Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGHIÊM XUÂN HÙNG

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HIỆU NĂNG
CAO CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

HÀ NỘI - 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. VŨ TUẤN LÂM

Phản biện 1: ……………………………………………………………………
Phản biện 2: ……………………………………………………………………..

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm 2016
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc truyền dẫn thông tin sợi quang được ứng dụng rất nhiều trong
trong nhiều lĩnh vực thực tế, bởi nó có nhiều ưu điểm so với các truyền dẫn khác
như: suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn, không bị ảnh hưởng của
nhiễu điện từ, tính bảo mật thông tin cao… Hệ thống thông tin quang được thiết
kế cho các tuyến đường trục Bắc Nam, các tuyến quốc tế, các tuyến trung kế,
hiện nay còn được sử dụng rộng rãi trong các mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy
và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai [2] [4].Tuy có nhiều ưu
điểm so với các truyền dẫn khác nhưng vấn đề năng lực truyền dẫn của một hệ
thống trên sợi quang là một vấn đề đáng quan tâm như: dung lượng hay tốc độ
của kênh quang và khoảng cách truyền của hệ thống [6].
Trong tất cả các phần tử của hệ thống truyền dẫn quang, kỹ thuật điều chế tín
hiệu đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các yêu cầu của hệ thống. Do
vậy việc nghiên cứu về công nghệ điều chế tín hiệu quang nhằm mục đích đón
đầu công nghệ để nâng cao năng lực của mạng lưới truyền dẫn và có thể đưa ra
đề xuất ứng dụng công nghệ mới thích hợp trong tương lai.
Vì vậy, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế hiệu
năng cao cho hệ thống thông tin sợi quang” làm đề tài tốt nghiệp của mình.
Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang
Chương 2: Một số kỹ thuật điều chế hiệu năng cao trong hệ thống thông tin
sợi quang.
Chương 3: Mô phỏng đánh giá kỹ thuật điều chế hiệu năng cao cho các hệ
thống thông tin sợi quang.

CHƢƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Ngay từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào
khai thác trên mạng viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền
dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông
ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại. Trong vòng khoảng mười năm trở

lại đây, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử - viễn thông,
công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản
xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao
0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, cung cấp cho hệ thống các nguồn


2

quang cần thiết với cường độ bức xạ mạnh, độ rộng phổ hẹp, ổn định với môi
trường… các bộ thu quang có độ nhạy cao, nhiễu nội bộ nhỏ, tiêu thụ năng lượng
thấp… Ngoài ra, các công nghệ truyền dẫn sóng ánh sáng tạo ra một môi trường
truyền dẫn quang với tiêu hao thấp, méo tín hiệu nhỏ, không bị ảnh hưởng can
nhiễu, băng thông rộng… để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu
điểm vượt trội hơn so với các hệ thống thông tin khác, đó là [4], [6]:
- Suy hao truyền dẫn nhỏ;
- Băng tần truyền dẫn rất lớn;
- Không ảnh hưởng của nhiễu điện từ;
- Có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao;
- Có kích thước và trọng lượng nhỏ;
- Sợi có tính cách điện tốt;
- Độ tin cậy cao;
- Sợi được chế tạo từ vật liệu phi kim loại rất sẵn có nên rất kinh tế;
Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang có sức hấp dẫn mạnh mẽ
tới các nhà khai thác viễn thông. Các hệ thống thông tin quang không những chỉ
phù hợp với các tuyến quốc tế, tuyến đường trục và tuyến trung kế mà còn có tiềm
năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc tin cậy
và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai.

1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Mô hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang như Hình 1.1 sau:

Hình 1.1: Mô hình cơ bản của hệ thống thông tin quang sợi [4]


3

Các thành phần chính của một hệ thống thông tin quang gồm phần phát quang,
cáp sợi quang, phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín
quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi
dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động của môi
trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại,
tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang
còn có các thành phần khác như: các mối hàn, bộ tách/ ghép quang và các trạm lặp;
hay các bộ khuếch đại… tất cả tạo nên một hệ thống thông tin quang sợi hoàn
chỉnh,
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hoặc
Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống
thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tương ứng với sự
thay đổi của dòng điều biến. tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi
khi có dạng tương tự.
Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu
từ hướng phát đưa tới. Tín hiệu quang được biến đổi trở thành tín hiệu điện. Các
photodiode PIN và diode quang thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách
sóng quang các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc
cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang
là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc
độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, với một cự ly nào đó, tín hiệu quang
trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến.

1.2.Phân loại hệ thống thông tin quang
Việc phân loại hệ thống thông tin quang dựa theo nhiều tiêu chí để phân loại,
trong luận văn này dựa theo dạng điều chế và tách sóng quang, các hệ thống thông
tin sợi quang được chia thành:
- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD;
- Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang Coherent.


4

1.2.1 Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD
Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD có sơ đồ khối như hình 1.2, là
hệ thống dùng kỹ thuật điều chế cường độ (Intensity Modulation) ở máy phát quang
và tách sóng trưc tiếp (Direct Detection) ở máy thu.

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD [4]

Hệ thống thông tin sợi quang gồm có 4 thánh phần chính, đó là: thiết bị đầu
cuối phát quang, sợi quang, khuếch đại quang và thiết bị đầu cuối thu quang.
Thiết bị đầu cuối phát quang là một trong các thành phần quan trọng nhất của
hệ thống thông tin quang, nó có chức năng biến đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín
hiệu quang tương ứng và phát tín hiệu quang này vào trong sợi quang để thực hiện
truyền dẫn thông tin. Thiết bị đầu cuối phát quang bao gồm:
- Bộ ghép kênh số
- Bộ biến đổi lưỡng cực-đơn cực
- Bộ xử lý mã gửi đi
- Bộ biến đổi điện quang
- Bộ ghép kênh quang
- Bộ lặp đường dây

Ngày nay, trên các hệ thống thông tin sợi quang người ta đã dùng các bộ
khuếch đại quang thay dần cho các bộ lặp điện quang.
Thiết bị đầu cuối thu quang là một trong những bộ phận quan trọng nhất trong
hệ thống thông tin quang vì nó ở vị trí sau cùng của tổ chức hệ thống truyền dẫn nơi


5

mà thiết bị này thu nhận mọi đặc tính tác động trên toàn tuyến đưa tới, và cũng vì
thế cho nên hoạt động của nó có liên quan trực tiếp tới chất lượng toàn bộ hệ thống
truyền dẫn. Chức năng chính của thiết bị này là biến đổi tín hiệu quang thu được
thành tín hiệu điện. Thiết bị thu quang cần phải có độ nhạy thu cao, đáp ứng nhanh,
nhiễu thấp, giá thành hạ và đảm bảo có độ tin cậy cao. Thiết bị đầu cuối thu quang
bao gồm:
- Bộ tách kênh quang
- Bộ biến đổi quang - điện…

1.2.2. Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp
Cho đến nay, phần lớn các hệ thống thông tin quang đang khai thác trên mạng
lưới của nhiều nước là các hệ thống sử dụng điều biến cường độ và tách sóng trực
tiếp (IM/DD). Tuy đã đóng vai trò quan trọng trong các mạng lưới viễn thông, từ
đường trục cho tới thuê bao, từ các tuyến trên đất liền cho tới các tuyến vượt biển
và đã mang lại lợi ích về kinh tế, song kỹ thuật này còn chưa tận dụng có hiệu quả
tính chất của sóng ánh sáng và băng tần của sợi dẫn quang đơn mode hiện nay. Các
sợi quang thông thường có thể đáp ứng băng tần 200 THz, trong khi các hệ thống
truyền dẫn quang IM-DD đơn kênh quang mới chỉ đạt tốc độ 622 Mbps, 2,5 Gbps ở
cự ly vài chục km và số ít hệ thống 10 Gbps chưa được phổ biến nhiều. Mặt khác độ
nhạy thu trực tiếp bị hạn chế ở tốc độ bit truyền dẫn cao, tốc độ bit càng cao thì độ
nhạy thu có xu hướng giảm làm cho giải pháp IM-DD không thể cùng một lúc vừa
tăng cự ly vừa tăng tốc độ được.

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM/DD tại phía phát, luồng bít
được đưa vào điều chế trực tiếp sóng mang quang và tại đầu thu, tín hiệu quang
được tách sóng trực tiếp bằng các photodiode để lấy ra các tín hiệu điện băng gốc,
đó là nguyên lý truyền dẫn thông tin số đơn hướng.Với hệ thống truyền dẫn hai
chiều, người ta dùng hai sợi quang truyền tín hiệu giữa phía phát và phía thu. Do đó
hiệu suất sử dụng của hệ thống này không cao tuy nhiên có giá thành thấp và thiết
lập hệ thống đơn giản nên nó vẫn được sử dụng cho đến thời điểm hiện nay và trong
cả tương lai.


6

Hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang kết hợp có sơ đồ hình khối như hình
1.4.

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin quang kết hợp [5]

- Thiết bị đầu cuối phát quang: gồm có mạch điều khiển, lazer bán dẫn, bộ điều
chế tín hiệu, ngoài ra còn có thể thêm bộ khuếch đại công suất, bộ điều khiển công
suất tự động khi cần thiết.
- Thiết bị đầu cuối thu quang: Máy thu của hệ thống thông tin quang kết hợp
phức tạp hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang IM/DD. Nó bao gồm các bộ
phận chính như sau: Bộ trộn quang, bộ tách quang, laser dao động nội, bộ khuếch
đại, bộ lọc dải, bộ giải điều chế và bộ chỉnh tự động tần số laser dao động nội.

1.3. Các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao
Trong hệ thống thông tin quang, ngoài suy hao quang, có nhiều tham số tương
tác với tán sắc sợi gây ảnh hưởng tới hệ thống và làm mất đi đáng kể lượng công
suất tín hiệu, đó là các tham số: dung lượng, cự ly truyền dẫn, tham số tán sắc, tốc
độ bít của hệ thống và phổ nguồn phát.

1.4. Kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang
Sự ra đời các hệ thống sóng quang, tốc độ dữ liệu cao như 10Gbps hoặc
40Gbps trên một kênh thực sự là hấp dẫn. Trong phép cộng, một gói rất nhiều kênh
trong một sợi đơn, khoảng cách các kênh được giảm từ 200GHz đến 50GHz hoặc
thậm trí còn nhỏ hơn. Trực tiếp tác động tới tính phi tuyến và không phi tuyến làm
giảm hiệu quả có thể là rất lớn trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Một


7

giải pháp tối ưu là điều chế nó khắc phục tính phi tuyến và không phi tuyến là rất
cần thiết.
Trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng một trong các kỹ thuật điều
chế như:
- Kỹ thuật điều chế không trở về không với khóa đóng mở (NRZ-OOK).
- Kỹ thuật điều chế trở về không với khóa đóng mở (RZ-OOK).
- Kỹ thuật khử sóng mang trở về không (CS-RZ).
- Kỹ thuật điều chế NRZ-DPSK.
- Kỹ thuật điều chế RZ-DPSK.
- Kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK.
Đó là kỹ thuật điều chế chủ yếu đối với hệ thống thông tin quang tốc độ cao
dùng phương pháp tách sóng trực tiếp và hệ thống thông tin quang kết hợp Coherent
dùng phương pháp tách sóng kết hợp.

1.5. Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã trình bày cơ bản về tổng quan hệ thống thông tin quang, giới
thiệu được các hệ thống thông tin quang đang được sử dụng rộng rãi trong nước và
thế giới, so sánh ưu nhược điểm của các hệ thống thông tin quang như: suy hao
truyền dẫn nhỏ, tính bảo mật cao, kích thước và trọng lượng nhỏ… Trong chương 1

cũng nêu ra được các hạn chế, khó khăn của hệ thống thông tin quang tốc độ dữ liệu
cao trong quá trình hoạt động như vấn đề về dung lượng và khoảng cách, giới hạn
về băng tần… Để khắc phục và cải thiện các hạn chế đó thì trong chương 2 đề cập
tới các kỹ thuật điều chế nâng cao cho hệ thống thông tin sợi quang tốc độ cao.

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NÂNG
CAO TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG
Hiện nay, việc truyền dẫn tín hiệu quang tốc độ cao, cự ly xa dùng phương
pháp điều chế OOK (On-Off Keying) gặp nhiều thách thức do giới hạn về băng
thông của bộ điều chế và bộ khuếch đại điện tại phía thu, ảnh hưởng của phi tuyến
và tán sắc sợi, băng thông không tương thích với khoảng cách kênh 100GHz hoặc
50 GHz,… Một trong các giải pháp được đưa ra để truyền dẫn tín hiệu quang ở tốc
độ cao, cự ly xa là dùng phương pháp điều chế nâng cao.


8

Trong những năm gần đây, đã có nhiều phương pháp điều chế được phát triển
và ứng dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang tách sóng trực tiếp như NRZOOK, RZ-OOK, BPSK, DPSK, DQPSK [11], [12]. Việc nghiên cứu về kỹ thuật
điều chế hiệu năng cao tín hiệu quang nhằm mục đích đón đầu công nghệ để vừa có
thể nâng cao năng lực của mạng lưới truyền dẫn vừa có thể sử dụng hiệu quả hạ
tầng quang sẵn có đồng thời có thể đưa ra đề xuất ứng dụng kỹ thuật mới thích hợp,
hiệu quả cho các thiết bị truyền dẫn. Do vậy, mục tiêu của Chương 2 là nghiên cứu
về các phương pháp điều chế nâng cao.

2.1. Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng trực tiếp
2.1.1. Điều chế NRZ-OOK
2.1.2. Điều chế RZ-OOK

2.1.3. Điều chế NRZ-DPSK

2.1.4. Điều chế RZ-DPSK
Như phương pháp điều chế NRZ-DPSK, dữ liệu mã hóa nhị phân là “0” hoặc
là “” như độ dịch pha giữa các bit liền kề. Nhưng độ rộng của các xung quang là
hẹp hơn khe bit và vì thế, năng lượng tín hiệu quang trở về không ở đỉnh của mỗi
khe bit. Để phát ra tín hiệu quang RZ-DPSK, bộ điều chế cường độ đã được sử
dụng để so sánh với sự phát sinh ra của RZ-DPSK. Sơ đồ khối của truyền dẫn RZDPSK như ở hình 2.7 [12].

Hình 2.7. Sơ đồ khối của truyền dẫn RZ-DPSK


9

Hình 2.8. Quang phổ của tín hiệu RZ-DPSK với tốc độ bít 10 Gbps

2.1.5. Điều chế CS-RZ
2.2 Điều chế dùng phƣơng pháp tách sóng kết hợp
Trong hệ thống thông tin quang kết hợp, tín hiệu quang trước lúc truyền đi
được điều chế biên độ, tần số, hoặc pha của sóng mang quang. Về nguyên tắc, có
thể thực hiện được điều chế số và điều chế tương tự; nhưng trong thực tế thì việc
điều chế số cho hệ thống thông tin quang là phổ biến, còn điều chế tương tự ít được
áp dụng. Quá trình điều chế, lượng tin của nguồn tin được bảo toàn, chỉ thay đổi
mối tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi. Trong các hệ thống
thông tin quang số, có ba dạng điều chế chính là: điều chế khóa dịch biên độ ASK,
điều chế khóa dịch tần FSK và điều chế khóa dịch pha PSK.

2.2.1 Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch biên (ASK)
2.2.2. Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch tần (FSK)
2.2.3. Kỹ thuật điều chế dạng khóa dịch pha (PSK) và khóa dịch pha vi
phân (DPSK)
Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân (DPSK)

Điều chế dạng khóa pha dịch vi phân DPSK cũng giống như điều chế PSK,
như vậy có thể viết:

Es (t )  E0cos[(0t  m(t ) )]
Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã hóa vì trong DPSK, thông tin được mã
hóa theo sự khác pha giữa hai bit kế tiếp nhau. Chẳng hạn như nếu zz thể hiện pha
của bit thứ k thì sự khác pha ở đây sẽ là   k  k 1 được thay đổi bởi π và 0 tùy
thuộc vào bit thứ k là bit “1” hay bit “0”. Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu


10

phát có thể được điều chế thành công cho đến khi pha sóng mang quang duy trì khá
ổn định trên độ dài hai bit. Điều chế này thường được dùng trong các hệ thống thực
tế, vì không cần các bộ giải điều phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt.

2.3. Đánh giá hiệu năng các phƣơng pháp điều chế
2.3.1. Phương pháp tách sóng trực tiếp
Khoảng cách truyền dẫn LSPM tính theo thang logarithm là tỷ nghịch với công
suất tín hiệu quang trung bình tính theo dBm. Quan hệ tuyến tính kiểu như vậy có
thể được biểu diễn dưới dạng :
LSPM.P = C

(2.4)

Trong đó, C là hằng số, phụ thuộc vào các định dạng điều chế tín hiệu, LSPM
có đơn vị là mét và công suất đầu vào trung bình P có đơn vị là Watt.
Cùng một mối quan hệ tuyến tính với tất cả các định dạng điều chế ở hệ thống
40Gbps chịu ảnh hưởng suy giảm của SPM lớn hơn nhiều so với hệ thống 10Gbps
tương ứng. Cũng vậy sử dụng biểu thức (2.4), chúng ta có thể nhận được các đường

cong nối liền tương tự như thế trên hệ thống 40Gbps.
Ở tốc độ dữ liệu 10Gbps, không có sự khác biệt rõ ràng giữa các định dạng
điều chế khác nhau, và các giá trị C của chúng sai khác nhau ít hơn 20%, như thể
hiện trên Bảng 2.1. Điều này cho thấy rằng ở các hệ thống quang có quản lý sự tán
sắc tốc độ dữ liệu thấp, hạn chế gây ra bởi SPM tương đối ít nhạy cảm với định
dạng điều chế tín hiệu. Điều này quy về sự kiện rằng ở tốc độ dữ liệu thấp, chiều dài
tán sắc lớn hơn nhiều so với chiều dài phi tuyến của sợi đối với tất cả các định dạng
điều chế được đề cập ở đây. Trái lại, ở hệ thống 40Gbps trên hình 2.18, sức chịu
đựng của hệ thống đối với méo phi tuyến gây ra bởi SPM bị tác động mạnh mẽ bởi
định dạng điều chế tín hiệu.

2.3.1.3. Ảnh hưởng của nhiễu ASE
Trong các hệ thống quang thực tế, yếu tố chính khác gây hạn chế khoảng cách
truyền dẫn là nhiễu ASE tích lũy phát sinh bởi các EDFA trên tuyến do sự suy giảm
của SNR phía thu. Bỏ qua méo dạng sóng tín hiệu và chỉ xét đến tác động của tỷ số
tín hiệu tức thời trên nhiễu ở phía thu, thì giá trị Q phía thu giới hạn bởi SNR tỉ lệ
trực tiếp với căn bậc hai của công suất tín hiệu quang [12].


11

Q=

.Pin(1)
2.N .h.c.NFeff .(Geff  1).Be

(2.5)

Trong đó, pin(1) là công suất quang của bit “1” đưa vào mỗi khoảng lặp, h là
hằng số Planck, c là vận tốc ánh sáng, λ là bước sóng tín hiệu, Be là độ rộng băng

phía thu và N là tổng số các khoảng lặp.

2.3.2. Phương pháp tách sóng kết hợp
2.3.2.1. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang ASK đồng bộ
2.3.2.2. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang PSK đồng bộ.
2.3.2.3. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang FSK đồng bộ
2.3.2.4. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang ASK không đồng bộ
2.3.2.5. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang FSK không đồng bộ
2.3.2.6. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của bộ thu quang DPSK không đồng bộ:
2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 của luận văn, đã giới thiệu các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang
thường được sử dụng trong hệ thống thông tin quang như: NRZ-OOK, RZ-OOK,
NRZ, DPSK, QPSK... trong đó chú trọng vào các kỹ thuật tiên tiến được ứng dụng
cho các mạng truyền dẫn quang thế hệ mới có dung lượng lớn, khoảng cách truyền
dài và cực dài. Trong chương 2 cũng đưa ra các mặt khó khăn của hệ thống quang.
Dựa vào các tài liệu để so sánh và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật điều chế tín
hiệu quang, từ đó phần nào hiểu rõ hơn về mỗi loại điều chế. Từ đó chúng ra có cái
nhìn tổng quan và đánh giá khách quan hơn cho các kỹ thuật điều chế được sử dụng
trong truyền dẫn thông tin quang.


12

CHƢƠNG III: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐIỀU
CHẾ HIỆU NĂNG CAO CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN
SỢI QUANG
Trong những năm gần đây, các công nghệ thông tin quang WDM/DWDM,
SONET/SDH, Coherent, Soliton, công nghệ chuyển mạch quan..v.v… không ngừng
phát triển. Các hệ thống thông tín quang tốc độ cao ngày càng gia tăng theo sự phát
triển không ngừng của thế giới. Cùng với sự phát triển của các công nghệ thông tin

quang, điều chế quang trong một hệ thống thông tin quang là vấn đề không thể
thiếu. Vì điều chế trước lúc truyền dẫn nhằm mục đích để đạt thêm một số vấn đề
cần mong muốn: thứ nhất nhằm dịch chuyển băng tần tín hiệu sang những vùng
mong muốn để tạo điều kiện cho quá trình ghép kênh; thứ hai để tạo nên những tín
hiệu tương hợp với các giao tiếp lớp đường, lớp đoạn hoặc lớp quang.
Việc sử dụng các sợi quang khác nhau đối với từng phương pháp điều chế
trong từng hệ thống thông tin quang tốc độ cao sao cho phù hợp, để đạt được hiệu
quả cao nhất, chất lượng tốt nhất,… luôn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm
và không ngừng nghiên cứu.
Cùng với sự phát triển của công nghệ trên bước sóng ánh sáng, các hệ thống
quang 10Gbps và 40Gbps và 100 Gbps đang ngày càng được gia tăng sự quan tâm
của các nhà cung cấp. Tuy nhiên, sự tán sắc và hiệu ứng suy giảm phi tuyến đang là
trở thành trở ngại lớn đối với các hệ thống quang tốc độ cao này. Một trong những
điều quan trọng để hiện thực hóa thương mại các hệ thống bước sóng ánh sáng tốc
độ cao đó là tối ưu hiệu năng của hệ thống bằng cách quản lý tán sắc tối ưu và loại
trừ hiệu ứng suy giảm phi tuyến. Một mặt do các nhà cung cấp dịch vụ muốn vẫn
giữa nguyên các hệ thống mạng hiện tại càng nhiều càng tốt. Mặt khác rất nhiều yếu
tố như các loại sợi quang khác nhau và các dạng điều chế khác nhau đều có ảnh
hưởng đến hiện năng hệ thống. Do đó cần có sự so sánh các dạng điều chế khác
nhau. Điều này có thể cho chúng ta một cái nhìn sâu sắc hơn về các hệ thống sóng
ánh sáng trong tương lai gần và hỗ trợ sự phát triển của các mạng trong một lộ trình
liên tục.
Trong phần này thông qua việc hiểu các mô phỏng, chúng ta có thể so sánh
hiệu năng truyền dẫn của các dạng điều chế tiên tiến trên các hệ thống thông tin


13

quang tốc độ cao như và cùng bàn luận về tác động của chúng trong việc lựa chọn
các kiểu truyền dẫn quang.

3.1. Mô hình hệ thống
Cấu hình tổng thể của hệ thống được minh họa tại Hình 3.1 [12]. Cả tốc độ dữ
liệu 10Gb/s và 40Gb/s, 100Gb/s trên một bước sóng đều được đề cập tới. Trong mô
phỏng thực hiện ghép bốn kênh bước sóng từ λ1 đến λ4 trong hệ thống WDM.

Hình 3.1. Sơ đồ thiết lập hệ thống WDM

3.2 Mô hình mô phỏng
3.2.1 Các thông số của mô hình mô phỏng hệ thống
- Bài toán đặt ra: Thiết kế hệ thống thông tin quang WDM trên phần mềm mô
phỏng Optiwave, sử dụng 4 bước sóng ở băng tần C xét ở hai tốc độ 10Gb/s và 100
Gb/s, khoảng cách giữa các bước sóng là 100 GHz. Khảo sát trên tuyến truyền dẫn:
300km.
- Khảo sát tuyến truyền dẫn: thiết kế hệ thống thông tin quang cho đường truyền
dẫn có khoảng cách khoảng 300km. Trên tuyến ta sử dụng 2 loại sợi quang là:
- Sợi quang đơn mode chuẩn SMF có chiều dài: 50 km
- Sợi bù tán sắc DCF có chiều dài: 10 km
- Và sử dụng số vòng lặp là: 6

Theo yêu cầu bài toán chúng ta cần thiết kế hệ thống thông tin quang có
dung lượng một kênh 10Gbit/s.


14



-

Số lượng kênh: N = 4 (kênh) từ λ1 đến λ4.
Tốc độ truyền tín hiệu trên mỗi kênh: B = 10 Gb/s.
Tần số phát: 193.1 THz.
Khoảng cách kênh: D = 100 Gbit/s.
Khảo sát trên bước sóng trung tâm của băng C: λ = 1550 nm
Ta có 4 bước sóng khảo sát.
 λ1 = 1550 nm
 λ2 = 1550,8 nm
 λ3 = 1551,6 nm
 λ4 = 1552,4 nm

- Trên tuyến truyền dẫn sử dụng sợi bù tán sắc DCF có chiều dài 60 km, dùng để
hạn chế tán sắc, là loài sợi đơn mode. Suy hao trên sợi: 0.5 dB/km.
- Sợi quang truyền dẫn (SMF) là sợi đơn mode chuẩn có chiều dài 300 km, là sợi
quang truyền dẫn tốc độ cao sử dụng theo chuẩn G652.D. Suy hao sợi: 0.2 dB/km.
- Hệ thống được triệt tiêu tán sắc.
- Tại đầu thu sử dụng bộ tách sóng quang Photodiode PIN và bộ lọc thông thấp với
tần số cutoff là: 0.75 tốc độ bit và 1.5 tốc độ bit. Ở đầu thu ta đặt bộ suy hao quang:
5dB.

3.2.2 Các mô hình mô phỏng
Với công cụ thiết kế và phần mềm mô phỏng Optisystem, em thiết kế được
hệ thống thông tin quang WDM sử dụng điều chế NRZ-OOK, RZ-DPSK, RZDQPSK như hình dưới đây:
a) Mô hình hệ thống sử dụng điều chế NRZ-OOK
b) Mô hình mô phỏng kỹ thuật điều chế RZ-DPSK
c) Mô hình mô phỏng kỹ thuật điều chế RZ-DQPSK


15

3.3 Nhận xét và đánh giá
Sau khi lâp các mô hình mô phỏng hệ thống với 3 kỹ thuật điều chế NRZ truyền
thống và 2 kỹ thuật điều chế nâng cao là DPSK và DQPSK như phần 3.2.2. Chạy
mô phỏng thu được các kết quả như sau:
- Phổ quang bốn bước sóng:

Hình 3.12 Phổ 4 bƣớc sóng

Biểu đồ mắt thu được:

Hình 3.13 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc của điều chế NRZ


16

Hình 3.14 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc của điều chế DPSK

Hình 3.15 Biểu đồ mắt tín hiệu thu đƣợc của điều chế DQPSK

Qua biểu đồ mắt của cả 3 điều chế NRZ, DPSK và DQPSK thì nhận thấy rằng
điều chế DQPSK có chỉ số Q-factor là cao nhất: 7.31258 còn điều chế NRZ có chỉ
số thấp nhất: 4.29347 và chỉ số BER của điều chế DQPSK là thấp nhất. Từ kết quả


17

đó, nhận thấy rằng trong 3 điều chế đưa ra trong mô phỏng này thì điều chế nâng
cao DPSK, DQPSK là tốt hơn so với kỹ thuật điều chế thông thường NRZ trong hệ
thống thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa.
Để làm rõ hơn hiệu năng của các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao trong hệ thống

thông tin sợi quang thì em có đưa ra 3 tình huống sau:
a) Giữ nguyên tốc độ truyền nhưng giảm khoảng cách kênh

Hình 3.16 Phổ 4 kênh bƣớc sóng.

Chạy mô phỏng ta thu được kết quả:

Hình 3.17: Quan hệ giữa BER và Công suất thu


18

Qua đồ thị thì em nhận thấy rằng khi cho chỉ số suy hao của bộ suy hao quang
biến thiên thì BER giảm theo công suất thu. Với 3 điều chế ta xét trong mô phỏng
thì điều chế NRZ có độ nhạy thu tốt hơn so với hai điều chế nâng cao DPSK và
DQPSK, tuy nhiên thì có tỷ lệ lỗi bit BER của 2 điều chế nâng cao có phần ổn định
và luôn thấp hơn so với điều chế NRZ truyền thống khoảng 10-8 đến 10-12. Với việc
làm thu hẹp khoảng cách kênh truyền thì sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống, và
tăng khoảng cách tuyến truyền dẫn mà vẫn đảm bảo được tỷ lệ lỗi bit BER, tức là
chất lượng hệ thống được nâng cao.
b) Giữ nguyên khoảng cách kênh, tăng tốc độ truyền lên 40 Gb/s, 100Gb/s

Hình 3.18 Quan hệ giữa BER và Công suất thu khi tăng tốc độ lên

Qua đồ thị BER theo công suất khi ra tăng tốc độ truyền dẫn lên 100Gb/s thì thấy
điều chế NRZ có BER cao hơn nhiều so với hai kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK
và DQPSK. Như vậy khi sử dụng kỹ thuật điều chế nâng cao ở tốc độ cao thì dung
lượng của hệ thống tăng, chất lượng tín hiệu luôn được đảm bảo trong khi đó tốc độ
hệ thống đạt ở mức rất cao lên tới 100Gb/s.
c) Khảo sát hệ thống với các kỹ thuật điều chế khi thay đổi khoảng cách của

tuyến truyền dẫn (thay đổi chỉ số vòng lặp). Giữ nguyên công suất phát, phía thu
đặt bộ suy sao với giá trị suy hao là: 5dB.


19

Hình 3.19: Quan hệ giữa BER theo Số khoảng lặp

Hình 3.20 Ảnh hƣởng hiệu ứng phi tuyến

Dựa vào kết quả thu được ở hình 3.19, và hình 3.20 thấy rằng khi khoảng cách
tuyến truyền dẫn tăng thì BER tăng, tuy nhiên hai điều chế nâng cao DPSK và
DQPSK có khả năng chịu hiệu ứng phi tuyến tốt hơn hẳn so với hệ thống sử dụng
kỹ thuật điều chế thông thường NRZ. Như vậy, hệ thống thông tin sợi quang sử
dụng kỹ thuật điều chế nâng cao DPSK, DQPSK có thể truyền dẫn tín hiệu ở
khoảng cách lớn.


20

3.4 Kết luận chƣơng 3:
Trong phần chương 3 này, tôi đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin
quang WDM sử dụng ba kỹ thuật điều chế NRZ, DPSK và DQPSK. Sử dụng phần
mềm mô phỏng Optisystem xây dựng cụ thể 3 mô hình mô phỏng tương ứng 3 điều
chế xét tới. Khảo sát và phân tích tín hiệu thu được để đánh giá hiệu năng của các
kỹ thuật điều chế như dung lượng, khoảng cách truyền dẫn… Từ đó nhận xét được
kỹ thuật điều chế phù hợp với hệ thống thông tin quang ở tốc độ cao, cự ly xa.

KẾT LUẬN
Với mục tiêu nghiên cứu các kỹ thuật điều chế và ứng dụng của các kỹ thuật điều

chế này trong hệ thống thông tin quang ở tốc độ cao và cự ly xa. Qua phân tích,
nghiên cứu các nội dung trong luận văn có thể rút ra các kết luận sau:
- Giới thiệu mô hình hệ thống thông tin sợi quang với hai hệ thống là hệ thống
quang IM/DD và hệ thống quang kết hợp. Đồng thời nêu ra được các khó khăn,
thách thức của hệ thống thông tin quang tốc độ cao là dung lượng, khoảng cách
truyền dẫn, giới hạn trong khai thác băng tần…
- Giới thiệu các kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang tách sóng
trực tiếp như NRZ-OOK, RZ-OOK, CS-RZ, NRZ-DPSK, RZ-DPSK, DQPSK… và
các kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin quang kết hợp như điều chế biên độ,
điều chế tần số, điều chế pha…So sánh được hiệu năng của một vài các kỹ thuật
điều chế này.
- Trình bày các mô hình mô phỏng để phân tích, đánh giá hiệu năng của các kỹ
thuật điều chế NRZ thông thường và kỹ thuật điều chế pha bậc cao với hiệu suất sử
dụng phổ cao DPSK và DQPSK. Dựa vào các kết quả mô phỏng thì nhận thấy việc
sử dụng các kỹ thuật điều chế nâng cao như DPSK, DQPSK sẽ làm tăng dung lượng
của hệ thống, tăng khoảng cách truyền dẫn…
Hướng phát triển tiếp theo
Kỹ thuật điều chế quang trong các hệ thống thông tin quang luôn là vấn đề được
nghiên cứu và ứng dụng cụ thể vào từng hệ thống quang cụ thể.
Do vậy, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các kỹ thuật điều chế hiệu năng cao
như DBPSK, QAM… hay nghiên cứu sâu về việc lựa chọn các loại sợi quang sử
dụng kỹ thuật điều chế nâng cao trong hệ thống thông tin quang kết hợp.
Nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật điều chế đối với hệ thống thông tin quang
solicon.


21

Nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật điều chế quang trong một số mạng viễn
thông Việt Nam…

Tổng kết lại, em đã hoàn thành được các nội dung của đề tài theo đề cương đã
được duyệt. Tuy nhiên, với năng lực và thời gian hạn chế nên bản luận văn tốt
nghiệp của em không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Em mong muốn nhận
được sự chỉ bảo, góp ý chân thành của các Thầy Cô giáo cùng các bạn để bài luận
văn của em được hoàn thiện hơn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy TS. VŨ TUẤN LÂM và các
thầy cô trong khoa Kỹ thuật Viễn thông của trường Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông, đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho em và giúp em hoàn thành tốt luận văn
này!
Em xin chân thành cảm ơn!