3.2.1 Khái niệm jitter timing
Tốc độ bit của hệ thống truyền thông là số bit thông tin được truyền qua trong một đơn vị thời gian nhất định. Bộ thu quang phải lấy mẫu tín hiệu ở trung tâm mỗi khe bit và xác định xem đó là bit 0 hay 1 dựa trên biên độ tín hiệu đo được ở giữa khe bit. Sự hiện diện của soliton trong khe bit nghĩa là bit được xác định bằng 1, ngược lại được xác định là 0. Chuỗi bit đến bộ thu phải được tìm đúng để xây dựng lại dữ liệu đã gửi ở phía phát. Trong trường hợp lý tưởng (không có jitter), các soliton có thể đến chính xác ở giữa khe bit tương ứng của nó và sẽ không có lỗi khi nhận dạng bit.
Hình 3.2. Một soliton không bị jitter timing, biên độ đỉnh ở giữa khe bít
Trong thực tế luôn luôn có sự dao động ở thời gian đến của các soliton ở phía thu được gọi jitter timing.
Khe bít Thời gian Bít được xác
định là 1 Biên độ
Hình 3.3. Jitter timing dịch soliton khỏi điểm giữa khe bít vàbgây ra jitter biên độ ở phía thu. Nếu jitter không quá lớn phía thu vẫn có thể nhận dạng đúng bít.
Sự khác nhau về khe thời gian giữa đỉnh của soliton và điểm giữa khe bit được gọi là jitter timing của khe đó. Bộ thu sẽ lấy mẫu tín hiệu ở giữa khe bit tuy nhiên biên độ quan sát sẽ nhỏ đi nhiều. Sự khác nhau về biên độ đo được và biên độ đỉnh của soliton được gọi là jitter biên độ của xung. Nếu jitter không lớn, bộ thu vẫn xác định là “1” (công suất đỉnh của xung vẫn ở trong khe bít).
Khi xung di chuyển ra ngoài khe bit, jitter lớn, xung sẽ bị nhận dạng sai. Vì vậy jitter timing phải đủ nhỏ để không ảnh hưởng tới hiệu năng hệ thống.
Hình 3.4. Một lỗi xẩy ra nếu siliton dịch ngoài khe bit vì biên Vì biên độ thu được đủ thấp để soliton được nhận dạng là 0 hơn là 1
3.2.2 Jitter timing trong soliton ghép kênh phân chia theo bước sóng
Bit Slot Time
Amplitde jitter
Detects “1” Amplitde
Bit Slot Time
Amplitde jitter Detects “0” Amplitde Timing jitter
Ta đã nói đến một sốn nguồn gốc jitter timing trong phần hệ thống soliton đơn kênh, một số các nguồn khác trở nên quan trọng đối với hệ thống WDM. Đầu tiên, mỗi sự xung đột xuyên kênh tạo ra một sự dịch về mặt thời gian của cùng cường độ cho cả hai soliton nhưng theo hai hướng khác nhau, mặc dù phạm vi dịch thời là Ω−ch2 và giảm nhanh với việc tăng Ωch, số lượng các xung đột tăng tuyến tính với
ch
Ω . Kết quả các phạm vi dịch tổng thời gian là Ω−ch1. Thứ hai, tổng các xung đột mà hai soliton láng giềng trong một kênh đã xác định trải qua thì khác nhau rõ rệt. Sự khác nhau này tăng lên bởi vì các soliton kề nhau tương tác với hai nhóm bít khác, bị dịch bởi một chu kỳ bít. Vì các bít 1 và 0 xẩy ra một cách ngẫu nhiên, các soliton khác nhau của cùng một kênh bị dịch bởi các lượng khác nhau. Nguồn jitter timing này là duy nhất đối với các hệ thống WDM bởi vì sự phụ thuộc của nó vào các phần bít kế cận của kênh láng giềng. Thứ ba,các sự xung đột có liên quan nhiều hơn hai soliton có thể xẩy ra và nên được xem xét. Trong giới hạn của khoảng cách bước kênh lớn ( có thể bỏ qua sự chồng phổ các xung), các sự tương tác đa soliton được mô tả tốt bởi sự xung đột một cặp.
Hai kỹ thuật khác của jitter timing sẽ được xem xét cho các hệ thống sooliton có thực. Các sự xung đột do các vòng tổn thất tăng ích tạo nên các sự xung đột không đối xứng khi Lcoll trở nên ngắn hơn hoặc có thể so sánh với khoảng cách bước LA. Các sự xung đột không đối xứng tạo nên các dịch tần dư thừa làm ảnh hưởng tất cả soliton dọc theo tuyến sợi do một sự thay đổi vận tốc nhóm của nó. Kỹ thuật này không hiệu quả vì chắc chắn rằng Lcoll xấp xỉ 2LA. Kỹ thuật thứ hai tạo nên một sự dịch tần dư thừa khi các soliton từ các kênh khác nhau chồng nhau tại đầu vào của tuyến truyền dẫn, kết quả tạo nên một sự xung đột không hoàn toàn. Trường hợp này xảy ra trong tất cả các soliton WDM đối với một số bít. Chẳng hạn hai soliton chồng hoàn toàn tại đầu cuối đầu vào của một tuyến quang sẽ gây ra một sự dịch tần 4/(3Ωch) vì nửa đầu của xung đột là không có mặt. Các
sự dư thừa dịch tần xẩy ra chỉ trên một số ít các tầng khuyếch đại đầu nhưng gắn liền với chiều dài truyền dẫn và trở thành một nguồn quan trọng của jitter timing. Tương tự đối với các trường hợp các hệ thống đơn kênh, các bộ lọc trượt tần số có thể giảm jitter timing trong các hệ thống WDM. Điển hình, các bộ lọc Fabry- Perot được sử dụng bởi các cửa sổ truyền dẫn định kỳ cho phép lọc tất cả các kênh một cách đồng thời. Đối với sự hoạt động tốt nhất, các hệ số phản xạ gương được giữ dưới 25% để giảm độ mịn. Các bộ lọc có tính phản xạ thấp loại bỏ ít năng lượng từ các soliton nhưng lại hiệu quả như bộ lọc có tính phản xạ cao. Việc sử dụng chúng cho phép khoảng cách bước kênh bằng năm lần chiều rộng phổ của các soliton. Kỹ thuật vật ký duy trì giống như các hệ thống đơn kênh. Cụ thể hơn các dịch tần số gây ra bởi sự xung đột được giảm bởi các bộ lọc hút tần số soliton để chuyển chúng về hướng đỉnh truyền dẫn của nó. Kết quả là các bộ lọc giảm một cách đáng kể jitter timing cho các hệ thống WDM. Việc sử dụng các bộ lọc cũng cho phép tăng các kênh trong hệ thống WDM.
WDM để điều khiển jitter timing. Tromg một thí nghiệm năm 1996 liên quan tới bốn kênh, mỗi kênh hoạt động tại 10Gb/s, truyền dẫn qua các khoảng cách vượt đại dương đạt được nhở sử dụng các bộ điều chế đặt cách nhau 500km. Khi các bộ điều chế được đặt cách nhau 250km, 3 kênh mỗi kênh hoạt động ở 20Gb/s có thể được truyền trên các khoảng cách vượt đại dương. Nhược điểm chính của các bộ điều chế là sự cần thiết giải ghép kênh các kênh riêng. Hơn nữa chúng yêu cầu tín hiệu xung đồng hồ mà được đồng bộ hóa đối với luồng bít. Với lý do đó, kỹ thuật điều chế đồng bộ hiếm khi được sử dụng trong thực tế.
Bây giờ ta nói đến những tiến bộ đáng ghi nhận trong các thí nghiệm gần đây trong truyền dẫn dữ liệu soliton quang sợ đường dài [1, 2] ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Khi được so sánh với các hệ thống soliton đơn kênh thông thường, WDM cho thấy khả năng tăng dung lượng của các thiết bị truyền thông soliton. Tuy nhiên, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng làm tăng sự quan trọng có tính lý thuyết và thực hành. Chẳng hạn, do sự phân bố theo chu kỳ của các bộ khuyếch đại, một sự không ổn định cộng hưởng được tạo ra bởi các giới hạn phi tuyến (các tương tác trộn 4 sóng) có thể làm suy giảm trầm trọng tín hiệu. Vấn đề này đang là đề tài của các nghiên cứu gần đây [3, 4]. Trong [3] đã cho thấy việc sử dụng cụ thể như thế nào của quản lý tán sắc sau khi dạng tổn hao có thể làm giảm bớt các ảnh hưởng tiêu cực của hiệu ứng trộn bốn sóng. Vấn đề nghiêm trọng khác nảy sinh trong các hệ thống soliton được gây ra bởi sự dịch tần và sự dịch chuyển kết hợp thời gian đến của xung gây ra bởi sự tương tác của soliton với nhiễu bộ khuyếch đại, một ảnh hưởng mà được phát hiện đầu tiên trong một nghiên cứu nổi tiếng của Gordon và Haus [5]. Như được chỉ ra trong [6, 7], loại jitter này có thể được giảm đáng kể bởi các bộ lọc định hướng.
Trong các hệ thống soliton WDM cũng có thể có các ảnh hưởng xê dịch định thời nghiêm trọng do xung đột soliton không đồng bộ dưới sự có mặt của các bộ khuyếch đại, thành phần mà gây ra sự dịch tần vĩnh cửu tần số và vận tốc của các soliton [8]. Mecozzi và Haus [9] đã chỉ ra rằng sự có mặt của các bộ lọc cho phép các tham số solition khôi phục dạng gốc của chúng, giá trị không đảo lộn. Gần đây hơn, trong hệ thống hai kênh, ảnh hưởng trung bình của xung đột đơn được xem xét [10] và jitter timing quân phương do các xung đột soliton được tính toán thông qua các mô phỏng số [11,12]. Tuy nhiên, đối với sự hiểu biểt của chúng ta không có sự phân tích theo thống kê tổng quan nào đã được tạo ra mà đưa vào thực tế một số lượng lớn các xung đột mà xảy ra trong sợi quang, và không có các phương trình phân tích được biết cho jitter timing gây ra bở sự xung đột. Tương tự, không có thuyết nào tồn tại mà bao gồm các ảnh hưởng liên quan của các bộ lọc, quản lý tán sắc, và nhiều hơn hai kênh. Trong [13] vấn đề jitter timing gây ra bởi xung đột khi có mặt các bộ khuyếch đại đã được nghiên cứu, và một phương pháp phân tích để tìm ra các sự xê dịch thời gian quân phương đã được giới thiệu. Trong phần này phương pháp đó được cải thiện để xét đến các ảnh hưởng của các bộ lọc và quản lý tán sắc dương sau mất mát dạng. Các giá trị đặc trưng được đưa ra của các tham số hệ thống, chúng ta tính toán nghiệm tổng quát jitter timing quân phương và tỉ lệ
lỗi bít của hệ thống. Các kết quả phân tích này sau đó được mở rộng đối với các hệ thống đa kênh và quản lý tán sắc. Trong trường hợp hai kênh và tán sắc không đổi, các kết quả phù hợp với các mô phỏng số được nói đến trong [11, 12]. Các ứng dụng hệ thống quan trọng, chẳng hạn như số lượng cực đại các kênh phù hợp với chiều dài hệ thống được đưa ra đang được tìm hiểu.
Nội dung phần này như sau: trong phần 1, thông qua các kỹ thuật nhiễu loạn soliton, chúng ta nhận được từ các phương trình căn bản cho phép chúng ta tính toán độ lệch tần (phương trình (10))và sự dịch thời tương ứng (xem phương trình (12)) thu được từ sự xung đột đơn giữa hai soliton được ghép kênh phân chia theo bước sóng trong sợi quang không lý tưởng. Trong phần 2 chúng ta mô tả phương pháp mà cho phép thực hiện một sự phân tích theo thống kê của ảnh hưởng tích lũy của một số lượng lớn các xung đột mà có thể xẩy ra trong đường truyền dẫn hai kênh. Chúng ta đưa ra công thức cụ thể cho nghiệm jitter timing quân phương (xem phương trình (18)) và chúng ra sử dụng các công thức này để phân tích tỉ lệ lỗi bít của hệ thống. Trong phần 3 chúng ta khái quát hóa các kết quả trước để nghiên cứu các hệ thống đa kênh. Chúng ta thu được các ước lượng cực đại các kênh phù hợp với chiều dài hệ thống mong muốn (xem phương trình (22)). Cuối cùng, trong phần 4 chúng ta giới thiệu quản lý tán sắc và thu được các phương trình đã được hiệu chỉnh cho các sự dịch thời (xem phương trình (26)). Chúng ta thấy rằng sự chọn lựa thích hợp của biểu đồ tán sắc cho phép tăng lên đáng kể số lượng cực đại các kênh. Khái niệm quản lý tán sắc “tối ưu” được giới thiệu. Nói một cách khái quát, phần này chứa đựng một phương pháp luận mà cho phép nghiên cứu chi tiết jitter timing trong các hệ thống soliton WDM đa kênh với các sự biến đổi của các ảnh hưởng nhiễu loạn, chẳng hạn như sự khuyếch đại, cơ chế lọc và quản lý tán sắc.
Chúng ta lưu ý rằng vấn đề tương tự rất gần đây đã được nghiên cứu độc lập bởi Mecozzi [14] từ một viễn cánh khác. Trong khi các vấn đề được nghiên cứu là tương tự, cả hai sự nghiên cứu khác nhau trong cách tiếp cận số. Thực tế, các kết quả chúng ta thu được sau khi thực hiện xấp xỉ thông thường hoạt động bộ lọc với một đương lượng liên tục được phân bố dọc theo đường truyền, trong khi công việc của Mecozzi là giải quyết cụ thể thuộc tính tập trung của sự phản hồi của bộ lọc. Trong phần phụ lục trình bày ngắn gọn sự so sánh giữa hai cách tiếp cận, được đặt tên là mô hình của các bộ lọc phân bố và tập trung. Chúng ta nhận thấy rằng các kết quả thu được với mô hình tập trung thể hiện sự nhiễu loạn tiệm cận của trường hợp phân bố cho giải của các giá trị tham số mà chúng ta đã xem xét.
3.2.3 Jitter timing trong các hệ thống soliton đa kênh
Các kết quả thu được trong phần trước có thể được khái quát hóa đối với trường hợp khi có mặt nhiều hơn hai kênh. Đó là một sự đáng nói khi trong trường hợp lý tưởng các tương tác soliton là theo hai kiểu (xem[3.17, 3.18]). Chúng ta giả sử rằng sự tương tự là đúng đối bậc nhất khi các hệ số nhiễu loạn được tính đến. Sau đó dung sai tổng trong thời gian đến tương đối của các soliton kề cận trong
khác, J là tổng số các kênh. Bởi vậy, jitter timing quân phương tổng mỗi kênh j là ( ) ∑ ( ) ≠ = ∆ = ∆ J j k k jk j t t , 1 2 2 (3.21)
với ( )∆t 2 jkthu được từ (3.18a) hoặc (3.18b), Ω được thay thế bởi
2 /
k j jk = Ω −Ω
Ω . Lưu ý rằng như một hệ quả, zc trở thành zjk /( jkt*)
c =τ Ω . Trong các biến có thứ nguyên, ∆λđược thay thế bởi ∆jk = λ −j λk tạo ra
jk jk = πct λ ∆λ
Ω ( / 2)
* .
Các chiều dài bước sóng kênh thu được là λj =λ+∆λmin[j−(J +1)/2], với
m
µ
λ =1.550 là bước sóng trung tâm. Do đó khoảng phân cách bước sóng trở thành
min
)
( λ
λ = − ∆
∆ jk j k , với ∆λmin được chỉ định do yêu cầu (là một chuẩn) mà các
kênh kề nhau được phân tách bởi 5 độ rộng phổ. Đối với các xung dạng sech, τ
λ λ 1.575 2 /c
min =
∆ . Nói chung đối với τ =20ps, ∆λmin =0.63nm. Ta có khoảng cách phân tách tần số không thứ nguyến là
6 . 5 , ) ( ) / 2 ( 2 2 min min * ∆ = − ∆Ω ∆Ω = =
Ω πct λ λjk j k . Đối với la=25km giá trị này tạo
ra zjk /za / jkt*za 5.08/(j k)
c =τ Ω = − , điều đó có nghĩa là các kênh lân cận được mô tả bởi các giá trị tương đối lớn của zc/za, và tỉ số này giảm với sự tăng khoảng cách phân tách tần số.
Vì số lượng kênh tăng lên, tỉ lệ lỗi bít của hệ thống tăng không chỉ do số lượng sự xung đột tăng, mà còn bởi vì các kênh ngoài cùng chịu sự xung đột mạnh, mà được mô tả bởi các giá trị của zc/za gần với giá trị đỉnh 0.6. Một cách khác xem xét ảnh hưởng này là lưu ý rằng hệ số am được định nghĩa trong phần trước suy giảm theo hàm mũ đối với các giá trị rất nhỏ của Ω. Bởi vậy, khi khoảng cách phân tách tần số Ω giữa hai kênh tăng, chúng ta hy vọng rằng am sẽ tiến gần giá trị cực đại của chúng. Ảnh hưởng này được minh họa trong bảng 1 đối với hệ thống soliton WDM điển hình 8 kênh.
Bảng 1. Tổng jitter timing và tỉ lệ lỗi bit trong mỗi kênh của hệ thống 8
chúng ta đưa ra jitter timing tổng trải qua bởi các soliton trong một kênh xác định là kết quả của các xung đột với các soliton trong tất cả các kênh khác, thu được nhờ sử dụng (3.21) cũng như (3.18a) hoặc (3.18c). (Không có sự khác nhau nào đáng kể được nhận ra trong trường hợp không có các bộ lọc nhở sử dụng sự ước lượng chính xác hơn bởi (18b). Bởi vậy có thể thấy các kênh ngoài cùng mang lại hiệu suất tồi nhất.
Sử dụng các công thức thu được trong phần trước cho jitter timing tổng chúng