Kết quả khảo sát BER theo tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable step-size LMS DFE, 1 Sign-regressor LMS DFE (Hình 5.3.3) và dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE parrallel (Hình 5.3.4). Hình 5.3.3 và 5.3.4 được dùng để so sánh hiệu quả của 4 thuật toán LMS, Variable step-size LMS, sign-regressor LMS và RLS.
Hình 5.3.3: BER theo tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable step-size LMS
DFE, 1 Sign-regressor LMS DFE
Nhận xét: Từ hai Hình 5.3.3 và 5.3.4, ta thấy
− Đối với các thuật toán RLS, hệ thống hoạt động đáng tin cậy với chiều dài bù tán sắc chênh lệch lớn nhất lớn hơn 360km.
− Đối với các thuật toán loại LMS, hệ thống chịu đựng được tán sắc trong phạm vi ngắn hơn: với LMS là 280km, với variable step-size LMS là 310km và v i sign-regressor LMS là 330km.
Hình 5.3.4: BER theo tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE
parrallel
So sánh giữa hiệu quả của việc dùng 1 bộ cân bằng bậc đơn vị với 4 bộ cân bằng bậc đơn vị được chỉ ra ở Hình 5.3.5. Hình này là hình vẽ được tổng hợp từ hai Hình 5.3.3 và 5.3.4. Hình 5.3.5 cho thấy kết quả khảo sát BER theo tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng.
Nhìn chung, 1 bộ cân bằng bậc đơn vị cho chất lượng tốt hơn 4 bộ cân bằng bậc đơn vị mắc song song khi xét trên cùng một thuật toán. Tuy nhiên, mức độ tán sắc mà hệ thống chịu được đối với 2 kỹ thuật này là như nhau. Nguyên nhân là do khi DFE được dùng thì thành phần hồi tiếp có nhiệm vụ loại bỏ phần méo của kí tự
hiện tại dựa vào kí tự được tách ra trước đó, nhưng khi 4 DFE mắc song song được dùng thì thành phần hồi tiếp này sẽ loại phần méo (nếu có) của kí tự hiện tại dựa vào kí tự trước kí tự hiện tại 4 kí tự thay vì là kí tự kề trước đó. Đây là giải thích chung cho lý do tại sao chất lượng của bộ cân bằng đơn lại tốt hơn bộ cân bằng dùng kỹ thuật song song.
Hình 5.3.5: BER theo tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng 5.3.2.1. Tín hiệu RZ-DQPSK
Hình 5.3.6: BER theo tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable step-size LMS
Hình 5.3.7: BER theo tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE
parrallel
Kết quả khảo sát BER theo tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable step-size LMS DFE, 1 Sign-regressor LMS DFE (Hình 5.3.6) và dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE parrallel (Hình 5.3.7). Hình 5.3.6 và 5.3.7 được dùng để so sánh hiệu quả của 4 thuật toán LMS, Variable step-size LMS, sign-regressor LMS và RLS.
Nhận xét: Từ hai Hình 5.3.6 và 5.3.7, ta thấy
− Đối với các thuật toán RLS, hệ thống hoạt động đáng tin cậy với chiều dài bù tán sắc chênh lệch lớn nhất lớn hơn 360km.
− Đối với các thuật toán loại LMS, hệ thống chịu đựng được tán sắc trong phạm vi ngắn hơn: với LMS là 280km, với variable step-size LMS là 320km và với sign-regressor LMS là 353km.
So sánh giữa hiệu quả của việc dùng 1 bộ cân bằng bậc đơn vị với 4 bộ cân bằng bậc đơn vị được chỉ ra ở Hình 5.3.8. Hình này là hình vẽ tổng hợp của 2 Hình 5.3.6 và 5.3.7. Hình 5.3.8 cho thấy kết quả khảo sát BER theo tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng. Nhìn chung, 1 bộ cân bằng bậc đơn vị cho chất lượng tốt hơn 4 bộ cân bằng mắc song song khi xét cùng thuật toán, nhưng mức độ
tán sắc mà hệ thống chịu được đối với 2 kỹ thuật này là như nhau.
Có thể thấy rằng, dùng xung RZ-DQPSK giúp cho hệ thống chịu được mức tán sắc lớn hơn xung NRZ-DQPSK
Hình 5.3.8: BER theo tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng
Thật ra, kỹ thuật cân bằng điện đã được quan tâm, khai thác nhiều để bù lại méo do tán sắc và nhiễu ASE trong các hệ thống tốc độ 10Gb/s, có thể tham khảo từ
các tài liệu [20][28][29]. Các hệ thống này vẫn hoạt động ổn định với khoảng 300 km không bù tán sắc. Tuy nhiên, các bộ cân bằng thường có cấu trúc phức tạp (khoảng bậc 3 trở lên) và dạng điều chế được dùng là các dạng đơn giản như OOK và DPSK. Do vậy, các kết quả như đạt được của đề tài có thể được xem là tương thích cho sự đánh đổi giữa tốc độ truyền dẫn (100Gb/s so với 10Gb/s), sự đơn giản hơn của bộ cân bằng (bậc 1 so với bậc 3 trở lên) và dạng điều chế phức tạp (DQPSK so với DPSK, OOK).
5.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT BER THEO TÁN SẮC VÀ PHI TUYẾN
Khảo sát được tiến hành với các thông số được thiết lập nhưở mục 5.3 ngoại trừ mức công suất phát được thay đổi, thay vì để hệ thống hoạt động ở mức công suất tối ưu, công suất phát của laser trong mục này sẽ được giữ cố định tại 8dBm (tương đương 6,3096 mW, tức là hơn ngưỡng phi tuyến 1,3096 mW) đối với NRZ- DQPSK và tại 11 dBm (tương đương 12,5893 mW, tức là hơn ngưỡng phi tuyến 2.5893 mW) đối với xung RZ-DQPSK.
5.4.1. Tín hiệu NRZ-DQPSK
Hình 5.4.1: BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable
Hình 5.4.2: BER theo tán sắc và tán sắc của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4
RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor
LMS DFE parrallel
Kết quả khảo sát BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable step-size LMS DFE, 1 Sign-regressor LMS DFE (Hình 5.4.2) và dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE parrallel (Hình 5.4.2). Hình 5.4.1 và 5.4.2 được dùng để so sánh hiệu quả của 4 thuật toán LMS, Variable step-size LMS, sign-regressor LMS và RLS.
Nhận xét: Từ hai Hình 5.4.1 và 5.4.2, ta thấy
− Đối với các thuật toán RLS, hệ thống hoạt động đáng tin cậy với chiều dài bù tán sắc chênh lệch lớn nhất lớn hơn 360km.
− Các bộ cân bằng dùng thuật toán LMS, và variable step-size LMS không thể
bù được méo do tán sắc và phi tuyến do việc phụ thuộc nhiều vào công suất tín hiệu khi cập nhật các trọng số lọc.
− Thuật toán sign-regressor LMS thể hiện tốt hơn đối với méo do tán sắc và phi tuyến vì hệ thống chịu được tán sắc trong phạm vi lớn là 330 km. Nguyên nhân là do các trọng số lọc được cập nhật mà ít chịu ảnh hưởng của công suất tín hiệu.
So sánh giữa hiệu quả của việc dùng 1 bộ cân bằng bậc đơn vị với 4 bộ cân bằng bậc đơn vị được chỉ ra ở Hình 5.4.3. Hình này là hình vẽ tổng hợp của 2 Hình 5.4.1 và 5.4.2. Hình 5.4.3 cho thấy kết quả khảo sát BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng. Nhìn chung, ứng với cùng 1 thuật toán thì 1 bộ cân bằng bậc đơn vị cho chất lượng tốt hơn 4 bộ cân bằng mắc song song, nhưng mức độ tán sắc mà hệ thống chịu được đối với 2 kỹ thuật này là gần tương đương nhau.
Hình 5.4.3: BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu NRZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng
5.4.2. Tín hiệu RZ-DQPSK
Kết quả khảo sát BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable
step-size LMS DFE, 1 Sign-regressor LMS DFE (Hình 5.4.4) và dùng lần lượt 4 bộ
cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor LMS DFE parrallel (Hình 5.4.5). Hình 5.4.4 và 5.4.5 được dùng để so sánh hiệu quả của 4 thuật toán LMS, Variable step-size LMS, sign-regressor LMS và RLS.
Hình 5.4.4: BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 1 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1): 1 LMS DFE, 1 RLS DFE, 1 Variable
Hình 5.4.5: BER theo tán sắc và tán sắc của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng lần lượt 4 bộ cân bằng bậc đơn vị (1,1) mắc song song: 4 LMS DFE parrallel, 4 RLS DFE parrallel, 4 Variable step-size LMS DFE parrallel, 4 Sign-regressor
LMS DFE parrallel
Nhận xét: Từ hai Hình 5.4.4 và 5.4.5, ta thấy
− Đối với các thuật toán RLS, hệ thống hoạt động đáng tin cậy với chiều dài bù tán sắc chênh lệch lớn nhất lớn hơn 360km.
− Các bộ cân bằng dùng thuật toán LMS, và variable step-size LMS không thể
bù được méo do tán sắc và phi tuyến vì các trọng số lọc được cập nhật phụ
thuộc nhiều vào công suất tín hiệu. Hơn nữa, ứng với mỗi mẫu (sample) công suất tín hiệu sẽ có tương ứng 1 kích cỡ bước nhảy (step-size), nhưng độ lớn của các mẫu công suất này là không đồng đều và hiệu ứng phi tuyến gây ra méo không đối xứng, điều này dẫn đến, sự thể hiện bất ổn của thuật toán variable step-size LMS: khi thì cho BER cực tốt (gần bằng 0) khi thì cho BER cực xấu (bằng 1).
− Thuật toán sign-regressor LMS thể hiện tốt hơn đối với méo do tán sắc và phi tuyến vì hệ thống chịu được tán sắc trong phạm vi lớn là 340 km.
Nguyên nhân là do các trọng số lọc được cập nhật mà ít chịu ảnh hưởng của công suất tín hiệu.
So sánh giữa hiệu quả của việc dùng 1 bộ cân bằng bậc đơn vị với 4 bộ cân bằng bậc đơn vị được chỉ ra ở Hình 5.4.6. Hình này là hình vẽ tổng hợp của 2 Hình 5.4.4 và 5.4.5. Hình 5.4.6 cho thấy kết quả khảo sát BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng. Nhìn chung, ứng với mức công suất phát vượt ngưỡng phi tuyến như đã đề cập ban đầu, các bộ cân bằng bậc đơn vị và 4 bộ cân bằng mắc song song chịu đựng được mức tán sắc gần tương đương nhau.
Hình 5.4.6: BER theo tán sắc và phi tuyến của tín hiệu RZ-DQPSK khi dùng bộ cân bằng
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1. KẾT LUẬN
Với các ưu điểm vượt trội về tốc độ và chất lượng truyền dẫn, mạng quang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và khai thác nhiều. Hiện nay, do sự phát triển mạnh của khoa học và kỹ thuật, tốc độ và khoảng cách truyền dẫn của mạng quang ngày một gia tăng. Tuy nhiên, ở những hệ thống như vậy, chất lượng mạng lại bị
suy giảm đáng kể. Nhiều giải pháp được đưa ra nhằm khắc phục tình trạng này. Trong đó, giải pháp dùng các phép điều chế đa bit cho một ký tự kết hợp với các bộ
cân bằng điện như đề tài sử dụng là một giải pháp khả thi và hiệu quả giúp nâng cấp các hệ thống mạng trục cũ tốc độ thấp mà không phải thay đổi nhiều trong cấu trúc của mạng.
Các kết luận có thể rút ra:
− Qua quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã mô phỏng thành công một hệ thống truyền dẫn dài 1040 km, tốc độ 100Gb/s bằng việc sử dụng phép điều chế
DQPSK và các bộ cân bằng có cấu trúc đơn giản nhất cùng với kỹ thuật xử
lý tín hiệu với 4 bộ cân bằng mắc song song. Hơn nữa, hệ thống này có thể
chịu được mức độ tán sắc lớn tương đương hơn 300km không bù tán sắc (tính cho sợi SSMF).
− Mô phỏng chứng tỏ rằng các bộ cân bằng hồi tiếp quyết định (Decision Feedback Equalizer) có khả năng bù được méo do hiệu ứng tuyến tính (như
tán sắc) và hiệu ứng phi tuyến (như tự điều pha) gây ra ở mức cao.
− Ngoài ra, cũng có thể thấy được sự hiệu quả của các thuật toán, mà tác giả sử
dụng, được dùng trong các bộ cân bằng này. Với các thuật toán LMS, hệ
thống đường dài này có thể chịu đựng được mức tán sắc lớn tương đương 300 km không bù tán sắc. Các thuật toán sign-regressor LMS và RLS (Recursive Least Square) cho thấy sự thể hiện vượt trội vì giúp hệ thống hoạt động tin cậy dưới sự tác động lớn của hiệu ứng phi tuyến và tán sắc lớn tương đương khoảng cách trên 350 km không bù tán sắc.
− Thêm nữa, nhìn chung, xung RZ-DQPSK cho chất lượng tốt hơn xung NRZ- DQPSK.
5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tuy nhiên, tác giả nhận thấy đề tài còn một số hạn chế sau:
− Khoảng cách truyền 1040 km là khoảng cách chưa lớn lắm vì mức nhiễu ASE được sinh ra trong các bộ khuếch đại quang EDFA là quá lớn. Nhiễu ASE có tính chất là không lặp lại “NOT REPEATABLE” nhưng đề tài lại thiết lập là “REPEATABLE” khi sử dụng các bộ khuếch đại này. Nhiễu “REPEATABLE” sẽ làm cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR giảm đáng kể dẫn đến BER của toàn hệ thống xấu đi khoảng 1e-3 khi không dùng bộ cân bằng. Điều này có nghĩa là Q-factor (Chương 2 - mục 2.2.3.2) tăng thêm một bậc hay OSNR tăng lên 2-3 dB có nghĩa là 15 km SMF có thể thêm vào so với trường hợp ASE “REPEATABLE”.
− Mô phỏng chỉ khảo sát một hệ thống truyền dẫn đơn kênh, hiệu ứng phi tuyến được xét tới là tự điều pha (Selt-Phase Modulation - SPM).
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là:
− Xây dựng lại hệ thống với khoảng cách truyền dài hơn 1040 km.
− Khảo sát lại hệ thống khi có thêm hiện tượng tán sắc kiểu phân cực (Polarization Mode Dispersion - PMD).
− Khảo sát chất lượng của hệ thống đa kênh DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
− Nghiên cứu và thử nghiệm các phương pháp điều chế cải tiến như OFDM nhằm nâng cao chất lượng và tốc độ truyền.
− Các kỹ thuật cân bằng điện dùng với các hệ thống tốc độ cao sẽ tiếp tục được nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tham khảo chính:
[1]. Trần Nhựt Khải Hoàn, “Tái sử dụng sóng mang DQPSK trong mạng quang thụ động DWDM 100Gb/s”, Luận văn thạc sĩ điện tử kỹ thuật, Trường đại học Bách Khoa Tp. HCM, Việt Nam, 2008.
[2]. Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang”, tập 1, Nhà xuất bản Bưu Điện, Hà Nội, Việt Nam, 2008.
[3]. Alexander D. Poularikas, Zayed M. Amadan, “Adaptive filtering primer with Matlab ”, CRC, Newyork, USA, 2006.
[4]. Antonio Napoli, “Electronic compensation of fiber propagation impairments in optical communications systems”, PhD. thesis, Torino, Italy, 2006.
[5]. B. Farhang-Boroujeny, “Adaptive filter theory and applications”, John Wiley & Sons, England, 1998.
[6]. L.N. Binh, A. Chua and G. Alagaratnam, “Monash optical communication system simulator for optically amplified DWDM advanced modulation formats”, Technical report, Monash university, 2005.
[7]. L.N. Binh, T.L. Huynh and H.S. Tiong, “DQPSK RZ modulation formats generated from dual drive electro-photonic modulators”, Technical Reports, MonashUniversity, 2006.
[8]. Ezra Ip, J. M. Kahn, “Nonlinear impairment compensation using backpropagation”, Invite chapter, Stanford university, USA, 2009.
[9]. Govind P.Agrawal, “Fiber optics communication systems”, Third Edition, 2002.
[10].Guy Wolf, Roy Ron, Guy Shwartz, “Introduction to equalization”, Report of