Chương I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM
I.4. Hệ thống truyền dẫn WDM đường trục khoảng cách dài
I.4.2. M ột số công nghệ áp dụng cho các hệ thống WDM đường trụ c
Các tác động truyền dẫn chính trong các h th ng đường tr c dung lượng cao ệ ố ụ là tạp âm quang, tán sắc màu và các hiệu ứng phi tuyến khác nhau. Mục đích thiết kế hệ thống là làm giảm và bù lại những suy gi m ch t lượng h th ng này. Do tính ả ấ ệ ố chất phức tạp, việ đạt c được phẩm chất hệ thống tốt nhất chỉ có thể đạ được bằng t cách dung hoà các tác động này.
Mặc dù để giảm các hiệ ứu ng phi tuyến ta có thể giảm công suất phát, nhưng như thế nó sẽ làm giảm tỷ số tín hi u trên t p âm, làm h n ch tớệ ạ ạ ế i ch t lượng h ấ ệ thống. Tuy nhiên, khi công suất tín hiệu cao làm tăng tỷ số SNR, nh ng khi ó s ư đ ẽ dẫn đến xuất hiện các hiệ ứu ng phi tuy n làm giảm chất lế ượng hệ ống. Có mộ ố th t s công nghệ có thể áp dụng để khắc ph c các h n ch này: ụ ạ ế
- dùng tín hiệu b m 980 nm trong các b EDFA để nâng cao SNR; ơ ộ
- sử dụng khoảng cách khuếch đại nhỏ hơn để giảm tạp âm bộ khuếch đại;
- và sử dụng b sử ỗộ a l i trước (Forward Error Correction – FEC) để nâng cao hệ ố s SNR của hệ thống.
35
Các phương thứ đ ềc i u chế và kiểm soát tán sắc mới cũng được sử dụng để làm giảm các hiệ ứu ng phi tuyến và nâng mức ngưỡng phi tuyến lên cao hơn. Qua đó, có th nâng cao c a s làm vi c c a h th ng. ể ử ổ ệ ủ ệ ố
Dưới đây sẽ phân tích về vấn đề tạp âm và xem xét m t s công ngh chính ộ ố ệ cho phép triển khai các hệ thống đường dài dung lượng cao.
1. Phân tích tạp âm:
Lợi ích của việc giảm khoảng lặp trong tuyến cáp biển: Trong các tuyến đường trục kho ng cách dài (cáp bi n), các b khu ch ả ể ộ ế đại quang được sử dụng trong những khoảng cách định kỳ (b lặộ p) - ây là m t thông s thi t k thi t y u. đ ộ ố ế ế ế ế Đối với kho ng cách l p ng n, t ng ích cu bộả ặ ắ ă ả khu ch ế đạ đểi bù l i suy hao s i ạ ợ quang yêu cầu th p h n, nên cho t p âm khuếch ấ ơ ạ đại thấp hơn (công thức 1-17).
Đ ềi u này cải thiện t sốỷ SNR, trong khi phẩm ch t lý tưởng c a h th ng ch ph ấ ủ ệ ố ỉ ụ thuộc vào sự suy giảm tạp âm tích luỹ cho trong công thức:
o e o o
SNR B B dB SNR
Q 1 1 4
log 2 20 )
( = + + (1-22)
trong đó SNRo là tỷ số tín hi u trên t p âm quang và Bệ ạ e là băng thông đ ệi n.
Tuy nhiên, với cùng công suất ra của bộ khuếch đại, thì công suất tín hiệu bình quân Pav lớn hơn khi khoảng cách khuếch đại ngắn hơn, dẫn đến hiệu ứng SPM cao hơn như diễn giả ởi ph n trên. Hi u ng phi tuy n này làm giảm độ hiệu dụng đạt được ầ ệ ứ ế khi rút ngắn khoảng cách khuếch đại. Các hiệ ứu ng phi tuyến WDM cũng tuỳ thuộc vào công suất tín hiệu, mặc dù phụ thuộc phứ ạp h n vào sc t ơ ố kênh và khoảng cách kênh. Vì thế Pav được xem là thước đo phù hợp để so sánh mức độ phi tuyến.
Việc nâng cao phẩm chất hệ thống bằng cách giảm khoảng cách trạm lặp cũng được đánh giá bằng thông số Pav. Hãy xem xét một h thệ ống đường dài 10 Gbit/s có khoảng cách 7500 km. Khi thay đổi khoảng cách bộ khuếch đại, giá trị Q lý tưởng với công suất ra của trạm lặp như nhau được tính theo công thức (2-22).
Việc nâng cao phẩm chất được tính bởi tỷ số SNR quang được c i thi n không k ả ệ ể đến tác động phi tuyến. Khi i u ch nh công su t ra c a tr m lđ ề ỉ ấ ủ ạ ặp tương ứng với khoảng cách trạm lặp, phẩm chất hệ thống sẽ được tính toán đối với cùng công suất bình quân. Kết quả so sánh cho ở đồ thị hình I.9.
Khi khoảng cách trạm lặp thay đổi từ 50 km tới 40 km, tỷ số SNR được c i ả thiện 1,5 dB. Tuy nhiên, nếu tính thêm hiệ ứu ng phi tuyến, thì độ lợi qu công su t ỹ ấ chỉ là 0,8 dB. Với khoảng cách trạm lặp 60 km, việc cải thiện chất lượng hệ thống đạ đượt c bằng chia ôi kho ng cách tr m l p là vào kho ng 2,4 dB. Do đó, so sánh đ ả ạ ặ ả hệ số Q đối với cùng công suất tín hiệu bình quân cho ta đánh giá chính xác hơn lợi ích của vi c giệ ảm khoảng cách tr m l p, và nh th cho ta cách thi t k kho ng ạ ặ ư ế ế ế ả cách trạm lặp tố ưi u.
36
khoảng cách trạm l p, kmặ
Q_SNR cho cùng c/s ra của bộ ặ l p Q_SNR cho cùng c/s tuyến bình quân
Hình I-9. Phẩm chất hệ thống đối với khoảng cách trạm lặp khác nhau
2. Kiểm soát tán sắc:
Tán sắc màu gây ra méo tín hiệu và làm giảm chất lượng hệ thống. Vì thế bù tán sắc là bắt buộc. Hơn nữa, tán sắc là thông số quyết định đến sự ả nh hưởng của các hiệ ứu ng phi tuyến; vì thế kiểm soát tán sắc có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hiệ ứng phi tuyến của hệ thống. u
Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn có tán sắc cao vào khoảng 17 ps/nm/km ở cửa sổ tín hiệu 1550 nm. Để khắc phụ ảc nh h ng c a tán sưở ủ ắc ph i dùng s i d ch ả ợ ị chuyển tán sắc DSF về không ở cửa s 1550 nm. Hi u ng tán s c vì th có th ổ ệ ứ ắ ế ể giảm đáng kể và hiệ ứng SPM cũng giảm. Tuy nhiên, u đối với công ngh WDM, ệ việc tán sắc về không ở bước sóng tín hiệu lại gây ra sự pha trộn giữa các bước sóng tín hiệu và làm tăng các hiệu ứng FWM và XPM. Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng lo i s i d ch chuy n tán s c không v không (NZ-DSF), có m c tán s c ạ ợ ị ể ắ ề ứ ắ ở ử ổ c a s tín hi u r t th p, -2 ps/nm/km. ệ ấ ấ
Trong các hệ thống WDM, cần phải quan tâm đến tán sắc bậc 3 hay độ dốc tán sắc. Dộ dốc tán s c gây ra các kênh ngoài tích lu tán s c d dọắ ỹ ắ ư c theo tuy n. ế Đối với các tuy n cáp vượt ế đại dương tán s c tích lu ch nên r t l n các kênh ắ ỹ ở ấ ớ ở rìa. Băng thông tín hiệu WDM càng lớn thì tán sắc dư càng nhiều. Đối với việc kiểm soát tán sắc này, độ dốc tán s c h n ch cửắ ạ ế a s tín hi u WDM. Để bù lượng ổ ệ tán sắc dư, người ta áp dụng bù tán sắc trước và sau trong các thiết bị đầu cuối trong mỗi kênh bước sóng. Vì thế, để kiểm soát tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến, cần phải có bả đồn tán sắc với tán sắc toàn trình thấp và tán sắc nộ ội b cao; h n n a, ơ ữ còn phải bù độ dốc tán sắc trong các hệ thống truyền dẫn cực dài.
3. Phương thức đ ềi u chế:
Phương thức đ ềi u chế tín hiệu là một yếu tố thi t k quan tr ng c n xem xét ế ế ọ ầ trong việc làm giảm độ phi tuyến. Trong các hệ thống thông tin sợi quang phương án đ ềi u chế sâu và tách sóng trực tiếp thường được sử dụng, t c là cường ứ độ tín
37
hi u ệ được đ ềi u chế để mang tín hiệu ‘1’ và ‘0’. Ở đầu thu, thì hiệu thu được được tách ra là các số ‘1’ hoặc ‘0’ dựa vào vi c cường độ tín hiệu lớn hơn hay thấp hơn ệ ngưỡng quyết định. Phương thức tín hiệu không trở về không (NRZ) thường được sử dụng khi m t xung quang chiếm toàn bộ chu kỳ bit được gử độ i i đối v i sớ ố ‘1’ và không sáng được gửi tín hiệu RZ đi đối v i sớ ố ‘0’. Đối với phương thức tín hiệu trở về không (RZ), xung tín hiệu quang cho ‘1’ không chiếm toàn b chu k bit, và vì ộ ỳ thế tín hiệu RZ có thể có độ rộng xung khác nhau. RZ d ch t n là mộị ầ t m u i u ch ẫ đ ề ế phức tạp hơn mà cường độ tín hiệu được i u ch theo cùng cách nh tín hi u RZ, đ ề ế ư ệ nhưng pha của tín hiệu quang được đ ềi u chế hình sin với cùng tần số ủ ố c a t c độ bit.
Hình I.10 so sánh phổ quang của các mẫu tín hiệu khác nhau đối với tốc độ bit 10 Gbit/s. NRZ có phổ ẹ h p, trong khi phổ tín hiệu RZ rộng hơn vớ ăi b ng bên. i u ch Đ ề ế pha lên tín hiêu RZ dịch tần tạo ra nhi u băng bên trong phổ tín hiệu, sốề các b ng ă bên và biên độ của chúng phụ thuộc vào độ sâu đ ềi u chế
Như đ ã nói, độ dốc tán s c t o ra tán s c d ắ ạ ắ ư ở các kênh ngoài trong h th ng ệ ố WDM, nó tác động với hiệ ứu ng SPM làm giảm phẩm chất h thệ ống. Phương thức RZ dịch tần có thể sử dụng để cải thi n ph m ch t h th ng. Có th th y r ng tín ệ ẩ ấ ệ ố ể ấ ằ hi u ệ ở bước sóng trung tâm ít bị ả nh h ng củưở a ch số đ ềỉ i u ch và có thể ế đạ đượt c phẩm chất hệ thống tốt với các độ sâu đ ềi u chế khác nhau. Tuy nhiên, đối với các kênh ngoài, cần phải có chỉ ố đ ề s i u chế lớn để đạt được phẩm chất hệ thống tốt. Một số kênh ngoài thậm chí không làm việc nếu không có đ ềi u chế pha. Vì thế ch số ỉ đ ềi u ch c n ph i được t i u đối v i t ng kênh. RZ d ch t n là mộế ầ ả ố ư ớ ừ ị ầ t công ngh quan ệ trọng để đạ được hệ thống truyền dẫn cực dài. t
Hình I-10: Phổ quang của các phương thứ đ ềc i u chế khác nhau
Trên đây phân tích về tầm quan trọng của kiểm soát tán sắc, hiệu quả của RZ dịch tần, các công nghệ áp dụng chính trong thế hệ các h th ng cáp bi n hi n nay. ệ ố ể ệ Những công nghệ này cũng được ứng dụng trong các hệ thống đường đài mặt đất.
Hình I-11-a mô tả ế k t qu m u c a một hệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 ả ẫ ủ Gbit/s có tổng chiều dài 8550 km sử dụng tín hi u RZ dịch tần và kiểm soát tán sắc. ệ Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong hầu hết các kênh, bù tán sắc 100% ở thiết bị đầu cuối cho chất lượng tốt nhất. Dung sai tán sắc là 5%, lớn 5% sẽ làm gi m ch t ả ấ lượng hệ thống, nhất là ở các kênh ngoài.
Hình I-11-b mô tả kết qu củả a m t h th ng cáp biển WDM 16-kênh, 10 ộ ệ ố Gbit/s có tổng chiều dài 7500 km và khoảng cách lặp 50 km. Với tín hiệu RZ dịch tần và bù tán sắc tại thiết bị đầu cu i, ch t lượng h th ng được xem xét v i nh ng ố ấ ệ ố ớ ữ 38
mức công suất tín hiệu khác nhau. Có thể thấy rằng tổng công suất tín hiệu 8,65 dBm (công suất mỗi kênh là -3,4 dBm) cho phẩm ch t h th ng t t nh t. ấ ệ ố ố ấ
(a) (b)
Hình I-11: Chấtlượng hệ thống c a hủ ệ thống cáp biển WDM 16-kênh, 10 Gbit/s
4. Các công nghệ mới:
Trên đây đã trình bày về các hiệu ứng truyền dẫn và nh ng công nghệữ chủ yếu cho thế hệ các h th ng truy n d n WDM ệ ố ề ẫ đường dài hi n nay. Những tiến bộ ệ công nghệ vẫn ti p t c cho phép tăế ụ ng dung lượng, t c là t ng hi u qu sử dụứ ă ệ ả ng ph ổ với nhiều bước sóng hơn trong băng C cũng như ă b ng khác.
Bộ khuếch đại Raman là một công nghệ khuếch đại ch yếủ u. Nó d a trên ự hi u ệ ứng SRS và có băng thông rộng vào khoảng 100 nm cách xa so với bước sóng bơm. So với EDFA, khuếch đại Raman có tạp âm thấp. Hơn n a, b ng thông ữ ă Raman có thể đ ề i u chỉnh bằng bước sóng nguồn bơm. Với tạp âm thấp, các bộ khuếch đại Raman có thể được sử dụng để tăng cự ly h th ng, kho ng cách khu ch ệ ố ả ế đại và dung lượng hệ thống.
Về vấn đề ki m soát tán s c, c ng ang ti p t c có nh ng nghiên c u. Ví d ể ắ ũ đ ế ụ ữ ứ ụ như việc sử dụng các phương th c i u ch khác nhau vớ đ ềứ đ ề ế i i u chế phân cực để cải thiện hiệu suất phổ. Sợi quang có độ dốc tán sắc thấp cho phép giảm tán sắc tích luỹ ở nh ng kênh ngoài cho phép nâng s kênh bước sóng, ang ữ ố đ đượ được c s n xuất. ả Hơn nữa, một phương pháp kiểm soát tán sắc mới cũng đang được phát triển, theo đó m i kho ng cách l p gồỗ ả ặ m nh ng s i v i tán s c dương và tán s c âm, t c là s i ữ ợ ớ ắ ắ ứ ợ SMF dược dùng làm sợi +D và s i DCF bù ợ độ dốc được dung làm s i –D, nh th ợ ư ế trong mỗi khoảng lặp, cả tán sắc và độ dốc tán s c đề đượắ u c bù. S dụng phương ử pháp kiểm soát tán sắc này s làm gi m h n ch củẽ ả ạ ế a hi u ng độ dốệ ứ c tán s c đối v i ắ ớ truyền dẫn băng rộng.
Các phương thứ đ ềc i u chế mới c ng ũ đượ đềc cập: phương th c RZ ch n ứ ặ sóng mang (carrier suppressed RZ – CS-RZ) rất hiệu quả để ảm các hiệu ứng phi gi tuyến, lọc Vestigial Sideband (VSB) để cải thi n hi u su t ph , CS-RZ có l c, RZ-ệ ệ ấ ổ ọ DPSK. Phương thức NRZ đơn giản và có ph hẹổ p, nh ng v i s ti n tri n c a vi c ư ớ ự ế ể ủ ệ kiểm soát tán sắc thì cũng không cần thiết những phương thức đ ềi u chế phức tạp 39
nữa, vì thế NRZ cũng có thể sử dụng để nâng cao hiệu suất băng tần.