Một phương pháp điều chế tín hiệu quang M-QAM sử dụng chỉ một bộ điều chế Mach-Zehnder điện cực kép được đề xuất trong bài báo này. Nguyên lý hoạt động và cấu trúc bộ phát theo phương pháp đề xuất đã được trình bày và khảo sát thông qua mô phỏng dựa trên Simulink.
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QUANG M-QAM SỬ DỤNG MỘT BỘ ĐIỀU CHẾ MACH-ZEHNDER ĐIỆN CỰC KÉP Nguyễn Đức Nhân1*, Nguyễn Tiến Dũng2 Tóm tắt: Một phương pháp điều chế tín hiệu quang M-QAM sử dụng điều chế Mach-Zehnder điện cực kép đề xuất báo Nguyên lý hoạt động cấu trúc phát theo phương pháp đề xuất trình bày khảo sát thơng qua mô dựa Simulink Các kết mô thu cho thấy khả hoạt động thích ứng phương pháp cho bậc điều chế QAM khác Sự ảnh hưởng trình lượng tử hóa đến tính khả thi triển khai thực tế phương pháp phân tích Từ khóa: Hệ thống truyền tải quang, Định dạng điều chế tiên tiến, Bộ điều chế Mach-Zehnder MỞ ĐẦU Nhu cầu băng thơng ngày tăng mạnh đòi hỏi hệ thống truyền tải quang cần sử dụng tài nguyên bước sóng quang cách hiệu Để đáp ứng yêu cầu này, định dạng điều chế tiên tiến điều chế khóa dịch pha kết hợp với kỹ thuật thu kết hợp số ghép kênh phân chia theo phân cực quan tâm nghiên cứu phát triển năm gần [1,2] Khi yêu cầu sử dụng hiệu suất phổ lớn việc sử dụng kỹ thuật điều chế QAM bậc cao lựa chọn tốt hệ thống Do vậy, kỹ thuật điều chế quang M-QAM ý nghiên cứu áp dụng nâng cao hiệu suất phổ dung lượng truyền tải mạng [3,4] Ngoài ra, mạng truyền tải quang hướng đến cấu trúc linh hoạt mềm dẻo việc cấp phát băng thơng hay gọi mạng quang “mềm dẻo” EON [5] Trong cấu trúc mạng thu phát quang đòi hỏi có khả hoạt động thích ứng tốc độ định dạng điều chế thách thức khó khăn cho nghiên cứu thiết kế phát quang Trong phương pháp điều chế quang tín hiệu M-QAM đề xuất phân thành hai loại loại phương pháp sử dụng tín hiệu điện kích thích nhị phân hai mức [3,6,7] loại phương pháp sử dụng tín hiệu đa mức [4,6,8] Trong loại phương pháp phát quang có cấu trúc điều chế quang phức tạp đòi hỏi cấu trúc riêng biệt cho bậc điều chế Để đơn giản hóa cấu trúc điều chế quang loại phương pháp thứ hai dùng điều chế IQ lựa chọn phổ biến Tuy điều chế IQ có cấu trúc phức tạp so với điều chế cường độ Mach-Zehnder dẫn đến chi phí kích thước phát lớn Từ yêu cầu đặt phát quang sử dụng điều chế QAM cho hiệu suất sử dụng phổ tần cao có cấu trúc điều chế đơn giản để giảm kích thước chi phí kết hợp với khả thích ứng bậc điều chế khác nhau, phương pháp điều chế dựa loại phương pháp sử dụng tín hiệu kích thích đa mức đề xuất báo Phương pháp điều chế đề xuất sử dụng điều chế Mach-Zehnder điện cực kép dựa ý tưởng tác giả Ho [8] có chế độ hoạt động khác để đảm bảo hiệu hoạt động hệ thống Hoạt động phương pháp tính khả thi triển khai chứng minh qua mô so sánh với phương pháp Ho để thấy hiệu trình điều chế QAM sử dụng điều chế Mach-Zehnder Cấu trúc báo chia làm ba phần mục trình bày cấu trúc phát nguyên lý điều chế quang QAM sử dụng điều chế Mach-Zehnder điện cực kép Mơ hình mơ kết thu để đánh giá phân tích trình bày mục Kết cho thấy mức độ khả thi phạm vi sử dụng 34 N.Đ Nhân, N.T Dũng “Phương pháp điều chế quang M-QAM… điện cực kép.” Nghiên cứu khoa học công nghệ phương pháp đề xuất hiệu so với phương pháp Ho Mục cuối số kết luận rút báo PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QUANG M-QAM 2.1 Cấu trúc phát quang M-QAM DSP IC Bộ khuyếch đại điện Bộ mã hóa Chuỗi bít liệu vào DAC VB1 VD1 V1 Bộ tạo chuỗi xung RZ DD-MZM Nguồn laser DAC Tín hiệu M-QAM V2 VD2 VBi – Điện áp định thiên MZM (i = 1,2.) VDi – Điện áp liệu Vi – Điện áp kích thích MZM VB2 Hình Cấu trúc phát quang tín hiệu M-QAM sử dụng MZM điện cực kép Cấu trúc phát quang M-QAM đề xuất sử dụng điều chế MZM điện cực kép (DD-MZM) cho thấy hình Bộ phát bao gồm DD-MZM, mã hóa chuyển đổi số sang tương tự (DAC), khuyếch đại cơng suất, nguồn laser cung cấp sóng mang quang liên tục tạo chuỗi xung RZ tùy chọn muốn sử dụng mã đường RZ Khối mã hóa thực xếp chuyển đổi chuỗi bít đầu vào tùy theo bậc điều chế M thành mức tín hiệu kích thích cho hai điện cực độc lập DDMZM Mỗi từ mã n bít (2n = M) chuyển đổi thành mức xác định cổng đầu điện áp kích thích Q trình chuyển đổi tính tốn miền số chip DSP khả lập trình phép lập trình tính toán lại mức số lượng mức bậc điều chế thay đổi Các mức sau xác định mã hóa chuyển đổi sang tín hiệu tương tự nhờ DAC Bộ khuyếch đại điện sử dụng để hiệu chỉnh mức điện áp phù hợp với mức điện áp kích thích DD-MZM Tại điều chế DD-MZM, mức điện áp kích thích điện cực độc lập bao gồm thành phần: thành phần chiều điện áp định thiên cho điện cực (VB) thành phần xoay chiều điện áp liệu tới từ chuyển đổi DAC (VD) 2.2 Nguyên lý điều chế Xét hoạt động điều chế DD-MZM trạng thái tĩnh, hai nhánh điều chế kích thích điện áp độc lập V1 V2 Trường điện đầu điều chế Eo đặc trưng cho ký hiệu điều chế là: E o E i exp j V1 V exp j V V E i exp j V D1 V B1 V exp j V D V B V (1) V điện áp nửa sóng mức điện áp cần thiết để gây dịch pha điều chế DD-MZM, Ei trường điện đầu vào điều chế tách thành phần trải qua biến đổi pha độc lập nhánh tương ứng điều chế, VB1 VB2 mức điện áp định thiên hai điện cực tương ứng (như đề cập VB1 = Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 35 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V/2, VB2 = -V/2), VD1 VD2 mức điện áp đầu DAC sau xác định từ mã hóa Đối với tín hiệu điều chế QAM có M mức ký hiệu si mã hóa cho n bít (M = ) biểu diễn không gian pha dạng số phức sau: n si jbi ri e ji ri ai2 bi2 i tan 1 bi , i 0,1, , M (2) đó, ai, bi giá trị thành phần đồng pha (I) vng pha (Q) chuẩn hóa ký hiệu tương ứng nằm dải {1, 3, , M-1}, ri biên độ chuẩn hóa i góc pha ký hiệu (- i < ) Từ công thức (1)-(2), trường điện đầu điều chế viết lại dạng chuẩn hóa đặc trưng cho ký hiệu điều chế sau: Eo amax e j e j R1 R2 với Ri amax e j i i = 1, (3) đây, amax = max{a0, a1, , aM-1} Nó lưu ý cách lựa chọn amax khác với lựa chọn Ho [8] ảnh hưởng đến tính tốn mức điện áp kích thích điều chế đề cập sau Thêm nữa, phương pháp Ho không sử dụng điện áp định thiên ban đầu giống phương pháp đề xuất báo Từ (2) (3) thấy vector trường đặc trưng cho ký hiệu biểu đồ chòm hình thành từ phép cộng vector thành phần R1 R2 minh họa ví dụ biểu đồ chòm 16-QAM hình Vì hai điện cực định thiên điểm /2 tương ứng nên mức điện áp kích thích tỉ lệ với độ lệch pha vector thành phần vector định thiên ban đầu (góc i) Cụ thể mức điện áp cho ký hiệu si xác định: V D1 V i1 V D V i với i = 1, 2, …, M-1 (4) Lưu đồ chi tiết tính tốn mức điện áp cho thấy hình Trong lưu đồ tùy theo bậc điều chế, từ mã xếp thành ký hiệu dạng chuẩn hóa gồm thành phần đồng pha (ai) vng pha (bi) Sau thành phần vector ký hiệu tính theo cơng thức (4) góc vector ký hiệu vector thành phần i xác định bởi: i cos 1 ri 2a max với i = 1, 2, …, M-1 (5) Tùy thuộc vào góc pha vector ký hiệu để tính thành phần lệch pha Nếu i thành phần lệch pha góc lệch pha i tính bởi: i i i i với i = 1, 2, …, M-1 (6) i1 i (7) trường hợp ngược lại thành phần lệch pha là: * sgn i . i i * sgn i . i i i1 2 i 2 * * (8) (9) đó, sgn gọi hàm dấu Và mức điện áp kích thích dễ dàng xác định công thức (4) Như vậy, dựa phương pháp điều chế trình bày trên, bậc điều chế M-QAM thực Mỗi điểm chòm đặc trưng cho ký hiệu xác định cặp điện áp kích thích điện cực điều chế DD- 36 N.Đ Nhân, N.T Dũng “Phương pháp điều chế quang M-QAM… điện cực kép.” Nghiên cứu khoa học công nghệ MZM Phương pháp vừa cho phép đơn giản cấu trúc phát quang có khả điều chế thích ứng bậc khác V1 Q S4 S0 S8 S12 VB1 S5 S1 S9 S13 i I S10 S6 S2 S14 i V2 VB2 S3 S15 S7 S11 Hình Mơ tả ngun lý lưu đồ tính mức điện áp kích thích hai điện cực điều chế MZM điện cực kép cho ký hiệu MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình mơ Để chứng minh đánh giá hiệu phương pháp điều chế quang M-QAM đề xuất, mơ hình mơ hệ thống truyền dẫn quang M-QAM xây dựng dựa tảng Simulink theo sơ đồ cấu trúc cho hình gồm hai thành phần quan trọng điều chế DD-MZM mã hóa Hình cho thấy mơ hình điều chế MZM điện cực kép xây dựng Simulink DD-MZM Data Modulator u Complex to Magnitude-Angle1 Scope7 Optical RZ Time scope1 Optical RZ pulse phase modulated carrier arm double Dif f erential data Out1 Y branch combine V1 Data Type Conversion1 Gain Re(u) biasing v oltage Complex to Real-Imag Phase Modulator 1 Optical Carrier 1/2 Cổng sóng quang CW double Vbias arm2 Optical M-QAM Add Optical RZ pulse phase modulated carrier arm Optical RZ Time scope Dif f erential data Out1 |u| u Optical RZ Time scope3 Complex to Magnitude-Angle V2 Data Type Conversion2 Optical RZ Time scope2 Gain1 biasing v oltage Phase Modulator 2 điện áp kích thích đầu vào -1/2 Vbias arm1 nhánh dịch pha điều chế MZM Ts:[0 0], C:0, D:[0] Probe Hình Sơ đồ cấu trúc điều chế MZM điện cực kép xây dựng Simulink Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 37 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Chi tiết mã hóa xây dựng Simulink cho thấy hình bao gồm khối xếp ký hiệu (Mapping) thực chuyển đổi từ mã bít nhị phân thành ký hiệu chuẩn hóa gồm thành phần I Q đầu ra, khối mã hóa trước (Precoding) chuyển đổi thành phần I, Q thành mức điện áp chuẩn hóa tương ứng theo lưu đố tính tốn hình 2, khối DAC chuyển đổi mức điện áp tính thành mức lượng tử tương ứng tùy theo độ dài bit chuyển đổi Tùy thuộc độ dài nb bit DAC, sai số lượng tử cực đại trình lượng tử hóa gây /2 với 2Vmax M q 2Vmax nb làm sai lệch vị trí chòm khỏi vị trí lý tưởng dẫn đến suy giảm hiệu hệ thống Data Mapper for M-QAM Modulation [data] Data Time scope1 Goto Bernoulli Binary Generator I In1 Out1 In1 Out1 Q In2 Out2 In2 Out2 V2 In1 Bernoulli Binary b3 V1 Buffer1 Mapping DAC Pre-coding Khối xếp Khối mã hóa trước Khối chuyển đổi DAC Tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên Data Time scope Bit to Integer Converter Bit to Integer Converter Hình Mơ hình mã hóa (Encoder) Simulink Các tín hiệu quang M-QAM giải điều chế qua thu kết hợp số Thành phần thu kết hợp thành phần khác để xây dựng thành hệ thống truyền dẫn quang Simulink tham khảo [9,10] 3.2 Kết mô bình luận Dựa mơ hình mơ xây dựng bậc điều chế M-QAM khác hoạt động tốc độ 40 Gbit/s khảo sát phát quang thấy khả điều chế thích ứng phương pháp đề xuất Hình cho thấy hiệu hệ thống MQAM với bậc điều chế khác giới hạn nhiễu quang thể qua tham số tỉ số tín hiệu nhiễu quang (OSNR) Ở tham số OSNR xác định độ rộng băng tần quang tham chiếu 0,1 nm (hay 12,5 GHz) 10 BER 10 10 10 10 4-QAM Ideal 4-QAM DAC 2bit 16-QAM Ideal 16-QAM DAC 4bit 16-QAM DAC 5bit 64-QAM Ideal 64-QAM DAC 6bit 64-QAM DAC 7bit -2 -4 -6 -8 -10 10 15 OSNR (dB) 20 25 30 Hình Hiệu hệ thống điều chế QAM khác có xét đến ảnh hưởng độ dài bít DAC so với lý tưởng Kết thu phản ánh tác động mạnh nhiễu quang lên tín hiệu QAM có bậc điều chế cao Để xác định phạm vi ảnh hưởng trình lượng tử hóa 38 N.Đ Nhân, N.T Dũng “Phương pháp điều chế quang M-QAM… điện cực kép.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điều kiện hoạt động phương pháp triển khai thực tế, hiệu hệ thống điều chế QAM khác khảo sát điều kiện độ dài bít DAC thay đổi Kết khảo sát thu thể Hình cho thấy tác động trình lượng tử hóa lớn mức điều chế tăng lên Ngoại trừ trường hợp 4-QAM, trường hợp điều chế QAM bậc cao cho thấy suy giảm hiệu độ dài bít DAC tối thiểu (nb = n) Mức bù công suất phụ thuộc vào độ dài bít DAC ngưỡng BER = 10-9 cho thấy Hình Kết cho thấy để mức bù nhỏ dB độ dài bít nb phải lớn độ dài từ mã n bít ngoại trừ trường hợp 4-QAM Đối với điều chế 4-QAM ảnh hưởng trình lượng tử hóa khơng đáng kể bỏ qua độ lệch mức điện áp hai điện cực kích thích ln V/2 Kết mức độ khả thi để triển khai phương pháp điều chế đề xuất thực tế chuyển đổi ADC/DAC hoạt động tốc độ 50GHz có độ phân giải bít sẵn có thị trường 10 4-QAM 16-QAM 64-QAM Penalty (dB) 2 Number of bits of DAC Hình Mức bù cơng suất so với lý tưởng thay đổi độ dài bít DAC hệ thống điều chế QAM khác Phương pháp đề xuất kiểm tra so sánh với phương pháp Ho đề xuất [8] sử dụng DD-MZM Trong điều kiện DAC độ dài bit giống nhau, phương pháp đề xuất báo cho thấy hiệu tốt thể qua đường cong hiệu hệ thống cho trường hợp 4-QAM sử dụng DAC bit 16-QAM sử dụng DAC bit thể Hình 10 BER 10 10 10 10 4-QAM Proposed 4-QAM Ho's method 16-QAM Proposed 16-QAM Ho's method -2 -4 -6 -8 -10 10 12 14 OSNR (dB) 16 18 20 22 Hình Hiệu hệ thống M-QAM theo phương pháp đề xuất (chấm tròn) so với phương pháp Ho (chấm vuông) điều kiện sử dụng DAC giống Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 39 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Sự cải thiện hiệu giải thích mức điện áp tính theo phương pháp đề xuất có dải giá trị biến đổi nhỏ nhờ định thiên ban đầu lựa chọn biên độ vector ban đầu so với mức tính theo phương pháp Ho Nhờ với số lượng mức lượng tử giống sai số lượng tử phương pháp đề xuất báo nhỏ nên bị ảnh hưởng qua cải thiện hiệu hệ thống so với phương pháp Ho Tại ngưỡng BER = 10-9, phương pháp đề xuất cải thiện khoảng dB trường hợp 4-QAM dB trường hợp 16-QAM KẾT LUẬN Bằng việc sử dụng điều chế quang Mach-Zehnder điện cực kép phổ biến, phương pháp điều chế tín hiệu quang M-QAM đề xuất chứng minh qua mơ hình mơ Theo phương pháp đề xuất vị trí chòm đặc trưng cho ký hiệu tạo thành từ cặp mức điện áp kích thích phù hợp Thông qua mô phỏng, ảnh hưởng giới hạn mức lượng tử chấp nhận số bít phân giải DAC nhiều số bít cần mã hóa ký hiệu bít Trong dải bậc điều chế từ 64 trở xuống, số bít phân giải DAC cần cho thấy tính khả thi triển khai thực tế Thêm kết mô cho thấy cải thiện hiệu hệ thống sử dụng phương pháp đề xuất so với phương pháp Ho với loại điều chế quang sử dụng Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn tài trợ kinh phí Học viện Cơng nghệ BCVT cho nghiên cứu thuộc đề tài nghiên cứu mã số 15-2015-HV-VT1 TÀI LIỆU THAM KHẢO P J Winzer, "High-Spectral-Efficiency Optical Modulation Formats," IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol 30 (2012), pp 3824-3835 [2] Kikuchi,"Digital coherent optical communication systems: fundamentals and future prospects," IEICE Electronics Express, Vol (2011), pp 1642-1662 [3] H Y Choi, and I Morita, "Optical transmitter for 320-Gb/s PDM-RZ-16QAM generation using electrical binary drive signals," Optics Express, Vol 20, pp 28772-28778, 2012 [4] B C T K A Sano et al, "102.3-Tb/s (224 x 548-Gb/s) C- and extended L-band all-raman transmission over 240 km using PDM-64QAM single carrier FDM with digital pilot tone," in OFC/NFOEC (2012), p PDP5C.3 [5] P Layec et al, "Elastic Optical Networks: The Global Evolution to Software Configurable Optical Networks," Bell Labs Technical Journal, Vol 18 (2013), pp 133-151 [6] K M Seimetz, "Transmitter design," in High-order modulation for optical fiber transmission: Springer, 2009 [7] A C T Sakamoto, and T Kawanishi, "50-Gb/s 16 QAM by a quad-parallel MachZehnder modulator," in Proc ECOC, 2007, p PDP2.8 [8] K P Ho, Cuei, H.W,, "Generation of arbitrary quadrature signals using one dualdrive modulator," IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol 23 (2005), pp 764–770 [9] L N Binh, “Optical fiber communications systems: Theory and practice with Matlab and Simulink models” CRC Press, 2010 [10] N Nguyen and L N Binh, "Demultiplexing Techniques of 320 Gb/s TDM-DQPSK Signals: A Comparison by Simulation," Proc of the IEEE International Conference on Communication Systems, Singapore, (2010) [1] 40 N.Đ Nhân, N.T Dũng “Phương pháp điều chế quang M-QAM… điện cực kép.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT ADAPTIVE MODULATION FOR M-QAM SIGNALS USING ONLY A DUAL-DRIVE MACH-ZEHNDER MODULATOR A scheme to generate the optical quadrature amplitude modulation (QAM) signals using only one dual-drive Mach-Zehnder modulator is proposed The principle of operation and the structure of transmitter based on the proposed method have been presented and demonstrated by simulation The simulated results show that the proposed scheme provides the transmission systems with the ability to generate the different order M-QAM sigals The influence of quantization on the feasibility of the method has been investigated Keywords: Optical transmission system, Advanced modulation formats, Mach-Zehnder modulator Nhận ngày 10 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Khoa Viễn thông – Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng; Khoa Cơng nghệ tự động – Đại học Điện lực * Email : nhannd@ptit.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 41 ... 16-QAM KẾT LUẬN Bằng việc sử dụng điều chế quang Mach- Zehnder điện cực kép phổ biến, phương pháp điều chế tín hiệu quang M-QAM đề xuất chứng minh qua mơ hình mơ Theo phương pháp đề xuất vị trí chòm... thích điện cực điều chế DD- 36 N.Đ Nhân, N.T Dũng Phương pháp điều chế quang M-QAM điện cực kép. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ MZM Phương pháp vừa cho phép đơn giản cấu trúc phát quang có khả điều. .. Hình Cấu trúc phát quang tín hiệu M-QAM sử dụng MZM điện cực kép Cấu trúc phát quang M-QAM đề xuất sử dụng điều chế MZM điện cực kép (DD-MZM) cho thấy hình Bộ phát bao gồm DD-MZM, mã hóa chuyển