Tài liệu Phương pháp tính toán công suất bù BER trong hệ thống truyền dẫn quang

Phương pháp tính toán công suất bù BER trong hệ thống truyền dẫn quang A Method of BER Compensative Power Calculation for Designing Optical Fiber Transmission Systems Trần Đức Hân, Trần Quốc Dũng, Lê Trung Thành, Đào Ngọc Nam Abstract: The definition of BER compensative power (∆PBER) was given by [1] to satisfy BER on demand. However, the results were calculated approximately with thermal noise (for PIN receivers) and avalanche noise (for APD receivers). This paper proposes a method of calculating ∆PBER in optical fiber transmission systems (with or without using EDFAs), including the effect of noise sources from EDFAs and photo-detectors. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống thông tin quang SDH dựa vào các chuẩn được khuyến nghị bởi ITU-T. Tuy nhiên, tham số BER- tham số thể hiện chất lượng của hệ thống thì chưa được quy chuẩn và các nhà thiết kế có thể chọn BER=10-10 hoặc BER=10-12 tuỳ theo hệ thống. Trong công trình [1] đã đưa ra khái niệm và phương pháp tính toán công suất bù BER (∆PBER). Với phương pháp đó ta có thể tính toán thiết kế hệ thống truyền dẫn quang bảo đảm các giá trị BER theo yêu cầu. Tuy nhiên, các kết quả đó mới chỉ tính toán gần đúng với tạp âm nhiệt là tạp âm trội (khi dùng bộ tách sóng PIN) và tạp âm thác lũ là tạp âm trội (khi dùng tách bộ sóng APD). Bài báo đưa ra phương pháp tính toán công suất bù BER trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm trong bộ tách sóng quang, khi hệ thống sử dụng và không sử dụng EDFA. Từ kết quả thu được sẽ giúp các nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn quang xác định chính xác quỹ công suất khi muốn nâng cấp hệ thống. II. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT BÙ BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG KHÔNG SỬ DỤNG EDFA 1. Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR Để tính công suất bù trước hết ta thiết lập tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện eSNR ở đầu ra của bộ tách sóng quang. Công suất tạp âm sau tách sóng quang khi hệ thống dùng APD là [4,5]: 2 σ total = 2e( I ph + I d )M 2 FBe +2eBe I L + 4kTBe / R (1) Ứng với công suất quang PS tới bộ tách sóng, theo luật bình phương công suất công suất tín hiệu là [3,4]: S = ( pPS ) 2 (2) Trong đó: k là hằng số Boltzman, T: nhiệt độ tuyệt đối [oK], Be: Băng tần điện bộ thu, M: Hệ số nhân thác của APD; Id, IL lần lượt là dòng tối và dòng rò bề mặt của bộ tách sóng quang, R: điện trở tải; I ph = pPS = ηe P , với hυ S Iph, p là dòng photo, đáp ứng quang của bộ tách sóng; e là điện tích electron, h: hằng số Planck, F=MX hệ số nhiễu trội của APD và x phụ thuộc vào vật liệu chế tạo: x=0,4 với Si, x=0,6 với InGaAs và x=1 với Ge. Từ đó eSNR sau bộ tách sóng quang sẽ được xác định bởi: ⇒ ∆PBER = 10 lg( (pPs ) 2 M2 eSNR = 2eBe (pPs + Id )M2 F + 2eBe I L + 4 kTBe R với APD (3) = 10. lg kTBe R , với PIN (4) (8) eSNR New B + (eSNR New B ) 2 + 4 AC.eSNR New eSNRB + (eSNRB) 2 + 4 AC.eSNR (pPs ) 2 eSNR = PNew ) P 2. Tính ∆PBER III. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT BÙ BER TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG SỬ DỤNG EDFA Công suất bù ∆PBER là giá trị công suất cần thiết để nâng cao tỷ số lỗi bit BER từ một giá trị ban đầu nào đó lên giá trị mới nhằm đảm bảo cho hệ thống có độ tin cậy cao hơn, ví dụ từ BER=10-10 lên BER=10-12 hoặc BER=10-14 [1]: Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng chủ yếu làm [3,5]: khuếch đại công suất BA(Booster Amplifier), khuếch đại đường truyền LA (In-line Amplifer) và tiền khuếch đại PA (Preamplifier) (Hình 1) 2eBe (pPs + I d ) + 2eBe I L + 4 ∆PBER = 10 lg( PNew ) [dB ] P (5) Trong đó P và PNew là công suất thu được cực tiểu của bộ tách sóng ứng với giá trị ban đầu BER=10-10 và giá trị mới BERnew của BER. Phát APs2 BPs + C Pin Pout Ps (a) Phát Thu EDFA Ptx Pin L, α Pout (6) Ps (b) Trong đó các hệ số A, B, C được tính như sau: Phát − Hệ thống dùng tách sóng quang PIN: B = 2eBe p Thu EDFA Ptx L 1 , α1 Pin A = p2 Pout L 2 ,α 2 Ps (c) Hình 1. Các phương án sử dụng EDFA trên tuyến thông tin cáp sợi quang (a) Tiền khuếch đại, (b) Khuếch đại công suất, (c) Khuếch đại đường truyền. 4kTBe R − Hệ thống dùng tách sóng quang APD: C = 2eBe I d + 2eBe I L + 1. Tính eSNR cho ba trường hợp sử dụng EDFA trong hệ thống A = p2M 2 B = 2eBe pM 2 .F Tỷ số tín hiệu trên tạp âm trong ba trường hợp được tính như công thức (9), (10), (11) [3]. 4kTBe C = 2eBe I d M .F + 2eBe I L + R Từ phương trình (6) ta có: 2 2 A.Ps − eSNR.BPs − eSNR.C = 0 Ta thấy cả ba trường hợp trên eSNR đều có dạng: (7) Giải phương trình (7) theo PS, ta tìm ra: PS = L, α Ptx Theo (3), (4), eSNR đều có dạng: eSNR = Thu EDFA eSNR.B + (eSNR.B ) 2 + 4 AC.eSNR 2A Do đó công suất bù BER cho hệ thống quang được tính như sau: eSNR = (APtx )2 BPtx + C trong đó G là hệ số khuếch đại của EDFA, mt là số mode ngang, B0 là băng tần quang của bộ lọc quang, Psp là công suất tạp âm bức xạ tự phát tại phía thu, α hệ số suy hao trung bình của sợi [dB/km]. (12) Các hệ số A, B, C được xác định cho từng trường hợp như sau: eSNR New = ( APtxNew ) 2 BPtxNew + C (13) - Cho trường hợp BA: (αPtx ) 2 2eBeα B Be B 2 kTB e 2α 2 (GPtx + m t Psp ) + 4α 2 e Ptx Psp + 2 m t 2 (B0 − e )Psp + 4 2 GB0 2 pG G B0 R (pG ) 2 eSNR = (9) - Cho trường hợp LA: eSNR = (α1α2Ptx )2 (10) 2 B 2 kTBe Be B 2eBeα2 2α 2 (Gα1Ptx + mt Psp ) + 4α2α1 e Ptx Psp + 2 mt 2 (B0 − e )Psp + 4 2 2 2 GB0 R(pG) 2 B0 G pG - Cho trường hợp PA: eSNR = (αPtx ) 2 (11) 2eBe B Be B kTB e 2 2 (GαPtx + m t Psp ) + 4 e αPtx Psp + 2 m t 2 ( B0 − e ) Psp + 4 2 GB 0 2 pG G B0 R ( pG ) 2 Trường hợp EDFA được sử dụng làm BA: eSNR = A =α B= 2 eB eα Be + 4α 2 Psp pG GB 0 C= 2 eB eα Be B kTB e 2α 2 m t Psp + 2 m t 2 ( B 0 − e ) Psp + 4 2 pG 2 G B0 R ( pG ) 2 2 Trường hợp EDFA được sử dụng làm LA: A = α 1α 2 B= C= B 2 eB e α 1α 2 + 4 α 1α 2 e Psp 2 GB 0 pG 2α 2 2 2 2eBe α 2 Be B kTB e 2 m t Psp + m t 2 (B 0 − e )Psp + 4 2 pG 2 G B0 R (pG ) 2 Đặt k = eSNR ( B + ( APtx ) 2 BPtx + C ptxNew , từ (13) và (14) suy ra: Ptx C 2 C )k − (eSNR New B )k − eSNR New = 0 (15) Ptx Ptx Giải phương trình (15) trên theo k>0 ta được: eSNR New B + (eSNR New B) 2 + 4eSNR.eSNR New ( B + k= 2eSNR( B + Trường hợp EDFA được sử dụng làm PA: A =α B= 2 eB eα Be + 4α Psp pG GB 0 C= 2 eB e Be B kTB e 2 2 m t Psp + 2 m t 2 ( B 0 − e ) Psp + 4 2 pG 2 G B0 R ( pG ) 2 3.2. Tính toán công suất bù ∆PBER Ta sẽ sử dụng công thức chung về eSNR (12) để tính toán ∆PBER rồi từ đó sẽ suy ra cho từng trường hợp BA, LA và PA. (14) C C ) Ptx Ptx C ) Ptx (16) Từ đó công suất bù BER trong hệ thống quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA được tính như sau: ∆PBER [dB] = 10 log PtxNew − 10 log Ptx = 10 log k C C eSNR B + (eSNR B)2 + 4eSNReSNR (B + ) . New New New Ptx Ptx ∆PBER =10lg[ ] C 2eSNRB + ) ( Ptx ,(17) trong đó các hệ số A, B, C được tính cho từng trường hợp như trên. Coi eSNR là tỷ số tín hiệu trên tạp âm ứng với BER = 10 −10 và eSNRNew cho trường hợp BER bằng giá trị theo yêu cầu thiết kế BERNew thì: IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Bài báo đã đưa ra phương pháp tính toán công suất bù BER (∆PBER) trong hệ thống truyền dẫn quang có và không sử dụng khuếch đại quang EDFA, có tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm trong bộ tách sóng quang và khuếch đại quang. Kết quả tính toán thấy rằng công công suất bù BER không những chỉ phụ thuộc vào eSNR như trường hợp chỉ có tạp âm nhiệt [1] mà còn phụ thuộc vào nhiều tham số khác như công suất phát và các tham số của bộ tách sóng quang. Ngoài ra công suất bù BER khi tuyến có sử dụng EDFA còn phụ thuộc vào các nguồn tạp âm trong EDFA và cách sử dụng EDFA trên tuyến. Từ kết quả trên, sau đây bài báo sẽ mô phỏng tính toán với các tham số hệ thống: Bước sóng hoạt động λ = 1550nm, T = 300OK, băng tần điện Be = 7.5GHz, đáp ứng quang p=ℜ=0,85 A/W, BER=10-10 , NF=4 1. Khi trên tuyến truyền dẫn chưa sử dụng EDFA: Hình 2 chỉ ra mối quan hệ giữa công suất bù BER và giá trị BER của hệ thống sử dụng tách sóng PIN ứng với công suất phát Ptx=-1,5 dBm. Kết quả mô phỏng cho hai trường hợp tính toán gần đúng với tạp âm nhiệt và tính đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm trong PIN. Từ kết quả đó thấy rằng giá trị công suất bù BER khi tính toán gần đúng với tạp âm nhiệt có giá trị gần bằng với giá trị thực tế. Hình 3. Quan hệ giữa BER và ∆PBER cho hệ thống dùng APD Hình 3 mô phỏng cho trường hợp hệ thống sử dụng tách sóng quang APD. Tương tự ta cũng có kết luận với hệ thống sử dụng APD thì chỉ cần tính đến ảnh hưởng của tạp âm thác lũ. 2. Khi tuyến sử dụng EDFA làm PA, BA và LA: Phần này mô phỏng và so sánh sự phụ thuộc của ∆PBER vào khoảng cách tuyến L, hệ số khuếch đại G và BER trong ba phương án sử dụng EDFA trên tuyến. Hình 4 mô phỏng cho trường hợp công suất bù BER phụ thuộc vào L[km]. Từ hình vẽ thấy rằng: Khi EDFA được dùng làm tiền khuếch đại PA thì công suất bù không thay đổi lớn khi L thay đổi và có giá trị nhỏ nhất. Khi L còn nhỏ hơn 200 km thì công suất bù trong ba phương án là như nhau. Khi L>200 km thì công suất bù tăng nhanh đối với BA và LA. Từ đó có thể tìm được một giá trị L tối ưu (Lopt) là khoảng cách truyền dẫn của tuyến có giá trị lớn nhất và công suất bù có giá trị nhỏ nhất. Hình 5 mô phỏng giá trị của công suất bù BER khi EDFA được đặt ở các vị trí khác nhau trên tuyến với G = 25dB. Từ hình vẽ ta thấy rằng công suất bù BER giảm dần khi EDFA dịch chuyển càng gần về phía thu và tăng dần khi dịch chuyển gần về phía phát. Đồng Hình 2. Quan hệ giữa BER và ∆PBER cho hệ thống dùng PIN thời ta cũng thấy rằng giá trị của công suất bù ít thay Từ kết quả đó cho thấy khi thiết kế các hệ thống đổi khi EDFA còn gần phía nguồn phát và thu (giảm quang sử dụng tách sóng PIN ta chỉ cần tính ảnh nhanh khi L1 thay đổi từ 80- 200km). Mặt khác, công hưởng của tạp âm nhiệt. suất bù đạt giá trị nhỏ nhất khi EDFA được làm tiền khuếch đại PA, theo tính toán giảm 3 lần so với trường hợp EDFA được dùng làm khuếch đại công suất BA. Hình 6. Quan hệ giữa công suất bù và G. Hình 4. Quan hệ giữa ∆PBER và khoảng cách tuyến L. Hình 7. Mối quan hệ giữa công suất bù và BER. Hình 5. Quan hệ giữa ∆PBER và vị trí đặt EDFA. Hình 6 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và G cho ba phương án sử dụng EDFA. Từ hình vẽ thấy rằng khi G còn nhỏ (G< 20dB) thì công suất bù ít thay đổi trong cả ba phương án. Khi G tăng lên (G>30dB) thì công suất bù tăng nhanh với phương án LA (đặt giữa đường truyền), công suất bù trong phương án BA và PA thay đổi không đáng kể khi G tăng. Trong cả ba phương án, công suất bù < 1dB khi G thay đổi. Do vậy trong thiết kế tính toán tuyến thông tin quang về mặt sự thay đổi công suất bù theo G thì có thể bỏ qua. Hình 7 so sánh giá trị công suất bù BER theo BER trong 3 phương án sử dụng EDFA trên tuyến với hệ số khuếch đại G = 25dB. Từ hình vẽ thấy rằng công suất bù tăng khi cần tăng độ tin cậy của hệ thống. Công suất bù BER cho cả ba phương án là gần như nhau khi G còn nhỏ (như được chỉ ra trong hình 6). V. KẾT LUẬN Từ các kết quả trên, cho ta kết quả quan trọng là sử dụng EDFA làm PA là có lợi nhất về mặt công suất bù và khoảng cách truyền dẫn. Với phương pháp tính toán công suất bù BER cho phép các nhà thiết kế hệ thống truyền dẫn quang tính toán không những bảo đảm mọi giá trị BER yêu cầu của bài toán thiết kế mà còn cho phép tính toán thiết kế nâng cấp hệ thống truyền dẫn quang hiện có đáp ứng được mọi yêu cầu của các dịch vụ mới băng rộng ngày nay. [5] MAX- MING- KANG- LIU, “Principles and applications of optical communications”, Irwin, 1996. TÀI LIỆU THAM KHẢO [6] TRAN QUOC DUNG, TRAN DUC HAN, NGUYEN MINH HIEN, DO XUAN THU, BUI VIET KHOI, “An Approach of automatical optical fiber subsystem design, Asia- Pacific Symposium”, On Information and Telecommunication Technology (APSIT’97), Section 13, pp.13.15-13.54 [1] TRẦN QUỐC DŨNG, LÊ VĂN HẢI, “A method of BER calculation for designing optical telecommunication systems”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông, chuyên san “Các công trình nghiên cứu- triển khai viễn thông và công nghệ thông tin”, số 4/10-2000, pp. 20-23. [2] TRẦN QUỐC DŨNG, LÊ VĂN HẢI, “Design of the SDH optical fiber transmission system software”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông, chuyên san “Các công trình nghiên cứu- triển khai viễn thông và công nghệ thông tin”, 5/2001, pp. 54- 59. [3] TRẦN ĐỨC HÂN, DƯƠNG QUỐC HOÀNG, TRẦN QUỐC DŨNG, TRẦN CẢNH DƯƠNG, “Tối ưu hoá việc sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang”, Tuyển tập hội nghị 45 năm Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2001, tr.91-96. [4] JOHN POWERS PACIFIC, “An introduction to fiber optic systems”, California, Irwin Mc Graw Hill, 1999 SƠ LƯỢC TÁC GIẢ [7] TRAN QUOC DUNG, VU VAN SAN, LE VAN HAI, “Design calculation for optical communication systems”, The 25th AsianInformationcommunications conference, Shangai, Apr. 2001, pp. 369- 375. Ngày nhận bài: 17/02/2003 LÊ TRUNG THÀNH TRẦN ĐỨC HÂN Sinh năm 1980. Sinh năm 1935. Tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội chuyên ngành Điện tử- Viễn thông năm 2003. Tốt nghiệp Đại học Năng lượng Moskva năm 1963. Bảo vệ luận án Tiến sỹ tại Đại học Năng lượng Moskva năm 1974 về chuyên ngành Kỹ thuật điện tử. Được phong Phó Giáo sư năm 1984 và Giáo sư năm 2001. TRẦN QUỐC DŨNG Sinh năm 1970. Tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội năm 1992. Bảo vệ luận văn Thạc sỹ năm 1998 tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Hiện là nghiên cứu sinh tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Hiện công tác tại công ty VITECO. Hướng nghiên cứu: Thông tin cáp sợi quang, Hiện là công tác tại Khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội. ĐÀO NGỌC NAM Sinh năm 1980. Tốt nghiệp Đại học Bách khoa Hà Nội chuyên ngành Điện tử- Viễn thông năm 2003. Hiện công tác tại công ty FPT.