TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TỐC ĐỘ CAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG-PHẠM HỮU DUY LAM

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài này nghi n cứu một số ỹ thuật điều chế tín hiệu uang và một số ỹ thuật truyền ẫn ti n tiến ứng dụng trong các hệ thống thông tin sợi uang đường dài thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM HỮU DUY LAM

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TỐC ĐỘ CAO TRONG

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2013

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN

Phản biện 1: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN

Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 02 tháng 6 năm 2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại :

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong khoảng thời gian năm năm gần đây mạng viễn thông Việt nam đã có những bước phát triển vượt bậc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ viễn thông Tuy nhiên sự tăng trưởng đột biến trong nhu cầu về dịch vụ viễn thông nói riêng và dịch vụ mạng đường trục nói chung cũng đang đặt ra những thách thức to lớn đối với hạ tầng mạng truyền dẫn quang

Sau sự ra đời của sợi uang đ n m và các công nghệ uang i n uan và đầu những năm 1 0, các mạng truyền ẫn uang đã có những bước phát triển vượt bậc ự phát triển của các

hệ thống truyền ẫn uang à nhằm đáp ứng ch sự tăng trưởng đột biến của ưu ượng viễn thông t àn cầu tr ng những năm ua Năng ực truyền ẫn của một hệ thống tr n một sợi uang, tức à

t ng ung ượng mà nó có thể đạt được tr n một sợi uang phụ thuộc và các yếu tố ung ượng hay tốc độ của nh uang đ bằng bit s , và h ảng cách truyền của hệ thống Hay năng ực của

hệ thống chính à tích BL, tr ng đó B à ung ượng và L là khoảng cách)

Trong tất cả các phần tử cấu thành hệ thống truyền dẫn quang, công nghệ hay kỹ thuật điều chế tín hiệu đóng vai trò uan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống Vì vậy việc nghiên cứu về công nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để vừa có thể nâng ca năng ực của mạng ưới truyền dẫn vừa có thể sử dụng hiệu quả hạ tầng quang sẵn có đồng thời có thể đưa ra đề xuất ứng dụng công nghệ mới thích hợp, hiệu quả đảm bảo chu kỳ sống công nghệ cho các thiết bị truyền dẫn quang

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài này nghi n cứu một số ỹ thuật điều chế tín hiệu uang

và một số ỹ thuật truyền ẫn ti n tiến ứng dụng trong các hệ thống thông tin sợi uang đường dài thế hệ mới

- Hệ thống hóa những vấn đề ý thuyết c bản về điều chế và giải điều chế tín hiệu uang

- Phân tích các đặc trưng ỹ thuật của các ại điều chế tín hiệu

- Ứng ụng các ỹ thuật điều chế và giải điều chế tr ng hệ thống thông tin quang

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế trong hệ thống truyền dẫn sợi quang

b Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao

Đề tài tập trung nghiên cứu về các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu quang trong hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế tốc độ cao trong hệ thống thông tin thực tiễn

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phư ng pháp uận xuyên suốt của luận văn à ết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội ung đề tài Cụ thể như sau:

- Tìm hiểu phân tích các ỹ thuật của việc điều chế và giải điều chế tín hiệu uang tốc độ ca

- Thu thập tài iệu về các ỹ thuật điều chế uang sử ụng tr ng thực tiễn của các nhà cung cấp thiết bị hàng đầu thế giới

- ử ụng phần mềm chuy n ụng Mat ab,… để mô phỏng một số phư ng pháp điều chế tốc độ ca

- sánh đánh giá ết uả thực hiện

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VỀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Với hướng nghiên cứu kỹ thuật điều chế và giải điều chế mới các tín hiệu quang giúp nâng cao tốc độ bít, ung ượng nhằm tăng hiệu quả ứng dụng trong các mạng truyền dẫn quang thế hệ mới

Từ đó, việc áp dụng các kỹ thuật này vào hệ thống truyền dẫn cáp quang thực tế khai thác sẽ tận dụng được nhiều ưu điểm và đạt được hiệu quả ca h n

6 DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Kết quả dự kiến đạt được như sau

- Mô hình kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tốc độ cao

- Các kết quả mô phỏng, đánh giá chất ượng của các kỹ thuật này

- Các công bố kết quả ứng dụng i n ua đến đề tại

7 KẾT CẤU LUẬN VĂN

Luận văn được chia àm 5 chư ng như sau

- Chư ng 1 – T ng uan về hệ thống thông tin sợi uang tốc độ cao

Giới thiệu t ng quan về hiện tượng tán sắc trong hệ thống thông tin sợi uang DWDM Chư ng này ch ta một cái nhìn t ng quát về tán sắc bao gồm định nghĩa, phân ại và những ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc

- Chư ng 2–Kỹ thuật điều chế và giải điều chế uang

Giới thiệu những ỹ thuật điều chế tín hiệu uang, bắt đầu từ những kỹ thuật đ n giản nhất trong những hệ thống truyền dẫn uang đầu tiên trên thế giới ch đến những kỹ thuật hiện đại và phức tạp nhất, tr ng đó chú trọng vào các kỹ thuật tiên tiến được ứng dụng cho các mạng truyền dẫn quang thế hệ mới có dung ượng lớn, khoảng cách truyền dài và cực dài

- Chư ng 3 – Kỹ thuật điều chế quang trong tầm nhìn của nhà cung cấp thiết bị

Giới thiệu những kỹ thuật điều chế quang trong tầm nhìn và lộ trình của các nhà cung cấp thiết bị n i tiếng trên thế giới, với trọng tâm hướng vào những kỹ thuật tiên tiến đảm bảo tốc độ truyền dẫn lớn cho từng kênh, t ng ung ượng lớn cho toàn hệ thống, và khoảng cách truyền dẫn lớn Chư ng này cũng phân tích những đặc điểm của kỹ thuật của các hệ thống truyền dẫn quang phía Bắc, trục Bắc-Nam, và phía Nam ưới góc độ kỹ thuật điều chế tín hiệu quang

- Chư ng 4 – Mô phỏng một số kỹ thuật điều chế tín hiệu quang

- Chư ng 5 – sánh đánh giá các ỹ thuật điều chế

Đề uất các huyến nghị cho việc ựa chọn các ỹ thuật điều chế thích hợp với mạng truyền ẫn uang thế hệ mới của VTN nhằm đảm bảo hiệu quả cao nhất cho các nhu cầu truyền tải đường trục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chư ng này uận văn sẽ tìm hiểu cấu trúc c bản của một hệ thống truyền ẫn uang điển hình nhất, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất ượng thông tin uang Và tr n c sở đó, một

số giải pháp hắc phục được đưa ra để chống ại những ảnh hưởng bất ợi đó

1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TỐC ĐỘ CAO DWDM

1.2.1 Cấu trúc truyền dẫn cơ bản của mạng DWDM

a Thiết bị đầu cuối quang OLT

b Bộ chuyển đổi bước sóng

c Bộ tách ghép các bước sóng quang

d Bộ khuếch đại đường truyền

e Bộ ghép kênh xen rẽ quang OADM

DWDM

1.3.1 Số kênh sử dụng và khoảng cách giữa các kênh

a Khả năng công nghệ hiện có đối với các thành phần quang của hệ thống

b Các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách giữa các kênh

1.3.2 Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu

cầu độ rộng của nguồn phát

a Ổn định bước sóng của nguồn quang

b Yêu cầu độ rộng của nguồn phát

1.3.3 Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang

1.3.4 Suy hao – Quỹ công suất của hệ thống WDM

2.2 ĐIỀU CHẾ CÔNG SUẤT

Từ những ngày đầu của truyền dẫn uang, điều chế công suất

ở dạng OOK đã được dùng trong hầu hết các hệ thống do những lợi thế chính như đ n giản trong việc tạo, phát và thu tín hiệu, tính chống nhiễm cao của tín hiệu đối với tạp pha quang (optical phase noise) OOK sử dụng hai dạng xung: không-trở về-không (NRZ)

với công suất tín hiệu uang hông đ i trong toàn bộ chu kỳ T s của

ký tự, và trở về-không (RZ) với công suất quang chỉ chiếm một

phần của T s

2.2.1 Điều chế NRZ-OOK

2.2.2 Điều chế RZ-OOK

2.3 ĐIỀU CHẾ PHA VI SAI

Tr ng điều chế pha, pha của sóng mang thay đ i theo số liệu nhị phân và đó cho phép sử dụng các tín hiệu ưỡng cực, điều không thể thực hiện được tr ng điều chế công suất và giải điều chế trực tiếp IM DD Tính năng này có nghĩa à điều chế/giải điều chế pha có khả năng cải thiện độ nhạy máy thu so với IM/DD Ví dụ, khi so sánh hệ thống sử dụng điều chế/giải điều chế pha vi sai hai mức DBPSK và hệ thống sử dụng OOK, sự cải thiện này là vào khoảng 3 dB [8, 9]

Phần sau đây sẽ xem xét một số kỹ thuật điều chế/giải điều chế pha

vi sai được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây tính đ n giản của kỹ thuật này cùng với những tiến bộ trong công nghệ uang, như sự xuất hiện của những laser ph hẹp [8, 9]

2.3.1 Điều chế pha vi sai hai mức NRZ-DBPSK

2.3.2 Điều chế pha vi sai hai mức RZ-DBPSK

2.3.3 Điều chế pha vi sai bốn mức DQPSK

Để tăng ung ượng truyền dẫn mà không cần đến những băng tần lớn h n, cần phải mã hóa nhiều h n một bit vào một ký tự Điều chế sai pha bốn mức (DQPSK, Differential quadrature phase shift keying) là kỹ thuật điều chế pha đầu tiên thực hiện ý tưởng này Với kỹ thuật điều chế này

Năm 2002, Griffin và Cart r đề xuất kỹ thuật điều chế DQPSK quang, mã hoá hai bit dữ liệu vào một trong bốn pha vi sai [0, π 2,

π, 3π 2] Với cách mã hóa này tốc độ baud của DQPSK chỉ bằng một nữa tốc độ bit

[0,1]2

[10]~32 [1,0]: ký tự

Bit trọng số nhỏ nhất Bit trọng số lớn nhất

3/2: pha

0,0

Hình 2.13 Biểu iễn tín hiệu DQP K tr n mặt phẳng phức

Tín hiệu DQPSK có thể được tạo ra bởi các cấu trúc máy phát khác nhau.Một trong số đó được gọi là cấu trúc s ng s ng, như trên0a , Griffin và Cart r đề xuất [11] Trong cấu trúc này, thiết

bị mã hóa (coder) mã từng nhóm hai bit [D1D0] theo luật vi sai,

rồi chuyển thành các điện áp điểu chế cho hai nhánh I và

Qcủathiết bị MZIM Độ dịch pha π /2 ra ian được đưa và một

trong hai nhánh, làm cho hai tín hiệu trực giao với nhau Dưới tác động của hai điện áp điều chế, pha của sóng mang trong hai đường dẫn uang thay đ i Hai tín hiệu sau đó được cộng lại với nhau tại đầu ra của bộ điều chế

Năm 2004, Ohm và Fr c mann [12] đề xuất một máy phát có cấu trúc tư ng tự, như trên b) Trong cấu trúc này việc dùng các mạch điện tử trong mạch tạ điện áp điều chế để tạo ra các xung RZ (mạch impulse shaper) sẽgây hiện tượng “chirp” hông m ng muốn cho pha của tín hiệu H n nữa, sử dụng các mạch tạo dạng xung kiểu này phức tạp h n ùng một bộ tạo dạng xung PC nối tiếp với bộ điều chế

0c) mô tả một máy thu DQPSK gồm hai nhánh để phát hiện hai

thành phần của tín hiệuI và Q Mặc dù mỗi nhánh này tư ng tự với

một máy thu NRZ-DBPSK, vẫn có một sự khác biệt:pha của sóng mang tr ng các nhánh uang b n ưới được dịch đi +π/4 và –π/4

ra ian Điều này là cần thiết để phát hiện các tín hiệu ưỡng cực

+|i|và -|i|

Để thấy rõ h n về tính hiệu quả khi áp dụng kỹ thuật mã hóa này,

ta sẽ đánh giá thông ua hiệu quả ph của nó

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

2.4 ĐIỀU CHẾ DỊCH PHA

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Tr ng chư ng này, uận văn đã phân tích các ỹ thuật điều chế được sử dụng trong mạng truyền dẫn quang nhằm khắc phục các ảnh hưởng bất lợi của suy hao và phi tuyến Qua đó uận văn sẽ có cái nhìn trực uan h n, t ng uát h n về từng loại điều chế và từ

đó đưa ra ựa chọn phù hợp với nhu cầu thực tế sử dụng Do nhu cầu mở rộng băng tần truyền dẫn nên các kỹ thuật điều chế pha hoặc pha và công suất nhiều mức được ưu ti n hàng đầu

CHƯƠNG 3

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ QUANG TRONG TẦM NHÌN CỦA NHÀ CUNG CẤP THIẾT BỊ 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chư ng này cung cấp thông tin về tầm nhìn và lộ trình thư ng mại hóa thiết bị ứng dụng các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến của một số nhà sản xuất thiết bị truyền dẫn quang Những thông tin này sẽ giúp VTN, VNPT chủ động định hướng đối với việc chọn lựa các thiết bị có kỹ thuật điều chế tín hiệu tiên tiến, áp dụng phù hợp vào mạng truyền dẫn quang của VTN và VNPT

3.2 TÌNH HÌNH THỊ TRƯỜNG THIẾT BỊ TRUYỀN DẪN 3.3 ALCATEL – LUCENT

Alcatel-Lucent cho rằng các kỹ thuật điều chế pha sử dụng dạng ung NRZ như NRZ-BPSK, NRZ-DBPSK, NRZ-QPSK và NRZ-DQPSK có thể đảm bảo khả năng chống nhiễm tốt h n đối với các ảnh hưởng phi tuyến nếu so sánh với kỹ thuật điều chế công suất OOK truyền thống do công suất của các tín hiệu điều chế pha này gần như hông đ i theo thời gian

3.4 CIENA/NORTEL CORP

Theo nghiên cứu của Ciena/ Nortel, những thách thức lớn nhất nếu vẫn sử dụng kỹ thuật điều chế công suất OOK truyền thống để nâng cao tốc độ truyền dẫn từ 10 Gbit/s lên tốc độ 40 Gbit/s là ảnh hưởng của CD, PMD và một số yếu tố hác tr n đường truyền Những thách thức này có thể vượt qua nếu sử dụng những kỹ thuật PDM-DQPSK cho phép ứng dụng hiệu quả với các tốc độ 40 Gbit/s trở lên

3.5 FUJITSU LTD

Nghiên cứu của Fujitsu cũng ch thấy kỹ thuật RZ-DQPSK có những tính năng ưu việt về hiệu năng O NR sử dụng giải điều chế pha vi sai và dạng xung RZ

Về tính chống nhiễm đối với CD, do RZ-DQPSK có tốc độ baud chỉ bằng 1/2 tốc độ bit và độ rộng ph bằng 60% của NRZ-OOK nên kỹ thuật này có khả năng chống nhiễm ca h n 3 ần so với NRZ OOK RZ-DQP K cũng có hả năng chống nhiễm với PMD

ca h n h ảng 2 lần so với những dạng điều chế khác

Với tốc độ baud chỉ bằng nửa tốc độ bit, RZ-DQPSK có ph tín hiệu tư ng đối hẹp và ít chịu ảnh hưởng của các bộ lọc quang Điều này cho phép tín hiệu có thể truyền qua nhiều thiết bị ROADM trong các mạng uang có ích thước lớn, gồm nhiều phần tử mạng

3.6 HUAWEI TECHNOLOGIES

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Qua chư ng 3, uận văn đã phần nào thấy được tầm nhìn công nghệ của các nhà sản xuất thiết bị truyền dẫn hàng đầu Từ đây, luận văn sẽ có cái nhìn trực uan h n, t ng thể h n để lựa chọn dòng sản phẩm cũng như công nghệ phù hợp cho từng mục tiêu sử dụng

Hình 4.2 Ph tín hiệu DQPSK

Tr ng đó trục tung biểu diễn công suất của ph tín hiệu đ n vị tính: dBm Trục hoành biểu diễn độ rộng của tín hiệu đ n vị tính GHz

Chú ý: Mối liên quan giữa tần số và chiều dài trong tín hiệu quang

như sau:

Độ rộng phổ 100GHz sẽ gần tương đương 0.8nm

4.3 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU QPSK VÀ DQPSK 4.3.1 Theo Tri Budu Santoso [38]

Mức độ lỗi bit đối với điều chế bằng QPSK và DQPSK tính theo

Eb N được mô tả như hình vẽ 4.3

40-Gbit/s 16-ADPSK

120-Gbit/s PDM 16-ADPSK

42-Gbit/s DPSK

42-Gbit/s DQPSK

Residual chromatic dispersion (ps/nm)

Hình 4.5 sánh tính chống nhiễm đối với CD

4.4.2 So sánh tính chống nhiễm đối với PMD

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

2 Độ thiệt Q tại các giá trị PMD trung bình khác nhau

40-Gbit/s 66%-RZ 16-ADPSK

40-Gbit/s 50%-RZ 16-ADPSK

40-Gbit/s CSRZ-DQPSK 40-Gbit/s

CSRZ-OOK

40-Gbit/s RZ-DQPSK

Hình 4.7 So sánh tính chống nhiễm đối với PMD của các tín hiệu khác

8 kênh x 120-Gbit/s O-OFDM 4-QAM

120-Gbit/s 16-QAM

O-OFDM SSB

107-Gbit/s DQPSK

8 kênh x120-Gbit/s 16-ADPSK

10 kênh x Gbit/s NRZ- DQPSK

107-10 kênh x107-100- Gbit/s PDM

x100-10 kênh x111-Gbit/s DQPSK WDM PDM

RZ-10x121.9-Gbit/s 8-QAM OFDM WDM PDM

134 kênh Gbit/s PDM CO-OFDM QPSK

110-11 kênh x 110-112-Gbit/s O-OFDM PDM QPSK

Giới hạn hiện tại của hiệu suất phổ-khoảng cách truyền dẫn

400 0

1

Hình 4.8 Hiệu suất ph và khoảng cách truyền lớn nhất của một số

hệ thống truyền dẫn