ 50/ 100/ 500/ 1000/ 2000/

4000/ 10000/ 20000ns) Độ rộng xung càng lớn thì lan truyền càng xa nhƣng độ phân giải kém Ngƣợc lại độ rộng xung nhỏ hơn thì khoảng cách gần hơn và độ phân giải cũng tốt hơn

Phần này cho phép thiết lập thông số suy hao Khi cần đo sợi cáp quang dài thì phải tăng độ rộng xung Tuy nhiên, tăng độ rộng xung có thể là nguyên nhân tình trạng bão hòa tại vị trí gần đầu cuối của bước sóng thu được Trong trường hợp này việc chèn suy hao là cần thiết Nếu trong phép đo thiết lập thông số Full Auto/Auto đƣợc chọn thì thông số suy hao sợi quang tối ƣu sẽ đƣợc chèn vào và không thể thay đổi

IOR (chỉ số chiết suất lõi sợi quang)

Thiết lập chỉ số chiết suất trong khoảng (1.400000;1.699999)

Average Limit Item (chỉ số giới hạn trung bình)

Chọn chế độ đếm trung bình (Auto/Number/Time) nhƣ bảng 2.1 [13]

Bảng 2.1 Chọn chế độ đo OTDR

Chế độ đo Giới hạn trung bình Full Auto Không thể thiết lập Auto Auto/ Number/ Time Manual Number/ Time

Số lần và thời gian đƣợc thiết lập một cách tự động

Số lần lấy trung bình đƣợc thiết lập và dữ liệu đƣợc lấy trung bình

Thời gian đƣợc thiết lập và dữ liệu thu về đƣợc lấy trung bình theo thời gian

Average Limit Value (giá trị tới hạn trung bình)

Thiết lập số lần lấy trung bình hoặc thời gian lấy trung bình (1-9999 số lần hoặc giây) Nếu mục Average Limit đƣợc thiết lập tự động thì mục

Average Limit chỉ thị *** và không cho thiết lập thông số

Back scattering level (mức tán xạ ngƣợc)

Chọn tham số nằm trong dãy (-9.99 đến +9.99 dB) Back scattering level (mức tán xạ ngƣợc) là hằng số đƣợc sử dụng tính return loss (suy hao quay về) và total return loss (tổng suy hao quay về)

Sample information Data point (điểm dữ liệu thông tin mẫu)

Chọn số của các điểm lấy mẫu (Quick/Normal/High) Chỉ số thực của các điểm lấy mẫu đƣợc xác định bởi thiết lập tầm đo (Distance Range) và Quick/Normal/High Mối quan hệ giữa chúng đƣợc giải thích trong độ phân giải mẫu (Resolution)

Hiển thị độ phân giải mẫu

Giá trị lớn nhất của độ phân giải mẫu (Resolution) dựa trên tầm đo (Distance Range) và số điểm lấy mẫu theo bảng 2.2 [13]

Bảng 2.2 Các điểm lấy mẫu theo tầm đo

Tầm đo (Distance range) Điểm lấy mẫu (Sampling point)

(Normal) Cao (High) 1 km 20 cm (5001) 5 cm (20001) Không thể thiết lập 2.5 km 50 cm (5001) 10 cm (25001) 5 cm (50001)

Chỉ thị khoảng lấy mẫu Đó là sự hiển thị đƣợc xác định tự động bởi độ phân giải mẫu và khoảng lấy mẫu không đƣợc thiết lập trên màn hình thiết lập

Hình 2.9 Thiết lập màn hình đo thứ 2

Active fiber check (kiểm tra hoạt động sợi quang)

Chọn để máy đo OTDR phát 1 xung ánh sáng kiểm tra sợi quang đƣợc đo

ON: đã kiểm tra OFF: chƣa kiểm tra

Nếu ánh sáng lan truyền đƣợc phát hiện, máy OTDR hiển thị 1 tin nhắn và ngừng phép đo

Connection check (kiểm tra kết nối với sợi quang)

Thiết lập để kiểm tra tình trạng kết nối của sợi quang đƣợc đo với máy đo OTDR

ON: đã kiểm tra OFF: chƣa kiểm tra

Nếu có bất kỳ bất thường nào trong kết nối được phát hiện, thì trên màn hình máy đo OTDR hiển thị 1 điểm đánh dấu phía trên góc phải của màn hình

Event Threshold (mức ngƣỡng sự kiện)

OTDR luôn phát hiện nhiều sự kiện có thể và với nhƣng sự kiện có tổn hao thấp hơn ngƣỡng phát hiện sẽ không xuất hiện trong bảng sự kiện

Splice Loss (suy hao mối hàn)

Giá trị thiết lập từ 0.01 đến 9.99dB với mỗi bước điều chỉnh 0.01dB

Return Loss (Suy hao quay về)

Giá trị thiết lập từ 20 đến 60dB với mỗi bước điều chỉnh 0.1dB

Fiber End (điểm kết thúc sợi quang)

Giá trị thiết lập từ 1 đến 99dB với mỗi bước điều chỉnh 1dB

Warning Level (mức cảnh báo) Wavelength

Chỉ thị bước sóng đang được đo (không thể chọn trên màn hình này)

Splice (Non Ref.) (suy hao không phản xạ) Splice (Reflect) (suy hao có phản xạ) Return Loss (Suy hao quay về) Height (độ cao xung phản xạ Fresnel)

Fiber loss (suy hao sợi quang) Total Loss (tổng suy hao)

Total Return Loss (tổng suy hao quay về ) Average Loss (suy hao trung bình)

Các thông số mức cảnh báo trên đƣợc thiết lập bằng giá trị số hoặc chọn ON/OFF Thiết lập ngƣỡng trong các khoảng theo bảng 2.3 [13]

Bảng 2.3 Ngƣỡng các phép đo OTDR

Mục đƣợc đo Ngƣỡng thiết lập

Splice (non Ref.) Từ 0.10 đến 10.00 dB

Splice (Reflect) Từ 60 đến 20 dB

Return Loss Từ 1.0 đến 20.0 dB

Fiber loss Từ 0.10 đến 10.00 dB/km

Total Loss Từ 0.1 đến 60.0 dB

Total Return Loss Từ 50.0 đến 10.0 dB

Average Loss Từ 0.10 đến 10.00 dB/km

Máy này cho phép đo các bước sóng 1310/1550 nm, cho phép chuyển đổi nội dung kết quả đo (chuyển đổi giữa „Splice & Return Loss‟ hoặc „Loss &

TORL‟ (Total Return Loss)), chuyển đổi giữa hai phương pháp đo LSA (Least

Square Approximation) và 2PA (2 Point Approximation) Sau khi, chọn nội dung và phương pháp đo cần quan tâm, ta đọc kết quả đo (đồ thị dạng tín hiệu phản hồi và bảng sự kiện)

Kết quả đo vị trí lỗi cáp

Hình 2.10 Đo OTDR xác định vị trí lỗi cáp

CH (CHannel of optical channel selector): chọn kênh quang, máy không có chức năng này

DR (Distance Range): tầm đo

PW (Pulse Width): độ rộng xung

Bước sóng λ, sợi đơn mode SM

IOR: chỉ số chiết suất lõi sợi quang

AVG: thời gian lấy trung bình các mẫu/ thời gian phát xung/ thời gian đo đạc

Res: độ phân giải theo AVG

Distance: khoảng cách từ điểm đứt đến máy đo

Loss: mức suy hao sợi quang từ vị trí máy đo đến vị trí lỗi cáp

Fiber loss: mức suy hao sợi quang theo một đơn vị chiều dài truyền dẫn sợi quang

Total Return Loss: tổng suy hao quay về

Kết quả đo suy hao mối hàn

Hình 2.11 Đo OTDR xác định suy hao mối hàn Trong màn hình ta thấy:

SPLICE LOSS (*) : Suy hao mối hàn tại điểm *

RETURN LOSS : Suy hao quay về tại điểm FIBER LOSS (X1-X2) : Suy hao giữa 2 điểm X1 và X2

FIBER LOSS (X3-X4) : Suy hao giữa 2 điểm X3 và X4

2.4.3 Một số công thức của máy đo [13]

Return Loss (R) ở công thức (2.20) [13] và bsl ở công thức (2.21) [13]:

Với: độ rộng xung W, độ lệch mức giữa điểm * và điểm , mức ánh sáng tán xạ ngƣợc theo logarit BSL (= 10log10bsl), hệ số tán xạ ngƣợc S, hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh α R (= 0.23026.10 -3 RSL, RSL là hệ số suy hao do tán xạ Rayleigh tính bằng dB/km) [13]

ER : năng lƣợng ánh sáng bị phản xạ E in : năng lƣợng ánh sáng vào

P 0 : đỉnh công suất vào tại t = 0

W: độ rộng xung ánh sáng vào

10log 10 bsl: mức ánh sáng tán xạ ngƣợc bsl P t P

) ( : tỷ số giữa công suất đo và công suất tán xạ ngƣợc

Mức tán xạ ngược trong máy đo theo độ rộng xung như bảng 2.4 [13]

W v S bsl  R g bsl dt P t W P bsl E TRL E in R

Bảng 2.4 Mức tán xạ ngƣợc theo độ rộng xung của MW9076B1 Độ rộng xung Mức tán xạ ngƣợc (dB)

Tình hình nghiên cứu

Hướng nghiên cứu về tín hiệu chirped theo nguyên lý C-OTDR

Hướng này người ta nghiên cứu tín hiệu chirp trên miền quang Trong bài báo [1], tác giả đã xác định vị trí điểm đứt trên miền phổ dựa vào sự tương quan pha (tín hiệu beat) của tín hiệu phản hồi và tín hiệu tham chiếu theo tốc độ chirp của tín hiệu Nghiên cứu này cho độ phân giải tốt ở tầm đo đến 100 km Hình 2.12 [1] minh họa cách tác giả thực hiện giám sát cho mạng PON với nguồn DFB laser có điều chế trực tiếp từ tín hiệu điện saw-tooth

Hình 2.12 Hệ thống giám sát PON dùng DFB laser và tín hiệu saw-tooth

Tiếp đến, tác giả của [2] kế thừa tác giả của [1] để giám sát mạng PON theo từng tốc độ chirp cho các coupler nhƣ hình 2.13 [2]

Hình 2.13 Giám sát PON cho các coupler

Tóm lại, hướng này giám sát mục tiêu theo nguyên lý C-OTDR (dùng tương tác pha)

Hướng nghiên cứu theo nguyên lý OTDR

Tác giả của [3] đƣa ra các công thức tính SNR khi chƣa có nhiều mẫu và SNR khi có nhiều mẫu (cần lấy trung bình) Thêm nữa, khi tác giả chứng minh công thức tìm công suất xung tán xạ ngược đã cho tôi một ý tưởng trong việc thử dùng một xung khác

Bài báo [4] kế thừa tiếp các công thức tính SNR của [3] đồng thời đƣa ra công thức tính và đồ thị thời gian đo đạc theo khoảng cách, trình ra đƣợc đồ thị SNR theo khoảng cách nhƣ hình 2.14 [4] và thời gian đo nhƣ hình 2.15 [4]

Hình 2.14 SNR theo chiều dài với các mức công suất

Hình 2.15 Thời gian đo theo chiều dài với các mức công suất

Khảo sát vấn đề

Khảo sát công thức SNR/ thời gian đo

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR là một thông số khảo sát tốt đối với phân tích suy hao kênh truyền Vì vậy, dựa theo công thức SNR đã trình ra trong chương 2, tôi muốn khảo sát mang tính chất định tính toàn bộ các mối liên hệ có thể có của các tham số trong công thức bằng cách vẽ đồ thị trong Matlab Việc thiết lập bộ thông số cho khảo sát này mang tính chất tương đối với mục đích là trình bày các tính chất giữa các tham số với nhau đồng thời đưa ra bước sóng đo có cả SNR và thời gian đo tốt nhất Đó chính là những ý định khi tôi xây dựng hàng loạt bài khảo sát định tính sau đây cho SNR và mở rộng thêm cho thời gian đo đạc

3.1.1 SNR/ thời gian đo theo , P in

 Độ rộng xung phát: 10000 ns

 Vùng bước sóng khảo sát: 1400 † 1649 nm tương ứng với hệ số suy hao công suất của sợi quang theo bước sóng và chiều dài truyền dẫn (lấy theo file nguồn của phần mềm OptiSystem v7.0)

 Công suất phát P in thay đổi với các giá trị khác nhau

 Chiều dài sợi quang truyền dẫn L = 40 km

 Công suất nhiễu là nhiễu do bộ thu gây ra với các thông số NEP 2.10 -15 W/ Hz và BW-3dB = 5 GHz lấy từ thông số của DET08CFC-

InGaAs Biased Detector (hãng Thorlabs)

 Với hệ số tán xạ Rayleigh (dB/km), ta chọn M = 0.8

 Hệ số tán xạ ngƣợc S = 0.00256 cho sợi SMF của hãng Corning với NA = 0.14, Δ = 0.0036

Nhận xét đồ thị SNR theo , Pin

 SNR tăng khi tăng công suất phát P in với một giá trị nhiễu cố định Đó là nhiễu theo thông số của bộ thu

 Với cùng công suất phát Pin thì SNR theo bước sóng có dạng đồ thị hàm logarit (đồng biến trong [1400;1551] và nghịch biến trong [1551;1649]) và vùng [1445;1575] có SNR cao nhất Điều này có thể lý giải rằng thông số bước sóng chi phối thông số αS theo tính nghịch biến nhƣng công suất suy hao của sợi quang theo chiều dài 40 km mới đủ lớn để chi phối SNR Và công suất này giảm dần theo hệ số suy hao giảm dần với các bước sóng trong [1400;1551] ứng với SNR tăng dần và ngƣợc lại cho vùng [1551;1649] Riêng vùng [1445;1575], SNR ít thay đổi theo bước sóng do tính chất của hàm logarit là tính tỷ lệ của hoành độ và tung độ chênh lệch rất lớn (hoành độ tăng rất nhiều để có một sự thay đổi của tung độ)

SNR theo buoc song, P in

Hình 3.2 Thời gian đo theo , Pin

Hình 3.3 Thời gian đo theo , P in = -25dBm

Thoi gian do theo buoc song, P in

X: 1550 Y: 3.912e-09 Thoi gian do theo buoc song, P in

Hình 3.4 Thời gian đo theo , Pin = -20dBm

Hình 3.5 Thời gian đo theo , P in = 5dBm

Hình 3.6 Thời gian đo theo , P in = 10dBm

Nhận xét đồ thị thời gian đo theo , P in

 Đồ thị thời gian đo theo bước sóng, P in có tính chất đối xứng qua trục hoành với đồ thị SNR theo bước sóng, Pin Vì thế, nó thừa hưởng các tính chất của đồ thị SNR theo bước sóng, P in (theo hàm logarit) nhưng mang yếu tố đối xứng

 Theo đó, với cùng công suất phát P in , ta luôn có:

 Vùng 1551 ÷ 1649 (nm): bước sóng càng dài thì thời gian đo càng tăng

 Vùng 1400 † 1551 (nm): bước sóng càng dài thì thời gian đo càng giảm

 Vùng 1445 ÷ 1575 (nm): thời gian đo ứng với các bước sóng chênh lệch rất ít

 Công suất phát càng lớn thì thời gian đo càng ngắn.Công suất phát tăng theo nấc 5 dBm ứng với thời gian đo giảm đi 10 lần

3.1.2 SNR/ thời gian đo theo , W

 Độ rộng xung phát thay đổi với các giá trị khác nhau (dựa theo thang đo của máy đo OTDR thực tế)

 Vùng bước sóng khảo sát: 1400 † 1649 nm tương ứng với độ suy hao công suất của sợi quang theo bước sóng và chiều dài truyền dẫn (lấy theo file nguồn của phần mềm OptiSystem v7.0)

 Công suất phát Pin = 5 dBm

 Chiều dài sợi quang truyền dẫn L = 40 km

 Công suất nhiễu là nhiễu do bộ thu gây ra với các thông số NEP 2.10 -15 W/ Hz và BW-3dB = 5 GHz lấy từ thông số của DET08CFC-

 Khi tính hệ số tán xạ Rayleigh (dB/km), ta chọn M = 0.8 Và vg 2.10 8 m/s

Nhận xét đồ thị SNR theo , W

 SNR tăng khi tăng giá trị độ rộng xung phát W với một giá trị nhiễu cố định Đó là nhiễu theo thông số của bộ thu

 Với cùng độ rộng xung phát W thì SNR theo bước sóng λ có dạng đồ thị hàm logarit (đồng biến trong [1400;1551] và nghịch biến trong

[1551;1649]) và vùng [1445;1575] có SNR cao nhất Tức là thông số bước sóng chi phối thông số α S theo tính nghịch biến nhưng công suất suy hao của sợi quang theo chiều dài 40 km mới đủ lớn để chi phối

SNR Và công suất này giảm dần theo hệ số suy hao giảm dần với các bước sóng trong [1400;1551] ứng với SNR tăng dần và ngược lại cho vùng [1551;1649] Riêng vùng [1445;1575], SNR ít thay đổi theo bước sóng do tính chất của hàm logarit là tính tỷ lệ của hoành độ và tung độ chênh lệch rất lớn (hoành độ tăng rất nhiều để có một sự thay đổi của tung độ)

HVTH: Bùi Công Bảo Kim Trang 57 MSHV: 12140027

Hình 3.8 Thời gian đo theo , W

Hình 3.9 Thời gian đo theo , W = 100ns

X: 1550 Y: 7.523e-05 Thoi gian do theo buoc song, W

Thoi gian do theo buoc song, W

Nhận xét đồ thị thời gian đo theo , W

 Đồ thị thời gian đo theo bước sóng, W có tính chất đối xứng qua trục hoành với đồ thị SNR theo bước sóng, W Vì thế, nó thừa hưởng các tính chất của đồ thị SNR theo bước sóng, W (theo hàm logarit) nhưng mang yếu tố đối xứng

 Theo đó, với cùng độ rộng xung phát W, ta luôn có:

 Vùng 1551 † 1649 (nm): bước sóng càng dài thì thời gian đo càng tăng

 Độ rộng xung phát càng lớn thì thời gian đo càng ngắn Độ rộng xung phát tăng lên 10 lần ứng với thời gian đo giảm đi 100 lần Còn nếu độ rộng xung phát tăng gấp đôi thì thời đo giảm gần 4 lần

Khi độ rộng xung phát tăng, SNR và thời gian đo của bước sóng 1550 nm đạt tối ưu

3.1.3 SNR/ thời gian đo theo , L

 Vùng bước sóng khảo sát: 1400 † 1649 nm tương ứng với độ suy hao công suất của sợi quang theo bước sóng và chiều dài truyền dẫn (lấy theo file nguồn của phần mềm OptiSystem v7.0)

 Công suất phát Pin = 5 dBm, vg = 2.10 8 m/s

 Chiều dài sợi quang truyền dẫn L thay đổi với các giá trị khác nhau

 Công suất nhiễu là nhiễu do bộ thu gây ra với các thông số NEP 2.10 -15 W/ Hzvà BW-3dB = 5 GHz lấy từ thông số của DET08CFC-

 Với hệ số tán xạ Rayleigh (dB/km), ta chọn M = 0.8

Nhận xét đồ thị SNR theo , L

 SNR giảm khi tăng chiều dài sợi quang truyền dẫn với một giá trị nhiễu cố định Đó là nhiễu theo thông số của bộ thu

 Với cùng độ rộng xung phát W thì SNR theo bước sóng có dạng đồ thị hàm logarit (đồng biến trong [1400;1551] và nghịch biến trong

[1551;1649]) và vùng [1445;1575] có SNR cao nhất Tức là thông số bước sóng chi phối thông số α S theo tính nghịch biến nhưng công suất suy hao của sợi quang mới đủ lớn để chi phối SNR Và công suất này giảm dần theo hệ số suy hao giảm dần với các bước sóng trong [1400;1551] ứng với SNR tăng dần và ngƣợc lại cho vùng [1551;1649] Riêng vùng [1445;1575], SNR ít thay đổi theo bước sóng do tính chất của hàm logarit là tính tỷ lệ của hoành độ và tung độ chênh lệch rất lớn (hoành độ tăng rất nhiều để có một sự thay đổi của tung độ)

 Công suất suy hao của sợi quang thể hiện sự chi phối đến SNR rất lớn qua hai đồ thị trên Theo đó, với các chiều dài L chƣa đủ lớn thì sự chi phối của hệ số suy hao sợi quang α đến SNR rất ít mà thay vào đó là sự chi phối của hệ số tán xạ Rayleigh α S (dạng đồ thị của những L = 1 km và L = 2.5 km là biểu hiện rõ sự chi phối của α S theo bước sóng)

Khi L đủ lớn thì hệ số α bắt đầu chi phối đến SNR Và dạng đồ thị SNR chính là đối xứng của dạng đồ thị hệ số α theo bước sóng qua trục hoành

 Qua hai đồ thị trên, để lợi dụng các hiện tƣợng tán xạ & phản xạ về vào các ứng dụng thì trên 250 km là một thách thức lớn trong tính chính xác của các phép đo

Hình 3.14 Thời gian đo theo , L  50 km

Hình 3.15 Thời gian đo theo , L  100 km

Thoi gian do theo buoc song, L

Nhận xét đồ thị thời gian đo theo theo , L

 Đồ thị thời gian đo theo bước sóng, L có tính chất đối xứng qua trục hoành với đồ thị SNR theo bước sóng, L Vì thế, nó thừa hưởng các tính chất của đồ thị SNR theo bước sóng, L (theo hàm logarit) nhưng mang yếu tố đối xứng

 Theo đó, với cùng chiều dài truyền dẫn L, ta luôn có:

 Vùng 1551 † 1649 (nm): bước sóng càng dài thì thời gian đo càng tăng

 Chiều dài truyền dẫn L càng lớn thì thời gian đo càng dài

Khi chiều dài truyền dẫn L tăng, SNR và thời gian đo đạt tối ưu ở bước sóng 1550 nm

3.1.4 SNR/ thời gian đo theo L, P in

Khảo sát tín hiệu chirp

Tín hiệu chirp là một xung chirp điện tuyến tính đƣợc đƣa vào bộ điều chế ngoài nhƣ hình sau

Hình 3.25 Điều chế xung chirp

3.2.1 Công suất tán xạ ngƣợc

Từ [3], ta có công suất tán xạ ngƣợc cho xung vuông có biên độ là 1:

CW Laser Sợi quang truyền dẫn

 Psquare là công suất tán xạ ngƣợc của xung vuông

 P in là công suất ánh sáng từ CW laser Đáp ứng bộ thu Resp = 0.95

 W là độ rộng xung phát

 Hàm h(L) biểu diễn mức tán xạ ngƣợc đặc trƣng cho mỗi loại sợi quang theo chiều dài sợi quang truyền dẫn L

Xung chirp đƣợc biểu diễn theo hàm:

) cos(kt 2 bt c y chirp    (3.2) với:

 Tần số chirp: f(t) = kt + b (3.3) với k là hệ số chirp tuyến tính có thứ nguyên Hz/s, b là tần số chirp khi t = 0

 Pha ban đầu của xung chirp là c

Do đó, xung chirp với biên độ là 1, cùng độ rộng xung W, ta có công suất tán xạ ngược cho xung chirp Pchirp như bên dưới:

 k S b k b kc k C b k b kW kc b S k k b kc b kW C k k b kc

Với S(W) và C(W) lần lƣợt là hàm fresnelS và fresnelC theo cận trên là W dt c bt kt P

Ta chọn khảo sát xung chirp điện này với b = 0, c = 0 nên biểu thức đƣợc viết lại nhƣ sau:

(3.7) với hàm fresnelC là C W   0 W t dt cos 2

Một cách tƣợng hình, ta có thể rút ra nhận xét: phần tích phân (cho hàm biểu diễn tín hiệu trong một xung theo cận là độ rộng một xung) là thể hiện cho mức công suất vào sợi quang Tích phân chính là diện tích Nhƣ vậy, có thể nói ngay rằng: diện tích cho cả xung vuông sẽ luôn luôn lớn hơn diện tích cho xung chirp hay nói cách khác mức công suất tán xạ ngƣợc của xung chirp sẽ nhỏ hơn mức công suất tán xạ ngƣợc của xung vuông

Về mặt toán học, ta có tỷ lệ Q giữa diện tích phân bố công suất của xung chirp và xung vuông nhƣ sau:

(3.9) Tỷ lệ Q sẽ đánh giá mức tán xạ ngƣợc của xung chirp đối với xung vuông

Nếu Q > 1: mức tán xạ ngƣợc của xung chirp > mức tán xạ ngƣợc của xung vuông

Nếu Q = 1: mức tán xạ ngƣợc của xung chirp = mức tán xạ ngƣợc của xung vuông

Nếu Q < 1: mức tán xạ ngƣợc của xung chirp < mức tán xạ ngƣợc của xung vuông

Nhận xét tổng quát: ta cần SNR của xung chirp lớn hơn SNR của xung vuông Để điều đó diễn ra, thì ta cần điều kiện Q > 1 (bất chấp nền nhiễu) hoặc Q  1 (khi đó, điều kiện đủ là nền nhiễu thấp hơn).Trong công thức tính Q, hàm C(W) có giá trị luôn nhỏ hơn 1 và 1 25

Nhƣ vậy, để Q > 1 hoặc Q  1 thì trị số W  k (bỏ qua thứ nguyên) k W kW C

Tín hiệu điện điều chế hay xung chirp điện sẽ gây một nền nhiễu Do đó, nhiễu này đến bộ thu và nhiễu bộ thu đƣợc tính lại theo nền nhiễu này nhƣ sau:

(3.10) (3.11) với NEP của bộ thu và BW chirp là băng thông 3dB của một xung chirp điện, W là độ rộng xung phát, k là hệ số chirp tần số tuyến tính

Riêng xung vuông sẽ gây một nhiễu đƣợc tính nhƣ sau:

(3.13) với BWsquare là băng thông 3 dB của một xung vuông

Theo đó, ta có tỷ lệ N giữa nền nhiễu của xung chirp và nền nhiễu của xung vuông

Nhận xét: để SNR của xung chirp lớn hơn SNR của xung vuông thì nền nhiễu của xung chirp phải nhỏ hơn nền nhiễu của xung vuông tức ta cần N > 1 Điều này sẽ rất dễ xảy ra khi tử số chỉ cần vƣợt qua mức 2

3.2.3 Thiết lập mối liên hệ giữa SNR và thông số xung chirp

(3.15) SNR của xung vuông cần so sánh: chirp

(3.16) Ta sẽ khảo sát hai hàm này bằng Matlab

Trước tiên, ta có một số biến đổi để đặt điều kiện cho thông số chirp theo SNR mong muốn nhƣ sau:

NEP sp P k W k C Sv sp dB

(3.23) Tỷ lệ Q ở (3.9) đƣợc chuyển thành tỷ số công suất tán xạ ngƣợc của xung chirp/xung vuông nhƣ sau:

(3.24) Từ (3.23), (3.24), ta có điều kiện để SNR xung chirp lớn hơn SNR xung vuông nhƣ sau:

SNR SNR square chirp   hay x C x x

Vì C(x) < 1 nên điều kiện (3.28) chỉ đúng và có nghĩa khi k W  1 Nói cách khác, SNR/xung chirp lớn hơn SNR/xung vuông khi k W  1.

Phân tích suy hao kênh truyền bằng tín hiệu chirp

Phần này ta sẽ phân tích suy hao kênh truyền bằng cách vẽ các đường đồ thị SNR so sánh giữa xung vuông và xung chirp theo hai bước sóng 1310 nm (đối tƣợng B) và 1550 nm (đối tƣợng A) bằng Matlab dựa theo công thức đƣợc trình bày trong chương 2

SNR theo chiều dài truyền dẫn L với các độ rộng xung phát W

 Sợi quang SMF-28 của hãng Corning có:

 bước sóng 1550 nm với chiết suất hiệu dụng N eff là 1.4682, hệ số tán xạ ngƣợc S là 0.00256, suy hao sợi quang α là 0.19 dB/km

 bước sóng 1310 nm với chiết suất hiệu dụng Neff là 1.4677, hệ số tán xạ ngƣợc S là 0.00256, suy hao sợi quang α là 0.34 dB/km

 Công suất CW laser vào: 10 dBm

 Độ rộng xung phát W: 10/100/1000/2000/10000 ns

 Chọn k tương ứng theo W: 10 16 /10 14 /10 12 /10 12 /10 10 (Hz/s)

 Chiều dài sợi quang truyền dẫn L thay đổi theo km:

Hình 3.26 Khảo sát chirp-SNR/L, W = 10ns Bảng 3.1 Số liệu SNR/L (W = 10 ns)

L: chiều dài sợi quang, XV: Xung vuông, XC: xung chirp

Bảng 3.2 Số liệu các thông số khác (W = 10 ns) Độ rộng xung 10 ns, k = 1E+16 (Hz/s)

Loại xung Công suất nhiễu

Công suất tán xạ ngƣợc (dBm)

 Hệ số tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với bước sóng, tỷ lệ thuận với mức công suất tán xạ ngược nên mức công suất tán xạ ngược của bước sóng 1310 nm luôn cao hơn mức tán xạ ngƣợc của 1550 nm với cùng dạng xung

 Khi L < 25 km, SNR/B cao hơn SNR/A do hệ số tán xạ Rayleigh giữ trọng số chi phối các thông số khác

 Khi L > 25 km, SNR/A cao hơn SNR/B do suy hao sợi quang của bước sóng 1550 nm thấp hơn suy hao sợi quang của bước sóng 1310 nm Lúc này, suy hao sợi quang giữ trọng số chi phối đến tất cả thông số khác

 SNR/xung chirp cao hơn SNR/xung vuông tuy mức công suất tán xạ ngƣợc của xung vuông cao hơn xung chirp nhƣng nền nhiễu xung chirp thấp hơn nền nhiễu xung vuông

Hình 3.27 Khảo sát chirp-SNR/L, W = 100ns

Bảng 3.3 Số liệu SNR/L (W = 100 ns)

 Độ rộng xung tăng 10 lần, nền nhiễu giảm 10 dBm

Hình 3.29 Khảo sát chirp-SNR/L, W = 2000ns

Bảng 3.7 Số liệu SNR/L (W = 2000 ns)

 SNR/xung vuông cao hơn SNR/xung chirp vì độ lệch mức công suất tán xạ ngƣợc của xung vuông/xung chirp tăng nhƣng độ lệch nền nhiễu xung vuông/xung chirp giảm

Độ sai lệch bộ thông số

Phần này ta sẽ lấy bộ thông số (S, α S , v g , W) được dùng trong phần khảo sát 3.1 cho bước sóng 1550 nm là:

Thay vào công thức (2.21) tính mức tán xạ ngƣợc trong máy đo theo dB, ta có bảng sau

Bảng 3.11 Mức tán xạ ngƣợc của bộ thông số khảo sát Độ rộng xung

Mức tán xạ ngƣợc (dB) (bước sóng 1550 nm)

So sánh bảng 3.11 và bảng 2.4, các kết quả có độ lệch < 2 dB Với độ lệch này, sai số giữa lý thuyết và thực tế là chấp nhận đƣợc vì ở bộ thông số khảo sát còn có M chạy trong đoạn [0.7;0.9] tác động đến α S và còn thông số v g chƣa lấy chính xác

Tóm lại, từ việc tính toán mức tán xạ ngƣợc, ta nhận thấy bộ thông số dùng trong khảo sát công thức SNR ở phần 3.1 và trong khảo sát xung chirp ở phần 3.3 có sai số chấp nhận đƣợc khi so sánh với bộ thông số trong máy đo thực tế Do vậy, các khảo sát SNR cho xung chirp đã xây dựng là tin tưởng được.

Kết luận chương 3

Trước hết, chương này khảo sát tất cả các thông số liên quan của công thức SNR bằng Matlab và đưa ra bước sóng đo có SNR và thời gian đo tốt nhất là bước sóng 1550 nm Sau đó, chương 3 đã áp dụng cách tính SNR của xung vuông cho việc tính SNR của xung chirp tuyến tính, tìm điều kiện để SNR xung chirp lớn hơn SNR xung vuông, khảo sát SNR đƣợc xây dựng theo các bộ số (W, k) và so sánh với SNR của xuông, đánh giá độ sai lệch của bộ thông số (S, α S , v g , W) giữa công cụ tính toán và thực tế máy đo.