Để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của PMD đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ, trước hết phải thiết lập hệ sơ đồ cho hệ thống khi chưa đặt bộ phỏng tạo PMD để đo lỗi bít và hình mắt của hệ thống như hình 2.41
Các thiết bị đo trong sơ đồm gồm [7]: Máy phát tín hiệu xung mẫu có tốc độ 10 Gbit/s, loại Anritsu MP-1763B của Nhật; Máy đo lỗi bít loại Anritsu MP-1764A của Nhật; Máy đo công suất quang OPM, loại HP 81532 A, của Hewlett Packard, của Mỹ; Máy phân tích truyền dẫn số DCA loại AQ-6315 B của Ando, của Nhật; Bộ suy giảm quang Att biến đổi chính xác, loại VA5B của JDS Uniphase, của Canada.
Hoạt động của hệ thống như sau: máy phát tín hiệu xung mẫu dãy xung giả ngẫu nhiên có độ dài 223-1 được đưa vào bộ điều biến ngoài của bộ phát sóng quang. Tín hiệu phát sóng quang có bước sóng là 1558,799 nm được đi qua sợi quang dài 20 km để đến bộ thu p-i-n. Bộ suy hao Att dùng để cho ra mức tín hiệu mong muốn. Máy đo lỗi dùng để đo BER, được thiết lập để đo tốc độ 10 Gbit/s. Máy phân tích đường truyền số dùng để đo mẫu hình mắt tín hiệu.
Hình 2.42 cho kết quả thu được sự phụ thuộc của lỗi BER vào công suất tín hiệu thu được sau 20 km đường truyền.
Hình 2.42 Kết quả đo thực nghiệm BER phụ thuộc công suất thu được
Hình 2.43 Tín hiệu của chuỗi 223
-1, tốc độ 10 Gbit/s:
(a) ngay sau máy phát giả ngẫu nhiên PRBS; (b) sau bộ điều chế ngoài
Ta thấy rằng, tín hiệu ngay tại đầu ra của máy phát là chuỗi tín hiệu xung vuông góc chuẩn giả ngẫu nhiên PRBS mẫu 223
-1. Sau khi qua sợi quang dải 20 km, tín hiệu bị méo và hình mắt bị khép lại đáng kể. Tương tự hình 2.44 là kết quả đo mẫu tín hiệu hình mắt cho tín hiệu NRZ với tốc độ 10 Gbit/s; so sánh giữa hai trường hợp ra nối trực tiếp thiết bị phát quang với thu quang (nghĩa là cự ly truyền 0), và trường hợp cự ly truyền là 20 km giữa phát và thu quang.
Hình 2.44 Tín hiệu 10 Gbit/s NRZ sau bộ thu:
a) đấu trực tiếp phát-thu; b) sau khi truyền qua trợi quang dài 20 km
Như đã trình bày ở trên để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của PMD tới chất lượng hệ thống (khảo sát lỗi bít do ảnh hưởng của PMD), bộ phỏng tạo PMD (loại PE4, JBS Uniphase) được đặt ngay tại sau bộ điều khiển phân cực ở phía phát như chỉ ra trên hình 2.45.
Hình 2.45 Sơ đồ đo lỗi bít do ảnh hưởng của PMD
Bộ PE4 cho phép quét các giá trị PMD bậc nhất thay đổi trong dải từ 50 ps tới 250 ps. Tiến hành đo thực nghiệm bằng cách thay đổi các giá trị của bộ phỏng tạo PMD trong dải từ 0 ps đến 80 ps, kết quả cho thấy rằng, khi DGD nhận các giá trị là 10 ps và 20 ps thì công suất thu tương ứng với BER=10-9 không thay đổi đáng kể so với DGD=0 ps. Tuy nhiên, khi DGD tăng lên đến 30 ps thì hình mắt bắt đầu suy giảm và đồng thời công suất chịu mất mát một giá trị khoảng 1 dB.
Hình 2.46 là kết quả đo thực nghiệm đặc tính BER thu được, và ta thấy rằng tỷ lệ DGD/Tb lớn hơn 30% thì chất lượng truyền dẫn của hệ thống suy giảm nghiêm trọng. Độ dự phòng 1 dB theo khuyến nghị của ITU-T cho PMD đã không đủ để duy trì giá trị BER cần thiết cho trường hợp này.
Hình 2.46 Kết quả thực nghiệm đo công suất thu và BER của hệ thống do ảnh hưởng của PMD
Hình 2.47 là kết quả đo hiển thị suy giảm hình mắt cho các giá trị DGD khác nhau tại 9 trường hợp từ 0 ps đến 80 ps đối với hệ thống thực nghiệm này.
Hình 2.47 Dạng tín hiệu hình mắt đo được với các giá trị DGD khác nhau
Kết quả đo hình mắt thu được với các giá trị DGD tăng dần từ 0 ps đến 80 ps với sự tăng 10 ps đều đặn và ta dễ dàng thấy rằng tín hiệu hình mắt xấu dần theo chiều tăng DGD: khi giá trị DGD lớn, mắt tín hiệu không còn mở và trong như khi tán sắc PMD có giá trị nhỏ; nó bị khép lại và gây méo tín hiệu. Khi DGD đạt đến 80 ps thì tín hiệu bị xấu đi nghiêm trọng, hình mắt tín hiệu bị khép và mờ đến mức không thể chấp nhận được. Điều này gây ra nhiễu giữa các ký tự (ISI) trong tín hiệu và đặc tính BER hoàn toàn không đảm bảo yêu cầu của hệ thống thông tin quang, nhất là với tốc độ bít cao yêu cầu tỷ số lỗi bít BER rất nhỏ.
2.2.5 Ứng dụng những kết quả nghiên cứu vào thiết kế cấu hình hệ thống thông tin quang
Việc tính toán thiết kế tuyến truyền dẫn quang ở tốc độ bít cao ( 10Gbit/s) cần phải quan tâm đến hiện tượng tán sắc mode phân cực (PMD) là điều chắc chắn không cần bàn cãi. Phần này sẽ nghiên cứu việc tính toán thiết kế cấu hình tuyến theo giới hạn của tán sắc mode phân cực vào tuyến truyền dẫn thực tế.
2.2.5.1 Đặt vấn đề
Như đã biết, việc thiết kế cấu hình tuyến truyền dẫn mới hoặc nâng cấp tuyến thông tin sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc mode phân cực nhỏ ( 1/2) để
tăng cự ly truyền dẫn một giải pháp tốt là khắc phục ảnh hưởng của tán sắc mode phân cực. Trên thực tế, hiện có rất nhiều tuyến thông tin quang đã lắp đặt với cáp sợi quang đơn mode theo chuẩn G.652 – ITU thì hệ số tán sắc mode phân cực lớn tới 0,5 ps/km1/2). Ngoài ra, do tác động của quá trình lắp đặt, môi trường và nhiệt độ thì giá trị này có thể còn lớn hơn. Việc nâng cấp hệ thống và tăng tốc độ truyền dẫn lên 10 Gbit/s trên cơ sở mạng cáp quang sẵn có rất cần phải tính đến ảnh hưởng của PMD. Hệ thống hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm và việc lắp đặt thêm các bộ khuếch đại quang sợi EDFA là để tận dụng suy hao sợi nhỏ và kéo dài cự ly truyền dẫn hoặc cải thiện đặc tính BER của hệ thống cũng như bù các suy hao xen trên tuyến, và điều rất quan trọng là để tăng tốc độ bít lên nhiều Gbit/s. Trong khuếch đại quang thì vẫn tồn tại một số vấn đề nan giải khác do ảnh hưởng của CD và PMD như sau:
Do ảnh hưởng của PMD sợi quang cũng như các phẩn tử quang chịu phân cực sẽ làm giãn xung tín hiệu, làm khép hình mắt, gây ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (ISI) và làm cho truyền dẫn giảm chất lượng (BER) nghiêm trọng.
Do tính thống kê của PMD nên sự kiện gián đoạn của hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định (1 năm) cũng mang tính thống kê. Xác suất để xảy ra sự kiện đó tùy thuộc theo yêu cầu thiết kế mà độ dự phòng công suất tín hiệu hệ thống cần thiết phải đảm bảo để thỏa mãn điều kiện BER cho trước. Đây cũng chính là lượng bù công suất tín hiệu của hệ thống để bù vào lượng công suất tín hiệu đã mất mát (tiêu hao) do ảnh hưởng của PMD gây ra.
Vì hệ thống có sử dụng EDFA nên cũng xuất hiện các thành phần nhiễu dưới tác động của phân cực mode làm ảnh hưởng đến các tham số đánh giá chất lượng của hệ thống. Điều đó làm cho việc tính toán SNR càng thêm phức tạp.
Trong phần này sẽ xem xét phương pháp tính toán thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế phản ánh các ảnh hưởng từ các tham số trên và sử dụng các kết quả đã xét ở trên về mất mát công suất tín hiệu do PMD gây ra đế xác định lượng bù công suất, các thành phần nhiễu tuyến tính từ bức xạ tự phát được khuếch đại (ASE), méo dạng sóng và ISI như đã biết. Phương pháp này cho phép có thể ựng dụng trong hệ thống có ảnh hưởng PMD.
2.2.5.2 Đặt bài toán và trình tự thiết kế
+ Đặt bài toán
Để đám bảo tính tổng quát, bài toán được giả thiết đặt ra là tính toán thiết kế một tuyến tuyền dẫn quang tốc độ cao (10Gbit/s) hoạt động tại vùng bước sóng 1550 nm trên cáp sợi quang đơn mode tiêu chuẩn G.652 ITU-T có sử dụng EDFE và sợi bù tán sắc DCF. Như vậy, cấu hình tiêu biểu thể hiện trên hình 2.48
Hình 2.48 Cấu hình tổng quát của tuyến thông tin quang 1550 nm
Cấu trúc của tuyến truyền dẫn quang được giả định là truyền dẫn thông thường được lắp đặt khai thác trên thực tế với các đặc điểm hệ thống chung như sau:
Tuyến truyền dẫn bao gồm thiết bị phía phát, phía thu và các thiết bị EDFA. Các thiết bị EDFA có thể đặt làm thiết bị khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đường truyền (LA) và tiền khuếch đại (PA). Tuyến được hình thành từ các chặng giữa mỗi chặng bao gồm cáp sợi quang đủ cho cự ly chặng, sợi bù tán sắc DCF cho chặng đó và bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
Sợi quang truyền dẫn là loại đơn mode thông dụng G.652 theo khuyến nghị của ITU-T, có giá trị tán sắc từ 15 17 ps/nm.km và giá trị của tham số PMD là 0,5 ps/km1/.2. Sợi DCF đủ dài được dùng để bù tán sắc CD nhằm cân bằng giá trị tán sắc tích lũy của từng chặng và có hệ số tán sắc PMD là o,1 ps/km1/2.
Về đặc tính truyền dẫn như sau: thiết bị quang sẽ phát tín hiệu điều biến cường độ từ một Laser LD hoạt động ở vùng bước sóng 1550 nm với công suất phát là Pt. Tín hiệu dạng xung được lan truyền thông qua sợi quang suốt dọc tuyến; nó sẽ bị méo và giãn xung do tán sắc, bị suy hao do sợi, được khuếch đại tại các bộ khuếch đại quang EDFA và chịu tác động từ các thành phần nhiễu, tương tác với tán sắc PMD. Như vậy, phải tính đến việc bù tán do PMD gây ra. Suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tuyến do ảnh hưởng của suy hao phụ thuộc phân cực PDL (được chỉ ra trong nhiễu tín hiệu), rằng nhiễu tổng sẽ được cộng thêm nhiễu phân cực đứng và nhiễu phân cực ngang. Thông thường suy hao phụ thuộc phân cực được bù bằng chính độ khuếch đại phân cực của bộ khuếch đại đó.
Như vậy, trong bài toán này, ta cũng đã đặt giả thiết dạng tín hiệu phía phát là có dạng xung Gauss và sử dụng mã NRZ và phía thu ở mạch quyết định lấy gần đúng theo xung Gauss. Chất lượng truyền dẫn được xác định thông qua việc tính tỷ số lỗi BER = 10-12 cho độ nhạy thu của thiết bị thu quang và xác suất gián đoạn của hệ thống là 10-5.
+ Xác định giới hạn tán sắc tuyến để thiết kế
Trong hệ thống thông tin quang gồm có sợi quang vâ các phần tử quang được xác định và thay đổi ngẫu nhiên thì có thể được tính như sau:
1/ 2 2 2 tot t Q ci dj i j PMD L PMD PMD PMD (2.2.3) Trong đó:
PMDtot là giá trị PMD cực đại của hệ thống (ps);
PMDQ là hệ số PMD của sợi quang (ps/km1/2) theo chuẩn ITU;
Lt là độ dài tuyến (km);
PMDci là giá trị PMD thay đổi ngẫu nhiên của phần tử quang thứ i(ps);
PMDdj là giá trị cố định của phần tử quang thứ j (ps)
Đối với hệ thống thông tin quang tốc độ cao, hầu hết các phần tử quang đều chịu tác động của phân cực mode, do đó để đơn giản hóa việc tính toán tổng PMDtot của hệ thống người ta có thể lấy xấp xỉ PMDtot bằng hai lần tán sắc PMD của sợi quang, nghĩa là:
2
tot Q t
PMD PMD L (2.2.4)
Đây cũng chính là giá trị DGD trung bình của tuyến, khi đó để tính giá trị DGD cực đại của tuyến thì có thể lấy gần đúng bằng 3 lần giá trị DGD trung bình, trong đó 3 là hệ số Maxoen chỉ ra mối quan hệ giữa DGD trung bình và DGD tức thời.
+ Tính toán thiết kế tuyến truyền dẫn
Khi xem xét các vấn đề ảnh hưởng của PMD trong một số tài liệu của ITU-T, giá trị tán sắc phân cực cực đại khi được đề cập tới trong hệ thống thông tin quang khi thiết kế tuyến phải đảm bảo giá trị cho phép. Tham số này nhằm xác định giá trị tán sắc mode phân cực (PMD) cực đại của luồng tín hiệu quang mà hệ thống có thể chấp nhận được khi chưa sử dụng thêm bất kỳ một phương pháp bù tán sắc nào.
Để truyền dẫn được tín hiệu trong hệ thống từ phía phát đến phía thu, tuyến phải chịu mất mát (tổn hao) lớn về ảnh hưởng do tán sắc. Dưới đây sẽ xem xét một số kết quả tính toán thiết kế cấu hình tuyến thông tin quang khi có ảnh hưởng của PMD.
+ Xác suất gián đoạn cảu hệ thống thông tin quang phụ thuộc vào PMD.
Xác suất gián đoạn P(0) của hệ thống mang tính thống kê thời gian gian đoạn tích lũy của hệ thống không tính cho những gián đoạn riêng lẻ. Xác suất cho sự kiện bù công suất bị mất mát vượt quá 1 dB được xác định thông qua như đã nghiên cứu ở phần trên. Hình 2.49 là kết quả thu được khi tính toán sự phụ thuộc xác suất gián đoạn của hệ thống đối với PMD cho hệ thống 10 Gbit/s và 40 Gbit/s với tỷ số phân biệt công suất là = 0,3 và 0,5 giữa hai mode phân cực.
Hình 2.49 Xác suất gián đoạn hệ thống bị hạn chế do tán sắc mode phân cực đối với hệ thống 10 Gbit/s và 40 Gbit/s
Đối với trường hợp xấu nhất là phân chia công suất đều nhau thì ở tốc độ 40 Gbit/s, với yêu cầu xác suất gián đoạn hệ thống là 10-5, giá trị DGD thỏa mãn chỉ đạt được khoảng 3,5 ps, còn tốc độ 10 Gbit/s thì giá trị DGD vào khoảng 13 ps.
+ Dạng mã đường truyền và tham số của bộ thu.
Thông thường, các mã đường truyền trong các hệ thống thông tin quang đều sử dụng NRZ. Tham số A của bộ thu là hệ số phụ thuộc vào dạng tín hiệu và đặc tính kỹ thuật của bộ lọc tại bộ thu (đã xét trong chương 2), đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế bù công suất do ảnh hưởng của PMD. Hình 2.50 là kết quả tính toán sự phụ thuộc của bù công suất cho lượng công suất tín hiệu bị mất mát do ảnh hưởng của PMD với các giá trị khác nhau của tham số A. Có thể thấy rằng với cùng một giá trị bù công suất thì bộ thu nào có tham số A cao hơn sẽ cho lợi thế khắc phục hạn chế của PMD tốt hơn.
Hình 2.50 Đền bù công suất do tán sắc mode phân cực đối với tham số A của bộ thu với dạng mã RRZ
Khi lựa chọn dạng mã đường truyền và tính toán thiết kế bộ thu cần phải tính đến yêu cầu này. Với tốc độ 40 Gbit/s cho phép bù công suất 1 dB với A=25 thì DGD trung bình phải thỏa mãn yêu cầu sẽ có giá trị 10 ps.
+ Cự ly truyền dẫn bị hạn chế do PMD
Hình 2.51 là kết quả tính toán cự ly truyền dẫn 10 Gbit/s và 40 Bit/s bị hạn chế do PMD với tiêu chí rằng độ giãn xung do PMD gây ra không vượt quá 10 % độ rộng bít như đã chỉ ra trên biểu thức (2.1.27).
Hình 2.51 Cự ly truyền dẫn bị hạn chế do tán sắc mode phân cực đối với hệ thống 10 Gbit/s và 40 Gbit/s
Kết quả chỉ ra rằng, khi truyền dẫn sử dụng sợi đơn mode G.652 thì cự ly lớn nhất cảu tuyến là khoảng 550 km đối với hệ thống 10 Gbit/s. Song đối với hệ thống 40 Gbit/s thì cự ly này chỉ còn 40 km. Điều này trở nên hạn chế lớn với cự ly truyền dẫn, vì vậy bắt buộc phải có giải pháp bù PMD cho các hệ thống với tốc độ bít > 10Gbit/s.