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

So sánh hoạt động của các hệ thống
thông tin quang M - QAM có sử dụng
bộ khuếch đại quang

KS. Lê trung thành
Bộ môn Thông tin - Viễn thông
Khoa Điện - Điện tử - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Bi 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
đợc tính toán, so sánh v mô phỏng với ba phơng án sử dụng EDFA trên tuyến: lm khuếch
đại công suất (BA), khuếch đại đờng truyền (LA), hay tiền khuếch đại (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. giới thiệu
Trong các hệ thống thông tin quang các bộ khuếch đại quang sợi EDFA thờng đợc sử
dụng làm: khuếch đại công suất (BA), khuếch đại đờng truyền (LA) hay tiền khuếch đại (PA).
Tuỳ theo vị trí sử dụng mà tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện eSNR (electrical Signal to Noise Ratio)
và công suất sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio) sau tách sóng quang khác
nhau. Việc tính toán eSNR và vị trí tối u của EDFA trên tuyến thông tin quang đã đợc đa ra
trong một số công trình [1, 2]. Tuy nhiên, các kết quả đó mới chỉ xét cho hệ thống thông tin
quang điều biến cờng độ - tách sóng trực tiếp (IM - DD), còn trong các hệ thống thông tin
quang truyền dẫn tín hiệu cao tần RF, nh tín hiệu hình ảnh đợc điều chế M - QAM thì cha
đợc nghiên cứu.
Trong bài báo này chúng tôi sẽ nghiên cứu vị trí đặt tối u của EDFA trên tuyến thông tin
quang M-QAM dựa vào CNR sau tách sóng quang cho cả ba trờng hợp sử dụng EDFA làm

khuếch đại công suất, khuếch đại đờng truyền hay khuếch đại công suất.
ii. Mô hình tính toán Cnr
Bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể đợc dùng làm khuếch đại công suất BA, khuếch
đại đờng truyền LA hay tiền khuếch đại PA (hình 1).


a
/
c
/
b
/
Hình 1. Hệ thống truyền tín hiệu M QAM qua sợi quang có sử dụng EDFA lm:
a. Khuyếch đại công suất (BA)
b. Khuyếch đại đờng truyền (LA)
c. Tiền khuyếch đại (PA)
1. Tính CNR cho một điểm tín hiệu sau tách sóng quang
Với hệ thống điều chế M - QAM, để tính toán tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm của
toàn bộ hệ thống (gồm M điểm tín hiệu), trớc hết ta cần tính CNR cho một điểm tín
hiệu. Công thức tính CNR sau tách sóng quang đợc xác định [3, 5]:
avr
CNR
2
tot
2
s
2
Im5,0
CNR

=
(1)
Trong đó m là chỉ số điều chế quang,
ss
PI

=
là dòng phôtô sau tách sóng; tơng
ứng là đáp ứng và công suất quang đến của bộ tách sóng; là tổng công suất tạp âm sau
tách sóng, đợc tính nh sau [2]:
s
P,
2
tot

2
tot

,
2
RIN
2
th
2
sps
2
sh
2
tot
+++=

(2)
với tơng ứng là công suất tạp âm lợng tử, công suất tạp âm
phách giữa tín hiệu và phát xạ tự phát, công suất tạp âm phách giữa phát xạ tự phát- tự phát,
công suất tạp âm cờng độ tơng đối và công suất tạp âm nhiệt sau tách sóng quang, đợc xác
định bởi:
2
th
2
RIN
2
spsp
2
sps
2
sh
,,,,


;IPG
B
B
2);IPG(eB2
ASEtx
2
21
0
e
2
spsASEtx12e

2
sh
=+=


,
R
kTB4
;)GI(RIN);
2
B
B(I
B
B
e
2
th
2
S
2
RIN
e
0
2
ASE
0
e
2
2
2

spsp
===



trong đó: B
e
, B
0
là băng tần điện của bộ thu và băng tần quang của bộ lọc quang sau
EDFA; e,k, R, T lần lợt là điện tích electron, hằng số Boltzman, điện trở sau tách sóng và nhiệt
độ tuyệt đối; là dòng phôtô tạo ra do phát xạ tự phát đợc khuếch đại sau tách sóng,
P
ASE
I
;B)1G(hn2PI
0spASEASE
==
ASE
là công suất của phát xạ tự phát đợc khuếch đại;
n
sp
,h, , G tơng ứng là hệ số phát xạ, hằng số Planck, tần số quang và hệ số khuếch đại của
EDFA; là hệ số suy hao sợi quang từ nguồn phát đến EDFA và từ EDFA đến bộ tách
sóng quang tơng ứng.
21
,
Do vậy, CNR sau tách sóng quang khi EDFA đợc dùng làm khuếch đại đờng truyền LA
là:
R

kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx21
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
21
01
e

ASEtx12e
2
tx21
2
+++++

=

(3)
CNR khi EDFA đợc dùng làm BA là:
R
kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx2
e
0

2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
2
01
e
ASEtx2e
2
tx2
2
+++++

=

(4)
và khi EDFA đợc dùng làm PA:
R
kTB4
B)PG(RIN)
2
B
B(I
B
B
IPG

B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
e
e
2
tx1
e
0
2
ASE
2
0
e
ASEtx1
0
e
ASEtx12e
2
tx2
2
+++++

=

(5)
2. Tính CNR trung bình của hệ thống sau tách sóng quang
Gọi là tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm trung bình sau tách sóng quang của

hệ thống, đợc tính nh sau:
avr
CNR
2
max
2
M
1i
2
iavr
A
)1M(3
1M
CNRACNR
M
1
CNR


=








=

=
(7)
trong đó là biên độ của điểm tín hiệu thứ i, là biên độ cực đại.
i
A
max
A
Từ các công thức (3), (4), (5) và (7) chúng tôi tìm ra tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm
của toàn bộ hệ thống nh sau:
avr
CNR sau tách sóng quang khi EDFA đợc dùng làm khuếch đại đờng truyền LA:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M

CNR
)G(RIN
tx21
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
21
0
e
ASEtx12e
2
tx21
2
2
avr
+++++



=

(8)

CNR khi EDFA đợc dùng làm BA là:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M
CNR
)G(RIN
tx2
e
0
2
ASE
2
0
e

2
2ASEtx
2
2
1
0
e
ASEtx2e
2
tx2
2
2
avr
+++++



=

(9)
và khi EDFA đợc dùng làm PA:
R
e
kTB4
e
B
2
P)
2
B

B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
)1M(3
1M
CNR
)G(RIN
tx1
e
0
2
ASE
2
0
e
ASEtx1
0
e
ASEtx12e
2
tx1
2
2
avr
+++++

=

(10)
iii. Kết quả mô phỏng
Trong phần này chúng tôi mô phỏng kết quả đạt đợc từ phân tích lý thuyết ở trên với các
tham số hệ thống:
GHz10B,K300T,50R
0
0
=== ,
W/A8,0;2,0m,nm1550
=

=
=




Hình 2. Sự phụ thuộc của CNR vo hệ số
khuyếch đại G của EDFA
Hình 3. Sự phụ thuộc của CNR vo công suất phát

Hình 2 mô phỏng mối quan hệ giữa tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR và hệ số
khuếch đại G của EDFA, cho hệ thống có số mức điều chế M = 32. Kết quả so sánh CNR cho
ba phơng án sử dụng EDFA trong hệ thống: EDFA làm khuếch đại công suất BA, làm khuếch
đại đờng truyền LA hay tiền khuếch đại PA. Từ đồ thị ta thấy rằng khi giá trị G còn nhỏ,

G = 3 ữ 10dB, CNR của ba phơng án là gần nh nhau. Khi G tăng lên, G > 10dB thì CNR trong
trờng hợp EDFA làm PA có giá trị lớn hơn cả và trong trờng hợp BA, CNR có giá trị nhỏ nhất.
Do vậy, trong thực tế thiết kế tuyến thông tin sợi quang, chúng ta sử dụng EDFA làm tiền
khuếch đại PA sẽ là tối u về cả CNR và khả năng giám sát hoạt động dễ dàng. Tuy nhiên, khi
G tăng lên đến một giá trị nào đó (xấp xỉ 25dB cho phơng án PA hay LA và 20 dB cho phơng
án BA) thì CNR sẽ không còn tăng nữa và đạt đến giá trị bão hoà trong cả ba phơng án.

Sự phụ thuộc của CNR cho ba phơng án sử dụng EDFA trong hệ thống theo công suất
phát đợc thể hiện trên hình 3. Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng này là: M = 64,
khoảng cách tuyến L= 70km, hệ số suy hao sợi quang
tx
P
km/dB21,0
f
=

, khoảng cách từ nguồn
phát đến EDFA là
km50L
1
=
và khoảng cách từ EDFA đến bộ thu là km20L
2
=
, với chú ý rằng
(lần) và (lần). Kết quả mô phỏng cho thấy, giá trị của CNR tăng
theo công suất phát trong cả ba phơng án, và trong phơng án EDFA làm tiền khuếch đại thì
CNR có giá trị lớn nhất. Giá trị của CNR trong phơng án BA là nhỏ nhất bởi trong trờng hợp
này EDFA đạt đến trạng thái bão hoà nhanh nhất.
1

L
f
1,0
1
10

=
2
L
f
1,0
2
10

=
Nhìn chung, hệ số khuếch đại G và công suất phát tăng sẽ nâng cao đợc giá trị của CNR.
Tuy nhiên, độ khuếch đại sẽ trở nên không có ý nghĩa khi nó tăng đến một giá trị cao nh đã
phân tích ở trên. Điều này có thể giải thích là do nguồn tạp âm của bộ khuếch đại quang sợi
EDFA, công suất tạp âm tăng khi G tăng. Ngoài ra, CNR còn phụ thuộc vào hình ảnh nhiễu NF
(Noise Figure) của bộ khuếch đại quang nh đợc chỉ ra trong hình 4. ở đây, chúng tôi lấy xấp
xỉ [1]. Từ hình 4, ta có nhận xét rằng CNR sẽ giảm khi NF tăng. Khi EDFA đợc dùng
làm BA thì CNR giảm rất nhanh theo NF, còn với hai phơng án còn lại CNR giảm theo NF ít
hơn.
sp
n2NF =


Hình 4. Quan hệ giữa CNR v NF cho
ba phơng án sử dụng EDFA
Hình 5. Sự phụ thuộc của CNR vo vị trí của EDFA

cho hệ thống có M khác nhau

Hình 5 so sánh CNR của các hệ thống có số mức điều chế M = 16, 32 và 64 khi EDFA dịch
chuyển trên tuyến, khoảng cách của tuyến là L = 90km. Từ đồ thị ta thấy rằng, khi EDFA dịch
chuyển từ nguồn phát Tx đến bộ thu Rx ( giảm dần) thì CNR tăng dần. Đồng thời khi M tăng
thì hiệu suất sử dụng băng thông tăng tỷ lệ với [6], nhng CNR lại giảm. Do vậy, trong
thực tế tuỳ theo yêu cầu của từng hệ thống truyền dẫn mà chọn số mức điều chế M thích hợp (ví
dụ hệ thống truyền dẫn tín hiệu RF qua sợi quang từ các trạm thu phát gốc BTS đến trạm gốc
BS trong thông tin di động dùng M = 64 [3], truyền tín hiệu video qua sợi quang thì thờng sử
dụng số mức điều chế M = 256 [4])
2
L
Mlog
2
Sự phụ thuộc của CNR vào công suất phát cho các hệ thống có số mức điều chế M và
hệ số khuếch đại G của EDFA khác nhau đợc thể hiện trên các hình 6 và 7. Các tham số dùng
tx
P

cho mô phỏng này là: Khoảng cách truyền dẫn L = 70km, và
km20L
1
=
. Kết quả mô phỏng chỉ
ra rằng, CNR tăng theo giá trị công suất phát gần nh tuyến tính và hệ số khuếch đại G. Tuy
nhiên, khi tăng đến một giá trị nào đó CNR không còn tăng tuyến tính theo nữa. Kết quả
này có đợc bởi giá trị của công suất tạp âm do EDFA tạo ra cũng tăng theo , làm cho CNR
đạt đến giá trị bão hoà khi tăng.
tx
P

tx
P
tx
P
tx
P



Hình 6. Quan hệ giữa CNR v Ptx (M khác nhau)


Hình 7. Quan hệ giữa CNR v Ptx (G khác nhau)
Do vậy, khi cần tăng CNR đến một giá trị nào đó của bài toán thiết kế ta có thể chọn hoặc
nâng cao giá trị công suất phát hoặc nâng cao độ khuếch đại G của EDFA. Ví dụ tại giá trị công
suất phát G = 15dB thì CNR = 40dB; giả sử yêu cầu của hệ thống CNR = 50dB
thì ta có thể giữ nguyên hệ số khuếch đại G của EDFA và tăng công suất phát đến
hoặc tăng hệ số khuếch đại G đến 20dB và giữa nguyên công suất phát.
,dBm10P
tx
=
dBm5P
tx
=


Hình 8. Quan hệ giữa CNR v Ptx
với tốc độ bit khác nhau

Hình 9. Quan hệ giữa CNR v G

với tốc độ bít


Hình 8 và 9 là kết quả mô phỏng sự phụ thuộc của CNR vào công suất phát và hệ số
khuếch đại G của EDFA với các hệ thống có tốc độ bit khác nhau. Kết quả mô phỏng chỉ ra
rằng CNR giảm khi tốc độ bit tăng, điều này phù hợp với thực tế bởi khi tốc tộ bit tăng thì tạp âm
nhiệt và tạp âm lợng tử tăng theo, làm giá trị CNR giảm.
b
R
iv. Kết luận
Trong bài báo này, chúng tôi đã so sánh hoạt động của các hệ thống truyền tín hiệu M-
QAM qua sợi quang có sử dụng khuếch đại quang EDFA. Kết quả đã chỉ ra rằng tỷ số công
suất sóng mang trên tạp âm CNR giảm theo số mức điều chế M đợc sử dụng và tốc độ bit của
hệ thống.
Tài liệu tham khảo
[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]. Trần Đức Hân, Dơng Quốc Hong, Trần Quốc Dũng, Trần Cảnh Dơng. Tối u hoá việc sử dụng các
bộ khuếch đại quang sợi trong truyền dẫn quang. Tuyển tập hội nghị 45 năm ĐHBKHN, 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]. Trần Đức Hân, Lê Trung Thnh. Phơng pháp tính công suất bù BER trong các hệ thống thông tin sợi
quang, Tạp chí Khoa học, Ban KHTN, trờng ĐHSP Hà Nội, No.4, 9/2003