1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn
Bên cạnh những ƣu điểm đã đƣợc nêu ra trong mục 1.1, thì các hệ thống DWDM hiện nay cũng tồn tại những hạn chế. Và những hạn chế này cần đƣợc khắc phục kịp thời trƣớc sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của ngành viễn thông. Có thể nói rằng hạn chế lớn nhất của các hệ thống DWDM hiện nay chính là năng lực truyền dẫn. Các hệ thống hiện nay chủ yếu vẫn đang khai thác công nghệ 10 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng ở băng C và một phần của băng L. Vài năm gần đây đã đƣa vào khai thác công nghệ 40 Gb/s, nhƣng đó cũng chỉ là một giải pháp tạm thời trƣớc khi có những bƣớc đột phá để nâng tốc độ lên 100 Gb/s và hơn thế nữa.
Có thể xem năng lực truyền dẫn của một hệ thống nhƣ thể tích của khối chữ nhật gồm 3 chiều:
Optical Bandwidth: băng tần quang. Channel density: mật độ kênh.
Channel bit rate: tốc độ bit của một kênh.
Năng lực truyền dẫn (bit/s) = (tổng băng tần)*(mật độ kênh)*(tốc độ bit của một kênh), trong đó:
Tổng băng tần (Hz): phụ thuộc vào băng tần của bộ khuếch đại quang. Mật độ kênh (1/Hz): số kênh trên băng tần quang = 1/(khoảng cách kênh). Tốc độ bit của một kênh (bit/s): (bit/symbol)*(symbol/s).
Về băng tần quang: hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và một phần của băng L (1530 nm – 1610 nm), tức là nhỏ hơn 10 THz.
Về khoảng cách kênh: chủ yếu là 100 GHz và 50 GHz. Về tốc độ bit: 10 Gb/s và 40 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng.
Ngƣời ta thƣờng hay dùng khái niệm hiệu suất phổ (Spectral Efficiency – SE) để đánh giá năng lực truyền dẫn của một hệ thống DWDM:
SE = (tốc độ bit của một kênh)/(khoảng cách kênh) = bit/s/Hz, SE càng lớn có nghĩa là khả năng tận dụng băng tần của sợi quang càng cao. Để tăng SE thì hoặc là tăng tốc độ bit trên một kênh, hoặc là giảm khoảng cách kênh.
Ví dụ hệ thống mạng Flashwave 7500 (FUJITSU) đang đƣợc VTN khai thác ở khu vực phía Nam, sử dụng công nghệ 40 Gb/s, khoảng cách kênh 100 GHz [7]. Suy ra hiệu suất phổ: SE = 40Gb/s/100GHz = 0,4 bit/s/Hz – hiệu suất phổ thấp.
1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống
Để nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống DWDM, có những giải pháp sau:
Mở rộng băng tần sử dụng.
Tăng mật độ kênh, tức là giảm khoảng cách kênh.
1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng
Băng tần của sợi quang là rất lớn, gồm 6 băng sóng cơ bản O - E - S - C - L - U, phạm vi bƣớc sóng từ 1260 nm – 1675 nm, tƣơng đƣơng với 58,95 THz.
1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.8 0.7 S u y h a o ( d B /k m ) O E S C L U
Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng
Ghi chú:
- Đƣờng màu đỏ là đặc tính suy hao của sợi SSMF G.652, đƣờng màu xanh là đặc tính suy hao của sợi Corning SMF-28e.
- O: Original: gốc, - E: Extended: mở rộng, - S: Short: ngắn,
- C: Conventional: quy ƣớc, - L: Long: dài,
- U: Ultra-long: siêu dài.
Hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và L, muốn mở rộng băng tần thì cần phải sử dụng cả những băng còn lại. Tuy nhiên băng tần của bộ khuếch đại quang (OA) lại bị giới hạn trong băng C và băng L dẫn đến băng tần sử dụng cũng bị hạn chế ( < 10 THz). Ngoài ra còn phụ thuộc vào băng tần của các khối bù tán sắc (DCM) và suy hao cho phép đối với các sợi SMF cũ thuộc băng O, C, L. Mở rộng băng tần cũng dẫn đến tăng chi phí mua sắm, vận hành, bảo trì OA và DCM.
Như vậy mở rộng băng tần gặp phải rất nhiều khó khăn trong thời điểm hiện tại cũng như trong những năm sắp tới !
1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh
Các hệ thống hiện tại chủ yếu sử dụng khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz. Giảm khoảng cách kênh: 100 GHz → 50 GHz → 25 GHz → 12,5 GHz; 12,5 GHz sẽ là giới hạn trong một khoảng thời gian dài [8]. Không thể giảm khoảng cách kênh mãi đƣợc, do những nguyên nhân sau:
Lasers không ổn định dẫn đến chồng lấn giữa các kênh, độ rộng phổ do các laser phát ra có giới hạn nhất định.
Các bộ lọc (Filters) không lọc hết tín hiệu từ kênh bên cạnh nếu các kênh sát nhau quá. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh
Ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến khi giảm khoảng cách kênh (xem mục 1.3.2). Tăng số lƣợng kênh sẽ làm tăng tổng công suất phát vào một sợi quang, dẫn đến
tăng ảnh hƣởng xấu của hiệu ứng phi tuyến đến tín hiệu.
Ngoài ra còn một lý do rất quan trọng, đó là: cơ sở hạ tầng của mạng hiện tại phù hợp cho hệ thống mạng có khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz, nếu muốn giảm khoảng cách kênh sẽ phải đầu tƣ thêm nhiều chi phí mua sắm thiết bị mới.
1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh
Tăng tốc độ bit từ 10 Gb/s lên 40 Gb/s, 100 Gb/s và hơn nữa… Ta xét hai trƣờng hợp:
Tăng tốc độ bit nhƣng không tăng hiệu suất phổ:
Đối với điều chế hai mức (bi-level modulation) nhƣ On-Off Keying, BPSK: Tăng tốc độ bit của kênh bao nhiêu thì cũng tăng độ rộng phổ của kênh bấy nhiêu, tức là giảm mật độ kênh bấy nhiêu. Vậy năng lực truyền dẫn sẽ không tăng.
Tăng tốc độ bit đồng thời với tăng hiệu suất phổ: Những khó khăn gặp phải: - Ảnh hƣởng nặng nề của tán sắc và hiệu ứng phi tuyến (bảng 1.3).
- Tần số của các mạch điện tử hiện đã tiến dần đến giới hạn cao nhất. - Tiêu hao năng lƣợng lớn, bức xạ lớn.
- Khó thiết kế mạch, giá thành cao.
- Phải phù hợp với cơ sở hạ tầng đang sử dụng.
Tần số
Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit [9]
10 Gb/s 40 Gb/s 100 Gb/s
Độ nhạy CD 1 x 16 x 100
Độ nhạy PMD 1 x 4 x 10
OSNR yêu cầu 1 + 6dB + 10dB
Độ nhạy phi tuyến 1 x 4 x 10
Băng thông điện 10 GHz 40 GHz 100 GHz
Bảng 1.3 đã cho ta thấy những khó khăn gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s lên 40 Gb/s và 100 Gb/s (trên hạ tầng quang thiết kế cho hệ thống 10 Gb/s). Ví dụ đối với PMD, với tốc độ 10 Gb/s cho phép 1 lƣợng PMD tối đa là 10 ps thì lúc nâng lên 100 Gb/s chỉ còn 10/10 = 1 ps. Đòi hỏi phải bù chính xác PMD ?
Để giải quyết những thách thức và khó khăn trên chúng ta cần phải sử dụng những kỹ thuật điều chế mới với yêu cầu:
Tốc độ bit cao: ≥ 100 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng.
Khoảng cách truyền dẫn xa (trƣớc khi phải dùng Regeneration). Hiệu suất phổ cao để tiết kiệm băng tần: ≥ 2 bit/s/Hz.
Tính miễn nhiễm của tín hiệu đối với CD, PMD, phi tuyến cũng nhƣ hiệu năng của các phƣơng pháp bù CD và PMD.
Khả năng chịu đƣợc các bộ lọc quang dải hẹp: Khi đi qua những bộ lọc này tín hiệu ít bị méo và ít gây ra ảnh hƣởng (Inter-Symbol-Interference, ISI) giữa các ký tự quang.
Dạng phổ hẹp, gọn, phân bố năng lƣợng trên các bƣớc sóng đều. Tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp, hệ số phẩm chất Q (Q-factor) cao. Giảm giá thành cho các hệ thống mới.
Dễ nâng cấp cho các hệ thống đang sử dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong số những kỹ thuật điều chế tiên tiến đã đƣợc nghiên cứu, các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu nhƣ Nortel (bây giờ là Ciena), Alcatel-Lucent, Fujitsu, Huawei… đã lựa chọn DP-QPSK làm kỹ thuật điều chế sử dụng trong công nghệ 100 Gb/s (kết hợp với tách sóng Coherent). Tuy nhiên cũng cần phải nói thêm rằng, để công nghệ 100 Gb/s thành công thì ngoài kỹ thuật điều chế DP-QPSK còn cần phải sử dụng thêm những kỹ thuật khác; nhƣ kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc FEC… Tất cả những thành phần này đều rất quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ 100 Gb/s vào thực tế. Trong khuôn khổ đề tài này, chủ yếu trình bày về kỹ thuật điều chế DP-QPSK, những vấn đề còn lại chỉ được giới thiệu một cách tóm tắt mà không đi sâu vào cụ thể. Những vấn đề liên quan đến điều chế và lý thuyết về kỹ thuật điều chế DP-QPSK sẽ được trình bày trong nội dung của chương 2.
CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM
2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM 2.1.1 Khái niệm về điều chế 2.1.1 Khái niệm về điều chế
Điều chế (modulation) là quá trình mã hóa số liệu vào sóng mang, nghĩa là thay vì truyền số liệu thì ngƣời ta truyền sóng mang mang thông tin số liệu đi trên đƣờng truyền (đƣờng truyền có thể là vô tuyến hoặc hữu tuyến). Quá trình điều chế xảy ra trong máy phát, ở máy thu xảy ra quá trình ngƣợc lại: giải điều chế. Giải điều chế là quá trình tách số liệu từ trong sóng mang. Sóng mang thƣờng đƣợc sử dụng là sóng dạng sin:
e(t) = As cos(ωst + ϕ(t)), (2.1)
trong đó: As là biên độ của sóng mang, ωs = 2πfs là tần số góc, fs là tần số và ϕ(t) là pha của sóng mang. Trong mọi trƣờng hợp quá trình điều chế bao gồm khóa chuyển biên độ, tần số hay pha cho sóng mang theo luồng số liệu vào. Vì vậy tồn tại ba phƣơng thức điều chế cơ bản: điều chế khóa chuyển biên (ASK – Amplitude Shift Keying), điều chế khóa chuyển tần số (FSK – Frequency Shift Keying) và điều chế khóa chuyển pha (PSK – Phase Shift Keying). Hình 2.1 minh họa dạng sóng của các kiểu điều chế này:
1 0 1 1 0 ASK FSK PSK t t t Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK
Nếu tín hiệu đƣa vào điều chế là tín hiệu liên tục thì ta có quá trình điều chế tƣơng tự, nếu tín hiệu đƣa vào điều chế là tín hiệu số thì ta có quá trình điều chế số. Trong cuốn đồ án này sẽ trình bày về điều chế số sử dụng trong thông tin quang. Điều chế trong thông tin quang cũng tƣơng tự nhƣ trong vô tuyến nhƣng tần số sóng mang sử dụng trong điều chế quang (cỡ vài trăm THz) lớn hơn nhiều so với tần số sóng
mang sử dụng trong điều chế vô tuyến ( nhỏ hơn 300 GHz). Dải tần số sử dụng trong tuyền dẫn quang sợi là từ 178,98 THz (~1675 nm) đến 237,93 THz (~1260 nm), đây là dải tần số tối ƣu cho truyền thông tin qua sợi quang.
Về điều chế trong thông tin quang, có thể chia làm hai loại cơ bản: điều chế cƣờng độ và điều chế trong thông tin quang Coherent. Điều chế cƣờng độ kết hợp với tách sóng trực tiếp sẽ đƣợc xem xét trong mục 2.1.3, điều chế trong thông tin quang Coherent kết hợp với tách sóng Coherent sẽ đƣợc trình bày trong mục 2.2. Về phƣơng thức điều chế, ta có điều chế trực tiếp và điều chế ngoài, phần nội dung tiếp theo sẽ trình bày về hai phƣơng thức điều chế này.
2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài 2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp 2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp
Điều chế trực tiếp (direct modulation) hay còn gọi là điều chế nội (internal modulation) đƣợc sử dụng trong các hệ thống tốc độ thấp. Trong kiểu điều chế này, mạch điều chế nằm ngay trong bộ phát laser và tín hiệu điều chế đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Dòng điện kích thích thay đổi theo tín hiệu thông tin từ giá trị dƣới mức ngƣỡng đến giá trị trên mức ngƣỡng, ví dụ bit đầu vào là “1” thì laser phát ánh sáng và bit đầu vào là “0” thì laser tắt. Hình sau đây mô tả một mạch phát quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp:
_ + Dữ liệu Giám sát ra VDC Phân cực - 5,2V VBB VDRIVE Q1 Q2 Q3 Q4 LD PD
Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode
Dữ liệu phát đƣợc đƣa vào cực B của transistor Q1, cực B của transistor Q2 đƣợc cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu ngõ vào lớn hơn VBB, Q1 dẫn và Q2 tắt, dòng qua LD (Laser Diode) giảm làm LD ngƣng phát sáng. Ngƣợc lại khi tín hiệu ngõ vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt và Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng. Q3 đóng vai
trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4 kết hợp với mạch hồi tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dƣới tác động của nhiệt độ, cũng nhƣ cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của LD phục vụ công việc cảnh báo và bảo dƣỡng cho bộ phát quang. Vai trò của photodiode PD là thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang của laser. Vì vậy khi công suất quang ngõ ra thay đổi (do sự thay đổi của nhiệt độ) dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại những thay đổi trong công suất quang của laser [4]. Nhƣợc điểm của kỹ thuật điều chế trực tiếp:
Băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser.
Hiện tƣợng chirp làm tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng (đối với laser DFB).
Không ứng dụng đƣợc trong các hệ thống đòi hỏi công suất phát quang lớn (>30mW) nhƣ các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp.
Kỹ thuật điều chế ngoài (external modulation) có thể khắc phục đƣợc những hạn chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp.
2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài
Tại tốc độ 10 Gb/s và cao hơn, kỹ thuật điều chế trực tiếp không đáp ứng đƣợc do những hạn chế đã nêu ở trên. Lúc này ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài. Điều chế ngoài (external modulation) là một kỹ thuật mà tín hiệu đƣợc điều chế ở một bộ điều chế riêng biệt nằm ngoài laser. Nhƣ vậy lúc này ánh sáng do laser phát ra là sóng liên tục (Continuous Wave – CW) nên tránh đƣợc hiện tƣợng chirp cũng nhƣ khắc phục đƣợc sự hạn chế về băng thông và công suất phát.
Bộ điều chế ngoài PD
Điện tử kích thích Tín hiệu vào (xung RZ hoặc NRZ) CW
Tín hiệu quang sau khi điều chế
Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài
Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai bộ điều chế sử dụng trong kiểu điều chế ngoài: Mach-Zehnder Modulator và Electroabsorption Modulator.
a. Mach-Zehnder Modulator
Mach-Zehnder Modulator là bộ điều chế giao thoa kế chế tạo từ vật liệu LiNbO3 (Lithium Niobate), là loại vật liệu có chiết suất phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh
sáng do laser phát ra đi vào bộ giao thoa kế đƣợc chia thành hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này không bị dịch pha và kết hợp với nhau tạo thành sóng ánh sáng có dạng nhƣ ban đầu. Khi có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là ánh sáng đã đƣợc điều biến về cƣờng độ. Sự lệch pha giữa hai thành phần ánh sáng là do vận tốc khác nhau trên hai đƣờng đi có chiết suất khác nhau (vận tốc của ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất của môi trƣờng ánh sáng truyền qua). Độ lệch pha giữa hai thành phần này cũng có thể điều khiển đƣợc bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc chia làm 2 loại, loại một cực và loại hai cực: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực (Single-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – SDMZIM):
Hai ống dẫn sóng chia đôi tín hiệu quang vào, một trong hai tín hiệu quang đƣợc điều chế bởi điện áp v(t), sau đó hai tín hiệu quang đƣợc cộng lại tại đầu ra. Ta có công thức sau xác định tín hiệu quang tại đầu ra [8]:
* ( )+ , (2.2)
với Vπ là điện áp phân cực ngƣỡng, sao cho nếu đặt v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng π, Vπ càng nhỏ thì càng tốt.
Nếu v(t) = 0 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):
* ( )+ [ ] .
Nếu v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra không có tín hiệu quang (OFF): [ ( )] [ ] [ ] [ ] . +v(t) -v(t) Tín hiệu