Báo cáo nghiên cứu khoa học SO SÁNH và ĐÁNH GIÁ các PHƯƠNG án TRUYỀN dẫn TRONG hệ THỐNG THÔNG TIN sợi QUANG COHERENCE tốc độ BIT CAO

SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG ÁN
TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN
SỢI QUANG COHERENCE TỐC ĐỘ BIT CAO
COMPARING AND EVALUATING SIGNAL TRANSFERRING METHODS IN
COHERENT FIBER OPTIC COMMUNICATION SYSTEMS AT HIGH BIT RATE
NGUYỄN VĂN TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo xây dựng mô hình tính toán, so sánh và đánh giá các phương án truyền dẫn có sự
phối hợp giữa khuếch đại quang sợi EDFA và máy thu Coherence: PA-OACR, PA-OLCR, BA
và LA ở tốc độ nhiều Gbit/s trên cơ sở khảo sát qui luật biến thiên của tỉ số tín hiệu trên nhiễu
điện (eSNR) theo khoảng cách truyền dẫn, từ đó xác định hiệu quả của từng phương án.
Ngoài ra, trong phương án LA, bài báo cũng đã tìm được vị trí đặt EDFA trên đường truyền
sao cho eSNR của máy thu đạt được giá trị lớn nhất.
ABSTRACT
Signal transferring methods related to the combination of EDFA and Coherent receiver: PAOACR, PA-OLCR, BA, LA at high Bit-Rate were compared basing on the relation between
eSNR and transferring distance in order to evaluate their effectiveness. In addition, as for LA
method, the location of EDFA in the link for achieving the maximum of eSNR at receiver was
also determined in this paper.

1. Giới thiệu
Khi cự ly truyền dẫn lớn, vượt quá khả năng làm việc của máy thu Coherence thì cần
lắp đặt thêm bộ khuếch đại EDFA để bù tổn hao công suất trên đường truyền, kéo dài cự ly
truyền dẫn. Tuỳ theo vị trí của EDFA trên đường truyền mà hệ thống Coherence được chia
thành 3 phương án lần lượt là khuếch đại phát BA (Boost Amplifier-hình 2), tiền khuếch đại
PA (Preamplifier-hình 1) và khuếch đại đường truyền LA (Line Amplifier-hình 3). Trong
những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm các hệ thống
truyền dẫn theo phương án BA [3], [4], theo PA [5] và theo LA [4]. Nhìn chung kết quả đạt
được của các công trình này đã khẳng định tiềm năng to lớn trong việc nâng cao hiệu quả của
hệ thống bằng các biện pháp phối hợp và khai thác tối đa tính năng khuếch đại của EDFA và

độ nhạy vốn dĩ rất cao của máy thu Coherence nhằm nâng cao hơn nữa cự ly truyền dẫn.
Ngoài ra, có một số công trình nghiên cứu cả 3 phương án [4]; bước đầu đã đề cập và đánh
giá tổng quát ưu nhược điểm của các phương án dựa vào đặc điểm của từng loại. Tuy nhiên
việc phân tích, khảo sát cụ thể các phương án nêu trên nhằm trả lời rốt ráo câu hỏi đặt EDFA
ở đâu cho hiệu quả cao nhất thì cho đến nay vẫn còn để ngỏ. Lý do là vì câu trả lời chính xác
phụ thuộc vào nhiều yếu tố và điều kiện đặt ra ban đầu. Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào điều
kiện thực tiễn lắp đặt EDFA có thuận lợi cho việc bảo trì bảo dưỡng, cung cấp nguồn bơm và
giám sát... Rõ ràng đây là bài toán có nhiều tham số ảnh hưởng đến lời giải nhưng nó có ý
nghĩa thực tiễn cao vì kết quả của bài toán cho phép các nhà thiết kế và lắp đặt có được
phương án tối ưu cho từng trường hợp cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng trong hệ thống
Coherence. Nội dung của bài báo nhằm giải quyết vấn đề đang được quan tâm này.


2. Xây dựng mô hình tính toán và tỉ số tín hiệu trên nhiễu của các phương án
Vì có hai loại máy thu liên quan đến mạch tiền khuếch đại là OACR và OLCR như đã
đề cập [1], [2] nên riêng trong PA, xét 2 phương án là PA-OACR và PA-OLCR như sau:
A. Phương án PA-OACR: (hình 1) PTX , PS' , PS , d : Lần lượt là công suất ra Laser diode,
công suất vào của EDFA, của máy thu Coherence và khoảng cách truyền dẫn,
 f [dB / km] ,  [lần]: lần lượt là tổn hao công suất trên 1 km sợi quang và trên toàn tuyến.

PS
PS'
Máy phát PTX
Máy thu
G
Laserdiode
Cohence
d, f
EDFA
Hình 1. Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương án PA-OACR

Tỉ số eSNR của máy thu trong PA-OACR được xác định như sau:
2
eSNR

PA  OACR



( e ) 2
 PTX P LO G
(h ) 2

(1)

e 2
( e ) 2
B e ( P LO   GP TX  h  m t n sp ( G  1) B o )  4
P LO n sp ( G  1) B e
h
h
4 KTB e
( e ) 2
4
 PTX n sp G ( G  1) B e  2 ( e ) 2 m t n sp2 ( G  1) 2 B e B o 

h
RL



2

Các tham số khác trong (1) được định nghĩa như trong [1], [2].
B. Phương án PA-OLCR: Tương tự bài báo cũng xác định được eSNR trong PAOLCR bằng cách thay đổi vai trò của PS và PLO cho nhau:
2
eSNR

PA  OLCR



( e ) 2
(h  ) 2

(2)

 PTX P LO G

e 2
( e ) 2
B e ( GP LO   PTX  h  m t n sp ( G  1) B o )  4
P LO n sp G ( G  1) B e
h
h
4 KTB e
( e ) 2
4
 PTX n sp ( G  1) B e  2 ( e ) 2 m t n sp2 ( G  1) 2 B e B o 

h

RL



2

C. Phương án BA:



PTX EDFA
Máy phát
Laserdiode

PS

G

P

Máy thu
Cohence

d, f

Hình 2. Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương án BA
2
eSNR

BA



( e ) 2
 P TX P LO G
(h  ) 2

e 2
( e ) 2
B e ( P LO   GP TX  h  m t n sp  ( G  1 ) B o )  4
 P LO n sp ( G  1 ) B e
h
h
4 KTB e
( e ) 2
 4
 2 P TX n sp G ( G  1 ) B e  2 ( e ) 2 m t n sp2  2 ( G  1 ) 2 B e B o 

h
RL



2

(3)


D. Phương án LA:

1
Máy phát
Laserdiode

2

EDFA

PS

PTX

G

Máy thu
Cohence

d2

d1

Hình 3. Mô hình tính toán hệ thống truyền dẫn Cohence theo phương án LA

2
eSNR

LA



( e ) 2
 PTX P LO G
(h ) 2

(4)

e 2
( e ) 2
B e ( PLO   GP TX  h  m t n sp  2 ( G  1) B o )  4
 2 PLO n sp ( G  1) B e
h
h
4 KTB e
( e ) 2

4
 2 PTX n sp G ( G  1) B e  2 ( e ) 2 m t n sp2  22 ( G  1) 2 B e B o 
h
RL



2

3. So sánh tính hiệu quả của các phương án
Để kết quả so sánh có tính thực tiễn cao thì khoảng cách truyền dẫn được chọn
d  100km [3], [4]. Các máy thu đưa vào khảo sát là loại PSK đồng tần tốc độ Rb=10Gbit/s vì
chúng có độ nhạy thu cao nhất và thích hợp với tốc độ bít cao. Các giá trị của các tham số còn
lại được giả thiết như sau: Be  10GHz, B o  10nm, NF  4dB,   0.95, R L  50
Công suất đưa vào sợi quang trong phương án BA được chọn bằng +12.5dBm để tránh

hiện tượng phi tuyến trong sợi có thể làm suy giảm đặc tính hệ thống. Công suất ra từ nguồn
phát trong 2 phương án BA và LA được chọn như nhau và bằng -1.5 dBm. Bước đầu chọn
G=14dB để máy thu trong phương án PA hoạt động ở điều kiện nhiễu phách và tránh hiện
tượng phi tuyến trong phương án BA, sau đó sẽ tăng giá trị G=25dB riêng cho trường hợp LA
để thấy được tác dụng tăng khoảng cách truyền dẫn của nó.
50

50

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu [dB]

BA:G=14dB

40

PSK  Ho

45

Rb  10Gb / s

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu [dB]

PA-OACR:G=14dB

45

  0.95

35

PA-OLCR:G=14dB

30
25

LA:G=14dB

20
15
10
1 00

PA-OACR:G=14dB
BA:G=14dB

40
35

PA-OLCR:G=14dB

30
25

LA:G=25dB
LA:G=14dB

20
15

DD

15 0

2 00

25 0

3 00

Cù ly tru yÒn dÉn [km]

Hình 4. Quan hệ giữa eSNR và d của PAOACR, PA-OLCR, BA, LA với Rb=10 Gbit/s

10
100

Coherence
150

200

250

300

Cù ly truyÒn dÉn cña c¸c ph­¬ng ¸n
[km]

Hình 5. eSNR và d của PA-OACR, PA-OLCR

BA, LA, Coherence và DD với Rb=10 Gbit/s

Trước tiên EDFA trong phương án LA giả thiết là được đặt giữa máy phát và máy thu.


4. Kết quả mô phỏng và thảo luận
Từ kết quả mô phỏng trong hình 4 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR và d của PAOACR, PA-OLCR, BA, LA với Rb=10 Gbit/s có thể rút ra những kết luận sau đây:
+ Cùng một khoảng cách truyền dẫn >150 km cho trước eSNR của 3 phương án PAOACR, BA và LA xấp xĩ nhau, với điều kiện 10dBgiới hạn nhiều phách GHNP và không đưa công suất vào sợi quang quá lớn trong BA). Nghĩa
là trong trường hợp này hiệu quả sử dụng 3 phương án là như nhau, nhưng do PA và BA
không cần dùng hệ thống bơm và giám sát từ xa như LA nên dễ vận hành, bảo quản và giá
thành hệ thống hạ. Do đó PA hoặc BA là giải pháp tốt nhất. Tuy nhiên, ở phương án BA ta
không thể tăng G được vì sẽ gây hiện tượng méo phi tuyến do công suất đưa vào sợi quá lớn,
đồng thời ở phương án PA-OACR việc tăng G không mang lại hiệu quả vì máy thu đã làm
việc trong điều kiện nhiễu phách tối ưu của nó. Trong khi đó nếu càng tăng G>15dB thì ứng
với một eSNR cho trước khoảng cách truyền dẫn của phương án LA sẽ tăng lên đáng kể. Để
thấy rõ hơn về điều này bài báo tiến hành so sánh tỉ số eSNR của 4 phương án trên với
G=25dB cho trường hợp LA. Đồng thời cũng khảo sát quan hệ giữa eSNR của 2 máy thu tách
sóng trực tiếp DD và Coherence-PSK đồng tần (không sử dụng EDFA) trên cùng đồ thị với 4
phương án trên để có thể rút ra các kết luận chung. Hình 5 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR
theo cự ly truyền dẫn của PA-OACR, PA-OLCR, BA, LA, Coherence và DD với
Rb=10Gbit/s. Từ đây, có thể kết luận như sau: Khi tăng G trong phương án LA thì đường đặc
tuyến dời sang bên phải và eSNR ở phương án LA càng tăng. Chẳng hạn đường cong
LA:G=25dB cho eSNR cao hơn đường cong LA:G=14dB đúng bằng 11 dB. Nghĩa là nó cho
phép tăng khoảng cách lên khoảng 52 km. eSNR của máy thu Coherence PSK đồng tần cũng
được thể hiện bởi đường thẳng // với đường PA-OACR và PA-OLCR nhưng thấp hơn chúng
lần lượt là 6.2dB và 10.2dB. eSNR của máy thu DD có độ dốc gấp đôi so với các phương án
khác khi khoảng cách truyền dẫn càng tăng. Do đó tỉ số eSNR của nó giảm nhanh theo d.
Qua khảo sát ta thấy việc dùng phương án LA khi tăng G đem lại hiệu quả cao. Tuy
nhiên như đã thảo luận ở trên, vì nó phải dùng nguồn bơm từ xa nên cần bước sóng bơm

1480nm gần với bước sóng làm việc của hệ thống (1550nm) để giảm tổn hao công suất nguồn
bơm trên sợi. Điều này làm đặc tính nhiễu của EDFA xấu hơn so với khi dùng bước sóng bơm
980nm. Hệ số phát xạ tự phát nsp cũng lớn hơn và ảnh hưởng đến đến đặc tuyến hệ thống.
50

40

35

45

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu [dB]

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu [dB]

PSK  Ho

PSK  Ho
Rb  10Gb / s

NF=5dB

  0.95
G  14dB
30

NF=7dB
25

NF=9dB

20

NF=11dB

15
100

150

200

250

300

Cù ly truyÒn dÉn trong p.¸n LA [km]

Hình 6. Quan hệ giữa eSNR theo d
trong p.a LA với các hệ số NF khác nhau

Rb  10Gb / s

  0.95
NF  4dB

40
35
30

G=14dB

25

G=20dB

20

G=25dB

15
10
100

G=30dB
150

200

250

300

Cù ly truyÒn dÉn trong p.¸n LA [km]

Hình 7. Quan hệ giữa eSNR theo d
trong p.án LA với các hệ số G khác nhau


Để minh hoạ điều này bài báo đã khảo sát sự thay đổi đặc tuyến eSNR theo khoảng
cách tương ứng với các giá trị khác nhau của NF như trên đồ thị hình 6. Việc khảo sát ảnh

hưởng của hệ số khuếch đại G đến eSNR trong phương án LA được thể hiện trong hình 7.
Bài báo tiếp tục tiến hành thay đổi các vị trí đặt EDFA để trả lời câu hỏi đặt EDFA ở
đâu thì hiệu quả sử dụng cao nhất.
PinFIBER  12.5dBm

Máy phát
LaserDiod

PTX

PS

d2

d1

Máy thu
Coherence

EDFA
Hình 8. Sơ đồ khối hệ thống theo phương án LA để xác định vị trí EDFA có eSNR lớn nhất
Để bài toán sát thực tiễn bài báo lấy số liệu theo thực nghiệm đã được Norimatsu và
các đồng nghiệp của ông [3] đã tiến hành cho một hệ thống truyền dẫn PSK đồng tần tốc độ
Rb=10Gbit/s, bước sóng làm việc 1554nm. Từ thực nghiệm, công suất đưa vào sợi quang
được chọn là PinFIBER  12.5dBm để tránh hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi làm giảm đặc
tính hệ thống. Các thông số khác được chọn là G  20dB, NF  4dB,   0.95, B e  10GHz .
Kết quả tính toán trên hình 9 biểu diễn mối quan hệ giữa eSNR theo các vị trí khác nhau của
EDFA trên đường truyền. Từ đây ta rút ra các kết luận như sau:
+ Khi EDFA đặt càng gần máy phát (d1 càng
nhỏ) thì eSNR càng tăng vì lúc đó công suất

nhiễu quang ASE ở đầu ra EDFA càng bị
giảm trên đường truyền, trong khi đó công
suất quang truyền từ máy phát đến máy thu
vẫn không đổi, nghĩa là eSNR tăng.

50

TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu [dB]

45

d1=0.1d
d1=0.2d

PSK  Ho
Rb  10Gb / s

40

  0.95
G  20dB

35
30

+ Trên đồ thị, các đường cong ứng với
d 1  0.5d gần trùng nhau khi d>150km.
Bài báo cũng đã tiến hành tính toán mô
phỏng với các giá trị khác của G từ (15-30)
dB thì cũng nhận được kết quả tương tự.

25 d1=0.5d
20

d1=0.7d

15

d1=0.8d

10
5
0
100

d1=0.9d
150

200

250

300

Cù ly truyÒn dÉn trong p. ¸n LA[km]
Hình 9. Đồ thị eSNR theo d trong phg án LA

+ Từ đây suy ra với giá trị tiêu biểu của
EDFA G=(15-30)dB đặt EDFA cách máy
phát một khoảng d 1  ( 0.1  0.5 )d đều cho tỉ

số tín hiệu trên nhiễu gần như tốt nhất khi
khoảng cách truyền dẫn d >150 km.
Việc chọn cụ thể vị trí đặt EDFA trong
khoảng này chỉ còn phụ thuộc vào địa hình
thực tế lắp đặt và thuận tiện cho việc vận
hành, bảo trì, bảo dưỡng về sau.


5. Kết luận
Trên cơ sở phân tích và tính toán mô phỏng, bài báo đã xác định được các phương án
truyền dẫn tối ưu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống trong các trường hợp cụ thể tương ứng
với yếu tố ban đầu và điều kiện đặt ra như tốc độ bit, cự ly truyền dẫn, công suất tối đa đưa
vào sợi quang để tránh hiệu ứng phi tuyến trong sợi, hệ số khuếch đại và đặc tính nhiễu của
bộ khuếch đại EDFA... Bài toán có thể được ứng dụng hiệu quả trong công tác thiết kế lắp đặt
và vận hành mạng nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Nguyễn Văn Tuấn, "Máy thu khuếch đại quang Coherence: Giải pháp tối ưu tỉ số tín
hiệu trên nhiễu điện tại tốc độ 10Gbít/s trong hệ thống thông tin quang", Tạp chí Khoa
học và Công nghệ, số 30+31/2001, trang 26-32 (Tạp chí các trường Đại học: Hà Nội,
Đà Nẵng, Thủ Đức, TPHCM, Bưu chính Viễn thông).

[2]

Nguyễn Văn Tuấn “Nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện (eSNR) ở tốc độ cao bằng
giải pháp sử dụng máy thu OLCR trong hệ thống thông tin sợi quang”, Tạp chí Khoa
học và Công nghệ các trường đại học Kỹ thuật (Hà Nội, Đà Nẵng, Thủ Đức, TPHCM,
Thái Nguyên, Bưu chính Viễn thông) số 46+47 năm 2004, trang 59-63.

[3]

Norimatsu, S., et al., "10Gbit/s Optical PSK Homodyne Transmission Experiments
using External Cavity DFB LDs ", Electronics Letters, 26(1990)10, 648-649.

[4]

Sadakuni Shimada, Coherent lightwave communication technology, Chapman & Hall,
1995.

[5]

B. Glance, G. Elsenstein, et al., "Sensitivity of an optical heterodyne receiver in
presence of an optical preamplifier," Electronics Letters, Vol.24, No.19, pp. 12291230, 15th 9, 1988.