ssssfd

1. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO
TUYẾN THÔNG TIN SỢI QUANG WDM SỬ DỤNG EDFA
DETERMINATION OF THE OPTIMAL PARAMETERS IN WDM OPTIC
FIBER COMMUNICATION LINK USING EDFA
NGUYỄN VĂN TUẤN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TRẦN NHẬT LINH
Trung tâm Dịch vụ Viễn thông khu vực 3 - GPC Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo xây dựng thuật toán, tính toán mô phỏng nhằm xác định các thông số tối ưu như
công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt bộ khuếch đại EDFA trên tuyến thông
tin sợi quang đa kênh ghép kênh theo bước sóng (WDM) có khoảng cách truyền dẫn ≤250km
sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA sao cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang OSNR tại đầu
máy thu lớn nhất. Sau đó, xây dựng bảng kết quả và vẽ đồ thị cho phép xác định ngay các
thông số tối ưu tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km.
Kết quả này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế tuyến và khai thác mạng.
ABSTRACT
In this paper, we built the algorithm, simulated fiber optic communication link using WDM and
EDFA for determination optimal parameters such as power of optical source, gain of EDFA
and its location on the link in order to achieve the maximum of OSNR at the receiver. We then
calculated and found out the set of optimal parameters corresponding to the different
distances (from 100km to 250km) and presented the results through tables and the graphs.
The results can be applied effectively in designing fiber optic communication link as well as in
exploitation its operation.
1. Giới thiệu
Công nghệ ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM kết hợp với bộ khuếch
đại quang sợi EDFA cho phép tăng dung lượng truyền dẫn lên đáng kể mà không cần sử dụng
thêm sợi quang, nên được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và được ứng dụng bước
đầu ở Việt Nam. Thông thường, khoảng cách giữa các thành phố không quá 250km, nên
phạm vi của bài báo là khảo sát tuyến WDM có đặt một EDFA với khoảng cách truyền dẫn
≤250km.
Bài toán được đưa ra là đặt EDFA ở vị trí nào trên tuyến để tỉ số tín hiệu trên nhiễu
quang OSNR tại máy thu đạt giá trị cực đại? Đặt ngay sau máy phát và bộ ghép kênh MUX
(gọi là phương án BA), đặt trước máy thu và bộ giải ghép kênh DEMUX (gọi là PA) hay đặt
trên đường truyền (gọi là LA). Nội dung của bài báo nhằm giải quyết bài toán nêu trên, đồng
thời xác định các thông số tối ưu khác như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại EDFA
tương ứng với các khoảng cách truyền dẫn khác nhau từ 100km đến 250km.
2. Nội dung
Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có đặt EDFA ở 3 vị trí khác nhau được biểu diễn
như hình sau:

2. Sîi dÉn
λ1 quang λ1
TX1 RX1
MUX λ , . . λ DEMUX
λ1 , . . λ
λn 1 n
TXn BA LA PA RXn
n
λn
Hình 1. Sơ đồ khối tuyến WDM điển hình có EDFA
Trong đó: TX1...TXn, RX1...RXn, lần lượt là các máy phát quang và máy thu quang.
MUX, DEMUX là bộ ghép và giải ghép bước sóng. λ1... λn: là các bước sóng của các kênh
được ghép theo WDM.
Vì tuyến truyền dẫn đang xét chỉ sử dụng một bộ khuếch đại EDFA trên đường truyền
nên có 3 trường hợp đặt bộ khuếch đại EDFA là đặt ngay sau bộ ghép kênh (BA), đặt trên
đường truyền (LA) và đặt ngay trước bộ giải ghép kênh (PA) như hình 1. Ta xét trường hợp
tổng quát là đặt bộ EDFA trên đường truyền (LA) cách máy phát một khoảng L1 và máy thu
một khoảng L2 (với L1=L1(1)+L2(1); L2=L1(2)+L2(2) ), khi đó BA và LA là 2 trường hợp đặc biệt:
BA tương ứng với L1 = 0, L2 = L và PA tương ứng với L1 = L, L2 = 0.
Sơ đồ khối của tuyến truyền dẫn quang xét đối với từng kênh thông tin được biểu diễn
như hình 2 sau đây:
Pin (fh) Ps ig (fh)
Máy LA B0 Máy
Máy Máy
Ph¸t Thu
Ph¸t Thu
quang quan
quang L1 (1 ), L2 (1 )
G
L1 (2 ), L2 (2 ) quan
gg
Hình 2. Các thành phần chính trong tuyến WDM khi xét một kênh thông tin riêng lẻ
Tỉ số OSNR của một kênh thông tin h bất kỳ trong hệ thống WDM được xác định theo
biểu thức:
Psig ( f h )
OSNR ( f h ) = (1)
Pnoise ( f h )
trong đó OSNR(fh ), Psig(fh),Pnoise(fh) lần lượt là tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang, công suất tín
hiệu hữu ích và công suất các loại nhiễu gây ra trên kênh h tại đầu vào máy thu quang.
Trong các hệ thống WDM sử dụng EDFA, các loại nhiễu thường xuất hiện là nhiễu
phát xạ tự phát được kích thích (ASE) do EDFA gây ra và nhiễu do các hiệu ứng phi tuyến
như trộn bốn bước sóng (FWM), tán xạ Brillouin kích thích (SBS), tán xạ Raman kích thích
(SRS), tự điều chế pha (SPM), điều chế chéo pha (XPM)... Khi c«ng suÊt quang mçi kªnh
<20mW vµ tèc ®é bit <10Gbit/s thì 2 loại nhiễu chính tác động đến chất lượng tín hiệu
trong hệ thống là nhiễu ASE và nhiễu FWM [2]. Vì vậy tỉ số OSNR được viết lại như sau:

3. Psig ( f h )
OSNR ( f h ) =
PFWM ( f h ) + PASE ( f h )
(2)
Trong đó:
+ Công suất tín hiệu của kênh thông tin tại bộ thu (bị suy hao trên đường truyền và tại
các mối nối) được biểu diễn bởi biểu thức:
α 2 .L
[ ]
−
PSig ( f h ) = Pin ( f h ).G. exp − α 1 ( L + L + L (1) (1) ( 2)
+ L ) .10
( 2) 10. L0 (3)
1 2 1 2
+ Công suất nhiễu ASE gây ra trên kênh thông tin [4](cũng bị suy hao trên đường
truyền và tại các mối nối):
α 2 .( L12 ) + L(22 ) )
(
[ ]
−
PASE ( f h ) = mt .h.ν .n sp .(G − 1).B0. exp − α1 ( L ( 2)
1 + L ) .10
( 2)
2
10. L0
(4)
+ Công suất nhiễu FWM gây ra trên kênh thông tin (cũng bị suy hao trên đường
truyền và tại các mối nối) được suy ra từ [1], [2], với một bộ EDFA trên tuyến:
PFWM ( f h ) = ∑
fk = fi + f j − f h
∑∑P
fi fj
pqr ( fh )
(5)
Với:
α 2 .L
1024π
[ ]
6 3
P −
Ppqr ( f h = f i + f j − f k ) = 4 2 2 (d .χ ) . .exp − α 1 (L1(1) + L(21) + L1(2) + L(22) ) .10
2 in 10.L0
n0 .λ .c A 2
eff
 1 − exp(− α 1 + i.∆ β )L
G .
(1)
1 1
[
+ exp (− α 1 + i∆ β 1 )L1(1) 1 − exp (− α 1 + i∆ β ) L 
] [  +
(1)
2 2 ] 2
 α 1 − i.∆ β 1 α 1 − i∆ β 2 

[
 1 − exp (− α 1 + i.∆ β 1 )L1(2)
+
] 

α − i.∆ β 1
[
+ G .exp − α 1 (L1 + L2 ) + i.∆ ψ .
3 (1) (1) (1) 
] 
[ ]
 + exp (− α + i.∆ β )L(2) .1 − exp (− α 1 + i.∆ β 2 )L2 [
( 2) 
]
 1 1 1
α 1 − i.∆ β 2 

(6)

4. Trong đó: ∆β1,2: phối hợp pha của sợi 1 và 2
2λ2 π  λ2 dD1, 2 (λk ) 
∆β1, 2 = ( f i − f k )( f j − f k ) k × D1, 2 (λk ) − [( f i − f k ) + ( f j − f k )] k 
c  2c dλ 
∆ψ ( m ) = ∆β 1 L1m ) + ∆β 2 L(2m ) : phối hợp pha tích luỹ trong phân đoạn m;
(
n0: chiết suất của sợi; λ: bước sóng [m]; L0: chiều dài mỗi cuộn cáp quang [m];
c: vận tốc ánh sáng [m/s]; Pl (l=i, j, k): công suất của các kênh được đưa vào đầu sợi quang
[W];
d: hệ số suy giảm (d =3 nếu i = j ≠ k, d = 6 nếu i ≠ j ≠ k); G: hệ số khuếch đại EDFA [lần];
χ: độ nhạy cảm phi tuyến bậc 3 [m3/W.s];α2: suy hao mối hàn [dB];
Aeff: diện tích hiệu dụng của lõi sợi [m2], cho gần đúng bằng diện tích thật của lõi;
α1: suy hao của 2 loại sợi [1/m], 2 loại sợi có tán sắc khác nhau nhưng có cùng suy hao.
D1,2(λk): tán sắc của 2 loại sợi tại bước sóng λk [s/m2];
3.Thuật toán tính toán các thông số hệ thống
Dựa vào các biểu thức từ (2) đến (6) chúng tôi tiến hành xây dựng thuật toán xác định
các thông số tối ưu như công suất của nguồn phát, hệ số khuếch đại và vị trí đặt EDFA như
hình 6.
4. Kết quả tính toán mô phỏng và thảo luận
Ðể kết quả tính toán lý thuyết sát với thực tế nhưng không làm mất tính tổng quát của
bài toán, giá trị của các tham số tính toán được lựa chọn dựa vào các giá trị tiêu biểu của
chúng trong thực tế. Phần mềm tính toán mô phỏng được sử dụng là Mathcad2001 và Excel.
L1(1), L2(1) là chiều dài của 2 loại sợi quang có tán sắc khác nhau được sử dụng trong phân đoạn
đường truyền đặt trước EDFA và L1(2), L2(2) đặt sau. Chúng tương ứng với sợi quang đơn mode
SMF có tán sắc D1=18ps/nm.km và sợi dịch chuyển tán sắc DSF có tán sắc D2 = -2ps/nm.km
với tỉ lệ chiều dài của 2 loại sợi này trong mỗi phân là 4,76/45,24 [2] để thực hiện bù tán sắc
tại bước sóng 1550nm. Độ biến thiên tán sắc theo bước sóng của 2 loại sợi là
dD1,2(λ)=0,07ps/nm.km.
Các tham số cơ bản của tuyến truyền dẫn được trình bày trong bảng 1 sau đây [1][2],
[3],[4]:
Tham số Giá trị
8 bước sóng được đưa vào sử dụng 1550nm, 1551nm... 1557nm.
Phạm vi hệ số khuếch đại của EDFA G = 1dB ÷ 40dB
Chiều dài tuyến truyền dẫn L = 150km
Suy hao tại mỗi mối nối α2 = 0,1dB
Suy hao của 2 loại sợi quang α1 = 0,21dB/km
Dự trữ suy hao 4dB
Chiều dài mỗi cuộn cáp sợi quang 4km

5. Chiết suất lõi sợi quang n0 = 1,5
Độ cảm ứng phi tuyến bậc 3 χ = 4.10-15 m3/W.s
Diện tích hiệu dụng của lõi sợi Aeff = 50.10-12 m2
Số mode truyền của quá trình phân cực mt = 2
Hệ số phát xạ tự phát của EDFA nsp = 1,26
Băng thông quang của bộ lọc quang i trước mỗi bộ thu B0 = 0,1nm ⇔ 12,5GHz
Dải công suất nguồn phát quang -10dBm ÷ 5dBm
Dải công suất của máy thu tại mỗi kênh thông tin -25dBm ÷ -10dBm.
Kết quả tính toán và mô phỏng được thể hiện như sau:
Vị trí đặt EDFA tối ưu trên tuyến là đặt cách bộ phát quang 56km tương ứng với mức
công suất phát quang từng kênh (sau bộ MUX) là 2dBm, hệ số khuếch đại của EDFA là 13dB
và khi đó tỉ số OSNR thu được của kênh thấp nhất (kênh số 4) trong 8 kênh là 42,9dB (hình
1).
43.05
43
Ti so OSNR (dB)
42.95
42.9
1 2 3 4 5 6 7 8
Vi tri kenh
.
.
50
60
Cong suat nhieu FWM, ASE, tin hieu(dBm)
31.25
Hình
12.5 3. Quan hệ giữa OSNR theo các kênh tương ứng với Ptx=2dBm, G=13dB và bộ EDFA
6.25 đặt cách bộ phát quang 56km. Kênh số 4 tương ứng với OSNR thấp nhất nên là kênh được
40
chọn để khảo sát thêm mối quan hệ giữa công tín hiệu, nhiếu, OSNR theo hệ số khuếch đại G
Ti so OSNR (dB)
25
43.75
của EDFA
62.5 20
81.25
.
100
0 10 20 30 40 0
0 10 20 30 40
He so khuech dai (dB)
. He so khuech dai (dB)
Cong suat nhieu FWM
Cong suat nhieu ASE
Cong suat tin hieu
Hình 5. Quan hệ giữa OSNR của kênh 4 tương
ứng với Ptx = 2dBm theo hệ số khuếch đại G của
EDFA
Hình 4. Quan hệ giữa công suất nhiễu FWM, ASE và
công suất tín hiệu của kênh 4 với Ptx=2dBm theo hệ
số khuếch đại G

6. B¾t
®Çu
Hình 6. Lưu đồ thuật toán xác
định các thông số tối ưu của _NhËp c¸c th«ng sè sîi quang: no , χ, α,
tuyến truyền dẫn D1 , D2 , A ff, d D/d λ.
e
_NhËp c¸c th«ng sè kh¸c: m t, h, c , ∆λ, λ1 ,
λ2 , λ3 , λ4, λ5 , λ6 , λ7 , λ8 .
_NhËp vµo chiÒu dµi cña tuyÕn: L
_TÝnh c«ng suÊt tÝn hiÖu t¹i ®Çu vµo m¸y thu:
P(Ptx , G )
_TÝnh c«ng suÊt nhiÔu FWM t¹i kªnh m:
Pto t(m , L1 , Ptx , G )
_TÝnh c«ng suÊt nhiÔu ASE t¹i kªnh m: Pa s e (m , L1 , G )
_TÝnh tØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu quang cña kªnh m :
O SN _TÝnh O SN ) B nhá nhÊt trong c¸c kªnh:
Rd
Rd B(m , L1 , Ptx , G
O S N Bm in(L1 , Ptx , G )
Rd
_B¾t ®Çu víi Ptx = -1 d Bm ; G = 1 0 d B; L1
= 5 0 km
_TÝnh O SN Bm in(5 0 , -1 , 1 0 ) → K
Rd
For L1 = 0 , 1 , 2 . . L
For Ptx = -1 0 , -9 . . 2
For G = 1 , 2 . . 40
No (G + Ptx -0 , 2 1 . L1 -0 , 1 . L/4) ≤ 2
∨
-2 5 < G + Ptx -0 , 2 1 . L-7 , 7 < -
1 0? Ye s
TÝnh O S N Bm in (L1 , Ptx , G )
Rd
O S N Bm in(L1 , Ptx , G )
Rd
→K. Ye s No
O SN Bm in(L1 , Ptx , G ) >
Rd
NhËn c¸c gi¸ trÞ K?
L1 , Ptx , G
_VÞ trÝ ®Æt EDFA: L1 _C«ng suÊt ph¸t:
Ptx
_HÖ sè khuÕch ®¹i G _TØ sè O S NR
_C«ng suÊt tÝn hiÖu thu ®­îc.
KÕt

7. Hình 7. Quan hệ giữa công suất (CS) nhiễu FWM, Hình 8. Quan hệ giữa OSNR của kênh thứ
ASE và CS tín hiệu của kênh 4 ứng với G=13dB 4 ứng với G=13dB theo công suất phát Ptx
theo CS Ptx.
Dựa vào 2 đồ thị hình 4 và 5 ta thấy công suất tín hiệu tăng gần như tuyến tính theo G,
trong khi đó trong đoạn G = 1dB÷22dB, nhiễu ASE là nhiễu trội so với nhiễu FWM nên tác
động chính đến tỉ số OSNR, loại nhiễu này có tốc độ tăng tương tự như đối với tín hiệu nên
OSNR trong đoạn này giảm không đáng kể. Trong đoạn còn lại G = 23dB ÷40dB, công suất
nhiễu FWM tăng nhanh và lớn hơn nhiều so với nhiễu ASE nên nó là nhiễu trội và làm OSNR
giảm đi đáng kể. Như vậy, OSNR lớn nhất đạt tại G = 1dB. Tuy nhiên hệ số khuếch đại này
làm công suất tín hiệu thu được tại máy thu quá nhỏ (không nằm trong dải công suất làm việc
của máy thu) nên phải tăng G đến 13dB.
Đồ thị hình 7 và 8 cho thấy công suất tín hiệu và công suất nhiễu FWM đều tăng
theo Ptx, công suất nhiễu ASE không thay đổi theo Ptx, tuy nhiên công suất nhiễu FWM dù
tăng lên vẫn nhỏ hơn nhiều so với nhiễu ASE do đó tổng công suất nhiễu ảnh hưởng đến hệ
thống chủ yếu là nhiễu ASE gần như không đổi vì vậy tỉ số OSNR tăng lên theo Ptx. Như trên
đồ thị ta thấy tỉ số OSNR lớn nhất đạt tại mức Ptx = 2dBm.
Tiến hành các bước tính toán tương tự như trên cho các tuyến có chiều dài thay đổi từ
100km đến 250km với bước thay đổi là 10km, chúng tôi xác định được các thông số tối ưu, từ
đó lập thành bảng 2 và vẽ đồ thị như hình 9. Từ đây ta có thể kết luận hệ số khuếch đại và vị
trí đặt EDFA tối ưu tăng tỉ lệ với chiều dài tuyến, trong khi đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu OSNR
tối ưu thì lại giảm khi khoảng cách tuyến truyền dẫn tăng lên.
Bảng 2. Các thông số tối ưu ứng với các tuyến truyền dẫn có chiều dài khác nhau.
Chiều dài Mức công suất Hệ số khuếch Vị trí đặt EDFA Tỉ số OSNR
tuyến (km) phát tối ưu (dBm) đại tối ưu (dB) tối ưu (km) tối ưu (dB)
100 2 1 5 57,72
110 2 3 13 53,48
120 2 6 26 50,13
130 2 8 35 48,03
140 2 10 43 46,04
150 2 13 56 42,92
160 2 15 64 40,98
170 2 17 73 38,83
180 2 20 86 35,76
190 2 22 94 33,87

8. 200 2 25 107 30,81
210 2 27 115 28,92
220 2 29 124 26,81
230 2 32 137 23,75
240 2 34 145 21,87
250 2 36 154 19,75
Vị trí đặt EDFA tối ưu
Tỉ số OSNR tối ưu
Hệ số khuếch đại G tối ưu
Hình 9. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số khuếch đại G,
OSNR và vị trí đặt EDFA tối ưu theo chiều dài các tuyến truyền dẫn
khác nhau.
5. Kết luận
Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng hiệu quả trong công tác thiết kế và khai
thác mạng. Ứng với mỗi tuyến truyền dẫn cụ thể có chiều dài khác nhau ta có thể xác định
ngay được mức công suất phát, hệ số khuếch đại của EDFA và vị trí đặt EDFA tối ưu trên
tuyến để thông tin truyền đi đạt chất lượng tốt nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Tấn Hưng, "Tính toán số kênh truyền cực đại trong hệ
thống WDM có EDFA mắc chuỗi dưới tác dụng của hiệu ứng FWM và nhiễu ASE
tích luỹ", Chuyên san tạp chí Bưu chính Viễn thông, số 12, tháng 8 năm 2004, trang
25-32.
[2] Wolgang Zeiler, Fabrizio Di Pasquale, member IEEE, Polina Bayvel, Member IEEE,
and John E. Midwinter, IEEE, “Modeling of Four-Wave Mixing and Gain Peaking in
Amplified WDM Optical Communication Systems and Networks”, Journal of
Lightwave Technology, Vol. 14, No. 9, September 1996.
[3] Nortel Networks Optera Long Haul 1600G, December 2002.
[4] P.C. Becker, N. A. Olson, Erbiumdoped fiber amplifiers, Fundamentals and
Technology, Academic Press, 1999.