Nghiên cứu ứng dụng bộ khuyếch đại quang trong các hệ thống thông tin quang

Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học bách khoa hà nội LÊ TRUNG THÀNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG MÃ SỐ : Người hướng dẫn khoa học: GS TS TRẦN ĐỨC HÂN HÀ NỘI 2005 Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật công nghệ, nhu cầu trao đổi thơng tin người ngày cao, địi hỏi kỹ thuật thơng tin cần có bước phát triển mới, hình thức thơng tin phong phú, áp dụng kỹ thuật công nghệ Với ưu điểm mình, hệ thống thơng tin cáp sợi quang ngày chứng tỏ thiếu mạng truyền dẫn tốc độ cao, yêu cầu khoảng cách lớn Trong hệ thống việc sử dụng khuếch đại quang sợi để phù hợp tiêu kinh tế kỹ thuật yêu cầu thiếu tiến hành thiết kế tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang Do đó, Luận văn tập trung nghiên cứu, tính tốn, tối ưu hố sử dụng khuếch đại quang hệ thống truyền dẫn quang Luận văn chia làm chương phần kết luận sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG Chương 2: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ************************************************************** Mọi chi tiết xin liên hệ với tác giả: LÊ TRUNG THÀNH, Bộ môn Thông tin Viễn thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội Cấm Copy, chép hình thức mà chưa đồng ý tác giả Luận văn Chương I Tổng quan hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin cáp sợi quang Như biết môi trường truyền dẫn kỹ thuật thơng tin có dây khơng dây Tương ứng với tín hiệu truyền mơi trường tín hiệu điện, quang hay sóng điện từ Trong thông tin cáp sợi quang, thông tin từ nguồn phát biến đổi thành tín hiệu quang sau truyền cáp sợi quang dạng ánh sáng đến đầu thu thông tin biến đổi trở lại thành tín hiệu điện Tháng 2/1960 Maiman chế tạo Laser Rubi, tháng 6/1960 Javan chế tạo Laser He-Ne năm 1962 Basov, Prokhonov chế tạo Laser bán dẫn ứng dụng thông tin cáp sợi quang Nhưng tham số truyền dẫn môi trường thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất làm thông tin không ổn định Đến năm 1970 người ta chế tạo thành công sợi quang có độ suy hao nhỏ 20dB/km cách mạng công nghệ sợi quang bắt đầu Năm 1977 hệ thống thông tin quang bắt đầu dùng cho truyền thoại, truyền số liệu tương tự, điện thoại hình dịch vụ video Cùng năm hãng NTT cơng bố loại sợi quang có độ suy hao 0,5dB/km bước sóng λ =1200nm Năm 1980 1982 hệ thống thông tin đường trục sử dụng cáp sợi quang 45Mbit/s 90 Mbit/s lắp đặt Năm 1983 AT&T chế tạo thành công sợi đơn mode Năm 1985 sản xuất sợi quang cơng tác bước sóng λ =1550nm với việc lắp đặt hệ thống siêu đường trục gồm kênh video/1 sợi năm 1987 16 kênh video/1 sợi, dung lượng hệ thống năm 1986 560Mbit/s Cho đến năm 1988 hệ thống dựa sở ghép kênh không đồng bộ, chủ yếu dựa vào chuẩn giao tiếp DS-1 DS-3, chưa có chuẩn giao tiếp quang Năm 1989 xuất chuẩn giao tiếp mạng quang đồng SONET giúp cho việc thiết kế hệ thống thông tin cáp sợi quang SDH thuận lợi 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin cáp sợi quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang thường bao gồm phần tử mơ tả hình 1.1 [43] TÝn hiệu điện vào Bộ phát quang Mạch điều khiển Bộ nối quang Bộ chia quang Nguồn phát quang Trạm lặp Khuyếch đại quang Sợi quang Bộ tách ghép quang Tách sóng quang Khôi phục tín hiệu Bộ thu quang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thơng tin quang TÝn hiƯu ®iƯn 10 Hệ thống thơng tin cáp sợi quang có cấu trúc tương tự hệ thống thông tin khác gồm : Phần phát, môi trường truyền phần thu Với hệ thống thông tin cáp sợi quang mơi trường truyền dẫn cáp sợi quang- có nhiệm vụ truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát đến phía thu Hiện hệ thống thông tin cáp sợi quang chủ yếu truyền dẫn tín hiệu số Phần phát quang bao gồm nguồn phát quang mạch điều khiển phát quang Phần thu quang bao gồm tách sóng quang, mạch khuếch đại điện mạch khơi phục tín hiệu Phần truyền dẫn quang bao gồm sợi quang, nối, chia, trạm lặp, trạm tách ghép quang Các nguồn quang sử dụng cho hệ thống thơng tin cáp sợi quang Laser điốt (LD) điốt phát quang (LED) Tín hiệu quang phát từ LD LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào phát dạng số tương tự Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng, cơng suất quang phụ thuộc vào biến đổi cường độ tín hiệu quang Tín hiệu quang sau điều chế khối nguồn phát lan truyền dọc theo sợi dẫn quang Trong q trình lan truyền, tín hiệu quang bị suy hao méo dạng qua ghép nối, mối hàn sợi sợi yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc Độ dài tuyến truyền dẫn tuỳ thuộc vào mức suy hao sợi quang theo bước sóng Khi khoảng cách truyền dẫn dài, tín hiệu quang bị suy giảm nhiều cần phải đặt thêm trạm lặp quang để khuếch đại tín hiệu Trạm lặp gồm thiết bị thu, biến đổi quang - điện, khuếch đại điện phát lại quang vào đường truyền Các trạm lặp thay khuếch đại quang Phần thu quang gồm tách sóng quang tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện Trong phần thường sử dụng photodiode PIN 11 photodiode APD chúng có hiệu suất làm việc cao tốc độ biến đổi nhanh Yêu cầu quan trọng thu quang công suất quang nhỏ (độ nhạy thu quang) thu tốc độ bit truyền dẫn tỉ lệ lỗi bit BER 1.3 Ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang nhìn chung có số ưu điểm trội sau: Độ rộng băng tần truyền dẫn lớn Tốc độ truyền dẫn cao Suy hao truyền dẫn thấp ( khoảng 0,35- 0,4 dB/km bước sóng 1300nm 0,2-0,25 dB/km bước sóng 1500nm) Tín hiệu truyền dẫn cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng điện từ trường ngồi Có tính bảo mật tín hiệu thơng tin cao Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, dễ uốn cong cho phép ghép nhiều sợi lõi cáp dễ lắp đặt Cho phép truyền dẫn khoảng cách lớn cáp kim loại khoảng cách trạm lặp xa 12 Chương Kỹ thuật khuếch đại quang sợi Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang khoảng cách lớn cần có lặp để khuếch đại tín hiệu đường truyền Các trạm lặp thực khuếch đại tín hiệu thơng qua q trình biến đổi quangđiện điện – quang Khi mà tín hiệu quang yếu mức cho phép, trạm lặp thu lại, biến đổi thành tín hiệu điện, sau tiến hành xử lý tín hiệu điện cuối thực biến đổi lại tín hiệu điện thành tín hiệu quang đủ lớn để phát vào đường truyền Các trạm lặp ứng dụng rộng rãi hầu hết tuuyến thông tin quang thời gian vừa qua [18] Trong chục năm trở lại đây, với phát triển khoa học kỹ thuật người ta thực trình khuếch đại trực tiếp tín hiệu ánh sáng mà khơng cần qua q trình biến đổi điện nào, kỹ thuật 13 khuếch đại quang Kỹ thuật khuếch đại quang đời khắc phục nhiều hạn chế trạm lặp băng tần, cấu trúc phức tạp, ảnh hưởng tạp âm điện, Việc áp dụng khuếch đại quang đưa ý tưởng lớn cho qúa trình phát triển tuyến thơng tin hồn tồn dùng khuếch đại quang từ tiến tới phát triển mạng tồn quang (All- optical networks) Có nhiều loại khuếch đại quang như: Khuếch đại quang bán dẫn loại hốc cộng hưởng, khuếch đại quang bán dẫn sóng chạy khuếch đại quang sợi EDFA, Trong EDFA sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin cáp sợi quang ngày Do vậy, Luận văn nêu nguyên tắc hoạt động, đặc điểm chủ yếu EDFA để làm tiền đề cho nghiên cứu sau này, ứng dụng EDFA hệ thống thông tin quang 2.1 Kỹ thuật khuếch đại quang sợi EDFA Trong khuếch đại quang sợi, người ta sử dụng loại sợi quang pha chất đặc biệt Erbium (EDFA), Praseodymium (PDFA), sợi gọi DF(Doped Fibre) [17] Các sợi xem sợi tích cực chúng thay đổi đặc tính vật lý chúng theo thay đổi nhiệt độ, áp suất, có tính chất xạ ánh sáng Một tính chất đặc biệt sợi chúng có khả tự khuếch đại tái tạo tín hiệu có kích thích phù hợp (hay cung cấp nguồn bơm phù hợp) Các chất pha tạp để tạo thành sợi DF chất đất (rare earth) Cơ chế sợi pha tạp đất để trở thành khuếch đại quang thể theo mơ hình mức: Khi điện tử trạng thái E1 kích thích từ nguồn xạ có bước sóng phù hợp, hấp thụ lượng chuyển lên mức có lượng cao E2 Từ mức phân rã trực tiếp xuống trạng thái theo cách xạ có mức lượng thấp E3 thả khơng xạ tới mức Từ điện tử phân rã xuống 14 mức E1 E4 thông qua trình xạ tự phát theo hình vẽ, lượng dư thu nhờ phát photon có bước sóng dài bước sóng kích thích Nếu thời gian sống mức E3 đủ dài để điện tử nguồn bơm kích thích xẩy nghịch đảo độ tích luỹ Đây điều kiện để có số điện tử mức siêu bền E3 nhiều mức tới (E1 E4) Một photon có lượng tương đương với chênh lệch mức lượng mức E3 E1 (3 mức) hay chênh lệch mức E3 E4 (4 mức) mà va chạm mơi trường gây xạ kích thích phơton Trong mơ hình trên, điều kiện bình thường khơng có kích thích hầu hết điện tử nằm trạng thái E1 Như dễ dàng tạo nghịch đảo nồng độ mức E3 E4 E3 E1 Vì thơng thường giá trị ngưỡng laser bốn mức thấp laser mức Có nhiều ion đất có dải huỳnh quang chúng có khả xạ kích thích có khả dùng để tạo sợi DF – ứng dụng cho khuếch đại quang Ví dụ Nd +3 có dải xạ 1,06 µm 1,32 µm hay chất Er 3+ có dải xạ 1550nm 2700nm,.v.v… Hiện khuếch đại quang pha tạp chất Er 3+ ứng dụng rộng rãi nên ta xét tính chất chủ yếu khuếch đại quang sợi EDFA 2.1.1 Cấu trúc khuếch đại EDFA Cấu trúc EDFA sau [17, 43]: Hình 2.1 Cấu trúc EDFA 15 Các thành phần EDFA bao gồm đoạn sợi EDF pha tạp chất Erbium, nguồn laser bơm, ghép bước sóng cách ly quang Để có khuếch đại phải cung cấp cho sợi nguồn pha tạp bơm Với EDFA nguồn bơm quang có bước sóng vùng 980nm 1480nm Công suất bơm khoảng từ 10mW tới 100mW Chức thành phần cấu tạo nên EDFA: • Bộ ghép WDM: Thực ghép ánh sáng tín hiệu ánh sáng bơm vào sợi EDF vài trường hợp lại tách tín hiệu • Bộ cách ly có tác dụng làm giảm ánh sáng phản xạ từ hệ thống phản xạ Rayleigh từ nối quang, ngược lại từ khuếch đại • Sợi pha tạp chất Er 3+ EDF thành phần quan trọng EDFA Nồng độ erbium thường nhỏ 0,1% Các sợi EDF thường có lõi nhỏ độ số NA cao so với sợi đơn mode tiêu chuẩn Ngoài pha tạp erbium lõi cấu trúc EDF giống cấu trúc sợi đơn mode theo khuyến nghị ITU-T G652 G653 Với sợi EDF có NA cao cho EDFA có đặc tính khuếch đại hiệu cao 2.1.2 Ngun tắc hoạt động EDFA Quá trình xạ xẩy EDFA bao gồm: Bức xạ kích thích xạ tự phát Khi ion Er 3+ kích thích từ trạng thái ( I154 / ) thơng qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã không phát xạ từ mức lượng cao tiến tới trạng thái siêu bền ( I134 / ) Tín hiệu quang tới đến với ion Erbium kích thích Q trình kích thích tạo photon phụ có pha hướng quang tín hiệu tới Như vậy, đạt trình khuếch đại EDFA Các ion kích thích mà khơng tương tác với ánh sáng tới phân rã tự phát tới trạng thái với số thời gian xấp xỉ τ = 10ms Phát xạ tự phát SE (Spontaneous Emission) có pha hướng ngẫu 107 3.83 Trong đó, hình 3.82 mô cho hệ thống với công suất nguồn phát tương ứng 70dBm, 80 dBm 90 dBm; hình 3.83 hệ thống có công suất phát 70 dBm với khoảng cách đoạn sợi quang thay đổi từ L2 từ Km đến 60 Km Ta có nhận xét thiết kế hệ thống thông tin quang vô tuyến, nhằm đảm bảo giá trị eSNR hay BER yêu cầu đó, người thiết kế cần phải cân đối giá trị ba tham số: Khoảng cách đoạn vô tuyến L1, khoảng cách đoạn sợi quang L2 công suất nguồn phát Ptx Ví dụ, chất lượng hệ thống thông tin cần đạt eSNR =40 dB, khoảng cách L1= 200m, cơng suất phát nguồn u cầu phải lớn 70 dBm Khi khoảng cách truyền dẫn tăng muốn tăng lên, chẳng hạn 500m mà mong muốn bảo đảm chất lượng thơng tin giá trị cơng suất phát phải tăng lên khoảng 10 dBm, tức lớn 80 dBm Tương tự từ hình 3.83 ta thấy giá trị eSNR tỷ lệ nghịch với khoảng cách L2 Do để bảo đảm BER hệ thống thơng tin khoảng cách L2 phải thay đổi tương ứng Ví dụ, yêu cầu hệ thống thông tin eSNR cần đạt 40 dB, khoảng cách truyền L1 400m, công suất nguồn phát 70 dBm, khoảng cách L2 cần phải nhỏ 60 Km Khi khoảng cách truyền L1 tăng lên 500m khoảng cách truyền L2 phải giảm xuống 50 Km công suất phát tăng lên 80 dBm để bảo đảm eSNR không thay đổi 40 dB Hình 3.83 Mối quan hệ eSNR khoảng cách đoạn vơ tuyến L1 với L2 khác Hình 3.84 Mối quan hệ BER khoảng cách L1 với G khác 108 Từ mối quan hệ BER eSNR hệ thống, phụ thuộc BER vào khoảng cách truyền dẫn L1 hệ số khuếch đại G khuếch đại 15dB, 25 dB 30 dB mơ hình 3.84 Từ kết mô cho thấy để đảm bảo BER hệ thống thay đổi hai tham số chiều dài đoạn vô tuyến L1, hệ số khuếch đại G khuếch đại Ví dụ, hệ thống thơng tin cần bảo đảm chất lượng BER = 10−10 , khoảng cách truyền L1= 625 m giá trị hệ số khuếch đại G cần lớn 15 dB Khi muốn khoảng cách truyền dẫn tăng đến 700m, hệ số khuếch đại cần tăng lên 25 dB để bảo đảm chất lượng thông tin theo yêu cầu 3.10.4 Kết luận Trong phần đề xuất giải pháp áp dụng khuếch đại quang vào hệ thống thông tin quang vô tuyến nhằm tăng chất lượng, khoảng cách truyền dẫn hệ thống Các nguồn tạp âm từ môi trường vô tuyến từ khuếch đại quang phân tích tính tốn Từ tỷ số tín hiệu tạp âm sau tách sóng quang thiết lập mô Đồng thời phần chúng tơi cịn mơ số kết cần quan tâm phương pháp lựa chọn tham số hệ thống thiết kế hệ thống thông tin quang vô tuyến có ứng dụng khuếch đại quang thực tế 3.11 Phương pháp tính BER hệ thống thơng tin quang vơ tuyến có sử dụng khuếch đại quang [16] Để thiết kế hệ thống thông tin quang vô tuyến, tham số quan trọng thể chất lượng hệ thống Tỷ lệ lỗi bit BER cần tính tốn xác Do vậy, Luận văn chúng tơi đề xuất phương pháp tính giá trị BER cho hệ thống thông tin quang FSO có sử dụng khuếch đại quang 109 3.11.1 Phương pháp tính Tỷ lệ lỗi bit BER cho hệ thống thơng tin quang vơ tuyến FSO Mơ hình hệ thống thơng tin quang vơ tuyến tính tốn BER mơ tả hình 3.78 Tỷ lệ lỗi bit, BER, tham số quan trọng hệ thống thông tin số Với hệ thống thông tin quang thường yêu cầu BER < 10 −9 , với hệ thống thơng tin quang vơ tuyến u cầu BER < 10 −6 Giả sử xác suất xuất bit bit tạp âm Gaussian, BER tính theo: BER = I1 − I I − I0  1 ) + erfc( D ) , erfc(  σ1 σ  (3.113) đó, I I dịng điện trung bình đầu vào mạch định máy thu cho bit bit tương ứng; σ σ tương ứng dòng tạp âm RMS cho bit bit 0; I D giá trị dòng điện ngưỡng mạch định, I D thường chọn tối ưu là: ID = σ I + σ I1 σ1 + σ (3.114) Từ (3.112) (3.113), BER tính theo cơng thức: BER = Q erfc( ) , 2 Q= I1 − I σ1 + σ (3.115) Với hệ thống thơng tin quang vơ tuyến có sử dụng khuếch đại quang, khuếch đại quang tạo nguồn tạp âm phách ảnh hưởng lên hệ thống Khi đó, tổng tạp âm sau tách sóng quang là: σ tot = σ sh2 + σ s2− sp + σ sp2 − sp + σ th2 , (3.116) 110 đó, σ sh2 , σ s2− sp , σ sp2 − sp , σ th2 tương ứng công suất tạp âm lượng tử, công suất tạp âm phách tín hiệu phát xạ tự phát, cơng suất tạp âm phách phát xạ tự phát- tự phát, cơng suất tạp âm nhiệt sau tách sóng quang, xác định Nếu bit có cơng suất tín hiệu bit khơng có cơng suất tín hiệu tức I = , ta tính σ σ từ cơng thức (3.116) sau: σ 12 = 2eBe (GI + mt I sp ) + σ 02 = 2eBe mt I sp + 4kTBe Be B B , cho bit GI I sp + e2 I sp2 ( B0 − e ) + B0 R B0 4kTBe Be B I ( B0 − e ) + sp R B0 , cho bit Từ thay vào biểu thức (3.115), ta tính BER hệ thống Ngồi ảnh hưởng nguồn tạp âm từ khuếch đại quang, hệ thống thơng tin quang vơ tuyến cịn chịu ảnh hưởng lớn nguồn tạp âm từ môi trường truyền dẫn vô tuyến Các nguồn tạp âm có ảnh hưởng lớn đến giá trị BER hệ thống FSO Giả sử công suất Laser phát ( Ptx ) đưa qua Anten phát, sau truyền qua môi trường vô tuyến với chiều dài L1 [Km], cơng suất tín hiệu thu sau Anten thu Pr : P r = Ptx Gt Gr ( λ ) , 4πL1 (3.117) đó, Gt , G r , λ hệ số khuếch đại Anten phát, anten thu bước sóng hoạt động 3.11.2 Kết mơ Qua phân tích ta thấy BER hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO phụ thuộc vào nhiều tham số như: khoảng cách truyền dẫn, công suất phát quang, hệ số khuếch đại khuếch đại quang, hệ số tăng ích anten phát thu, hay tốc độ truyền dẫn 111 hệ thống,v.v… Do đó, thiết kế hệ thống thông tin quang FSO cần phải đánh giá ảnh hưởng tham số lên giá trị BER để chọn tham số phù hợp nhằm đảm bảo chất lượng thông tin hệ thống theo yêu cầu Trong phần này, mô ảnh hưởng số tham số hệ thống FSO lên giá trị BER Trong đó, tham số thiết bị chọn là: Hệ số đáp ứng PIN ℜ = 0,8 A / W , điện trở tải R = 50Ω , nhiệt độ làm việc hệ thống T = 300 K , nguồn Laser Nd:YAG bước sóng hoạt động λ = 1064nm, hình ảnh nhiễu khuếch đại NF = 5dB, hai anten phát thu vơ tuyến dùng kiểu Cassegrain có độ tăng ích Gt = Gr = 15dB Hình 3.85 Mối quan hệ BER L1 Hình 3.86 Mối quan hệ BER Rb Hình 3.85 thể mối quan hệ BER khoảng cách đoạn vô tuyến L1 ; kết mô cho thấy chất lượng hệ thống FSO tỷ lệ nghịch với khoảng cách đoạn vô tuyến L1 , tức L1 tăng BER hệ thống tăng theo L1 tăng đến giá trị BER tăng vượt giá trị yêu cầu chất lượng hệ thống khơng cịn đảm bảo Lúc đó, để đảm bảo chất lượng hệ thống FSO cần tăng cơng suất phát quang Ví dụ thiết kế yêu cầu chất lượng hệ thống cần đạt BER = 10 −6 công suất phát quang Ptx = +50dBm giá trị BER 112 đạt cực tiểu khoảng cách L1 = 100m 10 −2 , tức không đảm bảo chất lượng u cầu Do đó, ta cần phải tăng cơng suất phát quang Ptx lên, chẳng hạn tăng đến giá trị +60 dBm; giá trị công suất ta thấy để đảm bảo BER = 10 −6 khoảng cách truyền dẫn L1 cần nhỏ 130m, tăng L1 lên lớn 130m BER tăng nhanh đến giá trị lớn 10 −6 , không bảo đảm chất lượng thông tin yêu cầu Như cần tăng đoạn vơ tuyến tăng tăng công suất phát quang để đảm bảo chất lượng thơng tin u cầu Tốc độ truyền dẫn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống thể hình 3.86 Khi tốc độ truyền dẫn tăng, nguồn tạp âm hệ thống tăng theo làm cho tỷ số tín hiệu tạp âm hệ thống giảm giá trị BER hệ thống tăng theo Kết mô cho thấy giá trị công suất phát nhỏ Ptx = 50dBm , giá trị BER nhỏ đạt 10 −2 Tuy nhiên, tăng công suất phát đến giá trị cao hơn, +55 dBm chẳng hạn, đảm bảo BER < 10 −6 tốc độ truyền dẫn hệ thống Rb < 100Mbps Việc đánh giá ảnh hưởng hệ số khuếch đại G khuếch đại quang lên BER hệ thống có ý nghĩa quan trọng thiết kế hệ thống FSO Sự phụ thuộc BER vào hệ số khuếch đại G khuếch đại quang mơ hình 3.87 hình 3.88 Từ hình 3.87 cho thấy BER hệ thống tỷ lệ nghịch với giá trị G, tức tăng hệ số khuếch đại G BER giảm theo, hay nói cách khác chất lượng thơng tin tăng Ví dụ yêu cầu hệ thống BER = 10 −6 , giá trị công suất phát Ptx = 60dBm , để đảm bảo giá trị BER yêu cầu hệ số khuếch đại G phải lớn 15 dB 113 Ngoài BER cịn phụ thuộc vào dạng tín hiệu truyền dẫn, hình 3.88 cho thấy phụ thuộc BER vào hệ số khuếch đại G khuếch đại quang cho hai dạng tín hiệu NRZ RZ Ta thấy với tín hiệu dạng NRZ dễ dàng đảm bảo giá trị BER yêu cầu so với tín hiệu dạng RZ tham số khác hệ thống không đổi Thật vậy, giá trị G = 14dB tín hiệu dạng NRZ đảm bảo chất lượng hệ thống có BER = 10 −12 , tín hiệu RZ cho giá trị BER = 10 −6 Do yêu cầu chất lượng hệ thống BER = 10 −9 dạng tín hiệu RZ khơng đảm bảo yêu cầu, lúc ta phải chuyển sang dạng tín hiệu NRZ 3.11.3 Kết luận Tỷ lệ lỗi bít BER tham số quan trọng thiết kế hệ thống thông tin số, đặc biệt hệ thống thông tin quang hệ thống thông tin quang vô tuyến FSO Trong phần chúng tơi đưa phương pháp tính tốn mô giá trị BER hệ thống quang vô tuyến FSO; tham số hệ thống ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống (BER) được mô đánh giá thiết kế hệ thống thực tế 114 Kết luận hướng phát triển Đề tài Trong Luận văn này, nghiên cứu số ứng dụng khuếch đại quang hệ thống thông tin quang hệ thống quang vô tuyến, hệ thống thông tin quang truyền tín hiệu M-QAM, hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang, mạng quảng bá- lựa chọn bước sóng hệ thống thông tin quang SCM/WDM Đồng thời nghiên cứu phương pháp nâng cao độ nhạy thu quang tỷ lệ lỗi bit hệ thống thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang Các kết Luận văn đạt là: - Phân tích, tính tốn chi tiết nguồn tạp âm tuyến thơng tin quang có sử dụng khuếch đại quang - Đánh giá, phân tích việc sử dụng EDFA tuyến thông tin quang làm tiền khuếch nâng cao độ nhạy thu quang - Phân tích, chứng minh tính tốn tỷ số tín hiệu tạp âm eSNR ba phương án sử dụng EDFA tuyến thông tin quang làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại 115 - Đưa Phương pháp nâng cao tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống thơng tin quang có sử dụng không sử dụng khuếch đại quang - Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA mạng nội hạt, quảng bá lựa chọn bước sóng để tăng quỹ cơng suất số người sử dụng mạng - Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang mạng SCM/WDM Từ phân tích tính tốn độ nhạy thu quang tỷ số tín hiệu tạp âm với hai hệ thống ASK BPSK - Nghiên cứu ứng dụng khuếch đại quang sợi EDFA hệ thống thơng tin quang truyền tín hiệu M-QAM làm khuếch đại công suất, khuếch đại đường truyền hay tiền khuếch đại Từ chúng tơi đề xuất phương pháp tính cơng suất bù BER cho hai hệ thống quang MQAM có khơng có sử dụng EDFA Đồng thời, Luận văn phân tích tính tốn độ nhạy thu hệ thống thơng tin quang M-QAM có sử dụng EDFA làm tiền khuếch đại quang - Tiếp theo, Luận văn nghiên cứu đưa giải pháp ứng dụng khuếch đại NDFA hệ thống thông tin quang vô tuyến để nâng cao độ nhạy thu quang khoảng cách truyền dẫn tuyến Đồng thời, Luận văn đưa phương pháp nâng cao tỷ lệ lỗi bit BER cho hệ thống Các kết tính tốn, chứng minh, phân tích lý thuyết mơ máy tính với tham số cấu hình khác hệ thống Các kết đạt giúp cho nhà thiết kế hệ thống có phương pháp sử dụng tối ưu khuếch đại quang tuyến thông tin quang kết tảng cho việc thiết kế hệ thống thơng tin quang có sử dụng khuếch đại quang Qua q trình nghiên cứu, chúng tơi thấy số hướng nghiên cứu Đề tài như: - Nghiên cứu kỹ thuật cân phổ khuếch đại khuếch đại quang ứng dụng mạng ghép kênh theo bước sóng WDM 116 - Phương pháp định tuyến gán bước sóng mạng thơng tin quang có tính đến ảnh hưởng nguồn tạp âm mạng công suất bù BER Danh mục cơng trình có liên quan đến luận văn tác giả [1] Tran Duc Han, Tran Quoc Dung, Le Trung Thanh, Dao Ngoc Nam, A method of BER compensative Power calculation for designing optical fiber transmission systems, Post and Telecommunications Journal, Special Issue: R&D on Telecommunications and Information Technology, No.11, 3/2004 [2] Lê Trung Thành, Đàm Thuận Trinh, Tính tốn độ nhạy thu hệ thống thơng tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang, Tuyển tập Hội nghị KHCN Lần thứ XVI, Nhân dịp Kỷ niệm 60 năm ngày thành lập trường ĐHGTVT, Tháng 11/2005 (Đã nhận đăng) [3] Lê Trung Thành, So sánh hoạt động hệ thống thông tin quang MQAM có sử dụng khuếch đại quang Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 8, tháng 9/2004 [4] Lê Trung Thành, Phương pháp tính cơng suất bù BER thiết kế hệ thống truyền tín hiệu M-QAM qua tuyến thơng tin cáp sợi quang Tạp chí Khoa học, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 117 T.XX, No.3, 2004 [5] Lê Trung Thành, Nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu video điều chế phương pháp M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5/2004 [6] Lê Trung Thành, Đàm Thuận Trinh, Phương pháp tính Tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống thơng tin quang vô tuyến, Tuyển tập Hội nghị KHCN Lần thứ XVI, Nhân dịp Kỷ niệm 60 năm ngày thành lập trường ĐHGTVT, Tháng 11/2005 (Đã nhận đăng) [7] Lê Trung Thành, Đàm Thuận Trinh, Đánh giá chất lượng hệ thống thơng tin quang vơ tuyến có sử dụng khuếch đại quang, Tuyển tập Hội nghị KHCN Lần thứ XVI, Nhân dịp Kỷ niệm 60 năm ngày thành lập trường ĐHGTVT, Tháng 11/2005 (Đã nhận đăng) [8] Lê Trung Thành, Về vấn đề nâng cao chất lượng truyền dẫn tín hiệu MQAM qua tuyến thơng tin quang có sử dụng EDFA Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 10, tháng 3/2005 Tài liệu tham khảo [1] E.Rochat, A.Woodli, et al Excited- Stated absorption and gain measurement at 1.3 µm in Nd 3+ doped silica fibers with different codopants: effect of Ceasium on ESA cross-section Journal of Ligthwave Technology, Vol.15, pp.1573-1577, 1997 [2] Isaac I.Kim et al Wireless optical transmission of Fast Ethernet, FDDI, ATM, and ESCON protocol data using the Terralink laser communication systems Optical Engineering, Vol.37, No.12, 12/1998 [3] Lê Trung Thành, Đàm Thuận Trinh, Tính tốn độ nhạy thu hệ thống thơng tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang, Tuyển tập Hội nghị KHCN Lần thứ XVI, Nhân dịp Kỷ niệm 60 năm ngày thành lập trường ĐHGTVT, Tháng 11/2005 (Đã nhận đăng) [4] Lê Trung Thành, So sánh hoạt động hệ thống thông tin quang MQAM có sử dụng khuếch đại quang Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 8, tháng 9/2004 118 [5] Lê Trung Thành, Phương pháp tính công suất bù BER thiết kế hệ thống truyền tín hiệu M-QAM qua tuyến thơng tin cáp sợi quang Tạp chí Khoa học, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, T.XX, No.3, 2004 [6] 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 [7] 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 Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5/2004 [8] J.H Franz Optical Communications, CRCs, 1996 [9] Jain, V.K Optical Preamplifier in noncoherent space communication Journal of optical communications, Vol.14, p.75-88,1993 [10] Trần Quốc Dũng, Lê Văn Hải, Phương pháp tính cơng suất bù BER cho thiết kế hệ thống thông tin quang, Tạp chí Bưu viễn thơng, chun san, p.20-23, 4/10, 2000 [11] Bernard Sklar, Digital Communications, Prentice Hall, 1988 [12] Roberto Sabella, Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber links, IEEE Transactions on communications, pp.715-721,vol.47, No.5, May 1999 [13] Kanno, Katsuyoshi, Fiber optic subcarrier multiplexing video transport employing multilevel QAM, IEEE Journal on Communications, Vol.8, Sep 1990, pp.1313-1319 Selected Areas in [14] Shi Q, Performance limits on M-QAM transmission in hybrid multichannel AM/QAM fiber optic system, IEEE photonics technology Letters, ,Vol.5, Dec 1993, pp.1452-1455 [15] 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 [16] Lê Trung Thành, Đàm Thuận Trinh, Phương pháp tính Tỷ lệ lỗi bit BER hệ thống thông tin quang vô tuyến, Tuyển tập Hội nghị KHCN Lần thứ XVI, Nhân dịp Kỷ niệm 60 năm ngày thành lập trường ĐHGTVT, Tháng 11/2005 (Đã nhận đăng) [17] Max Ming Kang Liu Principles and applications of optical communication, 119 Irwin, 1996 [18] Gerard Lachs Fiber optic communications system, analysis and enhancement, , McGraw- Hill, 1998 [19] Rajiv Ramaswami, Kumar N.Sivarajan Optical networks: A practical perspective, San Francisco, California, 1998 [20] Denis J.G Mestdagh, Fundamentals of multi-access optical fiber networks Artech House, 1998 [21] Md Kaisar Rashid Khan and Mehdi Shadaram Performance Evaluation of M-QAM Fiber Optic Link with EDFA, Department of Electrical and Computer Engineering University of Texas at El Paso El Paso, Texas 79968 [22] Biswanath Mukherjee Optical Communication Networks, McGraw-Hill Series on Computer communications, McGraw-Hill, NY, 1997 [23] Trần Đức Hân, Dương Quốc Hoàng, Trần Quốc Dũng, Trần Cảnh Dương, Tối ưu hoá việc sử dụng khuếch đại quang sợi truyền dẫn quang, Tuyển tập hội nghị 45 năm ĐHBKHN, 10/2001, tr.91-96 [24] Tran Duc Han, Tran Quoc Dung, Le Trung Thanh, Dao Ngoc Nam, A method of BER compensative Power calculation for designing optical fiber transmission systems, Post and Telecommunications Journal, Special Issue: R&D on Telecommunications and Information Technology, No.11, 3/2004 [25] Biswanath Mukherjee et.al, Some principles for designing a wide-area WDM optical Network, IEEE/ACM transactions on Networking, Vol.4, No.5, Oct.1996,p.684-695 [26] Biswanath Mukherjee, WDM Optical Communication Networks: Progress and Challenges, IEEE journal on Selected areas in communications, Vol.18, No.10, Oct.2000 [27] Peter Tomsu, Next Generation Optical Networks, Prentice Hall, 2002 [28] Esa Hyytia, Jorma Virtamo, Wavelength assignment and routing in WDM networks, Helsinki University of Technology, Finland [29] Silvano Donati, Guido Giuliani, Noise in an optical amplifier: Formulation of a new semiclassical model, Journal of Quantum Electronics, Vol.33, No.9, Sep 1997, pp.1481-1488 [30] Byrav Ramamurthy, B Mukherjee, Impact of transmission impairments on the teletraffic performance of wavelength routed optical networks, IEE/OSA, Journal of Lightwave Technology (OCT'99) 120 [31] R Ramaswami and K Sivarajan, Routing and Wavelength assignment in all-optical networks, IEEE/ACM Trans on Networking, Vol.3, Oct 1995, pp.489-500 [32] R.Sabella et al., Impact of transmission performance on path routing in Alloptical transport networks, IEEE/OSA Technology,Vol.16, 1998, pp.1965-1972 Journal of Lightwave [33] M.Ali, B.Ramamurthy, Routing and wavelength assignment with power considerations in optical networks, Tech Rep CSE-99-020, University of Nebraska at Lincoln, USA, 1999 [34] G.Sahin, Multicast routing and wavelength assignment in WAN optical networks, SPIE- The International Society for optical Engineering, Vol.3531, pp196-208 [35] Jin Fang, R.Srinivasan, Arun K.Somani, Performance analysis of WDM optical networks with wavelength usage constraint, Iowa State University 2002 [36] Viet Minh Nhat Vo Omar Cherkaoui, Traffic Switching Optimization in Optical Routing using Hopfield Networks, Intl Conf RIVF'04, Hanoi, Vietnam 2004 [37] Ahmed E.Kamal, Raza UI-Mustafa, Ashraf Hamad, On the Optimal Design of Optical Networks for Multicast traffic support, Iowa State University, Ames, IA, 50011, USA [38] Hui Zang, Canhui Ou, Biswanath Mukherjee, Path protection Routing and Wavelength assignment in WDM Mesh networks under duct-layer constraints, IEEE/ACM Trans on Networking, Vol.11, No.2, April 2003 [39] Hongyue Zhu, Hui Zang, Keyao Zhu, B.Mukherjee, A novel Generic graph model for traffic grooming in Heterogeneous WDM Mesh networks, Vol.11, No.2, April 2003 [40] Hongyue Zhu, Hui Zang, Keyao Zhu, B.Mukherjee, Cost-effective WDM backbone network design with OXCs of different Bandwidth Granularities, OFC 2003 [41] Hui Zang, Laxman Sahasrbuddhe, Ramu Ramamurthy, B Mukherjee, Dynamic lightpath establishment in wavelength- routed WDM Networks, IEEE Communications Magazine, Sep.2001 [42] I.Roudas, N Antoniades, T Otani, T.E.Stern, R.E Wagner, D.Q Chowdhury, Error probability of transparent optical networks with optical multiplexers/demultiplexers, IEEE photonics technology letters, Vol.13, No.11, Nov 2001 121 [43] Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang, NXB Bưu Điện, 2003 [44] J G Proakis, Digital Communications, New York: McGraw Hill, 1996 [45] Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật thông tin cáp sợi quang, ĐHBKHN, 1998 [46] R Hui, B Zhu, R Huang, C Allen, K Demarest, D Richards, Subcarrier Multiplexing for High-speed Optical Transmission, Journal of Lightwave Technology, vol 20, no 3, March 2002 [47] R Rajaduray and D J Blumenthal, Performance Evaluation of Optical Subcarrier Multiplexed Systems using Transient Analysis, Optical Communications and Photonic Networks, ECE Department, UCSB, Santa Barbara, CA 93107 [48] Jonas Hansryd, James van Howe, and Chris Xu, Nonlinear Crosstalk and Compensation in QDPASK Optical Communication Systems, IEEE Photonics Technology Letters,Vol 16, No 8, August 2004 [49] J.Wang and J M Kahn, “Impact of Chromatic and Polarization-Mode Dispersions on DPSK Systems using Interferometric Demodulation and Direct Detection,” IEEE J of Lightwave Technol, vol 22, pp 362-371, Feb 2004 [50] G Bosco, A Carena, V Curri, R Gaudino, P Poggiolini, S Benedetto, “A novel analytical method for the BER evaluation in optical systems affected by parametric gain”, IEEE Photon Technol Lett., vol 12, pp 152-154, Feb 2000 ... vào, g đại lượng đặc trưng cho hệ số khuếch đại chưa bão hoà 20 Chương Một số ứng dụng khuếch đại quang hệ thống thông tin sợi quang Trong chương nghiên cứu số ứng dụng khuếch đại quang hệ thống. .. bit BER hệ thống thông tin quang[ 24] 3.4.1 Hệ thống thông tin quang không sử dụng khuếch đại quang Việc thiết kế hệ thống thông tin quang đặc biệt hệ thống thông tin quang SDH dựa vào chuẩn khuyến... Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG Chương 2: KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI QUANG Chương 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG PHẦN KẾT LUẬN