1 2 3 / 0
DOP S S S S (2.2.1)
Trong đó S1, S2, S3 là các tham số Stokes của tín hiệu quang, các tham số này chỉ rõ độ chênh lệch công suất giữa từng cặp phân cực trực giao, và S0 là tổng công suất của tín hiệu. Xác định DOP là phương pháp được quan tâm nhiều đối với PMD.
2.2.3 Kết quả mô phỏng và so sánh
2.2.3.1 Xác định tỷ số lỗi BER
Để quan sát sự suy giảm tín hiệu do ảnh hưởng của tán sắc CD, các tham số của bộ mô phỏng PMD được thiết lập như sau: hệ số PMD là 0 ps/m1/2, hệ số tán sắc 16x10-6 s/m2 và độ dốc tán sắc là 0,08 x 103 s2/m3, hệ số suy hao là 0,2 x 10-3 dB/m.
Kết quả mô phỏng đặc tính BER phụ thuộc vào công suất quang thu được trong các trường hợp tán sắc CD và PMD với các tín hiệu NRZ và RZ như chỉ ra trên hình 2.15
Hình 2.15 Đặc tính BER phụ thuộc vào công suất quang thu được với các trường hợp tán sắc CD và PMD, các dạng tín hiệu NRZ, RZ
Từ kết quả thu được này cho thấy rằng với giá trị BER=10-9, khi đấu trực tiếp (Back-to-Back) thì công suất quang thu được là -20,3 dB đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ và -21,9 dB đối với dạng tín hiệu NZ. Khi độ dài truyền dẫn tăng thì tán sắc CD tích lũy tăng dần, do đó đòi hỏi mức công suất cao hơn để đảm bảo giá trị BER cho trước.
Hình 2.16 cho thấy sự phụ thuộc của mất mát công suất vào tán sắc CD đối với tín hiệu NRZ và NZ.
Hình 2.16 Sự phụ thuộc của mất mát công suất vào tán sắc CD đối với hệ thống 10 Gbit/s và 40 Gbit/s
Có thể thấy rằng tín hiệu dạng NRZ, chịu ảnh hưởng của tán sắc CD ít hơn dạng tín hiệu NZ. Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng tán sắc CD với các dạng sóng khác nhau của một số tác giả đã công bố. Mất mát 1 dB đối với tốc độ 10 Gbit/s cho dạng NRZ có thể chịu được tán sắc CD tích lũy tới 900 ps/nm, trong khi đó dạng NZ với cùng tốc độ chịu được tán sắc CD tích lũy là 500 ps/nm, nghĩa là giá trị CD nhỏ hơn rất nhiều trong cùng điều kiện tương tự nhau. Điều này cũng phù hợp với tốc độ 40 Gbit/s. Khoảng cách truyền dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương tốc độ bít. Với tổn thất công suất tín hiệu 1 dB, tích lũy CD mà hệ thống có thể chịu được sẽ giảm đi 16 lần khi tốc độ bít tăng từ 10 Gbit/s lên 40 Gbit/s.
Để xem xét riêng biệt ảnh hưởng của tán sắc PMD đối với hệ thống thì tán sắc CD của bộ mô phỏng PMD được đặt về 1,8 ps/nm, còn trong các giá trị độ trễ nhóm vi phân DGD của bộ mô phỏng thay đổi trong dải từ 0 đến 80 ps.
Hình 2.17 là kết quả mô phỏng thu được cho thấy sự phụ thuộc của mất mát công suất tín hiệu vào tán sắc PMD đối với hệ thống 10 Gbit/s với các dạng tín hiệu NZ và RNZ. Với giá trị DGD càng lớn thì đường cong BER của tín hiệu RZ có độ dốc lớn hơn đường cong BER của tín hiệu NRZ. Như vậy công suất mất mát đối với NRZ là lớn hơn. Vì thế, hệ thống 10 Gbit/s với tín hiệu NRZ sẽ được xem xét để sử dụng so sánh vác phương pháp giám sát PMD.
Hình 2.17 Mất mát công suất do ảnh hưởng của PMD đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu RZ và NRZ
Bây giờ ta tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tán sắc PMD kết hợp với tán sắc CD trong hệ thống thông tin quang. Các tham số của bộ mô phỏng PMD được thiết lập như sau: các giá trị tán sắc CD được đặt lần lượt là 480 ps/nm và 800 ps/nm; các giá trị DGD thay đổi từ 0 ps đến 70 ps. Kết quả thu được chỉ ra trên hình 2.18.
Rõ ràng thấy rằng sự kết hợp ảnh hưởng của tán sắc PMD và tán sắc CD làm xấu nghiêm trọng chất lượng hệ thống. Mất mát công suất do ảnh hưởng của các tán sắc trên được thể hiện trên hình 2.18, biểu thị sự xuống cấp nhanh khi giá trị DGD đạt đến giá trị trên 40 ps. Giá trị CD và DGD càng lớn thì mất mát công suất tín hiệu càng lớn. Với mất mát công suất 1 dB thì DGD có sự chịu đựng giảm từ 45 ps xuống còn 26 ps khi so sánh với mất mát 1 dB do tác động chỉ có PMD hoặc chỉ có CD ở giá trị 800 ps/nm.
Hình 2.18 Mất mát công suất do ảnh hưởng của PMD và CD đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ
Thông thường người ta sử dụng đo tỷ số lỗi BER để xác định chất lượng hệ thống truyền dẫn. Nhưng ở đây, trong trường hợp nghiên cứu về chất lượng truyền dẫn phụ thuộc vào tán sắc sợi quang như chỉ ra ở trên, ta có thể thấy rằng đo BER phản ánh chất lượng của hệ thống do ảnh hưởng của không chỉ PMD và CD mà còn nhiều
yếu tố ảnh hưởng khác nữa. Chính vì thế nếu chỉ đo BER thì khó có thể tách được riêng ảnh hưởng của PMD đối với hệ thống. Nói một cách khác, phương pháp này là phụ thuộc dạng tín hiệu và tốc độ bít truyền dẫn.
2.2.3.2 Thực hiện giám sát hình mắt của tín hiệu
Hình mắt được hiển thị trên màn hình máy hiện sóng của tín hiệu nhận được tại bộ thu và lặp lại nhiều lần việc lấy mẫu tín hiệu để đưa vào trục y trong khi quét dữ liệu được đưa vào trục x.
Các tham số cơ bản của hình mắt:
Độ mở mắt (giá trị đỉnh – đỉnh) do nhiễu tổng của tín hiệu
Bướu trên/dưới đo độ méo tín hiệu
Độ rộng của mắt đo tính đồng bộ và méo_ rung
Trong các nghiên cứu về truyền dẫn tín hiệu, nhất là đối với tín hiệu số có tốc độ bít cao, người ta thường sử dụng hình mắt tín hiệu để đánh giá đặc tính và chất lượng tín hiệu, và để đánh giá tác động của hính mắt đến hệ thống, người ta thường quy sự mất mát công suất (hay tổn thất công suất tín hiệu) cho hệ thống. Hình mắt của tín hiệu càng bị khép lài thì mất mát công suất tín hiệu càng lớn, tức là sẽ phải đền bù công suất càng nhiều để giữ cho BER không đổi. Suy giảm độ mở mắt được đề xuất và xem xét như là một phương pháp giám sát tín hiệu do ảnh hưởng của PMD. Do đó, phần này sẽ nghiên cứu và đánh giá hình mắt tín hiệu tác động từ tán sắc và từ đó xác định đặc tính BER cho hệ thống. Ước tính BER có thể thu được từ việc phân tích độ mở mắt. Có một vài kỹ thuật mới được nghiên cứu đề xuất sử dụng nhưng ở đây không trình bày. Tuy nhiên, phương pháp này cũng cho ra những thông tin không chỉ do ảnh hưởng của PMD mà còn bao gồm nhiều yếu tố ảnh hưởng khác.
Hình 2.19 là sơ đồ mô phỏng giám sát hình mắt, và trình tự mô phỏng tương tự như phương pháp đo BER ở phần trên. Sau đó các ảnh hưởng của tán sắc CD, PMD và tổ hợp lần lượt được khảo sát, nghiên cứu.
Hình 2.19 Sơ đồ mô phỏng giám sát hình mắt
Đầu tiên tham số PMD của bộ mô phỏng PMD được đặt về giá trị 0 để khảo sát ảnh hưởng của tán sắc CD. Hình 2.20 là kết quả mô phỏng hình mắt thu được qua
nghiên cứu. Ở đây, sự suy giảm của hình mắt tín hiệu được tính cho trường hợp khi tán sắc CD thay đổi từ 1,8 ps/nm đến 1120 ps/nm cho hệ thống 10 Gbit/s và dạng tín hiệu NRZ. Trong quá trình mô phỏng, cho thấy hình mắt tín hiệu bị biến dạng hoàn toàn khi cho giá trị tán sắc CD tăng đến 1120 ps/nm. Trong khi đó, các bướu trên xuất hiện, điểm cắt biên độ giảm đi rõ rệt, tuy rằng điểm cắt về thời gian không thay đổi so với khi tán sắc CD có giá trị bằng 1,8 ps/nm. Khi giá trị CD tăng lên thì độ rộng xung tín hiệu bị giãn ra và hệ quả là làm suy giảm hình mắt tín hiệu, tức là độ mở mắt bị khép lại. Có thể thấy rõ rằng, mức “1” của tín hiệu ảnh hưởng nhiều hơn mức “0” ở kết quả mô phỏng này.
Hình 2.20 Kết quả mô phỏng về ảnh hưởng của CD đối với 10 Gbit/s NRZ: (a) CD=1,8 ps/nm, (b) CD=480 ps/nm, (c) CD=1120 ps/nm.
Tiếp theo để khảo sát ảnh hưởng của PMD, người ta thiết lập giá trị CD bằng 1,8 ps/nm. Kết quả mô phỏng thu được thể hiện trên hình 2.21
Hình 2.21 Kết quả mô phỏng về ảnh hưởng của PMD đối với 10 Gbit/s NRZ: (a) DGD=0 ps, (b) DGD=40 ps, (c) DGD=60 ps.
Hình 2.21 mô tả sự suy giảm của hình mắt tín hiệu của hệ thống chịu ảnh hưởng thuần túy của PMD với giá trị DGD thay đổi trong dải từ 0 ps đến 60 ps. Kết quả cho thấy rằng khi giá trị DGD tăng làm cho độ mở mắt bị thu hẹp lại. Không giống như ảnh hưởng của CD thuần túy là làm cho hình mắt tín hiệu méo đối xứng, trong trường hợp này, PMD làm cho hình mắt tín hiệu thu hẹp bên trái hoặc bên phải nhiều hơn tùy
thuộc vào công suất tín hiệu lan truyền ở trục nhanh lớn hơn hay trục chậm lớn hớn. Tại hình 2.21 c, khi DGD nhận giá trị 60 ps bên phải hình mắt bị thu hẹp do bị méo nhiều hơn bên trái, nghĩa là công suất lan truyền ở trục nhanh lớn hơn công suất lan truyền ở trục chậm .
Ảnh hưởng của tổ hợp tán sắc CD và PMD được nghiên cứu trong điều kiện các giá trị tán sắc CD lần lượt là 480, 640 và 800 ps/nm và giá trị DGD thay đổi từ 0 ps đến 70 ps.
Sự suy giảm hình mắt tín hiệu được thể hiện trên hình 2.22.
Hình 2.22 Kết quả mô phỏng về ảnh hưởng của CD và PMD 10 Gbit/s NRZ: (a) DGD=0 ps, (b) DGD=40 ps, (c) DGD=60 ps với CD=480 ps/nm.
Ứng với CD bằng 480 ps/nm, độ mở mắt suy giảm từ từ và khi DGD đạt 60 ps thì tín hiệu bị méo nghiêm trọng, điều này sẽ gây lỗi tại mạch quyết định tại bộ thu quang và
hệ quả là tăng tỷ lệ lỗi BER do hiệu ứng ISI gây ra. Giá trị CD càng lớn thì DGD càng phải nhỏ để đảm bảo độ mở mắt đạt được theo chuẩn quy định về đo mắt tín hiệu.
Hình 2.23 là kết quả thu được biểu thị ảnh hưởng của CD và PMD tới các giá trị lớn. Trong trường hợp xấu nhất, tổ hợp CD và PMD dẫn tới khép hoàn toàn hình mắt tín hiệu.
Hình 2.23 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của CD và PMD 10 Gbit/s NRZ: (a) CD=640 ps/nm, (b) CD=800 ps/nm với DGD=60 ps.
Qua nghiên cứu, ta cũng nhận thấy rằng phương pháp giám sát hình mắt phụ thuộc nhiều vào dạng tín hiệu. hình 2.24 là kết quả mô phỏng thu được chỉ ra rằng sơ đồ hình mắt của hệ thống 10 Gbit/s với tín hiệu RZ và NRZ dưới ảnh hưởng của CD và PMD.
Hình 2.24 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của CD và PMD đối với: (a)10 Gbit/s NRZ, (b) 10 Gbit/s RZ với CD=480 ps/nm và DGD=60 ps.
Biên độ của tín hiệu RZ suy giảm nhanh và vì thế rất khó để tránh được ảnh hưởng của CD và PMD trong trường hợp này. Phương pháp này khá đơn giản nhưng độ sai số cao vì nó cũng thể hiện không chỉ của tán sắc mà còn của nhiều yếu tố khác nữa. Dải quan sát là độ dài của một bít.
2.2.3.3 Xác định công suất của đồng hồ RF (Clock RF)
Nhìn chung, PMD làm cho sóng mang vô tuyến (RF: Radio Frequency) và đồng hồ quang phân chia theo trạng thái phân cực nguyên lý và truyền lan dọc theo sợi với
các vận tốc khác nhau. Công suất Clock RF suy giảm do giao thoa. Đối với tín hiệu NRZ, do phổ của nó không có đồng hồ Tone ở các bội của tốc độ bít nên không thể giám sát bằng phương pháp này. Tuy nhiên, một số tác giả đã đưa ra giải pháp giám sát DGD ở tần số 5 GHz đối với hệ thống có tốc độ là 10 Gbit/s với băng thông của bộ lọc nhỏ hơn 1 GHz.
Trong phần này, ta sẽ thiết lập sơ đồ mô phỏng như hình 2.25
Hình 2.25 Sơ đồ mô phỏng giám sát RF
Các thành phần thiết bị gồm: Laser Diode LD; bộ điều biến quang MZ; PMD Emulator (bộ mô phỏng PMD); bộ khuếch đại quang; bộ suy hao quang; bộ lọc băng thông (BPF); bộ phân tích phổ RF (RFSA).
Để tiến hành mô phỏng, trước tiên thiết lập các tham số tán sắc CD của bộ mô phỏng PMD bằng 1,8 ps/nm để quan sát ảnh hưởng của PMD. Các giá trị DGD được quét từ 0 ps đến 10 ps. Như vậy, ta có được kết quả trên hình 2.26 là kết quả hiển thị công suát RF đối với các giá trị DGD là 0 ps, 50 ps và 100 ps của hệ thống 10 Gbit/s với dạng tín hiệu NRZ khi không có ảnh hưởng của CD. Công suất ở tần số 10 GHz không thay đổi khi DGD biến thiên trong chu kỳ RF.
Hình 2.26 Kết quả mô phỏng về công suất RF tại các giá trị DGD khác nhau: (a) 0 ps, (b) 50 ps và (c) 100 ps đối với 10 Gbit/s NRZ.
Bây giờ ta lần lượt cho giá trị CD bằng: 1,8 ps/nm, 480 ps/nm và 600 ps/nm. Tán sắc CD làm thay đổi độ lệch pha của các Clock của các băng bên trong quá trình truyền lan. Do vậy có thể tách được phổ của thành phần RF.
Hình 2.27 là kết quả mô phỏng thu được, đặc tính trong hình này hiển thị công suất RF ở tần số 10 GHz đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ khi giá trị CD là 480 ps/nm với các giá trị DGD khác nhau. Từ đây có thể thấy rằng khi DGD tăng lên thì công suất RF giảm nhanh và đạt đến giá trị nhỏ nhất khi tần số bằng một nửa chu kỳ RF.
Hình 2.27 Kết quả mô phỏng về công suất RF đối với 10 Gbit/s với DGD ở các giá trị khác nhau: (a) 0 ps, (b) 40 ps, (c) 50 ps và (d) 100 ps với CD = 480 ps/nm
Ảnh hưởng của CD và PMD làm cho công suất RF thay đổi tuần hoàn. Nó suy giảm đến giá trị cực tiểu ở nửa chu kỳ RF và sau đó tăng dần đến giá trị cực đại ở cuối chu kỳ.
Trong hình 2.28, công suất RF được biểu thị với giá trị CD là 640 ps/nm và 800 ps/nm khi DGD bằng 0 ps.
Hình 2.28 Kết quả mô phỏng về công suất RF ở giá trị DGD=0 ps đối với hệ thống 10 Gbit/s NRZ (a) CD = 640 ps/nm; (b) CD=800 ps/nm.
Sự chênh lệch về công suất là không đáng kể và có thể bỏ qua, song nó vẫn cho thấy ảnh hưởng của CD đối với công suất RF. Kết quả mô phỏng sự phụ thuộc công suất RF vào DGD ở tần số 10 GHz với các giá trị CD là 1,8 ps/nm. 480 ps/nm, 640 ps/nm và 800 ps/nm được thể hiện trên hình 2.29. Rõ ràng rằng không có công suất RF ở tần số 10 GHz, vì thế DGD không thể giám sát ở tần số này.
Hình 2.29 Kết quả mô phỏng về công suất RF ở tần số 10 GHz phụ thuộc vào DGD với các giá trị CD khác nhau đối với hệ thống 10 Gbit/s dạng sóng NRZ
Có thể sử dụng các hài bậc thấp ở tần số 0,5/T; 0,25/T hoặc 0,125/T trong đó T là chu kỳ bít để giám sát công suất RF. Đối với dạng sóng NRZ, công suất RF do ảnh hưởng của DGD được tính theo:
2
( , ) 1 4 (1 )sin ( b )
P dgd R dgd (2.2.2)
Trong đó dgd, và Rb tương ứng là DGD, tỷ lệ chia công suất giữa hai mode và tốc độ bít. Trong trường hợp xấu nhất = 0,5. Rõ ràng rằng khi DGD tăng thì công suất RF giảm ở nửa đầu chu kỳ RF và tăng lên giá trị cực đại khi đến cuối chu kỳ.
Trong quá trình mô phỏng, để giám sát DGD trong hệ thống 10 Gbit/s dạng tín hiệu NRZ, tín hiệu RF được lọc ở tần số 5GHz.