Khảo sát đặc tính hệ thống rof WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA và máy thu coherence

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN THIỆN KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN THIỆN KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn sản phẩm nghiên cứu tơi, khơng phải chép hồn toàn luận văn, đồ án trước Đà Nẵng, ngày 04 tháng năm 2018 Học viên thực Nguyễn Văn Thiện MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận văn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU VƠ TUYẾN QUA SỢI QUANG (RoF) 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1.2 KỸ THUẬT RoF 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Hệ thống RoF 1.3 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT RoF 1.3.1 Ưu điểm 1.3.2 Nhược điểm 1.4 ỨNG DỤNG CỦA KỸ THUẬT RoF 1.5 TỔNG QUAN KỸ THUẬT RoF-WDM 1.5.1 Đặc điểm Hệ thống RoF-WDM 1.5.2 Ưu, nhược điểm kỹ thuật WDM hệ thống RoF 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 10 CHƯƠNG HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 11 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 11 2.2 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE 11 2.2.1 Khái niệm 11 2.2.2 Cấu trúc hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence 11 2.2.3 Nguyên lí hoạt động 13 2.2.4 Kỹ thuật điều chế máy phát .14 2.2.5 Kỹ thuật tách sóng máy thu Coherence .16 2.2.6 Ưu, nhược điểm hệ thống RoF sử dụng máy thu quang Coherence 18 2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 19 2.3.1 Giới thiệu 19 2.3.2 Cấu trúc khuếch đại quang EDFA 19 2.3.3 Nguyên lý hoạt động EDFA 20 2.3.4 Bộ khuếch đại EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM .21 2.3.5 Ưu, nhược điểm EDFA 22 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 CHƯƠNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM VÀ CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG 23 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 23 3.2 MƠ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG BỘ EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE 23 3.3 CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG 24 3.3.1 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 24 3.3.2 Nhiễu lượng tử 28 3.3.3 Nhiễu nhiệt 29 3.3.4 Nhiễu ASE 29 3.4 TÍNH TỐN SNR VÀ BER TRONG HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE 30 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 31 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .32 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 32 4.2 MƠ HÌNH KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM 32 4.3 KHẢO SÁT SNR VÀ BER CỦA HỆ THỐNG .32 4.4 BÀI TOÁN TỐI ƯU SỐ KÊNH TRUYỀN 36 4.4.1 Lưu đồ thuật toán 37 4.4.2 Kết thuật toán 38 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE Học viên: Nguyễn Văn Thiện Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Ngày nay, với tiến khoa học công nghệ, thông tin vô tuyến ngày phát triển mạnh mẽ Những ưu điểm vượt trội thông tin vô tuyến mà kỹ thuật hữu tuyến khơng thể có tính di động cao Vì lý kỹ thuật Radio over Fiber (RoF) đời, với ưu điểm băng thông lớn cự ly truyền dẫn xa, tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng tương lai Đề tài khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM kết hợp với sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence để tăng khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy máy thu từ nâng cao chất lượng tín hiệu tăng dung lượng kênh truyền Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến qua sợi quang (RoF) Sau mơ tả hệ thống RoF kết hợp sử dụng máy thu Coherence khuếch đại quang EDFA Tiếp theo, đưa mơ hình khảo sát tính tốn thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, tính tốn SNR, BER Cuối cùng, khảo sát đặc tính hệ thống giải toán tối ưu số kênh truyền hệ thống, đánh giá kết đạt Từ khóa – Tối ưu số kênh truyền, RoF-WDM, Coherence, Nâng cao chất lượng hệ thống RoF-WDM SURVEYING RoF-WDM SYSTEM CHARACTERISTICS USE EDFA OPTICAL AMPLIFIER And COHERENCE RECEIVER Summary - Today, with the advancement of science and technology, wireless communication has grown rapidly The outstanding advantages of wireless communication that wired technology cannot have is a high mobility For this reason, Radio over Fiber (RoF) technology, with the advantage of high bandwidth and long-distance transmission, will be the foundation for the broadband wireless access network in the future This dissertation investigates characteristics of the RoF-WDM system combined with the use of EDFA optical amplifiers and Coherence receivers to increase the transmission distance and receiver sensitivity thereby enhancing the quality of signal and increasing the capacity of the transmission channel Firstly, the dissertation presents an overview of the technique of transmitting radio signals via optical fiber (RoF) Then describe the combined RoF system using Coherence receiver and EDFA optical amplifier Nextly, giving a survey model and calculate the noise parameters affecting the system, calculate the SNR, BER Finally, survey the characteristics of the system and solve the optimization problem of transmission channel number of the system, evaluate the results achieved Key words – The optimal problem of transmission channel number, Coherence, Enhancing system quality CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ Tiếng Anh Ý nghĩa AFC Automatic Frequency Control Bộ tự động điều khiển tần số ASE Amplified Spontaneous Emission Nhiễu phát xạ tự phát ASK Amplitude Shift Keying Kỹ thuật điều chế khóa dịch biên độ BA Booster Amplifier Khuếch đại công suất BB Baseband Băng sở BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CS Central Station Trạm trung tâm CNR Carrier Noise Ratio Tỉ số sóng mang nhiễu DEMUX Demultiplexer Bộ tách tín hiệu DPSK Differential Phase Shift Keying Điều chế pha vi phân DSF Dispersion Shift Fiber Sợi dịch chuyển tán sắc EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IM-DD Intensity Modulation – Direct Detection Điều chế cường độ - Tách sóng trực tiếp LA Line Amplifier Khuếch đại đường truyền LD Laser Diode Laser Diode A B C D E F I L LO Local Oscillator Bộ dao động nội LAN Local Area Network Mạng cục MMF Multimode Fiber Sợi quang đa mode MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder PA Pre-amplifier Tiền khuếch đại PD Photodiode Photodiode POF Plastic optical fiber Sợi quang chất dẻo PSK Phase-shift keying Điều chế khóa dịch pha RF Radio Frequency Tần số cao tần RAU Remote Antenna Unit Thiết bị anten đầu xa RoF Radio over Fiber Kỹ thuật truyền tín hiệu vơ tuyến sợi quang SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích SCM Subcarrier Multiplexing Ghép sóng mang phụ SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tí hiệu nhiễu SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích TDM Time Divison Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunication System Mạng di động hệ thứ (3G) Wide Area Network Mạng diện rộng Wavelength Division Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo Multiplexing bước sóng Wireless Local Area Network Mạng cục khơng dây Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo M P R S T U W WAN WDM WLAN X XPM DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 4.1: Tên bảng Thông số đầu vào hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại EDFA máy thu Coherence Trang 32 4.2: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=100km) 38 4.3: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1= 125km) 39 4.4: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=130km) 40 4.5: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=140km) 41 4.6: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=150km) 41 4.7: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=160km) 42 4.8: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=170km) 43 4.9: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=180km) 44 4.10: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=190km) 45 4.11: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=200km) 46 4.12: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=210km) 47 4.13: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=220km) 48 4.14: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=230km) 49 4.15: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=240km) 50 4.16: Kết khảo sát số kênh tối đa giá trị PLO (L1=250km) 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1: Mơ hình hệ thống RoF tiêu biểu 1.2: Kỹ thuật RoF-WDM 1.3: Cấu trúc ống dẫn sóng 2.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence 11 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence 13 2.3: Kỹ thuật điều chế trực tiếp 15 2.4: Kỹ thuật điều chế 15 2.5: Bộ điều chế Mach Zenhder 16 2.6: Sơ đồ khối máy thu đổi tần đồng 17 2.7: Sơ đồ khối máy thu đổi tần không đồng 18 2.8: Cấu trúc tổng quát khuếch đại quang EDFA 20 3+ 2.9: Sơ đồ mức lượng ion Er 21 3.1: Mơ hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng EDFA máy thu Coherence 24 4.1: Mơ hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại EDFA máy thu Coherence 32 4.2: Quan hệ SNR G2 theo số kênh khác 33 4.3: Quan hệ BER G2 theo số kênh khác 34 4.4: Quan hệ SNR Pphát theo số kênh khác 35 4.5: Quan hệ BER Pphát theo số kênh khác 35 4.6: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=100km 38 4.7: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1= 125km 39 4.8: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=130km 40 4.9: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=140km 40 4.10: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=150km 41 4.11: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=160km 42 4.12: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=170km 43 4.13: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=180km 44 4.14: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=190km 45 4.15: Số kênh tối đa thay đổi theo G2 PLO L1=200km 46 52 Hình 4.21: Biểu đồ tổng hợp số kênh tối đa vị trí đặt EDFA thứ Từ kết trên, nhận thấy số kênh tối đa tăng lên EDFA thứ (từ vị trí L1=100km) dịch chuyển hướng máy thu, tức khoảng cách L1 tăng lên, đến vị trí định số kênh tối đa giảm xuống cụ thể L1= 160km Từ kết bảng 4.2, bảng 4.7 bảng 4.16, G2 đặt vị trí L1 = 100km số kênh tối đa đạt tương ứng với PLO = 0dBm 39 kênh PLO = 5dBm 65 kênh, G2 đặt vị trí L1 = 160km tương ứng với PLO = 0dBm số kênh tối đa 133 kênh PLO = 5dBm số kênh tối đa 251 kênh G2 đặt trước máy thu với L1 = 250km tương ứng với PLO = 0dBm số kênh tối đa kênh PLO = 5dBm số kênh tối đa kênh Sự thay đổi số kênh tối đa EDFA thứ đặt gần máy thu khoảng cách truyền dẫn từ EDFA thứ đến EDFA thứ lớn, tín hiệu đường truyền suy hao nhiễu nhiều Lúc này, tín hiệu nhiễu trước đến máy thu khuếch đại EDFA thứ khuếch đại lên làm nhiễu tăng lên dẫn đến SNR hệ thống giảm xuống làm số kênh bị hạn chế Còn EDFA thứ đặt nằm gần hướng máy phát cuối tuyến suy hao nhiều khuếch đại không đủ để bù suy hao đường truyền, dẫn đến SNR giảm làm số kênh giảm theo Vì để hệ thống đạt số kênh tối đa mong muốn khuếch đại phải đặt vị trí thích hợp (nằm vị trí tuyến) cụ thể hệ thống L1=160km 53 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Ở chương sau khảo sát mối quan hệ SNR (BER) với thay đổi hệ số khuếch đại, Pphát số kênh Có thể thấy số kênh tăng SNR giảm Pphát, hệ số khuếch đại (G2) tăng SNR tăng lên tăng đến giá trị định sau giảm xuống ảnh hưởng nhiễu FWM tăng lên làm ảnh hưởng đến hệ thống Do cần phải có biện pháp khắc phục thay đổi hệ số khuếch đại, cơng suất dao động nội vị trí đặt EDFA cho phù hợp để đạt số kênh tối đa cho hệ thống mà đảm bảo SNR yêu cầu (SNR_ref) Vì vậy, với toán tối ưu số kênh phần khắc phục vấn đề này, cách tính tốn số kênh tối đa đưa thông số cần thiết cho hệ thống G1, G2, PLO tương ứng vị trí đặt EDFA thứ theo SNR_ref Đồng thời tốn tối ưu cịn hạn chế chưa xét hết hiệu ứng phi tuyến 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Luận văn trình bày khái niệm kỹ thuật truyền thông vô tuyến sợi quang, ưu nhược điểm kỹ thuật RoF từ ứng dụng hệ thống truyền thông vô tuyến Giới thiệu hệ thống Coherence, hệ thống tốt so với hệ thống IM-DD sử dụng nhiều Bên cạnh đó, với phát triển khuếch đại quang EDFA việc kết hợp vào hệ thống thông tin Coherence đem lại nhiều ưu điểm trội đáp ứng việc truyền thông tin khoảng cách xa xôi (như biên giới, hải đảo) giảm chi phí lắp đặt vận hành Luận văn tiến hành khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence, từ kết mô thấy hệ số khuếch đại, công suất phát, công suất dao động nội số kênh ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống Đồng thời Luận văn khảo sát số kênh tối đa tương ứng với vị trí đặt khuếch đại EDFA thứ đường truyền, với hệ số khuếch đại, công suất dao động nội thay đổi cho thỏa mãn SNR_ref nằm phạm vi cho trước Từ kết đạt trên, đề tài mở rộng hướng phát triển khảo sát hệ thống với thành phần phi tuyến công suất phát lớn 20dBm Mơ Tối ưu vị trí đặt khuếch đại EDFA, tăng khoảng cách truyền dẫn sử dụng phương pháp điều chế khác 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tăng Tấn Chiến (2013), Giáo trình Thơng Tin Sợi Quang, Đại Học Đà Nẵng [2] Vũ Thùy Linh, Nguyễn Quang Thắng, PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn (2014 – 2015), "Nghiên cứu đặc tính hệ thống truyền dẫn vơ tuyến qua sợi quang(RoF) đa kênh sử dụng máy thu quang coherence ", Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [3] Nguyễn Văn Tuấn (2010), Giáo trình thơng tin sợi quang, Nhà xuất giáo dục Việt Nam [4] Nguyễn Văn Tuấn, Hồ Thanh Bình (2015), Nâng cao chất lượng hệ thống truyền dẫn tín hiệu thơng tin di động qua sợi quang (RoF) đất liền biển đảo Việt Nam Tiếng Anh [5] Nguyen Van Tuan, Nguyen Tan Hung (2004), Calculating the Maximum Number of Channels in WDM System Using EDFA Cascade under the Impact of FWM Effect and ASE Accumulation [6] Tuan Nguyen Van (2004), “Determining of the optimal parameters in WDM Optic Fiber Communication Link using EDFA”, Journal of Science and Technology of The University of Da Nang, No: 3(7) Pages: 19-26 [7] Ezra Ip*, Alan Pak Tao Lau, Daniel J F Barros, Joseph M Kahn (2008), "Coherent detection in optical fiber systems", Stanford University, 366 Packard Building, 350 Serra Mall, Stanford, CA 94305-9515, USA [8] Ahmed Nabih Zaki Rashed (2011), “New trends of radio over fiber communication systems for ultra high transmission capacity”, Menoufia University, Vol.3, No.3 [9] A.E.A.Mohamed, M.M E.El-Halawany, A N Z Rashed and M S F Tabbour (2011), "HighTransmission Performance of Radio over Fiber Systems over Traditional Optical Fiber Communication Systems Using Different Coding Formats for Long Haul Applications," International Journal of Advances in Engineering & Technology [10] Tuan Nguyen Van, Tung Ton That Thanh (2013), Study on Performance of Digitized Radio over Fiber (RoF) System using EDFA and Coherent Receive Pages 91-96 [11] Toan Nguyen Khanh, Tuan Nguyen Van, and Hung Nguyen Tan (2018), Performance analysis of long-distance radio-over-fiber systems for mainlandisland communications Scanned by CamScanner DAr Hec pa NANo TRTIONG DAr HQC BACH KHOA HO so Her xcnh vrET NAM Tg - Hgnh phnic ceNG uOl xA nOr cnu DQc I$p odNc oANH - GrA LUAN vAN rHAC Hgc vi6n: NguySn Vin si ThiQn il d Bi6n ban Hgi d6ng Bing ditim cria hgc vi6n cao hgc Lj lich khoa hgc cta hgc vi€n Bi6n ban ki6m phi6u Nh4n x6t V, { NHAN XET TT HQ vA rtN rnAcn NHTF,M TRONG Hor DoNG B,rtn nhQn xCt PGS.TS TIng T6n Chii5n TS Ngd Minh Tri J TS NguyEn Duy Nhflt Vi6n Phdn bi€n TS TrAn Thanh Truc Phdn bi€n TS TrAn Thti Son PGS.TS NguyEn Thu lV TuSn ,/ Chil tich H1i dins V[n Phidu iti6m H\i d6n7 V I ,t/ ( Uj,vi€n \/ Ngudi hudng ddn V r/ Dd NEng, ngdy '.7.'f thdnq l1l ndm 201 Thu ky HQi d6ng r U ,-ru( '1.,t*/ DAI HQC DANANG TRI,ONG DAI HQC BACH KHOA CQNG HOA xA HQI CHTNGHIAVIE,T NAM D$c l$p - Tg - Hgnh phric BIEN IEAN HQP HOI DONGDANH GIA LUAN vAN THAC Si Ngdy thring nim 201 , Hgi ddng duqc thdnh l6p theo Quy6t dinh cira HiQu tru&ng trudng E4i hpc Bilch khoa, gdm c6c thdnh vi6n: HQvArtN TT CIJONG VI TRONG HQI DONG Cht tlch HQi d6ng PGS.TS Tang T6n Chirin TS Ng6 Minh TS NguyEn Duy Nh{t Vi6n Uy vi6n Phin biQn TS Tran Thanh Truc Uy vi6n Phin biQn TS TrAn Th6 Son dd hqp (c6 t Tri mat:.(ving Thu b c d e f hj HQi ddng IJv vi€n mat: Q.thinh vi6n) d6