Báo cáo khoa học: "vấn đề Nâng cao chất l-ợng truyền dẫn tín hiệu M - QAm qua hệ thống thông tin quang có sử dụng EDFA" pot

vấn đề Nâng cao chất lợng
truyền dẫn tín hiệu M - QAm qua hệ thống
thông tin quang có sử dụng EDFA


KS. lê trung thành
Bộ môn Thông tin viễn thông
Khoa Điện - Điện tử - Trờng ĐH GTVT

Tóm tắt: Vấn đề nâng cao chất lợng truyền dẫn dựa vo việc tính toán công suất bù
BER đã đợc đa ra trong [1]. Trong bi báo ny, chúng tôi đa ra một phơng pháp mới tính
công suất bù BER ( ) cho việc thiết kế các hệ thống truyền dẫn tín hiệu đợc điều chế
M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA. Mối quan hệ giữa
tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) v tỷ số sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio)
sau tách sóng quang đợc thiết lập; mối quan hệ giữa
BER
P
BER
P

v các tham số của hệ thống
đợc xác định v mô phỏng.
Summary: This paper proposes a new method of calculating the BER compensative
Power ( ) for designing M-QAM signals transmission systems over optic- fiber link with
EDFA. The Carrier to Noise Ratio and the Bit Error Rate at the receiver are calculated; the
relation between
BER
P
BER
P

and the parameters of the system are defined and simulated.
i. giới thiệu
Việc thiết kế các hệ thống thông tin quang đặc biệt là hệ thống thông tin quang SDH phải
dựa vào các chuẩn đợc khuyến nghị bởi ITU-T. Tuy nhiên, tham số BER - tham số thể hiện
chất lợng của hệ thống thì cha đợc quy chuẩn và các nhà thiết kế có thể chọn
hoặc tuỳ theo hệ thống. Khái niệm về công suất bù BER đã đợc đa ra trong [1], [2]
cho việc thoả mãn mọi giá trị BER yêu cầu của bài toán thiết kế. Tuy nhiên, các kết quả đó chỉ
đợc áp dụng cho các hệ thống thông tin sợi quang OOK (On - Off Keying), dạng tín hiệu là RZ
hoặc NRZ, khi đó việc đánh giá chất lợng truyền dẫn dựa vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm điện
sau tách sóng quang (eSNR) và mối quan hệ giữa BER và eSNR. Trong hệ thống truyền tín
hiệu đợc điều chế M - QAM qua tuyến thông tin quang thì kết quả đó không còn đợc áp dụng,
bởi chất lợng truyền dẫn lúc này lại đợc đánh giá bằng CNR ở đầu thu, mối quan hệ giữa BER
và CNR còn phụ thuộc vào số mức điều chế tín hiệu M [4-8].
10
10BER

=
12
10BER

=
Bài báo đa ra phơng pháp mới tính công suất bù BER (
BER
P

) cho việc thiết kế các hệ
thống truyền tín hiệu đợc điều chế M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại
quang sợi EDFA. Kết quả đạt đợc cho phép các nhà thiết kế hệ thống đánh giá đợc chất
lợng truyền dẫn và chọn đợc các tham số thiết bị phù hợp cho việc nâng cấp hệ thống, đáp

ứng với yêu cầu truyền thông băng rộng ngày nay.

II. Tính toán tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm (CNR)
1. Cấu trúc hệ thống
Trong hệ thống thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA có thể đợc sử dụng làm
khuếch đại công suất BA (Booster Amplifier), khuếch đại đờng truyền LA (In - Line Amplifier)
hay tiền khuếch đại PA (Pre - Amplifier) [2]. Hình 1 chỉ ra hệ thống truyền tín hiệu M-QAM qua
tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA.
P
tx
, L
1
,
1
L
2
,
2
Hình 1. Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA
2. Tính CNR sau tách sóng quang
Công thức tính CNR sau tách sóng quang đợc xác định [7], [8]:
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
spsp
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]:
2
th
2
RIN
2
spsp
2
sps
2
sh
,,,,

)IPG(eB2
ASEtx12e
2
sh
+= ;
ASEtx
2
21
0
e
2

sps
IPG
B
B
2 =

;
)
2
B
B(I
B
B
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2
2
spsp
=

; ;
e
B
2

)
s
GI(RIN
2
RIN
=
R
kTB4
e
2
th
= ,
trong đó: 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,
; là công suất của phát xạ tự phát đợc khuếch đại;
0e
B,B
ASE
I
0spASEASE
B)1G(hn2PI ==
ASE
P

,h,n
sp
, 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
e
kTB4
e
B
2
)G(RIN
tx21
e
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASEtx
2
21
0
e
ASEtx12e
2
tx21
2
P)

2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
+++++

=
(3)
CNR khi EDFA đợc dùng làm BA là:
R
e
kTB4
e
B
2
)G(RIN
tx2
e
0
2
ASE
2
0

e
2
2ASEtx
2
2
1
0
e
ASEtx2e
2
tx2
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B
2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
+++++

=
(4)
và khi EDFA đợc dùng làm PA:
R

e
kTB4
e
B
2
)G(RIN
tx1
e
0
2
ASE
2
0
e
ASEtx1
0
e
ASEtx12e
2
tx1
2
P)
2
B
B(I
B
B
IPG
B
B

2)IPG(eB2
)PG(m5,0
CNR
+++++

=
(5)
III. Quan hệ giữa BER v CNR của hệ thống điều chế M-QAM
Với hệ thống điều chế M - QAM sử dụng mã Gray, xác suất lỗi bít BER đợc xác định theo
công thức [3]:












=

=

avr
2
2
1
0
b
2
2
2
1
e
CNR
1L
3
Q
Llog
)L1(2
N
E2
1L
Llog3
Q
Llog
)L1(2
P

, (6)
trong đó: là số mức điều chế; tơng ứng là năng lợng bít và mật độ tạp âm;
Q(x) đợc xác định qua hàm bù sai lỗi:
2
LM =
0b
N,E
)
2
x
exp(
2x
1
)
2
x
(erfc
2
1
)x(Q
2


=
; là tỷ
số công suất sóng mang trên tạp âm trung bình sau tách sóng quang [7]:
avr
CNR

2

max
2
M
1i
2
iavr
A
)1M(3
1M
CNRACNR
M
1
CNR


=








=

=
(7)
IV. Tính công suất bù BER
Công suất bù BER là công suất cần thêm vào nguồn phát để nâng cấp hệ thống từ một giá

trị đến giá trị mới
0
BERBER =
1
BERBER
=
, chẳng hạn từ
6
10BER

=
đến .
9
10BER

=
Công suất bù BER đợc tính nh sau [2]:
tx
txNew
BER
P
P
lg10P =

(8)

ở đó, tơng ứng là công suất phát tại
txNewtx
P,P
0

BERBER
=
và
1
BERBER
=
.
Nhận xét rằng, từ các phơng trình (3), (4), (5) và (7) CNR trung bình đều có dạng:
DCP)BP(
)AP(
CNR
tx
2
tx
2
tx
++
=

(9)
trong đó: A, B, C, D đợc tính cho từng trờng hợp sử dụng EDFA trên tuyến:
- khi EDFA đợc dùng làm LA:
ASE
2
21
0
e
21e
21e
21

2
IG
B
B
2GeB2C
GRINBB
Gm
)1M(3
1M
5,0A
+=
=



=

R
kTB4
)
2
B
B(I
B
B
IeB2D
ee
0
2
ASE

2
0
e
2
2ASE2e
++=

- khi EDFA đợc dùng làm BA:
ASE
2
2
0
e
2e
2e
2
2
IG
B
B
2GeB2C
GRINBB
Gm
)1M(3
1M
5,0A
+=
=

=

R
kTB4
)
2
B
B(I
B
B
IeB2D
ee
0
2
ASE
2
0
e
2
2ASE2e
++=

- khi EDFA đợc dùng làm PA:
ASE1
0
e
1e
1e
1

2
IG
B
B
2GeB2C
GRINBB
Gm
)1M(3
1M
5,0A
+=
=



=

R
kTB4
)
2
B
B(I
B
B
IeB2D
ee
0
2
ASE

2
0
e
ASEe
++=

Ta sẽ sử dụng công thức chung về CNR (9) để tính toán
BER
P

rồi từ đó sẽ suy ra cho
từng trờng hợp BA, LA và PA. Coi CNR là tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm ứng với
và CNR
New
cho trờng hợp BER bằng giá trị mới theo yêu cầu thiết kế, khi đó:
4
10BER

=

DCP)BP(
)AP(
CNR
tx
2
txnew
2
txnew
New
++

=
(10)
Đặt
tx
txnew
P
P
k =
, từ (9) và (10) ta tính đợc
a2
b
k
+
=
, trong đó a, b, c tính theo A, B, C,
D và nh sau:
tx
P
[
]
DCP)BP(
CNR
CNR
Dc;CPb;BPa
tx
2
tx
New
txtx
++===

; ac4b
2

=


Do vậy, công suất bù BER đợc tính theo công thức:
3)alg(10)blg(10
a2
b
lg10klg10]dB[P
BER
+=








+
==
[dB] (11)
Phơng trình (11) là công thức tính chung cho ba phơng án sử dụng EDFA trên tuyến.
BER
P
Ta có nhận xét rằng giá trị của công suất bù BER không những phụ thuộc vào các tham số
của thiết bị nh hệ số suy hao sợi quang, công suất phát, hệ số khuếch đại G của EDFA, mà
còn phụ thuộc vào vị trí của EDFA trên tuyến và số mức điều chế M đợc sử dụng.

V. Mô phỏng số kết quả
Trong phần này chúng ta sẽ mô phỏng kết quả với các tham số hệ thống:
GHz1B,K300T,50R
0
0
=== ,
0,8A/W 0,2; m mm, 1550
=

=
=


Hình 2. Quan hệ giữa công suất bù v BER
Hình 3. Quan hệ giữa CS bù v BER với M khác nhau
Hình 2 và 3 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và BER, so sánh giá trị
của ba phơng án sử dụng EDFA trên tuyến và số mức điều chế M khác nhau, M = 16, 32, 64
(giá trị BER ban đầu là ). Ta có nhận xét rằng khi EDFA đợc sử dụng làm tiền
khuếch đại thì công suất bù BER có giá trị nhỏ nhất và giá trị công suất bù BER tỷ lệ thuận với
số mức điều chế M. Khi cần tăng chất lợng truyền dẫn, giá trị công suất bù BER cũng tăng
theo tơng ứng; chẳng hạn nh ta cần giảm BER đến giá trị , với PA cần
công suất bù xấp xỉ 3dB, LA cần 5 dB và BA cần 5,5dB.
BER
P
2
0
10BERBER

==
6

1
10BERERB

==

Hình 4, 5 và 6 thể hiện mối quan hệ giữa công suất bù BER và hệ số khuếch đại G của
EDFA. Kết quả mô phỏng cho ba phơng án sử dụng EDFA trên tuyến làm khuếch đại công
suất, khuếch đại đờng truyền, tiền khuếch đại và so sánh các hệ thống có số mức điều chế
khác nhau. Ta thấy rằng khi G có giá trị còn nhỏ (<10 dB) thì công suất bù BER có giá trị xấp xỉ
bằng nhau với 3 phơng án sử dụng EDFA. Tuy nhiên khi G lớn hơn 10dB thì giá trị công suất
bù BER với BA tăng đột biến và lớn hơn so với hai phơng án còn lại. Kết quả này có đợc vì khi
EDFA làm khuếch đại công suất BA, công suất quang đầu vào EDFA sẽ lớn và làm cho EDFA
đạt đến trạng thái bão hoà nhanh hơn so với LA và PA. Từ đó ta có thể tìm đợc giá khoảng giá
Từ hình 5 ta cũng có nhận x
trị tối u (
optimal Gain) của G từ .
th
dB2510 ữ
Hình 5. Quan hệ giữa công suất bù v G
ét rằng khi số mức điều chế M tăng thì hiệu suất sử dụng băng
ông sẽ tăng tỷ lệ với
Mlog
2
[3], tuy nhiên giá trị của công suất bù BER tăng theo tơng ứng
với cả ba phơng án sử EDFA trong hệ thống. Đồng thời, khi EDFA đợc sử dụng làm
khuếch đại đờng truyền và tiền khuếch đại thì giá trị công suất bù BER thay đổi rất nhỏ so với
G. Do vậy thực tế tuỳ theo hệ thống mà ngời ta chọn giá trị M thích hợp. Ví dụ với hệ thống
truyền hình thì có thể chọn số mức điều chế M = 32 hoặc 64 [5].
dụng

Trờng hợp EDFA làm PA
Hình 4. Quan hệ giữa công suất bù v G
Hình 6. Công suất bù BER v G với số
mức điều chế M khác nhau
- EDFA lm BA
- EDFA lm LA
- EDFA lm PA



Mối quan hệ giữa giá trị của công suất bù BER và hệ số khuếch đại G với số mức điều chế
M là 8, 16, 32 và 64 tại
BER tơng ứng với các công suất phát khác nhau -10,
-5, 0, 5 và 10 dBm đợc thể hiện trên hình 7. Các tham số đợc sử dụng cho mô phỏng này là:
khoảng cách từ nguồn phát tới EDFA,
L
6
==
1
0
10BER
km40
=
; khoảng cách từ EDFA tới bộ tách sóng PIN
; hệ số suy hao sợi quang
km50L
2
=
km/dB21,0
=

. Ta có nhận xét rằng khi công suất nguồn
phát Ptx tăng thì giá trị của công suất bù BER tăng theo tơng ứng, đồng thời khi công suất phát
nhỏ (Ptx = - 10dBm), giá trị công suất bù BER hầu nh không thay đổi theo G; chỉ khi công suất
phát có giá trị đủ lớn, Ptx > 0dBm thì giá trị của công suất bù BER tăng khi hệ số khuếch đại G
của EDFA tăng.
Hình 7. Công suất bù BER v G với số mức điều chế M khác nhau v công suất phát khác nhau
Hình 8 và 9 mô phỏng mối quan hệ giữa công suất bù BER và khoảng cách từ máy phát

đến bộ khuếch đại quang sợi EDFA, , khi khoảng cách tuyến là L = 90km. Ta có nhận xét
rằng, khi tăng từ 0 đến 90 km, tức EDFA dịch chuyển từ phía phát đến phía thu thì giá trị công
suất bù giảm dần, giá trị công suất bù đạt cực tiểu khi EDFA đợc dùng làm tiền khuếch đại. Kết
quả mô phỏng cũng cho thấy với mọi hệ thống có số mức điều chế M khác nhau đều tồn tại giá
trị bão hoà của hệ số khuếch đại G ( ) và giá trị này cỡ khoảng 25 dB. Khi hệ số khuếch đại G
thì giá trị của công suất bù BER sẽ không còn giảm theo L1 nữa. Đồng thời từ hình 8 ta
cũng có nhận xét rằng với M xác định, ta có thể chọn đợc các cặp tham số G, L1 để đạt cùng
một giá trị công suất bù. Từ đó thực tế trong thiết kế tuyến truyền dẫn cáp sợi quang, tuỳ theo điều
kiện mà có thể chọn vị trí đặt EDFA và hệ số khuếch đại G để đạt giá trị công suất bù phù hợp.
1
L
1
L
bh
G
bh
Gf


Hình 8: Mối quan hệ giữa công suất bù v khoảng cách L1 với Ptx, M khác nhau
Hình 9. Quan hệ giữa công suất bù BER v khoảng cách L1[km]

VI. Kết luận
Bài báo đã tính đợc CNR ở đầu thu cho hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua tuyến thông
tin quang có sử dụng khuếch đại quang trong cả ba phơng án làm khuếch đại công suất,
khuếch đại đờng truyền và tiền khuếch đại. Mối quan hệ giữa BER và CNR đợc khảo sát.
Đồng thời bài báo cũng đa ra một khái niệm và phơng pháp tính toán mới về công suất bù
BER cho việc thiết kế các hệ thống truyền tín hiệu M - QAM qua sợi quang. Kết quả đợc tính
toán, mô phỏng và so sánh với các tham số hệ thống khác nhau. Các kết quả này có thể áp

dụng trực tiếp để thiết kế, nâng cấp các hệ thống truyền hình cáp CATV, đồng thời cho phép
các nhà thiết kế hệ thống nâng cấp đến mọi giá trị BER mong muốn.
Tài liệu tham khảo
[1]. Trần Quốc Dũng, Lê Văn Hải. Phơng pháp tính công suất bù BER cho thiết kế các hệ thống thông tin
quang. Tạp chí Bu chính viễn thông, chuyên san, p.20-23, 4/10, 2000.
[2]. Lê Trung Thnh, Trần Đức Hân. 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.
[3]. Bernard Sklar. Digital Communications, Prentice Hall, 1998.

[4]. Roberto Sabella. Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber links,
IEEE Transactions on communications, pp.715-721,vol.47, No.5, May 1999.
[5]. 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.

[6]. 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.

[7]. A. Pappert, D. Lafaw. Performance evaluation of a 64- QAM microwave fiber optic link wih a remote
external modulator, Proceedings of the Seventh Annual DARPA symposium on Photonic systems for
antenna applications, 13-16, Jan., 1997.
[8]. F.V.C Mendis. CNR requirements for Subcarrier Multiplexed Multichannel Video FM transmission on
optical fiber, Electronic Letters, pp.72-74,Vol 25, No.1, Jan 1989.

[9]. Lê Trung Thnh
. Nghiên cứu việc đánh giá chất lợng truyền dẫn tín hiệu video đợc điều chế bằng
phơng pháp M QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng bộ khuyếch đại quang sợi EDFA. Tạp chí
khoa học và công nghệ. Đại học Đà Nẵng, 5/2004