- Ảnh Hưởng Của Tán Sắc Và Các Hiệu Ứng Phi Tuyến Đến Hiệu Năng Của Hệ Thống RoF. - Dựa Trên SCM/WDM Sử Dụng Bộ Thu APD. - Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của tán sắc màu, công suất phát, khoảng cách kênh, hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang đến hiệu năng của hệ thống Radio over Fiber (RoF) sử dụng kết hợp kỹ thuật ghép kênh sóng mang con (SCM), ghép kênh theo bước sóng (WDM) và bộ thu APD - SCM/WDM-based RoF. - Các kết quả mô phỏng cho thấy có thể đạt được tỉ lệ lỗi bít (BER) và công suất FWM thấp nhất khi lựa chọn hệ số khuếch đại dòng của bộ thu APD (M=2) và lựa chọn khoảng cách kênh không bằng nhau tại các tần số THz. - Ngoài ra kết quả mô phỏng cũng cho thấy khi giảm công suất phát hoặc tăng hệ số tán sắc hoặc tăng diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang cũng làm cho công suất FWM giảm và giúp cải thiện được hiệu năng của hệ thống.. - Keywords- Truyền tín hiệu vô tuyến trên sợi quang RoF, ghép kênh sóng mang con SCM, ghép kênh theo bước sóng WDM, bộ tách sóng quang Photodiode thác lũ APD.. - Công nghệ RoF sử dụng các tuyến sợi quang để phân phối tín hiệu vô tuyến RF từ trạm trung tâm (CS) đến các trạm cơ sở (BS), nó hỗ trợ cả mạng không dây và mạng quang [1, 2]. - RoF đơn giản, tốn ít chi phí và điện năng, cho phép tín hiệu điện điều chế nguồn quang và truyền nó đi trên sợi quang đến trạm ở xa (RAU). - Khi tín hiệu RF được điều chế thẳng sang miền quang, công suất tiêu thụ sẽ giảm trong khi tại anten phát lại có tần số vô tuyến cao. - Khi sử dụng công nghệ ngày, CS được chia sẻ bởi nhiều trạm BS bằng các sợi quang, BS chỉ hoạt động như một bộ chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu không dây và ngược lại, trong khi tại CS sẽ diễn ra tất cả các hoạt động như điều chế, giải điều chế, mã hóa và định tuyến…. - Hình 1 trình bày cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền dẫn RoF.. - Hệ thống truyền dẫn RoF. - Các ứng dụng của RoF bao gồm các mạng điện thoại di động, mạng cục bộ không dây (WLAN), mạng truy. - Kỹ thuật SCM là sự kết hợp của hai bước điều chế.. - Trước tiên điều chế xảy ra tại miền RF, một vài kênh RF băng thông thấp mang tín hiệu tương tự hoặc số được cộng lại với nhau bằng bộ ghép kênh, do đó tín hiệu sẽ rất gần nhau trong miền tần số tùy thuộc vào tần số của bộ dao động nội đưa vào phân hệ điều chế. - Tín hiệu kết hợp này sau đó được điều chế vào sóng mang có tần số cao hơn. - Quá trình điều chế thứ hai xảy ra trong miền quang, tín hiệu điều chế sau đó được chuyển sang miền quang sử dụng laser và bộ điều chế quang.. - Cấu hình của hệ thống SCM/WDM WDM là kỹ thuật ghép nhiều bước sóng với nhau và truyền đi trên cùng một sợi quang đơn mốt. - WDM cũng được sử dụng trong các hệ thống RoF để tăng hiệu năng truyền dẫn, băng thông và phạm vi bao phủ của các hệ thống mạng quang và mạng di động [5, 6]. - Khi tín hiệu RF được chuyển sang miền quang sử dụng bộ điều chế quang, hai hài (side-band) sẽ được tạo ra trong miền tần số, các tín hiệu này bị ảnh hưởng bởi tán sắc màu, chiều dài sợi quang, bước sóng và tần số điều chế sẽ tạo ra một sự dịch pha khác nhau giữa hai hài làm suy giảm hiệu năng hệ thống. - Ngoài ra, việc sử dụng kỹ thuật WDM tại mức công suất cao cũng làm tăng các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang như tự điều. - chế pha, điều chế xuyên pha, và đặc biệt là FWM [7].. - Để giảm thiểu những ảnh hưởng này chúng ta có thể sử dụng một số kỹ thuật như: sử dụng sợi bù tán sắc, bộ lọc quang, các kỹ thuật điều chế tiên tiến để loại bỏ bớt một hài (side-band) hoặc sử dụng cơ chế cấp phát kênh với khoảng cách không bằng nhau…. - Trong bài báo [8] chúng tôi đã đề xuất mô hình hệ thống SCM/WDM-based RoF sử dụng 4 bước sóng quang với khoảng cách kênh không đều nhau và 193.6 THz) cùng một bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) được đặt tại khoảng cách 1 km so với bộ phát, kết hợp với điều chế đơn hài quang (OSSB) đã giúp cải thiện được hiệu năng của hệ thống, tuy nhiên bài báo vẫn chưa khảo sát cụ thể về ảnh hưởng của tán sắc màu, FWM, cũng như sự phụ thuộc của FWM vào công suất phát trên kênh, và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang.. - Trong bài báo này chúng tôi đề xuất thay thế bộ thu PIN bằng bộ thu APD, tìm giá trị khuếch đại dòng thích hợp của bộ thu APD để đạt được hiệu năng tốt nhất đồng thời cũng phân tích ảnh hưởng của hệ số tán sắc màu, công suất phát quang trên kênh đầu vào và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang đến FWM và hiệu năng của hệ thống. - Chúng tôi nhận thấy rằng nếu hệ số khuếch dại dòng được chọn bằng 2, cùng với mức công suất đầu vào thích hợp hoặc khi tăng hệ số tán sắc màu, diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang trong trường hợp sử dụng khoảng cách kênh không bằng nhau tại các tần số và 193.6 THz sẽ giúp cải thiện thêm được hiệu năng của hệ thống.. - Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong phần II, chúng tôi phân tích lý thuyết mô hình hệ thống.. - Trong phần III, chúng tôi trình bày cài đặt mô phỏng và các kết quả đạt được. - Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần IV.. - Điều chế đơn hài (OSSB). - Như đã trình bày trong [8] chúng tôi vẫn sử dụng kỹ thuật OSSB để loại bỏ bớt một hài của tín hiệu quang sau điều chế. - Trong kỹ thuật này có hai bộ điều chế MZM điều khiển kép được đặt ở hai nhánh, kết hợp với bộ dịch pha 90 0 và bộ cộng/trừ tín hiệu để tạo ra tín hiệu điều chế chỉ có 1 hài. - Phổ tương ứng của tín hiệu OSSB tại lối ra là:. - Ảnh hưởng của FWM. - Hiệu ứng FWM xảy ra khi ghép các bước sóng gần nhau trong hệ thống WDM, các bước sóng này sẽ kết hợp với nhau và tạo ra bước sóng mới. - Nó phụ thuộc vào công suất phát, khoảng cách kênh, tán sắc màu và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang theo phương trình:. - 𝑃 i 𝑃 j 𝑃 k 𝐿 2 (3) trong đó 𝑃 i , 𝑃 j , 𝑃 k là công suất của các tín hiệu có tần số 𝜔 i , 𝜔 j , 𝜔 k . - 𝑛 eff là chiết suất hiệu dụng, 𝐴 eff là diện tích vùng hiệu dụng, 𝑑 ijk là tham số suy biến, 𝒳 (3) là ten xơ phi tuyến bậc ba, 𝜔 ijk là tần số thứ tư được tạo ra từ ba tần số gốc, 𝑐 là vận tốc ánh sáng, 𝐿 là chiều dài sợi quang.. - Công suất của FWM được tính theo công thức [9]:. - 9 ) (𝑑 ijk ) 2 (𝑃 i 𝑃 j 𝑃 k )exp (−𝛼𝐿)𝐿 2 eff ƞ (4) trong đó 𝐿 eff là chiều dài hiệu dụng của sợi quang được tính bởi:. - với 𝛼 là hệ số suy hao có đơn vị là 1/km, và ƞ là hiệu suất của FWM được xác định theo công thức [9]:. - Sử dụng bộ thu APD. - Như chúng ta đã biết, khi sử dụng bộ thu APD, dòng quang điện tại lối ra của bộ tách sóng quang cho kênh thứ 𝑖 sẽ được nhân thêm với hệ số M (hệ số khuếch đại dòng bên trong do cơ chế thác lũ của APD) so với dòng quang điện khi sử dụng bộ thu PIN, vì vậy ta có:. - 𝑀𝑅𝑃 𝑖𝑛 (𝑖𝑡ℎ) (7) trong đó, 𝑃 𝑖𝑛 (𝑖𝑡ℎ) là công suất quang tới bộ thu của kênh thứ 𝑖, 𝑅 là hệ số đáp ứng (Responsivity) của bộ thu.. - Mặt khác do sử dụng bộ khuếch đại EDFA nên dòng nhiễu ASE tại lối ra của bộ thu cũng được khuếch đại lên 𝑀 lần theo công thức:. - 𝐼 𝐴𝑆𝐸−𝐴𝑃𝐷 = 𝑀𝑅ℎ𝑓𝑛 𝑠𝑝 (𝐺 − 1)𝐵 𝑜 10 −𝛼𝐿 2 /10 (8) với ℎ là hằng số Planck’s, 𝑓 là tần số quang tương ứng, 𝐵 𝑜 là băng thông quang và 𝑛 𝑠𝑝 là hệ số phát xạ tự phát và 𝐿 2 là khoảng cách từ bộ khuếch đại đến bộ thu và 𝐺 là hệ số khuếch đại của EDFA.. - Như đã trình bày trong [8], các thành phần nhiễu trong hệ thống bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu lượng tử và nhiễu phát xạ tự phát ASE, khi đó phương sai tổng cộng của dòng nhiễu, BER và tỉ số SNR được tính lần lượt theo các công thức:. - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 1. - Cài đặt mô phỏng. - Trong phần này, chúng tôi cài đặt mô hình hệ thống RoF dựa trên kỹ thuật SCM/WDM với bộ thu APD bằng việc sử dụng phần mềm Optisystem 17 để đánh giá ảnh hưởng của FWM, hệ số tán sắc màu, công suất phát trên kênh và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang đến hiệu năng của hệ thống (Hình 3).. - Hệ thống RoF dựa trên SCM/WDM Trong sơ đồ này chúng tôi sử dụng 4 bộ phát, mỗi bộ mang 78 kênh tín hiệu tương tự và một kênh tín hiệu số ASK. - Các nguồn tín hiệu laser phát ra các bước sóng liên tục tại các tần số 193,1. - 193,35 và 193,6 THz (cho trường hợp khoảng cách kênh không bằng nhau) được điều chế bởi các bộ MZM dưới sự hỗ trợ của các bộ dịch pha 90 0 (nhằm tạo ra tín hiệu đơn hài OSSB) và các bộ dao động nội với các tần số lần lượt là và 40 GHz. - Bộ ghép kênh WDM được sử dụng để ghép các tín hiệu từ 4 bộ phát, tín hiệu quang sau khi ghép kênh được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại EDFA với hệ số khuếch đại bằng 10 dB và hệ số nhiễu NF=5 dB và được truyền đi trên sợi quang đơn mốt (SMF) có chiều dài 10 km. - Tại phía thu, bộ phân kênh sẽ tách các bước sóng ra trước khi nó được đưa tới các bộ thu riêng lẻ. - Tín hiệu quang của các kênh thành phần sau đó được biến đổi thành dòng quang điện nhờ bộ tách sóng photodiode thác lũ (APD). - Tỉ lệ lỗi bit BER của tín hiệu thu được quan sát sử dụng bộ phân tích BER kết hợp với bộ lọc thông thấp (Low pass Bessel filter).. - Kết quả mô phỏng. - Mô phỏng được thực hiện để xem xét ảnh hưởng của khoảng cách kênh, công suất phát trên kênh, hệ số tán sắc màu và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang đến hiệu ứng phi tuyến FWM và cụ thể là đến hiệu năng của. - hệ thống sử dụng phương thức điều chế đơn hài (OSSB) trong một số kịch bản khác nhau. - Trong Hình 4, chúng tôi đặt điện áp chuyển mạch và điện áp phân cực của bộ điều chế MZM điều khiển kép lần lượt là 6V và 3V (để lối ra của bộ điều chế cho tín hiệu đơn hài OSSB), hệ số khuếch đại của bộ EDFA bằng 10 dB, chiều dài sợi quang 10 km. - Chúng tôi khảo sát sự phụ thuộc của BER vào công suất phát trên kênh cho hai trường hợp có và không có nhiễu phát xạ tự phát ASE khi sử dụng bộ thu PIN và APD cho kênh RF1 (1,5 GHz) và kênh RF4 (3 GHz). - Chúng ta có thể thấy khi công suất phát tăng thì BER giảm, tuy nhiên khi công suất phát lớn hơn 0 dBm thì đường cong BER có xu hướng bão hòa (không tăng mà nằm ngang) điều này là do ở mức công suất cao, trong sợi quang sẽ xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt là khi nó truyền đồng thời nhiều bước sóng (WDM). - Ngoài ra, ta cũng có thể thấy khi thay bộ thu PIN bằng bộ thu APD thì hiệu năng hệ thống đã được cải thiện đáng kể, cụ thể là tại BER=10 -10 mức công suất được lợi cho kênh RF1 là gần 2 dB, trong khi với kênh RF4 lên đến 8 dB.. - Chiều dài của sợi quang L 10 km. - Diện tích vùng hiệu dụng 𝐴 𝑒𝑓𝑓 60 - 80 𝜇𝑚 2. - Tần số quang 𝑓 𝑜 THz. - Tần số sóng mang 𝑓 𝑐 1,5. - Hệ số suy hao 𝛼 𝑑𝐵 0,2 dB/km. - Hệ số tán sắc màu D 10 – 16,75. - Hệ số khuếch đại dòng APD M 2. - Hệ số khuếch đại của EDFA G 10. - Tần số của bộ dao động nội f n GHz. - Hệ số đáp ứng bộ thu APD R 1 A/W. - Dòng tối bộ thu I d 10 nA. - BER theo công suất phát cho kênh 1 và kênh 4 khi sử dụng bộ thu PIN và APD. - Trong Hình 5 chúng tôi giữ nguyên các thông số giống như trong Hình 4 để khảo sát sự phụ thuộc của BER vào hệ số khuếch đại dòng của bộ thu APD cho các kênh RF1 và RF4 khi có và không có nhiễu ASE. - Từ hình vẽ ta thấy để đạt được giá trị BER tốt nhất chúng ta nên chọn hệ số khuếch đại dòng bằng 2. - BER theo hệ số khuếch đại dòng của bộ thu APD Từ kết quả của Hình 5 chúng tôi đặt hệ số khuếch đại dòng của APD bằng 2, công suất phát trên kênh P tx =-5 dBm, bộ điều chế MZM hoạt động ở chế độ tạo ra tín hiệu đơn hài OSSB và khảo sát ảnh hưởng của hệ số tán sắc màu D đến hiệu năng của hệ thống. - Hình 6 trình bày sự phụ thuộc của BER vào hệ số tán sắc trong trường hợp có và không có nhiễu ASE khi thiết lập khoảng cách kênh WDM bằng nhau (193,1. - 193,3 và 193,4 THz) và không bằng nhau (193,1. - Ta thấy, khi hệ số tán sắc tăng thì BER có xu hướng giảm điều này đúng với công thức số (6) và (4): D tăng thì ƞ sẽ giảm dẫn đến công suất FWM giảm nên hiệu năng được cải thiện, tuy nhiên nếu hệ số tán sắc màu mà tăng cao thì sẽ làm các xung quang bị giãn ra và giới hạn khoảng cách truyền dẫn, hiệu năng hệ thống bị giảm sút. - Ngoài ra, trong trường hợp sử dụng khoảng cách kênh không bằng nhau hiệu năng hệ thống cũng được cải thiện, điều này là do các tín hiệu FWM sau khi được tạo ra không rơi vào băng tần của bộ thu các kênh tín hiệu lân cận. - một lần nữa chúng ta thấy ảnh hưởng của nhiễu ASE là đáng kể khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA.. - BER theo hệ số tán sắc của sợi quang Hình 7 trình bày sự phụ thuộc của BER vào diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang. - Chúng ta thấy, khi diện tích vùng hiệu dụng tăng thì BER giảm, điều này cũng nghiệm đúng với công thức số (6) và (4): diện tích vùng hiệu dụng tăng làm ƞ giảm và kéo theo công suất FWM giảm, làm tăng hiệu năng của hệ thống.. - Hình 8 khảo sát sự phụ thuộc của công suất FWM vào công suất phát trên kênh cho hai trường hợp khoảng cách kênh bằng nhau và không bằng nhau. - Từ hình vẽ ta thấy khi công suất phát tăng thì công suất FWM tăng nhanh phù hợp với công thức số (3). - Trong trường hợp sử dụng khoảng cách kênh không bằng nhau, ở cùng mức công suất phát, công suất FWM sẽ giảm đi khoảng 2 dB, điều này cho phép cải thiện hiệu năng của hệ thống so với trường hợp sử dụng khoảng cách kênh bằng nhau.. - BER theo diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang. - Công suất FWM theo công suất phát Hình 9 trình bày kết quả tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu quang (OSNR) tại đầu ra của sợi quang theo công suất phát trên kênh cho hai kênh RF1 và RF4 với hai trường hợp khoảng cách kênh bằng nhau và không bằng nhau.. - Ta có thể thấy, khi công suất phát tăng thì tỉ số OSNR tăng nhanh, tuy nhiên khi công suất phát vượt quá 10 dBm thì đường cong sẽ tăng chậm hơn và dự đoán sau đó sẽ bão hòa vì sẽ xuất hiện các hiệu ứng phi tuyến làm ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống. - Mặt khác, khi sử dụng khoảng cách kênh không bằng nhau, tỉ số OSNR cũng sẽ tăng thêm khoảng 1 dB so với trường hợp khoảng cách kênh bằng nhau.. - Tỉ số OSNR theo công suất phát IV. - Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và khảo sát hiệu năng của hệ thống RoF dựa trên kỹ thuật SCM/WDM 4 kênh sử dụng bộ thu APD. - Các kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của tham số tán sắc màu 𝐷, công suất phát, khoảng cách kênh và diện tích vùng hiệu dụng 𝐴 eff. - của sợi quang là đáng kể đến hiệu năng của hệ thống. - Để đạt được BER thấp nhất và tỉ số OSNR tốt nhất thì cần thay thế bộ thu PIN bằng bộ thu APD với hệ số khuếch. - đại dòng bằng 2, hệ số tán sắc màu và diện tích vùng hiệu dụng của sợi quang nên chọn đủ lớn (nhưng không vượt quá 16,75 ps/nm.km) kết hợp với việc sử dụng khoảng cách kênh không bằng nhau tại các tần số 193,1;. - 193,35 và 193,6 THz để giảm thiểu ảnh hưởng của FWM sẽ giúp cải thiện hiệu năng của hệ thống.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt