THIẾT KÊ HỆ THỐNG DWDM
2.5.Quỹ công suất và OSNR của hệ thống [8][10][15][25]
Đối với quỹ công suất chúng ta quan tâm đến công suất phát trên từng kênh, công suất tổng, độ dự trữ, OSNR, BER,...
Như đã trình bày ở trên, trong phươns pháp này, tăng công suất đến đẩu thu có thể cải thiện được đặc tính của hệ thống. Sự suy giảm chất lượng của mỗi phần tử trên đườna truyền có thể biểu diễn bằng độ thiệt thòi công suất. Do đó công suất phát đi có thể được xác định trên việc phân bổ độ thiệt thòi công suất trên mỗi thiết bị để đạt được OSNR mong muốn trên cơ sở tránh những ảnh hưởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến.
2.5.1. Các bước p h â n tích, tôi ưu theo cách tiếp cận q uỹ công suất và O SN R
Bước phân tích và tối ưu hệ thống là bước quan trọng, có thể tiến hành theo các bước sau đây:
- 36 -
+ Xác định các thông số thiết kế đầu vào: Độ dài đoạn ghép kênh, độ dài khoảns lặp khuếch đại quang, dung lượng kênh, số lượng kênh. Số liệu của bước nàv thường được rút ra từ điều kiện địa lí. dự báo nhu cầu phát triển các dịch vụ viễn thông liên quan...
+ Xác định độ dự trữ thiết kế: Độ dự trữ này phục vụ cho hệ thống hoạt động đến cuối thời kỳ sử dụng vẫn đảm bảo được BER yêu cầu của hệ thống. Thường độ dự trữ này bù cho sự già hoá của các phần tử trong hệ thống trong quá trình khai thác, cho sự không hoàn hảo của thiết bị, bù cho ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến...
+ Xác định cône suất quang nhỏ nhất trên một kênh, xem xét lại khoảng lặp. Công suất trên kênh nhỏ nhất để đảm bảo được yêu cầu về quỹ công suất, cũne như yêu cầu mức ngưỡna công suất trên một kênh khôna được vượt quá để tránh các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trên sợi quang. Nếu công suất không phù hợp(lớn quá hoặc nhỏ quá) thì cần phải điều chỉnh lại khoảng lặp cho thích hợp. (Xem hình 2.4)
Xác định các thõng sỏ thiết kế:
độ dài hệ thống, khoảng lặp, dung lượng kênh, số lượng kênh, khoảng
cách kênh... Xác định độ dự trữ hệ thông Xem xét lại khoảng lặp Xác định cóng suất phát nhỏ nhất trên kênh
H ìn h 2.4 Các bước p h â n tích tối ưu hệ thông
2.5.2. T ính toán các thông sô
Việc thiết k ế hệ thống truyền dẫn quang dù nhìn nhận từ góc độ nào thì cũng cần phải đảm bảo hệ thống hoạt động được thoả mãn yêu cầu về chất lượng đề ra. Thông số quan trọng mang tính quyết định của hệ thống đó là tv lệ lỏi bit(BER). BER được định nghĩa là tỷ lệ số bit lỗi trên tổng số bit truyền đi trong một khoảng thời gian thống kê có ý nghía. Do BER thường có tv lệ rất thấp nên nó rất khó đo. Ví dụ. nếu BER = 10-13 với tốc độ bít 2,5Gb/s, có nghĩa là có nhỏ hơn một lỗi trons 1 ngày, cần phải thực hiện trone 100 ngày để đạt được phép đo thống kê đáng kể. Vì lí do này BER được tính gián tiếp, thường được đo thông qua giá trị Q của hệ thống, nhờ vào việc xác định độ nhạy của hệ thống thay đổi ngưỡng tách sóng giữa bit I và hit 0.
- 38 -
BER có mối quan hệ với Q thông qua biểu thức sau:
1 J - Q 2 ^
BER = — P = e x p —
{ 2 J (2.12)
Các giá trị điên hình của BER liên quan đến chỉ số Q như sau:
+ Với BER yêu cầu 10'15 cần có Q ít nhất 18 dB.
+ Với BER yêu cầu 10'10 cần có Q ít nhất 16,1 dB.
+ Với BER yêu cầu 10’9 cần có Q ít nhất 15,6 đB.
+ Với BER yêu cầu 10"4 cần cớ Q ít nhất 1 ] ,4 dB.
(Giá trị BER và Q tươns ứng không sử dụne mã sửa lỗi trước FEC)
T ính toán Q từ O SN R
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) có thể sử dụng để tính giá trị Q đối vói các bit thu được. Điều này có giá trị khi hệ thống có sơ đồ hình mắt không bị đóng do các hiệu ứng khác như tán sắc, các hiệu ứne phi tuyến. Phương trình dưới đây biểu diễn mối quan hệ giữa Q llB(logarit) với tỷ ỉệ tín hiệu trên nhiễu quang OSNR:
Trong đó B0 là độ rộn2 hãng quang của đầu thu, Bc là độ rộng băng điện của bộ lọc
trước tách sóng của máy thu. Với giá trị OSNR hợp lí (>10 hoặc lOdB), phương trình này có thể xấp xỉ như sau:
(2.13)
V (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(2.14)
Q,w =10 log
Í p \
OSNR -2-
V B c J
(2.15)
Hoặc theo đơn vị đB đối với OSNR như sau:
QỚB^O SN R dB+ m o g 'Ề 1 (2.16)
Từ công thức trên ta thấv rằng Q tăng khi độ rộng băng quang tăng. Điều này hoàn toàn đơn giản là vì OSNR được tích phân trên độ rộng băng của máy thu, và nó là mật độ phổ công suất của nhiễu mà có ảnh hưởng lớn đến độ nhạy của máy ihu khi có giá trị OSNR phù hợp.
Để cho thuận tiện, công suất nhiễu được sử dụng để tính toán OSNR thường được đo thông qua độ rộng băng Bm=0,lnm (12,5G H z tại bước sóng 1550nm), do rất nhiều máy phân tích quang phổ có độ phân giải này. Do đó OSNR được đo thông qua Bm cần phải được định tỷ lệ theo B(/Bm trước khi sử dụng tron? tính toán Q. Hay nói cách khác B0 có thể đặt bằng Bm trong các phương trình trên.
Trong các công thức trên, chú ý chỉ số QtlB liên hệ với Q tuyến tính thông qua biểu thức QdB=201og(Q), hệ số 20 thay vì 10 là để đảm bảo tỷ lệ 1:1 giữa QdB và OSNRdB.
X ác địn h O S N R
Đối với một bộ khuếch đại công suất ra không đổi trên một kênh Pout , nhiễu OSNR liên quan đến P()Ut theo phương trình sau đây:
p ... p...„
OSNR = -SHỈ- =--- ---
P,SC 2n,r ( G - \ ) h v B , (2.17)
Trong đó: nsp là tham số đảo lộn mật độ, G là hệ số khuếch đại theo đơn vị tuyến
tính, h là hằng số Plank, V là tần số quang, và Bm là độ rộng băng đo quang. Đối với
các hệ số khuếch đại hợp lí, tham số đảo lộn mật độ có thể biểu diễn theo chỉ số nhiễu NFjb theo phương trình như sau:
Nếu có một chuỗi N bộ khuếch đại, mỗi bộ khuếch đại bù suy hao trên khoảng lặp (LAmpSpan) trước nó, thì ASE tại đầu ra của chuỗi sẽ được nhân với N. Do vậy, OSNR đối với suy hao khoảng lặp lán hợp lí biêu diễn như sau:
OSNR = ——---sm---- (2.19)
NF-LAmpSpan.hv.Bm.N
Phương trình biểu diễn OSNR theo công suất có thể biểu diễn lại theo đơn vị dB (công suất theo dBm), để thuận tiện cho việc sử dụng. Đối với hệ thống 1550nm. hv =-158,93dBm/Hz. Phương trình trên trở thành:
OSNRd l ^ \ 5 i , 9 ĩ + Pũu:Uímí- L JmrSr„ ư n ~N Fí, -lO log ( m . ) (2.20)
Trong đó Pout là công suất trên kênh theo đBrn, LAmpSpan là suy hao giữa các bộ khuếch đại tính theo dB. Nếu giả thiết độ rộng băng nhiễu 12,5GHz(0,lnm), phương trình trên có thể đơn giản nhu sau:
OSNRd, * 58 + - NFa - 1 0 ìog(Aí) (2.21)
SỐ lượng khoảng lặp có thể tính theo công thức sau:
N — ^Mu-xSpan(dB) ì LAmpSpan(dB) (2.22)
Dựa trên những trình bày ở trên về mối quan hệ giữa BER, Q, OSNR và các tham số liên quan, chúng ta có thể hình thành các bước tính toán như sau:
+ BER được tính theo Q của hệ thống theo công thức sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
BER =— \ = exp
O 'iln
( g 2 \
Với BER yêu cầu của hệ thống, thõng qua phương trình trên ta xác định được chỉ số Q tương ứng của hệ thống.
+ Q có thể tính toán theo OSNR như sau:
( ì
= 0 5 ^ + 1 0 log ^
Từ côns thức này ta thấy với Q véu cầu sẽ tính được giá trị OSNR nhỏ nhất, khi biết độ rộng băng điện Be và độ rộng băng quang Bt1 của kênh.
+ Trong các hệ thống sử dụng các bộ khuếch đại quang, ASE là nhiễu chủ yếu. Do đó OSNR là tham số chính. Trong một chuỗi N bộ khuếch đại trên đường thẳng, mỗi bộ khuếch đại bù lại suy hao trên khoảnơ lặp đó, OSNR tính như sau:
OSNR = p°u'
N F.LAmpSpm.hv.Bm.N
Hay
OSNRdB * 58 + P0lăl(dBm) - L AmpSpan{dB) - NFdB - 1 0 log]0 (n )
Phương trình trên chỉ ra rằng OSNR có thể tăng lên khi tăng PouXPraX giảm NF, hay
khi giảm cự li khoảng lặp. OSNR giảm theo hàm logio(N). Tăng Pout là một cách tốt để tăng OSNR, tuy nhiên công suất tín hiệu bị giới hạn do các hiệu ứng phi tuyến của sợi. Ước tính công suất Poul cực đại để tránh hiệu ứng phi tuyến xảy ra mạnh khoảng 15 dBm[5][6]. NF không thể giảm thấp hơn 3dB-giới hạn lượng tử. Một trong những cách hiệu quả nhất ỉà giảm khoảng lặp. Tuy nhiên cách này sẽ làm tăng giá thành của hệ thốns do số lượng các bộ khuếch đại quang tăng lên.
Chúng ta có thể biểu diễn công thức (2.21) theo hàm của côns suất phát trên kênh đế xác định được công suất phát trên một kênh nhỏ nhất với OSNR vêu cầu nhỏ nhất như sau:
- 4 2 -
- OSNR„„ + L„,pSr,,„m + ,VF„ + 101oglo( j V ) - 5 8
Thiết kế hệ thống trong trường hợp này có thể tiến hành theo hai bước tiếp cận, bất đầu từ máy thu và xác định độ dự trữ máy thu theo phương pháp độ thiệt thòi côno suất. Hai bước này như sau:
+ Xác định OSNR nhỏ nhất(OSNRmịn) cần tại đầu ra của bộ khuếch đại cuối cùng để duy trì được BER yêu cầu cùng với một loạt các suy giảm của chất lượng máy thu.
+ Xác định OSNR cần thêm để bù cho tất cả các suy giảm chất lượng(tán sắc, phi tuyến...) mà vẫn duy trì được BER theo yêu cầu.
2.5.3. Q u ỹ công suất và độ d ự trữ của hệ thống
Mục đích của quỹ côns suất quang là để đảm bảo công suất đến đầu thu ở mức cho phép, xác định phân bổ công suất dọc trên đườne truyền và độ dự trữ cho toàn hệ thống để duy trì được những thông số kỹ thuật của hệ thống trong suốt quá trình hoạt động. Công suất trung bình nhỏ nhất đến máy thu chính là độ nhạy của máy thu Pre. Công suất phát Ptr là công suất phát trên từng kênh của hệ thống. Quỹ công suất được tính theo đơn vị dB, công suất quang biểu diễn theo đơn vị dBm. Hiệu của công suất phát và công suất thu (Ptr- Pre) cho ta quỹ cóng suất trên từng khoảng lặp của hệ thống.
Suy hao trên tuyến có thể hiểu là tất cả những suy giảm tín hiệu trên tuyến khi tín hiệu được truyền từ đầu phát đến đầu thu. Trong quá trình hoạt động của hệ thống, độ dự trữ là rất quan trọng. Nó bù lại cho những suv giảm(già hoá) về chất lượng của các phần tử hệ thống trong quá trình hoạt động, sự không hoàn hảo của của các phần tử cũng như đề phòng các hư hỏng đút cáp trên tuyến không lường trước được. Mối quan hệ giữa đầu phát, đầu thu, phân bổ suy hao trên tuyến, độ dự trữ có thể biểu diễn theo công thức sau:
Hay Plr- A - M > P rc (2.24)
Trong đó:
p.r Công suất phát của đầu phát (dBm)
Pre Độ nhạy thu của đầu thu (dBm)
A Tổng suy hao trên tuyến (dB)
M Độ dự trữ trên tuyến (dB) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo công thức (2.23), Plr phải'đủ lớn, Pre đủ nhạy để đảm bảo yêu cầu về quỹ công suất. Tuy nhiên không phải Plr càng lớn càng tốt. Mức công suất này phải có giới hạn nhất định để tránh các hiệu ứng phi tuyến xảy ra trên sợi, nằm trong giới hạn cho phép để tránh tín hiệu đến máy thu quá lớn làm quá tải đầu thu. Đối với các bộ khuếch đại quang, công suất tới đầu thu quá lớn có thể gây ra hiện tượng bão hoà khuếch đại. Khái niệm quỹ côns suất xem minh hoạ hình 2.5.
- 4 4 -
Đ ầu phát (Ptr dBm)
20dB 25dB \ 20dB Đầu thu
(Pre dBm )
H ìn h 2.5 Q uỹ công suất của hệ thông
Tổng suy hao trên tuyến bao gồm có: suy hao của sợi quang, suy hao nối (connector), suy hao mối hàn, suy hao tách/ghép...Do vậy tổng suy trên tuyến có thể biểu diễn như sau:
A = a ^ L + a con + a spl + ccMux_Demux (2.25) Trong đó: otfi CL CL aMux-Demu.\ L
Suy hao sợi quang dB/km
Suv hao nối-connector(dB)
Suv hao hàn nối(dB)
Suv hao ghép/tách kênh tại đầu phát/thu(dB)
Độ dài truyền dẫn(km)
Độ dự trữ hệ thống M được tổng lại từ độ dự trữ của các phẩn tử trong hệ thống, cụ thể là: Dư trữ đáu phát(M„), dự trữ tách/ghép kênh(M Mux.Dl.mux), dự trữ suv hao
khoảng lặp (M span), dư trữ cáp (M|j), dự trữ bộ khuếch đại quang(M0piAmp)» dự trữ đầu thu(Mrc), và được biểu diễn theo công thức dưới đây:
M = M tr + M MuxDemux + M Span + M JỊ + M 0ptApm + M re (2.26)
Độ dự trữ trong từng mục lớn của từng phần tử nêu trong công thức trên cụ thể bao gồm dự trữ cho từng mục nhỏ hơn và được chia cụ thê cho từng cơ chế suy giảm chất lượng, già hoá, sửa chữa...
Độ dự trữ này cần phải được xem xét kỹ lưỡng vì nó được cộng vào tổng quv công suất ngay từ khi hệ thống bắt đầu đi vào hoạt động và phải đảm bảo cho hệ thống hoạt động tốt đạt yêu cầu BER đến khi hết thời gian sử dụng.
2.5.4. Các th ô n g sô thiết kẻ
Các thông số thiết k ế liên quan đến các phần tử trong hệ thống trong quá trình thiết
kê hệ thống như: các thông số đầu phát, đầu thu, sợi quang, các bộ khuếch đại
quang, bước sóng công tác, khoảng cách kênh,...cần thiết cho quá trình tính toán nêu
trên.