Suy hao
Khi tín hiệu lan truyền trong sợi quang, cơng suất ngõ ra Pout ở cuối sợi quang bị suy hao ( Hình 3.13) cĩ liên hệ với cơng suất ngõ vào Pin theo quy luật hàm mũ sau [4] tr.55:
(3. 12)
Với là hệ số suy hao sợi quang cĩ đơn vị là Nepers/km. Thơng thƣờng sẽ đƣợc tính theo đơn vị là dB/km [4] tr.55: 0 1 0
1 ( ) , - (3. 13)
Cĩ nhiều nguyên nhân gây suy hao sợi quang, trong đĩ một số nguyên nhân chính nhƣ là do hấp thụ (bao gồm hấp thụ của bản thân vật liệu chế tạo sợi hay cịn gọi là tự hấp thụ, và hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi khơng tinh khiết nhƣ lẫn các tạp chất kim loại hoặc ion OH-), tán xạ tuyến tính (do tính khơng đồng đều rất nhỏ của lõi sợi cĩ thể là những thay đổi nhỏ trong vật liệu, tính khơng đồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi) bao gồm tán xạ Reyleigh và tán xạ Mie…
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 37 Hình 3. 13 Tín hiệu bị suy hao sau khi qua sợi quang
Hình 3. 14 Sự phụ thuộc của suy hao vào bƣớc sĩng quang
Suy hao sợi quang phụ thuộc vào bƣớc sĩng ánh sáng truyền qua sợi quang đĩ. Hình 3.14 cho ta thấy mối quan hệ giữa bƣớc sĩng và suy hao sợi quang.
Ngày nay, các hệ thống thơng tin quang thƣờng sử dụng bƣớc sĩng ở hai cửa sổ quang chính đĩ là cửa sổ 1300 nm và 1550 nm. Nhìn vào Hình 3.14 ta cũng cĩ thể thấy đƣợc rằng tại sao ngƣời ta lại sử dụng bƣớc sĩng ở hai cửa sổ này. Đặc biệt ở cửa sổ quang 1550 nm, suy hao chỉ cịn xấp xỉ 0.2 dB/km, và các ảnh hƣởng của hấp thụ, tán xạ là ít nhất tại cửa sổ quang này.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 38
Tán sắc
Trong sợi quang, những ánh sáng cĩ bƣớc sĩng khác nhau (tần số khác nhau) và những mode truyền khác nhau thì cần thời gian khác nhau để truyền qua cùng một đoạn sợi quang cĩ độ dài L [4] tr.38, hiện tƣợng này gọi là tán sắc. Nĩi chung, tán sắc gây nên sự giãn phổ của tín hiệu quang dẫn đến nhiễu ISI, tăng lỗi bit ở máy thu và làm giảm khoảng cách truyền dẫn. Hình 3.15 mơ tả tín hiệu bị tán sắc sau khi truyền qua sợi quang. Tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu Dt (s) đƣợc tính [1]:
√( ) (3. 14)
Trong đĩ: là độ rộng xung ngõ vào và ngõ ra tƣơng ứng (s)
Để đánh giá độ tán sắc trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ rộng phổ quang là 1 nm thì Dt thƣờng cĩ đơn vị là ps/nm.km.
Hình 3. 15 Tán sắc trong truyền dẫn quang
Cĩ nhiều loại tán sắc khác nhau nhƣ tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode, tán sắc sắc thể (bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sĩng) xảy ra với tất cả các loại sợi quang, và tán sắc mode phân cực [1] [4] tr.44. Trong các loại tán sắc này thì tán sắc sắc thể là loại cĩ ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng tín hiệu [1].
Tán sắc mode chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc sợi, đặc biệt là đƣờng kính lõi của sợi, tán sắc mode tồn tại ở các sợi đa mode vì các mode trong sợi này lan truyền theo các đƣờng đi khác nhau, cĩ cự ly đƣờng truyền khác nhau và do đĩ thời gian lan truyền giữa các mode khác nhau. Đề tài sử dụng sợi đơn mode chuẩn SMF để mơ phỏng nên tán sắc đƣợc quan tâm là tán sắc sắc thể.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 39 Nhƣ đã đề cập, tán sắc sắc thể CD bao gồm tán sắc vật liệu (Material Dispersion) và tán sắc ống dẫn sĩng (WaveguideDispersion) [4] tr.39. Sự chênh lệch giữa các vận tốc nhĩm giữa các thành phần phổ khác nhau trong sợi gây nên tán sắc vật liệu. Cịn tán sắc ống dẫn sĩng thì do sự khác biệt vận tốc truyền ánh sáng giữa nhĩm ánh sáng truyền trong lõi sợi (chiếm đa số khoảng 80% [1]) với nhĩm ánh sáng truyền trong lớp vỏ (một phần nhỏ khoảng 20 % [1]) gây ra.
Gọi thành phần phổ đặc trƣng của nguồn quang là với độ rộng phổ tƣơng ứng là , là độ rộng dải các bƣớc sĩng của nguồn quang. Khi đĩ, độ giản xung của tín hiệu quang truyền qua sợi quang cĩ độ dài L do CD đƣợc viết [4] tr.38 [5] tr.93:
(3. 15) Với
là tham số tán sắc cĩ đơn vị là ps/km.nm.
gọi là tham số tán sắc vận tốc nhĩm (GVD). Tham số này nhằm xác định xung quang cĩ thể giản ra bao nhiêu khi truyền qua sợi quang.
Tán sắc sắc thể CD chính là tổng của tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sĩng, đƣợc diễn tả [4] tr.40 [5] tr.93: . / (3. 16) Với là tán sắc ống dẫn sĩng là tán sắc vật liệu
Độ trải rộng xung do tán sắc ống dẫn sĩng ( ) và tán sắc vật liệu ( ) là hàm theo bƣớc sĩng nhƣ mơ tả trên Hình 3.16 [4] tr.42.
Tại bƣớc sĩng tƣơng ứng với Dchr = 0 đƣợc gọi là tán sắc zero (zero dispersion). Giá trị tán sắc zero cĩ thể thay đổi sao cho dịch tới càng gần cửa sổ quang đang sử dụng càng tốt. Ngƣời ta cĩ thể thay đổi bằng cách thay đổi bán kính của lõi
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 40 tƣơng ứng để dịch chuyển tới gần 1550 nm. Sợi DSF chế tạo theo nguyên tắc này.
Khi xem xét các loại tán sắc kể cả tán sắc mode thì tán sắc tổng cộng bao gồm tán sắc sắc thể và tán sắc mode [1]:
√ (3. 17)
Hình 3. 16 Tán sắc sắc thể là một hàm theo bƣớc sĩng 3.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến
Hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang cĩ thể đƣợc chia làm hai loại. Một là các hiệu ứng do tán xạ phi tuyến (tán xạ kích thích Brillouin SBS và tán xạ kích thích Raman SRS) và loại cịn lại là các hiệu ứng Kerr (bao gồm tự điều pha SPM, điều chế pha chéo XPM, trộn bốn bƣớc sĩng FWM) [9] tr.19 do sự phụ thuộc chiết suất khúc xạ vào cơng suất phĩng vào sợi quang. Các loại tán xạ kích thích gây ảnh hƣởng đến độ lợi hay độ suy hao của tín hiệu quang, cịn các loại hiệu ứng Kerr gây ảnh hƣởng đến sự dịch pha của tín hiệu quang sau khi truyền qua sợi quang đĩ [9] tr.20. Sự khác nhau giữa hai loại này là các hiệu ứng do tán xạ kích thích gây ra thì cần một mức cơng suất ngƣỡng nhất định nào đĩ, khi cơng suất vào sợi quang lớn hơn mức cơng suất ngƣỡng này thì các hiệu ứng tán xạ kích thích mới gây ảnh hƣởng đến tín hiệu truyền. Cịn các hiệu ứng Kerr khơng cĩ ngƣỡng cơng suất nhƣ vậy [9] tr.21. Hình 3.17 là sự phân loại các hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang [5] tr.98.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 41 Những hiệu ứng này phần lớn đều liên quan đến cơng suất phĩng vào sợi quang. Cĩ thể bỏ qua các hiệu ứng này đối với các hệ thống hoạt động với cơng suất vừa phải (vài mW) với tốc độ vừa phải (khoảng dƣới 2.5 Gb/s). Tuy nhiên, với hệ thống cĩ mức cơng suất hoạt động lớn, tốc độ bit cao thì việc xem xét các hiệu ứng phi tuyến tác động lên tín hiệu quang là quan trọng [9] tr 23.
Hình 3. 17 Phân loại các hiệu ứng phi tuyến
Tán xạ kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering) [5] tr.103 [9][4]
SRS là do quá trình tán xạ mà trong đĩ photon của ánh sáng tới chuyển một phần năng lƣợng của mình cho dao động cơ học của các phần tử cấu thành mơi trƣờng truyền dẫn và phần năng lƣợng cịn lại đƣợc phát xạ thành ánh sáng cĩ bƣớc sĩng lớn hơn bƣớc sĩng của ánh sáng tín hiệu tới (ánh sáng với bƣớc sĩng mới này đƣợc gọi là ánh sáng Stocke). Khi ánh sáng tín hiệu truyền trong sợi quang (ánh sáng này cĩ cƣờng độ lớn), quá trình này trở thành quá trình kích thích mà trong đĩ ánh sáng tín hiệu đĩng vai trị sĩng bơm (gọi là bơm Raman) làm cho một phần năng lƣợng của tín hiệu đƣợc chuyển tới bƣớc sĩng stocke.
Cơng suất ngƣỡng SBS cĩ thể đƣợc tính [5] tr.104:
( ) (3. 18)
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 42 với là bán kính trƣờng mode.
là chiều dài hiệu dụng, với là hệ số suy hao.
Tán xạ SBS (Stilmulated Brillouin Scattering):
Tán xạ SBS tƣơng tự nhƣ tán xạ SRS, tức là cĩ một phần ánh sáng bị tán xạ và bị dịch tới bƣớc sĩng dài hơn bớc sĩng tới, ánh sáng cĩ bƣớc sĩng dài hơn này gọi là ánh sáng Stocke.
Trong tất cả các hiệu ứng phi tuyến thì ngƣỡng cơng suất để xảy ra hiệu ứng SBS là thấp nhất, chỉ khoảng vài mW và băng tần khuếch đại Brillouin là rất hẹp (chỉ khoảng 10 - 100 MHz) nên hiệu ứng này cũng khĩ xảy ra [1]. Chỉ các nguồn phát cĩ độ rộng phổ rất hẹp thì mới bị ảnh hƣởng của hiệu ứng SBS. Ngƣời ta tính tốn đƣợc mức cơng suất ngƣỡng đối với hiệu ứng SBS nhƣ sau [5] tr.106:
(3. 19) Trong đĩ: là hệ số khuếch đại Brillouin
Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation):
Chiết suất của sợi quang khơng phải là hằng số mà là một hàm số thay đổi theo cơng suất quang đi vào sợi quang [9] [5] tr.100:
(3. 20)
Trong đĩ: là hệ số chiết suất tuyến tính, là hệ số chiết suất phi tuyến Hằng số truyền pha cũng là hàm của cơng suất [9] [5] tr.100:
( )
(3. 21)
Trong đĩ:
là tham số phi tuyến. Cĩ gía trị từ 0.9 đến 2.75 tại cửa sổ 1550 nm [5] tr.100.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 43
∫ ( ) ∫ ( ) (3. 22)
Từ (3.22) ta thấy: SPM là hiệu ứng cơng suất ánh sáng thay đổi theo thời gian gây ra độ dịch pha phi tuyến của sĩng mang quang theo thời gian. Theo định nghĩa, đạo hàm của độ dịch pha tức là tần số. Nhƣ vậy, độ dịch tần số (chirping) cũng là hàm thay đổi theo cơng suất ánh sáng. Sự biến đổi cơng suất quang càng nhanh thì sự biến đổi tần số quang cũng càng lớn, làm ảnh hƣởng lớn đối với xung hẹp, khĩ khăn trong việc nâng cao tốc độ trong hệ thống.
Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) [9] [5] tr.101:
XPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa kênh độ dịch pha của một kênh, ví dụ nhƣ kênh thứ nhất Φ1, phụ thuộc khơng những vào cƣờng độ (cơng suất) của chính kênh đĩ mà cịn phụ thuộc vào cƣờng độ của những kênh cịn lại. Hiện tƣợng này gọi là điều chế xuyên pha XPM.
Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) [9] [5][4]:
Hiện tƣợng chiết suất phi tuyến cịn gây ra một hiệu ứng khác trong sợi đơn mode, đĩ là hiệu ứng FWM. Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang cĩ cƣờng độ tƣơng đối mạnh sẽ tƣơng tác với nhau tạo ra các thành phần tần số mới. Đây là hiệu ứng phi tuyến cĩ ảnh hƣởng lớn nhất đến hệ thống DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Hiệu ứng này xảy ra khi 2 photon ở tần số 1 và 2bị hấp thụ để tạo ra 2 photon ở tần số
3
và 4sao cho [4]:
1 2 3 4
(3. 23)
3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
Hai thơng số quan trọng nhất khi đánh giá chất lƣợng hệ thống thơng tin quang đĩ là tỉ lệ bit lỗi BER và độ nhạy của bộ thu (Receiver sensitivity). Trong các hệ thống thơng tin quang, BER thƣờng đạt mức 10-9
đến 10-14, cho nên việc xác định BER dựa vào phƣơng pháp đếm cổ điển Mon-to-cac-lo. là khơng khả thi vì địi hỏi thời gian tính tốn lớn. Trong thực tế, BER đƣợc tính dựa vào nguyên tắc xác suất [4] tr.163.
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 44 Hình 3. 18 Nguyên tắc tính BER dựa vào phân bố xác suất của bit „1‟ và bit „0‟
Hình 3.19 mơ tả sơ đồ tín hiệu biến đổi tại mạch quyết định bit ở đầu thu. Trong đĩ tD là thời điểm lấy mẫu để quyết định bit. Giá trị này khơng cố định mà giao động xung quanh giá trị trung bình I0 đối với bit 0 và I1 đối với bit 1. Sau đĩ các giá trị này đƣợc so sánh với mức ngƣỡng ID để quyết định giá trị nhận đƣợc là bit „0‟ hay „1‟. Nếu I>ID thì quyết định bit „1‟ và nếu I<ID thì là mức „0‟. Lỗi xảy ra khi I<ID trong trƣờng hợp bit „1‟ và I>ID trong trƣờng hợp bit „0‟. Và giả sử trong hệ thống xác suất nhận bit „1‟ và bít „0‟ là bằng nhau, khi đĩ BER đƣợc tính nhƣ sau [4] tr.164:
BER = p(1)P(0/1) + p(1)P(1/0) = ½[P(0/1) + P(1/0)] (3. 24)
Trong đĩ: p(0), p(1) là xác suất nhận bit „0‟ và „1‟. P(0/1) là xác suất quyết định bit „0‟ khi nhận đƣợc bit „1‟. P(1/0) là xác suất quyết định bit „1‟ khi nhận đƣợc bit „0‟.
Một cách tiếp cận gần đúng để ƣớc lƣợng BER là giả sử hàm mật độ xác suất của bit „1‟ và bit „0‟ tuân theo phân bố Gaussian nhƣ Hình 3.19. Phần gạch chéo chính là xác suất bit sai.
Gọi I1, I0 lần lƣợt là dịng điện trung bình của bit „1‟ và bit „0‟. là phƣơng sai của hàm phân bố xác suất nhiễu tƣơng ứng với bit „1‟ và bit „0‟.
Từ n mẫu thu đƣợc, ta tính đƣợc các giá trị I1, I0, từ cơng thức (3.25) và (3.26). Từ đĩ suy ra BER nhờ áp dụng (3.27) và (3.28)
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 45 √ ∑ ( ̅) (3. 25) ̅ (∑ ) (3. 26) . √ / (3. 27) Trong đĩ Q là hệ số chất lƣợng (quality factor) và
(3. 28) Với erfc là hàm lỗi bù đƣợc định nghĩa [4]:
( )
√ ∫ ( ) (3. 29)
Độ nhạy của bộ thu là ngƣỡng cơng suất trung bình tối thiểu tại đầu thu sao cho BER đạt 10-9
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 46
CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT OFDM TRÊN KÊNH TRUYỀN SỢI QUANG
Trong những năm gần đây, rất nhiều những mơ hình sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM truyền trên kênh truyền quang đƣợc đƣa ra, mơ phỏng và chứng minh bằng thực nghiệm. Mơ hình hệ thống coherrent OFDM trên kênh truyền quang (CO-OFDM) hiện đƣợc coi là một mơ hình đầy tiềm năng cho cơng nghệ 100Gb/s [5][20][21]. Chƣơng này đề tài trình bày mơ hình hệ thống CO-OFDM. Mơ tả tín hiệu OFDM trong miền điện, các bộ chuyển đổi điện sang quang và ngƣợc lại-quang sang điện tƣơng ứng.
4.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG COHERRENT
Để tăng chất lƣợng hệ thống thơng tin quang thì việc thiết kế bộ thu quang với độ lợi lớn, độ nhạy cao là cần thiết và quan trọng. Trong các bộ thu quang, việc tách sĩng mang quang để thu lại đƣợc tín hiệu điện bên phía phát dựa vào hai kỹ thuật chính đĩ là kỹ thuật tách sĩng trực tiếp (DD – Direct Detector) và kỹ thuật tách sĩng hết hợp (CO – Coherrent Detector) [5] tr.264. Tách sĩng trực tiếp tín hiệu quang đã điều chế cƣờng độ cơ bản là quá trình đếm số lƣợng hạt photon đến bộ thu. Quá trình này bỏ qua pha và sự phân cực của sĩng mang đƣợc tạo ra từ linh kiện quang. Các hệ thống nhƣ vậy cĩ nhƣợc điểm là nhiễu tạo ra từ bộ tách sĩng quang và bộ tiền khuếch đại cao, độ nhạy của tách sĩng trực tiếp thấp. Do đĩ, khi sử dụng kỹ thuật tách sĩng trực tiếp thì cơng suất phĩng vào sợi quang phải lớn, điều này dẫn đến ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến càng trầm trọng hơn. Để tăng độ nhạy của bộ thu quang ta cĩ thể sử dụng kỹ thuật tách quang coherent (bao gồm tách sĩng heterodyne và homodyne). Trong kỹ thuật tách sĩng coherent, trƣớc tiên bộ thu quang sẽ cộng tín hiệu quang tới với tín hiệu quang đƣợc tạo ra tại chỗ, sau đĩ tách tín hiệu quang tổng này thành tín hiệu điện. Nhƣ vậy, dịng điện kết quả này là sự dịch tần từ miền quang sang miền vơ tuyến, và ta cĩ thể áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và giải điều chế lên tín hiệu này ngay trong miền điện. Bộ thu coherent lý tƣởng hoạt động trong vùng bƣớc sĩng 1,3μm đến 1,6μm cần năng lƣợng của tín hiệu chỉ từ 10 đến 20 photon/bit cũng cĩ thể đạt BER = 10-9 [4]. Tuy nhiên, so với các bộ tách sĩng trực tiếp thì tách sĩng kết hợp phức tạp hơn và nhạy với độ lệch pha [1].
SVTH: Nguyễn Thanh Tú – 0620111 Trang 47 Các dạng điều chế trong hệ thống thơng tin quang coherent cũng giống nhƣ trong hệ thống vơ tuyến. Chẳng hạn trong truyền dẫn số cĩ thể áp dụng kỹ thuật điều chế ASK, FSK hay PSK [1].
4.2 ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU OFDM TRONG MIỀN RF
Cấu trúc các bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM đã đƣợc trình bày trong chƣơng 2. Ở đây, đề tài hệ thống lại những đặc điểm, tính chất chủ yếu. Hình 4.1 và