BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI THỊ KIM LIÊN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG EDFA VÀ CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2014 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN TUẤN Phản biện 1: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 2: TS LƯƠNG HỒNG KHANH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 28 tháng 12 năm 2014 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Xã hội ngày phát triển nhu cầu người trao đổi thông tin ngày lớn Để đáp ứng nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thơng phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Các hệ thống truyền dẫn điện ngày rơi vào trạng thái “bão hòa”, hay nói cách khác tốc độ môi trường truyền dẫn điện nằm giới hạn cho phép Trong đó, yêu cầu truyền dẫn mạng lưới viễn thông ngày lên đến hàng Tb/s chí Việc đời mạng truyền dẫn quang với băng thông gần vô hạn phần đáp ứng nhu cầu Bên cạnh thơng tin vô tuyến trở thành phần thiếu xã hội ngày Sự gia tăng liên tục thiết bị di động không dây với nhu cầu dịch vụ băng rộng tạo áp lực phải tăng dung lượng hệ thống vô tuyến Để kết hợp ưu điểm mạng truy nhập vơ tuyến tính linh hoạt ưu điểm hệ thống thông tin sợi quang mạng băng thông rộng, kĩ thuật truy nhập vô tuyến nghiên cứu phát triển kĩ thuật truyền sóng vơ tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber) Kĩ thuật xem kĩ thuật truy nhập vô tuyến băng rộng tương lai Hiện hệ thống thông tin sợi quang, tán sắc khắc phục nhờ kết hợp sử dụng sợi quang đơn mode với sợi quang tán sắc dịch chuyển Do vậy, việc bù tổn hao công suất đường truyền để nâng cao cự ly truyền dẫn từ trung tâm điều khiển đến trạm gốc kết hợp với kỹ thuật tách sóng khác trở thành vấn đề quan tâm hàng đầu cơng trình nghiên cứu tuyến thơng tin quang Vấn đề giải nhiều giải pháp khác Vì vậy, chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp, em lựa chọn tìm hiểu kĩ thuật với tên đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn hệ thống RoF sử dụng EDFA loại máy thu khác nhau” nhằm nghiên cứu tìm hiểu sâu kỹ thuật tách sóng kết hợp với khuếch đại EDFA để nâng cao chất lượng tín hiệu hệ thống RoF Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, tính tốn mơ hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến qua sợi quang RoF, so sánh đánh giá đặc tính kỹ thuật hệ thống RoF sử dụng loại máy thu khác nhau, có khơng có sử dụng khuếch đại EDFA, từ tìm thơng số tối ưu để hệ thống đạt chất lượng tốt Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật điều chế giải điều chế hệ thống RoF, kỹ thuật tách sóng dùng loại máy thu khác có sử dụng khuếch đại EDFA b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng Đề tài tập trung nghiên cứu kỹ thuật tách sóng hệ thống RoF tách sóng trực tiếp (IM-DD), tách sóng Coherenc có khơng có sử dụng EDFA, so sánh đánh giá đặc tính kỹ thuật hệ thống nói Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể sau: -Tìm hiểu phân tích kĩ thuật tách sóng RoF khơng sử dụng EDFA -Tìm hiểu phân tích kĩ thuật tách sóng RoF có sử dụng EDFA -Sử dụng phần mềm chuyên dụng (Matlab, Visual basic) để mô tuyến RoF sử dụng kiểu tách sóng nói có khơng có sử dụng EDFA -So sánh đặc tuyến kỹ thuật hệ thống đánh giá kết đạt Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, kết cấu luận văn gồm chương sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RoF Chương trình bày tổng quan lý thuyết RoF, kỹ thuật điều chế đầu phát, kỹ thuật tách sóng đầu thu số ứng dụng RoF Chương 2: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU Chương trình bày loại máy thu hệ thống RoF máy thu tách sóng trực tiếp IM-DD máy thu tách sóng kết hợp Coherence Mỗi loại sẽgiới thiệu cấu hình hệ thống, ưu nhược điểm, vấn đề quan tâm để hệ thống RoF cơng tác ổn định Ngồi máy thu tách sóng kết hợp trình bày kỹ thuật điều chế Coherence Chương 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU KẾT HỢP EDFA Nội dung chương trình bày khuếch đại quang EDFA hệ thống RoF sử dụng máy thu tách sóng kết hợp có khuếch đại EDFA vị trí đặt khuếch đại EDFA đường truyền RoF Chương 4: SO SÁNH ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG RoF DÙNG CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU VÀ EDFA Nội dung chương trình bày việc xây dựng mơ hình hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence kết hợp khuếch đại quang EDFA cách sử dụng phần mềm Matlab để mô hoạt động hệ thống RoF thông qua việc đánh giá thông số SNR BER đường truyền Từ lựa chọn phương án tốt Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tham khảo báo, luận văn thạc sĩ từ trường đại học quốc gia khác giới, với trang web tìm hiểu Luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý Hội đồng để luận văn trở thành cơng trình thực có ích CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ RoF 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương trình bày số nội dung bao gồm: - Tổng quan lý thuyết RoF định nghĩa RoF, đặc điểm RoF, kiến trúc mạng RoF kỹ thuật truyền dẫn RoF - Các kỹ thuật điều chế đầu phát, kỹ thuật tách sóng đầu thu - Một số ứng dụng RoF mạng WLAN, mạng di động tế bào, thông tin vệ tinh dịch vụ di động băng rộng 1.2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRUYỀN SĨNG VƠ TUYẾN QUA SỢI QUANG RoF 1.2.1 Khái niệm RoF 1.2.2 Kiến trúc mạng RoF a Mobile Host (MH) b Base Station (BS) c Central Station (CS) d Tuyến sợi quang 1.2.3 Các đặc điểm RoF 1.3.KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN RoF 1.3.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn RoF 1.3.2 Các kỹ thuật điều chế đầu phát a Kỹ thuật điều chế trực tiếp b Kỹ thuật điều chế (External Modulation) 1.3.3 Các kỹ thuật tách sóng đầu thu a Kỹ thuật tách sóng trực tiếp b Kỹ thuật tách sóng coherence 1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA RoF 1.4.1 Mạng tế bào 1.4.2 Thông tin vệ tinh 1.4.3.Các dịch vụ băng rộng di động 1.4.4 Mạng cục không dây (WLAN) 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương trình bày nội dung liên quan đến hệ thống RoF sử dụng loại máy thu khác như: - Máy thu tách sóng trực tiếp: Giới thiệu máy thu IM-DD, ưu, nhược điểm, cấu hình hệ thống RoF IM-DD vấn đề quan tâm để hệ thống RoF IM-DD cơng tác ổn định - Máy thu tách sóng kết hợp: Giới thiệu máy thu Coherence, cấu hình hệ thống RoF dùng máy thu Coherence, kỹ thuật điều chế Coherence, loại máy thu quang Coherence yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống RoF Coherence 2.2 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU TÁCH SÓNG TRỰC TIẾP (IM-DD) 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Đặc điểm 2.2.3 Cấu hình hệ thống RoF IM-DD a Khối thiết bị đầu cuối phát Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống RoF IM-DD Khối thiết bị đầu cuối phát làm nhiệm vụ nhận tín hiệu vào dạng điện, biến đổi tín hiệu quang để truyền vào sợi quang Nó bao gồm khối ghép kênh miền điện, mã hóa, tầng kích nguồn phát quang E/O b Khối thiết bị đầu cuối thu Thiết bị đầu cuối thu quang làm nhiệm vụ nhận tín hiệu quang từ sợi quang để biến đổi trở lại dạng tín hiệu điện dạng phía máy phát đưa đến thuê bao Nó bao gồm khối nguồn thu quang O/E, định, tách xung clock, giải mã tách kênh c Trạm lặp repeater Trạm lặp repeater có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn bù đắp suy hao tín hiệu truyền tuyến sợi quang dài Có hai dạng trạm lặp đường dây trạm lặp tái sinh 3R trạm lặp khuếch đại quang d Máy thu quang IM-DD 2.2.4 Các vấn đề quan tâm để hệ thống IM-DD công tác ổn định a Ảnh hưởng điều chế nguồn khơng hồn hảo b Ảnh hưởng nhiễu dòng tối c Ảnh hưởng nhiệt độ d Ảnh hưởng hóa già e Tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) g Độ nhạy thu quang h Tỷ số bit lỗi BER 2.3 HỆ THỐNG RoF DÙNG MÁY THU TÁCH SÓNG KẾT HỢP (COHERENCE) 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Cấu hình hệ thống RoF Coherence a Phía phát Phần phát gồm: điều khiển, laser bán dẫn, điều chế tín hiệu, ngồi thêm khuếch đại cơng suất, điều khiển cơng suất cần thiết Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Coherence Laser bán dẫn hoạt động chế độ đơn mode có độ rộng phổ hẹp, thường loại DFB có độ rộng phổ ≤ 0.1 nm, loại laser có cộng hưởng ngồi laser cách tử có độ rộng đường ≈ 10 ÷ 100 MHz Các LED laser đa mode khơng thích hợp độ rộng đường phổ nguồn phải hẹp độ rộng băng tần tín hiệu Nguồn laser cần phải đặt hộp ổn nhiệt, nhiệt độ điều khiển vòng 0,010C để đảm bảo ổn định tần số b Phía thu Đây phần phức tạp mắt xích hệ thống đặc trưng hệ thống thơng tin quang Coherence, bao gồm: trộn quang, laser dao động nội, photodiode tách sóng, khuếch đại, lọc thông nhiễu, giải điều chế trung tần tầng định 10 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE KẾT HỢP EDFA 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương trình bày nội dung sau: - Giới thiệu khuếch đại quang EDFA, nguyên lý khuếch đại quang EDFA, cấu trúc hoạt động EDFA, đặc tính kỹ thuật EDFA - Trình bày hệ thống RoF sử dụng máy thu tách sóng kết hợp có khuếch đại EDFA, xây dựng cơng thức tính BER, SNR hệ thống RoF - Xác định vị trí đặt EDFA đường truyền tương ứng với phương án PA_OACR, BA_OACR, LA_OACR 3.2 TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA 3.2.1.Giới thiệu khuếch đại quang EDFA 3.2.2 Nguyên lý khuếch đại quang EDFA a Sơ đồ cấu trúc khuếch đại quang EDFA Hình 3.2 Mơ hình tổng qt khuếch đại quang EDFA b Nguyên lý hoạt động EDFA 3.2.3 Các đặc tính kỹ thuật khuếch đại quang EDFA a Hệ số khuếch đại 11 b Nhiễu EDFA c Đặc tính cơng suất 3.2.4 Các vị trí đặt EDFA hệ thống RoF a Trường hợp BA (đặt sau máy phát) b Trường hợp PA (đặt trước máy thu) c Trường hợp LA (đặt đường truyền) 3.2.5 Ưu điểm nhược điểm EDFA a Ưu điểm b Nhược điểm 3.2.6 Ứng dụng EDFA 3.3 HỆ THỐNG RoF SỬ DỤNG MÁY THU COHERENCE KẾT HỢP KHUẾCH ĐẠI EDFA 3.3.1 Hệ thống RoF sử dụng máy thu tách sóng kết hợp Coherence khơng có khuếch đại EDFA 3.3.2 Hệ thống RoF sử dụng máy thu tách sóng kết hợp Coherence có khuếch đại EDFA 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG SO SÁNH ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG RoF DÙNG CÁC LOẠI MÁY THU KHÁC NHAU VÀ EDFA 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Nội dung chương trình bày vấn đề sau: - Xây dựng mơ hình hệ thống RoF sử dụng máy thu Coherence kết hợp khuếch đại quang EDFA nhằm nâng cao khoảng cách truyền dẫn chất lượng tín hiệu 12 - Viết cho chạy chương trình MatLab để vẽ đồ thị biểu diễn đặc tính hệ thống BER, SNR loại máy thu tách sóng trực tiếp DD máy thu tách sóng kết hợp Coherence theo khoảng cách truyền dẫn hệ thống, công suất quang dao động nội - Xây dựng mơ hình tính tốn, so sánh đánh giá phương án truyền dẫn có phối hợp khuếch đại quang EDFA máy thu Coherence: PA-OACR, BA- OACR LA-OACR tốc độ nhiều Gbit/s sở khảo sát qui luật biến thiên tỉ số tín hiệu nhiễu điện (eSNR) theo khoảng cách truyền dẫn, từ xác định hiệu phương án 4.2 THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN RoF Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống RoF dùng khuếch đại EDFA 4.2.1 Hệ thống RoF không dùng EDFA 13 Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn tính BER theo khoảng cách truyền dẫn D Hình 4.3 SNR tổng tám kĩ thuật giải điều chế Coherence kĩ thuật giải điều chế trực tiếp hệ thống DRoF theo khoảng cách truyền dẫn D 14 Từ đồ thị 4.3 thấy khoảng cách D từ 50km đến 90km tỉ số tín hiệu nhiễu SNR loại máy thu tách sóng kết hợp Coherence cho chất lượng tín hiệu >10dB Với máy thu tách sóng trực tiếp DD khoảng cách D>80km SNR