•Trường hợp 1: λ = 1550*10-9(m); η = 0,95; T = 273+25(K); Be = 10*109(Hz) ; Bo = 10-8(m) ; R=50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,21(dB/Km) ; L = 200(Km) L1 = L2 = 100(Km) ; Ptx = - 10(dBm) ; Nsp = 1.26 ; BER = 10-12 ; R=0,85A/W •Trường hợp 2: λ = 1550*10-9(m) ; η = 0,95 ; T = 273+25(K); Be = 5*109(Hz) ; Bo = 10-9(m) ; R=50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,24(dB/Km); L= 200(Km)
L1 = L2 = 100(Km) ; Ptx = - 10(dBm) ; Nsp = 1.26 ; BER = 10-12
Nhận xét: Qua một số trường hợp khác nữa cho kết quả mô phỏng gần giống như hai trường hợp trên. Với BA luôn cần ∆PBER cao hơn. PA có ∆PBER và ít phụ
thuộc vào G. Đối với BA là LA thì g tối ưu (Optimization Gain) là khoảng 28;30 Db. Đồ thị cho thấy rằng: Khi hệ số suy hao ñường truyền tăng thì càng ñòi hỏi
không bị phụ thuộc nhiều lắm vào hệ số khuếch ñại.
4.2.2 Quan hệ giữa ∆PBER với L (Line).
•Trường hợp 1: λ = 1550*10-9(m) ; η = 0,95; T = 273+25(K); Be = 10*109(Hz) ; Bo = 10-9(m) ; R=50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,2(dB/Km) ; Ptx = -10(dBm) ; Nsp = 1.26 ; G = 25( Db) ; L1 = L2 = L/2, BER = 10-2 •Trường hợp 2: λ = 1550*10-9(m); η = 0,95; T = 273+25(K); Be = 7.5*109(Hz) ; Bo = 10-9(m) ; R=50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,24(dB/Km) ; Ptx = - 10(dBm) ; Nsp = 1.26 ; G = 25(Db) ; L1 = L2 = L/2, BER = 10-12
Nhận xét: Với kết quả mô phỏng trên ta thấy, khi cự ly thông tin dưới 180(Km) thì không cần EDFA, và khi ñó công suất cần bù luôn gần bằng 1(Db). Khi cự ly thông tin ñạt ñến giá trị tối ưu Lopt (là giá trị mà tại ñó cự ly truyền dẫn là lớn nhất và công suất bù quang là bé nhất) thì công suất bù quang bắt ñầu tăng ñột biến. Đối với quan hệ theo khoảng cách thì công suất bù quang sẽ phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống hệ số suy hao theo khoảng cách αf . Đồng thời αf cũng sẽ quyết
ñịnh ñến giá trị Lopt. Do ñó, ñể Lopt tăng thì cần phải lựa chọn loại sợi quang nào suy hao theo khoảng cách thích hợp. Đồ thị cũng cho thấy rằng: BA cần ∆PBER nhiều nhất và PA có ∆PBER ít thay ñổi khi L tăng. Đối với αf = 0,2(dB/Km) thì Lopt khoảng 240(Km), còn với αf = 0,24(dB/Km) thì Lopt khoảng 200(Km).Tức là αf càng tăng thì Lopt càng giảm, ñiều này cũng hoàn toàn phù hợp với thực tế.
Chú ý: Trong tất cả các trường hợp xét trên ñây xét với L1 = L2 = L/2 cho LA. Với trường hợp LA, ta xét thêm trường hợp vị trí ñặt LA trên ñường dẫn sau.
λ = 1550*10-9(m) ; η = 0,95; T = 273+25(K); Be = 5*109(Hz) ; Bo = 10 -9(m)
R = 50(Ω) ; αf = 0,2(dB/Km) ; L = 260(Km); G = 25(Db) Ptx = - 10(dBm) ; Nsp = 1,26 ; BER = 10-12
Trục hoành của ñồ thị là giá trị của L1 tính theo (%) của L (ñược chọn là 260Km). Đồ thị cho thấy khi di chuyển EDFA từ nguồn phát ñến thu (tức là LA thay ñổi càng gần tới nguồn thu thì công suất bù giảm dần và ñạt tới giá trị như
trong trường hợp PA).
4.2.3 Quan hệ giữa ∆PBERvới BER.
•Trường hợp 1:
λ = 1550*10-9(m); η=0,95; T=273+25(K); Be = 10*109(Hz) ; Bo = 10-8(m) ; R=50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,21(dB/Km) ;
Ptx = - 10(dBm) ; Nsp = 1.25 ; G=25( Db) ; L=200(Km) ; L1 = L2 = 100(Km) .
•Trường hợp 2:
λ = 1310*10-9(m) ; η = 0,9 ; T = 273+25(K) ; Be = 7,5*109(Hz) ; Bo = 10-9(m) R = 50(Ω) ; mt = 2 ; αf = 0,2 (dB/Km) ;
Ptx = -10(dB/Km) ; Nsp = 1.25; G = 25( dB); L = 200(Km) ; L1 = L2 = 100(Km).
Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy dạng của ñặc tuyến giống với dạng ñặc tuyến trong trường hợp không có EDFA. Điều quan trọng là về quan ñiểm BER mà nói thì việc ñặt EDFA ởñâu là không quá quan trọng dù là BA, LA hay PA thì công suất phải bù thêm vào ∆PBER là gần như nhau. Công suất bù quang sẽ cần phải xem xét khi tỷ lệ lỗi bit BER của tuyến giảm, khả năng tin cậy của tuyến tăng.
4.3 KẾT LUẬN.
Từ các ñồ thị mô phỏng trên ta thấy, phương án PA có tính ưu việt hơn phương án BA, LA, phương án BA tuy ñơn giản nhưng lại cần công suất bù nhiều không mang tính kinh tế ñối với các tuyến ñòi hỏi ñộ tin cậy cao, phương án LA cũng cho thấy ñặt gần nguồn thu quang là tốt nhất.
Công suất bù quang phụ thuộc rất ít vào cách ñặt EDFA, dù có là BA, LA hay PA. Điều này cho phép người thiết kế tuyến có thể rộng rãi hơn trong việc lựa chọn bộ khuếch ñại quang có hệ số khuếch ñại mong muốn.
Công suất bù quang của cả ba phương án ñều tăng dần khi cự ly truyền dẫn tăng (L tăng). Điều này ñược giải thích là công suất tín hiệu bị suy hao trên sợi tỷ lệ
với khoảng cách L, trong khi ñó công suất nhiễu tổng phụ thuộc chủ yếu vào nhiễu trong bộ máy thu (như nhiễu bắn, nhiễu nhiệt) lại không thay ñổi theo L.
Trên ñây luận văn ñã ñề cập ñến khái niệm cự ly truyền dẫn tối ưu Lopt , là cự
ly truyền dẫn mà tại ñó khoảng cách truyền dẫn là lớn nhất (khi không sử dụng EDFA) và công suất bù quang là nhỏ nhất, với mỗi một bộ thông số sẽ cho ta một giá trị Lopt xác ñịnh. Nó sẽ rất có ích khi xây dựng tuyến truyền dẫn, trả lời cho câu hỏi liệu có cần ñưa EDFA không? Kết quả mô phỏng cho thấy, công suất bù quang
ñối với BA, khi cự ly truyền dẫn vượt qua giá trị Lopt sẽ tăng rất nhanh, còn PA dường như ít phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn, ñiều này ñược giải thích như
sau.
Với BA, công suất nhiễu quang từ bộ EDFA ñược truyền từ phía ñầu phát ñến nên bị suy hao trên ñường truyền làm cho các thành phần nhiễu phách liên quan ñến phát xạ tự phát ASE cũng bị giảm theo. Do EDFA khuếch ñại tín hiệu quang hữu ích ñồng thời cũng tạo ra các thành phần nhiễu quang theo cơ chế phát xạ tự phát ASE và cũng bị suy hao khi truyền dọc theo sợi. Do ñó, các thành phần nhiễu ñiện liên quan ñến ASE là nhiễu bắn do phát xạ tự phát cũng giảm. Với LA cũng tương tự nhưng suy hao ít hơn BA và lớn hơn PA.
Một vấn ñề rất quan trọng ñối với BA nữa là do EDFA ñược ñặt ở phía máy phát do ñó tín hiệu quang ñược EDFA khuếch ñại lên G lần, nhưng do suy hao theo cự ly nên công suất quang ñến máy thu sẽ giảm ñi α lần. Chính vì vậy mà tín hiệu quang trong phương án BA sẽ bị suy giảm nhiều nhất theo ñường truyền. Điều này làm gia tăng quỹ công suất dự trữ cho tuyến.
Về quan hệ giữa công suất bù quang với BER thì gần giống quan hệ trong trường hợp không sử dụng EDFA. Với ba phương án là như nhau khi BER thay ñổi.
Điều này càng cho thấy việc tính toán công suất bù ∆PBER là không thể thiếu khi xây dựng tuyến, nó sẽ tăng lên ñáng kể khi tuyến ñòi hỏi ñộ tin cậy cao, tỷ số lỗi bit thấp.
Từ các phân tích và kết quả mô phỏng trên ñây, ta rút ra kết luận là: Khi EDFA ñặt càng gần máy phát (L1 càng nhỏ) thì công suất bù quang càng giảm, vì lúc ñó công suất nhiễu quang ASE ở ñầu ra EDFA càng bị giảm nhiều trên ñường truyền.
CHƯƠNG 5:
CƠ SỞ THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG SDH
5.1 LỰA CHỌN DIODE THU TRONG THIẾT KẾ TUYẾN.
Khi thiết kế một tuyến thông tin quang, các dữ liệu ban ñầu mà người thiết kế
có ñược thường là:
-Dung lượng (Mbit/s hoặc Gbit/s) của tuyến, ñây cũng chính là băng tần B của hệ thống (MHz hoặc GHz).
-Cự ly của tuyến thông tin L (Km).
-Chỉ tiêu chất lượng yêu cầu tại ñầu thu ñó là tỷ số lỗi bit BER (nếu là tuyến số) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N và chỉ tiêu ñộ tán xạ (nếu là tuyến tương tự).
Những số liệu này có ñược từ nhu cầu thông tin thực tếñặt ra. Người thiết kế
không chỉ có nhiệm vụ thiết kế tuyến ñảm bảo các chỉ tiêu chất lượng kỹ thuật mà còn phải ñảm bảo hàng loạt các vấn ñề khác (ñược trình bày sau ñây).
a. Giá thành hệ thống bao gồm.
-Chi phí cho ba thành phần cơ bản: Nguồn quang, sợi quang, bộ thu quang. -Chi phí lắp ñặt.
-Chi phí bảo dưỡng thiết bị. b. Độ tin cậy của hệ thống.
c. Khả năng phát triển dung lượng của hệ thống tức là khả năng tăng số B.L với chi phí phụ thêm nhỏ nhất.
d. Đảm bảo hiệu quả cao về công nghệ.
e. Tính thông dụng trên thị trường của các thiết bị. -Dễ mua.
Tất cả những yêu cầu ñó ñòi hỏi người thiết kế phải ñưa ra sự lựa chọn các thành phần hệ thống một cách thích hợp ñể tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống cho một mục ñích nhất ñịnh.
Khả năng lựa chọn thiết bị, vật liệu, lựa chọn các ñặc tính cũng như các yếu tố
cần quan tâm ñối với bộ thu quang ñược tổng kết trong Bảng 4-1.
Lựa chọn thiết bị PIN hoặc APD
Vật liệu Si, Ge hoặc InGaAs Các ñặc tính - Đường kính hữu hiệu của bộ tách sóng quang. - Bước sóng làm việc. - Hiệu suất lượng tử hóa. - Bước sóng tại ñó ñộ nhậy ñạt cực ñại. - Băng tần. - Điện áp cung cấp. - Hệ số khuếch ñại thác và tạp âm. - Dòng tối. - Điều khiển hồi tiếp (nhằm ñảm bảo ổn ñịnh công tác cho bộ tách quang).
- Giá thành thiết bị, khả năng sẵn có trên thị trường. - Khả năng nâng cấp hệ thống.
Thiết kế bộ thu - Bộ tiền khuếch ñại và bộ khuếch ñại chính.
- Trở kháng ñầu vào (hỗ dẫn ngược hay trở kháng cao). - Yêu cầu chất lượng BER hoặc S/N.
- Độ nhậy máy thu. - Dạng dữ liệu. - Công suất tiêu thụ.
- Phạm vi biến ñổi mức thu.
5.1.1 Những ñặc ñiểm quan trọng của PIN.
5.1.1.1 Ưu ñiểm.
•Làm việc tin cậy, nhiễu thấp, ñộổn ñịnh nhiệt cao do ñó mạch ổn ñịnh nhiệt ñơn giản. •Điện áp làm việc thấp. •Sẵn có trên thị trường. •Giá thành rẻ. 5.1.1.2 Nhược ñiểm. •Không có khả năng khuếch ñại, do ñó ñộ nhậy thấp.
•Tốc ñộ hoạt ñộng không cao, (tối ña vài trăm Mbit/s) khi cự ly truyền dẫn xa.
5.1.2 Những ñặc ñiểm quan trọng của APD.
5.1.2.1 Ưu ñiểm.
•Có khả năng tự khuếch ñại nhờ hiệu ứng thác. Hệ số khuếch ñại M khá lớn, do ñó ñộ nhậy cao hơn PIN (khoảng từ 5 – 15 DB).
•Mức thu có thể thay ñổi ñộ rộng bằng việc ñiều khiển hệ số M.
•APD thường cho tỷ số S/N lớn hơn so với PIN.
•Cho phép kéo dài cự ly thông tin.
•Tốc ñộ hoạt ñộng cao, tối ña là vài trăm Gbit/s. 5.1.2.2 Nhược ñiểm.
•Độ ổn ñịnh nhiệt, ñộ tin cậy không cao. Yêu cầu mạch ra ổn ñịnh nhiệt phức tạp.
•Điện áp làm việc cao.
•Nhiễu lớn hơn PIN.
Silicon Germani InGaAs
Tham số
PIN APD PIN APD PIN APD
Khoảng bước sóng (nm) 400 - 1100 800 - 1800 900 - 1700 Bước sóng tại ñộ nhậy cực ñại (nm) 900 830 1550 1300 1300 1300 Hiệu suất lượng tử (%) 65 - 90 77 50 - 55 55 - 75 60 - 70 60 – 70 Thời gian tăng sườn xung (ns) 0,1 - 1 0,1 - 2 0,1 – 0,5 0,5 – 0,8 0,06 – 0,5 0,1 – 0,5 Điện áp phân cực (V) 45 - 100 220 6 - 10 20 - 35 5 < 30 Tăng ích M 1 150 - 250 1 5 - 40 1 10 - 30
Bảng 5-2: Một số thông sốñiển hình của PIN và APD. 5.2 CƠ SỞ THIẾT KẾ TUYẾN SDH.
5.2.1 Cơ sở lý thuyết.
Bài toán phân tích thiết kế hệ thống SDH gồm có nhiều bước, và phải dựa vào các tham số chuẩn của Card GDQ ñể phân tích quỹ thời gian và quỹ công suất, kiểm
ñịnh chất lượng hệ thống. Trong phần này luận văn sẽ tìm hiểu cách xây dựng tuyến thông tin trong truyền dẫn SDH.
5.2.1.1 Tính toán thiết kế theo quỹ thời gian.
Thiết lập quỹ thời gian là quá trình tìm kiểm tra giới hạn băng thông của hệ
Trong ñó:
ts: thời gian lên của xung ánh sáng (rise time of system). tld: thời gian lên của nguồn quang (light source rise time). tfb : thời gian lên của sợi quang (fiber rise time).
tpd: thời gian lên của photodiode (photodiode rise time). Hiển nhiên: ts >tld , ts > tfb , ts > tpd
Thời gian lên của sợi quang ñược xác ñịnh bởi:
2 2 2 mod wg mat fb t t t t = + + tmod: là tán sắc mode. tmat: là tán sắc vật liệu. twg: là tán sắc dẫn sóng. Trong ñó : tmat = Mm.∆λ.L [ps] Mm : là hệ số tán sắc vật liệu [ps/nm.km] twg = Mwg.∆λ.L[ps] Mwg: là hệ số tán sắc dẫn sóng [ps/nm.km] Tổng tán sắc là: tdis = Mdis.∆λ.L[ps] (Mdis = Mwg + Mm là tổng hệ số tán sắc vật liệu và tán sắc dẫn sóng)
Độ dãn xung do tán sắc mode ñược xác ñịnh bởi :
L n c n n n t 2 2 1 mod . ) .( − = cho sợi SI (L>>1km)
L c n t . . 2 1 mod = ∆ cho sợi GI (L>>1km)
Với: n1, n2 lần lượt là chiết suất của lõi và vỏ sợi quang.
1 2 1 n n n − = ∆
Thời gian lên của photodiode tách sóng quang là :
2 2 ct tr pd t t t = + tr
t : là thời gian vượt của hạt thường là khoảng 1ns.
ct
t : là thời gian lên của mạch ñiện (circuit rise time).
d L
ct R C
t = 2,19 .
Với:RLlà ñiện trở tải, Cd là ñiện dung tiếp giáp (thường khoảng 1-10pF).
Để thỏa mãn theo quỹ thời gian thì: R ts 0,35 ≤ ñối với tín hiệu là RZ. R ts 0,7 ≤ ñối với tín hiệu là NRZ. 5.2.1.2 Tính toán thiết kế theo quỹ công suất.
Phân bố quỹ công suất như sau:
( cp ct sp fb sys BER) rec
t L L L L M P S
P − + + + + +∆ ≥
Trong ñó:
Pt: là công suất phát của nguồn quang (Tranhsmission power of light source [dBm]).
Lcp: là suy hao ghép (Coupling Loss [dB]) tổn hao do các bộ chia quang. Lct: là suy hao nối (Connector Loss [dB]) suy hao ghép nối từ nguồn phát vào sợi quang, từ sợi quang ñến máy thu và giữa các bộ phận chia quang.
Lsp: là suy hao hàn (Splicing Loss [dB]).
Lfb: là suy hao sợi quang (Fiber Loss [dB]). Msys: là công suất dự trữ tuyến (System Margin). Srec: là ñộ nhậy thu (Receiver Sensitivity [dBm]).
∆PBER: là công suất bù BER ñược tính toán chi tiết nhưñã thảo luận ở trên. Thông thường laser diode (LD) có thể cho công suất quang lớn hơn nhiều lần so với LED. Hơn nữa LD có hiệu quả ghép tốt hơn LED, LD có thểñưa nhiều công suất quang ñáng kể vào sợi quang hơn là LED. Chính vì vậy khi quyết ñịnh lượng công suất quang ñầu ra, chúng ta phải chú ý ñến ñặc tính phi tuyến và sự phụ thuộc nhiệt ñộ của LED và LD. Phi tuyến thể hiện rõ nhất ñối với LED ở dòng có xu hướng cao (tại mức bão hòa), và ñối với LD ở dòng có xu hướng thấp (tại mức ngưỡng).
Các thành phần suy hao bao gồm các loại suy hao và dự trữ công suất. Suy hao ñường truyền (suy hao loại này là chủ yếu):
L d
DAtt_ca = Att.. [dB]
Att
Suy hao tại các mối hàn Lsp, suy hao tại các mối ghép quang Lct : [ ] ( ) ct Att L L l L L d A SP + − + = . / 1.
[L/l] : là phần nguyên của thương L/l với l là chiều dài của một cuộn cáp.
Đểñánh giá công suất suy hao thiết kếñặc trưng của tuyến ta ñưa ra một tham số riêng cho từng tuyến riêng biệt αsys.
L P M A sys penalty sys + + = α penalty
P : là công suất thiệt thòi ñường truyền.
5.2.2 Tìm SNR khi biết BER.
Một vấn ñề là khi biết BER thì tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm tương ứng với BER ñó như thế nào ? Mối quan hệ này sẽ giúp ta ñánh giá dễ dàng hơn trong việc lựa chọn Card ñược dùng cho mỗi tuyến. Các bước tìm SNR ñược trình bày như sau :
( )x erfc( )x Q
BER= = với x=0,354. SNR trong ñó erfc(x) là hàm bù lỗi
x e BER x . 2 1 2 π − = (5.1) Vậy : x e x i x . 2 1 2 π − =
5.2.3 Khi biết SNR tính BER.
Để ñánh giá chất lượng truyền dẫn của hệ thống ta phải tìm lại tỷ lệ lỗi bít