KHẢO sát đặc TÍNH hệ THỐNG rof WDM sử DỤNG KHUẾCH đại QUANG EDFA và máy THU COHERENCE 124794321

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 15 động tần số tầm 10GHz Có số laser hoạt động tần số 40GHz giá thành cao khơng phổ biến thị trường Hình 2.3: Kỹ thuật điều chế trực tiếp 2.2.4.2 Điều chế Trong kỹ thuật này, sóng laser cấp tín hiệu liên tục (Continuous Wave – CW) để phát ánh sáng có lượng khơng đổi theo thời gian Thành phần thứ hai, gọi điều biến sử dụng công tắc ánh sáng qua tương ứng với tín hiệu điều chế mang thông tin đưa vào điều biến Như vậy, laser khơng trực tiếp tham gia vào q trình điều chế tín hiệu mà thơng qua điều chế quang học bên với tốc độ bit cao, cho phép chuyển đổi tín hiệu hai trạng thái (mở đóng) đủ nhanh để hoạt động tốt tốc độ bit mong muốn Hình 2.4: Kỹ thuật điều chế ngồi Trong kỹ thuật điều chế ngồi, có hai điều chế thường sử dụng Loại thứ dựa thay đổi hấp thụ vật liệu bán dẫn điều khiển số tinh thể tác động điều khiển điện trường bên Loại thứ hai dựa thay đổi số khúc xạ số tinh thể tác động điều khiển điện trường bên - Bộ điều chế hấp thụ electron: Một laser DFB phát nguồn sáng liên tục chạy qua ống dẫn chế tạo vật liệu bán dẫn Khi khơng có điện áp điều khiển đặt vào, ống dẫn sóng gần suốt với nguồn sáng phát từ laser tần số cắt λc ngắn so 16 với bước sóng tia tới, lúc lượng tia tới E nhỏ hiệu ứng bandgap Eg Khi hiệu điện điều khiển đặt vào, hiệu ứng bandgap vật liệu giảm đi, sóng ánh sáng bị hấp thụ E > Eg Bằng cách thay đổi điện áp ống dẫn sóng, đặc tính điều chế tín hiệu thân tín hiệu thay đổi theo - Bộ điều chế Mach – Zenhder: Bộ điều chế Mach – Zenhder dựa thay đổi số khúc xạ tác dụng điện trường ngồi thơng qua hiệu ứng quang điện Hình 2.5: Bộ điều chế Mach Zenhder Người ta cấy vào ống dẫn sóng tinh thể quang điện tử, thường pin lithium – niobate (LiNbO3), chiết suất lớp lithium – niobate thay đổi đặt vào nhánh hiệu điện Giả sử nguồn sáng đến chia làm hai nhánh qua ống dẫn sóng Khi khơng có hiệu điện đặt vào, hai nửa tia tới không bị dịch pha, ngỏ chúng giao thoa với tái tạo lại dạng sóng ban đầu Khi có hiệu điện đặt vào hai tia tới bị dịch pha, công suất đầu điều chế phụ thuộc vào sai khác pha hai tia Ta có độ lệch pha: (2.9) Cơng suất sóng tính sau: (2.10) Trường hợp phổ biến nhất, tia tới thứ bị dịch pha 90o chiết suất ống dẫn sóng bị thay đổi, nhánh thứ hai bị dịch pha -90o Kết tổng hợp ngõ ống dẫn sóng hai bị triệt tiêu 2.2.5 Kỹ thuật tách sóng máy thu Coherence 2.2.5.1 Tách sóng đồng tần Phương pháp lựa chọn tần số dao động nội ωLO tần số sóng mang quang, nên ωIF = 0, sau tách sóng tín hiệu khôi phục băng tần sở máy thu tách sóng trực tiếp Dịng đầu photodiode tách sóng đồng tần: 17 (2.11) Bên cạnh đó, giả sử pha dao động nội khóa so với pha tín hiệu sóng mang quang, dẫn đến Ø(t) = Từ biểu thức (2.11), tín hiệu đồng tần cho bởi: (2.12) Hơn nữa, phương pháp tách sóng Coherence đồng tần thể qua biểu thức (2.12) Theo đó, dù ωIF = 0, thành phần pha tín hiệu truyền thơng tin cách điều chế pha sóng mang quang Trong đó, tách sóng trực tiếp khơng cho phép điều chế pha tất thơng tin pha tín hiệu bị 2.2.5.2 Tách sóng đổi tần Đối với phương pháp này, tần số dao động nội ωLO chọn khác với tần số tín hiệu ωS cho ωIF ≠ Cũng giống tách sóng đồng tần, thơng tin truyền sử dụng phương pháp điều chế ASK, FSK PSK Đồng thời, dao động nội khuếch đại tín hiệu nhận được, nâng cao tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) Tuy nhiên, hệ số cải thiện phương pháp thấp lần (3dB) so với tách sóng đồng tần Đây nhược điểm kỹ thuật tách sóng đổi tần, bù lại thiết kế máy thu đơn giản đáng kể khơng cần thiết phải có vịng khóa pha Điều làm cho máy thu tách sóng đổi tần thích hợp với ứng dụng thực tế hệ thống thông tin quang Coherence Tách sóng đổi tần có hai loại tách sóng đổi tần đồng tách sóng đổi tần khơng đồng Hình 2.6: Sơ đồ khối máy thu đổi tần đồng Trong máy thu đổi tần đồng (hình 2.6), dịng photo tạo sau thực q trình tách sóng quang, truyền qua lọc thông dải, phần đưa vào mạch khơi phục sóng mang Sau trộn với tín hiệu từ lọc thông dải trộn, qua mạch lọc thơng thấp để khơi phục lại tín hiệu điều chế ban đầu 18 Hình 2.7: Sơ đồ khối máy thu đổi tần không đồng Trong máy thu đổi tần khơng đồng (hình 2.7) khơng cần khơi phục sóng mang Tín hiệu băng gốc khơi phục qua nắn bình phương qua lọc thơng thấp để khơi phục lại tín hiệu ban đầu 2.2.6 Ưu, nhược điểm hệ thống RoF sử dụng máy thu quang Coherence 2.2.6.1 Ưu điểm - Nâng cao độ nhạy thu Ưu điểm bật hệ thống thông tin quang Coherence cải thiện độ nhạy thu Với việc kết hợp sử dụng hai phương pháp tách sóng đồng tần đổi tần, hệ thống quang Coherence cho phép gia tăng khoảng cách truyền hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền dẫn tuyến thông tin đường trục tăng số kênh mạng nội hạt thuê bao - Nâng cao khả truyền dẫn Với phương pháp ghép kênh theo tần số, hệ thống thông tin quang Coherence có dung lượng truyền dẫn lớn Ví dụ, vùng bước sóng hoạt động 1550nm chọn độ rộng phổ để truyền vùng truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương - Cung cấp khả lựa chọn kênh Theo nguyên tắc tách sóng đổi tần, tương tự máy thu đổi tần miền sóng vơ tuyến Khả chọn lọc kênh phía thu dựa khả thay đổi tần số ánh sáng laser dao động nội Do môi trường đa kênh với tần số f1, f2…, fn ta cần thay đổi tần số dao động nội fLO cho fIF = | fLO – ft |, với ft tần số kênh thứ i bất kỳ, máy thu nhận tín hiệu từ kênh Chính sử dụng mạng phân phối đa kênh quang - Hạn chế nhiễu bắn thu Khi công suất tín hiệu thu nhỏ, cần tăng PLO máy thu Coherence có kết SNR mong muốn, lúc dao động nội hoạt động khuếch đại tín hiệu hệ thống IM-DD chịu ảnh hưởng nhiễu bắn hiệu ứng phi tuyến khác, máy thu quang Coherence giúp tăng khoảng cách truyền dẫn tăng tốc độ thông tin - Khả chọn lọc tần số Kỹ thuật tách sóng Coherence chọn lọc tần số cách xác 19 cách sử dụng lọc tách sóng quang để chuyển tín hiệu điện sang quang Ngồi cịn tăng khả truyền dẫn hệ thống, tối ưu hóa băng thơng kênh truyền Điều cho phép khai thác tối đa lực kỹ thuật ghép kênh WDM - Khả kết hợp Coherence với kỹ thuật khuếch đại quang Sự kết hợp thu Coherence kỹ thuật khuếch đại quang tạo nên tuyến thơng tin có dung lượng truyền dẫn lớn kéo dài khoảng cách trạm lặp Khả ứng dụng tuyến đường trục tuyến cáp quang thả biển 2.2.6.2 Nhược điểm - Tần số dao động nội tín hiệu đến cần phải qua điều khiển phân cực để tạo tần số trung tần yêu cầu, đó, hệ thống IM-DD quan tâm tới tần số laser điều chế quang có phù hợp với photodiode sử dụng hay không - Trạng thái phân cực dao động nội (LO) tín hiệu phải giống hồn tồn photodiode - Độ rộng đường dao động nội (LO) nguồn quang phải thích hợp với kiểu điều chế sử dụng, hệ thống IM-DD, độ rộng nguồn quang xác định chủ yếu lỗi tán sắc sợi quang 2.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 2.3.1 Giới thiệu Trong tuyến truyền dẫn quang cự li truyền dẫn xa đến mức đó, suy hao tín hiệu đường truyền làm đầu thu khó khơng thể tái tạo lại tín hiệu Khi phải sử dụng khuếch đại đường truyền Trước có khuếch đại lựa chọn tốt trạm lặp với chức năng: nhận tín hiệu quang, chuyển thành tín hiệu điện, khơi phục chuyển lại thành quang phát Điều làm hạn chế tính suốt tăng chi phí bảo trì hệ thống Kỹ thuật khuếch đại quang đời có ưu so với trạm lặp Bộ khuếch đại quang không phụ thuộc vào tốc độ bit định dạng tín hiệu, hệ thống dễ nâng cấp băng thông lớn nên sử dụng để khuếch đại đồng thời nhiều tín hiệu WDM Kỹ thuật khuếch đại quang khắc phục nhược điểm trạm lặp băng tần, cấu trúc phức tạp, tính phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cấp nguồn hay ảnh hưởng nhiễu điện Có nhiều loại khuếch đại quang sợi khuếch đại quang sợi pha tạp EDFA sử dụng rộng rãi hệ thống WDM 2.3.2 Cấu trúc khuếch đại quang EDFA Cấu trúc khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA minh họa hình 2.8 20 Hình 2.8: Cấu trúc tổng quát khuếch đại quang EDFA - Sợi quang pha ion Erbium EDF: nơi xảy trình khuếch đại EDFA Trong vùng lõi trung tâm EDF pha trộn ion Er3+ nơi có cường độ sóng bơm tín hiệu cao Lớp bọc có chiết suất thấp bao phủ quanh lõi Lớp phủ bảo vệ bao quanh sợi quang có chiết suất lớn so với lớp bọc để loại bỏ ánh sáng không mong muốn lan truyền sợi quang - Laser bơm: phát ánh sáng có bước sóng 980nm 1480nm, cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng thái nghịch đảo nồng độ vùng tích cực - WDM Coupler: ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào sợi quang Cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550nm 1480/1550nm - Bộ cách ly quang: ngăn khơng cho tín hiệu quang khuếch đại phản xạ ngược phía đầu phát tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược EDFA 2.3.3 Nguyên lý hoạt động EDFA Khuếch đại EDFA loại khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium Với dải bước sóng khuếch đại khơng đồng dạng 1500nm – 1600nm, đỉnh khuếch đại xung quanh bước sóng 1532nm Do EDFA phù hợp để sử dụng cho hệ thống WDM thường sử dụng cửa sổ 1530nm – 1565nm (C-band) để truyền tải tín hiệu Q trình xạ xảy EDFA nhìn chung phân cấp thành xạ kích thích xạ tự phát theo chuyển tiếp mức lượng ion Er3+ tương ứng với hấp thụ lượng từ bước sóng bơm hình 2.9 21 Hình 2.9: Sơ đồ mức lượng ion Er3+ Hiện tượng xạ bình thường xạ tự phát (là chế bình thường điện từ nhảy mức lượng) xạ xảy mạnh theo chế xạ kích thích, tức có mặt photon mang lượng với lượng dịch chuyển mức điện tử (trong EDFA photon tín hiệu khuếch đại ) kích thích phát xạ tạo thêm nhiều photon tỉ lệ với số photon chùm sáng Nhờ tín hiệu khuếch đại qua sợi pha tạp Erbium Khi ion Er3+ kích thích từ trạng thái thông qua hấp thụ ánh sáng bơm, phân rã khơng phát xạ từ mức lượng cao tiến tới trạng thái giả bền 4I13/2 Tín hiệu quang tới gặp ion Erbium kích thích Lúc xảy q trình xạ kích thích ion Erbium chuyển từ mức giả bền 4I13/2 xuống mức lượng thấp 4I15/2 (nơi mà mật độ điện tử cao) tạo photon có pha hướng quang tín hiệu tới Như đạt trình khuếch đại quang EDFA 2.3.4 Bộ khuếch đại EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM 2.3.4.1 Các yêu cầu khuếch đại EDFA Bộ khuếch đại quang sử dụng hệ thống WDM cần đảm bảo yêu cầu sau: - Băng tần khuếch đại phẳng, hệ số tạp âm thấp công suất đưa cao - Phổ khuếch đại đồng với tất kênh bước sóng - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức cơng suất đầu kênh - EDFA có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại tất kênh 22 2.3.4.2 Các vị trí đặt EDFA tuyến sợi quang - Trường hợp BA (khuếch đại công suất) đặt sau máy phát: cho tỷ số SNR lớn trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ không cao 15dBm điều kiện kết nối sợi với sợi quang Điều giới hạn độ khuếch đại EDFA công suất phát - Trường hợp PA (tiền khuếch đại) đặt trước máy thu: cho cơng suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu đầu EDFA có giá trị lớn đầu vào máy thu bị suy giảm Điều giới hạn tỷ số SNR - Trường hợp LA (khuếch đại đường truyền) đặt đường truyền: trường hợp ta tăng cơng suất phát hệ số khuếch đại EDFA cách hợp lí để đạt cơng suất tín hiệu SNR thích hợp 2.3.5 Ưu, nhược điểm EDFA - Ưu điểm Các nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn công suất lớn Cấu trúc EDFA tương đối đơn giản giảm chi phí giá thành hệ thống Cấu trúc nguồn nuôi cần cho EDFA nhỏ nên thuận lợi áp dụng cho tuyến thông tin quang vượt biển Do tín hiệu truyền quang nên khơng bị nhiễu xun kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đại quang bán dẫn không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu - Nhược điểm Một nhược điểm khuếch đại quang sợi EDFA phổ độ lợi khơng phẳng Ngồi nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây nên hạn chế cự ly truyền dẫn 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày nội dung hệ thống thông tin RoF sử dụng máy thu Coherence khuếch đại quang EDFA Thấy ưu điểm hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence nâng cao độ nhạy thu, khả truyền dẫn, cung cấp khả lựa chọn kênh Đồng thời hạn chế nhiễu bắn thu tốt so với hệ thống IM-DD khả chọn lọc tần số Với hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence kết hợp khuếch đại quang EDFA (với ưu điểm: cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn, dễ dàng vận hành bảo dưỡng, công suất nguồn nuôi nhỏ vị trí đặt EDFA) làm tăng dung lượng khoảng cách truyền dẫn cho tuyến thông tin, đặc biệt tuyến thông tin vượt biển Để làm rõ hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence, chương đưa mơ hình khảo sát tính tốn thông số nhiễu ảnh hưởng đến SNR BER hệ thống 23 CHƯƠNG MƠ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM VÀ CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương khái qt mơ hình khảo sát đặc tính hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence; Các thông số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống, bao gồm: - Mơ hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng EDFA máy thu Coherence - Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến - Các loại nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống sử dụng khuếch đại EDFA: nhiễu lượng tử, nhiễu nhiệt, nhiễu ASE - Tính tốn thơng số SNR BER hệ thống RoF-WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence 3.2 MƠ HÌNH KHẢO SÁT HỆ THỐNG RoF-WDM SỬ DỤNG BỘ EDFA VÀ MÁY THU COHERENCE Đối với việc ứng dụng truyền tín hiệu từ đất liền ngồi hải đảo, ví dụ muốn truyền tín hiệu di động RF trạm CS đặt đất liền trạm BS đặt đảo, đường truyền RoF dài nhiều so với khoảng cách (100-250) km Đối với đường truyền RoF khoảng vài trăm số, suy hao đường truyền tránh khỏi Để giải vấn đề ta sử dụng khuếch đại EDFA máy thu Coherence giải pháp thích hợp Các khuếch đại dùng để bù tổn hao đường truyền thu Coherence để tăng khoảng cách độ nhạy hệ thống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phục hồi tín hiệu đầu thu Tuy nhiên công suất phát, công suất dao động nội, độ lợi EDFA vị trí đặt EDFA đường truyền ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, số lượng kênh truyền Do đó, với khoảng cách truyền định (250km) cần xác định đồng thời thông số bao gồm công suất phát, công suất dao động nội, độ lợi EDFA vị trí đặt EDFA thích hợp đường truyền để đáp ứng yêu cầu cho giá trị SNR BER Dưới mơ hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng EDFA máy thu Coherence: 24 Hình 3.1: Mơ hình khảo sát hệ thống RoF-WDM sử dụng EDFA máy thu Coherence Mơ hình sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ (IM), có EDFA máy thu Coherence Với EDFA cố định máy phát, EDFA thứ nằm đường truyền với khoảng cách từ 100km đến 250km (vì EDFA thứ bù tổn hao khoảng 100km đầu đường truyền) Máy thu Coherence dùng để tăng cường khoảng cách truyền độ nhạy hệ thống Từ mơ hình tìm hiểu thêm thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống phần 3.3 CÁC THÔNG SỐ NHIỄU ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG Trong hệ thống RoF-WDM có hai EDFA mắc chuỗi máy thu Coherence số kênh tăng lên kênh truyền qua khoảng cách lớn ảnh hưởng Hiệu ứng phi tuyến tăng lên Đồng thời máy thu hệ thống thơng tin quang ln có loại nhiễu gồm nhiễu lượng tử, nhiễu ASE nhiễu nhiệt làm suy giảm chất lượng hệ thống Do dó, nhiễu xem thành phần làm suy giảm dung lượng cự ly truyền dẫn hệ thống 3.3.1 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến sợi quang xảy thay đổi hệ số khúc xạ sợi quang tượng tán xạ không đàn hồi Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Hiệu ứng phi tuyến sợi xuất tốc độ liệu, chiều dài truyền dẫn, số bước sóng cơng suất quang tăng lên Các hiệu ứng phi tuyến có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng truyền dẫn hệ thống chí trở nên quan trọng phát triển khuếch đại quang sợi EDFA với phát triển hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Với việc tăng hiệu truyền thơng tin mà cách tăng số lượng kênh truyền giảm khoảng cách kênh, làm cho ảnh hưởng phi tuyến sợi trở nên đóng vai trị định 25 Hiệu ứng phi tuyến chia làm loại: - Hiệu ứng tán xạ không đàn hồi: phát sinh tác động qua lại sóng ánh sáng với photon (rung động phân tử) môi trường silica dẫn đến tán xạ kích thích Brillouin (SBS) tán xạ kích thích Raman (SRS) - Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến: sinh phụ thuộc chiết suất vào cường độ điện trường hoạt động, tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường (Kerr) dẫn đến hiệu ứng tự điều pha (SPM), hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) 3.3.1.1 Hiệu ứng tán xạ khơng đàn hồi - Hiệu ứng tán xạ kích thích Brillouin (SBS) Hiện tượng SBS có hình thành bước sóng Stoke dài bước sóng ánh sáng tới Một phần ánh sáng bị tán xạ phonon âm học làm cho phần ánh sáng bị tán xạ dịch tới bước sóng dài Hiệu ứng SBS xảy dải tần hẹp ∆f = 20MHz bước sóng 1550nm Khơng gây tác động qua lại bước sóng khác khoảng cách bước sóng > 20MHz Tạo độ lợi theo hướng ngược lại với hướng lan truyền tín hiệu (hướng nguồn) dẫn đến làm suy giảm tín hiệu mạnh Ảnh hưởng hiệu ứng SBS làm suy yếu lượng tín hiệu tới, lượng làm giảm khoảng cách độ sợi quang cho phép Vì hệ thống WDM tất kênh truyền theo hướng hiệu ứng SBS khơng gây nhiễu xuyên kênh - Hiệu ứng tán xạ kích thích Raman (SRS) Hiện tượng SRS q trình tán xạ mà photon ánh sáng tới chuyển phần lượng cho dao động học phần tử cấu thành môi trường truyền dẫn, phần lại phát xạ thành ánh sáng có bước sóng lớn bước sóng ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bước sóng gọi ánh sáng Stocke) Khi tín hiệu sợi quang có cường độ lớn, q trình trở thành q trình kích thích Raman Hiệu ứng SRS sinh chuyển động phân tử mật độ lượng cao sợi quang Ánh sáng tán xạ phát tần số thấp (bước sóng dài) tín hiệu tới (tán xạ khơng đàn hồi) Hiệu ứng SRS sinh lượng chuyển đổi kênh có bước sóng ngắn thành kênh có bước sóng dài dẫn đến tạo phổ nghiêng Sự suy hao lượng kênh có bước sóng nhỏ làm giảm hiệu suất truyền, suy hao tín hiệu lớn giảm số kênh hệ thống 26 3.3.1.2 Hiệu ứng khúc xạ phi tuyến - Hiệu ứng tự điều pha (SPM) Hiện tượng SPM chiết suất môi trường truyền dẫn thay đổi theo cường độ ánh sáng truyền Sự dịch tần phi tuyến làm cho sườn trước xung dịch đến tần số ω < ω0 sườn sau xung dịch đến tần số ω > ω0 dẫn đến phổ tín hiệu bị co dãn q trình truyền Ảnh hưởng hiệu ứng SPM dẫn đến giao thoa gây nhiễu kênh (đặc biệt khoảng cách kênh gần nhau) Tuy nhiên SPM dùng để tạo xung cực ngắn với tỉ lệ lặp cao sử dụng chuyển mạch quang nhanh Để giảm ảnh hưởng hiệu ứng SPM đến mức thấp tuyến độ dịch pha phi tuyến hệ thống phải nhỏ so với - Hiệu ứng điều chế pha chéo (XPM) Hiện tượng xảy có nhiều kênh đường truyền phụ thuộc độ dịch pha kênh vào cường độ (công suất) kênh Điều dẫn đến độ dịch pha kênh không phụ thuộc vào cường độ ánh sáng kênh đó, mà phụ thuộc vào cường độ kênh lại Hiện tượng gọi hiệu ứng điều chế xuyên pha XPM Hiệu ứng chủ yếu xảy hệ thống đa kênh tốc độ bit cao, hai hay nhiều kênh truyền đồng thời sợi sử dụng tần số sóng mang khác Ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền dẫn hệ thống - Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) Hiệu ứng trộn bốn bước sóng tượng phi tuyến bậc ba, tương tự trình méo điều chế hệ thống điện Giống hiệu ứng SPM XPM, hiệu ứng FWM sinh phụ thuộc chiết suất sợi vào cường độ quang, nhiên ảnh hưởng đến hệ thống WDM hoàn toàn khác Hiệu ứng SPM XPM ảnh hưởng đến hệ thống có tốc độ bit cao, hiệu ứng FWM khơng phụ thuộc vào tốc độ bit mà lại phụ thuộc vào khoảng cách kênh tán sắc màu sợi Trong FWM, tác động hai kênh có bước sóng khác hệ thống WDM điều chế pha hai kênh bước sóng tạo kênh băng tần cạnh Khi có ba bước sóng có tần số fi, fj, fk (i, j # k) tác động lẫn thông qua ảnh hưởng phi tuyến bậc ba sợi quang tạo bước sóng có tần số: fi, j, k = fi + fj - fk Gọi Pi,j,k cơng suất bước sóng ωi,j,k (tại tần số fi,j,k) sợi quang Pi,j,k tính sau: = ( [ ] 27 ) + + )] ) ( [( )] (3.1) Trong đó: Δβ1,2 phối hợp pha của sóng fi, fj, fk tương ứng với sợi L1(m) L2(m) [rad/m] =( - )( - ) – [( - [ )+( - )] ] (3.2) phối hợp pha tích lũy phân đoạn m n0: chiết suất sợi λ: bước sóng [m] c: vận tốc ánh sáng [m/s] L0: chiều dài cuộn cáp [m] = + = + + + (3.3) Pl(l=i,j,k: công suất kênh đưa vào đầu sợi quang [W] d: hệ số suy giảm (d=3 i=j≠k, d=6 i≠j≠k) G: hệ số khuếch đại EDFA [lần] χ: độ nhạy cảm phi tuyến bậc [m3/W.s] Aeff: diện tích hiệu dụng lõi sợi [m2] α1,2: suy hao loại sợi [1/m] ( hai loại sợi có tán sắc khác có suy hao) D1,2(λk): tán sắc hai loại sợi bước sóng λk [s/m2] : suy hao phân đoạn m Hai yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng FWM khoảng cách kênh tán sắc sợi Ảnh hưởng hiệu ứng FWM lớn khoảng cách kênh hệ thống WDM nhỏ khoảng cách truyền dẫn mức công suất kênh lớn Vì vậy, hiệu ứng FWM hạn chế dung lượng cự ly truyền dẫn Tải FULL (77 trang): bit.ly/2Ywib4t hệ thống WDM Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Trong hệ thống WDM có khuếch đại mắc chuỗi việc tính tốn cơng suất trộn bốn bước sóng phức tạp nhiều Do cơng suất tín hiệu ln tăng cường nhờ khuếch đại nên công suất FWM lớn nhiều so với hệ thống khơng có khuếch đại quang Ngồi ra, trường hợp này, việc quản lí tán sắc sợi đóng vai trò quan trọng, vừa phải giảm thiểu tượng FWM vừa không ảnh hưởng đến tốc độ, khoảng cách hệ thống 28 Để giảm hiệu ứng phi tuyến, chọn cơng suất kênh phù hợp nhiễu tác động đến chất lượng tín hiệu hệ thống nhiễu FWM Vì Luận văn tập trung khảo sát tính tốn nhiễu trộn bốn bước sóng FWM 3.3.2 Nhiễu lượng tử Tốc độ đến ngẫu nhiên photon nguyên nhân sinh nhiễu lượng tử tách sóng quang Nhiễu lượng tử bắt nguồn từ chất lượng tử ánh sáng chiếu vào dòng tối gây Chúng làm thăng giáng ngẫu nhiên giá trị dòng electron photon đầu tách sóng photodiode Nhiễu lượng tử (nhiễu bắn) máy thu sử dụng khuếch đại EDFA gồm thành phần: - Nhiễu bắn tín hiệu: (3.4) Trong đó: Suy ra: (3.5) (3.6) - Nhiễu bắn dao động nội: (3.7) Suy ra: (3.8) - Nhiễu bắn phát xạ tự phát: Tải FULL (77 trang): bit.ly/2Ywib4t Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ (3.9) Trong đó: (3.10) (3.11) Suy ra: (3.12) Tổng nhiễu lượng tử (nhiễu bắn) máy thu: (3.13) PTX PS Trong đó: : Cơng suất đầu máy phát : Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu Coherence α, α1, α2 Be, Bo G1 , G2 : Hệ số tổn hao công suất sợi quang tương ứng với chiều dài L, d1, d2 (α = α1 α2) : Băng thơng tín hiệu điện lọc quang : Hệ số khuếch đại EDFA thứ EDFA thứ 29 mt nsp : Số mode phân cực ngang : Hệ số khuếch đại tự phát EDFA : Năng lượng photon : Hiệu suất lượng tử e : Điện tích electron 3.3.3 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt sinh chuyển động nhiệt ngẫu nhiên điện tử bên điện trở tải gây nên thăng giáng dòng Nhiễu gọi nhiễu Nyquist hay nhiễu Johnson Khi nhiệt độ tuyệt đối, electron chuyển động cách ngẫu nhiên bên vật dẫn điện áp đặt vào, chuyển động nhiệt electron bên điện trở dòng dao động Dòng điện trở tải đầu vào máy thu quang cộng thêm vào dòng dao động sinh từ photodiode sinh nhiễu Dòng nhiễu nhiệt sinh từ điện trở tải tách sóng nhiễu (3.14) Trong đó: kB số Boltzmann Tth nhiệt độ máy thu RL điện trở tải máy thu 3.3.4 Nhiễu ASE Trong EDFA, photon xạ cưỡng cịn có photon xạ tự phát khơng pha với tín hiệu vào, gây nhiễu phát xạ tự phát ASE Sự phát xạ electron khuếch đại qua EDFA tạo nên nhiễu hệ thống Khi tín hiệu đến trộn với tín hiệu dao động nội LO trộn tần số nằm băng thông điện tách sóng gây ảnh hưởng đến dịng tín hiệu, nhiễu ASE qua trộn tạo nên thành phần nhiễu gồm nhiễu tín hiệu-ASE, nhiễu LO-ASE nhiễu ASE-ASE Khi EDFA mắc chuỗi nhiễu ASE xuất ngõ EDFA thứ sau suy giảm đường truyền khuếch đại EDFA thứ tín hiệu Cứ lần khuếch đại, nhiễu lại tích lũy thêm thành phần ASE khuếch đại sinh Vì nhiễu ASE qua trộn gồm thành phần nhiễu phách từ hai EDFA thứ EDFA thứ - Nhiễu phách quang phổ ASE tín hiệu sinh giao thoa tín hiệu quang xạ tự phát khuếch đại ASE gây dao động cường độ (3.15) 124794321 ... 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... sát đặc tính hệ thống, từ đưa thơng số cần thiết để sử dụng hệ thống tốt Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát đặc tính hệ thống RoF- WDM sử dụng khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence - Khảo sát phương... quang (RoF) - Chương 2: Hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence khuếch đại quang EDFA - Chương 3: Mơ hình khảo sát hệ thống RoF- WDM thơng số nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống - Chương 4: Khảo sát đặc