Thông qua kết quả đo ta có thể rút ra được các thông tin sau: + Số bước sóng sử dụng: 10 bước sóng
+ Phổ công suất toàn kênh: -0.456dBm + Tần số trung tâm của từng bước sóng + Công suất của từng kênh tín hiệu + Tỉ số SNR của từng kênh
+ Mức chênh lệch cực đại về công suất giữa các kênh + Công suất nhiễu của toàn kênh
+ Công suất nhiễu của từng kênh + Khoảng cách giữa các kênh
Kết quả được hiển thị dưới dạng bảng thống kê như sau: Channel Đơn vị 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Wavelen. (nm) 1553.323 1554.15 1555.02 1555.78 1556.58 1557.36 1558.176 1558.997 1559.81 1560.6 L Avg (nm) 1553.324 1554.151 1555.021 1555.78 1556.58 1557.36 1558.177 1558.999 1559.81 1560.6 L Min (nm) 1553.323 1554.15 1555.02 1555.78 1556.58 1557.36 1558.176 1558.997 1559.81 1560.6 L Max (nm) 1553.325 1554.152 1555.022 1555.78 1556.58 1557.36 1558.179 1559 1559.81 1560.6 Sdev L (nm) 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0 0.001 0.001 0.001 0.001 Spacing (nm) 0.827 0.827 0.87 0.762 0.8 0.78 0.815 0.821 0.81 0.749 Level (dBm) -30.41 -30.63 -30.91 -31.16 -31.12 -31.46 -31.55 -31.75 -31.31 -31.76 P Avg (dBm) -30.41 -30.61 -30.91 -31.16 -31.11 -31.42 -31.53 -31.72 -31.31 -31.73 P Min (dBm) -30.43 -30.67 -30.93 -31.2 -31.13 -31.47 -31.55 -31.75 -31.34 -31.78 P Max (dBm) -30.41 -30.61 -30.91 -31.16 -31.11 -31.42 -31.53 -31.72 -31.31 -31.73 Sdev P (dB) 0.007 0.025 0.013 0.015 0.006 0.017 0.008 0.01 0.014 0.021 Noise (dBm) -54.43 -54.41 -54.37 -54.63 -54.54 -54.6 -54.63 -54.72 -54.86 -54.96 SNR (dB) 24.01 23.78 23.46 23.47 23.41 23.14 23.08 22.97 23.55 23.2 SNR Avg (dB) 24 23.8 23.46 23.47 23.47 23.17 23.07 22.99 23.58 23.2 SNR Min (dB) 24 23.78 23.43 23.42 23.41 23.14 23.04 22.95 23.55 23.18 SNR Max (dB) 24.01 23.83 23.49 23.53 23.52 23.22 23.08 23.05 23.63 23.21 P/Pcomp % 11.45 10.9 10.2 9.63 9.72 9 8.81 8.42 9.31 8.39
Bảng 1: Kết quả đo phân tích phổ hệ thống DWDM Căn cứ vào bảng thống kê kết quả đo, ta còn có thêm một số thông số sau:
+ Giá trị trung bình, giá trị cực đại, giá trị cực tiểu của từng bước sóng hoạt động + Giá trị công suất trung bình, công suất cực đại, công suất cực tiểu của từng kênh + Giá trị tỉ số SNR trung bình, cực đại và cực tiểu của từng kênh
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN Ƣu điểm và hạn chế của từng kỹ thuật phân tích
- Phƣơng pháp phân tích dạng xung
Ưu điểm: phương pháp phân tích dạng xung tín hiệu là phương pháp đơn giản, thời gian thực hiện phép phân tích nhanh, với thiết bị phân tích có thể đơn thuần chỉ là một máy hiện dao động. Kết quả của phân tích dạng tín hiệu tập trung vào các tính chất vật lý của sóng tín hiệu. Kỹ thuật này thích hợp trong việc đánh giá một hệ thống mới đưa vào sử dụng, cần các đánh giá sơ bộ về đường truyền vật lý. Kết quả phân tích dạng xung trực quan, đặc biệt là khi sử dụng mặt nạ xung chuẩn để đánh giá đạt/không đạt với tín hiệu phân tích.
Nhược điểm: đối với một hệ thống đang họat động, kỹ thuật phân tích dạng xung khó để phát hiện ra các lỗi mang tính ngẫu nhiên. Kết quả phân tích dạng xung không thể hiện được các lỗi logic, các lỗi do thiết bị gây ra.
- Phƣơng pháp phân tích mẫu mắt tín hiệu
Ưu điểm: Thiết bị phân tích mẫu mắt tín hiệu đơn giản, thời gian thực hiện phép phân tích nhanh, kết quả tương đối trực quan. Phép phân tích mẫu mắt tín hiệu cho biết tính chất của các loại mã được sử dụng và một số tham số chất lượng như BER, hệ số phẩm chất Q, rung pha tín hiệu.
Nhược điểm: kỹ thuật phân tích mẫu mắt tín hiệu tương đối khó, các kết quả hầu hết phải được nội suy hoặc sử dụng các phép tính căn cứ vào đồ thị do vậy yêu cầu người thực hiện phải có lý thuyết vững chắc mới thực hiện được.
- Phƣơng pháp phân tích phổ tín hiệu
Ưu điểm: Phương pháp phân tích phổ tín hiệu cho phép phân tích cả dải bước sóng làm việc chỉ với một phép đo, phân tích được ở dải tần số cao. Kết quả của phép phân tích cho biết nhiều tham số quan trọng của tín hiệu và mạng truyền dẫn như các tham số về tần số, khoảng cách kênh, tỉ số SNR, công suất tín hiệu, công suất nhiễu, …Từ kết quả của phép phân tích phổ tín hiệu có thể nội suy thêm được các tham số về chất lượng tín hiệu như các tham số về chất lượng tín hiệu Q, tham số lỗi bít BER.
Nhược điểm: Thời gian thực hiện phép đo tương đối lâu, quá trình thiết lập các tham số đo phức tạp. Yêu cầu đối với người phân tích phải nắm chắc kiến thức về viễn thông. Thiết bị đo phân tích phổ thường có giá thành cao. Thuật toán sử dụng cho kỹ thuật phân tích phổ là FFT đòi hỏi bộ nhớ đệm cho thiết bị lớn.
- Phƣơng pháp phân tích vector tín hiệu
Ưu điểm: Được sử dụng để phân tích các hệ thống điều chế tín hiệu số, phân tích các tham số chuyên sâu của hệ thống điều chế. Kết quả của phép phân tích tín hiệu điều chế cho biết chất lượng của các bộ điều chế, các tham số của tín hiệu điều chế sau khi được truyền dẫn. Dải tần số làm việc rộng, thời gian thực hiện phép đo nhanh và thực hiện trong thời gian thực. Kết quả của phép phân tích có độ chính xác cao vì nguyên lý hoạt động của phương pháp dựa trên các phép biến đổi thời gian thực tín hiệu.
Nhược điểm: Để phân tích kết quả của một phép đo phân tích vector tín hiệu điều chế số yêu cầu người thực hiện phải có kiến thức sâu về điều và giải điều chế cũng như về mạng truyền dẫn. Mỗi phép đo cần thiết lập nhiều tham số cho phù hợp với hệ thống đo. Thiết bị đo thường có giá tương đối cao do thiết bị yêu cầu độ chính xác cao và làm việc ở tần số lớn, độ phân dải cao.
Kết luận
Việc phân tích tín hiệu để đánh giá chất lượng truyền dẫn thông tin là một việc rất cấp thiết hiện nay. Tất cả các hãng viễn thông lớn đều thành lập các bộ phận chuyên trách, chuyên nghiên cứu chuyên sâu để phân tích các lỗi xảy ra đối với hệ thống. Với mỗi một tham số thì sẽ có các phương pháp phân tích tương ứng để kết quả phân tích là tin cậy nhất. Bốn kỹ thuật phân tích bao gồm phân tích mặt nạ xung, phân tích mẫu mắt, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế là các kỹ thuật phân tích tín hiệu số phổ biến nhất được sử dụng hiện nay. Với bốn kỹ thuật này thì hầu hết các tham số về chất lượng tín hiệu có thể được thể hiện trực tiếp hoặc suy ra theo lý thuyết để từ đó có các đánh giá về chất lượng tín hiệu.
Luận văn đã nghiên cứu được các vấn đề lý thuyết về dạng xung tín hiệu, mẫu mắt tín hiệu truyền dẫn, kỹ thuật phân tích phổ tín hiệu, kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số. Mỗi kỹ thuật phân tích đều nêu rõ được cơ sở lý thuyết, cơ sở và sơ đồ khối thiết bị phân tích.
Về kết quả thực tế, học viên đã thực hiện đo kiểm hệ thống mạng thực tế, phân tích các kết quả thu được. Thực hiện đo kiểm dạng xung và mẫu mắt truyền dẫn của tín hiệu E1, phân tích và đánh giá tín hiệu đo được với tiêu chuẩn G.703 của khuyện nghị ITU-T. Thực hiện phân tích phổ tín hiệu quang của dịch vụ truyền dẫn DWDM với 10 bước sóng đang sử dụng và phổ của tín hiệu SDH 10Gbps. Phân tích vector tín hiệu điều chế của hệ thống GSM, phân tích các tham số của tín hiệu điều chế QPSK trong hệ thống thu phát tín hiệu.
Với mỗi kỹ thuật phân tích, học viên đã đưa ra quy trình các bước thực hiện phép đo, các tham số cần thiết lập khi thực hiện các kỹ thuật phân tích.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
BÀI BÁO “PHÂN TÍCH TỈ SỐ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU VÀ CÔNG SUẤT NHIỄU OSNR TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG”
Đặng Trần Chiến, PGS.TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang
ABSTRACT
OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) is one of the most importance parameter in optical networks. This paper will show how to understand OSNR and formula to calculate OSNR in optical transmission systems. We will show some reasons caused OSNR decreased and some methods to improve it. To understand OSNR help designers optimize network and operators discover network problems more and more quickly.
1. MỞ ĐẦU
Trong công nghệ truyền thông thì hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang ngày càng chiếm ưu thế tuyệt đối, đặc biệt là trong các dịch vụ yêu cầu dung lượng lớn, tốc độ cao và truyền đi trên các khoảng cách xa. Rất nhiều tham số, phép đo được đưa ra nhằm phân tích, đánh giá chất lượng tín hiệu của mạng truyền dẫn quang. ONSR là một trong những tham số phổ biến được sử dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu quang.
Thông số OSNR được có thể được sử dụng trong thiết kế mạng cũng như để đánh giá chất lượng của các kênh quang. Các kỹ thuật tính toán OSNR dựa theo định nghĩa cổ điển trước đây[1], [2] gặp nhiều khó khăn trong việc xác định công suất tín hiệu và nhiễu quang tại một bước sóng và thường cho kết quả không chính xác. Việc kết hợp thêm các yếu tố về băng thông tham chiếu vào phép đo làm đơn giản, trực quan hơn trong việc xác định công suất của một dải hẹp băng thông và cho kết quả đo chính xác hơn.
2. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH OSNR
OSNR là tỉ số giữa công suất tín hiệu (dBm) và công suất nhiễu quang (dBm) của một kênh quang
trên một băng tần xác định. Công suất tín hiệu là năng lượng hữu ích của ánh sáng nhằm truyền đạt các thông tin của người sử dụng. Nguồn nhiễu có thể do bộ phát, xuyên nhiễu giữa các tín hiệu hoặc phát xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission - ASE) của bộ khuếch đại EDFA. Từ định nghĩa ta có công thức xác định OSNR [1] như sau:
OSNR (dB) = 10 × log nhieu hieu tin P P _ (1) Trong đó:
Ptin_hieu là công suất tín hiệu quang trên băng thông phân giải (resolution bandwidth - RBW), theo đơn vị tuyến tính (W);
Pnhieu là công suất nhiễu quang tích hợp, theo đơn vị tuyến tính (W).
Hình 1: Xác định OSNR
Các giá trị này được xác định và tính toán theo tham chiếu đến RBW (Resolution Bandwidth) được mô tả trên hình 1. RBW là độ phân giải băng thông của thiết bị đo. Thông thường giá trị RBW bằng 0,1 nm hoặc thiết lập theo mong muốn của người sử dụng thiết bị đo.
P1
Ptin_hieu
Pnhieu
Tham khảo hình 1, Pnhieu được tính bằng cách xác định công suất nhiễu tại các vùng lõm xuống (valley) của phổ tín hiệu (trong hình vẽ là các điểm P1 và P2) nằm ở hai bên cách tần số trung tâm tín hiệu đỉnh một khoảng +∆λ [3].
Kỹ thuật đo OSNR theo TIA/EIA-526-19
Tiêu chuẩn đo OSNR của TIA/EIA-526-19 [4] tương tự như mô tả ở trên, ngoại trừ việc thêm một
số hạng là băng thông quang tham chiếu (Br -
Reference Optical Bandwidth) vào phép tính:
OSNR(dB) = 10 log nhieu hieu tin P P _ + 10 log r m B B (2) Trong đó:
Bm là băng thông đo nhiễu tương đương của
thiết bị đo;
Br là băng thông quang tham chiếu (giá trị tiêu chuẩn bằng 0,1 nm).
Trong phương pháp tính này, có số hạng Bm vì
trên thực tế có thể hai phép đo sẽ có độ phân giải khác nhau. Một phép đo dùng để đo nhiễu và phép đo thứ hai để đo tín hiệu. Số hạng thứ hai trong
phương trình là Br tỉ lệ lại phép đo nhiễu để đưa về
băng thông tương đương, nó không nhất thiết phải bằng RBW.
- Tính OSNR cho một tuyến quang
Theo định nghĩa OSNR được tính theo công thức (1): OSNR (dB) = 10log ) ( ) ( _ mW P mW P nhieu hieu tin = Ptin_hieu (dBm) – Pnhieu (dBm) (3). Đối với một tuyến quang mà giữa phía phát và phía thu chỉ có N trạm khuếch đại thì tham số OSNR được tính như sau
OSNR = Pra - PASE – 10logN (4),
hoặc được tính theo công thức:
0 Log 10 Log 10 P L NF N h OSNR ra (5)
Thay các giá trị của hυ ta có công thức tính như sau:
OSNR = Pra - L - NF - 10LogN + 58 (6)
Trong đó:
Pra: công suất phát của mỗi kênh tại phía phát theo dBm;
PASE: công suất của nhiễu phát xạ tự phát của
các bộ khuếch đại;
L: suy hao đoạn tuyến giữa các bộ khuếch đại theo dB;
NF: hệ số nhiễu (Noise Figure);
Δυ0: Độ rộng phổ quang;
N: số lượng đoạn tuyến và giả thiết là suy hao của tất cả các đoạn tuyến là bằng nhau.
Tham số OSNR sẽ suy giảm dần khi đi qua các bộ khuếch đại. Hình 2 minh họa cho sự thăng giáng của công suất tín hiệu, công suất nhiễu và sự biến đổi của OSNR đối với một tuyến quang.
Hình 2: Đặc tuyến OSNR theo chiều dài tuyến
3. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐO OSNR
Các bước thực hiện bài đo tham số OSNR cho một tuyến truyền dẫn quang được mô tả theo lưu đồ sau: Txn Tx1 Rxn Rx1 OA OA OA OA OA OA Công suất (dBm) L (Km ) 0 0 OSNR (dB) L (Km ) Công suất tín hiệu Công suất nhiễu
Hình 3: Các bước thực hiện đo kiểm OSNR
Phép đo OSNR gồm có sáu bước. Bước thứ nhất, khởi động cho thiết bị đo kiểm chạy ổn định, thông thường thời gian để các thiết bị đo kiểm khởi động mất khoảng 10 phút. Bước hai, thực hiện kết nối thiết bị đo với các giao diện cần đo (tham khảo hình 3 về sơ đồ kết nối thiết bị đo với thiết bị truyền dẫn).
Hình 4: sơ đồ kết nối thực hiện đo OSNR
Bước ba là thiết lập các tham số cho máy đo. Các tham số cần thiết lập chủ yếu là dải bước sóng cần đo, chế độ đo, thời gian đo, độ phân giải băng thông,… Sau khi thiết lập đầy đủ các tham số cần thiết ta thực hiện bài đo OSNR (bước bốn). Bước năm, lưu các kết quả đo để làm cơ sở phân tích,
đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn. Sau khi hoàn tất các phép đo, tắt nguồn thiết bị đo.
4. VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ về phƣơng pháp tính OSNR:
Tính giá trị OSNR cho một tuyến truyền dẫn gồm 5 đoạn tuyến, suy hao mỗi tuyến L = 20dB, độ khuếch đại G = 20dB, hệ số nhiễu NF = 7.7dB, công suất đầu ra Pra = 4dBm, công suất đầu vào Pin = -16dBm.
Áp dụng công thức (6) ta có:
OSNR = Pra - L - NF - 10LogN + 58.
Hình 5: Tính toán OSNR cho một tuyến cụ thể Kết quả: PASE = -58 + NF + G = -58 + 7,7 + 20 = -30,30 (dBm) OSNR1 = 4 – 20 – 7,7 – 10log1 + 58 = 34,30 (dB) OSNR2= 34,3 – 10log2 = 31,29 (dB), OSNR3= 34,3 – 10log3 = 29,53 (dB), OSNR4= 34,3 – 10log4 = 28,28 (dB), OSNR5= 34,3 – 10log5 = 27,31 (dB).
Việc tính toán được trước các giá trị OSNR là một khâu rất quan trọng trong quá trình thiết kế một tuyến truyền dẫn quang. Căn cứ và các kết quả tính theo lý thuyết, người thiết kế có thể đưa ra các quyết định về đầu tư thiết bị tối ưu nhất.
Ví dụ kết quả đo OSNR bằng máy phân tích phổ:
Dưới đây là kết quả đo của một hệ thống DWDM gồm 8 bước sóng được ghép và truyền đi trên cùng một sợi quang:
Pin1 NF5 NF2 NF1 λ1 λi λ1 λi OA OA OA Pin2 Pin5 Chờ máy đo ổn định
Kết nối thiết bị đo với giao diện cần đo
Thiết lập tham số đo
Thực hiện đo
Ghi số liệu kết quả đo vào bộ nhớ Tắt nguồn Bật nguồn (Bước 1) (Bước 2) (Bước 3) (Bước 4) (Bước 5) (Bước 6)
Hình 6: kết quả đo của máy phân tích phổ hệ thống gồm 8 bước sóng làm việc.
Hình 7: kết quả đo OSNR của một tuyến truyền dẫn quang gồm 8 bước sóng.