tinh toan thiet ke ttq
DESCRIPTION
Tinh Toan Thiet Ke TTQTRANSCRIPT
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I
Mục lục
Mục lục................................................................................................................................ I
Thuật ngữ viết tắt .............................................................................................................. IV
Danh mục hình vẽ ............................................................................................................. VI
Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... VIII
Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang ..................................................... 1
1.1. Mô hình tuyến thông tin quang ................................................................................ 1
1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang .................................... 2
1.2.1. Suy hao ............................................................................................................. 3
1.2.2. Tán sắc .............................................................................................................. 4
1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................... 7
1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM ................................................................................ 7
1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) ......................................................................... 9
1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) .................................. 10
1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế ................................................................ 12
1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích ............................................................... 12
1.3.1.1. Quỹ công suất .......................................................................................... 12
1.3.1.2. Quỹ thời gian lên ..................................................................................... 13
1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn ........................................................... 16
1.3.2.1. Tính tương thích ...................................................................................... 16
1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất ................... 18
1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê ............................................... 18
Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao
........................................................................................................................................... 21
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II
2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số .......................... 21
2.1.1. Tính toán với tán sắc ...................................................................................... 21
2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu .......................................................... 21
2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu ................................................................... 27
2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc ..................................................................... 27
2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống ............................................ 31
2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF............................ 33
2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR ................................... 34
2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm .......................................................... 37
2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang ....................................................................... 42
2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ ......................................................................... 42
2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh ................................................................................ 43
2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa ........................................................ 47
2.1.5. Ví dụ ............................................................................................................... 50
2.2. Tính toán theo số liệu thống kê ............................................................................. 57
2.2.1. Phương pháp chung ........................................................................................ 57
2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống ................................................. 57
2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống ............................................ 57
2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng .............................................................................. 58
2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê ............................................................................... 60
2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu ........................................................................ 62
2.2.3.1. Cơ sở ....................................................................................................... 62
2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu .............................................................. 62
2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang ...................................... 65
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III
2.2.3.4. Ghép nối thống kê ................................................................................... 66
2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực ...................................................... 71
2.3. So sánh hai phương pháp ....................................................................................... 71
Kết luận ............................................................................................................................. 73
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 74
Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV
Thuật ngữ viết tắt
Từ viết
tắt
Từ gốc Nghĩa
APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác
BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít
CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu
DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc
DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc
DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt
DWDM Density Wavelength Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo bước sóng
mật độ cao
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium
EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng
FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg
FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất
FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng
GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
LD Laser Diode Laze diode
LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang
Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V
MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode
MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường
MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode
NF Noise Factor Hệ số tạp âm
NRZ Non Return to Zero Không trở về không
OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm
pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất
p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN
PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode
rms Root mean square Trung bình quân phương
RZ Return to Zero Trở về không
SC Single Channel Đơn kênh
SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode
SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode
SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng
XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI
Danh mục hình vẽ
Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. ............................. 1
Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang ............... 6
Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền .................................................. 6
Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung ................................................. 9
Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác ............................. 11
Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp ..................................... 16
Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp ........................................ 17
Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp .......................................... 17
Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp ........................................ 18
Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm ...... 25
Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất ....................................... 29
Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc ............. 30
Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau .............................................. 30
Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt ................................................................................. 32
Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 ............ 34
Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER ....................................... 35
Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào ........ 35
Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm ..... 38
Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản ................................................................ 44
Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh ............................................................................... 45
Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh ...................... 46
Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2
VII
Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa
(mô hình Gausse) .............................................................................................................. 50
Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại ............................... 60
Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm ....................................... 63
Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm ....................................... 63
Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng ................................................. 64
Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng ........................................... 64
Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 ........................................ 67
Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 ...................... 68
Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình ................................................................. 69
Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc .............................................. 69
Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 ........................... 70
Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2
VIII
Danh mục bảng biểu
Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử ............................... 19
Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon ................................................. 23
Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại ............................................................................... 26
Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm ....................................... 26
Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB ....... 27
Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] ....................................................... 34
Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên ....................................... 41
Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng ............................................................................ 43
Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống ............................................................ 58
Bảng 2-11 Một số giá trị ........................................................................................ 66
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX
Lời nói đầu
Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong
lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang
chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang
đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày
càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm
hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng,
có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo
mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn
như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương... mà còn có tiềm năng trong các hệ
thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch
vụ trong hiện đại và cả tương lai.
Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không
phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế
tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng
sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc
biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc
tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một
công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang.
Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin
quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án
của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc
độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn
được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương:
Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số
phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong
thiết kế xấu nhất và theo thống kê.
Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc
độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết
kế xấu nhất và thống kê.
Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X
Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều
thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các
bạn để đồ án hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ
em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa
Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.
Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã
hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008
Sinh viên
Lê Đức Vượng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1
Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang
1.1. Mô hình tuyến thông tin quang
Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang,
sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin
quang.
Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản.
Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều
khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc
vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các
mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển
nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong
thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode).
Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường
truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp
kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không
chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với
những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã
được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa
đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện
các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết
suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ
thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử
dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này.
Nơi phát
tín hiệu
Thiết bị
phát
Môi trường
truyền dẫn
Thiết bị
thu
Nơi thu tín
hiệu đến
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 2
Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu
băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách
sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu
điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh.
1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang
Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham
số.
Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:
Suy hao.
Tán sắc.
Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.
Quỹ thời gian
Nhiễu
Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số
này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian
luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này
lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh
hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác
nhau với các hệ thống khác nhau.
Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần
quan tâm là suy hao.
Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm
có suy hao và tán sắc.
Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham
số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong
hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích
Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu
ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và
hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3
xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều
chế pha chéo.
Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này
1.2.1. Suy hao
Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo
tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về
khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ
thống thông tin quang.
Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ
thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một tuyến thông
tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với
sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các thiết bị xen rẽ kênh … cũng có
thể gây ra suy hao trên tuyến truyền dẫn. Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới
hạn cho phép cũng gây ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi
nên có thể giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau. Bên cạnh suy hao ngoài bản chất
là suy hao bản chất bên trong sợi quang. Trong quá trình truyền tín hiệu ánh sáng, bản
thân sợi quang cũng có suy hao làm cho cường độ tín hiệu giảm xuống khi đi qua một cự
ly nào đó. Các dạng suy hao bản chất gồm suy hao do hấp thụ, suy hao do tán xạ và suy
hao do bức xạ năng lượng ánh sáng. Trong các dạng suy hao trên, suy hao do hấp thụ có
liên quan tới vật liệu chế tạo sợi quang bao gồm hấp thụ do tạp chất, hấp thụ vật liệu.
Suy hao bức xạ là do sự sai lệch cấu trúc hình học của sợi gây ra.
Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặc trưng bằng hệ số
suy hao và được xác định bằng tỉ số giữa công suất quang đầu vào inP của sợi dẫn quang
dải L với công suất quang đầu ra outP . Tỷ số công suất này là một hàm bước sóng, nếu gọi
là hệ số suy hao thì ta có thể xác định hệ số này bởi công thức sau:
)log(10
out
in
P
P
L (1-1)
Với được tính theo dB/km và chiều dài L được tính theo km. Các sợi truyền dẫn
quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao, lúc đó
công suất đầu vào inP gần như bằng công suất đầu ra outP và 0 dB/km.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4
Từ công thức trên có thể suy ra được công thức tính cự ly truyền dẫn:
)log(1
10out
in
P
PL
(1-2)
Nếu gọi công suất tín hiệu quang trung bình phát vào sợi quang là tP và công suất
tín hiệu quang trung bình nhỏ nhất recP tại đầu vào của bộ thu quang với tốc độ truyền
dẫn là B. Khi đó, cự ly truyền dẫn cực đại được tính:
)log(1
10max
rec
t
P
PL
(1-3)
Cự ly truyền dẫn L còn phụ thuộc vào tốc độ bít là do công suất thu được recP phụ
thuộc vào tốc độ bít B, vì rằng hvBNP prec trong đó hv là năng lượng photon và pN là
số photon trung bình trên bit được yêu cầu tại bộ thu quang .
Như vậy, cự ly truyền dẫn L giảm theo hàm logarit với sự tăng tốc độ bít B tại
bước sóng hoạt động của hệ thống. Có 3 vùng bước sóng hoạt động tiêu biểu đó là (vùng
tại đó mà suy hao tín hiệu là nhỏ nhất) vùng bước sóng 0.85 m , vùng bước sóng 1.3 m
và vùng bước sóng 1.55 m . Trong các vùng bước sóng thì cự ly truyền dẫn ngắn nhất
khi hệ thống hoạt động ở bước sóng 0.85 m do tại vùng này suy hao tín hiệu tương đối
lớn. Khoảng cách lặp của các tuyến sử dụng hệ thống này khoảng từ 10 đến 30 km hoàn
tuỳ theo tốc độ bít. Ngược lại cự ly lớn hơn 100 km hoàn toàn có thể thực hiện được với
hệ thống hoạt độn tại vùng bước sóng 1.55 m .
1.2.2. Tán sắc
Suy hao mặc dù có vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, nhưng nó chỉ
được quan tâm đặc biệt khi hệ thống thông tin quang có cự ly ngắn, dung lượng thấp.
Tuy nhiên khi khoảng cách tăng lên thì suy hao không còn là vấn đề quan trọng nữa, bởi
vì suy hao dễ dàng được khắc phục bởi các bộ khuếch đại. Khi suy hao không còn là vấn
đề quan trọng thì tán sắc trở thành mối quan tâm chủ yếu nhất ảnh hưởng tới cự ly truyền
dẫn và tốc độ bít.
Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau một quãng
đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp
quang.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 5
Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao. Suy hao
là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra.
Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống dẫn sóng và
trễ nhóm.
Tuy nhiên hầu hết các hệ thống truyền dẫn đều sử dụng sợi quang đơn mode nên
tán sắc đơn mode trở thành một yếu tố hết sức quan trọng và vì vậy ở đây chỉ xét đến tán
sắc bên trong mode.
Tán sắc bên trong mode là sự dãn xung tín hiệu ánh sáng xảy ra trong một mode.
Vì tán sắc bên trong mode phụ thuộc vào bước sóng cho nên ảnh hưởng của nó tới méo
tín hiệu sẽ tăng lên theo sự tăng của độ rộng phổ nguồn phát. Độ rộng phổ là dải bước
sóng mà nguồn quang phát tín hiệu ánh sáng trên nó. Có thể mô tả độ dãn xung bằng
công thức sau đây:
s
n
d
dL )( (1-4)
Với L là độ dài của của sợi quang, n là trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài, s là
bước sóng trung tâm và là độ rộng trung bình quân phương rms của phổ nguồn phát.
Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode
và tán sắc bên trong mode. Tán sắc bên trong mode lại gồm có tán sắc ống dẫn sóng và
tán sắc vật liệu. Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic
dispersion). Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu.
Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân
chính gây nên hiện tượng tán sắc. Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang,
vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh
sáng tín hiệu. Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh
sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông
thường.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 6
Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang
Trên hình vẽ 1-2, chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận
tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng. Như chúng ta đã biết, trên thực tế
không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ
nhất định. Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ
Δλ0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode. Các thành phần bước sóng dài hơn của
xung sẽ chuyền chậm hơn các thành phần bước sóng ngắn hơn. Như vậy, sau một quãng
đường truyền đủ dài, độ rộng xung sẽ bị kéo giãn ra tới mức hai xung kế tiếp nhau sẽ bị
chèn lên nhau (hình 1-3). Hậu quả là thiết bị ở đầu thu sẽ không thể phân biệt được 2
xung riêng biệt. Để thiết bị thu được tín hiệu xung, người ta phải giảm tốc độ truyền hoặc
rút ngắn khoảng cách giữa bên phát và bên thu.
Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền
a) Xung tại đầu phát b) Xung tại đầu thu
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 7
1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến
Trong các hệ thống ghép kênh theo bước sóng, có cự ly dài, dung lượng rất lớn thì
ngoài tham số suy hao và tán sắc còn phải tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng phi
tuyến. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến là do tương tác lẫn nhau giữa các kênh với
các bước sóng khác nhau được ghép trong sợi quang.
1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất n vào cường độ trường của sóng ánh sáng được
gọi là hiệu ứng Kerr quang, trong đó toàn bộ các trường tham gia vào tương tác phi
tuyến ở cùng một tần số. Chỉ số chiết suất biến đổi như sau:
n ,
j = n j + n 2 .effA
P với j=1,2… (1-5)
Trong đó: n ,
1 , n ,
2 là chiết suất lõi và vỏ.
n 2 là hệ số chiết suất phi tuyến.
n j là chỉ số chiết suất tuyến tính
n 2 /10.3 220m W với sợi silica
Hệ số truyền dẫn phi tuyến:
PA
Pn
A
Pn
nn
c
n
eff
eff
jjj
.2
22.
.2.
2
2
''
'
(1-6)
Với /2
2n
Aeff là hằng số truyền dẫn phi tuyến.
Pha kết hợp với mode sợi tăng tuyến tính theo z, ảnh hưởng của chiết suất phi
tuyến dẫn đến một sự dịch pha phi tuyến là:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 8
effin
L
in
Lz
in
z
in
LL
NL
LPePeP
dzePdzzPdz
..)1(1
..|.1
..
..)(.)(
0
00
'
(1-7)
Pin giả thiết là không đổi. Thực tế sự phụ thuộc của Pin vào thời gian làm cho NL
thay đổi theo thời gian dẫn đến một sự dịch chuyển tần số mà từng bước ảnh hưởng tới
hình dạng xung qua GVD. Để giảm ảnh hưởng của chiết suất phi tuyến thì độ dịch pha
phi tuyến cần thỏa mãn điều kiện NL <<1. Từ đó có thể suy ra điều kiện ngưỡng của
công suất quang:
.
11...
eff
ineffininL
PLPP (1-8)
Với 2,046.0/2.0 1 KmKmdB W 11. Km , ta có:
Pin << 023.02
046.0 W= 23mW
Rõ ràng sự phụ thuộc chiết suất vào công suất quang là một yếu tố giới hạn với
hệ thống truyền thông quang. Hiện tượng phi tuyến tương ứng với giới hạn này được gọi
là tự điều chế pha SPM vì độ dịch pha NL được cảm ứng bởi chính trường quang. SPM
tương tác với tán sắc sắc thể trong sợi để thay đổi tốc độ mở rộng xung khi nó lan truyền
trong sợi quang. Khi tán sắc sắc thể trong sợi quang càng tăng ảnh hưởng của SPM càng
lớn. Nó dẫn đến việc thay đổi các thành phẩn trong xung quang. Hiệu ứng này có thể
xem như là cơ chế chirp phi tuyến, tần số hoặc bước sóng của ánh sáng trong một xung
có thể bị chirp không chỉ đơn giản do đặc tính nội tại của nguồn phát mà còn do tương
tác phi tuyến với môi trường truyền dẫn của sợi. Điều này dẫn đến sự dịch các sườn
xung, xung lên bị dịch về phía bước sóng dài hơn và xung xuống bị dịch về phía bước
sóng ngắn hơn và dẫn tới một sự dịch tần trên mỗi sườn xung mà tương tác với tán sắc
sợi để mở rộng xung.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 9
Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung
1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM)
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ trường của sóng ánh sáng có thể
cũng dẫn đến hiện tượng phi tuyến được biết là điều chế chéo pha. Nó chỉ xuất hiện
trong hệ thống đa kênh và xảy ra khi hai hay nhiều kênh được truyền đồng thời trong sợi
sử dụng các tần số sóng mang khác nhau. Độ dịch pha phi tuyến cho một kênh riêng
không phụ thuộc vào chỉ số chiết suất của kênh khác. Độ dịch pha cho kênh j là:
M
jm
mjeff
NL
j PPL 2. (1-9)
Trong đó: M là tổng số kênh
Pj là công suất kênh j (j= M,1 ).
Hệ số 2 chỉ ra rằng XPM ảnh hưởng bằng 2 lần SPM với cùng công suất. Độ dịch
pha tổng bây giờ phụ thuộc vào tất cả các kênh và có thể thay đổi từng bit phụ thuộc vào
kiểu bit của kênh lân cận.
Nếu ta giả sử công suất các kênh bằng nhau, độ dịch pha trong trường hợp xấu
nhất khi tất cả các kênh truyền đồng thời tất cả các bit 1 là:
Sự dịch
xung
Xung bị mở rộng
khi lan truyền trong
sợi
Chirp tần số
Xung đã phát
Tần số
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10
j
NL
j PM 12
(1-10)
Để NL
j 1 => Pj<1 (mW) ngay cả với M=10 nếu chúng ta sử dụng giá trị và
ở vùng =1,55 m . Rõ ràng XPM có thể là nhân tố giới hạn công suất chính.
Tóm lại: Với những xung quang rộng tương đối (>100ps), ảnh hưởng của tán sắc
không đáng kể. Với những xung quang ngắn hơn, ảnh hưởng của tán sắc và phi tuyến
hoạt động cùng nhau trên xung dẫn đến nhiều đặc tính mới. Cụ thể sự mở rộng xung
quang do tán sắc được giảm nhiều với sự có mặt của SPM và GVD dị thường.
1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing)
Sự phụ thuộc của chỉ số chiết suất vào cường độ có gốc của nó trong độ cảm phi
tuyến bậc 3 được biểu hiện bởi )3( . Hiện tượng phi tuyến khác được biết từ sự trộn 4
sóng (FWM) cũng xuất phát từ giá trị hữu hạn của )3( trong sợi thủy tinh. Nếu 3 trường
quang với tần số sóng mang 321 ,, lan truyền đồng thời trong sợi, )3( tạo ra trường
thứ tư mà tần số 4 của nó liên quan với các tần số qua công thức: 4 = 321 .
Về nguyên lý sẽ xuất hiện nhiều tần số tương ứng với các sự kết hợp khác nhau
của các dấu +, -. Tuy nhiên trong thực tế hầu hết sự kết hợp của chúng không xây dựng
được yêu cầu thích ứng pha. Sự kết hợp của dạng 3214 là gây rắc rối nhất
cho hệ thống truyền thông quang đa kênh vì chúng có thể gần với pha được thích ứng khi
bước sóng nằm ở vùng tán sắc bằng 0.
Hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ tới hiệu năng trộn là:
- Đầu tiên là khoảng cách kênh. Hiệu năng trộn sẽ tăng mạnh mẽ khi khoảng
cách kênh trở nên gần hơn.
- Thứ hai là tán sắc sợi. Hiệu năng trộn tỉ lệ nghịch với tán sắc sợi và lớn nhất ở
vùng tán sắc bằng không vì khi đó các sản phẩm trộn không mong muốn sẽ di
chuyển cùng tốc độ. Do vậy trong thực tế, các sợi dịch tán sắc thường được
thiết kế để có tán sắc dư ở bước sóng vận hành nhằm loại bỏ ảnh hưởng của
FWM.
Hình vẽ sau mô tả hiệu năng trộn 4 sóng trong sợi đơn mode.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 11
Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác
nhau theo khoảng cách kênh
Ở mức cơ bản, một quá trình FWM có thể xem như một quá trình tán xạ mà hai
photon năng lượng 1 và 2 tạo ra 2 photon năng lượng 3 và 4 . Điều kiện thích
ứng pha bắt đầu từ yêu cầu duy trì động lượng. Quá trình FWM cũng có thể xẩy ra khi
hai phonon bắt đầu suy biến ( 21 ), vì vậy 314 .2 .
FWM không ảnh hưởng đến hệ thống sóng ánh sáng đơn kênh nhưng lại trở nên
quan trọng với các hệ thống đa kênh mà sử dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng
WDM (wavelength division multiplexing ). Một lượng công suất lớn của kênh có thể
được truyền tới kênh lân cận qua FWM. Sự truyền năng lượng như vậy không chỉ làm
suy hao công suất cho một kênh riêng mà còn dẫn đến xuyên âm giữa các kênh, làm
giảm hiệu năng hệ thống quang. Tuy nhiên, hiệu ứng FWM cũng có ích với các hệ thống
sóng ánh sáng. Nó được sử dụng để giải ghép kênh khi ghép kênh phân chia theo thời
gian được sử dụng trong miền quang. Từ những năm 1933, FWM đã được sử dụng để
tạo tín hiệu ngược phổ qua quá trình phân chia pha quang (optical phase conjugation)-
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 12
một trong các kỹ thuật sử dụng cho sự bù tán sắc và có thể cải tiến hiệu năng của hệ
thống ánh sáng được hạn chế tán sắc.
1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế
Có nhiều phương pháp thiết kế một tuyến thông tin quang. Đối với các hệ thống
đơn giản ta có thể sử dụng phương pháp dùng các công thức tính toán, việc sử dụng các
công thức để tính toán các tham số khi thiết kế hệ thống quang được gọi là phương pháp
thiết kế theo giải tích. Với một số trường hợp khác ta có thể sử dụng phương pháp mô
phỏng để tìm ra các yêu cầu của các thiết bị cần được sử dụng.
1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích
Trong phần này, xét quá trình thiết kế bằng quỹ công suất và thời gian lên
1.3.1.1. Quỹ công suất
Quỹ công suất quang được coi như một yếu tố bao quát tổng hợp quan trọng nhất
nhằm khẳng định xem công suất quang có đủ để đi từ thiết bị phát tới thiết bị thu hay
không để duy trì các đặc tính tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của hệ thống. Nếu như
tại đầu vào bộ thu yêu cầu một công suất quang trung bình nhỏ nhất là độ nhạy thu Prec
và có một công suất quang trung bình Pt tại đầu ra bộ phát quang thì quỹ công suất CT
của tuyến có thể được xem như là tổng suy hao giữa bộ phát và bộ thu quang. Vì thế quỹ
công suất quang có thể được biểu diễn dưới dạng đơn giản sau:
sspfcrecTT MlLlpPc 2 (1-11)
Với cl là suy hao bộ nối quang tính bằng dB, f là hệ số suy hao sợi tính bằng
dB/km, L là độ dài sợi quang trên tuyến và coi như là cự ly truyền dẫn, spl là tổng các suy
hao các mối hàn nối sợi tính bằng dB. Trong biểu thức trên ta giả thiết chỉ sử dụng 2 bộ
nối quang ở hai đầu.
Đại lượng sM là dự phòng hệ thống. Dự phòng hệ thống là một lượng công suất
quang xác định được thêm vào hệ thống để bù vào sự mất mát công suất có thể xảy ra
trong quá trình quá trình khai thác hệ thống, chẳng hạn như sự xuống cấp của các thành
phần thiết bị, sự thay đổi của nhiệt độ và sự thay đổi các điều kiện môi trường làm giảm
hiệu năng của hệ thống, và các biến cố nhỏ khác. Trong thiết kế tuyến, dự phòng hệ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 13
thống thường lấy giá trị từ 3 đến 8 dB. Biểu thức (1-1) có thể được sử dụng để xác định
cự ly truyền dẫn lớn nhất khi đã xác định được các phần tử hệ thống. Một khi bước sóng
đã được lựa chọn thì điều cần phải thực hiện là quyết định xem các thiết bị phát và thu
nào nên được dùng. Đối với nguồn quang thì xem xét nguồn laze bán dẫn LD hay LED
là phù hợp. Tương tự như vậy đối với các thiết bị thu quang thì nên sử dụng bộ tách sóng
p-i-n hay APD. Việc quyết định này cần quan tâm đến tính kinh tế mà cụ thể là giá cả
của hệ thống phải thấp.
1.3.1.2. Quỹ thời gian lên
Quỹ thời gian lên cũng được coi là yếu tố quan trọng, nó được đưa ra nhằm xác
định xem hệ thống có đủ khả năng để hoạt động tại tốc độ bít đã định hay không. Thậm
chí ngay cả khi băng tần của các thành phần hệ thống vượt qua tốc độ bít, nó vẫn cho
thấy rằng toàn bộ hệ thống có thể không đủ khả năng hoạt động tại tốc độ bít đó. Quan
niệm thời gian lên được dùng để định rõ băng tần trong các thành phần hệ thống khác
nhau. Ta có thể mở rộng và chứng tỏ rằng thời gian lên Tr của một hệ thống tuyến tính
tăng tử 10% đến 90% giá trị đầu ra sau cùng của nó khi đầu vào có sự thay đổi đột ngột-
hàm bước nhảy.
Có một quan hệ giữa băng tần f và thời gian lên rT của hệ thống tuyến tính.
Quan hệ này có thể được hiểu bằng việc xem xét mạch RC đơn giản làm ví dụ cho hệ
thống tuyến tính. Khi điện áp đầu vào mạch RC thay đổi một cách tức thời từ 0 đến V0
thì điện áp đầu ra thay đổi như sau:
)exp(1)( 0
RC
tVtVout (1-12)
Trong đó R và C tương ứng là điện trở và điện dung của mạch RC. Khi đó thời
gian lên được tìm là:
RCRCTr 2,2)9(ln (1-13)
Hàm chuyển đổi H(f) của mạch RC sẽ thu được bằng phép biến đổi Fourier biểu
thức (1-12) và ta có:
)21(
1)(
fRCifH
(1-14)
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 14
Băng tần điện fBe tương ứng với tần số mà tại đó 2/1)(2fH và được cho
bởi biểu thức 1)2( RCBe . Sử dụng biểu thức (1-13) thì giữa eB và rT có mối quan hệ
sau:
ee
rBB
T35.0
2
2,2
(1-15)
Với biểu thức này thi quan hệ nghịch đảo giữa thời gian lên và băng tần sẽ đúng
cho mọi hệ thống tuyến tính. Tuy nhiên, tích er BT thường khác 0.35.
Mối liên quan giữa băng tần điện eB và tốc độ bít B phụ thuộc vào dạng tín hiệu
số. Với dạng tín hiệu RZ (Return to Zero), khi đó thì BBe và 35.0rBT . Ngược lại với
tín hiệu dạng NRZ (Non Return to Zero) thì 2/BBe và do đó 7.0rBT . Trong cả hai
trường hợp, tốc độ bit đặc trưng đặt ra giới hạn cho thời gian lên lớn nhất có thể cho
phép. Điều này có nghĩa là hệ thống thông tin phải được thiết kế để đảm bảo rằng rT nằm
trong giá trị lớn nhất này, tức là:
B
BTr
/7.0
/35.0 (1-16)
Trong hệ thống thông tin quang có ba thành phần thời gian lên riêng rẽ. Thời gian
lên tổng của toàn bộ hệ thống có quan hệ với các thời gian lên thành phần riêng rẽ này
một cách xấp xỉ như sau:
222
recfibtrr TTTT (1-17)
Trong đó, trT , fibT và recT tương ứng lần lượt là thời gian lên của thiết bị phat, sợi
quang và thiết bị thu quang. Thông thường thời gian lên của thiết bị phát quang và thiết
bị thu quang được biết trước khi thiết kế hệ thống. Trước hết thời gian lên của thiết bị
phát trT được xác định từ các thành phần điện của mạch điều khiển và các thành phần
điện liên quan đến nguồn quang. Giá trị tiêu biểu của trT là khoảng vài ns đối với thiết bị
phát LED, nhưng nó có thể nhỏ tới 0.1ns đối với thiết bị phát lase bán dẫn LD. Thời gian
lên của bộ thu recT được xác định trước hết là từ băng tần điện 3dB của phần mặt trước
(front-end) bộ thu. Biểu thức (1-15) có thể được dùng để ước lượng recT nếu như băng tần
front-end được xác định.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 15
Thời gian lên của sợi sợi quang fibT được tính thông qua các tán sắc mode và tán
sắc vận tốc nhóm được biểu diễn bởi phương trình sau:
22
mod GVDfib TTT (1-18)
Với modT là thời gian lên do tán sắc mode và GVDT là thời gian lên do tán sắc vận
tốc nhóm gây ra. Đối với sợi đơn mode thì có modT = 0 và vì thế mà GVDfib TT .
Đối với sợi có tán sắc mode thì có thể coi thời gian lên modT xấp xỉ thời gian trễ và
khi không có sự trộn mode thì:
c
nLTGVD
1 (1-19)
Với L là cự ly truyền dẫn, c là vận tốc của ánh sáng, là sự khác nhau về chỉ số
chiết suất lõi vỏ của sợi quang, và 21 nn . Thành phần GVDT cũng có thể được tính xấp xỉ
bởi T như sau:
LDTGVD (1-20)
Trong đó là độ rộng phổ của nguồn phát quang được tính theo độ rộng toàn
phần tại nửa lớn nhất FWHM. Tham số tán sắc D có thể thay đổi dọc theo sợi quang nếu
như các phần sợi khác nhau có các đặc tính khác nhau, vì thế nên lấy giá trị trung bình
trong biểu thức (2-20). Từ biểu thức này, giả sử nếu hệ thống hoạt động tại vùng bước
sóng 1.3µm thì GVDT = 0.3 ns khi cự ly truyền dẫn là 50 km, độ rộng phổ nguồn phát 2
nm, và tán sắc trung bình bằng 3 ps/km.nm. Các thời gian lên bộ phát và bộ thu quang
tương ứng là 0.25 ns và 0.35 ns. Đối với tuyến sử dụng sợi quang đơn mode thì tán sắc
mode bằng 0 và khi đó thì nsT fib 3.0 . Thời gian lên của hệ thống được tính từ biểu thức
(1-17) có kết quả là 0.524 ns. Nếu áp dụng biểu thức (1-16) thì hệ thống không thể hoạt
động tại tốc độ 1Gbit/s khi dạng tín hiệu là RZ. Tuy nhiên nếu chuyển sang mã NRZ thì
hệ thống hoàn toàn có thể hoạt động được. Dạng tín hiệu NRZ thường được sử dụng vì
nó cho phép thời gian lên của hệ thống lớn hơn với cùng một tốc độ bít, và như vậy việc
thiết kế sẽ thuận lợi hơn nhiều.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 16
1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn
Các phương pháp ở trên là tính toán dựa theo các số liệu cụ thể của linh kiện của
một nhà sản xuất, tuy nhiên trong một số trường hợp thì để thiết kế một tuyến quang thì
không phải lúc nào cũng sử dụng tất cả các linh kiện của một nhà sản suất. Khi đó tuyến
quang sẽ bao gồm các linh kiện của nhiều nhà sản xuất khác nhau. Vì vậy, để thích hợp
điều này ta sử dụng phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn nhằm mục đích để có thể thích
ứng được các linh kiện của các nhà sản xuất khác nhau và có khả năng mở rộng, sửa
chữa, nâng cấp mạng quang sau khi đã sử dụng. Trong phương pháp thiết kế theo cách
tiếp cận tiêu chuẩn xét đến phương pháp thiết kế trong trường hợp các giá trị là xấu nhất
và thiết kế theo giá trị thống kê. Trước khi xét đến hai phương pháp này, ta nêu ra khái
quát về tính tương thích.
1.3.2.1. Tính tương thích
Tính tương thích thì lại gồm có tương thích dọc và tương thích ngang.
Tương thích ngang
Tính tương thích ngang là khả năng các đầu cuối quang có thể sử dụng của phần
quang có thể được xác định bởi thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Hình sau đây
minh hoạ tính tương thích ngang trong trường hợp hệ thống đơn chặng. Với hệ thống này
thì cần xác định đầy đủ các tham số và các giá trị tại cả cả hai điểm giao diện MPI-S và
MPI-R.
Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp
Với các hệ thống đa nhịp thì tính tương thích ngang được minh hoạ bởi hình vẽ:
Vendor A Vendor B
MPI-S MPI-R Tx hoặc
Txs
Rx hoặc
Rxs
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 17
Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp
Đây là trường hợp với tính tương thích chiều ngang trong đó các bộ khuếch đại được
cung cấp bởi một nhà cung cấp thiết bị đầu cuối khác (Vendor C). Trong khi các thiết bị
đầu cuối phía phát được cung cấp bởi Vendor A, và thiết bị phía thu được cung cấp bởi
Vendor B.
Tính tương thích dọc
Không giống với trường hợp trên, một ứng dụng được gọi là “tương thích chiều
dọc” khi cả hai đầu cuối của một bộ phận quang là thiết bị đầu cuối của một nhà sản
xuất. Trong trường hợp này, yêu cầu một tập hợp các tham số hạn chế hơn so với hệ
thống tương thích chiều ngang. Ở đây, chỉ có các đặc tính cáp (suy hao, tán sắc, DGD,
tán sắc) được chỉ rõ. Hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp được minh họa trong hình
12-5.
Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp
Đối với các hệ thống đa nhịp, cũng có thể có tính tương thích chiều dọc. Điều này
tương tự như hệ thống tương thích chiều dọc đơn nhịp, mà hệ thống đơn nhịp này có tất
cả các thiết bị đều được cung cấp bởi một nhà cung cấp. Điều này đuợc minh họa trong
hình 12-6. Vì trong trường hợp đơn nhịp thì chỉ có một số tham số rất hạn chế được yêu
cầu cụ thể mặc dù tán sắc màu và PMD phải được điều khiẻn tại một đầu cuối đến đầu
cuối.
Vendor A
Rx
Vendor A
Tx
Vendor A
MPI-S Tx hoặc
Txs
Vendor B
MPI-R Rx hoặc
Rxs
Vendor C
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 18
Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp
1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất
Các giá trị tham số quang trong các khuyến nghị giao diện quang khác nhau được
chọn tùy theo tiếp cận thiết kế trường hợp xấu nhất (worst case design).
Phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất có nghĩa là trong một tuyến quang thì
tất cả các tham số quang cụ thể đồng thời là giá trị tại khoảng thời gian mà thiết bị hết
thời gian sử dụng EOL (End Of Life), tỉ số lỗi bít BER sẽ không xấu hơn giá trị cụ thể
của ứng dụng, chẳng hạn là 1210 . Trong trường hợp này, EOL được xét đến như một
điều kiện, trong đó đặc tính của thiết bị (chẳng hạn như máy phát hoặc máy thu) bị suy
giảm không còn thỏa mãn yêu cầu kĩ thuật và vì thế gây ra lỗi.
Vì thế, khi mức công suất quang đầu ra của thiết bị phát quang tại EOL của nó đạt
giá trị nhỏ nhất thì độ nhạy thiết bị thu tại EOL là giá trị lớn nhất, suy hao sợi quang tại
EOL sẽ có giá trị lớn nhất, và các đặc tính phổ nguồn cần bù tuyến quang với giá trị lớn
nhất, các điều này dẫn đến tỉ số lỗi bít BER của hệ thống sẽ không lớn hơn giá trị danh
định của ứng dụng, như 1210 . Kết luận này không nói lên rằng thông thường một tuyến
quang hoạt động tại BER chuẩn này. Thay vào đó, một tuyến quang hoạt động ảo không
có lỗi dưới những điều kiện hoạt động danh định, xác suất mà các tham số quang đồng
thời tại giới hạn của trường hợp xấu nhất là rất thấp.
1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê
Với hệ thống có ít thành phần thì thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) là
hữu ích, thiết kế đó cung cấp các dự phòng thích hợp với hệ thống. Tuy nhiên, với một
hệ thống có nhiều thành phần như hệ thống đa nhịp hoặc đa kênh thì các dự trữ của thiết
kế tĩnh trở nên không phù hợp. Việc thiết kế tĩnh (hoặc trong trường hợp xấu nhất) với
các hệ thống này sẽ gây ra sự lãng phí không cần thiết. Trong bối cảnh này, các nhà khai
thác mạng cũng như các nhà sản xuất mạng đã nghiên cứu việc sử dụng thiết kế thống kê
(statistical design approach).
Vendor A
Tx
Vendor A
Rx
Vendor A
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 19
Phương pháp thống kê là dựa trên việc thiết kế nâng cấp phần cáp cơ sở và có thể
có chiều dài đoạn lớn hơn chiều dài trong trường hợp xấu nhất. Bằng cách thêm vào một
xác suất nào đó mà suy hao và tán sắc giữa các điểm R và S lớn hơn các giá trị cụ thể hệ
thống, hoặc thiết kế tương thích ngang không thể đạt được, thì các hệ thống quang tốc bít
cao cự ly dài có thể có chi phí thấp hơn thông qua việc giảm số lượng các connector.
Khi sử dụng phương pháp thống kê, các tham số hệ thống phụ được biểu diễn
bằng phân bố thống kê, mà phân bố này được lấy từ nhà sản xuất. Các phân bố như thế
có thể được tính toán hoặc bằng số (chẳng hạn phương pháp Monte Carlo) hoặc theo
phép phân tích (chẳng hạn độ lệch chuẩn và trung bình Gausse).
Trong phương pháp thiết kế thống kê có hai tham số cần được phân biệt. Đó là
tham số của hệ thống và tham số của phần tử (linh kiện). Các thông số của hệ thống là
các tham số của cả tuyến quang (chẳng hạn suy hao cực đại hoặc tán sắc màu lớn nhất
của tuyến …), còn tham số của phần tử thì là tham số cụ thể của một phần tử linh kiện
nào đó (chẳng hạn như hệ số suy hao, hệ số tán sắc màu của sợi quang). Các thông số
của hệ thống được xác định bằng cách thiết kế hệ thống trong các thuộc tính thống kê
của các thông số phần tử. Các ví dụ về quan hệ giữa các tham số phần tử và tham số hệ
thống được cho trong bảng 1-1:
Tham số hệ thống Tham số phần tử
Suy hao cực đại
Hệ số suy hao sợi cáp, công suất đầu ra máy phát, độ
nhạy máy thu, điểm bù công suất, suy hao mối nối,
suy hao connector.
Tán sắc màu cực đại Hệ số tán sắc sợi, độ rộng phổ máy phát
DGD cực đại Hệ số cáp PMD, công suất chia giữa trạng thái phân
cực chính với các phần tử khác trong liên kết
Công suất đầu ra cực đại
Hệ số suy hao cáp, bước sóng sợi tán sắc không,
vùng sợi hiệu dụng, hệ số sợi phi tuyến, khoảng cách
kênh.
Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 20
Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế thống kê ở đây chỉ một tham số hệ thống
trong bất kì hệ thống cụ thể nào được xét thống kê. Ví dụ, trong các hệ thống giới hạn
tán sắc, tán sắc màu cực là được xét thống kê, trong khi tất cả các tham số khác được
xem như sử dụng phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 21
Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông
tin quang tốc độ cao
2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số
2.1.1. Tính toán với tán sắc
2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu
Phần này xác định “mô hình epsilon” của khuyến nghị ITU-T G.957 để tính toán
hiệu ứng tán sắc của độ rộng trong cả phổ nguồn và điều chế máy phát, trong trường hợp
xảy ra chirp và bất kì mode biên nào là không đáng kể. Trong nhiều trường hợp thực tế,
chirp có thể trội và giới hạn tán sắc theo lí thuyết có trong phần này sẽ cao hơn hoặc thấp
hơn so với thực tế.
Lí thuyết về tính toán được trình bày trong phụ lục I của Series G Supplement 39
ITU-T. Giả thiết rằng độ rộng lí thuyết rms (roof mean square: độ rộng trung bình quân
phương) theo Gausse đối với phổ nguồn và điều chế có thể được áp dụng vào dạng
chung, và tán sắc bậc hai là nhỏ so với tán sắc bậc một. Như trong khuyến nghị ITU-T
G.957, sự mở rộng xung cho phép là một phần của chu kì bit bị giới hạn tới một giá trị
tối đa, và giá trị này được gọi là giá trị epsilon – ε, và giá trị này được xác định bởi bù
công suất.
Công thức tán sắc
Các công thức dưới đây được biến đổi tiếp theo phần phụ lục I.7 của tài liệu
Series G Supplement 39 ITU-T. Thông thường xung đầu vào có chu kì là một phần f của
chu kì đối với xung RNZ, giá trị f này được gọi là chu trình làm việc. Khi đó ta có: đối
với mã đường truyền RZ thì f <1, còn đối với mã đường truyền NRZ thì f = 1. Trong sợi
quang dài L km, tốc độ B Gbps với hệ số tán sắc là D ps/km nm tại bước sóng λ μm thì
tán sắc màu ps/nm tối đa cho phép kết nối là:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 22
50
22
2 9321
650.819.1.
f
B.B
LD
(2-1)
Ở đây v được tính theo GHz là độ rộng -20 dB của phổ nguồn trong tần số
quang. Độ rộng này tương ứng với độ rộng -20dB của phổ bước sóng theo nm được
đưa ra bởi phương trình:
792299
2
. (2-2)
Trong trường hợp giới hạn tốc độ bit thấp/phổ rộng, phương trình (2-1) và (2-2)
thành:
650.819.12 vDLB hoặc 7.069.6DLB (2-3)
Trong phương trình (2-1) khi f
B14 thì xấp xỉ này chính xác tới nằm trong
1%. Phương trình bên phải trong các phương trình (2-3) được sử dụng trong khuyến nghị
ITU-T Rec. G.957 (bù khoảng 1dB và BER = 1010 ) để suy ra các yêu cầu về nguồn cho
khoảng cách đích trong các bảng này.
Ngược lại, nếu tốc độ bít cao/phổ hẹp thì phương trình (2-1) được cho bởi phương
trình:
fBLD 826.94122 (2-4)
Lấy xấp xỉ chính xác 1% của phương trình (2-1) khif
B
4 . Khi bù tán sắc là 1
dB (lúc đó thì giá trị của là 0.3 như được cho ở bảng dưới) và sử dụng mã đường
truyền là NRZ (khi đó chu trình làm việc f=1), phương trình (2-4) thành:
548.28222 BLD (2-5)
Mối quan hệ giữa và bù công suất.
Phương trình liên quan phần mở rộng xung để bù công suất ISIP (tính theo dB)
cho các xung NRZ và các laser đơn mode SLM (Single Longitudinal Mode) là:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 23
50
52
102
110or21log5
.P
ISI
ISI
P
(2-6)
Kết quả này độc lập với BER, BER khoảng 1010 trong khuyến nghị G.957 ITU-
T. Trong thực tế bù công suất tăng rất ít khi BER tăng đến 1210 , bởi vậy ε có thể giảm
khoảng vài phần trăm tại mức bù cụ thể.
Bảng (2-1) đưa ra một số giá trị tại một số giá trị bù công suất, có sử dụng lấy xấp
xỉ làm tròn xuống khoảng 1½-2%
Bù công suất [dB] Giá trị epsilon
0.5 0.203 0.2
1 0.305 0.3
2 0.491 0.48
Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon
Đối với laser đa mode MLM (Multi Longitudinal Mode) bù công suất cho tạp âm
cạnh tranh mode MPN (Mode Partition Noise) được mô hình như:
2
21
10
22
e11log10 kQPMPN (2-7)
Trong đó k là hệ số MPN và hệ số Q là tỉ số tín hiệu trên tạp âm hiệu dụng tại một
giá trị BER cụ thể. Tỉ số lỗi bít BER 1210 tương ứng với hệ số Q là 7.03. Bù công suất
tổng là tổng của ISIP và MPNP .
Việc xác định giá trị của ε đối với các laser MLM trong khuyến nghị G.957 ITU-
T , cho phép bù công suất tổng là 1dB, với hệ số Q = 6.36 thì tương ứng với tỉ số lỗi bít
BER = 10-10
và hệ số k có giá trị 0.7 cho hệ số của MPN. Giá trị cực đại của ε (ε =
0.115) trong khuyến nghị G.957 ITU-T nhỏ hơn giá trị được cho phép trong phương
trình (2-7), vì kết quả của sự phán đoán kĩ thuật xác định rằng có nhiều giá trị bảo toàn
hơn được sử dụng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 24
Đối với tỉ số lỗi bít BER là 10-12
thì sử dụng giá trị epsilon là 0.109 được suy ra từ
phương trình (2-7) với các hệ số Q=7.03 và k=0.76.
Các ví dụ chỉ xét laser SLM có MPN bằng 0
Ví dụ
Ở đây, tốc độ bít STM được sử dụng đối với NRZ 10G: 9.95328 Gbit/s, và đối với
NRZ 40G: 39.81312 Gbit/s giống trong khuyến nghị G.707/Y.1322 của ITU-T. Từ bảng
(2-1), ta có ε = 0.3 hoặc 0.48 để bù công suất tương ứng là 1 hoặc 2dB.
Ví dụ 1: Xét tán sắc màu cho phép lớn nhất tại một số tốc độ bít NRZ không xảy
ra chirp với độ rộng nguồn khác không (với chirp hoặc mode biên không đáng kể) khi sử
dụng bù công suất là 1dB. Như thế phương trình (2-1) tại bước sóng 1550nm cho hình
(2-1) (từ phương trình (2-2) tại bước sóng này, trải tần số 100GHz tương đương với việc
trải bước sóng khoảng 0.8nm). Các giá trị tán sắc yêu cầu độc lập với loại sợi.
Chú ý rằng khi độ rộng phổ nguồn tăng thì giá trị tán sắc màu cho phép lớn nhất
giảm. Điều này ít thấy tại tốc độ bít cao hơn, mà tại tốc độ đó phổ điều chế tạo nên sự
chia nhỏ lớn hơn trong độ rộng phổ tổng.
Chiều dài giới hạn tán sắc có được bằng cách chia tán sắc màu cho hệ số tán sắc
màu của sợi. Ví dụ, với sợi G.652 thì D(1550)=17ps/nm.km, sơ đồ giống như các kết quả
hình (2-1) với trục tung được chia thành 17 để hiển thị chiều dài theo đơn vị Km.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 25
Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm
Ví dụ 2: Xét trường hợp giới hạn trong ví dụ 1 của máy phát có độ rộng vạch phổ
hẹp và tốc độ bít cao (các giá trị trên tung độ của đồ thị). Tán sắc màu cho phép được
cho bởi phương trình (2-4) biến đổi thành:
2
606.117
BDL (2-8a)
nếu bù công suất là 1 dB (khi đó giá trị của epsilon sẽ là 0.3)
2
169.188
BDL (2-8b)
nếu bù công suất là 2 dB (khi đó epsilon là 0.48)
Bảng (2-2) đưa ra các giá trị tán sắc màu tương ứng (các số 1dB tương ứng với
các mặt phẳng đứng trong hình (2-1))
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 26
Tốc độ bít NRZ
không chirp (Gbps)
Tán sắc màu cực đại [ps/nm.km]
Bù 1 dB Bù 2 dB
2.5 18.820 30.110
10 1.175 1.880
40 73.5 118
Bảng 2-2 Tán sắc màu cực đại
Ví dụ 3: Xét nguồn độ rộng phổ vạch hẹp ở dải cao hơn của băng C là tại bước
sóng 1565nm và bù 1dB. Như vậy, theo phương trình (2-5) thì chiều dài giới hạn tán sắc
được xác định theo công thức:
DB
L2
362.115 (2-9)
Bảng 2-3 cho một số ví dụ.
Loại sợi G.652 G.653 G.655
Hệ số tán sắc tại bước sóng
1565 nm [ps/(nm·km)] 19 3.5 10
Chiều dài giới
hạn tán sắc
[km]
NRZ 10G 61 333 116
NRZ 40G 3.8 20.8 7.3
Bảng 2-3 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm
Nhắc lại rằng trong các mã ứng dụng hệ thống có: trong cơ quan I (25 km), cự ly
ngắn S (40 km), cự ly dài L(80 km), và rất dài V (120 km). Các ví dụ trong bảng (2-
3) được sử dụng tại bước sóng 1565nm.
Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.653 cho các ứng dụng I, S, L và V hoặc với sợi
G.655 cho các ứng dụng I, S và L thường không yêu cầu thích ứng tán sắc màu.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 27
Các hệ thống NRZ 10G với sợi G.652 cho các ứng dụng L và V yêu cầu tán sắc
màu thích ứng.
Các hệ thống NRZ 40G yêu cầu thích ứng tán sắc cho tất cả các loại sợi và cho
các ứng dụng I, S, L và V. Đối với loại sợi G.652 thì giới hạn chiều dài NRZ 40G
bắt đầu tại vài km.
Ví dụ 4: Trong ví dụ cuối cùng này, xét phương trình (2-4) cho một số trường hợp
tại tốc độ 40Gbps.
Dạng mã đường
truyền (không chirp) Tán sắc màu cực đại [ps/nm]
NRZ 118
RZ(⅔) 78
RZ(½) 59
RZ(⅓) 39
Bảng 2-4 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB
2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu
Khuyến nghị ITU-T G.959.1 đưa ra việc bù đường truyền tối đa là 1dB cho các hệ
thống tán sắc thấp và 2dB đối với các hệ thống có tán sắc cao. Các giá trị bù công suất
không tỉ lệ với khoảng cách để tránh hoạt động với các điểm bù cao.
Trong tương lai, các hệ thống sử dụng các kĩ thuật DA dựa vào độ méo trước
(chẳng hạn chirp trước) của tín hiệu quang tại máy phát có thể được giới thiệu. Trong
trường hợp này, bù tuyến quang có thể được xác định chỉ giữa các điểm với các tín hiệu
không méo. Tuy nhiên, các điểm này không trùng khớp (cùng thời gian) với các giao
diện tuyến chính, và vì thế có thể thậm chí không thể truy nhập. Việc xác định bù đường
truyền cho việc sử dụng này sẽ được nghiên cứu sau.
2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc
Trong hệ thống giới hạn tán sắc thì hệ thống nào có tổng tán sắc tích lũy cho một
xung truyền mà lớn hơn tán sắc cực đại cho phép thì hệ thống không thể hoạt động do
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 28
nhiễu giữa các kí hiệu xảy ra nghiêm trọng hoặc sự mở rộng xung ban đầu. Vì thế chúng
cần thiết phải đặt các khối bù tán sắc DCU (Dispersion Compensate Unit) tại các vị trí
khác nhau trong mạng. Các sợi quang cũng có khả năng bù tán sắc như sợi dịch tán sắc
hoặc sợi FBG là những sợi thông dụng nhất. Khi thiết kế một tuyến WDM tốc độ cao
(trong đó tán sắc có thể xem là nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống) thì
chúng ta nên sử dụng bản đồ tán sắc để thiết kế hệ thống được hiệu quả.
Bản đồ tán sắc là bản đồ hai chiều mà đồ thị là tán sắc tích lũy với chiều dài
truyền dẫn. Bản đồ này đặc biệt có ích, nó giúp cho người thiết kế biết được vị nào nên
đặt bộ bù tán sắc trong mạng. Tán sắc tích lũy được tính toán bằng cách nhân tán sắc yêu
cầu kĩ thuật của sợi và laser đối với tốc độ bít cho trước với chiều dài của sợi tương ứng.
Ví dụ, sợi SMF có giá trị tán sắc thông thường là 16ps/nm.km, điều đó có nghĩa là với
mỗi km truyền dẫn của sợi SMF thì một xung tốc độ 10 Gbps trải rộng ra khoảng 16ps.
Phải đảm bảo rằng sự mở rộng xung tích lũy khi tín hiệu truyền qua x km phải nhỏ hơn
giới hạn tán sắc cực đại (giá trị tán sắc giới hạn cực đại này có thể là 1600ps/km.nm đối
với tín hiệu tốc độ 10Gbps).
Từ đây, rõ ràng là tín hiệu có thể đi được 100 km (1600:16) đối với sợi SMF tại
tốc độ 10Gbps. Khi tín hiệu truyền dẫn ở khoảng cách lớn hơn thì tán sắc tích lũy cũng
tăng lên. Đối với hệ thống có tốc độ bít cho trước và bước sóng hoạt động cho trước
(hoặc băng sóng hoạt động) thì tán sắc tích lũy cho phép cực đại được đưa ra bởi một
yêu cầu kĩ thuật chuẩn. Tại điểm không trong bản đồ tán sắc, giá trị của đường cong cao
hơn giới hạn tán sắc cho phép. Chú ý rằng các tham số tán sắc phụ thuộc vào nhiều yếu
tố. Các yếu tốc chính là tốc độ bít (điều này được thể hiện bởi độ rộng xung), chiều dài
sợi, các tham số tán sắc cơ bản và độ rộng phổ của laser. Một nghiên cứu đáng chú ý là
sự thay đổi của bù công suất đối với hệ thống giới hạn tán sắc như một hàm của tham số
tán sắc D, giá trị D này được suy ra từ yêu cầu kĩ thuật của sợi cơ bản. Giá trị D có thể
được xét đến như một thành phần cân bằng giữa tốc độ bít, chiều dài sợi, và độ rộng của
nguồn phổ phát xung.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 29
Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất
Có hai kĩ thuật được sử dụng để bù tán sắc. Đó là phương pháp bù tán sắc trước
(precompensation) và phương pháp bù tán sắc sau (postcompensation). Đúng như tên gọi
của nó, bù trước có nghĩa là bù tán sắc trước khi tín hiệu được đưa vào hệ thống. Đây là
kĩ thuật bù xung tiên tiến với các khối DCU. Ngược lại, kĩ thuật bù tán sắc sau sử dụng
thiết bị bù tán sắc được đặt tại cuối sợi. Trong kĩ thuật bù trước, có thể đặt khối DCU sau
bộ khuếch đại đường. Các khối như thế có các vòng sợi có mặt nghiêng tán sắc ngược
với mặt nghiêng tán sắc của sợi truyền dẫn. Ví dụ, một sợi truyền dẫn có tham số tán sắc
là 16 ps/nm.km. Khối DCU có thể có mặt nghiêng tán sắc xấp xỉ -50ps/nm.km. Tín hiệu
qua các khối DCU và xung đã được bù tán sắc. Ngược lại, với kĩ thuật bù tán sắc sau, các
modul DCU được đặc trước các bộ tiền khuếch đại đường, như được chỉ ra ở trong hình
2-3.
Khi thêm các khối DCU vào thì suy hao sẽ tăng lên đáng kể. Điều này là do sự
ghép nối khác nhau giữa sợi truyền dẫn và khối DCU. Hơn nữa, các mặt nghiêng tán sắc
khác nhau dẫn đến sự ghép đôi không đối xứng pha, điều này để ngăn hiện tượng FWM
xảy ra. Đây là một ưu điểm của DCU trong việc hạn chế các hiệu ứng phi tuyến. Hình 2-
3 và 2-4 cho thấy vị trí của các DCU, cũng như giá trị tán sắc từng chặng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 30
Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc
Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 31
2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống
Nếu phân loại theo số lượng kênh thì có hai loại hệ thống, đó là hệ thống đơn
kênh và hệ thống đa kênh. Cũng như vậy ta xét dung sai tán sắc màu dư của hệ thống
đơn kênh SC và của hệ thống đa kênh MC.
Dung sai tán sắc màu dư của hệ thống đơn kênh SC
Tương đối khó để đưa ra một hướng dẫn chung cho dung sai tối đa về tán sắc màu
dư trong hệ thống 1x40Gbps vì một số khía cạnh phải được xét.
Khía cạnh đầu tiên là dạng điều chế truyền dẫn: trong trường hợp này xét hình
thức truyền dẫn RZ ( FWHMT =5ps). Điểm thứ hai là công suất đầu vào quang; trong thực tế
các công suất đầu vào thấp cho phép hoạt động trong chế độ tuyến tính nhưng không
đảm bảo tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm (OSNR). Mặt khác, nếu công suất đầu vào cao
hơn thì mặc dù có OSNR tốt hơn nhưng lại gây ra các hiệu ứng phi tuyến.
Các kết quả được thực hiện với khoảng cách bộ khuếch đại 100km trên 500km,
công suất quang đầu vào thay trong khoảng từ 0 đến 10dBm, và tán sắc dư thay đổi trong
khoảng giữa -30 và 30 ps/nm. Hình (2-6) là bù trên sơ đồ dạng mắt theo dB để chống lại
tán sắc dư đối với hai công suất đầu vào: 5dBm (đường liền) và 10dBm (đường đứt)
Có thể nhận thấy rằng, việc thiết lập giới hạn trên 1dB trong điểm bù kết thúc mắt
ứng với trường hợp bù chính xác, dẫn đến tán sắc dư lớn nhất là khoảng 17ps/nm. Giá trị
tán sắc dư này tương ứng với dung sai chỉ khoảng 1km trên tổng chiều dài kết nối khi sử
dụng sợi G.652 và khoảng 4km khi sử dụng sợi G.655.
Các nghiên cứu trên không phụ thuộc vào loại thiết bị sử dụng bù tán sắc, mặc dù
rõ ràng tính khả dụng của thiết bị có thể điều hướng được sẽ cho phép giải quyết tốt vấn
đề này. Khi đề cập tới các sợi bù tán sắc (DCF), hệ thống sẽ được sửa đổi để chứa các bộ
khuếch đại trạng thái kép. Các kết quả trong hình (2-5) chỉ đúng đắn khi phát vào sợi
DCF công suất quang thấp hơn 3dBm để giảm các hiệu ứng phi tuyến.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 32
Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt
Dung sai tán sắc màu dư trên hệ thống đa kênh Nx40Gbps
Trong trường hợp hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng, cũng cần lưu ý
tới độ dốc tán sắc sợi. Do độ dốc tán sắc, mỗi kênh WDM được đặc trưng bởi một giá trị
hệ số tán sắc khác nhau. Giá trị này được xấp xỉ tại vùng bước sóng 1550nm như phương
trình:
15501550 0 SDD (2-10)
trong đó D là hệ số tán sắc, S là hệ số độ dốc tán sắc và là bước sóng kênh.
Lúc này vẫn tương đối khó để tìm các thiết bị bù tán sắc có thể bù chính các độ
dốc tán sắc. Sau này, khi đề cập tới các hệ thống WDM, thiết bị bù tán sắc được chọn để
bù tán sắc chính xác cho kênh trung tâm trong khi các kênh bên chịu tán sắc dư. Tại
điểm này, dung sai tán sắc dư lớn nhất cho mỗi kênh có thể được đánh giá lại trong hình
2-5. Một giá trị như thế đưa ra giới hạn tại cùng thời gian 3 con số: số kênh N, khoảng
cách kênh và chiều dài hệ thống.
Khi một số kênh được đặc trưng bởi tán sắc dư lớn hơn thì nó vẫn có thể thu được
hiệu năng chấp nhận được bằng cách thêm thiết bị bù đặt sau bộ giải ghép kênh và với
giá trị tối ưu cho mỗi kênh.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 33
2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF
Trong phần này cung cấp một ví dụ thực tế của các đề cập trên
Xét một hệ thống truyền dẫn WDM 4x40Gbps trên sợi G.652 sử dụng DCF với
các thông số sau:
Bốn kênh WDM cách nhau 200GHz tại các bước sóng:
– Kênh 1: 1 = 1554.13 nm;
– Kênh 2: 2 = 1555.75 nm;
– Kênh 3: 3 = 1557.36 nm;
– Kênh 4: 4 = 1558.98 nm;
Băng thông bộ giải ghép là B=160GHz
Sợi G.652 có hệ số tán sắc D=17ps/nm.km và S0=0.0677ps/nm2.km
Bù tán sắc bởi thiết bị DCF là D= - 80 ps/nm.km và 0S = - 0.2 kmnmps ./ 2
Các thông số khác giống như trong phần các giả thiết.
Vì độ dốc tán sắc là khác nhau từ các DCF nên các kênh khác nhau có tán sắc
khác nhau và vì thế chúng không có bù bằng nhau.
DCF được chọn để bù chính xác cho kênh thứ 3 ( nm36.15573 ). Sau bộ lọc điện
chúng ta đánh giá hiệu năng hệ thống bởi thiết bị kết thúc dạng mắt theo dB.
Hình 2-6 chỉ ra mỗi kênh, sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của kênh đối với
kênh thứ 3. Theo cách này chúng ta có thể đánh giá tán sắc dư tại các vị trị của bộ
khuếch đại.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 34
Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3
Bảng 2-6 là một số giá trị CD thu được sau 500km.
CD(1) CD(2) CD(3) CD(4)
–40.9 –20.9 –1 19.1
Bảng 2-5 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm]
2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR
Để thiết kế một mạng, thì bắt buộc phải tuân theo yêu cầu về tỉ số lỗi bít BER của
mạng trong khi thiết kế hệ thống. Tuy nhiên có thể dựa vào hệ số Q của tín hiệu quang.
Hệ số Q mô tả định tính hiệu năng máy thu bởi vì nó là một hàm của tỉ số tín hiệu trên
tạp âm quang. Hệ số Q đưa ra tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR nhỏ nhất yêu cầu để thu
được BER cụ thể đối với tín hiệu cho trước. Hình dưới chỉ ra mối quan hệ giữa tỉ số lỗi
bit BER và hệ số Q. Như được thấy trong hình, thì giá trị của hệ số Q càng cao thì tỉ số
lỗi bít càng thấp.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 35
Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER
Hình 2-9 chỉ ra bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào:
Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 36
Hệ số Q của tín hiệu quang là tỉ số tín hiệu trên tạp âm tại mạch quyết định tính
theo đơn vị điện áp hoặc dòng điện và thường được biểu diễn bởi phương trình (2-11).
01
21
IIQ (2-11)
Trong phương trình này, 1I là giá trị của dòng điện bít 1, 0I là giá trị của dòng điện
bít 0, 1 là độ lệch chuẩn của dòng điện bít 1, và 0 là độ lệch chuẩn của dòng điện bít 0.
Quan hệ của hệ số Q và tỉ số lỗi bít được cho ở phương trình (2-12):
)2
(2
1 QerfcBER (2-13)
Trong đó hàm erfc(x) là hàm bù lỗi cho bởi phương trình:
dexerfcx
2
2
2
1)( (2-14)
Tại sao BER rất khó để tính toán? Với một thiết kế mà tỉ số lỗi bít cho trước (ví
dụ là 10-12
và tốc độ là 155Mbps) thì mạng có thể có một lỗi trong khoảng thời gian
khoảng 10 ngày. Và có thể cần 1000 ngày để báo cáo lại trạng thái của giá trị BER. Đó là
lí do tại sao việc tính toán BER là khá khó khăn. Mặt khác, phân tích hệ số Q là tương
đối dễ dàng so với tỉ số lỗi bít. Hệ số Q thường được được đo theo đơn vị dB.
Từ hệ số Q có thể tính toán được tỉ số lỗi bít theo phương trình sau:
2112
2
2
e
2QQ
Q–
BER
Hoặc thông thường có thể tính theo công thức xấp xỉ sau: 2
2
e2
1Q
QBER
nếu
Q > 3
Tính toán hệ số Q từ OSNR
OSNR là tham số quan trọng nhất được kết hợp với tín hiệu quang cho trước. Nó
là một tham số có thể đo được trong một mạng cho trước, và có thể tính toán được thông
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 37
qua các tham số hệ thống. Các phần sau đây chỉ ra cách tính toán OSNR. Trong phần này
sẽ thảo luận mối quan hệ giữa OSNR và hệ số Q:
Mối quan hệ giữa tỉ số Q (dB) và OSNR được cho bởi phương trình (2-15):
c
dBB
BOSNRQ 0log20 (2-16)
Trong phương trình này, 0B là độ rộng băng quang của thiết bị đầu cuối (bộ tách
sóng quang) và cB là độ rộng băng điện của bộ lọc máy thu.
Vì thế hệ số Q được tính bởi phương trình (2-17):
c
dBB
BOSNRQ 0log10 (2-17)
Nói cách khác, hệ số Q có phần nào tỉ lệ với OSNR. Thông thường, tính toán tạp
âm được thực hiện bởi máy phân tích phổ quang OSA hoặc máy hiện sóng mẫu và các
phép đo này được thực hiện thông qua một dải đo cụ thể là Bm. Bm thường xấp xỉ 0.1nm
hoặc 12.5GHz đối với một OSA. Từ phương trình (2-17), có thể thấy rằng nếu B0 < Bc
thì OSNR (dB )> Q (dB). Với các thiết kế thực tế thì OSNR(dB) > Q(dB) ít nhất là 1 đến
2 dB. Thông thường, trong khi thiết kế hệ thống thông tin tốc độ cao, quỹ dự trữ tại máy
thu khoảng 2dB, do hệ số Q nhỏ hơn khoảng 2 dB so với OSNR
2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm
Xét một tuyến vật lí AB, như được chỉ trong hình 2-10. Giả sử rằng đây là tuyến
thông tin WDM cự ly dài (một tuyến có thể vài trăm km). Các bộ khuếch đại được đặt
định kì với khoảng cách đều nhau để khuếch đại công suất tín hiệu. Vì thế tín hiệu có thể
đi xa hơn nhiều so với khả năng cho phép, tùy theo suy hao do sợi. Tuy nhiên, mỗi tầng
khuếch đại thêm vào cũng tạo ra nhiễu phát xạ tự phát và làm giảm OSNR. Hơn nữa,
mỗi bộ khuếch đại thì ngoài việc khuếch đại tín hiệu thì cũng khuếch đại nhiễu. Vì thế,
bắt buộc phải sử dụng phương pháp tính toán OSNR tại cuối của hệ thống khuếch đại N
tầng.
Trong một thiết kế dựa vào OSNR, thì phải chắc chắn rằng OSNR của tầng cuối
cùng là trong giới hạn cho phép của OSNR hệ thống và vì thế đáp ứng được tỉ số lỗi bít.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 38
Để tạo ra hệ thống cung cấp một BER cụ thể thì cần tạo ra OSNR thỏa mãn yêu cầu thiết
kế hệ thống.
Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm
OSNR cho mỗi tầng được cho trong phương trình (2-18)
fhvNF
POSNR
stage
in
(2-18)
Trong phương trình này, NFstage là hệ số nhiễu của mỗi tầng, h là hằng số plank
(6.6260.10-34
), v là tần số quang 193 THz và f là độ rộng băng để đo NF (và nó thường
có giá trị là 0.1nm).
Để tính OSNR của hệ thống có thể sử dụng phương trình nghịch đảo, (2-19) là
công thức tính OSNR tổng của hệ thống:
N
i iNfinal OSNROSNROSNROSNROSNROSNR 1321
11...
1111 (2-19)
Với N là số tầng của hệ thống (chính là số bộ khuếch đại của hệ thống)
Đối với hệ thống chỉ sử dụng một bộ khuếch đại có độ lợi G thì OSNR được tính
theo phương trình (2-20):
fhvGn
P
P
POSNR
sp
in
ASE
in
)1(2 (2-20)
Trong phương trình này, spn là tham số đảo mật độ được cho bởi phương trình (2-
21) và nó là tỉ số của các điện tử trạng thái cao hơn với trạng thái thấp hơn:
12
2
NN
Nnsp
(2-22)
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 39
Trong đó, N2 và N1 lần lượt là số electron trạng thái cao hơn và trạng thái thấp
hơn.
Tham số đảo mật độ cũng có thể được tính theo phương trình (2-23):
10105.0
NF
ns xn (2-23)
Đối với hệ thống có N tầng khuếch đại, mỗi bộ khuếch đại sẽ bù cho suy hao của
chặng trước đó, và suy hao mỗi chặng tính theo dB kí hiệu là , có mối quan hệ giữa
OSNR của tầng cuối cùng với được biểu diễn bởi phương trình sau:
fNhrNF
POSNR in
(2-25)
Lấy logarit hai vế của phương trình và đổi sang dB ta được phương trình (2-26):
fNNFdBPOSNR dBin log10log10)(93.158 (2-26)
Với nmf 1.0 hoặc 12.5 GHz, thì từ phương trình (4-20) ta suy ra phương trình
(2-27) dưới đây:
NNFdBPOSNR dBin log10)(58 (2-27)
Giả sử các điều kiện sau đây thỏa mãn:
- Giá trị NF của mỗi bộ khuếch đại là như nhau (ở đây giả sử rằng các sản phẩm
cùng loại nên các giá trị NF của tất cả các bộ khuếch đại sẽ bằng nhau).
- là suy hao của mỗi chặng và suy hao này bằng nhau đối với tất cả các chặng.
- Nhiễu là tổng của cả hai trạng thái phân cực. Nói ngắn gọn, nó là nhiễu không
phân cực.
Phương trình (2-27) cung cấp một công thức toán học tính toán giá trị OSNR thực
tế. Phương pháp tính toán này là cách tính gần đúng, nhưng chúng ta vẫn có thể tìm được
OSNR hệ thống có mức độ chính xác cao. Trong hệ thống WDM đa kênh, thiết kế sẽ
tính toán OSNR trong trường hợp kênh xấu nhất (đó là kênh có suy hao, ảnh hưởng lớn
nhất). Kênh xấu nhất thông thường là kênh đầu tiên hoặc cuối cùng trong phổ.
Các yêu cầu dự trữ
Trong tuyến WDM đa mode, thành phần suy hao chính của hệ thống không phải
suy giảm do tuyến truyền dẫn; nhưng thay vào đó là suy hao kết hợp với các hệ thống
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 40
con khác nhau. Một tuyến điển hình gồm nhiều node, mỗi node được trang bị nhiều
thành phần linh kiện khác nhau. Suy hao do mỗi thành phần linh kiện lại lớn, điều này
dẫn đến khi thiết kế hệ thống phải tiến hành penalty. Một node WDM tiêu biểu có thể có
phân đoạn ghép kênh quang OMS (optical multiplex session) mà OMS gồm các ống dẫn
sóng ma trận AWG (arrayed waveguide) và ma trận chuyển mạch. Một cách tử dựa vào
ống dẫn sóng ma trận có suy hao 5 dB (suy hao xen). Tín hiệu quang khi đi qua một node
với hai cách tử ống dẫn sóng như thế (phần ghép kênh và phần phân kênh) thì có 10 dB
suy hao thêm vào suy hao cơ cấu chuyển mạch. Việc đánh giá suy hao có thể được hiểu
thông qua giải thích sau:
Xét hệ thống có hai node, mỗi node được trang bị các AWG (suy hao mỗi AWG
là 5dB) và cơ cấu chuyển mạch (suy hao 3dB) cộng với suy hao connector (2dB). Nếu
chiều dài mỗi chặng là 50 km và sử dụng sợi quang SMF (sợi này có suy hao là 0.2
dB/km) thì suy suy hao do truyền dẫn là 0.2x50=10dB. Trong khi đó, tại mỗi node suy
hao là 5+5+3+2=15dB. Nói cách khác, các suy hao thuộc node có thể cao hơn hoặc bằng
so với suy hao truyền dẫn. Điều này cũng ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống và OSNR.
Bảng 2-7 trình bày suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên.
Linh kiện Suy hao xen
(dB)
Suy hao phụ
thuộc bước
sóng (dB)
Suy hao phụ
thuộc phân
cực (dB)
NF xuyên âm
(dB)
Bộ ghép kênh/
phân kênh
5 < 1 0.1 - 40
Chuyển mạch
quang xen rẽ 2x2
1.2 <0.2 0.1 -40
Coupler 2x2 thụ
động
3 - - -
Bộ lọc màng mỏng 1 0.1 - -40
Đan xen 2-3 - - -
Kết nối chéo quang 3 <0.4 0.1 -40
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 41
(OXC)
Bảng 2-6 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên
Bảng 2-8 trình bày các yêu cầu dự trữ cho một hệ thống hoạt động tốt. Các dự trữ
này thêm vào với các mức tín hiệu khác nhau, đặc biệt trên các lớp động.
Các tham số dự trữ Suy hao dự trữ
Tán sắc sợi 1 dB
Dự trữ SPM 0.5 dB
Dự trữ XPM 0.5 dB
Bù DCU 0.5 dB
FWM 0.5 dB
SRS/SBS 0.5 dB
PDL 0.3 dB
PMD 0.5 dB
Độ nghiêng độ lợi bộ khuếch đại (do
phổ độ lợi không phẳng)
3.0 dB
Độ nghiêng độ nhạy thu (do bước sóng
phụ thuộc tán sắc mode phân cực PMD)
0.5 dB
Chirp máy phát 0.5 dB
Xuyên âm AWG 0.2 dB
Các connector sợi 0.5 dB
Bảng 2-8 Các yêu cầu dự trữ cho một hệ thống hoạt động tốt
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 42
2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang
2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ
Vì các thuật ngữ được sử dụng để mô tả xuyên âm quang và các ảnh hưởng của
nó không hoàn toàn thích hợp với công nghiệp nên ở đây nó được định nghĩa ngắn gọn
(xem bảng 2-10). Trong nhóm nghiên cứu 15 của ITU-T, thông thường thuật ngữ “xuyên
âm” được dùng để mô tả các hiệu ứng hệ thống và các thuộc tính của các linh kiện sử
dụng thuật ngữ “sự cách ly” (isolation).
Thông số [đơn vị] Kí
hiệu
Định nghĩa
trong ITU Định nghĩa
Các tham số hệ thống
Xuyên âm liên kênh
[dB] CC G.692
Tỉ số công suất tổng trong các kênh gây
nhiễu với công suất tổng của kênh cần sử
dụng (các kênh cần sử dụng và gây nhiễu có
bước sóng khác nhau)
Xuyên âm do dụng
cụ đo giao [dB] IC –
Tỉ số của công suất gây nhiễu (không tính
đến ASE) với công suất mong muốn trong
một kênh đơn.
Bù xuyên âm liên
kênh [dB] CP –
Bù được ấn định trong quỹ công suất để tính
toán xuyên âm liên kênh.
Bù xuyên âm do
dụng cụ đo giao thoa
[dB]
IP – Bù được ấn định trong quỹ hệ thống để tính
toán cho xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa.
Chênh lệch công suất
kênh [dB] d G.959.1
Công suất khác nhau tối đa giữa các kênh
trong một thiết bị.
Tỉ số tắt dần
(Extinction ratio) (sử
dụng tuyến tính)
r G.691
Tỉ số của công suất tại trung tâm của mức
logic 1 trên công suất trung tâm tại mức logíc
0.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 43
Bù eye-closure [dB] E
Bù độ nhạy thu do tất cả các hiệu ứng eye-
closure. Điều này bao gồm bù tán sắc màu và
eye-closure bộ phát.
Các thông số linh kiện
Suy hao xen [dB] IL G.671 Là sự giảm công suất từ cổng đầu vào đến
cổng đầu ra tại kênh bước sóng sử dụng
Sự cách li một hướng
[dB] I G.671
Sự khác nhau giữa suy hao thiết bị tại một
kênh bước sóng gây nhiễu và suy hao tại
kênh bước sóng sử dụng
Sự cách li kênh lân
cận [dB] AI G.671
Sự cách li của thiết bị tại các bước sóng một
kênh trên và dưới kênh sử dụng.
Sự cách li kênh
không lân cận [dB] ANI G.671
Sự cách li của thiết bị tại các bước sóng của
tất cả các kênh gây nhiễu ngoại trừ các kênh
lân cận.
Bảng 2-7 Các thuật ngữ sử dụng
Việc nghiên cứu hiệu ứng xuyên âm được chia thành 2 phần: xuyên âm liên kênh
và xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa.
2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh
Nguyên nhân gây ra hiệu ứng xuyên âm là do phân kênh không hoàn hảo của một
tín hiệu truyền dẫn đa kênh thành các kênh riêng trước khi thành một tập kênh đơn tại
các máy thu. Trường hợp này được mô tả trong hình 2-10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 44
Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản
Ở đây, một số kênh DWDM đi tới cổng chung của một bộ phân kênh. Trường hợp
xấu nhất cho bất kì kênh riêng nào là công suất của nó có giá trị nhỏ nhất và công suất
của tất cả các kênh khác đạt giá trị lớn nhất. Sự khác nhau lớn nhất cho phép giữa các
kênh được biểu thị (denote) bằng d (dB). Khi các kênh có công suất lớn hơn từ các cổng
đầu ra riêng thì các kênh gây nhiễu làm suy giảm kênh sử dụng một lượng bằng suy hao
một hướng I (dB).
Thông số chính ảnh hưởng mức xuyên âm quang cực đại mà có thể chấp nhận
được trong bất kì hệ thống quang nào là bù xuyên âm liên kênh CP . Từ tham số này và
một số nhỏ các tham số khác là cần thiết để có thể thu được các thông số cách li yêu cầu
của bộ phân kênh.
Có thể lập một phương trình cho xuyên âm CC của một hệ thống k kênh:
dB)1(log10 10 kIdCC (2-28)
Điều này là cần thiết để có thể suy ra giá trị yêu cầu CC từ giá trị của bù xuyên âm
liên kênh. Nếu giả sử một số lượng lớn biên độ tín hiệu nhiễu bằng nhau như trên thì một
mô hình quan hệ đơn giản có thể được lập để thực hiện điều này. Trong các bộ phân
kênh thực tế, giá trị cách li cho đối với các kênh lân cận trực tiếp tới kênh được yêu cầu
AI thì nhỏ hơn cách li của các kênh gây nhiễu không lân cận ANI . Việc tính toán đối với
trường hợp này, thay đổi trạng thái như được minh họa trong hình 2-11.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 45
Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh
Phương trình cho xuyên âm liên kênh Cc vì thế trở thành:
dB10)3(102log10 101010
NAA -I-I
C kdC (2-29)
Tuy nhiên, trong hoàn cảnh này các giá trị khác nhau là AI và ANI có thể làm hệ
thống với các sự điểm bù xuyên âm liên kênh CP khác nhau nhưng có cùng giá trị CC .
Sau đây là 2 trường hợp giới hạn của phương trình:
Đối với trường hợp kênh gây nhiễu đơn
dB1
1101log10 10
10
r
rP
CC
C (2-30)
Trong đó r là tỉ số tắt dần tuyến tính (linear extinction ratio)
Chú ý 1: phương trình này không trực tiếp ảnh hưởng của bất kì sự suy giảm nào.
Tuy nhiên các hiệu ứng này có thể bao gồm việc tính toán một giá trị hiệu dụng của r (kí
hiệu là r’) mà đưa cả hai tỉ số tắt dần và eye closure vào tính toán.
1101
1101
10
10
rr
rrr
E
E
(2-30)
Trong đó E là lượng bù eye closure tính theo dB. Ví dụ, nếu tỉ số tắt dần là 6dB
thì r=3.98. Để tính được lượng bù eye closure thêm 3dB đặt r’=1.86.
Đối với một số lớn các kênh gây nhiễu biên độ bằng nhau (với dữ liệu không
tương quan) thì xuyên âm liên kênh trở thành tạp âm và xấp xỉ Gausse có thể sử dụng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 46
Trong trường hợp này xuyên âm giống tạp âm phải cùng với tạp âm gây nhiễu của bộ thu
(hoặc ASE) để cung cấp một lượng bù hiệu dụng. Sử dụng các phương pháp trong [4],
[15] và bằng cách sử dụng một xấp xỉ Gausse để gây méo nhị thức, phương trình trở
thành:
22
10
2
101
1
1
101log5
r
rQ
kP
CC
C (2-31)
Trong đó BERQ 2erfc2 1 . Với BER bằng 1210 thì Q 7.03.
Bù quang cảm ứng (induced optical penalty) là đồ thị (plot) ngược với xuyên âm
liên kênh đối với các giả thiết khác nhau trong hình 2-12. Bù quang thực tế trong một hệ
thống quang nằm ở dưới đường cong cao nhất.
Chú ý 2: Điểm bù xuyên âm cũng có thể phụ thuộc vào mã đường truyền (RZ
hoặc NRZ) và liên quan đến tốc độ bít của các tín hiệu mong muốn và nhiễu.
Hình 2-12 Đồ thị bù lại xuyên âm liên kênh
Thủ tục cho việc xác định yêu cầu cách ly có thể là:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 47
Từ các thông số hệ thống thiết lập một giá trị CP mà có thể khác với các hệ
thống khác. Ví dụ, một thống phạm vi ngắn có thể cung cấp một điểm bù
xuyên âm cao hơn một hệ thống phạm vi dài.
Tìm giá trị CC từ CP . Yêu cầu mô hình là nằm giữa hai tín hiệu nhiễu khi có
nhiễu lớn nằm giữa AI và ANI trong suốt mô hình Gausse khi AI bằng ANI
và k lớn. Đường cong xấu nhất trong hình 2-12 có giá trị -15dB.
Từ các thông số hệ thống thiết lập một giá trị d mà nó sẽ thay đổi từ hệ
thống tới hệ thống. Ví dụ, trong khuyến nghị G.959.1 của ITU-T mã ứng
dụng P16S1-1D2 có d=6dB trong khi P16S1-2C2 có d=2dB. (điều này dẫn
đến yêu cầu cách li khác nhau 4 dB giữa các ứng dụng này.). Vì thế đối với
P16S1-1D2 đặt d=6dB (cũng đối với P16S1-1D2, các ứng dụng này đặt
k=16).
Thay các giá trị này vào phương trình CC = d – I + 10log10 (k – 1) được
- 15 = 6 – I + 10log10 (15) I = 32.8dB.
2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa
Xuyên âm do dụng cụ đo xảy ra khi kênh gây nhiễu và kênh sử dụng tại cùng
bước sóng danh định. Các ví dụ minh họa cho điều này:
Trong một bộ ghép xen-rẽ, bước sóng được nói đến không hoàn toàn được rẽ
trước khi tín hiệu mới được thêm vào.
Trong một bộ ghép quang, một bộ phát có thể phát công suất tại bước sóng
của kênh khác (chẳng hạn, do tỉ số triệt tiêu (suppression ratio) mode biên
không đối xứng), điều này được gọi là nhiễu xuyên âm phía phát trong
khuyến nghị G.692.
Trong một kết nối chéo quang thiếu khả năng cách li chuyển mạch gây ra
ánh sáng từ nhiều sợi nguồn tới bộ thu.
Trong bất kì linh kiện hoặc nhóm các linh kiện có nhiều hơn một tuyến
truyền ánh sáng tới bộ thu. Điều này được gọi là nhiễu đa đường MPI (MPI:
Muti Path Interference)
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 48
Nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa được tính khác nhau từ nhiễu xuyên âm
liên kênh khi 2 tín hiệu quang đủ gần nhau mà tần số phách nằm trong độ rộng băng
miền điện của bộ thu. Trong trường hợp này, đó là các trường quang mà tác động tới thủ
tục nhiễu xuyên âm thay vì công suất quang, và vì vậy các mức nhiễu xuyên âm yêu cầu
điểm bù cụ thể nhỏ hơn nhiều.
Đối với một nhiễu đơn, nhiễu xuyên âm đơn có thể được mô hình như một hàm
mật độ xác suất (pdf). Bù nhiễu xuyên âm từ [5] (và gồm hiệu ứng của tỉ số triệt tiêu
không hoàn hảo) là:
dB
101
4101
1
1
1
log10
1010
10
II CC
I
r
r
r
r
r
r
P (2-32)
đối với ngưỡng công suất trung bình:
dB1
110121log10
10
10
r
rrP
IC
I (2-33)
đối với ngưỡng công suất tối ưu
Điểm bù nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa đối với tín hiệu mong muốn với
tỉ số triệt tiêu 6dB được thể hiện sơ lược trong hình 2-13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 49
Hình 2-13 Lược đồ bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa
Đối với nhiều nhiễu, hàm mật độ xác suất pdf trở thành xấp xỉ Gausse và đối với
một bộ thu PIN điểm bù nhiễu xuyên âm quang từ [15] là:
dB1
1
11
1041log52
21010
r
rQP '
C
I
I
(2-34)
Đối với ngưỡng công suất trung bình.
dB1
110
1
11021log5
24
2
10
2210
10
r
rQ
r
rQP
II CC
I
(2-35)
Đối với ngưỡng quyết định tối ưu, trong đó BERQ' 4erfc2 1 và
BERQ 2erfc2 1 . Nếu BER là 1210 thì Q´ 6.94 và Q 7.03.
Các hàm này được thể hiện trong hình 2-14 cho một tín hiệu mong muốn lí tưởng
và cũng cho một tín hiệu có tỉ số triệt tiêu 6 dB
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 50
Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô
hình Gausse)
2.1.5. Ví dụ
Trường hợp 1:
Thiết kế tuyến WDM 4x25 nhịp với độ lợi bộ khuếch đại là 22 dB, hệ số nhiễu
NF bằng 5 dB. Tính toán OSNR cuối cùng nếu công suất đầu vào là 0 dB. Tính toán
công suất tín hiệu tại máy thu.
Hệ thống này có làm việc không nếu độ nhạy máy thu cực tiểu là -25 dB?
Hệ thống này có làm việc không nếu công suất đầu vào là 10 dB?
Câu trả lời được cho trong hình sau:
Ta có thể tính toán OSNR bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau đây.
Phương pháp một:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 51
NFNPOSNR final log10580
Với N=4 (chính là số nhịp của tuyến)
NF=5dB
dB25
Từ đó: dBOSNRfinal 2254log1025580 (giá trị đánh giá tốt nhất)
Phương pháp 2:
Tầng i có OSNR được tính theo công thức toán học sau:
)...1
(
1
0 instage
stagei
P
fvhNF
OSNR
OSNR
OSNRstagei = 1/(1/OSNRstage0 + NF.h.v.∆f /Pin) (1/OSNRstage0 = 0)
Với OSNR tầng 1:
NF=5dB hay bằng 3.166
h = 6.6260exp(-34)
v là tần số của ánh sáng và bằng 1.935exp(14)
f là độ rộng băng (đo NF) = 12.5 KHz (.nm)
Pin là công suất đầu vào bộ khuếch đại = 0 – 25 =-25 dB
dBOSNRstage 281
Công suất đầu ra bộ khuếch đại là -25 + 22 =-3dB
Với OSNR tầng 2:
in
stage
stage
PfvhNFOSNR
OSNR
/...1
1
1
2
Công suất đầu vào bộ khuếch đại thứ 2 là: -3 – 25 = -28 dB
OSNRstage2 = 23 dB
Công suất đầu ra bộ khuếch đại là: -28 + 22 =-6 dB
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 52
OSNR tầng 3:
instage
stage
P
fvhNF
OSNR
OSNR
...1
1
2
3
Đầu vào bộ khuếch đại thứ ba: -6 – 25 = -31 dB
OSNRstage3 = 20 dB
Đầu ra bộ khuếch đại : -31 + 22 = -9 dB
Công suất tại máy thu = -9 – 25 = - 34 dB
Nếu như độ nhạy của máy thu là -25 dB thì hệ thống không hoạt động được
Phương pháp giải quyết là hoặc a) tăng độ lợi của bộ khuếch đại hoặc b) tăng
công suất đầu vào bộ phát.
Với giải pháp như thế khi công suất đầu vào là 10 dB được chỉ ra trong hình trên
Sử dụng phương pháp 1: OSNRfinal =10+58-25-6-5=32 dB
Sử dụng phương pháp 2:OSNRfinal =29 dB
Sự khác nhau giữa các giá trị của các phương pháp tính toán là do sự xấp xỉ của
tham số.
Công suất cuối cùng tại máy thu:
= 10(Tr) – 25 (loss1) + 22 (gain1) – 25 (loss2) + 22 (gain 2) – 25 (loss 3) + 22
(gain 3) – 25 (loss) = –24 dB
Độ nhạy máy thu cho là -25 dB, vì thế hệ thống làm việc.
Trường hợp 2:
Tính toán số nhịp (chặng) của một tuyến, nếu cho Pin là 0dB, OSNRfinal =20 dB,
tổng chiều dài 300km. Tốc độ bít 5 Gbps; NF = 5 dB (giả sử sợi quang sử dụng là sợi
SMF có suy hao là 0.2dB/km).
Trả lời
Suy hao tổng cho toàn bộ chiều dài truyền dẫn là: 300x0.2=60 dB
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 53
Giả sử có N chặng của tuyến, như vậy suy hao của mỗi chặng sẽ là 60/N
NFNPOSNR final log580
20 = 0 + 58 – 60/N - 10logN – 5
N=2
Vì thế số chặng của tuyến là 2.
Trường hợp 3:
OSNR là 20 dB, tán sắc sợi là 17 ps/nm/km, suy hao chặng là 22 dB. Tính chiều
dài của hệ thống? (NF của bộ khuếch đại là 4 dB và tán sắc cho phép là 1600ps/nm, Pin
bằng 10)
Trả lời
NFNPOSNR final log580
20 = 10 + 58 – 22 – 4 – 10logN
N = 158
Vậy tuyến có 158 nhịp
Vì thế chiều dài tuyến bằng 158*22/0.2 = 17280 (giới hạn theo lí thuyết)
Nhưng do tán sắc nên chiều dài tối đa chỉ có thể là 1600/17 = 94 km.
Trường hợp 4
Khách hàng A muốn xây dựng một tuyến OC48 có chiều dài 200km để truyền lưu
lượng. Hãy thiết kế tuyến với các tham số sau đây (giả sử sử dụng sợi được dùng là SMF
có suy hao là 0.25 dB/km và có tán sắc là 18 ps/nm.km)
Độ nhạy thu: -18 dBm tại tỉ số lỗi bít BER = 10-12
Công suất quá tải: -10 dBm tại tỉ số lỗi bít BER = 10-12
Công suất phát nằm trong khoảng: +7 đến + 9 dBm
Dung sai tán sắc: 1500ps/nm
Bù tán sắc: 1.5 dB với dung sai tán sắc là 1500ps/nm
OSNR cho phép là 20 dB với độ phân dải băng thông là 0.1 nm.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 54
Bộ khuếch đại sử dụng là EDFA có:
Dải công suất đầu vào: +3 đến -25 dBm;
Độ lợi: từ 20 dB đến 14 dB
Công suất đầu ra cực đại -17 dBm
Hệ số nhiễu: 5dB
Khối DCU
Suy hao: 5 dB
Bù tán sắc màu: xấp xỉ 1100ps.
Trả lời
Để đáp ứng yêu cầu của bài toán tiến hành một số bước sau.
Bước 1: do tổng khoảng cách là 200 km nên tổng suy hao sẽ là 200*0.25 = 50 dB
Cần phải sử dụng các bộ khuếch đại để đạt được khoảng cách này
Bước 2: Tán sắc tổng là 200*18 = 3600 ps.nm
Cần phải sử dụng các bộ bù tán sắc bởi vì tán sắc cho phép là 1500 ps.nm.
Khoảng cách cực đại cho hệ thống mà không sử dụng DCU là 1500/18 = 83.33 km. Do
các bộ DCU có bù tán sắc là -1100ps nên nếu sử dụng 3 khối DCU thì tán sắc còn lại sẽ
là 3600 – 3x1100 = 300, như vậy với việc sử dụng 3 DCU thì tán sắc đã thỏa mãn yêu
cầu của tuyến. Bộ DCU có suy hao 5 dB, vì thế tốt nhất nên đặt nó trước bộ tiền khuếch
đại.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 55
Phân tích bài toán
Công suất phát là + 7 dB
Tầng 1:
Suy hao = -10 (suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = -17.5 dB
Pin = công suất tại cuối tầng 1 = 7 – 17.5 = - 10.5
Độ lợi bộ khuếch đại là 20 dB nên công suất đầu ra bộ khuếch đại bằng (công suất
đầu vào + độ lợi khuếch đại) -10.5 + 20 = 9.5 dB
Tính toán OSNR
in
stage
P
fvhNF
OSNR
OSNR
...1
1
0
1 (đối với tầng 1 thì 1/OSNR0 bằng 0)
fvhNF
POSNR in
...1
Thay các giá trị:
Pin = -10.5 dB = 8.9125 e(-0.5) (W)
NF = 5 dB chuyển thành 3.166
h = 6.6280 exp (-34) (hằng số plank)
v = 1.935exp(14) (tần số của ánh sáng)
f là độ rộng băng (đo NF) = 12.5 KHz (.nm)
Sau khi thay tính được OSNR = 42 dB.
Tầng 2:
Suy hao = -20 (suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = -27.5 dB
Công suất tại cuối của tầng 2
Pin = 9.5 – 20 – 6 – 1.5 (dự trữ) = -18 dB
Độ lợi khuếch đại tầng 2: 20 dB
Công suất đầu ra bộ khuếch đại: -18 + 20 = 2 dB
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 56
in
stage
P
fvhNF
OSNR
OSNR
...1
1
1
2
OSNR1 là OSNR của tầng 1 và bằng 42 dB; Pin = - 18 dB
OSNRstage2 = 34 dB.
Suy hao tầng 3:
–20(suy hao tuyến) – 6 (suy hao DCU) – 1.5 (dự trữ) = –27.5 dB (suy hao)
Công suất tại cuối tầng 3
Pin = 2 – 27.5 = -25.5 dB
Độ lợi khuếch đại tầng 3 là 20 dB.
Công suất đầu ra bộ khuếch đại -25.5 + 20 = -5.5 dB
OSNR
instage
stage
P
fvhNE
OSNR
OSNR
...1
1
2
3
OSNR = 26 (dB)
Trường hợp 5
Tính toán công suất tại đầu ra của một bộ ghép kênh DWDM có 8 kênh (như được
chỉ trong hình dưới) nếu công suất đầu vào là 0 dB (suy hao xen là 5 dB)
0dB
0dB
0dB
0dB
0dB
0dB
0dB
0dB
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 57
Pdau ra = Pkenh + 10logN – suy hao xen (trong đó N là số kênh ghép)
= 0 + 10log8 – 5dB = 4 dB
2.2. Tính toán theo số liệu thống kê
2.2.1. Phương pháp chung
2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống
Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống được định nghĩa bằng xác suất tỉ số lỗi bít
BER vượt quá 1210 . Tuy nhiên vì BER phụ thuộc vào nhiều tham số (như đặc tính của
máy phát và máy thu) nên rất khó đưa ra được BER trong việc thiết kế thống kê chung.
Vì vậy, thay vào đó ta xét đến “mức ý nghĩa hệ thống” thích hợp hơn xác suất ngừng
hoạt của động hệ thống, và không đưa ra BER. Mức ý nghĩa là thuật ngữ sử dụng chung
trong thống kê đối với các giả thuyết kiểm tra [7].
Đối với mỗi tham số hệ thống, mức ý nghĩa hệ thống được xác định khi xác suất
tham số hệ thống vượt quá một giá trị x nào đó. Tất nhiên, mức ý nghĩa hệ thống là một
hàm của x. Ví dụ, mức ý nghĩa hệ thống của DGD là 4.2 × 510 khi x bằng 3 lần giá trị
DGD trung bình (kết quả này cho trong khuyến nghị G.691 của ITU-T). Một ví dụ khác,
mức ý nghĩa hệ thống của tán sắc màu cực đại là 1.3 × 310 khi x bằng tổng giá trị trung
bình và 3 ( là độ lệch chuẩn) [6].
2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống
Ngưỡng xác suất ( thP ) được định nghĩa bằng mức ý nghĩa tối đa có thể chịu đựng
được của mỗi tham số hệ thống. Ngưỡng xác suất sẽ phụ thuộc vào môi trường hoạt
động của mạng, và cũng quan hệ cân bằng giữa xác suất vượt quá giá trị và chi phí.
Chú ý rằng đối với một vài tham số được xét, ở đây thP thể hiện xác suất mà giá trị
được vượt quá tại thời gian mà tuyến hoạt động. Ví dụ, trong trường hợp tán sắc màu, giá
trị thP là 310 có nghĩa là trung bình cứ 1000 liên kết thì có 1 liên kết vượt quá tán sắc cụ
thể khi hoạt động. Tuy nhiên, với các tham số khác thì thP thể hiện xác suất vượt quá tại
bất kì thời gian cụ thể nào khi liên kết tồn tại. Một ví dụ về điều này là PMD có thP bằng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 58
510 có nghĩa là tại bất kì thời gian nào xác suất lớn hơn giá trị DGD cực đại là một trong
một trăm nghìn.
Bảng 2-12 đưa ra một số ví dụ về giá trị của thP cùng với các giá trị tương đương
của số độ lệch chuẩn so với trung bình của thống kê Gausse và tương đương với tỉ số cực
đại trên trung bình đối với phân bố Maxwell (PMD).
Xác suất giới hạn
thP
Gausse: Độ lệch
chuẩn []
Maxwell: Tỉ số cực đại
trên trung bình [S]
310 3.1 2.5
510 4.3 3.2
710 5.2 3.7
910 6.0 4.2
Bảng 2-8 Giới hạn xác suất của hệ thống
2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng
Biểu đồ dòng chung được mô tả ở phía trái của hình 2-16. Phía bên phải hình 2-16
minh họa một ví dụ về tán sắc màu cực đại.
1) Lựa chọn tham số hệ thống để xác định
Trong ví dụ của hình 2-16, tham số hệ thống là tán sắc màu cực đại
2) Tìm hàm phân bố xác suất cho các tham số phần tử tương ứng
Như được thấy trong biểu đồ, hệ số tán sắc trung bình của sản phẩm thứ I gọi là
Di và độ lệch chuẩn là i .
3) Tính toán phân bố xác suất p(x) có điều kiện.
Trong ví dụ này, điều kiện đưa ra là chiều dài liên kết sợi quang là 160km. Phân
bố thống kê của tham số hệ thống có thể đạt được khi ghép chuỗi các phân bố của các
suốt chỉ sợi. Từ định lí giới hạn trung tâm, trung bình tổng của tán sắc màu là
17x160=2720ps/nm, trong khi độ lệch chuẩn là 48ps/nm. Chú ý rằng, khi sử dụng thiết
kế trường kế trường hợp xấu nhất thì tán sắc màu cực đại là 20x160=3200ps/nm.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 59
4) Lựa chọn giá trị Pth, giới hạn xác suất đối với hệ thống.
Trong ví dụ này, có thể chấp nhận nếu một trong một nghìn liên kết có tán sắc cao
hơn giá trị tính toán ( thP là 310 ).
5) Xác định tham số hệ thống X từ phương trình thPXP )( , trong đó Pth là giới
hạn xác suất
Trong ví dụ này, tán sắc màu cực đại được xác định 17.9x160=2864, giả sử
310thP . Vì thế, tán sắc yêu cầu cho hệ thống truyền dẫn giảm giảm 336ps/nm so với
thiết kế trong trường hợp xấu nhất.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 60
Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại
2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê
Một tuyến tích lũy bao gồm một số mối hàn các chiều dài của cáp sợi quang. Các
yêu cầu đối với chiều dài được trình bày trong các khuyến nghị sợi và cáp quang. Các
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 61
tham số truyền dẫn cho các tuyến tích lũy phải đưa vào tính toán không chỉ về hiệu năng
của chiều dài cáp riêng mà còn về các thống kê tích lũy.
Các đặc tính truyền dẫn của chiều dài cáp sợi quang sẽ có một phân bố xác suất
nào đó, mà thường cần thiết cho việc tính toán để xác định được hệ thống thiết kế mang
tính kinh tế nhất. Các đoạn sau trong phần này sẽ trình bày bản chất thống kê của các
thông số khác nhau.
Thuộc tính tuyến bị ảnh hưởng bởi các hệ số ngoại trừ cáp sợi quang như mối
hàn, connector và việc lắp đặt. Mục đích của việc đánh giá các giá trị thuộc tính tuyến
(thường là giá trị của liên kết sợi quang) được cung cấp trong phần phụ lục của mỗi
khuyến nghị về cáp và sợi. Các phương pháp đánh giá các tham số cần thiết cho việc
thiết kế hệ thống là dựa vào phép đo, mô hình hoặc các cách thức khác.
Suy hao A của một liên kết được cho bởi:
yαxLA cs (2-35)
Trong đó:
hệ số suy hao của cáp sợi quan trong tuyến
S Suy hao ghép nối trung bình
x Số mối ghép nối của một tuyến
C Suy hao trung bình của connector
y Số connector của một tuyến (nếu có)
L Chiều dài tuyến
Dự trữ phù hợp sẽ tạo thuận lợi cho việc sửa chữa trong tương lai của cấu hình
cáp (ghép nối thêm, thêm chiều dài cáp, hiệu ứng già hóa, sự thay đổi nhiệt độ…). Các
giá trị điển hình thấy trong phụ lục của các khuyến nghị cáp và sợi là hệ số suy giảm của
các tuyến sợi quang.
Việc kết hợp của các bộ góp suy hao này trong việc kết hợp với giá trị suy hao
cực đại hệ thống dẫn đến sự thay đổi chiều dài của các nhịp. Chiều dài nhịp là một giá trị
đích đối với các khuyến nghị như G.957 cà G.691 của ITU-T nhưng có thể dài hơn chiều
dài giới hạn của tán sắc màu.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 62
2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu
2.2.3.1. Cơ sở
Khi các thành phần khác nhau hoặc các sợi quang khác nhau được kết hợp thì tán
sắc màu kết hợp là tổng của các giá trị tán sắc màu của các tán sắc riêng rẽ trên một bước
sóng bởi bước sóng cơ bản. Sự thay đổi của tán sắc tống của các tuyến quang sẽ phụ
thuộc vào các phân bố của sản phầm sử dụng trong các liên kết.
Chú ý: Trong phần sau, một số ví dụ đưa ra đối với một sợi cụ thể và loại thành
phần cụ thể. Các ví dụ này không cần thiết thể hiện tính rộng rãi.
Hệ số tán sắc màu sợi D(λ) được đo như một hàm của bước sóng λ mà các
phương pháp được phác thảo trong khuyến nghị G.650.1 của ITU-T: Các phương pháp
kiểm tra và xác định tuyến tính, thuộc tính tĩnh của cáp và sợi đơn mode. Khi cho một
dải bước sóng, nó thường được biểu diễn bằng một công thức mà bao gồm các tham số
có thể thay đổi từ sợi đến sợi. Một số công thức được cho trong khuyến nghị G.650.1 và
các đơn vị thường là ps/nm.km. Với các thành phần, các loại biểu thức giống nhau có thể
sử dụng để đặc tính tán sắc màu CD(λ) theo ps/nm.
2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu
Phương pháp luận đặc tính phù hợp với các thốgn kê dạng chuỗi của một phân bố
đơn hoặc kết hợp các phân bố là tính toán hệ số tán sắc cho mỗi bước sóng trong các
bước sóng của dải sử dụng trong các ứng dụng- mỗi đoạn sợi riêng biệt. Điều này tạo ra
một giá trị hệ số tán sắc phân bố cho mỗi bước sóng. Hình 2-16 và 2-17 là các phân bố
đối với loại sợi G.655 tại hai bước sóng được chọn.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 63
Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm
Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm
Phân bố đối với mỗi bước sóng là một đặc tính với một giá trị trung bình và một
độ lệch chuẩn như trong hình 2-18 và 2-19.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 64
Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng
Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng
Chú ý rằng quan hệ tuyến tính thể hiện giá trị trung bình và quan hệ bình phương
thể hiện độ lệch chuẩn. Đây là do phần nào biểu diễn tuyến tính của hệ số tán sắc theo
bước sóng. Số liệu từ các ví dụ trong các hình 2-18 và 2-19 có thể rút ra công thức sau
đây theo bước sóng (nm):
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 65
km)(ps/nm15670720 . (2-36a)
km)(ps/nm61551109731964025 ... (2-36b)
Trong đó là giá trị trung bình và là độ lệch chuẩn.
2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang
Các thống kê này dựa trên giả thiết Gausse. Các ví dụ được tính toán tại mức “3”
cho một giới hạn trên và giới hạn dưới Pth (giới hạn xác suất) =0.13% . Các mức xác
suất khác có thể được chọn.
Giả sử các chiều dài bằng nhau, hệ số tán sắc của các sợi ghép chuỗi là trung bình
hệ số tán sắc của các sợi riêng biệt, và nó được thể hiện bởi công thức sau:
i
iDn
D1
(2-37)
Sử dụng định lí giới hạn trung tâm thì các giá trị trung bình này có thể khác rất
lớn tùy theo phân bố ngẫu nhiên Gausse. Sử dụng giới hạn xác suất được cố định không
đổi khoảng 99.7% (trên và dưới 0.13% ) của phân bố giới hạn của giá trị hệ số tán sắc
tuyến DTot được cho bởi công thức:
n
DTot
3 (2-38a)
Giả sử n không đổi kết hợp với chiều dài đoạn cực đại LSeg cùng với một tuyến
LTot, phương trình 2-38a có thể viết thành:
2/1
3Tot
SegTot
L
LD (2-39b)
Việc hạn chế vể giá trị tán sắc trên tuyến CDTot chính là hạn chế giá trị hệ số tán
sắc nhân với chiều dài tuyến:
2/1
3 TotSegTotTot LLLCD (2-40)
Bảng 2-13 chỉ ra các giá trị tính toán khi giả sử chiều dài tuyến là 120km và chiều
dài một đoạn là 5km. Các giá trị này đa số đều thấp hơn giá trị được suy ra từ yêu cầu kĩ
thuật trong trường hợp xấu nhất là -420ps/nm
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 66
Bước sóng CDmin CDmax
1530 nm –336 ps/nm –304 ps/nm
1540 nm –249 ps/nm –219 ps/nm
Bảng 2-9 Giá trị tán sắc màu thống kê
Nếu phân bố dựa trên các phép đo của các phần con của các tuyến được thiết lập
thì thay đổi chiều dài LSeg bằng các phần con đo được hoặc hoặc giá trị lớn hơn chiều dài
của đoạn con lớn nhất trong tuyến.
2.2.3.4. Ghép nối thống kê
Kí hiệu mở rộng I, II là các hàm trung bình và độ lệch chuẩn, ví dụ LI-Tot là
chiều dài sợi quang của loại I và nA là số linh kiện loại A.
Các giới hạn xác suất được tính lại cùng với 1 giới hạn xác suất kết hợp với độ
lệch Gausse 3, nhưng các phương trình được chia thành các thành phần “trung bình”
va “độ lệch chuẩn” trước khi kết hợp chúng lại với nhau. Tán sắc trung bình là:
BBAAIITotIIITotITot nnLLCD (2-41a)
Độ lệch chuẩn của tán sắc tổng là:
2/12222 BBAAIITotIISegIIITotISegITot nnLLLLCD
(2-41b)
Vậy các giới hạn là:
TotTotTot CDCDCD 3
(2-41c)
Việc thêm các linh kiện hoặc các sợi có thể thực hiện chỉ đơn giản là mở rộng các
công thức trên.
Các công thức này minh họa sự kết hợp phân bố của các sợi G.652 và phân bố của
các linh kiện bù tán sắc như định nghĩa trong khuyến nghị G.671 của ITU-T. Giả sử các
tham số của tuyến là:
5km,10km,400 DCSegTot nLL
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 67
Các thống kê sợi cho hệ số tán sắc màu (ps/nm·km) và bước sóng (nm) được chỉ
trong hình 2-20 và 2-21:
Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 68
Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652
Công thức cho đường thẳng trong hình 2-20 là:
km)(ps/nm0607040377 .. (2-42a)
ở đây tính theo nm.
Công thức cho đường cong trong hình 2-21 là:
km)(ps/nm107465103841801315 263 ... (2-42b)
Các thống kê bù tán sắc được chỉ trong hình 2-22và 2-23
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 69
Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình
Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc
Công thức cho đường cong trong hình 2-23 là:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 70
(ps/nm)102274569812100108 233 ... (2-43a)
Công thức cho đường cong trong hình 2-24 là:
)ps/nm(10818.94484.010824.6104612.3 35225
(2-43b)
Kết hợp các thống kê này theo các công thức của phương trình 2-41a, 2-41b và 2-
41c, và sử dụng các giả thiết của tuyến quang (chiều dài sợi 400km, chiều dài mỗi đoạn
nối 10km, 5 bộ bù tán sắc) thì có kết quả như hình 2-24. Chú ý rằng biểu diễn nhỏ hơn
hai dải đặc trưng bước sóng. Cho dù dải sử dụng cho sợi rộng hơn, và dải đặc trưng cho
cơ cấu bù là khống quá rộng.
Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652
Với băng C (bước sóng từ 1530 đến 1565nm) thì tán sắc màu của tuyến quang
được bù nằm trong khoảng 600 ps/nm. Trong khuyến nghị G.691 của ITU-T, giới hạn
truyền dẫn 10Gbps, với chỉ riêng tán sắc màu xấp xỉ 1000ps/nm đối với các máy phát và
máy thu.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 71
2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực
DGD thay đổi ngẫu nhiên theo phân bố Maxwell được đặc trưng bởi giá trị PMD.
PMD của cáp sợi quang cũng được xác định theo dạng thống kê mà có thể kết hợp với
các phần tử khác của tuyến quang để xác định DGD cực đại mà DGD cực đại được xác
định bằng giới hạn xác suất. Phụ lục I/G.650.2 mô tả các yêu cầu kĩ thuật thống kê của
PMD đối với sợi quang. Khuyến nghị G.671 của ITU-T trình bày làm thế nào để kết hợp
các yêu cầu kĩ thuật của các phần tử tuyến khác với các yêu cầu kĩ thuật của cáp sợi
quang để xác định DGD cực đại cho tuyến:
2/1
222maxmax
i
CiFlink PMDSDGDDGD (2-44)
ở đây:
DGDmaxlink là DGD cực đại tuyến (ps)
DGDmaxF là DGD (ps) cực đại cáp sợi quang ghép chuỗi
S là hệ số hiệu chỉnh Maxwwell (xem bảng 10-2)
PMDCi là giá trị PMD của linh kiện thứ i
Phương trình này giả sử rằng các thống kê DGD tức thời được xấp xỉ bằng phân
bố Maxwell với xác suất DGD tức thời lớn hơn DGDmaxlink được điều khiển bởi giá trị
của hệ số hiệu chỉnh Maxwell lấy trong bảng 2-12.
2.3. So sánh hai phương pháp
Qua cách tính toán như trong phần 2.1 và phần 2.2 nhận thấy rằng về cơ bản các
tham số tính toán của phương pháp thiết kế theo giá trị giới hạn và phương pháp thiết kế
theo giá trị thống kê gần giống nhau. Tuy nhiên trong phương pháp thiết kế theo giá trị
giới hạn thì tất cả các tham số được lấy tại thời điểm hết thời gian sử dụng của thiết bị,
có nghĩa là đây là trường hợp mà các tham số có giá trị như vậy thì hệ thống bắt đầu
không đạt các yêu cầu kĩ thuật. Còn trong phương pháp tính toán theo giá trị thống kê thì
giá trị của tham số được tính toán tối ưu hơn trong trường hợp tính toán giá trị trong
trường hợp tính toán theo các giá trị giới hạn. Cụ thể là như trong ví dụ về tính toán giá
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 72
trị tán sắc đã trình bày ở trên, trong cùng một điều kiện như nhau thì giá trị tán sắc trong
trường hợp tính toán theo các giá trị tới hạn là 420 ps/nm, trong khi đó đối với tính toán
theo các giá trị thống kê thì giá trị tán sắc là 304 ps/nm. Như vậy giá trị tán sắc của
trường hợp tính toán theo các giá trị giới hạn tối ưu hơn giá trị trong trường hợp tính toán
theo giá trị thống kê. Điều dễ thấy là chiều dài giới hạn giới hạn tán sắc sẽ thấp hơn
chiều dài tán sắc được tính toán theo giá trị thống kê. Từ đó sẽ dẫn đến cự ly truyền dẫn
đối với trường hợp tính toán theo giá trị thống kê trên một chặng sẽ lớn hơn cự ly truyền
dẫn trên một chặng đối với trường hợp tính toán theo các giá trị thống kê. Kết quả là
phương pháp tính toán theo giá trị thống kế các tham số sẽ mang tính kinh tế hơn phương
pháp tính toán theo các giá trị giới hạn.
Tuy nhiên phương pháp tính toán theo giá trị thống kê mà đồ án đề cập thì trong
các tham số được tính toán thì chỉ có một tham số là thống kê, còn tất cả các tham số còn
lại đều là giống trong trường hợp thiết kế theo các giá trị giới hạn.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 73
Kết luận
Thiết kế tuyến thông quang là công việc hết sức khó khăn và phức tạp. Trong đó
bao gồm việc tính toán các giá trị tham số ảnh hưởng đến truyền dẫn sợi quang cũng như
cả tuyến quang. Tính toán được giá trị các tham số ảnh hưởng một cách đúng đắn chính
xác thì có thể sử dụng dự trữ thích hợp, tiết kiệm chi phí. Nội dung của đồ án đã nêu và
trình bày hai phương pháp tính toán giá trị các tham số ảnh hưởng trong thiết kế tuyến
thông tin quang.
Chương 1: Sơ lược về một tuyến thông tin quang tổng quát. Làm rõ ảnh hưởng
của các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến quang. Trình bày tổng quát các phương
pháp thiết kế và giới thiệu về phương pháp thiết kế theo giá trị giới hạn và theo giá trị
thống kê.
Chương 2: Trình bày về các cách tính các tham số đối với hệ thống đơn kênh đa
kênh, bao gồm tán sắc, xuyên âm quang… Từ đó đưa ra các bộ bù tán sắc thích hợp và
dự trữ công suất để bù lại công suất đã bị mất.
Đồ án tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo
Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 74
Tài liệu tham khảo
[1] ITU-T, Series G: Transmission systems and media, digital and media, digital
systems and networks, Optical system design and engineering considerations,
10/2003
[2] ITU-T Recommendation G.957 (1999), Optical interfaces for equipments and systems
relating to the synchronous digital hierarchy.
[3] http://www.tapchibcvt.gov.vn/News/PrintView.aspx?ID=15830
[4] TAKAHASHI (H.), ODA (K.), TOBA (H.): Impact of crosstalk in an arrayed-waveguide
multiplexer on N × N optical interconnection, J. Lightwave Technol., Vol. 14, No. 6,
pp. 1097-1105, 1996.
[15] LIU (F.), RASMUSSEN (C.J.), PEDERSEN (R.J.S.): Experimental verification of a new
model describing the influence of incomplete signal extinction ratio on the sensitivity
degradation due to multiple interferometric crosstalk, Photonics Technology Letters,
Vol. 11, No. 1, pp. 137-139, 1999.
[5] LEGG (P.J.), TUR (M.), ANDONOVIC (I.): Solution paths to limit interferometric noise
induced performance degradation in ASK/Direct detection lightwave networks, J.
Lightwave Technol., Vol. 14, No. 9, pp. 1943-1954, 1996
[6] IEC SC86C/WG1 ST-20, Statistical treatment of chromatic dispersion (submitted
by T.A. Hanson), 2000.
[7] MAKSOUDIAN (Y.L.): Probability and Statistics with Applications, Scranton
International Textbook Company, 1969.
[8] Vũ Văn San: Hệ thống thông tin quang 12/2003
[9] Ashwin Gumaste, Tony Antony: WDM Network Designs and Engineering
Solutions 12/2002