TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 TÍNH TỐN ĐỘ NHẠY THU CỦA TUYẾN THƠNG TIN QUANG M-QAM CĨ SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG INVESTIGATION OF RECEIVER SENSITIVITY OF M-QAM OPTICAL COMMUNICATION LINKS WITH OPTICAL AMPLIFIER Lê Trung Thành Trần Đức Hân, Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Duy Huyển Trường Đại học GTVT Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Bài báo đề xuất phương pháp phân tích, tính tốn, thiết kế hệ thống truyền dẫn quang M-QAM, công nghệ quan tâm Các tham số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn nguồn tạp âm khuếch đại tách sóng quang phân tích, đánh giá Đã xây dựng phương pháp tính tốn độ nhạy thu quang cho hệ thống M-QAM có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA tiền khuếch đại PA Đã khảo sát định lượng phụ thuộc cơng suất thu sau tách sóng quang vào tham số hệ thống hệ số khuếch đại G, mức điều chế M , hệ số tạp âm NF, băng tần lọc quang Bo, hệ số xạ tự phát Nsp, tỉ số lỗi bit BER tốc độ bit Rb…v.v Kết phân tích thu sở cho tốn thiết kế hệ thống M-QAM Với cự ly truyền dẫn L km tốc độ bit Rb ( Gbps ) tỉ số lỗi bit BER… cho trước người thiết kế dễ dàng tính tốn xác định thông số tối ưu cho hệ thống ABSTRACT The purpose of this paper is to propose a method for analysis and calculation of M-QAM optical transmission system, a technology that has been attracting much attention recently A numbers of noise sources such as noise from optical amplifier and from optical detector, which all have an influence on the sensitivity and consequently an accurate estimation of the receiver sensitivity of the system is analyzed A calculation method of the receive sensitivity of M-QAM transmission system using the optical fibre amplifier EDFA as PA is studied The theory results are simulated on computer using different parameters of the system such as: the gain G of EDFA, the NF of amplifier, the BER, M-modulation level, band of optical filter Bo, bit rate Rb and spontaneous emission coefficient Nsp … The results of the analysis has applied to design the M-QAM transmission systems With given transmission distance L km, bit rate Rb and BER, a designer can calculate different parameters of the system, to determine the optimal saturable gain of the amplifier I ĐẶT VẤN ĐỀ II PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ NHẠY THU QUANG CỦA TUYẾN THÔNG TIN QUANG M-QAM Độ nhạy thu quang tham số quan trọng cần phải tính tốn q trình thiết kế tuyến thông tin quang Trong tuyến thông tin quang truyền tín hiệu khố đóng-mở (OOK:On-Off Keying), độ nhạy thu nghiên cứu chi tiết số cơng trình [1.6.7] Tuy nhiên, hệ thống thơng tin quang truyền tín hiệu M-QAM chưa có kết nghiên cứu chi tiết Bài báo đề xuất phương pháp tính tốn độ nhạy thu quang cự ly truyền dẫn tuyến thông tin quang M-QAM Các kết mô phỏng, đánh giá so sánh với tham số khác hệ thống có sử dụng khơng sử dụng EDFA Giả sử khuếch đại quang EDFA sử dụng làm tiền khuếch đại (PA) hệ thống (hình 1) Hình Hệ thống thơng tin quang M-QAM 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 Tỷ số công suất sóng mang tạp âm CNR sau tách sóng quang hệ thống tính theo [2,3,4]: CNR 0,5m I s2 total , đó, Be, B0 băng tần điện thu băng tần quang lọc quang sau EDFA; e,k,R,T điện tích electron, số Boltzman, điện trở tải tách sóng nhiệt độ tuyệt đối; IASE dòng phơtơ tạo phát xạ tự tự phát khuếch đại sau tách sóng, I ASE PASE 2nsp h (G 1) B0 PASE (1) đó, m số điều quang, Is dòng phơtơ sau tách sóng quang total tổng công suất tạp âm sau tách sóng cơng suất phát xạ tự phát khuếch đại; nsp , h, , G tương ứng hệ số phát xạ, số Plank, tần số quang hệ số khuếch đại EDFA Đồng thời, mối quan hệ CNR xác suất lỗi bit BER tín hiệu M-QAM tính theo [3]: BER Nếu hệ thống dùng sợi quang có hệ số suy hao (dB / km) , khoảng cách truyền dẫn tuyến thơng tin quang M-QAM tính theo cơng thức: 2(1 L1 ) log2 L Eb 2(1 L1 ) Q Q CNRavr log2 L L N log2 L L (2) L M=L số mức điều chế; Eb,N0 tương ứng lượng bít mật độ tạp âm; Q(x) xác định qua hàm bù sai lỗi: Q( x) x x2 erfc( ) exp( ) ; 2 x 2 [km] (5) III MỘT SỐ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Như ta có nhận xét độ nhạy thu quang phụ thuộc vào nhiều tham số hệ thống thông tin quang như: phụ thuộc vào hệ số khuếch đại G khuếch đại quang, vào băng tần lọc quang, vào tốc độ bit truyền dẫn, vào dạng điều chế hay vào hệ số tạp âm khuếch đại quang,v.v Do vậy, thiết kế tính tốn tuyến truyền dẫn quang MQAM có sử dụng khuếch đại quang ta cần phải nghiên cứu phụ thuộc độ nhạy thu khoảng cách truyền dẫn vào tham số khác hệ thống, để từ tìm tập giá trị tối ưu tham số hệ thống mà đảm bảo chất lượng truyền tin Với mục đích đó, phần mô phụ thuộc độ nhạy thu quang khoảng cách truyền dẫn tuyến vào số tham số khác hệ thống M 1 M CNR Ai2 CNR Amax M 3( M 1) i 1 (3) Ai biên độ điểm tín hiệu thứ i, Amax biên độ cực đại Theo định nghĩa độ nhạy thu cơng suất nhỏ thu giá trị xác suất lỗi bit BER hệ thống Do vậy, từ (1) độ nhạy thu tính là: B CNR e PASE 0,5m G B0 Be CNR 4kTBe h CNR P PS= B ASE 0,5m G R e 0,5m G Be CNR PASE B0 Be / 2 0,5m G B0 đó, Ptx cơng suất phát đưa vào đầu sợi quang Ps độ nhạy thu quang CNRavr tỷ số cơng suất sóng mang tạp âm trung bình sau tách sóng quang [7]: CNR avr Ptx Ps 1/ Trên hình kết mơ cho phụ thuộc độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại G EDFA với tốc độ bít khác cho hệ thống điều chế M-QAM có mức điều chế M= 8, 16, 32 64 tương ứng Các tham số sử dụng mô là: R=50 , T=3000K, B0=1GHz, =1550nm, m=0,2; =0,8A/W,xác suất lỗi bit BER=10-9 (4) 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 âm tác động lên hệ thống, làm cho tổng công suất tạp âm sau tách sóng quang tăng theo Tỷ số tín hiệu tạp âm hệ thống, đó, khơng tăng đạt đến giá trị bão hoà Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại G với hệ số tạp âm NF băng tần lọc quang B0 khác mô hình Ta thấy rằng, băng tần lọc quang B0 có ảnh hưởng đến độ nhạy thu; khi, hệ số xạ tự phát Nsp lại có ảnh hưởng lớn đến giá trị độ nhạy thu Ví dụ dùng phương pháp điều chế M=64, giá trị độ nhạy thu giảm gần dB Nsp tăng từ Nsp=1 đến giá trị Nsp=1,26 Hình Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào G với tốc độ bit khác Hình Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào NF với số mức điều chế khác Hình Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào G với băng tần quang Nsp khác Kết mô cho thấy, độ nhạy thu đạt giá trị cao giá trị hệ số khuếch đại G tăng; nhiên lại tỷ lệ nghịch với tốc độ bit, tốc độ bít tăng độ nhạy thu bị giảm xuống Độ nhạy thu đạt giá trị cao -50dBm, -49 dBm, -47dBm -46 dBm cho tốc độ bit 2,5 Gb/s, Gb/s, 7,5 Gb/s 10 Gb/s Đồng thời ta có nhận xét giá trị độ nhạy thu không tăng đạt đến bão hoà hệ số khuếch đại G EDFA tăng giá trị giới hạn Điều giải thích sau: G tăng cơng suất tín hiệu sau tách sóng quang tăng theo, làm tăng thành phần tạp Hình Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào G với M khác Ngồi ra, độ nhạy thu phụ thuộc vào tham số khác hệ thống hệ số tạp âm NF khuếch đại số mức điều chế M Hình hình mơ mối quan hệ độ nhạy thu hệ thống với NF khuếch đại với hệ số khuếch đại G hệ thống sử dụng phương pháp điều chế khác Kết 30 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 mô cho thấy giá trị độ nhạy thu giảm nhanh NF tăng, điều NF tăng thành phần tạp âm xạ tự phát khuếch đại tăng, làm giảm tỷ số tín hiệu tạp âm sau tách sóng quang ảnh hưởng mạnh đến độ nhạy thu Ví dụ với hệ thống 64-QAM hình 4, G = 25dB, giá trị độ nhạy thu đạt 46 dBm NF=4 dB; nhiên NF tăng đến dB độ nhạy thu lúc 42dBm Mặt khác, số mức điều chế tăng hiệu suất băng thơng tăng lại làm cho độ nhạy thu giảm xuống hình 5; ví dụ M= 16 G = 5dB giá trị độ nhạy thu đạt -46,5 dBm; nhiên số mức điều chế M tăng lên đến 64 độ nhạy thu lúc đạt -44dBm Do đó, thiết kế hệ thống truyền tín hiệu M-QAM nhà thiết kế phải cân nhắc tính tốn tham số: khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy thu quang, hệ số khuếch đại G số mức điều chế sử dụng để đảm bảo chất lượng truyền dẫn yêu cầu truyền dẫn tuyến; với khoảng cách tuyến truyền dẫn cho trước, nhà thiết kế cần chọn tham số khác hệ thống để đảm bảo chất lượng truyền tin yêu cầu hay với tập tham số cho trước ta cần phải tính tốn xem khoảng cách truyền dẫn cực đại đạt với giá trị BER cho trước Trên hình hình mối quan hệ khoảng cách truyền dẫn tuyến hệ số khuếch đại G EDFA với tốc độ bit 2,5 Gb/s, Gb/s, 7,5 Gb/s 10 Gb/s tương ứng, kết mô cho hai hệ thống 64QAM 256- QAM, với BER 109 Rõ ràng tốc độ bit tăng khoảng cách truyền dẫn tuyến bị giảm xuống; ví dụ tốc độ bit 2,5 Gb/s, khoảng cách truyền cực đại đạt 225 km cho hệ thống 64- QAM 212 km cho hệ thống 256- QAM, G = 5dB; nhiên tốc độ bit tăng đến 10 Gb/s khoảng cách 210 km cho hệ thống 64-QAM 195 km cho hệ thống 256- QAM với giá trị G Ta thấy rằng, yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống có ảnh hưởng lớn đến độ nhạy thu khoảng cách truyền dẫn tuyến yêu cầu chất lượng hệ thống thơng tin cao khoảng cách truyền dẫn cực đại hệ thống nhỏ Kết mô mối quan hệ khoảng cách truyền dẫn tuyến 64-QAM với hệ số khuếch đại G EDFA cho hai hệ thống có yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER tương ứng 10-9 10-12 hình Ta thấy yêu cầu chất lượng hệ thống truyền tin cao, giả sử từ BER=10-9 đến giá trị BER=10-12 khoảng cách truyền dẫn giảm khoảng 10 km tốc độ bit Rb=10Gb/s Hình Mối quan hệ khoảng cách tuyến G với M=64 Hình Mối quan hệ khoảng cách tuyến G với M=256 Hình Mối quan hệ khoảng cách tuyến G với BER khác Một tham số quan trọng cần quan tâm thiết kế tuyến khoảng cách 31 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 khuếch đại quang khoảng cách truyền dẫn tăng nhiều đạt đến 190 km cho hệ thống 256- QAM hay chí 220 km cho hệ thống 16- QAM Như hệ thống sử dụng khuếch đại quang có khoảng cách truyền dẫn lớn hẳn so với hệ thống không sử dụng khuếch đại quang IV KẾT LUẬN Trong thiết kế tính tốn tuyến truyền dẫn quang M-QAM, khoảng cách truyền dẫn độ nhạy thu quang hai tham số quan trọng cần nghiên cứu Hai giá trị phụ thuộc vào nhiều tham số khác hệ thống hệ số khuếch đại G, phương pháp điều chế sử dụng hay hệ số tạp âm NF khuếch đại Bài báo khảo sát phụ thuộc độ nhạy thu quang khoảng cách truyền dẫn tuyến thông tin quang M-QAM vào số tham số hệ thống Các kết dùng để thiết kế tuyến thông tin quang truyền tín hiệu M-QAM đảm bảo giá trị BER theo u cầu Hình So sánh hệ thống có khơng có khuếch đại quang EDFA Để tăng khoảng cách truyền dẫn tuyến độ nhạy thu quang, người ta thường dùng khuếch đại quang EDFA làm tiền khuếch đại Hình so sánh khoảng cách truyền dẫn tối đa đạt hệ thống: có khơng sử dụng khuếch đại quang hệ thống có số mức điều chế M khác Với hệ thống khơng có sử dụng khuếch đại quang EDFA khoảng cách truyền dẫn cực đại đạt khoảng 40 km BER 109 , hệ thống có sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Đức Hân, Trần Quốc Dũng, Lê Trung Thành, Đào Ngọc Nam; Phương pháp tính tốn cơng suất bù BER hệ thống truyền dẫn quang; Tạp chí BCVT, Chuyên san Cơng trình nghiên cứu triển khai VT CNTT, Số 11, 3/2004 Lê Trung Thành; Nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu video điều chế phương pháp M-QAM qua tuyến thơng tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA; Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5/2004 Lê Trung Thành; So sánh hoạt động hệ thống thơng tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang; Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 8, tháng 9/2004 Lê Trung Thành; Phương pháp tính cơng suất bù BER thiết kế hệ thống truyền tín hiệu MQAM qua tuyến thơng tin cáp sợi quang; Tạp chí Khoa học – Cơng nghệ trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, T.XX, No.3, 2004 Roberto Sabella; Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber link; IEEE Transactions on communications, pp.715-721,vol.47, No.5, May 1999 Vu Van San, Hoang Van Vo; Accurate Estimation of Receiver sensitivity for 10 Gb/s optically amplified systems; Optic Communication Journal, Amsterdam, The Netherland, Vol.181, July, 2000 A Pappert, D Lafaw; Performance evaluation of a 64- QAM microwave fiber optic link wih a remote external modulator Proceedings of the Seventh Annual DARPA symposium on Photonic systems for antenna applications , 13-16, Jan., 1997 Địa liên hệ: Trần Đức Hân - Tel: (04) 3853.2909 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 32 ... antenna applications , 13-16, Jan., 1997 Địa liên hệ: Trần Đức Hân - Tel: (04) 3853.2909 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 32 ... [2,3,4]: CNR 0,5m I s2 total , đó, Be, B0 băng tần điện thu băng tần quang lọc quang sau EDFA; e,k,R,T điện tích electron, số Boltzman, điện trở tải tách sóng nhiệt độ tuyệt đối; IASE dòng... tạp âm NF khuếch đại Bài báo khảo sát phụ thuộc độ nhạy thu quang khoảng cách truyền dẫn tuyến thông tin quang M-QAM vào số tham số hệ thống Các kết dùng để thiết kế tuyến thơng tin quang truyền