Báo cáo khoa học: "So sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M - QAM có sử dụng bộ khuếch đại quang"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Nguyễn Phương Hà Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

102
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo so sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M - QAM sử dụng các bộ khuếch đại quang. Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR sau tách sóng quang đ-ợc tính toán, so sánh và mô phỏng với ba ph-ơng án sử dụng EDFA trên tuyến: làm khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đ-ờng truyền (LA), hay tiền khuếch đại (PA).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "So sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M - QAM có sử dụng bộ khuếch đại quang"

So s¸nh ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang M - QAM cã sö dông bé khuÕch ®¹i quang KS. Lª trung thµnh Bé m«n Th«ng tin - ViÔn th«ng Khoa §iÖn - §iÖn tö - Tr−êng §¹i häc GTVT Tãm t¾t: Bμi b¸o so s¸nh ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang M - QAM sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i quang. Tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR sau t¸ch sãng quang ®−îc tÝnh to¸n, so s¸nh vμ m« pháng víi ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trªn tuyÕn: lμm khuÕch ®¹i c«ng suÊt (BA), khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA), hay tiÒn khuÕch ®¹i (PA). Summary: In this paper, we investigate the performance of M - QAM optical communication systems with optical amplification. The Carrier to Noise Ratio (CNR) at the receiver is calculated for three types: EDFA is used as Booster Amplifier (BA), In - line Amplifier (LA), or Pre - Amplifier. The results are compared and simulated with different parameters of the system. i. giíi thiÖu Trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang c¸c bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA th−êng ®−îc sö dông lµm: khuÕch ®¹i c«ng suÊt (BA), khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA) hay tiÒn khuÕch ®¹i (PA). Tuú theo vÞ trÝ sö dông mµ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn eSNR (electrical Signal to Noise Ratio) vµ c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR (Carrier to Noise Ratio) sau t¸ch sãng quang kh¸c nhau. ViÖc tÝnh to¸n eSNR vµ vÞ trÝ tèi −u cña EDFA trªn tuyÕn th«ng tin quang ®· ®−îc ®−a ra trong mét sè c«ng tr×nh [1, 2]. Tuy nhiªn, c¸c kÕt qu¶ ®ã míi chØ xÐt cho hÖ thèng th«ng tin quang ®iÒu biÕn c−êng ®é - t¸ch sãng trùc tiÕp (IM - DD), cßn trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang truyÒn dÉn tÝn hiÖu cao tÇn RF, nh− tÝn hiÖu h×nh ¶nh ®−îc ®iÒu chÕ M - QAM th× ch−a ®−îc nghiªn cøu. Trong bµi b¸o nµy chóng t«i sÏ nghiªn cøu vÞ trÝ ®Æt tèi −u cña EDFA trªn tuyÕn th«ng tin quang M-QAM dùa vµo CNR sau t¸ch sãng quang cho c¶ ba tr−êng hîp sö dông EDFA lµm khuÕch ®¹i c«ng suÊt, khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn hay khuÕch ®¹i c«ng suÊt. ii. M« h×nh tÝnh to¸n Cnr Bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA cã thÓ ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i c«ng suÊt BA, khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA hay tiÒn khuÕch ®¹i PA (h×nh 1).
a/ b/ c/ H×nh 1. HÖ thèng truyÒn tÝn hiÖu M – QAM qua sîi quang cã sö dông EDFA lμm: a. KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt (BA) b. KhuyÕch ®¹i ®−êng truyÒn (LA) c. TiÒn khuyÕch ®¹i (PA) 1. TÝnh CNR cho mét ®iÓm tÝn hiÖu sau t¸ch sãng quang Víi hÖ thèng ®iÒu chÕ M - QAM, ®Ó tÝnh to¸n tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m cña toµn bé hÖ thèng CNR avr (gåm M ®iÓm tÝn hiÖu), tr−íc hÕt ta cÇn tÝnh CNR cho mét ®iÓm tÝn hiÖu. C«ng thøc tÝnh CNR sau t¸ch sãng quang ®−îc x¸c ®Þnh [3, 5]: 0,5m 2I 2 CNR = s (1) σ2 tot Trong ®ã m lµ chØ sè ®iÒu chÕ quang, I s = ℜPs lµ dßng ph«t« sau t¸ch sãng; ℜ, Ps t−¬ng øng lµ ®¸p øng vµ c«ng suÊt quang ®Õn cña bé t¸ch sãng; σ 2 lµ tæng c«ng suÊt t¹p ©m sau tot t¸ch sãng, σ 2 ®−îc tÝnh nh− sau [2]: tot σ 2 = σ 2 + σ 2− sp + σ 2 + σ RIN , 2 (2) tot sh s th víi σ 2 , σ 2− sp , σ 2 − sp , σ RIN , σ 2 t−¬ng øng lµ c«ng suÊt t¹p ©m l−îng tö, c«ng suÊt t¹p ©m 2 sh s sp th ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu vµ ph¸t x¹ tù ph¸t, c«ng suÊt t¹p ©m ph¸ch gi÷a ph¸t x¹ tù ph¸t- tù ph¸t, c«ng suÊt t¹p ©m c−êng ®é t−¬ng ®èi vµ c«ng suÊt t¹p ©m nhiÖt sau t¸ch sãng quang, ®−îc x¸c ®Þnh bëi: Be σ 2 = 2eB e α 2 (Gℜα 1Ptx + I ASE ); σ 2− sp = 2 α 1α 2 GℜPtx I ASE ; sh s 2 B0 Be 2 B 4kTBe σ 2 − sp = α 2 IASE (B0 − e ); σRIN = RIN(GIS )2 ; σ 2 = 2 , sp 2 th B0 2 R
trong ®ã: Be, B0 lµ b¨ng tÇn ®iÖn cña bé thu vµ b¨ng tÇn quang cña bé läc quang sau EDFA; e,k, R, T lÇn l−ît lµ ®iÖn tÝch electron, h»ng sè Boltzman, ®iÖn trë sau t¸ch sãng vµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi; I ASE lµ dßng ph«t« t¹o ra do ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i sau t¸ch sãng, I ASE = ℜPASE = 2ℜn sp hν(G − 1)B 0 ; PASE lµ c«ng suÊt cña ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i; nsp,h, ν, G t−¬ng øng lµ hÖ sè ph¸t x¹, h»ng sè Planck, tÇn sè quang vµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña EDFA; α 1 , α 2 lµ hÖ sè suy hao sîi quang tõ nguån ph¸t ®Õn EDFA vµ tõ EDFA ®Õn bé t¸ch sãng quang t−¬ng øng. Do vËy, CNR sau t¸ch sãng quang khi EDFA ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA lµ: 0,5m 2 (Gα 1α 2 ℜPtx ) 2 CNR = Be Be B 4kTB e 2eB e α 2 (Gℜα 1Ptx + I ASE ) + 2 α 1α 2 GℜPtx I ASE + α 2 2 I2 (B 0 − e ) + RIN(Gα 1α 2 ℜPtx ) 2 B e + ASE 2 2 B 01 2 R B0 (3) CNR khi EDFA ®−îc dïng lµm BA lµ: 0,5m 2 (Gα 2 ℜPtx ) 2 CNR = Be B 4kTB e Be 2eB e α 2 (GℜPtx + I ASE ) + 2 α 2 GℜPtx I ASE + α 2 2 I 2 (B 0 − e ) + RIN(Gα 2 ℜPtx ) 2 B e + 2 2 ASE 2 R B 01 B0 (4) vµ khi EDFA ®−îc dïng lµm PA: 0,5m2 (Gα2ℜPtx )2 CNR = B Be B 4kTBe 2eBeα2 (Gℜα1Ptx + IASE ) + 2 e α1GℜPtxIASE + 2 I2 (B0 − e ) + RIN(Gα1ℜPtx )2 Be + ASE B0 2 R B0 (5) 2. TÝnh CNR trung b×nh cña hÖ thèng sau t¸ch sãng quang Gäi CNR avr lµ tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m trung b×nh sau t¸ch sãng quang cña hÖ thèng, ®−îc tÝnh nh− sau: ⎛ ⎞ M M −1 ∑A 1 CNR⎜ ⎟ = CNR CNR avr = 2 2 (7) A max ⎜ ⎟ i 3( M − 1) 2 M ⎝ ⎠ i=1 trong ®ã A i lµ biªn ®é cña ®iÓm tÝn hiÖu thø i, Amax lµ biªn ®é cùc ®¹i. Tõ c¸c c«ng thøc (3), (4), (5) vµ (7) chóng t«i t×m ra tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m cña toµn bé hÖ thèng nh− sau: CNR avr sau t¸ch sãng quang khi EDFA ®−îc dïng lµm khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA: M −1 0,5m2 (Gα1α2ℜPtx )2 CNRavr = 3( M − 1) 4kTBe 2 Be Be B α1α2GℜPtxIASE + α2 2 I2 (B0 − e ) + RIN Gα1α2ℜPtx )2Be + 2eBeα2 (Gℜα1Ptx + IASE) + 2 ( 2 2 ASE B0 2 R B0 (8)
CNR khi EDFA ®−îc dïng lµm BA lµ: M −1 0,5m2 (Gα2ℜPtx )2 CNRavr = 3( M − 1)2 4kTBe Be 2 Be B α2GℜPtxIASE + α2 2 I2 (B0 − e ) + RIN Gα2ℜPtx )2Be + 2eBeα2 (GℜPtx + IASE) + 2 ( 2 ASE B0 1 2 R B0 (9) vµ khi EDFA ®−îc dïng lµm PA: M −1 0,5m2 (Gα1ℜPtx )2 CNRavr = 3( M − 1) 4kTBe 2 B Be Be α1GℜPtxIASE + 2 I2 (B0 − e ) + RINGα1ℜPtx )2Be + 2eBeα2 (Gℜα1Ptx + IASE) + 2 ( ASE 2 R B0 B0 (10) iii. KÕt qu¶ m« pháng Trong phÇn nµy chóng t«i m« pháng kÕt qu¶ ®¹t ®−îc tõ ph©n tÝch lý thuyÕt ë trªn víi c¸c tham sè hÖ thèng: R = 50Ω, T = 300 0 K, B 0 = 10GHz , λ = 1550nm, m = 0,2; ℜ = 0,8A / W H×nh 2. Sù phô thuéc cña CNR vμo hÖ sè H×nh 3. Sù phô thuéc cña CNR vμo c«ng suÊt ph¸t khuyÕch ®¹i G cña EDFA H×nh 2 m« pháng mèi quan hÖ gi÷a tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR vµ hÖ sè khuÕch ®¹i G cña EDFA, cho hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M = 32. KÕt qu¶ so s¸nh CNR cho ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trong hÖ thèng: EDFA lµm khuÕch ®¹i c«ng suÊt BA, lµm khuÕch ®¹i ®−êng truyÒn LA hay tiÒn khuÕch ®¹i PA. Tõ ®å thÞ ta thÊy r»ng khi gi¸ trÞ G cßn nhá, G = 3 ÷ 10dB, CNR cña ba ph−¬ng ¸n lµ gÇn nh− nhau. Khi G t¨ng lªn, G > 10dB th× CNR trong tr−êng hîp EDFA lµm PA cã gi¸ trÞ lín h¬n c¶ vµ trong tr−êng hîp BA, CNR cã gi¸ trÞ nhá nhÊt. Do vËy, trong thùc tÕ thiÕt kÕ tuyÕn th«ng tin sîi quang, chóng ta sö dông EDFA lµm tiÒn khuÕch ®¹i PA sÏ lµ tèi −u vÒ c¶ CNR vµ kh¶ n¨ng gi¸m s¸t ho¹t ®éng dÔ dµng. Tuy nhiªn, khi G t¨ng lªn ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã (xÊp xØ 25dB cho ph−¬ng ¸n PA hay LA vµ 20 dB cho ph−¬ng ¸n BA) th× CNR sÏ kh«ng cßn t¨ng n÷a vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ b·o hoµ trong c¶ ba ph−¬ng ¸n.
Sù phô thuéc cña CNR cho ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA trong hÖ thèng theo c«ng suÊt ph¸t Ptx ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3. Tham sè hÖ thèng dïng cho m« pháng nµy lµ: M = 64, kho¶ng c¸ch tuyÕn L= 70km, hÖ sè suy hao sîi quang α f = 0,21dB / km , kho¶ng c¸ch tõ nguån ph¸t ®Õn EDFA lµ L1 = 50km vµ kho¶ng c¸ch tõ EDFA ®Õn bé thu lµ L 2 = 20km , víi chó ý r»ng α1 = 10 −0,1α f L1 (lÇn) vµ α 2 = 10 −0,1α f L2 (lÇn). KÕt qu¶ m« pháng cho thÊy, gi¸ trÞ cña CNR t¨ng theo c«ng suÊt ph¸t trong c¶ ba ph−¬ng ¸n, vµ trong ph−¬ng ¸n EDFA lµm tiÒn khuÕch ®¹i th× CNR cã gi¸ trÞ lín nhÊt. Gi¸ trÞ cña CNR trong ph−¬ng ¸n BA lµ nhá nhÊt bëi trong tr−êng hîp nµy EDFA ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i b·o hoµ nhanh nhÊt. Nh×n chung, hÖ sè khuÕch ®¹i G vµ c«ng suÊt ph¸t t¨ng sÏ n©ng cao ®−îc gi¸ trÞ cña CNR. Tuy nhiªn, ®é khuÕch ®¹i sÏ trë nªn kh«ng cã ý nghÜa khi nã t¨ng ®Õn mét gi¸ trÞ cao nh− ®· ph©n tÝch ë trªn. §iÒu nµy cã thÓ gi¶i thÝch lµ do nguån t¹p ©m cña bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA, c«ng suÊt t¹p ©m t¨ng khi G t¨ng. Ngoµi ra, CNR cßn phô thuéc vµo h×nh ¶nh nhiÔu NF (Noise Figure) cña bé khuÕch ®¹i quang nh− ®−îc chØ ra trong h×nh 4. ë ®©y, chóng t«i lÊy xÊp xØ NF = 2n sp [1]. Tõ h×nh 4, ta cã nhËn xÐt r»ng CNR sÏ gi¶m khi NF t¨ng. Khi EDFA ®−îc dïng lµm BA th× CNR gi¶m rÊt nhanh theo NF, cßn víi hai ph−¬ng ¸n cßn l¹i CNR gi¶m theo NF Ýt h¬n. H×nh 4. Quan hÖ gi÷a CNR vμ NF cho H×nh 5. Sù phô thuéc cña CNR vμo vÞ trÝ cña EDFA ba ph−¬ng ¸n sö dông EDFA cho hÖ thèng cã M kh¸c nhau H×nh 5 so s¸nh CNR cña c¸c hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M = 16, 32 vµ 64 khi EDFA dÞch chuyÓn trªn tuyÕn, kho¶ng c¸ch cña tuyÕn lµ L = 90km. Tõ ®å thÞ ta thÊy r»ng, khi EDFA dÞch chuyÓn tõ nguån ph¸t Tx ®Õn bé thu Rx ( L 2 gi¶m dÇn) th× CNR t¨ng dÇn. §ång thêi khi M t¨ng th× hiÖu suÊt sö dông b¨ng th«ng t¨ng tû lÖ víi log2 M [6], nh−ng CNR l¹i gi¶m. Do vËy, trong thùc tÕ tuú theo yªu cÇu cña tõng hÖ thèng truyÒn dÉn mµ chän sè møc ®iÒu chÕ M thÝch hîp (vÝ dô hÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu RF qua sîi quang tõ c¸c tr¹m thu ph¸t gèc BTS ®Õn tr¹m gèc BS trong th«ng tin di ®éng dïng M = 64 [3], truyÒn tÝn hiÖu video qua sîi quang th× th−êng sö dông sè møc ®iÒu chÕ M = 256 [4]) Sù phô thuéc cña CNR vµo c«ng suÊt ph¸t Ptx cho c¸c hÖ thèng cã sè møc ®iÒu chÕ M vµ hÖ sè khuÕch ®¹i G cña EDFA kh¸c nhau ®−îc thÓ hiÖn trªn c¸c h×nh 6 vµ 7. C¸c tham sè dïng
cho m« pháng nµy lµ: Kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn L = 70km, vµ L1 = 20km . KÕt qu¶ m« pháng chØ ra r»ng, CNR t¨ng theo gi¸ trÞ c«ng suÊt ph¸t gÇn nh− tuyÕn tÝnh vµ hÖ sè khuÕch ®¹i G. Tuy nhiªn, khi Ptx t¨ng ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã CNR kh«ng cßn t¨ng tuyÕn tÝnh theo Ptx n÷a. KÕt qu¶ nµy cã ®−îc bëi gi¸ trÞ cña c«ng suÊt t¹p ©m do EDFA t¹o ra còng t¨ng theo Ptx , lµm cho CNR ®¹t ®Õn gi¸ trÞ b·o hoµ khi Ptx t¨ng. H×nh 6. Quan hÖ gi÷a CNR vμ Ptx (M kh¸c nhau) H×nh 7. Quan hÖ gi÷a CNR vμ Ptx (G kh¸c nhau) Do vËy, khi cÇn t¨ng CNR ®Õn mét gi¸ trÞ nµo ®ã cña bµi to¸n thiÕt kÕ ta cã thÓ chän hoÆc n©ng cao gi¸ trÞ c«ng suÊt ph¸t hoÆc n©ng cao ®é khuÕch ®¹i G cña EDFA. VÝ dô t¹i gi¸ trÞ c«ng suÊt ph¸t Ptx = −10dBm, G = 15dB th× CNR = 40dB; gi¶ sö yªu cÇu cña hÖ thèng CNR = 50dB th× ta cã thÓ gi÷ nguyªn hÖ sè khuÕch ®¹i G cña EDFA vµ t¨ng c«ng suÊt ph¸t ®Õn Ptx = −5dBm hoÆc t¨ng hÖ sè khuÕch ®¹i G ®Õn 20dB vµ gi÷a nguyªn c«ng suÊt ph¸t. H×nh 8. Quan hÖ gi÷a CNR vμ Ptx H×nh 9. Quan hÖ gi÷a CNR vμ G víi tèc ®é bit kh¸c nhau víi tèc ®é bÝt
H×nh 8 vµ 9 lµ kÕt qu¶ m« pháng sù phô thuéc cña CNR vµo c«ng suÊt ph¸t vµ hÖ sè khuÕch ®¹i G cña EDFA víi c¸c hÖ thèng cã tèc ®é bit R b kh¸c nhau. KÕt qu¶ m« pháng chØ ra r»ng CNR gi¶m khi tèc ®é bit t¨ng, ®iÒu nµy phï hîp víi thùc tÕ bëi khi tèc té bit t¨ng th× t¹p ©m nhiÖt vµ t¹p ©m l−îng tö t¨ng theo, lµm gi¸ trÞ CNR gi¶m. iv. KÕt luËn Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i ®· so s¸nh ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng truyÒn tÝn hiÖu M- QAM qua sîi quang cã sö dông khuÕch ®¹i quang EDFA. KÕt qu¶ ®· chØ ra r»ng tû sè c«ng suÊt sãng mang trªn t¹p ©m CNR gi¶m theo sè møc ®iÒu chÕ M ®−îc sö dông vµ tèc ®é bit cña hÖ thèng. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. Vu Van San, Nguyen Minh Dan, Moo-Jung Chu, and Hoang Van Vo. The electrical signal to Noise ratio of optically amplified receiver, R &D on Telecom. and Infor. Technology Journal, No.1, Pp.14-18, 1999, Vietnam. [2]. TrÇn §øc H©n, D−¬ng Quèc Hoμng, TrÇn Quèc Dòng, TrÇn C¶nh D−¬ng. Tèi −u ho¸ viÖc sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i quang sîi trong truyÒn dÉn quang. TuyÓn tËp héi nghÞ 45 n¨m §HBKHN, 10/2001, tr.91-96. [3]. Roberto Sabella. Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber links, IEEE Transactions on communications, vol.47, No.5, May 1999, pp.715-721. [4]. Kanno, Katsuyoshi. Fiber optic subcarrier multiplexing video transport employing multilevel QAM, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.8, Sep. 1990, pp.1313-1319 [5]. Shi. Q. Performance limits on M-QAM transmission in hybrid multichannel AM/QAM fiber optic system, IEEE photonics technology Letters, ,Vol.5, Dec. 1993, pp.1452-1455. [6]. Bernard Sklar. Digital Communications, Prentice Hall, 1998. [7]. TrÇn §øc H©n, Lª Trung Thμnh. Ph−¬ng ph¸p tÝnh c«ng suÊt bï BER trong c¸c hÖ thèng th«ng tin sîi quang, T¹p chÝ Khoa häc, Ban KHTN, tr−êng §HSP Hµ Néi, No.4, 9/2003♦