NGHIÊN CỨU VIỆC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU HÌNH ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ BẰNG PHƯƠNG PHÁP M-QAM QUA TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG CÓ SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA A STUDY ON PERFORMANCE EVALUATION OF M-QAM VIDEO SIGNALS OVER OPTIC FIBER COMMUNICATION SYSTEMS WITH EDFA LÊ TRUNG THÀNH Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội TÓM TẮT Trong báo này, nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu hình điều chế phương pháp M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, sở xác định tỷ số công suất sóng mang tạp âm CNR (Carrier to Noise Ratio), tỷ lệ lỗi bít- BER đầu thu phụ thuộc vào nguồn tạp âm từ EDFA tách sóng PIN APD ABSTRACT This paper proposes a method of evaluating the performance of M- QAM modulated video signals over optic fiber communication systems with EDFA; Carrier to Noise Ratio (CNR), Bit Error Rate at the receiver is calculated, including the effect of noise sources on the performance of the system Giới thiệu Việc truyền dẫn tín hiệu hình tương tự điều chế phương pháp điều tần FM điều biên AM đưa số công trình [6], [7] Tuy nhiên, để tận dụng hiệu băng tần, ngày tín hiệu hình thường điều chế phương pháp QAM M mức (M-QAM) Trong hệ thống thông tin quang, khuếch đại quang sợi EDFA sử dụng để khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang, mà qua biến đổi quang- điện hay điện- quang Tốc tộ khoảng cách truyền dẫn từ tăng lên Tuy vậy, khuếch đại tín hiệu quang, EDFA tạo tạp âm phát xạ tự phát khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission), ảnh hưởng đến tỷ số công suất sóng mang tạp âm đầu thu CNR làm giảm khả hoạt động hệ thống Bài báo đưa phương pháp xác định chất lượng truyền dẫn tín hiệu hình dựa vào CNR tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) đầu thu cho hai hệ thống dùng tách sóng PIN APD Mô hình hệ thống Việc truyền tín hiệu hình qua tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA mô tả sơ đồ sau: Hình 1: Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu M- QAM qua sợi quang đó, tách sóng dùng phôtôđiốt PIN APD 2.1 Hệ thống dùng phôtôđiốt PIN Công thức tính CNR sau tách sóng quang xác định [5]: m (GI s ) , (1) CNR  2 2tot m số điều chế quang; I s  Ps dòng phôtô sau tách sóng; , Ps tương ứng e đáp ứng công suất quang đến tách sóng (   ,  hiệu suất lượng tử);  2tot h tổng công suất tạp âm sau tách sóng Trong trường hợp hệ thống dùng tách sóng PIN, tổng công suất tạp âm sau tách sóng tính sau [1],[3]:  2tot   sh2   2s sp   sp2 sp   2th   2RIN , sh s sp sp  sp RIN (2) th với  ,  ,  ,  ,  tương ứng công suất tạp âm lượng tử, công suất tạp âm phách tín hiệu- phát xạ tự phát, phát xạ tự phát- tự phát, công suất tạp âm cường độ tương đối công suất tạp âm nhiệt sau tách sóng quang, xác định bởi: B B2  sh2  2eB e (GI s  m t S sp B ) ;  s2sp  e GI s I sp ;  sp2 sp  2m t  Ssp2 (B B e  e ) ; B0 4kTBe  2RIN  RIN.(GI ) Be ;  2th  , s R B e , B băng tần điện thu băng tần quang lọc quang sau EDFA; e, k, m t ,R, T điện tích electron, số Boltzman, số mode lan truyền ngang trình phân cực ( m t =2, với EDFA), điện trở tách sóng nhiệt độ tuyệt đối; Ssp  n sp h(G  1) mật độ phổ công suất phát xạ tự phát; n sp , h ,  , G hệ số phát xạ tự phát, số Planck, tần số quang hệ số khuếch đại EDFA; I sp  Psp  Ssp B Do vậy, trường hợp CNR xác định công thức: 0,5m Ps2 CNR  Psp (3) B e Psp 2B e h B P B 4kTBe h (Ps  m t )  e Psp s  2m t 2 (B  e )  RINBe Ps2  ( ) G G B0 G R eG B0 G 2.2 Hệ thống dùng phôtôđiốt APD Tương tự, trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD, CNR sau tách sóng xác định công thức: CNR  0,5m Ps2 (4) P P 2B e h B P B sp B 4kTB e h sp (Ps  m t )F  e Psp s  2m t 2e (B  e )  RINBe Ps2  ( )2 G G B0 G R eM apd G B0 G đó: M apd hệ số nhân APD, F  M xapd hệ số nhiễu trội APD Mối quan hệ BER CNR hệ thống điều chế M-QAM Với hệ thống điều chế M- QAM, sử dụng mã Gray, xác suất lỗi bit xác định theo công thức [2],[4]: Pe  2(1  / M )  log M 2E b Q M 1 N0 log M   2(1  / M )    Q CNR avr  , log M   M 1  (5) M số mức điều chế; E b , N tương ứng lượng bit mật độ tạp âm; Q(x) tính xấp xỉ : Q ( x )  x 2 e  x2 ; CNR avr CNR trung bình sau tách sóng quang tính: CNR avr  M  M 1 CNR   A i2   CNR A 2max M 3( M  1)  i 1  (6) đó, A i biên độ chuẩn hoá (theo biên độ cực đại) tín hiệu sóng mang cho ký hiệu thứ i (điểm tín hiệu thứ i) Kết mô Trong phần ta mô cho hệ thống điều chế 16 mức (16- QAM), giản đồ phân bố điểm tín hiệu cho hình 2: Hình Giản đồ phân bố điểm tín hiệu 16-QAM sử dụng mã Gray Hình Quan hệ CNR Ptx (thu PIN) Các tham số giữ suốt trình mô là: R  50, T  300 K , B e  10MHz, B  1GHz ,   1550nm, m  0,2;   0,8A / W Với ý quan hệ công suất phát Ptx công suất quang đến Ps sau: Ps  Ptx 10 0,1 f L [ W ] Ở  f [dB / km] , L hệ số suy hao sợi quang khoảng cách truyền dẫn tuyến Hình Quan hệ CNR G Hình Quan hệ CNR Ptx Hình mô mối quan hệ CNR công suất phát (Ptx) với khoảng cách truyền dẫn khác (G =15dB) sử dụng phôtôđiốt PIN Ta thấy CNR tăng nhanh theo công suất phát công suất phát nhỏ -15dBm Khi công suất phát lớn -15dBm CNR tăng chậm theo Ptx (đặc tuyến có độ dốc dốc hơn) Hình thể mối quan hệ CNR hệ số khuếch đại G EDFA với công suất phát khác Có nhận xét G tăng nhỏ 20dB CNR tăng theo G, nhiên G>20dB CNR không tăng theo G đạt đến giá trị bão hoà (giá trị G làm CNR bão hoà xấp xỉ: G bh  20dB ) Do thiết kế hệ thống thông tin quang, G chọn từ  15 dB tối ưu Hình mô mối quan hệ CNR Ptx cho giá trị G khác Từ đồ thị ta có kết luận G tăng đến giá trị CNR tăng đến giá trị bão hoà Điều giải thích xạ tự phát khuếch đại tăng theo G Kết cho dù G có tăng lên CNR đầu thu không tăng đạt đến giá trị bão hoà Hình thể mối quan hệ CNR với hệ số suy hao tổng sợi quang với giá trị công suất phát Ptx khác Ở hệ số suy hao tổng định nghĩa   Ps / Ptx ,  lớn tức khoảng cách truyền dẫn nhỏ ta thấy CNR tăng Hình mô mối quan hệ tỷ lệ lỗi bit BER công suất phát Ptx cho khoảng cách truyền dẫn khác nhau.Từ đồ thị ta thấy khoảng cách truyền dẫn nhỏ cần công suất phát để đạt giá trị BER yêu cầu (ví dụ muốn đạt BER  10 -6 , khoảng cách L= 50km cần công suất phát tối thiểu -33dBm; khoảng cách L= 60km cần Ptx tối thiểu -23dBm L=70km cần Ptx tối thiểu -13 dBm) Đồng thời khoảng cách định muốn đạt BER yêu cầu công suất phát không cao, điều giải thích xạ tự phát khuếch đại từ EDFA tăng theo công suất quang đầu vào EDFA (tức tính bão hoà EDFA) Hình Mối quan hệ CNR suy hao tổng sợi quang Hình Mối quan hệ BER Ptx Hình hình mô cho trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD Kết mô cho thấy công suất phát nhỏ 0dBm CNR hệ thống dùng tách sóng APD lớn hệ thống dùng tách sóng PIN (với G=10dB) Tuy nhiên, công suất phát lớn 0dBm CNR sau tách sóng dùng APD tiến đến bão hoà CNR sau tách sóng hệ thống dùng phôtôđiốt PIN có giá trị lớn Kết giải thích sau: Khi hệ thống dùng tách sóng APD, tín hiệu tạp âm thác lũ tăng theo hệ số nhân thác M apd nó, làm cho công suất quang đến phôtôđiốt APD dù có tăng CNR không tăng Hình CNR G (khi dùng tách sóng APD) Hình So sánh mối quan hệ CNR Ptx (khi dùng tách sóng PIN APD) Hình 10, hình 11 so sánh CNR hệ thống có số mức điều chế khác Ta thấy số mức điều chế M tăng CNR tăng theo tương ứng Hình 12 so sánh CNR hệ thống không sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA hệ thống có sử dụng EDFA Ta có nhận xét công suất phát nhỏ (< -20dBm) CNR hai hệ thống có giá trị xấp xỉ Tuy nhiên công suất phát tăng lên hệ thống sử dụng EDFA có CNR lớn hơn, tức BER nhỏ hoạt động tốt Hình 13 so sánh BER phụ thuộc vào công suất phát với số mức M khác Hình 10 Quan hệ CNR L với số mức điều chế khác Hình 11 Quan hệ CNR G với số mức điều chế khác Hình 12 So sánh CNR cho hệ thống có khuếch đại quang không Hình 13 So sánh BER cho hệ thống có số mức điều chế khác Kết luận Bài báo đưa phương pháp đánh giá chất lượng truyền tín hiệu hình điều chế phương pháp M-QAM qua hệ thống thông tin sợi quang có sử dụng EDFA CNR đầu thu cho hai hệ thống dùng tách sóng PIN APD tính toán có xét đến ảnh hưởng nguồn tạp âm từ tách sóng quang (PIN APD) khuếch đại quang sợi EDFA lên hệ thống Đồng thời, báo mô cho số trường hợp CNR thay đổi theo công suất phát, theo số mức điều chế, khoảng cách truyền dẫn hay hệ số khuếch đại G EDFA Các kết đạt giúp cho nhà thiết kế hệ thống truyền hình, đặc biệt hệ thống truyền hình cáp (CATV) dễ dàng chọn tham số thích hợp hệ thống, thiết bị để đạt chất lượng truyền hình theo yêu cầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập công trình, Hội nghị Khoa học, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thông, Hà Nội, 2001 Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Cơ sở truyền dẫn Viba số, Nhà xuất Bưu điện, Hà Nội, 2001 L.T.Thanh, T.Đ.Han, Study on increasing the number of users in WDM star networks by using EDFAs, Journal of Science and Technique, No.104 (III-2003), Military Technical Academy, Hanoi 9/2003 Bernard Sklar, Digital Communications, Prentice Hall, 1998 Roberto Sabella, Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber links, IEEE Transactions on communications, p.715-721, vol.47, No.5, May 1999 F.V.C Mendis, CNR requirements for Subcarrier Multiplexed Multichannel Video FM transmission on optical fiber, Electronic Letters, p.72-74, Vol 25, No.1, Jan 1989 J.A Chiddix, H.Loar, D.M Pangrac, L.D William, R.W Wolfe, AM video on fiber CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990  ... truyền tín hiệu hình điều chế phương pháp M- QAM qua hệ thống thông tin sợi quang có sử dụng EDFA CNR đầu thu cho hai hệ thống dùng tách sóng PIN APD tính toán có xét đến ảnh hưởng nguồn tạp m từ... số m c điều chế khác Hình 12 So sánh CNR cho hệ thống có khuếch đại quang không Hình 13 So sánh BER cho hệ thống có số m c điều chế khác Kết luận Bài báo đưa phương pháp đánh giá chất lượng truyền. .. hiệu thứ i) Kết m Trong phần ta m cho hệ thống điều chế 16 m c (16- QAM) , giản đồ phân bố đi m tín hiệu cho hình 2: Hình Giản đồ phân bố đi m tín hiệu 16 -QAM sử dụng m Gray Hình Quan hệ CNR Ptx