- Trang Chủ
- Báo cáo khoa học
- Báo cáo khoa học: Tính toán tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện của hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại quang với ảnh hưởng của bộ lọc điện không lý tưởng
Xem mẫu
- TÝnh to¸n tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn cña hÖ thèng
th«ng tin quang sö dông khuÕch ®¹i quang víi
¶nh h−ëng cña bé läc ®iÖn kh«ng lý t−ëng
KS. §µm mü h¹nh
ThS. lª trung thµnh
Bé m«n Th«ng tin viÔn th«ng
Khoa §iÖn - §iÖn tö
Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i
Tãm t¾t: Bμi b¸o ®−a ra ph−¬ng ph¸p tÝnh chÝnh x¸c tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn sau bé
t¸ch sãng quang cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang sö dông tiÒn khuÕch ®¹i quang. ¶nh h−ëng
cña bé läc ®iÖn kh«ng lý t−ëng ®−îc ph©n tÝch, tÝnh to¸n vμ m« pháng. KÕt qu¶ chØ ra r»ng ¶nh
h−ëng cña bé läc ®iÖn kh«ng thÓ bá qua trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao cã sö
dông bé khuÕch ®¹i quang.
Summary: In this paper, we would like to propose a method of accurate estimation of the
electrical Signal to Noise Ratio for optical communication systems optical preamplifier.
Influence of the non-ideal electrical filter on the systems has been investigated. The results
show that electrical filters have remarkable effects on high rate optical communication systems.
CBA
i. ®Æt vÊn ®Ò
C¸c bé khuÕch ®¹i quang sîi nh− bé khuÕch ®¹i quang sîi pha t¹p Erbium (EDFA) vµ
Neodymium (NDFA) ®· vµ ®ang ®−îc øng dông rÊt réng r·i trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang
tèc ®é cao vµ cù ly truyÒn dÉn xa [2]. §· cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu trong vµ ngoµi n−íc
tÝnh to¸n vµ tèi −u ho¸ viÖc sö dông bé khuÕch ®¹i quang trong hÖ thèng th«ng tin quang nh−
[1,2,3-10]. Tuy nhiªn, tÊt c¶ c¸c kÕt qu¶ nµy ®Òu tÝnh to¸n víi gi¶ thiÕt r»ng hµm truyÒn cña bé
läc ®iÖn sau bé t¸ch sãng quang cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt, tøc coi lµ lý t−ëng vµ bá qua ¶nh h−ëng
cña bé läc ®iÖn lªn hÖ thèng. Trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao yªu cÇu b¨ng
th«ng bé läc ®iÖn lín; do ®ã ¶nh h−ëng nµy lµ ®¸ng kÓ vµ cÇn ph¶i ®−îc tÝnh to¸n chi tiÕt. Do
vËy, trong bµi b¸o nµy chóng t«i nghiªn cøu vµ ®−a ra ph−¬ng ph¸p tÝnh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p
©m ®iÖn cña hÖ thèng th«ng tin quang sö dông khuÕch ®¹i quang cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña bé
läc ®iÖn kh«ng lý t−ëng lªn hÖ thèng. C¸c kÕt qu¶ nµy sÏ lµ c¬ së cho viÖc thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng
th«ng tin quang tèc ®é cao cã sö dông khuÕch ®¹i quang.
ii. ph−¬ng ph¸p tÝnh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn cña hÖ thèng tiÒn
khuyÕch ®¹i quang víi bé läc ®iÖn kh«ng lý t−ëng
Trong hÖ thèng th«ng tin quang, bé khuÕch ®¹i quang sîi EDFA th−êng ®−îc sö dông lµm
- tiÒn khuÕch ®¹i nh− ®−îc chØ ra trªn h×nh 1. Bé khuÕch ®¹i quang sÏ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu vµo,
nh−ng nã còng t¹o ra c¸c t¹p ©m ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc khuÕch ®¹i vµ lµm gi¶m tû sè tÝn hiÖu
trªn t¹p ©m cña hÖ thèng [1,2].
H×nh 1. HÖ thèng th«ng tin quang sö dông EDFA lμm tiÒn khuÕch ®¹i
MËt ®é phæ c«ng suÊt cña dßng t¹p ©m sau bé thu PIN ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
S( f ) = S sh ( f ) + S s −sp ( f ) + S sp −sp ( f ) (1)
trong ®ã: S sh ( f ), S s −sp ( f ) vµ S sp − sp ( f ) lµ mËt ®é phæ c«ng suÊt cña c¸c dßng t¹p ©m l−îng
tö, t¹p ©m ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu vµ bøc x¹ tù ph¸t vµ t¹p ©m ph¸ch tù ph¸t- tù ph¸t vµ chóng ®−îc
tÝnh theo [9]:
S sh ( f ) = eℜ(GP + R N (0)) ; S sp 2
sp ( f ) =2 [SN ( f )SN ( f )]
S s −sp ( f ) = ℜ 2 2GP[SN ( f − fc ) + SN ( f + fc )] , (2)
ë ®ã: e, ℜ , fc t−¬ng øng lµ ®iÖn tÝch electron, ®¸p øng cña ph«t«®ièt vµ tÇn sè sãng mang;
G , P lµ hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i quang EDFA vµ c«ng suÊt ®Çu vµo bé khuÕch ®¹i
t−¬ng øng; R N (τ) , SN ( f ) lµ hµm tù t−¬ng quan cña t¹p ©m vµ mËt ®é phæ c«ng suÊt t¹p ©m
CBA
ph¸t x¹ tù ph¸t ®−îc tÝnh theo SN ( f ) = Pn (G − 1) / 2 trong b¨ng tÇn quang B0 cña bé läc quang,
víi Pn = N sp hυ , N sp , h , υ t−¬ng øng lµ hÖ sè ph¸t x¹ tù ph¸t cña bé khuÕch ®¹i, h»ng sè Planck
vµ tÇn sè quang (ký hiÖu ⊗ lµ thuËt to¸n nh©n chËp).
Sau khi ®−îc biÕn ®æi quang ®iÖn qua ph«t«®ièt PIN, dßng t¹p ©m trªn sÏ ®i qua mét bé
läc ®iÖn; gi¶ sö r»ng bé läc ë ®©y lµ bé läc Butterworth bËc N víi hµm truyÒn He ( f ) , vµ hµm
truyÒn b×nh ph−¬ng ®−îc viÕt theo [8]:
1
2
= (3)
He (f )
2f
1 + ( ) 2N
Be
trong ®ã: N, B e lµ bËc vµ b¨ng th«ng 3dB cña bé läc.
Theo ®Þnh lý bé läc, c«ng suÊt ®Çu ra bé läc lµ:
+∞ 2
σ 2 = ∫ S( f ) He ( f ) df = σ 2 + σ 2−sp + σ 2 −sp , (4)
tot sh s sp
−∞
Víi σ 2 , σ 2− sp , σ 2 − sp lÇn l−ît lµ c«ng suÊt t¹p ©m l−îng tö, ph¸ch gi÷a tÝn hiÖu vµ ph¸t
sh s sp
x¹ tù ph¸t vµ ph¸ch tù ph¸t - tù ph¸t.
- Tõ c¸c c«ng thøc (2), (3) vµ (4) c¸c thµnh phÇn t¹p ©m ®−îc tÝnh nh− sau:
- C«ng suÊt t¹p ©m l−îng tö:
+∞ 1
σ 2 = ∫ eℜ{GP + R N (0)} (5)
df
sh
2 f 2N
−∞
1+ ( )
Be
§ång thêi, theo ®Þnh lý Wiener- Khintchine ta cã:
+∞
R N (τ) = ℑ −1 {SN ( f )} = ∫ SN ( f )e j2 πfτ df
−∞
R N (0) = Pn (G − 1)B 0
Do ®ã: (6)
Thay (6) vµo (5) ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt t¹p ©m l−îng tö ta tÝnh ®−îc c«ng suÊt t¹p ©m
l−îng tö lµ:
σ 2 = 2eℜ{GP + Pn (G − 1)B 0 }k BB e (7)
sh
π
kB = (8)
víi
π
2N sin( )
2N
- C«ng suÊt t¹p ©m ph¸ch tÝn hiÖu - ph¸t x¹ tù ph¸t:
+∞ 2
σ 2−sp = ∫ 2ℜ 2GP{SN ( f − fc ) + SN ( f + fc )} He ( f ) df
s
−∞ CBA
σ 2−sp = 4ℜ 2 GPPn (G − 1)k B B e (9)
s
- C«ng suÊt t¹p ©m ph¸ch tù ph¸t- tù ph¸t:
+∞ 2
σ 2 −sp = ∫ 2ℜ 2 {SN ( f ) ⊗ SN ( f )} He ( f ) df
sp
−∞
π
Be
σ 2 −sp = 2ℜ 2 {Pn (G − 1)} 2 B 0 B e {k B − } (10)
π
sp
2B 0
N sin( )
N
Tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn ®−îc tÝnh theo c«ng thøc [1]:
(Is ) 2 (Is ) 2
eSNR = = (11)
σ2 σ 2 + σ 2−sp + σ 2 −sp + σ 2
tot sh s sp th
trong ®ã: Is lµ dßng ph«t« sau t¸ch sãng quang, Is = ℜGP ; σ 2 lµ c«ng suÊt t¹p ©m nhiÖt
th
kTB e
sau qua bé läc ®iÖn lµ: σ 2 = 4 k B , víi k, T, R lÇn l−ît lµ h»ng sè Boltzman, nhiÖt ®é tuyÖt
th
R
®èi vµ ®iÖn trë cña bé thu quang.
Thay c¸c biÓu thøc (7), (9), vµ (10) vµo ph−¬ng tr×nh (11) ta tÝnh ®−îc tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p
©m ®iÖn (eSNR) sau bé t¸ch sãng quang lµ:
- (GℜP)2
eSNR =
π
Be kTBe
2eℜ{GP + Pn(G − 1)B0 }kBBe + 4ℜ2GPPn(G − 1)kBBe + 2ℜ2 {Pn (G − 1)}2 B0Be {kB − }+4 kB
π
2B0 R
Nsin( )
N
(12)
Ph−¬ng tr×nh (12) lµ c«ng thøc tÝnh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn eSNR sau t¸ch sãng
quang cña hÖ thèng th«ng tin quang sö dông tiÒn khuÕch ®¹i quang cã tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña
bé läc ®iÖn. Ta thÊy r»ng eSNR kh«ng chØ phô thuéc vµo c¸c tham sè cña hÖ thèng nh− hÖ sè
khuÕch ®¹i G cña EDFA hay c«ng suÊt ®Õn bé t¸ch sãng quang mµ cßn phô thuéc vµo bËc cña
bé läc N vµ nhiÒu tham sè kh¸c cña hÖ thèng.
iii. kÕt qu¶ m« pháng
Trong phÇn nµy chóng t«i sÏ m« pháng vµ ®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña c¸c tham sè cña hÖ
thèng nh− hÖ sè khuÕch ®¹i G cña bé khuÕch ®¹i quang, c«ng suÊt ph¸t, tèc ®é truyÒn dÉn,
b¨ng th«ng cña bé läc hay bËc cña bé läc lªn tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m cña hÖ thèng.
Sù phô thuéc cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m eSNR vµo bËc bé läc Butterworth vµ hÖ sè
khuÕch ®¹i G ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2. C¸c tham sè hÖ thèng sö dông trong m« pháng nµy lµ:
®iÖn trë t¶i bé thu R = 50Ω , b−íc sãng ho¹t ®éng λ = 1550 nm , gi¸ trÞ c«ng suÊt ph¸t ®−a vµo
sîi quang Ptx = −10dBm , cù ly truyÒn dÉn cña tuyÕn L = 80km , hÖ sè suy hao sîi quang
α = 0,21dB / km , h×nh ¶nh nhiÔu cña bé khuÕch ®¹i NF = 5dB , b¨ng th«ng cña bé läc quang
B 0 = 20GHz vµ tèc ®é d÷ liÖu R b = 10Gb / s . Tõ h×nh 2 cho thÊy, gi¸ trÞ cña eSNR t¨ng gÇn
nh− tuyÕn tÝnh theo gi¸ trÞ cña hÖ sè khuÕch ®¹i G khi G cßn nhá (nhá h¬n 15dB), nh−ng khi hÖ
CBA
sè khuÕch ®¹i G t¨ng lín h¬n 15 dB th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn hÇu nh− kh«ng t¨ng n÷a
vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ b·o hoµ. Tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m eSNR t¹i gi¸ trÞ b·o hoµ phô thuéc vµo bËc
cña bé läc N, bËc cña bé läc cµng cao th× gi¸ trÞ cña eSNR ®¹t ®−îc cµng cao; ch¼ng h¹n khi
bËc cña bé läc nhá N =1 hay N = 2 th× gi¸ trÞ cña eSNR t¹i møc b·o hoµ lµ 26dB hay 28 dB
t−¬ng øng, trong khi bËc cña bé läc t¨ng lªn ®Õn N = 50 ch¼ng h¹n th× eSNR t¹i møc b·o hoµ
t¨ng lªn vµ cã thÓ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ 29dB.
H×nh 2. Sù phô thuéc cña eSNR vμo G H×nh 3. Sù phô thuéc cña eSNR vμo G
víi bËc bé läc N = 1, 2 vμ 50 víi N vμ cù ly truyÒn dÉn kh¸c nhau
- H×nh 3 vµ h×nh 4 thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a gi¸ trÞ cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m vµ hÖ sè
khuÕch ®¹i G cho hai tr−êng hîp bËc cña bé läc N = 2 vµ N = 50 cho c¸c hÖ thèng th«ng tin
quang cã cù ly truyÒn dÉn vµ c«ng suÊt ph¸t quang kh¸c nhau. Qua m« pháng cho thÊy r»ng
bËc cña bé läc cã ¶nh h−ëng lín ®Õn gi¸ trÞ cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn eSNR, khi hÖ
thèng sö dông bé läc cã bËc N cµng lín th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m eSNR cµng t¨ng. Tuy
nhiªn, khi bËc cña bé läc lín h¬n 50 th× gi¸ trÞ cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m lóc nµy gÇn víi
tr−êng hîp lý t−ëng, tøc lµ tr−êng hîp coi hµm truyÒn cña bé läc lµ cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt vµ gi¸
trÞ cña eSNR kh«ng t¨ng n÷a cho dï t¨ng bËc cña bé läc. §ång thêi, cù ly truyÒn dÉn vµ c«ng
suÊt quang ®−a vµo ®Çu sîi quang còng cã ¶nh h−ëng lín ®Õn gi¸ trÞ cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p
©m eSNR nh− ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3 vµ h×nh 4. VÝ dô t¹i gi¸ trÞ hÖ sè khuÕch ®¹i G = 20dB,
víi kho¶ng c¸ch truyÒn L = 90km th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®¹t gi¸ trÞ cao ®Õn 20 dB vµ víi
c«ng suÊt ph¸t Ptx = −3dBm , tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®¹t 29dB; tuy nhiªn, khi kho¶ng c¸ch
truyÒn dÉn t¨ng ®Õn 100km th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m chØ ®¹t 18dB vµ víi c«ng suÊt ph¸t
gi¶m xuèng lµ Ptx = −5dBm th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m còng gi¶m vµ chØ ®¹t gi¸ trÞ 26 dB t¹i
cïng gi¸ trÞ hÖ sè khuÕch ®¹i.
CBA
H×nh 4. Sù phô thuéc cña eSNR vμo c«ng H×nh 5. Sù phô thuéc cña eSNR vμo c«ng suÊt
suÊt ph¸t víi hÖ sè khuyÕch ®¹i kh¸c nhau ph¸t víi bËc bé läc kh¸c nhau
Nh− vËy chóng ta cã nhËn xÐt r»ng bËc bé läc N cã ¶nh h−ëng kh¸ lín ®Õn hÖ thèng th«ng
tin quang, vµ trong hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao th× ¶nh h−ëng nµy kh«ng thÓ ®−îc bá qua
nh− c¸c tÝnh to¸n trong c¸c c«ng tr×nh ®· c«ng bè tr−íc ®©y. ¶nh h−ëng cña bËc bé läc N lªn hÖ
thèng th«ng tin quang ®−îc chóng t«i m« pháng trªn h×nh 6; tõ kÕt qu¶ m« pháng nµy chóng ta
thÊy khi bËc bé läc N cµng cao th× chÊt l−îng cña hÖ thèng th«ng tin quang cµng ®−îc ®¶m b¶o,
tøc gi¸ trÞ cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®iÖn cµng lín, vÝ dô t¹i gi¸ trÞ hÖ sè khuÕch ®¹i G = 10dB,
khi bËc bé läc N cßn nhá (N = 2) th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m chØ ®¹t gi¸ trÞ 21dB, tuy nhiªn khi bËc
bé läc t¨ng lªn N = 10 ch¼ng h¹n th× tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m lµ 21,5dB. §ång thêi, b¨ng th«ng
®iÖn 3dB cña bé läc t¹i bé thu quang còng cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn chÊt l−îng cña hÖ thèng
th«ng tin quang. KÕt qu¶ m« pháng trªn h×nh 7 cho thÊy, khi b¨ng th«ng ®iÖn 3dB t¨ng th× gi¸ trÞ
cña tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m eSNR gi¶m theo t−¬ng øng, kÕt qu¶ nµy lµ phï hîp víi thùc tÕ lµ khi
b¨ng th«ng ®iÖn 3dB t¨ng th× c¸c nguån t¹p ©m t¸c ®éng lªn hÖ thèng th«ng tin còng t¨ng theo,
lµm gi¶m tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m sau t¸ch sãng quang. C¸c tham sè ®−îc sö dông trong m«
pháng nµy lµ: HÖ sè khuÕch ®¹i G = 10dB, bËc bé läc lµ 1, 2 vµ 50 t−¬ng øng.
- H×nh 6. Sù phô thuéc cña eSNR vμo bËc bé läc H×nh 7. Sù phô thuéc cña eSNR vμo b¨ng th«ng
N t¹i G = 10dB diÖn 3dB cña bé läc víi N kh¸c nhau
IV. KÕt luËn
Trong c¸c hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao cã sö dông bé khuÕch ®¹i quang EDFA th×
¶nh h−ëng c¸c tham sè cña bé läc ®iÖn trong bé thu quang lªn hÖ thèng lµ kh«ng thÓ bá qua nh−
trong c¸c c«ng tr×nh ®· c«ng bè tr−íc ®©y. Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i ®· chøng minh vµ tÝnh
to¸n ®−îc c¸c ¶nh h−ëng nµy lªn hÖ thèng th«ng tin quang tèc ®é cao. C¸c kÕt qu¶ ®ã lµ c¬ së ®Ó
tÝnh to¸n, thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng th«ng tin quang cã tèc ®é cao vµ cù ly truyÒn dÉn xa trong thùc tÕ.
CBA
Tµi liÖu tham kh¶o
[1]. TrÇn §øc H©n, TrÇn Quèc Dòng, Lª Trung Thμnh, §μo Ngäc Nam. A method of BER compensative
Power calculation for designing optical fiber transmission systems. Post and Telecommunications Journal,
Special Issue: R&D on Telecommunications and Information Technology, No.11, 3/2004.
[2]. §μm ThuËn Trinh, Lª Trung Thμnh. TÝnh to¸n ®é nh¹y thu cña tuyÕn th«ng tin quang M-QAM cã sö
dông khuÕch ®¹i quang. T¹p chÝ Khoa häc Giao th«ng VËn t¶i, Tr−êng §H GTVT, Sè 12, 11/2005.
[3]. L.F.B. Ribeiro, J.R.F Da Rocha, J. Pinto. Performance evaluation of EDFA preamplified receivers
taking into account intersymbol interference. Jounal of Lightwave Technol., Vol.13, pp.225-232, Feb.1995.
[4]. S.Chinn. Error rate performance of optically amplifiers with Fabry- Perot filters. Electronic Letters,
Vol.31, No.9, Apr.1995.
[5]. I. Jacobs. Effect of optical amplifier bandwidth on receiver sensitivity. IEEE Trans. Communications,
Vol.38, Oct.1990.
[6]. C.Lawetz, C.Cartledge. Performance of optically preamplified receivers with Fabry- Perot optical
Filters. Journal of Lightwave Technol., Vol.14, Nov.1996.
[7]. I.Monroy, G.Einarsson. Bit error evaluation of optically preamplified Direct Detection receivers with
Fabry- Perot optical Filters. Journal of Lightwave Technol., Aug.1997.
[8]. V.Arya, I.Jacobs. Optical preamplifier receiver for spectrum sliced WDM. Journal of Lightwave
Technol., Vol.15, Apr. 1997.
[9]. S.L. Danielsen et al. Detailed noise statistics for an optically preamplifed direct detection receiver.
IEEE Journal on Lightwave, Vol.13, 1995.
[10]. N.Olsson. Lightwave systems with optical amplififers. Journal of Lightwave Technol., pp1071-1082,
Jul. 1989♦
nguon tai.lieu . vn
