Nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
-----------------------------LÊ NGỌC TÂN

LÊ NGỌC TÂN

CHUYÊN NGÀNH

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG
MIỀN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hƣớng ứng dụng)

2017-2019
HÀ NỘI
2018

HÀ NỘI - 2018


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

LÊ NGỌC TÂN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số:

8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hƣớng ứng dụng)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN

HÀ NỘI - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Ngọc Tân


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông với đề tài “Nghiên cứu
kỹ thuật truyền ngược trong miền quang” là kết quả của quá trình cố gắng không
ngừng của bản thân và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các Thầy/Cô, bạn
bè đồng nghiệp và người thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới
những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đối với Thầy giáo TS.Nguyễn

Đức Nhân đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa
học cần thiết cho luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông,
Khoa Đào tạo sau Đại học đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên
cứu khoa học của mình.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và tất cả bạn bè
thân yêu đã động viên, giúp đỡ học viên trong suốt quá trình học tập cũng như làm
đề tài.
Tác giả luận văn

Lê Ngọc Tân


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT ...............................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ ix
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG ..................4
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................4
1.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng ................................................4
1.2.1 Nguyên lý ...................................................................................................4
1.2.2 Phương pháp truyền dẫn ............................................................................6
1.3 Các định dạng điều chế quang tiên tiến ............................................................7
1.3.1 Điều chế PSK .............................................................................................7

1.3.2 Điều chế BPSK ..........................................................................................9
1.3.3 Điều chế QPSK ..........................................................................................9
1.3.4 Điều chế PSK bậc cao ..............................................................................10
1.3.5 Điều chế tín hiệu DP-QPSK.....................................................................10
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn quang sợi ..............................11
1.4.1 Suy hao .....................................................................................................11
1.4.2 Tán sắc sắc thể .........................................................................................12
1.4.3 Tán sắc mode phân cực (PMD) ................................................................14
1.4.4 Nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại....................................................15
1.4.5 Méo phi tuyến ..........................................................................................16
1.5 Kết luận chương ..............................................................................................19
CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN QUANG
...................................................................................................................................20
2.1 Mô hình truyền ngược .....................................................................................20


iv

2.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................20
2.1.2 Mô hình truyền xung trong sợi quang ......................................................21
2.1.3 Mô hình truyền ngược ..............................................................................22
2.2 Một số kỹ thuật truyền ngược để bù méo........................................................23
2.2.1 Phương pháp truyền ngược miền số.........................................................23
2.2.2 Phương pháp Fourier tách bước ...............................................................24
2.2.3 Phương pháp đảo phổ giữa tuyến .............................................................26
2.2.4 Phương pháp truyền ngược quang ...........................................................28
2.3 Kỹ thuật truyền ngược toàn quang OBP .........................................................28
2.3.1 Nguyên lý kỹ thuật OBP ..........................................................................28
2.3.2 Cấu hình hệ thống OBP ...........................................................................32
2.4 Kết luận chương ..............................................................................................34

CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT KỸ THUẬT TRUYỀN NGƢỢC TRONG MIỀN
QUANG ....................................................................................................................36
3.1 Giới thiệu.........................................................................................................36
3.2 Mô hình khảo sát .............................................................................................37
3.2.1 Mô hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ...................................................37
3.2.2 Mô hình hệ thống OBP cỡ bước lớn ........................................................39
3.3 Tham số hệ thống mô phỏng ...........................................................................40
3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xét ........................................................................42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................48
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................1


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Amplified Spontaenous

Nhiễu phát xạ tự phát được khuếch

Emission

đại

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

DBP

Digital Back Propagation

Kỹ thuật truyền ngược trong miền số

DCF

Dispersion Compensation

Sợi bù tán sắc

ASE

Fiber
DEMUX

Demultiplexer

Bộ giải ghép kênh

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DWDM

Dense Wavelenght Division

Ghép kênh phân chia bước sóng dày

Multiplexing

đặc

Erbium Doped Fiber

Bộ khuếch đại sợi quang pha Erbium

EDFA

Amplifier
FWM

FourWave Mixing

Hiệu ứng trộn bốn sóng

MSSI

MidSpan Spectral Inversion

Đảo phổ giữa chặng

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

OBP

Optical Back Propagation

Kỹ thuật truyền ngược trong miền
quang

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Division Multiplexing

giao

OPC

Optical Phase Conjugation

Liên hợp pha quang

OSNR

Optical Signal to Noise Ratio Tham số kênh truyền số tín hiệu trên

OFDM

nhiễu quang
PSK

Phase Shift Keying

Điều chế dịch theo pha


vi

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ vuông góc

Modulation
QPSK

Quadature Phase

Điều chế pha trực giao

Shift Keying
SDH

Synchronous Digital

Kỹ thuật truyền dẫn dữ liệu đồng bộ

Hierarchy
SONET

Synchronous Optical

Mạng truyền dẫn đồng bộ

NETwork
SPM

Self-Phase Modulation

Điều chế tự dịch pha

SSFM

Standard Single-mode fiber

Sợi quang đơn mode chuẩn

WDM

Wavelength Division

Ghép kênh theo bước sóng

Mutilplexing
XPM

Cross-Phase Modulation

Điều chế dịch pha chéo


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng ........................................5
Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) .........................6
Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng .................................................7
Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng ..................................................7
Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chòm sao 8PSK .................................................................8
Hình 1.6: Sơ đồ chòm sao BPSK ................................................................................9
Hình 1.7: Sơ đồ chòm sao của QPSK với mã hóa Gray ...........................................10
Hình 1.8: Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK ............................................................10
Hình 1.9: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu QPSK trước và sau tán sắc màu ..............14
Hình 1.10: Ảnh hưởng của PMD với xung quang ....................................................14
Hình 1.11: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu QPSK trước và sau khi tự điều chế pha.17
Hình 2.1: Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang và xu hướng tương lai
...................................................................................................................................20

Hình 2.2: Thuật toán SSFM bất đối xứng .................................................................25
Hình 2.3: Kỹ thuật đảo phổ giữa đoạn ......................................................................26
Hình 2.4: Kỹ thuật truyền ngược quang ....................................................................28
Hình 2.5(a): Sơ đồ máy thu điển hình – có khối OBP với (b) đầy đủ kích thước
bước và (c) kích thước nửa bước ..............................................................................29
Hình 3. 1: Mô hình hệ thống truyền dẫn quang sử dụng OBP cỡ bước đầy đủ ........37
Hình 3. 2: Sơ đồ khối phát quang DPSK ..................................................................38
Hình 3.3: Sơ đồ khối thu quang DPSK .....................................................................38
Hình 3.4: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước đầy đủ .............................39
Hình 3.5: Sơ đồ khối truyền ngược quang OBP cỡ bước lớn ...................................40
Hình 3.6: Dạng phổ của tín hiệu phát DPSK 40 Gb/s...............................................42
Hình 3.7: Dạng phổ của tín hiệu sau truyền dẫn qua tuyến dài 300 km tại mức công
suất phát 9 dBm .........................................................................................................42
Hình 3.8: Phổ của tín hiệu (a) trước khi, và (b) sau khi truyền qua sợi HNLF trong
bộ OPC ......................................................................................................................43


viii

Hình 3.9: BER phụ thuộc vào công suất thu. Hình con cho thấy một phần phóng to
của đường cong BER giữa hai mô hình khảo sát ......................................................44
Hình 3.10: BER phụ thuộc vào công suất phát .........................................................45
Hình 3.11: Mẫu mắt tín hiệu thu tại mức công suất phát 1 dBm ..............................46
Hình 3.12: Mẫu mắt tín hiệu thu tại mức công suất phát 9 dBm ..............................47


ix

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số cho máy thu – OBP kích thước bước đầy đủ............................34

Bảng 2.2: Thông số máy thu – OBP kích thước nửa bước .......................................34
Bảng 3.1: Tham số hệ thống quang 40 Gbps DPSK .................................................40
Bảng 3.2: Tham số khối OBP ...................................................................................41


1

PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi
thông tin ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi về mạng lưới viễn thông phải
có tốc độ cao, dung lượng lớn. Trong khi các hệ thống truyền dẫn điện đã bắt đầu
đạt giới hạn về tốc độ (hàng chục Gb/s) thì nhu cầu của các mạng lưới viễn thông có
thể đã lên đến hàng Tb/s và thậm chí hơn nữa. Để đáp ứng được nhu cầu về băng
thông ngày càng tăng, các hệ thống truyền tải quang đường trục hiện nay đều hướng
tới hoạt động ở khoảng cách lớn và tốc độ ngày càng cao hơn. Do đó tín hiệu quang
trên các hệ thống này đều gặp phải các yếu tố ảnh hưởng của đường truyền dẫn sợi
quang bao gồm nhiễu, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến. Để khắc phục các suy
giảm hiệu năng trên đường truyền dẫn sợi quang đã có nhiều biện pháp được thực
hiện. Các bộ bù tán sắc đặt dọc trên đường truyền dẫn quang hiện nay có thể bù
méo do tán sắc gây ra nhưng lại không bù được các hiệu ứng phi tuyến gặp phải.
Thêm nữa biện pháp này thường chỉ chỉ sử dụng để hoạt động tại một tốc độ xác
định, khi hệ thống được nâng cấp ở tốc độ cao hơn sẽ đòi hỏi phải thiết kế lại đường
truyền làm tăng chi phí. Bởi vậy cùng với các định dạng điều chế mới, các kỹ thuật
xứ lý số trong miền quang đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây
để bù méo cho tín hiệu quang.
Trong các kỹ thuật xử lý tín hiệu số, kỹ thuật truyền ngược là một phương
pháp xứ lý mới nhưng cho thấy khả năng bù đồng thời cả hai ảnh hưởng tán sắc và
hiệu ứng phi tuyến, tuy nhiên việc áp dụng thường được thực hiện offline do gặp
phải giới hạn về tốc độ chip xử lý. Hơn nữa kỹ thuật này cũng bị hạn chế trong xử

lý tín hiệu ghép kênh nhiều bước sóng WDM trên hệ thống. Vài năm trở lại đây do
sự phát triển nhanh các bộ xử lý tốc độ cao nên kỹ thuật truyền ngược đã có nhiều
sự quan tâm trong việc tìm kiếm các giải thuật xử lý hiệu quả.
Xét từ nhu cầu bù méo gây ra trên đường truyền dẫn quang phù hợp cho các
tín hiệu đa kênh bước sóng, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật


2

truyền ngƣợc trong miền quang” để thực hiện luận văn tốt nghiệp nhằm mục đích
cải thiện hệ thống truyền tải quang tốc độ cao.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Khi tốc độ và dung lượng của mạng truyền tải quang càng ngày càng tăng để
đáp ứng được nhu cầu băng thông của khách hàng thì các yếu tố ảnh hưởng đến
chất lượng đường truyền như tán sắc và hiệu ứng phi tuyến càng trở nên nghiêm
trọng. Do vậy việc tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để bù méo cải thiện chất lượng
truyền dẫn đã được quan tâm từ lâu. Một trong các kỹ thuật được quan tâm nghiên
cứu gần đây là kỹ thuật truyền ngược trong đó tín hiệu được mô hình hóa và thực
hiện truyền ngược để đảo ngược lại các yếu tố ảnh hưởng trước khi giải điều chế tín
hiệu. Kỹ thuật truyền ngược này có thể thực hiện trong miền số bằng các bộ DSP
tốc độ cao hoặc có thể thực hiện hoàn toàn trong miền quang [1-6].
Trong vài năm gần đây, kỹ thuật truyền ngược trong miền quang được các
nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm vì cho phép bù méo đồng thời các tín hiệu
WDM [4-6]. Các nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật thực hiện và cấu hình truyền
ngược trong miền quang nhằm cải thiện hiệu năng trên đường truyền dẫn sợi quang.
Một số công trình cũng nghiên cứu xác định tối ưu các tham số cho cấu hình truyền
ngược [4].
Tại Việt Nam nghiên cứu về kỹ thuật truyền ngược trong miền quang còn
mới mẻ chưa có những nghiên cứu cụ thể về vấn đề này.
Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong
miền quang từ đó đánh giá khả năng bù méo để cải thiển hiệu năng của hệ thống
truyền dẫn quang.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật xử lý tín hiệu trong miền quang để bù méo.
Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung vào hệ thống truyền dẫn quang tốc
độ cao đường dài.


3

Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện được mục đích đặt ra luận văn sẽ được nghiên cứu thông qua
nghiên cứu tài liệu về lý thuyết về hệ thống truyền dẫn quang cũng như kỹ thuật
truyền ngược trong miền quang. Sau đó xây dựng mô hình khảo sát đánh giá khả
năng áp dụng của kỹ thuật qua tính toán và mô phỏng bằng phần mềm.
Bố cục luận văn
Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau:
Chƣơng 1:Tổng quan hệ thống truyền dẫn quang
Chƣơng 2: Các kỹ thuật truyền ngƣợc trong miền quang
Chƣơng 3: Khảo sát kỹ thuật truyền ngƣợc trong miền quang


4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG
TRUYỀNDẪN QUANG
1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống để truyền
thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi này có thể từ vài trăm

mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trăm ngàn kilômét vượt qua đại dương.
Thông tin có thể truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau. Hệ
thống thông tin quang là một hệ thống thông tin bằng ánh sáng và sử dụng các sợi
quang để truyền thông tin. Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được
thực hiện ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần
của phổ sóng điện từ.
Hệ thống truyền dẫn quang cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu
thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống
đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Trong phần này, chủ yếu khái quát về các
kỹ thuật và công nghệ chính của hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống ghép
kênh quang phân chia theo bước sóng, các định dạng điều chế quang và một số yếu
tố ảnh hưởng đến tín hiệu quang cơ bản.

1.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng
1.2.1 Nguyên lý
Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) nhằm tăng dung
lượng truyền dẫn. Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang
để mangđi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng
thờinhiềubước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại
diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu
hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay
10-9m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao
(DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh,
mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang


5

phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển
các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống

với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ
dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn.
Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang
độc lập riêng rẽ. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, sử dụng các
bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký
tự. Có nhiều cách tạo nên một hệ thống WDM, chẳng hạn sử dụng bước sóng
1310nm và bước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng
1310nm.
Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng
khái niệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing).Về nguyên lý không
có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên, DWDM là khoảng cách giữa các
kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ
thống.Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ
bước sóng chủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường
trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn. Công nghệ này cho phép chế tạo phần
tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm.
Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa
như hình 1.1 sau:

Hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng


6

WDM là một hệ thống ghép n bước sóng 1...n, phía phát sử dụng nguồn
quang bằng LD hoặc LED. Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng.
Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng
(MUX: multiplex) có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóng
truyền qua sợi quang. Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng (DEMUX:
Demultiplex) để tách riêng rẽ từng bước sóng. Mỗi bước sóng được đưa vào một

diode tách quang để tách luồng tín hiệu số. Các thiết bị ghép bước sóng quang thành
3 loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ giải ghép hỗn
hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX, DEMUX được dùng cho phương án truyền
dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn
theo hai hướng được mô tả như hình 1.2.

Hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX)

1.2.2 Phương pháp truyền dẫn
1.2.2.a Phương pháp ghép bước sóng theo một hướng
Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các
bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các
bộ tách sóng quang ở đầu kia.


7

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng

1.2.2.b Phương pháp ghép bước sóng theo hai hướng
Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng là phát thông
tin theo một hướng theo bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thông tin theo hướng
ngược lại tại bước sóng 2.

Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng

1.3 Các định dạng điều chế quang tiên tiến
1.3.1 Điều chế PSK
Dữ liệu được truyền bởi thay đổi khía cạnh của một vài tia gốc hưởng ứng tín
hiệu dữ liệu.

Bằng cách kiểm tra pha của nó với thông tin truyền đạt, trong trường hợp
giảiđiều chế phải có một tín hiệu tham chiếu để so sánh với pha của tín hiệu nhận
được.Bằng cách thay đổi pha với thông tin truyền đạt theo phương pháp vi phân,
một số trong đó không cần tín hiệu sóng mang tham chiếu (đến một mức độ nhất
định). Cách thuận tiện để biểu diễn phương thức PSK là biển diễn trên sơ đồ chòm


8

sao. Các điểm này biểu diễn trên mặt phẳng phức hợp, các trục thực và ảo được gọi
là pha và trục vuông góc tương ứng vớikhoảng cách 900 và được biểu diễn trên
trục vuông góc của nó để thực hiện dễ dàng. Biên độ của mỗi điểm đến trục pha
được sử dụng cho điều chế sóng hình cosin hoặc sin và biên độ về phía trục vuông
góc để điều chế sóng hình sin hoặc cosin.

Hình 1.5: Sơ đồ biểu diễn chòm sao 8PSK

Trong PSK, các điểm chòm sao lựa chọn thường được chọn với một góc và
khoảng cách quanh vòng tròn. Điều này cho tối đa các pha riêng biệt giữa các điểm
liền kề. Chúng được chọn trên vòng tròn và tất cả được phát đi với cùng năng
lượng.Theo cách này, cũng tương tự như biểu diễn các số phức và vì thế các biên độ
cần các sóng hình sin và cosin. Hai ví dụ điển hình là “khóa dịch pha nhị phân –
BPSK” sử dụng 2 pha và “khóa dịch pha cầu phương – QPSK” sử dụng 4 pha, mặc
dù có thể sử dụng nhiều hơn số pha. Do dữ liệu được truyền đạt thường là nhị phân,
phương thức PSK thường được thiết kế với số các điểm chòm sao là lũy thừa của 2.


9

1.3.2 Điều chế BPSK

Hình 1.6: Sơ đồ chòm sao BPSK

BPSK là dạng đơn giản nhất của điều chế khóa dịch pha (PSK). Nó sử dụng
2 pha lệch nhau 1800 và cũng có thể được gọi là dạng 2-PSK. Nó không quan trọng
phải đặc biệt chính xác vị trí xác định các điểm chòm sao, và trong sơ đồ hình sao
chúng thể hiện trên trục thực ở 00 và 1800. Cách điều chế này là mạnh nhất của các
phương thức PSK từ khi nó có mức nhiễu hoặc biến dạng cao nhất để làm phạm vi
giải điều chế cuối cùng không chính xác. Tuy nhiên, chỉ cho phép điều chế 1 bit/ký
tự (hình2.5) và cũng không phù hợp cho các ứng dụng tỷ lệ dữ liệu khi băng thông
bị giới hạn. Loại điều chế này cần khôi phục pha và nó có thể thực hiện được. Giải
mã vi phân dễ dàng sử dụng nhưng tiêu tốn nhiều hiệu năng.

1.3.3 Điều chế QPSK
QPSK sử dụng 4 điểm trên sơ đồ chòm sao được đặt ở các vị trí bằng nhau
trên một vòng tròn. Với 4 pha, QPSK có thể giải mã 2 bit trên một ký tự, biểu diễn
trong sơ đồ với mã hóa Gray là tỷ lệ lỗi bit (BER) tối thiểu. Thuật toán phân tích thể
hiện QPSK có thể được sử dụng để nhân đôi tỷ lệ dữ liệu được so sánh với hệ thống
BPSK trong khi duy trì băng thông tương đương của tín. QPSK là PSK 4 phần, PSK
4 chiều, 4-PSK hoặc 4-QAM.
Trong trường hợp khác, BER của QPSK chính xác là tương tự với BER của
BPSK.Với BPSK, đó là vấn đề chưa rõ ràng về pha ở đầu thu và QPSK được mã
hóa viphân thường được sử dụng trong thực tế.


10

Hình 1.7: Sơ đồ chòm sao của QPSK với mã hóa Gray

1.3.4 Điều chế PSK bậc cao

Số lượng pha bất kỳ được sử dụng để tạo nên một chòm sao PSK, 8-PSK
thường là chòm sao PSK bậc cao nhất được phát triển. Với trên 8 pha, tỷ lệ lỗi trở
nên rất cao và có tốt hơn mặc dù phức tạp hơn, các dạng điều chế cho phép như là
QAM. Mặc dù, số lượng pha bất kỳ được sử dụng, xong thực tế chòm sao thường
phải đối phó với dữ liệu nhị phân có ý nghĩa mà số lượng các ký tự thường là lũy
thừa của 2 khi cho một số nguyên các bit trên một ký tự.

1.3.5 Điều chế tín hiệu DP-QPSK

Hình 1.8: Sơ đồ điều chế tín hiệu DP-QPSK

Dạng điều chế này sử dụng ghép kênh phân cực, mang trên mỗi pha phân
cực một tín hiệu QPSK. Trong hình 1.8, giới thiệu cấu trúc của tín hiệu DP-QPSK.


11

Đầu tiên nó sẽ nhận các tín hiệu điện trong trường điện. Nếu dữ liệu đầu vào chỉ là
trên một đường, chúng ta sẽ tách dữ liệu trước và đưa ra 4 nhánh tín hiệu điện để
thực hiện phép sai phân tiền mã hóa. Như trong hình 1.8, nếu ta có 4 đường tín hiệu
đầu vào, chúng ta có thể thực hiện phép sai phân tiền mã hóa trực tiếp. Nếu đầu vào
là sóng ánh sáng liên tục, nó sẽ tách ra bởi bộ PBS thành 2 chùm, được gọi là phân
cực trực giao với công suất ngang bằng nhau. Hai ánh sáng phân cực trực giao là
đầu vào tới một bộ điều biến IQ để được điều chế và chúng ta sẽ lấy ra hai đường
tín hiệu QPSK. Cuối cùng, hai tín hiệu QPSK phân cực trực giao đưa qua một bộ
ghép chùm phân cực PBC để tổng hợp thành một chùm ánh sáng tín hiệu DPQPSK.
Hai trùm ánh sáng phân cực là đầu vào tới bộ điều biến IQ để đưa ra hai tín
hiệu QPSK trực giao. Bộ điều biến IQ thực tế là hai bộ MZM, một cho PM và hai là
3dB cho bộ ghép trực tiếp.QPSK là phương pháp điều chế bốn thành phần tần số kỹ
thuật số. Tín hiệu sóng mang của nó có bốn trạng thái cho phép của pha rời rạc và

trạng thái pha thường là [π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4 ], mỗi pha sóng mang mang hai ký
kiệu nhị phân.

1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng lên hệ thống truyền dẫn quang sợi
1.4.1 Suy hao
Suy hao là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm công suất tín hiệu trong
quá trình lan truyền. Nếu bỏ qua sự có mặt của các ảnh hưởng khác như hiện tượng
CD và phi tuyến Kerr (tức β2 và γ), nghiệm của phương trình (1.4) thu được như
sau:
E ( z, t )  E (0, t ) e z
2

2

(1.5)

Biểu thức (1.5) cho thấy công suất của tín hiệu quang bị suy giảm theo hàm
mũ với khoảng cách truyền dẫn, và phụ thuộc vào hệ số suy hao α của sợi quang.
Trong đó α có thể được tính theo đơn vị [km-1] hoặc [dB/km]. Sau đây là mối quan
hệ giữa hai loại thang đo này:
 dB  10 log10 e  4.343

(1.6)


12

Giá trị α của sợi quang phụ thuộc vào dải bước sóng mà nó làm việc:
Trong cửa sổ quang thứ 2 (bước sóng trung tâm 1300nm), hệ số suy

o

hao có giá trị từ 0.4 ÷ 0.5 dB/km.
Trong cửa sổ quang thứ 3 (bước sóng trung tâm 1550nm), hệ số suy

o

hao có giá trị từ 0.2 ÷ 0.25 dB/km.
Ngoài ra, để biểu thị khoảng cách truyền dẫn mà tín hiệu suy giảm đi e lần
(hay tương đương khoảng 37%), người ta thường sử dụng giá trị chiều dài suy hao
được cho bởi công thức sau:

LA 

1

(1.7)



1.4.2 Tán sắc sắc thể
Tán sắc sắc thể (CD) trong sợi quang sinh ra do sự phụ thuộc của hằng số lan
truyền vào tần số dẫn đến mỗi thành phần tần số trong tín hiệu quang có độ trễ khác
nhau sau khi lan truyền được mô tả như sau:
 g ( ) 

d  ( )
d

trong đó

 g

(1.8)
là độ trễ nhóm tính trên một đơn vị độ dài sợi quang,  là hằng

số lan truyền của sợi, có thể được khai triển Taylor tại tần số trung tâm 0 :
1
2

1
6

 ( )  0  1 (  0 )   2 (  0 )2  3 (  0 )3  ...

với 0   (0 ) và i   d i  ( ) d i 

 0

(1.9)

.

Nếu bỏ qua ảnh hưởng của suy hao, phi tuyến (tức α và γ) và tán sắc bậc cao
cho đơn giản, nghiệm của phương trình (1.4)có thể thu được trong miền tần số qua
khai triển Fourier như sau:

E ( z,  )  E (0,  )e

j 2 2

z
2

(1.10)

Từ biểu thức (1.10) ta có thể thấy rằng với các thành phần tần số khác nhau,
pha của chúng sẽ bị dịch một lượng khác nhau. Kết quả của sự dịch pha sẽ gây ra
hiện tượng dãn xung, và hậu quả của hiện tượng dãn xung là gây ra nhiễu giao thoa


13

giữa các ký tự ISI (Inter Symbol Interference). Trong đó, β2 được gọi là tham số tán
sắc vận tốc nhóm GVD (Group Velocity Dispersion). Nó mô tả thời gian trễ giữa
hai thành phần tần số khác nhau được tích lũy trên một đơn vị khoảng cách. Khoảng
cách giữa hai thành phần tần số này là Δω, và đơn vị của β2 là s2m-1. Tuy nhiên
trong thông tin quang, tham số thường dùng để đặc trưng cho tán sắc của sợi là hệ
số tán sắc D và quan hệ với β2 qua biểu thức:

D

2 c

2

2

(1.11)

Trong đó λ là bước sóng của sóng mang. Tham số D có đơn vị là ps/nm-km.

Trong trường hợp xét cả tán sắc bậc cao thì ảnh hưởng tán sắc còn phụ thuộc vào
tham số độ dốc (slope):
2
dD d  g ( )
S

d
d 2

2

 0

 2 c 
4 c
  2  3  3  2
0
 0 

(1.12)

Một tham số quan trọng khác liên quan tới tán sắc là chiều dài tán sắc, nó mô
tả chiều dài sợi sau khi xung tín hiệu bị dãn 40% so với độ rộng xung ban đầu.
Chiều dài tán sắc được định nghĩa như sau:

LD 

T02

2

2

(1.13)

Trong đó T0 mô tả độ rộng dạng xung Gaussianvà nó phụ thuộc vào độ rộng
xung tối đa tại điểm một nửa cực đại FWHM (Full Width Half Maximum). Mối
quan hệ này được cho bởi biểu thức:

TFWHM  1.665T0

(1.14)

Đối với những hệ thống sử dụng định dạng điều chế tiên tiến như QPSK, tác
động của tán sắc có thể quan sát được trong biểu đồ chòm sao của tín hiệu thu cho
trên hình và được đánh dấu màu xanh dương.


14

Hình 1.9: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu QPSK trước và sau tán sắc màu

1.4.3 Tán sắc mode phân cực (PMD)
Bản chất ánh sáng là sóng điện tử, do vậy khi lan truyền trong sợi quang
sóng ánh sáng luôn luôn có hai thành phần phân cực tuyến tính và trực giao, hay
còn gọi là hai mode sóng. Nếu chiết suất của sợi quang không đồng nhất trên hai
phương truyền của hai mode sóng phân cực, hiện tượng tán sắc mode phân cực
PMD (Polarization Mode Dispersion) sẽ xảy ra. Khi đó các mode sóng khác nhau sẽ
lan truyền với vận tốc khác nhau, làm cho độ rộng xung quang bị dãn nở trong khi
lan truyền.

Hình 1.10: Ảnh hưởng của PMD với xung quang

Trễ lan truyền giữa hai trạng thái phân cực được xác định bởi biểu thức:

T 

L
L

vgx vgy

(1.15)