Ưu điểm: Được sử dụng để phân tích các hệ thống điều chế tín hiệu số, phân tích các tham số chuyên sâu của hệ thống điều chế. Kết quả của phép phân tích tín hiệu điều chế cho biết chất lượng của các bộ điều chế, các tham số của tín hiệu điều chế sau khi được truyền dẫn. Dải tần số làm việc rộng, thời gian thực hiện phép đo nhanh và thực hiện trong thời gian thực. Kết quả của phép phân tích có độ chính xác cao vì nguyên lý hoạt động của phương pháp dựa trên các phép biến đổi thời gian thực tín hiệu.
Nhược điểm: Để phân tích kết quả của một phép đo phân tích vector tín hiệu điều chế số yêu cầu người thực hiện phải có kiến thức sâu về điều và giải điều chế cũng như về mạng truyền dẫn. Mỗi phép đo cần thiết lập nhiều tham số cho phù hợp với hệ thống đo. Thiết bị đo thường có giá tương đối cao do thiết bị yêu cầu độ chính xác cao và làm việc ở tần số lớn, độ phân dải cao.
Kết luận
Việc phân tích tín hiệu để đánh giá chất lượng truyền dẫn thông tin là một việc rất cấp thiết hiện nay. Tất cả các hãng viễn thông lớn đều thành lập các bộ phận chuyên trách, chuyên nghiên cứu chuyên sâu để phân tích các lỗi xảy ra đối với hệ thống. Với mỗi một tham số thì sẽ có các phương pháp phân tích tương ứng để kết quả phân tích là tin cậy nhất. Bốn kỹ thuật phân tích bao gồm phân tích mặt nạ xung, phân tích mẫu mắt, phân tích phổ và phân tích vector tín hiệu điều chế là các kỹ thuật phân tích tín hiệu số phổ biến nhất được sử dụng hiện nay. Với bốn kỹ thuật này thì hầu hết các tham số về chất lượng tín hiệu có thể được thể hiện trực tiếp hoặc suy ra theo lý thuyết để từ đó có các đánh giá về chất lượng tín hiệu.
Luận văn đã nghiên cứu được các vấn đề lý thuyết về dạng xung tín hiệu, mẫu mắt tín hiệu truyền dẫn, kỹ thuật phân tích phổ tín hiệu, kỹ thuật phân tích vector tín hiệu điều chế số. Mỗi kỹ thuật phân tích đều nêu rõ được cơ sở lý thuyết, cơ sở và sơ đồ khối thiết bị phân tích.
Về kết quả thực tế, học viên đã thực hiện đo kiểm hệ thống mạng thực tế, phân tích các kết quả thu được. Thực hiện đo kiểm dạng xung và mẫu mắt truyền dẫn của tín hiệu E1, phân tích và đánh giá tín hiệu đo được với tiêu chuẩn G.703 của khuyện nghị ITU-T. Thực hiện phân tích phổ tín hiệu quang của dịch vụ truyền dẫn DWDM với 10 bước sóng đang sử dụng và phổ của tín hiệu SDH 10Gbps. Phân tích vector tín hiệu điều chế của hệ thống GSM, phân tích các tham số của tín hiệu điều chế QPSK trong hệ thống thu phát tín hiệu.
Với mỗi kỹ thuật phân tích, học viên đã đưa ra quy trình các bước thực hiện phép đo, các tham số cần thiết lập khi thực hiện các kỹ thuật phân tích.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
BÀI BÁO “PHÂN TÍCH TỈ SỐ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU VÀ CÔNG SUẤT NHIỄU OSNR TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG”
Đặng Trần Chiến, PGS.TS. Trƣơng Vũ Bằng Giang
ABSTRACT
OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) is one of the most importance parameter in optical networks. This paper will show how to understand OSNR and formula to calculate OSNR in optical transmission systems. We will show some reasons caused OSNR decreased and some methods to improve it. To understand OSNR help designers optimize network and operators discover network problems more and more quickly.
1. MỞ ĐẦU
Trong công nghệ truyền thông thì hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang ngày càng chiếm ưu thế tuyệt đối, đặc biệt là trong các dịch vụ yêu cầu dung lượng lớn, tốc độ cao và truyền đi trên các khoảng cách xa. Rất nhiều tham số, phép đo được đưa ra nhằm phân tích, đánh giá chất lượng tín hiệu của mạng truyền dẫn quang. ONSR là một trong những tham số phổ biến được sử dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu quang.
Thông số OSNR được có thể được sử dụng trong thiết kế mạng cũng như để đánh giá chất lượng của các kênh quang. Các kỹ thuật tính toán OSNR dựa theo định nghĩa cổ điển trước đây[1], [2] gặp nhiều khó khăn trong việc xác định công suất tín hiệu và nhiễu quang tại một bước sóng và thường cho kết quả không chính xác. Việc kết hợp thêm các yếu tố về băng thông tham chiếu vào phép đo làm đơn giản, trực quan hơn trong việc xác định công suất của một dải hẹp băng thông và cho kết quả đo chính xác hơn.
2. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH OSNR
OSNR là tỉ số giữa công suất tín hiệu (dBm) và công suất nhiễu quang (dBm) của một kênh quang
trên một băng tần xác định. Công suất tín hiệu là năng lượng hữu ích của ánh sáng nhằm truyền đạt các thông tin của người sử dụng. Nguồn nhiễu có thể do bộ phát, xuyên nhiễu giữa các tín hiệu hoặc phát xạ tự phát (Amplified Spontaneous Emission - ASE) của bộ khuếch đại EDFA. Từ định nghĩa ta có công thức xác định OSNR [1] như sau:
OSNR (dB) = 10 × log nhieu hieu tin P P _ (1) Trong đó:
Ptin_hieu là công suất tín hiệu quang trên băng thông phân giải (resolution bandwidth - RBW), theo đơn vị tuyến tính (W);
Pnhieu là công suất nhiễu quang tích hợp, theo đơn vị tuyến tính (W).
Hình 1: Xác định OSNR
Các giá trị này được xác định và tính toán theo tham chiếu đến RBW (Resolution Bandwidth) được mô tả trên hình 1. RBW là độ phân giải băng thông của thiết bị đo. Thông thường giá trị RBW bằng 0,1 nm hoặc thiết lập theo mong muốn của người sử dụng thiết bị đo.
P1
Ptin_hieu
Pnhieu
Tham khảo hình 1, Pnhieu được tính bằng cách xác định công suất nhiễu tại các vùng lõm xuống (valley) của phổ tín hiệu (trong hình vẽ là các điểm P1 và P2) nằm ở hai bên cách tần số trung tâm tín hiệu đỉnh một khoảng +∆λ [3].
Kỹ thuật đo OSNR theo TIA/EIA-526-19
Tiêu chuẩn đo OSNR của TIA/EIA-526-19 [4] tương tự như mô tả ở trên, ngoại trừ việc thêm một
số hạng là băng thông quang tham chiếu (Br -
Reference Optical Bandwidth) vào phép tính:
OSNR(dB) = 10 log nhieu hieu tin P P _ + 10 log r m B B (2) Trong đó:
Bm là băng thông đo nhiễu tương đương của
thiết bị đo;
Br là băng thông quang tham chiếu (giá trị tiêu chuẩn bằng 0,1 nm).
Trong phương pháp tính này, có số hạng Bm vì
trên thực tế có thể hai phép đo sẽ có độ phân giải khác nhau. Một phép đo dùng để đo nhiễu và phép đo thứ hai để đo tín hiệu. Số hạng thứ hai trong
phương trình là Br tỉ lệ lại phép đo nhiễu để đưa về
băng thông tương đương, nó không nhất thiết phải bằng RBW.
- Tính OSNR cho một tuyến quang
Theo định nghĩa OSNR được tính theo công thức (1): OSNR (dB) = 10log ) ( ) ( _ mW P mW P nhieu hieu tin = Ptin_hieu (dBm) – Pnhieu (dBm) (3). Đối với một tuyến quang mà giữa phía phát và phía thu chỉ có N trạm khuếch đại thì tham số OSNR được tính như sau
OSNR = Pra - PASE – 10logN (4),
hoặc được tính theo công thức:
0 Log 10 Log 10 P L NF N h OSNR ra (5)
Thay các giá trị của hυ ta có công thức tính như sau:
OSNR = Pra - L - NF - 10LogN + 58 (6)
Trong đó:
Pra: công suất phát của mỗi kênh tại phía phát theo dBm;
PASE: công suất của nhiễu phát xạ tự phát của
các bộ khuếch đại;
L: suy hao đoạn tuyến giữa các bộ khuếch đại theo dB;
NF: hệ số nhiễu (Noise Figure);
Δυ0: Độ rộng phổ quang;
N: số lượng đoạn tuyến và giả thiết là suy hao của tất cả các đoạn tuyến là bằng nhau.
Tham số OSNR sẽ suy giảm dần khi đi qua các bộ khuếch đại. Hình 2 minh họa cho sự thăng giáng của công suất tín hiệu, công suất nhiễu và sự biến đổi của OSNR đối với một tuyến quang.
Hình 2: Đặc tuyến OSNR theo chiều dài tuyến
3. CÁC BƢỚC THỰC HIỆN ĐO OSNR
Các bước thực hiện bài đo tham số OSNR cho một tuyến truyền dẫn quang được mô tả theo lưu đồ sau: Txn Tx1 Rxn Rx1 OA OA OA OA OA OA Công suất (dBm) L (Km ) 0 0 OSNR (dB) L (Km ) Công suất tín hiệu Công suất nhiễu
Hình 3: Các bước thực hiện đo kiểm OSNR
Phép đo OSNR gồm có sáu bước. Bước thứ nhất, khởi động cho thiết bị đo kiểm chạy ổn định, thông thường thời gian để các thiết bị đo kiểm khởi động mất khoảng 10 phút. Bước hai, thực hiện kết nối thiết bị đo với các giao diện cần đo (tham khảo hình 3 về sơ đồ kết nối thiết bị đo với thiết bị truyền dẫn).
Hình 4: sơ đồ kết nối thực hiện đo OSNR
Bước ba là thiết lập các tham số cho máy đo. Các tham số cần thiết lập chủ yếu là dải bước sóng cần đo, chế độ đo, thời gian đo, độ phân giải băng thông,… Sau khi thiết lập đầy đủ các tham số cần thiết ta thực hiện bài đo OSNR (bước bốn). Bước năm, lưu các kết quả đo để làm cơ sở phân tích,
đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn. Sau khi hoàn tất các phép đo, tắt nguồn thiết bị đo.
4. VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ về phƣơng pháp tính OSNR:
Tính giá trị OSNR cho một tuyến truyền dẫn gồm 5 đoạn tuyến, suy hao mỗi tuyến L = 20dB, độ khuếch đại G = 20dB, hệ số nhiễu NF = 7.7dB, công suất đầu ra Pra = 4dBm, công suất đầu vào Pin = -16dBm.
Áp dụng công thức (6) ta có:
OSNR = Pra - L - NF - 10LogN + 58.
Hình 5: Tính toán OSNR cho một tuyến cụ thể Kết quả: PASE = -58 + NF + G = -58 + 7,7 + 20 = -30,30 (dBm) OSNR1 = 4 – 20 – 7,7 – 10log1 + 58 = 34,30 (dB) OSNR2= 34,3 – 10log2 = 31,29 (dB), OSNR3= 34,3 – 10log3 = 29,53 (dB), OSNR4= 34,3 – 10log4 = 28,28 (dB), OSNR5= 34,3 – 10log5 = 27,31 (dB).
Việc tính toán được trước các giá trị OSNR là một khâu rất quan trọng trong quá trình thiết kế một tuyến truyền dẫn quang. Căn cứ và các kết quả tính theo lý thuyết, người thiết kế có thể đưa ra các quyết định về đầu tư thiết bị tối ưu nhất.
Ví dụ kết quả đo OSNR bằng máy phân tích phổ:
Dưới đây là kết quả đo của một hệ thống DWDM gồm 8 bước sóng được ghép và truyền đi trên cùng một sợi quang:
Pin1 NF5 NF2 NF1 λ1 λi λ1 λi OA OA OA Pin2 Pin5 Chờ máy đo ổn định
Kết nối thiết bị đo với giao diện cần đo
Thiết lập tham số đo
Thực hiện đo
Ghi số liệu kết quả đo vào bộ nhớ Tắt nguồn Bật nguồn (Bước 1) (Bước 2) (Bước 3) (Bước 4) (Bước 5) (Bước 6)
Hình 6: kết quả đo của máy phân tích phổ hệ thống gồm 8 bước sóng làm việc.
Hình 7: kết quả đo OSNR của một tuyến truyền dẫn quang gồm 8 bước sóng.
Tần số làm việc của 8 bước sóng từ 193,1THz đến 193,8THz (khoảng cách kênh là 0,1THz) được truyền đi với khoảng cách truyền dẫn là 50Km.
Kết quả đo cho thấy OSNR của tuyến là rất tốt (thông thường với hệ thống DWDM yêu cầu OSNR > 29dB khi không sử dụng FEC). Khi kết quả máy đo cho biết OSNR của một tuyến thấp hơn giá trị tối thiểu thì cần phân tích nguyên nhân để tìm ra các biện pháp khắc phục.
5. Ý NGHĨA CỦA THAM SỐ OSNR
Một nguyên nhân làm cho truyền dẫn quang bị hạn chế về khoảng cách truyền dù đã sử dụng các bộ khuếch đại là do giá trị OSNR thấp xuống dưới ngưỡng yêu cầu tối thiểu[5]. Khi tín hiệu qua các bộ khuếch đại, năng lượng của tín hiệu có thể lớn nhưng OSNR lại thấp đo bộ khuếch đại đã khuếch đại cả năng lượng của nhiễu. Vịệc tính toán được trước giá trị OSNR giúp người thiết kế mạng xác định được vị trí các trạm phát tái tạo tín hiệu (REG –
Regenerator signal) nhằm hạn chế sự suy giảm OSNR của tín hiệu khi đi qua các trạm khuếch đại.
OSNR biểu thị chất lượng của tín hiệu thu. OSNR được dùng để ước lượng tỉ số lỗi bit (BER - Bit Error Ratio) [4]. Từ mức BER yêu cầu có thể tính ra mức OSNR tối thiểu cần phải đạt.
Bảng sau đây thể hiện sự tương quan giữa hai tham số OSNR và BER của một hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang [6], [7]:
BER Loại FEC OSNRmin OSNR tại OTU 10-12 Không dùng FEC 25 dB ≥ 28 dB 10-12 FEC 20 dB ≥ 23 dB 10-12 AFEC 18 dB ≥ 21 dB 10-12 EFEC 18 dB ≥ 21 dB 10-12 ERZ FEC 15 dB ≥ 18 dB
Bảng 1: giá trị OSNR và BER tham khảo của hệ thống DWDM
OSNR là một trong các căn cứ để người thiết kế mạng truyền đẫn tính toán loại thiết bị, khoảng cách truyền, loại cáp, mức công suất phát, … phù hợp nhằm đảm bảo chất lượng yêu cầu với chi phí đầu tư thấp nhất.
Đối với một mạng truyền dẫn quang đang hoạt động, việc đo kiểm định kỳ OSNR giúp người vận hành khai thác phát hiện được các sự lỗi trên mạng để từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Khi OSNR không thỏa mãn giá trị yêu cầu tối thiểu thì có thể thực hiện thực hiện các biện pháp sau [3], [5], [7], [8]:
Khi OSNR suy giảm do suy hao tuyến quá lớn thì thực hiện giảm suy hao tuyến bằng cách bảo dưỡng cáp, kiểm tra dây nhảy, mối hàn, măng xông, ODF, thay bộ suy hao khác có giá trị nhỏ hơn.
Khi OSNR quá thấp do công suất phát của thiết bị quá thấp thì có thể tăng công suất phát của thiết bị hoặc lắp thêm các card khuếch đại.
Chèn thêm trạm lặp để tái tạo tín hiệu. Biện pháp này sẽ cải thiện OSNR rất tốt nhưng chi phí cao và thực hiện phức tạp với một mạng đang họat động.
6. KẾT LUẬN
Bài báo đã phân tích được các cơ sở lý thuyết, phương pháp tính và quy trình đo kiểm tham số OSNR trong một hệ thống truyền thông tín hiệu quang. Trong phạm vi bài viết, các tác giả cũng nêu ra một số nguyên nhân và phương pháp xử lý khi tham số OSNR của hệ thống quang bị suy giảm. Đo kiểm thường xuyên tham số OSNR sẽ giúp người khai thác, vận hành và bảo dưỡng mạng quang có được các phân tích các phương pháp khắc phục chính xác các nguyên nhân làm suy giảm chất lượng tín hiệu quang.
Tài liệu tham khảo cho bài báo
[1] Transmission media characteristics –
Characteristics ofoptical components and sub- systems, G.692, ITU-T , 10/1998.
[2] Transmission systems and media, digital system and networks, G.975, ITU-T , 02/2006.
[3] Optical Signal-to-Noise Ratio Measurement Procedures for Dense Wavelength-Division Multiplexed Systems, IHS - TIA TIA/EIA-526-19 OFSTP-19, 01/2000.
[4] Q factor in numerical simulations of DPSK with optical delay demodulation Xing Wei, Xiang Liu, and Chris Xu.
[5] Keiser, G. Optical Fiber Communications, Third
Edition. McGraw-Hill, 2000.
[6] Special Topics Slides, Huawei Technology. [7] WDM PrincipleISSUE1.1, Huawei Technology.
[8] Ramamurthiu, B. Design of Optical WDM
Networks, LAN, MAN, and WAN Architectures.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Hồ Văn Sung (2007), Xử lý số tín hiệu, tr. 7, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2. TCN 68-171 (1998), Đồng hồ chủ trong mạng đồng bộ, Vụ Khoa học công nghệ -
Hợp tác quốc tế, tr. 7.
Tiếng Anh
3. Fuqin Xiong (2006), Digital Modulation Techniques, second edition, Atech House, pp 19-42, pp 99-270.
4. G.703 (10/1998), Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interface, ITU-T, pp 16-24- 42.
5. HP (2002), “Eye-Diagram Analysis User’s Guide”, Agilent Technologies, USA. 6. HP Application Note 243, The Fundamentals of signal analysis, Agilent
Technologies, USA.
7. HP Application Note 1550-4, Optical spectrum analysis basics, Agilent Technologies, USA.
8. JDSU, “Q-factor”, Pocket guide, JDSU Eningen GmbH, Germany.
9. JDSU, Portable, modular platform designed for the construction, validation and maintenance of optical fiber networks, User manual, JDSU Eningen GmbH, Germany.
10. John G. Proakis & Dimitris G. Manolakis, Digital Signal Processing Principles, Algirithms and Applications, Third Edition.
11. OptiSystem, Optical Communication System Design Software, Getting Started,