báo cáo nghiên cứu khoa học ' giải pháp nâng cao chất lượng tín hiệu trong hệ thống thông tin quang xuyên biển ghép kênh theo bước sóng (wdm)'

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
1
GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG XUYÊN BIỂN
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG (WDM)
SOLUTION FOR ENHANCING SIGNAL QUALITY IN WDM FIBER OPTIC
COMMUNICATION SYSTEMS UNDERSEA

Nguyễn Văn Tuấn
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Hoàng Thị Phương Anh
Công ty Thông tin di động khu vực III

TÓM TẮT
Bài báo này đề nghị giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang xuyên
biển ghép kênh theo bước sóng (WDM) bằng cách chia hệ thống thành nhiều phân đoạn, mỗi
phân đoạn gồm 2 bộ khuếch đại EDFA và đặt thêm bộ khuếch đại Raman tại ngõ vào EDFA
thứ nhất, tạo thành bộ khuếch đại ghép lai HFA. Trên cơ sở đó, xây dựng lưu đồ thuật toán,
ứng dụng vào việc tính toán tuyến WDM cụ thể. Đó là phân
đoạn 9, từ Sesimbra đến
Penmarch, thuộc hệ thống cáp quang biển SEA-ME-WE3 thông tin liên lạc với trên 39 nước mà
Việt nam tham gia vào tại trạm cập bờ Hoà Hải Đà Nẵng. Sau đó, xây dựng bảng kết quả tính
toán tối ưu các thông số như công suất tín hiệu quang từng kênh đưa vào tuyến, công suất
bơm Raman, độ khuếch đại của 2 EDFA và OSNR tương ứng với số lượng kênh khác nhau.
Kết quả này có thể
được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến nhằm nâng cao dung
lượng mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu truyền dẫn.
ABSTRACT
In this paper, we propose the solution for enhancing signal quality in WDM Fiber Optic
Communication Systems undersea by dividing them into many segments where there two
EDFAs in each segment and one Raman Amplifier located at the input of first EDFA. Then,

algorithm chart is built and applied to calculate and simulate one concreate WDM segment.
That is 9
th
one, from Sesimbra to Penmarch belonged to undersea SEA-ME-WE3 system which
connect Vietnam communication Center at Hoa hai station, Danang city. After that, we create
tables of optimized parameters including signal power per channel launched to fiber, pump
power of Raman Amplifier and Gain of 2 EDFAs in order to achieve the maximum of OSNR at
Optic Receiver’s input corresponding to the different channels. The results can be applied
effectively in designing fiber optic communication links to improve their capacity and signal
quality.

1. Đặt vấn đề
Hệ thống cáp quang xuyên biển hiện nay sử dụng công nghệ ghép kênh theo
bước sóng có các bộ khuếch đại quang sợi EDFA mắc chuỗi. Trong tương lai gần, nhu
cầu thông tin liên lạc tăng cao thì số kênh ngày càng tăng, dung lượng ngày càng lớn
cho tỉ số tín hiệu quang trên nhiễu (OSNR) giảm xuống, chất lượng tín hiệu không đạt
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
2
yêu cầu. Giải pháp hiệu quả cho vấn đề này là đặt thêm các bộ khuếch đại Raman, tạo
thành bộ khuếch đại ghép lai HFA trên đường truyền. Lý do là vì không phải bỏ hoặc
lắp đặt thêm các EDFA mà chỉ cần đặt thêm các bộ Raman vào vị trí thích hợp trong
các trạm lặp có sẵn. Bộ khuếch đại Raman được đặt trước bộ khuếch đại EDFA, đóng
vai trò như một bộ tiền khuếch đại nhiễu thấp. Nó không yêu cầu mức tín hiệu vào cao
nên giảm được hiệu ứng phi tuyến. Đồng thời tín hiệu vào bộ EDFA cũng không giảm
xuống ở mức quá thấp do có khuếch đại Raman nâng mức công suất tín hiệu vào của
EDFA, làm cho OSNR cuối tuyến được cải thiện[1], [2]. Tuy nhiên, sự kếp hợp giữa
Raman và EDFA cũng tạo ra nhiều loại nhiễu rất phức tạp. Do đó, để đạt được các ưu
điểm trên bộ khuếch đại HFA cần phải được nghiên cứu xem xét đầy đủ các yếu tố ảnh
hưởng đến nó.
Bài toán đặt ra là cần phải xác định các thông số của các bộ khuếch đại để phát

huy ưu điểm của bộ HFA nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn trong hệ thống.
2. Cấu hình tuyến và tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR tại đầu vào máy thu
Cấu hình HFA được trình bày như trong hình 1, gồm 2 bộ EDFA và 1 bộ khuếch
đại Raman (RA). Trong đó RA đóng vai trò tiền khuếch đại cho bộ EDFA1 nên độ
khuếch đại của EDFA1 sẽ nhỏ, độ khuếch đại của EDFA2 giữ nguyên. Xét tuyến truyền
dẫn có chiều dài tổng cộng là L (km), số trạm lặp trên tuyến là N (số bộ EDFA bằng N).
Tuyến được chia thành M = N+1 phân đoạn, có chiều trung bình mỗi phân đoạn là La.



Tỉ số OSNR của kênh thông tin thứ i bất kỳ trong hệ thống WDM được xác
định theo biểu thức: (1)
+ : Công suất tín hiệu hữu ích tại đầu vào máy thu quang (2)
+ : lần lượt là công suất nhiễu tổng của nhiễu phát xạ tự
phát, tán xạ Raman kép và trộn bốn bước sóng tại đầu vào máy thu quang, tương ứng
với kênh i.
+ : Công suất nhiễu ASE do bộ EDFA gây ra (3)
Hình 1. Sơ đồ tuyến truyền dẫn sử dụng bộ HFA mắc chuỗi
Bộ HFA
Bơm Raman
WDM
Tx
WDM
Rx
EDFA1 EDFA2
Sợi truyền
dẫn
Sợi truyền
dẫn
N phân đoạn

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
3
+ : Công suất nhiễu ASE do bộ khuếch đại
Raman tạo ra (4)
Trong đó , , , , , lần lượt là số mode truyền của quá trình phân
cực, tần số của tín hiệu, hằng số planck, hệ số phát xạ tự phát của EDFA, của RA và
băng thông của bộ lọc quang.
+ Công suất ASE do bộ HFA gây ra:
(5)
Đặt
+ Công suất ASE do bộ HFA thứ i (iN) gây ra tại ngõ vào của bộ WDM:
(6)
+ Công suất ASE tổng tại ngõ vào bộ WDM:
(7)
+ Công suất nhiễu tán xạ Rayleigh kép DRS do bộ Raman gây ra:
(8)
Trong đó
:hệ số tán xạ Rayleigh phụ thuộc vào tần số
: là công suất tín hiệu tại vị trí La khi không tính đến tán xạ
Rayleigh
, công suất DRS do bộ HFA gây ra
(9)
Công suất DRS do bộ HFA thứ i (i N) gây ra tại ngõ vào bộ WDM:

(10)
Công suất DRS tổng tại ngõ vào bộ WDM:
(11)
+ Biểu thức tính hiệu ứng FWM

Giả sử công suất quang không bị mất mát do suy hao phi tuyến của sợi, thì công
suất sóng FWM tổng cộng tại tần số f
m
được tính như sau:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
4
(12)
Với: là công suất FWM tại tần số f
m




(13)
Các tham số được định nghĩa trong[4].
Trong mỗi bộ khuếch đại ghép
lai, bộ EDFA2 sẽ khuếch đại nhiễu do
bộ khuếch đại Raman và EDFA gây
ra. Nếu độ khuếch đại EDFA2 lớn thì
làm tăng công suất nhiễu tích lũy trong
bộ HFA. Do đó, việc tính toán tối ưu
OSNR được thực hiện trước tiên bằng
cách giảm độ khuếch đại của EDFA2.
Phương pháp này sẽ giảm độ
khu
ếch đại EDFA2 bằng cách tăng độ
khuếch đại của EDFA1 và đảm bảo vẫn
bù đủ suy hao trong bộ HFA. Gọi x là tỉ
lệ phần trăm độ khuếch đại EDFA1
tăng lên theo độ khuếch đại EDFA2.

Quan hệ giữa độ khuếch đại của hai
EDFA này được xác định trong biểu
thức sau:

Trong đó: G
tot
là độ khuếch đại
tổng của bộ HFA; G
E2
, G
R
là độ khuếch
đại của EDFA2 và bộ khuếch đại
Raman khi chưa hiệu chỉnh; GE1(x),
For P
pzo
= 21.0,21.2, 26.0
Tính G
R
(P
pzo
), G
e1
(P
pzo, x
), G
e2
(P
pzo, x
)

Tính OSNR
min
(
P
p
zo
,P
tx
)
Kết thúc
Bắt đầu
Nhập các thông số sợi quang
Nhập thông số hệ thống: M, L,K,P
tx

Sai
OSNR
min
(P
pzo
,P
tx
)>OSNR
max
OSNR
max
= OSNR
min
(P
pzo

,P
tx
)
Đúng
Sai
Công suất bơm P
pz0

Độ khuếch đại: G
R
, G
e1
, G
e2

Tỉ số OSNR tối ưu:OSNR
m
a
x
Gán OSNR
max
=20,tính P
sig
(P
tx
)
-25 < P
sig
(P
tx

) < -10
Đúng
Hình 2. Lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
5
GE2(x) là độ khuếch đại của EDFA1 và EDFA2 khi đã hiệu chỉnh; La là chiều dài trung
bình của mỗi phân đoạn.
Sau khi tìm được sự phụ thuộc của GE1, GE2 theo x thì ta thay đổi độ khuếch đại
của 3 bộ khuếch đại thành phần để tìm được OSNR tối ưu. Lưu đồ thuật toán được chỉ ra
như hình 2.
3. Xây dựng lưu đồ thuật toán tối ưu OSNR; kết quả tính toán và thảo luận







Cấu hình tuyến được thể hiện như hình 3 [3]. Tuyến có tổng chiều dài là 1590
km, gồm 16 trạm lặp, mỗi trạm lặp chứa một bộ khuếch đại quang EDFA. Tuyến sử
dụng hai loại sợi, DSF được dùng làm sợi truyền dẫn (D=-1,885ps/nm.km) và NDSF
hoặc SMF được dùng làm sợi bù tán sắc với độ dịch tán sắc 18,886ps/nm.km.
Từ đặc điểm của tuyến, ta thấy các phân đoạn của tuyến có chiều dài bằng nhau
(98km). Ngoại trừ phân đoạn đầu tiên và phân đoạn cuối cùng là 60km. Do đó, để nâng
cấp tuyến ta lắp thêm các bộ Raman tạo thành các bộ HFA trên đường truyền. Với số bộ
EDFA ban đầu là 16 thì cần số bộ HFA_2E là 8. Cấu hình tuyến sử dụng HFA dùng cho
tính toán được thể hiện như hình 4. Giả sử trong thời gian tới, hệ thống sẽ được nâng
cấp từ 4 kênh lên 8 kênh hoặc 16 kênh. Các kênh đặt cách nhau 1nm và kênh đầu tiên
đặt tại bước sóng 1500nm, công suất phát tín hiệu trên từng kênh là 1mW. Số lượng
bơm Raman cần thêm vào tuyến là 8 bộ.

Tỉ số OSNR thấp nhất (kênh 5) trong 8 kênh bằng 21,9dB. Hình 5(a). và hình
5(b). Khi độ khuếch đại của bộ EDFA2 giảm thì công suất nhiễu ASE giảm, công suất
nhiễu DRS không thay đổi nhưng công suất FWM lại tăng. Do vậy công suất nhiễu tổng
cuối đường truyền chỉ giảm mạnh khi x nằm trong khoảng 1% đến 20%, sau đó t
ổng
nhiễu lại tăng là do nhiễu FWM tăng.
Để xác định giá trị x thích hợp nhất bài báo tính toán vẽ đồ thị biểu diễn mối
quan hệ giữa OSNR theo x tương ứng với các kênh khác nhau như hình 6. Vị trí đạt tối
ưu tỉ số OSNR theo x của các kênh khác nhau là khác nhau nhưng nhìn chung khi
x=14% thì tỉ số OSNR của các kênh khá gần nhau và đều xấp xỉ tỉ số OSNR tối ưu của
từng kênh đó. Do vậy ta sử dụng kết quả này để tiếp tục tính toán tối ưu bước tiếp theo
Hình 3. Cấu hình tuyến Segment 9 của SEA-ME-WE3 [3]
Sesimbra
Penmarch
60 7*98
DSF
1*90
DSF
7*98
DSF
60
N
ZDSF
Sesimbra
Penmarch
H
ình 4. Cấu hình tuyến Segment 9 sử dụng bộ khuếch đại HFA dùng cho tính toán
DSF DSF
DSF
8 bộ HFA

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
6
để đạt được hiệu quả cao nhất.

Hình 7 và hình 8 biểu diễn quan hệ giữa các công suất nhiễu và OSNR của kênh
5 (có OSNR thấp nhất trong 8 kênh) theo công suất bơm Raman. Khi công suất bơm
Raman tăng từ 21dBm đến 26dBm tương ứng với độ khuếch đại Raman tăng từ 10dB
đến 30dB, độ khuếch đại của EDFA1 và EDFA2 sẽ giảm sao cho độ khuếch đại tổng
không đổi thì công suất ASE và FWM giảm nhưng đồng thời công suất nhiễu DRS tăng.
Vì vậy ban đầu tỉ số OSNR tăng lên theo công suất bơm Raman, đến khi đạt giá trị đỉnh
thì giảm rất nhanh (hình 8).

Sau khi thực hiện tối ưu bộ HFA thu được các kết quả như sau: công suất bơm
Raman tối ưu là 23,8 dBm, độ khuếch đại EDFA1 tối ưu là 11dB, độ khuếch đại của
a)
b)
Hình 6. Sự thay đổi tỉ số OSNR ở cuối
đường truyền theo x
Hình 5. Sự thay đổi của độ khuếch đại theo
x(a) và công suất nhiễu theo x(b)
Hình 7. Quan hệ giữa các công suất
nhiễu theo công suất bơm Raman
Hình 8. Quan hệ giữa tỉ số OSNR theo công
suất bơm Raman

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
7
EDFA2 là 10,8dB, tỉ số OSNR thấp nhất trong 8 kênh là 24,4dB. Tiến hành các bước
tương tự như trên với các công suất phát tín hiệu thay đổi, ta xác định được các thông số
tối ưu và lập thành bảng 1 và bảng 2 để tiện trong việc tra cứu.

Bảng 1. Tỉ số OSNR tối ưu của hệ thống thông tin sợi quang WDM 8 kênh
Công su
ấ
t phát
tín hiệu (dBm)
Công suất bơm
R
aman
t
ối ưu (dBm
)
Độ khu
ế
ch đ
ạ
EDFA1 tối ưu (d
B
Độ khuếch đại
E
DFA2
t
ối ưu (dB)
Tỉ số OSNR tối
ưu (dB)
-5 24,4 15 4,28 20,5
-4 24,4 15 4,28 21,4
-3 24,2 14 6,17 22,3
-2 23,1 14 7,85 23,1
-1 24 12 9,03 23,8
0 23,8 11 10,8 24,4

Bảng 2. Tỉ số OSNR tối ưu của hệ thống thông tin sợi quang WDM 16 kênh
Công suất
phát tín hiệu
(dBm)
Công suất bơm
Raman tối ưu
(dBm)
Độ khuếch đại
E
DFA1
t
ối ưu (dB)
Độ khuếch đại
E
DFA2
t
ối ưu (dB)
Tỉ số OSNR tối
ưu (dB)
- 5 20,3 10,7 8,54 20,3
- 4 24,2 11,6 8,53 21,3
- 3 24,2 11,6 8,7 22,2
- 2 23 12,5 8,5 23
- 1 24 12,5 8,5 23,7
0 23,8 13,8 8,53 24,1
Từ 2 bảng ta có thể kết luận giá trị OSNR tối ưu tỉ lệ nghịch với số kênh thông
tin của hệ thống truyền dẫn. Số kênh thông tin của hệ thống truyền dẫn càng nhiều
OSNR tối ưu càng giảm. Ngược lại, OSNR tối ưu tỉ lệ thuận với công suất tín hiệu vào,
khi công suất tín hiệu vào tăng lên, OSNR tối ưu tăng theo. Tuy nhiên, không thể nói
rằng công suất tín hiệu vào càng tăng thì OSNR cũng tăng theo một cách tuyến tính mà

nó bị giới hạn bởi các điều kiện về công suất tín hiệu ở đầu vào máy thu.
4. Kết luận
Bài báo đã đưa ra cấu hình bộ khuếch đại ghép lai HFA phù hợp và có thể áp
dụng vào tuyến thông tin sợi quang WDM xuyên biển thực tế. Đồng thời bài báo đã xây
dựng thuật toán, tính toán tối ưu hóa bộ khuếch đại HFA, nâng cao chất lượng tín hiệu
thu tại cuối đường truyền.


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
8

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A. Carena, V. Curri, P. Poggiolini, “On the Optimization of Hybrid
Raman/Erbium-Doped Fiber Amplifiers”, IEEE photonics Technology Letters,
Vol.13, No.11, November 2001, pp. 1170-1172.
[2] Chisato Fukai et al , “A study of the Optimum Fiber Design for a Distributed
Raman Amplification Transmission System”, IEEE photonics Technology Letters,
Vol.15, No.11, November 2003, pp. 1642-1644.
[3] “OALW 16, General presentation of the overall SMW-3 system”, Book 10, Section
3, Alcatel, 1997.
[4] W. Zeiler, F. D. Pasquale, P. Bayel, Member, IEEE, J.Midwinter, Fellow. IEEE,
“Modeling of four-wave mixing and gain peaking in amplified WDM optical
communication systems and networks”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 14,
No. 9, pp. 1933-1942, September 1996.