5 letrungthanh

5 letrungthanh - doc for free download
Uploaded by: Tú Phùng Xuân

86163 downloads 86467 Views 1MB Size

Recommend Documents


5 5
5 5 - doc for free download

5 Kegiatan belajar 5
5 Kegiatan belajar 5 - pdf for free download

TEMA 5 TEMA 5
TEMA 5 TEMA 5 - pdf for free download

5 Capitulo 5 - 2011
5 Capitulo 5 - 2011 - pdf for free download

Chapitre 5 Chapitre 5
Chapitre 5 Chapitre 5 - pdf for free download

Rev-cei64-5-5
Rev-cei64-5-5 - pdf for free download

(5*7)+5*9^3
ans = 3650.6 A1P1b.m 6*35^(3/4)+14^(0.37) ans = 88.993 Problem 2.

5 DHBT 5. DENEME SINAVI
5 DHBT 5. DENEME SINAVI - doc for free download

NHÓM 5 5-DD13NL1-QTH
NHÓM 5 5-DD13NL1-QTH - doc for free download

5. BUSL301 Lecture Area 5
5. BUSL301 Lecture Area 5 - pdf for free download

Story Transcript


NGHIÊN CỨU VIỆC ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU HÌNH ĐƯỢC ĐIỀU CHẾ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP M-QAM QUA TUYẾN
THÔNG TIN SỢI QUANG CÓ SỬ DỤNG
BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
A STUDY ON PERFORMANCE EVALUATION OF M-QAM VIDEO SIGNALS OVER OPTIC
FIBER COMMUNICATION SYSTEMS WITH EDFA


LÊ TRUNG THÀNH
Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội



TÓM TẮT

Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu việc đánh giá chất lượng
truyền dẫn tín hiệu hình được điều chế bằng phương pháp M-QAM qua
tuyến thông tin quang có sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, trên cơ sở
xác định tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CNR (Carrier to Noise
Ratio), tỷ lệ lỗi bít- BER ở đầu thu phụ thuộc vào các nguồn tạp âm từ
EDFA và các bộ tách sóng PIN hoặc APD.

ABSTRACT

This paper proposes a method of evaluating the performance of M- QAM
modulated video signals over optic fiber communication systems with
EDFA; Carrier to Noise Ratio (CNR), Bit Error Rate at the receiver is
calculated, including the effect of noise sources on the performance
of the system.


1. Giới thiệu
Việc truyền dẫn tín hiệu hình tương tự được điều chế bằng phương pháp
điều tần FM hoặc điều biên AM đã được đưa ra trong một số công trình [6],
[7]. Tuy nhiên, để tận dụng hiệu quả băng tần, ngày nay tín hiệu hình
thường được điều chế bằng phương pháp QAM M mức (M-QAM). Trong các hệ thống
thông tin quang, bộ khuếch đại quang sợi EDFA được sử dụng để khuếch đại
trực tiếp tín hiệu quang, mà không phải qua biến đổi quang- điện hay điện-
quang. Tốc tộ và khoảng cách truyền dẫn từ đó cũng được tăng lên. Tuy vậy,
ngoài khuếch đại tín hiệu quang, EDFA còn tạo ra tạp âm phát xạ tự phát
được khuếch đại ASE (Amplified Spontaneous Emission), ảnh hưởng đến tỷ số
công suất sóng mang trên tạp âm ở đầu thu CNR và làm giảm khả năng hoạt
động của hệ thống.
Bài báo đưa ra phương pháp xác định chất lượng truyền dẫn tín hiệu
hình dựa vào CNR và tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) ở đầu thu cho cả hai
hệ thống dùng tách sóng PIN và APD.
2. Mô hình hệ thống
Việc truyền tín hiệu hình qua tuyến thông tin quang có sử dụng EDFA
được mô tả bởi sơ đồ sau:






trong đó, bộ tách sóng dùng phôtôđiốt PIN hoặc APD.
2.1. Hệ thống dùng phôtôđiốt PIN
Công thức tính CNR sau tách sóng quang được xác định [5]:
,
(1)
trong đó m là chỉ số điều chế quang; là dòng phôtô sau tách sóng;
tương ứng là đáp ứng và công suất quang đến của bộ tách sóng (,
là hiệu suất lượng tử); là tổng công suất tạp âm sau tách sóng.
Trong trường hợp hệ thống dùng tách sóng PIN, tổng công suất tạp âm sau
tách sóng được tính như sau [1],[3]:
, (2)
với tương ứng là công suất tạp âm lượng tử, công suất tạp âm phách
giữa tín hiệu- phát xạ tự phát, giữa phát xạ tự phát- tự phát, công suất
tạp âm cường độ tương đối và công suất tạp âm nhiệt sau tách sóng quang,
được xác định bởi:
;; ;
;,
trong đó là băng tần điện của bộ thu và băng tần quang của bộ lọc
quang sau EDFA; e, k, ,R, T lần lượt là điện tích electron, hằng số
Boltzman, số mode lan truyền ngang của quá trình phân cực (=2, với
EDFA), điện trở của bộ tách sóng và nhiệt độ tuyệt đối; là mật độ phổ
công suất của phát xạ tự phát; , G là hệ số phát xạ tự phát, hằng số
Planck, tần số quang và hệ số khuếch đại của EDFA;
Do vậy, trong trường hợp này CNR được xác định bởi công thức:
(3)

2.2. Hệ thống dùng phôtôđiốt APD
Tương tự, trong trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD, CNR sau tách
sóng được xác định bằng công thức:
(4)
trong đó: là hệ số nhân của APD, là hệ số nhiễu trội của APD.
3. Mối quan hệ giữa BER và CNR của hệ thống điều chế M-QAM
Với hệ thống điều chế M- QAM, sử dụng mã Gray, xác suất lỗi bit được
xác định theo công thức [2],[4]:
, (5)

trong đó M là số mức điều chế; tương ứng là năng lượng bit và mật độ
tạp âm; Q(x) được tính xấp xỉ : ; là CNR trung bình sau tách
sóng quang được tính:
(6)
ở đó, là biên độ được chuẩn hoá (theo biên độ cực đại) của tín hiệu
sóng mang cho ký hiệu thứ i (điểm tín hiệu thứ i).

4. Kết quả mô phỏng
Trong phần này ta sẽ mô phỏng cho hệ thống điều chế 16 mức (16- QAM),
giản đồ phân bố điểm tín hiệu cho ở hình 2:












Các tham số được giữ trong suốt quá trình mô phỏng này là:
,
Với chú ý quan hệ giữa công suất phát và công suất quang đến
như sau: . Ở đó , L lần lượt là hệ số suy hao sợi quang và khoảng
cách truyền dẫn của tuyến.











Hình 3 mô phỏng mối quan hệ giữa CNR và công suất phát (Ptx) với các
khoảng cách truyền dẫn khác nhau (G =15dB) khi sử dụng phôtôđiốt PIN. Ta
thấy CNR tăng nhanh theo công suất phát khi công suất phát còn nhỏ hơn
-15dBm. Khi công suất phát lớn hơn -15dBm thì CNR tăng chậm theo Ptx (đặc
tuyến có độ dốc ít dốc hơn). Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa CNR và hệ số
khuếch đại G của EDFA với các công suất phát khác nhau. Có nhận xét rằng
khi G tăng và nhỏ hơn 20dB thì CNR tăng theo G, tuy nhiên khi G>20dB thì
CNR không tăng theo G nữa và đạt đến giá trị bão hoà (giá trị G làm CNR bão
hoà xấp xỉ: ). Do vậy khi thiết kế hệ thống thông tin quang, G được
chọn từ dB là tối ưu. Hình 5 mô phỏng mối quan hệ giữa CNR và Ptx cho
các giá trị của G khác nhau. Từ đồ thị ta cũng có kết luận khi G tăng đến
một giá trị nào đó thì CNR tăng đến giá trị bão hoà. Điều này được giải
thích là do bức xạ tự phát được khuếch đại cũng được tăng theo G. Kết quả
là cho dù G có tăng lên thì CNR ở đầu thu cũng không tăng nữa và đạt đến
giá trị bão hoà. Hình 6 thể hiện mối quan hệ giữa CNR với hệ số suy hao
tổng của sợi quang với các giá trị công suất phát Ptx khác nhau. Ở đây hệ
số suy hao tổng được định nghĩa là , càng lớn tức khoảng cách
truyền dẫn càng nhỏ và ta thấy CNR càng tăng. Hình 7 mô phỏng mối quan hệ
giữa tỷ lệ lỗi bit BER và công suất phát Ptx cho các khoảng cách truyền dẫn
khác nhau.Từ đồ thị ta thấy khi khoảng cách truyền dẫn còn nhỏ thì cần công
suất phát ít hơn để đạt một giá trị BER yêu cầu nào đó (ví dụ muốn đạt
, ở khoảng cách L= 50km cần công suất phát tối thiểu là -33dBm; ở
khoảng cách L= 60km cần Ptx tối thiểu là -23dBm và ở L=70km cần Ptx tối
thiểu là -13 dBm). Đồng thời ở một khoảng cách nhất định muốn đạt BER yêu
cầu thì công suất phát cũng không được quá cao, điều này được giải thích là
do bức xạ tự phát được khuếch đại từ EDFA tăng theo công suất quang đầu vào
EDFA (tức do tính bão hoà của EDFA).













Hình 8 và hình 9 mô phỏng cho trường hợp hệ thống dùng phôtôđiốt APD.
Kết quả mô phỏng cho thấy khi công suất phát nhỏ hơn 0dBm thì CNR của hệ
thống dùng tách sóng APD lớn hơn hệ thống dùng tách sóng PIN (với G=10dB).
Tuy nhiên, khi công suất phát lớn hơn 0dBm thì CNR sau tách sóng dùng APD
tiến đến bão hoà và CNR sau tách sóng khi hệ thống dùng phôtôđiốt PIN sẽ có
giá trị lớn hơn. Kết quả này có thể được giải thích như sau: Khi hệ thống
dùng tách sóng APD, cả tín hiệu và tạp âm thác lũ sẽ được tăng theo hệ số
nhân thác của nó, làm cho khi công suất quang đến phôtôđiốt APD dù có
tăng thì CNR cũng không tăng nữa.





















Hình 10, hình 11 so sánh CNR của các hệ thống có số mức điều chế khác
nhau. Ta thấy khi số mức điều chế M tăng thì CNR cũng tăng theo tương ứng.
Hình 12 so sánh CNR của hệ thống không sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA và
hệ thống có sử dụng EDFA. Ta có nhận xét rằng khi công suất phát còn nhỏ (<
-20dBm) thì CNR của hai hệ thống có giá trị xấp xỉ nhau. Tuy nhiên khi công
suất phát tăng lên thì hệ thống sử dụng EDFA sẽ có CNR lớn hơn, tức là BER
nhỏ hơn và hoạt động tốt hơn. Hình 13 là so sánh BER phụ thuộc vào công
suất phát với số mức M khác nhau.
























5. Kết luận
Bài báo đã đưa ra phương pháp đánh giá chất lượng truyền tín hiệu
hình được điều chế bằng phương pháp M-QAM qua hệ thống thông tin sợi quang
có và không có sử dụng EDFA. CNR ở đầu thu cho cả hai hệ thống dùng tách
sóng PIN và APD được tính toán có xét đến ảnh hưởng của mọi nguồn tạp âm từ
các bộ tách sóng quang (PIN hoặc APD) và bộ khuếch đại quang sợi EDFA lên
hệ thống. Đồng thời, bài báo cũng mô phỏng cho một số trường hợp CNR thay
đổi theo công suất phát, theo số mức điều chế, khoảng cách truyền dẫn hay
hệ số khuếch đại G của EDFA. Các kết quả đạt được sẽ giúp cho các nhà thiết
kế các hệ thống truyền hình, đặc biệt là hệ thống truyền hình cáp (CATV) dễ
dàng chọn được các tham số thích hợp của hệ thống, thiết bị để đạt được
chất lượng truyền hình theo yêu cầu.




TÀI LIỆU THAM KHẢO


1] Vũ Văn San, Trần Hoàng Diệu, Phương pháp tính toán thiết kế cấu hình
tuyến thông tin quang sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA, Tuyển tập
công trình, Hội nghị Khoa học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông, Hà Nội, 2001.
2] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình Cơ sở truyền dẫn Viba số, Nhà xuất
bản Bưu điện, Hà Nội, 2001.
3] L.T.Thanh, T.Đ.Han, Study on increasing the number of users in WDM
star networks by using EDFAs, Journal of Science and Technique, No.104
(III-2003), Military Technical Academy, Hanoi 9/2003.
4] Bernard Sklar, Digital Communications, Prentice Hall, 1998.
5] Roberto Sabella, Performance analysis of wireless broadband systems
employing optical fiber links, IEEE Transactions on communications,
p.715-721, vol.47, No.5, May 1999.
6] F.V.C Mendis, CNR requirements for Subcarrier Multiplexed Multichannel
Video FM transmission on optical fiber, Electronic Letters, p.72-74,
Vol 25, No.1, Jan 1989.
7] J.A Chiddix, H.Loar, D.M. Pangrac, L.D. William, R.W. Wolfe, AM video
on fiber CATV systems: Need and Implementation, IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, p.1229-1239, Vol.8, No.7, Sep 1990.

-----------------------


Hình 1: Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu M- QAM qua sợi quang.



Hình 2. Giản đồ phân bố điểm tín hiệu 16-QAM sử dụng mã Gray






Hình 4. Quan hệ giữa CNR và G


Hình 3. Quan hệ giữa CNR và Ptx (thu PIN)




Hình 5. Quan hệ giữa CNR và Ptx






Hình 6. Mối quan hệ giữa CNR và suy hao tổng của sợi quang

Hình 7. Mối quan hệ giữa BER và Ptx



Hình 9. So sánh mối quan hệ giữa CNR và Ptx (khi dùng tách sóng PIN và
APD)

Hình 8. CNR và G (khi dùng tách sóng APD)




Hình 11. Quan hệ giữa CNR và G


với số mức điều chế khác nhau



Hình 13. So...

Life Enjoy

When life gives you a hundred reasons to cry, show life that you have a thousand reasons to smile

Get in touch

Social

© Copyright 2013 - 2019 DOCKUN.COM - All rights reserved.