Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang

Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quangNghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGHIÊM XUÂN HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08 HÀ NỘI - 2016 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ TUẤN LÂM Phản biện 1: …………………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Hiện nay, việc truyền dẫn thông tin sợi quang ứng dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực thực tế, có nhiều ưu điểm so với truyền dẫn khác như: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, tính bảo mật thông tin cao… Hệ thống thông tin quang thiết kế cho tuyến đường trục Bắc Nam, tuyến quốc tế, tuyến trung kế, sử dụng rộng rãi mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai [2] [4].Tuy có nhiều ưu điểm so với truyền dẫn khác vấn đề lực truyền dẫn hệ thống sợi quang vấn đề đáng quan tâm như: dung lượng hay tốc độ kênh quang khoảng cách truyền hệ thống [6] Trong tất phần tử hệ thống truyền dẫn quang, kỹ thuật điều chế tín hiệu đóng vai trò quan trọng việc đáp ứng yêu cầu hệ thống Do việc nghiên cứu công nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để nâng cao lực mạng lưới truyền dẫn đưa đề xuất ứng dụng công nghệ thích hợp tương lai Vì vậy, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế hiệu cao cho hệ thống thông tin sợi quang” làm đề tài tốt nghiệp Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin sợi quang Chương 2: Một số kỹ thuật điều chế hiệu cao hệ thống thông tin sợi quang Chương 3: Mô đánh giá kỹ thuật điều chế hiệu cao cho hệ thống thông tin sợi quang CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Ngay từ hệ thống thông tin cáp sợi quang thức đưa vào khai thác mạng viễn thông, người thừa nhận phương thức truyền dẫn quang thể khả to lớn việc truyền tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại Trong vòng khoảng mười năm trở lại đây, với phát triển không ngừng công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi thông tin quang có tiến vượt bậc Các nhà sản xuất chế tạo sợi quang đạt tới giá trị suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km bước sóng 1550 nm cho thấy phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo nguồn phát quang thu quang, cung cấp cho hệ thống nguồn quang cần thiết với cường độ xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi trường… thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội nhỏ, tiêu thụ lượng thấp… Ngoài ra, công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo môi trường truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hưởng can nhiễu, băng thông rộng… để từ tạo hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống thông tin khác, [4], [6]: - Suy hao truyền dẫn nhỏ; - Băng tần truyền dẫn lớn; - Không ảnh hưởng nhiễu điện từ; - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao; - Có kích thước trọng lượng nhỏ; - Sợi có tính cách điện tốt; - Độ tin cậy cao; - Sợi chế tạo từ vật liệu phi kim loại sẵn có nên kinh tế; Chính lý mà hệ thống thông tin quang có sức hấp dẫn mạnh mẽ tới nhà khai thác viễn thông Các hệ thống thông tin quang phù hợp với tuyến quốc tế, tuyến đường trục tuyến trung kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai 1.1.Tổng quan hệ thống thông tin quang Mô hình hệ thống thông tin quang Hình 1.1 sau: Hình 1.1: Mô hình hệ thống thông tin quang sợi [4] Các thành phần hệ thống thông tin quang gồm phần phát quang, cáp sợi quang, phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm có sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động môi trường bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có thành phần khác như: mối hàn, tách/ ghép quang trạm lặp; hay khuếch đại… tất tạo nên hệ thống thông tin quang sợi hoàn chỉnh, Nguồn phát quang thiết bị phát sử dụng điốt phát quang (LED) Laser bán dẫn (LD) Cả hai loại nguồn phát phù hợp cho hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu có tham số biến đổi tương ứng với thay đổi dòng điều biến tín hiệu điện đầu vào thiết bị phát dạng số có dạng tương tự Bộ tách sóng quang đầu thu thực tiếp nhận ánh sáng tách lấy tín hiệu từ hướng phát đưa tới Tín hiệu quang biến đổi trở thành tín hiệu điện Các photodiode PIN diode quang thác APD sử dụng để làm tách sóng quang hệ thống thông tin quang, hai loại có hiệu suất làm việc cao có tốc độ chuyển đổi nhanh Đặc tính quan trọng thiết bị thu quang độ nhạy thu quang, mô tả công suất quang nhỏ thu tốc độ truyền dẫn số ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép hệ thống Khi khoảng cách truyền dẫn dài, với cự ly đó, tín hiệu quang sợi bị suy hao nhiều cần thiết phải có trạm lặp quang đặt tuyến 1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang Việc phân loại hệ thống thông tin quang dựa theo nhiều tiêu chí để phân loại, luận văn dựa theo dạng điều chế tách sóng quang, hệ thống thông tin sợi quang chia thành: - Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD; - Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang Coherent 4 1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD có sơ đồ khối hình 1.2, hệ thống dùng kỹ thuật điều chế cường độ (Intensity Modulation) máy phát quang tách sóng trưc tiếp (Direct Detection) máy thu Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [4] Hệ thống thông tin sợi quang gồm có thánh phần chính, là: thiết bị đầu cuối phát quang, sợi quang, khuếch đại quang thiết bị đầu cuối thu quang Thiết bị đầu cuối phát quang thành phần quan trọng hệ thống thông tin quang, có chức biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang tương ứng phát tín hiệu quang vào sợi quang để thực truyền dẫn thông tin Thiết bị đầu cuối phát quang bao gồm: - Bộ ghép kênh số - Bộ biến đổi lưỡng cực-đơn cực - Bộ xử lý mã gửi - Bộ biến đổi điện quang - Bộ ghép kênh quang - Bộ lặp đường dây Ngày nay, hệ thống thông tin sợi quang người ta dùng khuếch đại quang thay dần cho lặp điện quang Thiết bị đầu cuối thu quang phận quan trọng hệ thống thông tin quang vị trí sau tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi mà thiết bị thu nhận đặc tính tác động toàn tuyến đưa tới, hoạt động có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn hệ thống truyền dẫn Chức thiết bị biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh, nhiễu thấp, giá thành hạ đảm bảo có độ tin cậy cao Thiết bị đầu cuối thu quang bao gồm: - Bộ tách kênh quang - Bộ biến đổi quang - điện… 1.2.2 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp Cho đến nay, phần lớn hệ thống thông tin quang khai thác mạng lưới nhiều nước hệ thống sử dụng điều biến cường độ tách sóng trực tiếp (IM/DD) Tuy đóng vai trò quan trọng mạng lưới viễn thông, từ đường trục thuê bao, từ tuyến đất liền tuyến vượt biển mang lại lợi ích kinh tế, song kỹ thuật chưa tận dụng có hiệu tính chất sóng ánh sáng băng tần sợi dẫn quang đơn mode Các sợi quang thông thường đáp ứng băng tần 200 THz, hệ thống truyền dẫn quang IM-DD đơn kênh quang đạt tốc độ 622 Mbps, 2,5 Gbps cự ly vài chục km số hệ thống 10 Gbps chưa phổ biến nhiều Mặt khác độ nhạy thu trực tiếp bị hạn chế tốc độ bit truyền dẫn cao, tốc độ bit cao độ nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IM-DD lúc vừa tăng cự ly vừa tăng tốc độ Trong hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD phía phát, luồng bít đưa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang đầu thu, tín hiệu quang tách sóng trực tiếp photodiode để lấy tín hiệu điện băng gốc, nguyên lý truyền dẫn thông tin số đơn hướng.Với hệ thống truyền dẫn hai chiều, người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu phía phát phía thu Do hiệu suất sử dụng hệ thống không cao nhiên có giá thành thấp thiết lập hệ thống đơn giản nên sử dụng thời điểm tương lai 6 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp có sơ đồ hình khối hình 1.4 Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin quang kết hợp [5] - Thiết bị đầu cuối phát quang: gồm có mạch điều khiển, lazer bán dẫn, điều chế tín hiệu, thêm khuếch đại công suất, điều khiển công suất tự động cần thiết - Thiết bị đầu cuối thu quang: Máy thu hệ thống thông tin quang kết hợp phức tạp nhiều so với hệ thống thông tin quang IM/DD Nó bao gồm phận sau: Bộ trộn quang, tách quang, laser dao động nội, khuếch đại, lọc dải, giải điều chế chỉnh tự động tần số laser dao động nội 1.3 Các hạn chế, khó khăn hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao Trong hệ thống thông tin quang, suy hao quang, có nhiều tham số tương tác với tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống làm đáng kể lượng công suất tín hiệu, tham số: dung lượng, cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc độ bít hệ thống phổ nguồn phát 1.4 Kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin quang Sự đời hệ thống sóng quang, tốc độ liệu cao 10Gbps 40Gbps kênh thực hấp dẫn Trong phép cộng, gói nhiều kênh sợi đơn, khoảng cách kênh giảm từ 200GHz đến 50GHz trí nhỏ Trực tiếp tác động tới tính phi tuyến không phi tuyến làm giảm hiệu lớn hệ thống thông tin quang tốc độ cao Một giải pháp tối ưu điều chế khắc phục tính phi tuyến không phi tuyến cần thiết Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng kỹ thuật điều chế như: - Kỹ thuật điều chế không trở không với khóa đóng mở (NRZ-OOK) - Kỹ thuật điều chế trở không với khóa đóng mở (RZ-OOK) - Kỹ thuật khử sóng mang trở không (CS-RZ) - Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK - Kỹ thuật điều chế RZ-DPSK - Kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK Đó kỹ thuật điều chế chủ yếu hệ thống thông tin quang tốc độ cao dùng phương pháp tách sóng trực tiếp hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent dùng phương pháp tách sóng kết hợp 1.5 Kết luận chƣơng Chương trình bày tổng quan hệ thống thông tin quang, giới thiệu hệ thống thông tin quang sử dụng rộng rãi nước giới, so sánh ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang như: suy hao truyền dẫn nhỏ, tính bảo mật cao, kích thước trọng lượng nhỏ… Trong chương nêu hạn chế, khó khăn hệ thống thông tin quang tốc độ liệu cao trình hoạt động vấn đề dung lượng khoảng cách, giới hạn băng tần… Để khắc phục cải thiện hạn chế chương đề cập tới kỹ thuật điều chế nâng cao cho hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao CHƢƠNG 2: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NÂNG CAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Hiện nay, việc truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, cự ly xa dùng phương pháp điều chế OOK (On-Off Keying) gặp nhiều thách thức giới hạn băng thông điều chế khuếch đại điện phía thu, ảnh hưởng phi tuyến tán sắc sợi, băng thông không tương thích với khoảng cách kênh 100GHz 50 GHz,… Một giải pháp đưa để truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, cự ly xa dùng phương pháp điều chế nâng cao 8 Trong năm gần đây, có nhiều phương pháp điều chế phát triển ứng dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang tách sóng trực tiếp NRZOOK, RZ-OOK, BPSK, DPSK, DQPSK [11], [12] Việc nghiên cứu kỹ thuật điều chế hiệu cao tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để vừa nâng cao lực mạng lưới truyền dẫn vừa sử dụng hiệu hạ tầng quang sẵn có đồng thời đưa đề xuất ứng dụng kỹ thuật thích hợp, hiệu cho thiết bị truyền dẫn Do vậy, mục tiêu Chương nghiên cứu phương pháp điều chế nâng cao 2.1 Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng trực tiếp 2.1.1 Điều chế NRZ-OOK 2.1.2 Điều chế RZ-OOK 2.1.3 Điều chế NRZ-DPSK 2.1.4 Điều chế RZ-DPSK Như phương pháp điều chế NRZ-DPSK, liệu mã hóa nhị phân “0” “” độ dịch pha bit liền kề Nhưng độ rộng xung quang hẹp khe bit thế, lượng tín hiệu quang trở không đỉnh khe bit Để phát tín hiệu quang RZ-DPSK, điều chế cường độ sử dụng để so sánh với phát sinh RZ-DPSK Sơ đồ khối truyền dẫn RZDPSK hình 2.7 [12] Hình 2.7 Sơ đồ khối truyền dẫn RZ-DPSK Hình 2.8 Quang phổ tín hiệu RZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps 2.1.5 Điều chế CS-RZ 2.2 Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng kết hợp Trong hệ thống thông tin quang kết hợp, tín hiệu quang trước lúc truyền điều chế biên độ, tần số, pha sóng mang quang Về nguyên tắc, thực điều chế số điều chế tương tự; thực tế việc điều chế số cho hệ thống thông tin quang phổ biến, điều chế tương tự áp dụng Quá trình điều chế, lượng tin nguồn tin bảo toàn, thay đổi mối tương quan tần số công suất tín hiệu truyền Trong hệ thống thông tin quang số, có ba dạng điều chế là: điều chế khóa dịch biên độ ASK, điều chế khóa dịch tần FSK điều chế khóa dịch pha PSK 2.2.1 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch biên (ASK) 2.2.2 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch tần (FSK) 2.2.3 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch pha (PSK) khóa dịch pha vi phân (DPSK) Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân (DPSK) Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân DPSK giống điều chế PSK, viết: Es (t )  E0cos[(0t  m(t ) )] Trong thực tế khác quy luật mã hóa DPSK, thông tin mã hóa theo khác pha hai bit Chẳng hạn zz thể pha bit thứ k khác pha   k  k 1 thay đổi π tùy thuộc vào bit thứ k bit “1” hay bit “0” Ưu điểm điều chế DPSK tín hiệu 10 phát điều chế thành công pha sóng mang quang trì ổn định độ dài hai bit Điều chế thường dùng hệ thống thực tế, không cần giải điều phức tạp mà cho đặc tính tốt 2.3 Đánh giá hiệu phƣơng pháp điều chế 2.3.1 Phương pháp tách sóng trực tiếp Khoảng cách truyền dẫn LSPM tính theo thang logarithm tỷ nghịch với công suất tín hiệu quang trung bình tính theo dBm Quan hệ tuyến tính kiểu biểu diễn dạng : LSPM.P = C (2.4) Trong đó, C số, phụ thuộc vào định dạng điều chế tín hiệu, LSPM có đơn vị mét công suất đầu vào trung bình P có đơn vị Watt Cùng mối quan hệ tuyến tính với tất định dạng điều chế hệ thống 40Gbps chịu ảnh hưởng suy giảm SPM lớn nhiều so với hệ thống 10Gbps tương ứng Cũng sử dụng biểu thức (2.4), nhận đường cong nối liền tương tự hệ thống 40Gbps Ở tốc độ liệu 10Gbps, khác biệt rõ ràng định dạng điều chế khác nhau, giá trị C chúng sai khác 20%, thể Bảng 2.1 Điều cho thấy hệ thống quang có quản lý tán sắc tốc độ liệu thấp, hạn chế gây SPM tương đối nhạy cảm với định dạng điều chế tín hiệu Điều quy kiện tốc độ liệu thấp, chiều dài tán sắc lớn nhiều so với chiều dài phi tuyến sợi tất định dạng điều chế đề cập Trái lại, hệ thống 40Gbps hình 2.18, sức chịu đựng hệ thống méo phi tuyến gây SPM bị tác động mạnh mẽ định dạng điều chế tín hiệu 2.3.1.3 Ảnh hưởng nhiễu ASE Trong hệ thống quang thực tế, yếu tố khác gây hạn chế khoảng cách truyền dẫn nhiễu ASE tích lũy phát sinh EDFA tuyến suy giảm SNR phía thu Bỏ qua méo dạng sóng tín hiệu xét đến tác động tỷ số tín hiệu tức thời nhiễu phía thu, giá trị Q phía thu giới hạn SNR tỉ lệ trực tiếp với bậc hai công suất tín hiệu quang [12] 11 Q= .Pin(1) 2.N h.c.NFeff (Geff  1).Be (2.5) Trong đó, pin(1) công suất quang bit “1” đưa vào khoảng lặp, h số Planck, c vận tốc ánh sáng, λ bước sóng tín hiệu, Be độ rộng băng phía thu N tổng số khoảng lặp 2.3.2 Phương pháp tách sóng kết hợp 2.3.2.1 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang ASK đồng 2.3.2.2 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang PSK đồng 2.3.2.3 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang FSK đồng 2.3.2.4 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang ASK không đồng 2.3.2.5 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang FSK không đồng 2.3.2.6 Tỷ lệ lỗi bit (BER) thu quang DPSK không đồng bộ: 2.4 Kết luận chương Chương luận văn, giới thiệu kỹ thuật điều chế tín hiệu quang thường sử dụng hệ thống thông tin quang như: NRZ-OOK, RZ-OOK, NRZ, DPSK, QPSK trọng vào kỹ thuật tiên tiến ứng dụng cho mạng truyền dẫn quang hệ có dung lượng lớn, khoảng cách truyền dài cực dài Trong chương đưa mặt khó khăn hệ thống quang Dựa vào tài liệu để so sánh đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế tín hiệu quang, từ phần hiểu rõ loại điều chế Từ chúng có nhìn tổng quan đánh giá khách quan cho kỹ thuật điều chế sử dụng truyền dẫn thông tin quang 12 CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Trong năm gần đây, công nghệ thông tin quang WDM/DWDM, SONET/SDH, Coherent, Soliton, công nghệ chuyển mạch quan v.v… không ngừng phát triển Các hệ thống thông tín quang tốc độ cao ngày gia tăng theo phát triển không ngừng giới Cùng với phát triển công nghệ thông tin quang, điều chế quang hệ thống thông tin quang vấn đề thiếu Vì điều chế trước lúc truyền dẫn nhằm mục đích để đạt thêm số vấn đề cần mong muốn: thứ nhằm dịch chuyển băng tần tín hiệu sang vùng mong muốn để tạo điều kiện cho trình ghép kênh; thứ hai để tạo nên tín hiệu tương hợp với giao tiếp lớp đường, lớp đoạn lớp quang Việc sử dụng sợi quang khác phương pháp điều chế hệ thống thông tin quang tốc độ cao cho phù hợp, để đạt hiệu cao nhất, chất lượng tốt nhất,… vấn đề nhà khoa học quan tâm không ngừng nghiên cứu Cùng với phát triển công nghệ bước sóng ánh sáng, hệ thống quang 10Gbps 40Gbps 100 Gbps ngày gia tăng quan tâm nhà cung cấp Tuy nhiên, tán sắc hiệu ứng suy giảm phi tuyến trở thành trở ngại lớn hệ thống quang tốc độ cao Một điều quan trọng để thực hóa thương mại hệ thống bước sóng ánh sáng tốc độ cao tối ưu hiệu hệ thống cách quản lý tán sắc tối ưu loại trừ hiệu ứng suy giảm phi tuyến Một mặt nhà cung cấp dịch vụ muốn nguyên hệ thống mạng nhiều tốt Mặt khác nhiều yếu tố loại sợi quang khác dạng điều chế khác có ảnh hưởng đến hệ thống Do cần có so sánh dạng điều chế khác Điều cho nhìn sâu sắc hệ thống sóng ánh sáng tương lai gần hỗ trợ phát triển mạng lộ trình liên tục Trong phần thông qua việc hiểu mô phỏng, so sánh hiệu truyền dẫn dạng điều chế tiên tiến hệ thống thông tin 13 quang tốc độ cao bàn luận tác động chúng việc lựa chọn kiểu truyền dẫn quang 3.1 Mô hình hệ thống Cấu hình tổng thể hệ thống minh họa Hình 3.1 [12] Cả tốc độ liệu 10Gb/s 40Gb/s, 100Gb/s bước sóng đề cập tới Trong mô thực ghép bốn kênh bước sóng từ λ1 đến λ4 hệ thống WDM Hình 3.1 Sơ đồ thiết lập hệ thống WDM 3.2 Mô hình mô 3.2.1 Các thông số mô hình mô hệ thống - Bài toán đặt ra: Thiết kế hệ thống thông tin quang WDM phần mềm mô Optiwave, sử dụng bước sóng băng tần C xét hai tốc độ 10Gb/s 100 Gb/s, khoảng cách bước sóng 100 GHz Khảo sát tuyến truyền dẫn: 300km - Khảo sát tuyến truyền dẫn: thiết kế hệ thống thông tin quang cho đường truyền dẫn có khoảng cách khoảng 300km Trên tuyến ta sử dụng loại sợi quang là: - Sợi quang đơn mode chuẩn SMF có chiều dài: 50 km - Sợi bù tán sắc DCF có chiều dài: 10 km - Và sử dụng số vòng lặp là: Theo yêu cầu toán cần thiết kế hệ thống thông tin quang có dung lượng kênh 10Gbit/s 14   - Số lượng kênh: N = (kênh) từ λ1 đến λ4 Tốc độ truyền tín hiệu kênh: B = 10 Gb/s Tần số phát: 193.1 THz Khoảng cách kênh: D = 100 Gbit/s Khảo sát bước sóng trung tâm băng C: λ = 1550 nm Ta có bước sóng khảo sát  λ1 = 1550 nm  λ2 = 1550,8 nm  λ3 = 1551,6 nm  λ4 = 1552,4 nm - Trên tuyến truyền dẫn sử dụng sợi bù tán sắc DCF có chiều dài 60 km, dùng để hạn chế tán sắc, loài sợi đơn mode Suy hao sợi: 0.5 dB/km - Sợi quang truyền dẫn (SMF) sợi đơn mode chuẩn có chiều dài 300 km, sợi quang truyền dẫn tốc độ cao sử dụng theo chuẩn G652.D Suy hao sợi: 0.2 dB/km - Hệ thống triệt tiêu tán sắc - Tại đầu thu sử dụng tách sóng quang Photodiode PIN lọc thông thấp với tần số cutoff là: 0.75 tốc độ bit 1.5 tốc độ bit Ở đầu thu ta đặt suy hao quang: 5dB 3.2.2 Các mô hình mô Với công cụ thiết kế phần mềm mô Optisystem, em thiết kế hệ thống thông tin quang WDM sử dụng điều chế NRZ-OOK, RZ-DPSK, RZDQPSK hình đây: a) Mô hình hệ thống sử dụng điều chế NRZ-OOK b) Mô hình mô kỹ thuật điều chế RZ-DPSK c) Mô hình mô kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK 15 3.3 Nhận xét đánh giá Sau lâp mô hình mô hệ thống với kỹ thuật điều chế NRZ truyền thống kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK DQPSK phần 3.2.2 Chạy mô thu kết sau: - Phổ quang bốn bước sóng: Hình 3.12 Phổ bƣớc sóng Biểu đồ mắt thu được: Hình 3.13 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc điều chế NRZ 16 Hình 3.14 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc điều chế DPSK Hình 3.15 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc điều chế DQPSK Qua biểu đồ mắt điều chế NRZ, DPSK DQPSK nhận thấy điều chế DQPSK có số Q-factor cao nhất: 7.31258 điều chế NRZ có số thấp nhất: 4.29347 số BER điều chế DQPSK thấp Từ kết 17 đó, nhận thấy điều chế đưa mô điều chế nâng cao DPSK, DQPSK tốt so với kỹ thuật điều chế thông thường NRZ hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa Để làm rõ hiệu kỹ thuật điều chế hiệu cao hệ thống thông tin sợi quang em có đưa tình sau: a) Giữ nguyên tốc độ truyền giảm khoảng cách kênh Hình 3.16 Phổ kênh bƣớc sóng Chạy mô ta thu kết quả: Hình 3.17: Quan hệ BER Công suất thu 18 Qua đồ thị em nhận thấy cho số suy hao suy hao quang biến thiên BER giảm theo công suất thu Với điều chế ta xét mô điều chế NRZ có độ nhạy thu tốt so với hai điều chế nâng cao DPSK DQPSK, nhiên có tỷ lệ lỗi bit BER điều chế nâng cao có phần ổn định thấp so với điều chế NRZ truyền thống khoảng 10-8 đến 10-12 Với việc làm thu hẹp khoảng cách kênh truyền làm tăng dung lượng hệ thống, tăng khoảng cách tuyến truyền dẫn mà đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER, tức chất lượng hệ thống nâng cao b) Giữ nguyên khoảng cách kênh, tăng tốc độ truyền lên 40 Gb/s, 100Gb/s Hình 3.18 Quan hệ BER Công suất thu tăng tốc độ lên Qua đồ thị BER theo công suất tăng tốc độ truyền dẫn lên 100Gb/s thấy điều chế NRZ có BER cao nhiều so với hai kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK DQPSK Như sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao tốc độ cao dung lượng hệ thống tăng, chất lượng tín hiệu đảm bảo tốc độ hệ thống đạt mức cao lên tới 100Gb/s c) Khảo sát hệ thống với kỹ thuật điều chế thay đổi khoảng cách tuyến truyền dẫn (thay đổi số vòng lặp) Giữ nguyên công suất phát, phía thu đặt suy với giá trị suy hao là: 5dB 19 Hình 3.19: Quan hệ BER theo Số khoảng lặp Hình 3.20 Ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến Dựa vào kết thu hình 3.19, hình 3.20 thấy khoảng cách tuyến truyền dẫn tăng BER tăng, nhiên hai điều chế nâng cao DPSK DQPSK có khả chịu hiệu ứng phi tuyến tốt hẳn so với hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế thông thường NRZ Như vậy, hệ thống thông tin sợi quang sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK, DQPSK truyền dẫn tín hiệu khoảng cách lớn 20 3.4 Kết luận chƣơng 3: Trong phần chương này, xây dựng mô hình mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng ba kỹ thuật điều chế NRZ, DPSK DQPSK Sử dụng phần mềm mô Optisystem xây dựng cụ thể mô hình mô tương ứng điều chế xét tới Khảo sát phân tích tín hiệu thu để đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế dung lượng, khoảng cách truyền dẫn… Từ nhận xét kỹ thuật điều chế phù hợp với hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật điều chế ứng dụng kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin quang tốc độ cao cự ly xa Qua phân tích, nghiên cứu nội dung luận văn rút kết luận sau: - Giới thiệu mô hình hệ thống thông tin sợi quang với hai hệ thống hệ thống quang IM/DD hệ thống quang kết hợp Đồng thời nêu khó khăn, thách thức hệ thống thông tin quang tốc độ cao dung lượng, khoảng cách truyền dẫn, giới hạn khai thác băng tần… - Giới thiệu kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin quang tách sóng trực tiếp NRZ-OOK, RZ-OOK, CS-RZ, NRZ-DPSK, RZ-DPSK, DQPSK… kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin quang kết hợp điều chế biên độ, điều chế tần số, điều chế pha…So sánh hiệu vài kỹ thuật điều chế - Trình bày mô hình mô để phân tích, đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế NRZ thông thường kỹ thuật điều chế pha bậc cao với hiệu suất sử dụng phổ cao DPSK DQPSK Dựa vào kết mô nhận thấy việc sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK, DQPSK làm tăng dung lượng hệ thống, tăng khoảng cách truyền dẫn… Hướng phát triển Kỹ thuật điều chế quang hệ thống thông tin quang vấn đề nghiên cứu ứng dụng cụ thể vào hệ thống quang cụ thể Do vậy, cần tiếp tục nghiên cứu sâu kỹ thuật điều chế hiệu cao DBPSK, QAM… hay nghiên cứu sâu việc lựa chọn loại sợi quang sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao hệ thống thông tin quang kết hợp Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều chế hệ thống thông tin quang solicon 21 Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều chế quang số mạng viễn thông Việt Nam… Tổng kết lại, em hoàn thành nội dung đề tài theo đề cương duyệt Tuy nhiên, với lực thời gian hạn chế nên luận văn tốt nghiệp em tránh khỏi khiếm khuyết Em mong muốn nhận bảo, góp ý chân thành Thầy Cô giáo bạn để luận văn em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy TS VŨ TUẤN LÂM thầy cô khoa Kỹ thuật Viễn thông trường Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, giúp đỡ, bảo tận tình cho em giúp em hoàn thành tốt luận văn này! Em xin chân thành cảm ơn! [...]... RZ-DPSK, DQPSK… và các kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang kết hợp như điều chế biên độ, điều chế tần số, điều chế pha…So sánh được hiệu năng của một vài các kỹ thuật điều chế này - Trình bày các mô hình mô phỏng để phân tích, đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật điều chế NRZ thông thường và kỹ thuật điều chế pha bậc cao với hiệu suất sử dụng phổ cao DPSK và DQPSK Dựa vào các kết quả mô phỏng... sử dụng các kỹ thuật điều chế nâng cao như DPSK, DQPSK sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống, tăng khoảng cách truyền dẫn… Hướng phát triển tiếp theo Kỹ thuật điều chế quang trong các hệ thống thông tin quang luôn là vấn đề được nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào từng hệ thống quang cụ thể Do vậy, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao như DBPSK, QAM… hay nghiên cứu sâu... thuật điều chế như dung lượng, khoảng cách truyền dẫn… Từ đó nhận xét được kỹ thuật điều chế phù hợp với hệ thống thông tin quang ở tốc độ cao, cự ly xa KẾT LUẬN Với mục tiêu nghiên cứu các kỹ thuật điều chế và ứng dụng của các kỹ thuật điều chế này trong hệ thống thông tin quang ở tốc độ cao và cự ly xa Qua phân tích, nghiên cứu các nội dung trong luận văn có thể rút ra các kết luận sau: - Giới thiệu... đánh giá khách quan hơn cho các kỹ thuật điều chế được sử dụng trong truyền dẫn thông tin quang 12 CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG CAO CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Trong những năm gần đây, các công nghệ thông tin quang WDM/DWDM, SONET/SDH, Coherent, Soliton, công nghệ chuyển mạch quan v.v… không ngừng phát triển Các hệ thống thông tín quang tốc độ cao ngày càng gia tăng... còn điều chế NRZ có chỉ số thấp nhất: 4.29347 và chỉ số BER của điều chế DQPSK là thấp nhất Từ kết quả 17 đó, nhận thấy rằng trong 3 điều chế đưa ra trong mô phỏng này thì điều chế nâng cao DPSK, DQPSK là tốt hơn so với kỹ thuật điều chế thông thường NRZ trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa Để làm rõ hơn hiệu năng của các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao trong hệ thống thông tin sợi quang. .. việc lựa chọn các loại sợi quang sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao trong hệ thống thông tin quang kết hợp Nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật điều chế đối với hệ thống thông tin quang solicon 21 Nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật điều chế quang trong một số mạng viễn thông Việt Nam… Tổng kết lại, em đã hoàn thành được các nội dung của đề tài theo đề cương đã được duyệt Tuy nhiên, với năng lực và thời... hệ thống thông tin sợi quang với hai hệ thống là hệ thống quang IM/DD và hệ thống quang kết hợp Đồng thời nêu ra được các khó khăn, thách thức của hệ thống thông tin quang tốc độ cao là dung lượng, khoảng cách truyền dẫn, giới hạn trong khai thác băng tần… - Giới thiệu các kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang tách sóng trực tiếp như NRZ-OOK, RZ-OOK, CS-RZ, NRZ-DPSK, RZ-DPSK, DQPSK… và các. .. em thiết kế được hệ thống thông tin quang WDM sử dụng điều chế NRZ-OOK, RZ-DPSK, RZDQPSK như hình dưới đây: a) Mô hình hệ thống sử dụng điều chế NRZ-OOK b) Mô hình mô phỏng kỹ thuật điều chế RZ-DPSK c) Mô hình mô phỏng kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK 15 3.3 Nhận xét và đánh giá Sau khi lâp các mô hình mô phỏng hệ thống với 3 kỹ thuật điều chế NRZ truyền thống và 2 kỹ thuật điều chế nâng cao là DPSK và DQPSK... còn điều chế tương tự ít được áp dụng Quá trình điều chế, lượng tin của nguồn tin được bảo toàn, chỉ thay đổi mối tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi Trong các hệ thống thông tin quang số, có ba dạng điều chế chính là: điều chế khóa dịch biên độ ASK, điều chế khóa dịch tần FSK và điều chế khóa dịch pha PSK 2.2.1 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch biên (ASK) 2.2.2 Kỹ thuật điều chế. .. truyền dẫn lên 100Gb/s thì thấy điều chế NRZ có BER cao hơn nhiều so với hai kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK và DQPSK Như vậy khi sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao ở tốc độ cao thì dung lượng của hệ thống tăng, chất lượng tín hiệu luôn được đảm bảo trong khi đó tốc độ hệ thống đạt ở mức rất cao lên tới 100Gb/s c) Khảo sát hệ thống với các kỹ thuật điều chế khi thay đổi khoảng cách của tuyến truyền dẫn (thay