dieu che dp-qpsk

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VIỄN THÔNG II

_____________

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

NIÊN KHÓA: 2008-2013

Đề tài:

ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP

MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT

Mã số đề tài: 12408160107

NỘI DUNG:

- CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

- CHƢƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM

- CHƢƠNG III: GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CƢỜNG

MSSV: 408160107

Lớp: Đ08VTA3

Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. ĐỖ VĂN VIỆT EM

TPHCM - 12/2012

Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT

SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang i

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM ............................................. 3

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng ...................................................................... 3

1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM ....................................................... 4

1.2.1 Bộ phát và thu quang......................................................................................... 4

1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang .................................................................................. 7

1.2.3 Bộ khuếch đại quang ......................................................................................... 7

1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM ....................................................... 9

1.2.5 Bộ kết nối chéo quang ..................................................................................... 10

1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM ....................................... 11

1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode .......................................................... 11

1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD) ............................................. 11

1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) ........... 13

1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến ................................................................................... 15

1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang ................................................................................ 18

1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM ................... 19

1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn ...................................................................... 19

1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống ................................................... 19

1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng ....................................................................... 20

1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh ........................................................................... 21

1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh .................................................................. 21

CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM ................... 23

2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM ........................................................................ 23

2.1.1 Khái niệm về điều chế ..................................................................................... 23

2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài ............................................................... 24

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp ....................................................................... 24


SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang ii

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài ........................................................................... 25

2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK) ...................................................... 28

2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent .......................................................................... 32

2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent ............................................................... 32

2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại: .................................................... 34

2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent ............................................................. 36

2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK .................................................................................. 39

2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK ..................................................................... 39

2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK ..................................................................... 40

2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK ............................................. 41

2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s ......................... 47

CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT ........... 50

3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s ......................... 50

3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena ..................................................... 53

3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena .......................................................... 53

3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s .............................................................. 54

3.3 Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G ................................................ 58

3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G ................................................................. 58

3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống .................................................. 63

3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bƣớc sóng: ............................................................... 63

3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới: ............................... 64

3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng: ........................................................ 65

3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ................................ 66

3.3.3.1 Mô hình 1 ................................................................................................. 66

3.3.3.2 Mô hình 2 ................................................................................................. 69

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 72

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75


SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM ................................................................. 3

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng .................................................... 3

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM ............................................................ 4

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang ......................................................................... 5

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang ........................................................................... 6

Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính ........................................................................... 7

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA .................................................. 8

Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman ................................................................. 9

Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator .............................................................. 10

Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hƣớng ........................................................ 10

Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang ............................................................................... 11

Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang ................................................. 12

Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode ............................................................................... 14

Hình 1.14 Bù PMD bằng phƣơng pháp quang và điện ................................................ 15

Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng ......................................................................... 20

Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh ............................................................................. 21

Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK ................................................................ 23

Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode ......................................................... 24

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài .......................................................... 25

Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực ............................................. 26

Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực ............................................... 27

Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption....................................................................... 28

Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK ........................................................ 28

Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK ...................................................................................... 29

Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ ......................................................... 30

Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ ................................................................. 31

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent ........................................................... 32

Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại ............................................................... 34

Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực ......................................... 35

Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward ........................................................... 36

Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK ..................................................... 39

Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK ................................................................. 39

Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK ..................................................... 40


SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iv

Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang ....................................................... 41

Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK ................................................................. 41

Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng............................................................................ 41

Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK ................................................................ 42

Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK .................................................................. 42

Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát ............. 44

Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu .............. 44

Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép ................................................ 46

Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP ................................................................... 47

Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bƣớc xử lý tín hiệu ........................................... 47

Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC ........................................ 49

Hình 3.1 Xu hƣớng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM ................................. 51

Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena................................................................... 53

Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena ................................................ 54

Hình 3.4 Kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s ............................................................. 55

Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709 .............................................................. 56

Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709 ................................................ 57

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G .............................................................. 59

Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena ............................................ 61

Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI .................................................................. 64

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ...................................... 66

Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát ..................................................................... 67

Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s ......................................... 67

Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km ...................... 68

Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian ...................................................................... 68

Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bƣớc sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s ............................ 69

Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trƣớc bộ DEMUX .................. 69

Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bƣớc sóng 10 Gb/s ................................... 70

Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau ...................... 71

Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề ............................... 71


SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu .......................................................................... 13

Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode .................................................. 14

Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit ............................................................ 22

Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM ............................................................................. 37

Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s ...................................................................... 37

Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s ............................................... 38

Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác ........................................................................... 38

Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK .................................. 45

Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK .................................... 45

Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba ................................................................................... 55

Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709 ................................................. 56

Bảng 3.3 Lƣới bƣớc sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G ................................... 61


SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 1

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp,

trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đƣờng dài cũng nhƣ mạng đô

thị và khu vực. Với những ƣu điểm nổi bật nhƣ tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp

lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa.

Tuy nhiên những năm gần đây, lƣu lƣợng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một

cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD,

lƣu trữ trực tuyến, điện toán đám mây, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng

lớn lên các mạng WDM. Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực

truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đƣờng dài.

Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn nhƣ Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã

thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100 Gb/s trên một bƣớc sóng, mở ra

triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s đang sử dụng lên

100 Gb/s. Những thách thức gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s lên

100 Gb/s bao gồm: ảnh hƣởng tiêu cực của tán sắc màu (CD), tán sắc phân cực mode

(PMD), hiệu ứng phi tuyến và tính tƣơng thích với hạ tầng quang đã đƣợc thiết kế cho

các hệ thống 10 Gb/s. Trƣớc những thách thức nhƣ vậy, các kỹ thuật điều chế tín hiệu

tiên tiến, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc (FEC) có hiệu năng cao, kỹ thuật số xử lý tín hiệu

điện (DSP) sẽ là những công nghệ chủ chốt cho tốc độ 100 Gb/s để sử dụng lại hạ tầng

quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10 Gb/s.

Trong số các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến nhƣ DBPSK, DQPSK,

RZ-DQPSK, DP-QPSK, ITU-T thấy rằng DP-QPSK là kỹ thuật có khả năng miễn

nhiễm cao đối với CD và PMD, và có phổ tín hiệu đủ hẹp để hỗ trợ cả hai tốc độ 130

Gb/s và 112 Gb/s trên các hạ tầng quang có khoảng cách kênh 50 GHz. Diễn đàn liên

mạng quang (OIF) cũng lựa chọn DP-QPSK nhƣ là ứng cử viên sáng giá nhất cho các

sản phẩm có tốc độ 100 Gb/s. Bằng việc hỗ trợ DP-QPSK, OIF muốn kích thích thị

trƣờng cung cấp linh kiện quang và điện tử dùng cho tốc độ 100 Gb/s. Vào tháng 8

năm 2008, OIF đã công bố kế hoạch tiêu chuẩn hóa DP-QPSK nhƣ là phƣơng thức

điều chế cho tốc độ 100 Gb/s trong mạng WAN, với mục tiêu là tạo đƣợc một sự hỗ

trợ rộng lớn hơn từ các nhà cung cấp các module và linh kiện nhằm chế tạo các thiết bị

100 Gb/s với giá thành hợp lý.



DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là

PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK

(Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với

ghép phân cực. Hai tín hiệu QPSK đƣợc truyền đi trên hai phân cực trực giao của sóng

mang, do đó đã làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn so với dạng điều chế QPSK trong

khi vẫn sử dụng cùng một băng tần. Giải điều chế DP-QPSK sử dụng máy thu quang

Coherent (tách sóng Coherent), tín hiệu sau tách sóng đƣợc đƣa đến bộ xử lý tín hiệu

số DSP và đƣợc khôi phục về dạng chuỗi bit ban đầu. Trong công nghệ truyền dẫn tốc

độ 100 Gb/s, thƣờng sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật điều chế DP-QPSK và mã sửa lỗi

FEC để giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống [1].

Tại Việt Nam, vào tháng 2 năm 2011, VTN cùng với Ciena đã thử nghiệm thành

công công nghệ 100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G đoạn từ Vinh đến Đà Nẵng

(dài khoảng 500 km). Điều đó cho thấy VTN hoàn toàn có thể triển khai hệ thống

mạng 100 Gb/s trên đƣờng trục Bắc Nam. Do vậy em đã chọn đề tài “Điều chế DP-

QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT” với mục đích tìm hiểu về điều chế

DP-QPSK cũng nhƣ ứng dụng của kỹ thuật điều chế này vào việc nâng cấp mạng lên

tốc độ 100 Gb/s. Nội dung chính của đề tài đƣợc trình bày trong ba chƣơng:

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM

CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót,

rất mong nhận đƣợc những sự bổ sung, góp ý của thầy cô cũng nhƣ bạn đọc quan tâm

để đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn.

Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em, ngƣời đã

tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, bổ sung kiến thức cho em trong thời gian vừa qua. Em

cũng xin chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã trang bị kiến thức

cho em và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Văn Cƣờng

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM

1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng

Wavelength Division Multiplexing (WDM) – ghép kênh phân chia theo bƣớc

sóng, là một phƣơng thức ghép kênh tƣơng tự nhƣ ghép kênh phân chia theo tần số

trong vô tuyến, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thông tin quang. Các hệ thống WDM sử

dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng, trong khi các hệ thống

SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Sự khác

nhau giữa hai phƣơng thức ghép kênh này đƣợc thể hiện trên hình dƣới đây [2]:

10110

11010

00110

10101

11010100101111100001

10110

11010

00110

10101

10110

11010

00110

10101

(a) Ghép kênh phân chia theo thời gian

(TDM)

(b) Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng

(WDM)

Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM

WDM cho phép chúng ta tăng dung lƣợng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ

bit của đƣờng truyền và cũng không cần dùng thêm sợi quang. Bằng cách ghép nhiều

sóng quang có bƣớc sóng khác nhau nhờ vào bộ MUX (multiplexer) rồi truyền đi trên

1 sợi quang. Ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) để tách các sóng khác

nhau ra. Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bƣớc sóng

riêng rẽ. Nguyên lý của WDM nhƣ sau:

M

U

X (λ1,……,λN)

λ1 λN

Tx1

Tx2

TxN

Rx1

Rx2

RxN

……

..

……

..

λ1

λ2

λN λN

λ2

λ1

M

U

X

D

E

M

U

X

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng



Trong WDM có thể chia thành hai loại: ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao

(Dense Wavelength Division Mutiplexing – DWDM) và ghép kênh theo bƣớc sóng

thô (Coarse Wavelength Division Mutiplexing – CWDM). Khi khoảng cách giữa các

bƣớc sóng nhỏ hơn 1 nm thì ta gọi là ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao. DWDM

chỉ những tín hiệu quang đƣợc ghép trong dải 1550 nm, tận dụng đƣợc khả năng

khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bƣớc sóng từ 1530-1560 nm). Một hệ

thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu sau: bộ phát/thu quang, bộ

ghép/tách kênh, các bộ khuếch đại, bộ ghép xen/rớt quang, bộ kết nối chéo

quang…(hình 1.3). Ƣu điểm của công nghệ DWDM so với công nghệ SONET/SDH:

Dung lƣợng truyền dẫn rất lớn (một hệ thống 40 Gb/s, sử dụng 40 kênh thì

đã có thể truyền dẫn một dung lƣợng 1,6 Tbit/s).

Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, ngay cả khi hệ

thống vẫn còn đang hoạt động.

Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt.

Giảm chi phí vận hành bảo dƣỡng.

MUX DEMUX

OADM

OLA OLA

Tx1

TxN

Tx2 Rx2

Rx1

RxN

……

…..

……

…..

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM

1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM

1.2.1 Bộ phát và thu quang

Bộ phát quang

Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát. Các bộ phát quang sử dụng trong hệ

thống DWDM hiện nay thƣờng sử dụng nguồn quang là laser hồi tiếp phân bố DFB

(Distributed Feedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg

Reflector Laser). Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đƣợc nghiên cứu, ƣu

điểm của nguồn quang loại này là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao. Nói chung các

nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu nhƣ: độ chính xác của bƣớc sóng phát, độ

rộng phổ hẹp, dòng ngƣỡng thấp, có khả năng điều chỉnh đƣợc bƣớc sóng, tính tuyến

tính và nhiễu thấp. Các yêu cầu trên đối với nguồn quang nhằm tránh các loại nhiễu,

đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi bit thấp và

đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn của hệ thống.



Các loại laser trên có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 – 0,3 nm) và hoạt động ổn định.

Chúng thƣờng đƣợc ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển. Tuy

nhiên cần lƣu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt đƣợc độ

phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt. Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và

thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lƣợng của laser. Nhìn chung, trong

laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động nên vật

liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR. Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng

có một số đặc tính khác nhau. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc

tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR có sự chuyển đổi từ mode

này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng.

Đơn vị biến

đổi dữ liệu

Kích thích

laser

Mạch điều

khiển laserĐiều khiển điều

chế và phân cực

Điều khiển

nhiệt độ PD LD

Dữ liệu

Xung kích

Transmitter

Giám sát

phân cực

Quang

Làm lạnh

Cảnh báo vào giám

sát công suất ra

Cảnh báo và giám

sát nhiệt độ

Giám sát

mặt sau

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang

Một bộ phát của một kênh (một bƣớc sóng) thƣờng bao gồm: nguồn quang, bộ

ghép tín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu và mạch điều khiển công suất (hình 1.4).

Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài đƣợc đƣa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến

đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock). Tại đây, dữ liệu đƣợc biến đổi về dạng phù

hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho laser. Trong trƣờng

hợp tổng quát, bộ phát quang sử dụng LED cũng bao gồm các thành phần nhƣ trên.

Nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tƣơng tự thì mạch điều chế tín hiệu sẽ đơn giản hơn.

Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các

máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang đƣợc tích hợp trong một gói. Các

gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm với dòng kích thích khoảng 40 mA [3].

Ánh sáng từ nguồn quang phải đƣợc điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền

bằng phƣơng pháp điều biến cƣờng độ. Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao

để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do sự điều biến



qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu. Các gói DFB kết hợp với các

bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao. Tuy

nhiên cũng có một số hạn chế nhƣ độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hƣởng bởi

nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết.

Bộ thu quang

Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ

thu phải thích hợp với bộ phát cả về bƣớc sóng sử dụng và phƣơng thức điều chế, đồng

thời phải đƣợc thiết kế để đƣa ra mức tín hiệu phù hợp. Cấu trúc bộ thu quang gồm có:

bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu, bộ cân bằng (Equalizer), bộ lọc, mạch

khôi phục xung đông hồ, mạch quyết định bit và các bộ xử lý tín hiệu số (hình 1.5).

Toàn bộ cấu trúc này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu quang ở phía phát thành tín

hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các

bƣớc xử lý tiếp theo nhƣ quá trình tái tạo tín hiệu. Độ phức tạp của mạch giải điều chế

phụ thuộc vào phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng.

Bộ tách sóng Bộ tiền KĐ Equalizer Bộ KĐ

Bộ

lọc

Mạch quyết

định bit

Mạch khôi phục

xung đồng hồ

Dữ liệu đƣợc

khôi phục

Tín hiệu

quang vào

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang

Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào

thành tín hiệu điện, do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu trên đƣờng truyền nên tín

hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần đƣợc đƣa đến bộ tiền khuếch đại. Yêu cầu của

bộ tiền khuếch đại là phải có nhiễu thấp. Equalizer có vai trò cân bằng lại băng thông

và giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung. Bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại có

chức năng loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn sinh ra do quá trình xử lý

tín hiệu. Bộ thu quang thƣờng sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang. Có

hai loại photodiode là PIN và APD. Photodiode PIN yêu cầu công suất thấp nhƣng

kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía

trƣớc. APD do có hiệu ứng nhân thác lũ nên dòng quang điện đƣợc khuếch đại ngay

trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thƣờng đƣợc sử

dụng trong các tuyến thông tin quang đƣờng dài. Xét về độ ổn định thì APD kém hơn

PIN nhiều vì hệ số nhân thác lũ của APD phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp phân cực.



Cấu tạo của một photodiode thông thƣờng bao gồm một lớp tiếp giáp P-N hoạt

động ở chế độ dòng phân cực ngƣợc, tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon. Ánh sáng

tới lọt vào vùng nghèo này và bị hấp thụ và sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống. Điện

trƣờng phân cực ngƣợc trên lớp tiếp giáp P-N sẽ làm cho cặp điện tử – lỗ trống này di

chuyển ra khỏi vùng nghèo và ra mạch ngoài tạo thành dòng điện. Photodiode PIN có

thêm một lớp bán dẫn I (nguyên chất) giữa hai lớp P-N, chiều rộng của lớp bán dẫn I

đƣợc xác định sao cho tất cả photon đi vào đều đƣợc hấp thụ tại lớp bán dẫn I. APD có

cấu tạo gồm bốn lớp P+-I-P-N

+. Lớp I hấp thụ photon đi vào, lớp P-N

+ có điện trở suất

lớn nhất hình thành vùng nhân điện tử để xảy ra hiệu ứng nhân thác lũ, cho phép

khuếch đại dòng quang điện ngay trong APD.

Trong bộ thu có một số tham số quan trọng nhƣ đáp ứng phổ, thời gian lên, độ

rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy máy thu.

Đáp ứng phổ là một hàm của bƣớc sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng đƣợc

dùng. Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt, nhiễu lƣợng tử và nhiễu dòng tối. Độ nhạy

máy thu là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu đƣợc tín hiệu

với tỉ số lỗi bit BER định trƣớc.

1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang

Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận đƣợc (tín hiệu quang đa bƣớc

sóng) thành các tín hiệu có tần số khác nhau. Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì

ngƣợc lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một

tia sáng để truyền vào sợi quang. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị

tách/ghép kênh thụ động và thiết bị tách/ghép kênh tích cực. Thiết bị tách/ghép kênh

thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc.

Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị

thụ động với các bộ lọc điều hƣởng, trong đó mỗi bộ lọc cộng hƣởng với một tần số

nhất định. Sau đây là một ví dụ đơn giản về tách kênh sử dụng lăng kính:

Sợi

quang

Thấu

kínhLăng kính

n2

n1

12 nn

n ,..., 21

Thấu

kính

Các sợi

quang

1

2

n

Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính

1.2.3 Bộ khuếch đại quang

Suy hao đã giới hạn khoảng cách truyền dẫn của tuyến quang, muốn khắc phục

điều này cần phải sử dụng các bộ khuếch đại. Trƣớc khi có các bộ khuếch đại quang



ngƣời ta đã sử dụng các bộ lặp quang – điện. Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch

đại các bƣớc sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang – điện – quang. Ngày nay

trong các hệ thống WDM thƣờng sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber

Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) và khuếch đại Raman.

Cấu trúc của một bộ khuếch đại EDFA đƣợc minh họa trên hình 1.7. Erbium

(Er) là một nguyên tố đất hiếm. Các ion Er3+

khi đƣợc kích thích sẽ phát ra ánh sáng có

bƣớc sóng khoảng 1.55 m – là bƣớc sóng có suy hao thấp đƣợc sử dụng trong các hệ

thống WDM. Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra hiện tƣợng: Các

photon tín hiệu kích thích các ion Er3+

ở vùng giả bền, hiện tƣợng phát xạ kích thích

xảy ra. Lúc đó, các ion Er3+

bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lƣợng từ mức năng

lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp ở vùng nền. Và phát xạ ra photon mới có cùng

hƣớng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bƣớc sóng. Nhƣ vậy tín hiệu ánh sáng

đã đƣợc khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích

thích xảy ra trong khoảng bƣớc sóng 1530 – 1565 nm, đây cũng là vùng bƣớc sóng

hoạt động tốt nhất của EDFA.

Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt đƣợc sự nghịch đảo nồng

độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion Er3+

lên trạng thái kích thích. Có hai

cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp (bơm ngƣợc) tại bƣớc sóng 1480 nm hoặc

bơm gián tiếp (bơm xuôi) ở bƣớc sóng 980 nm. Có thể kết hợp cả bơm xuôi và bơm

ngƣợc để đạt đƣợc độ lợi lớn hơn. Độ lợi của EDFA thƣờng vào khoảng 20 dB đến 40

dB, tùy vào ứng dụng của nó.

Hiện nay, ngƣời ta có thể chế tạo đƣợc bộ khuếch đại hoạt động trong băng L. Về

nguyên lý hoạt động thì EDFA băng L cũng giống EDFA băng C, nhƣng cấu tạo thì có

những điểm khác biệt, ngƣời ta thƣờng thiết kế nhiều tầng và kết hợp nhiều nguồn

bơm cùng lúc. Độ lợi của EDFA băng L nhỏ hơn EDFA băng C khoảng 3 lần nhƣng

phổ độ lợi bằng phẳng hơn [4].

Bơm xuôi

980 nm

Bơm ngƣợc

1480 nm

Phổ tín hiệu quang vào Phổ tín hiệu quang ra

Sợi pha ion Erbium

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA



Trong những tuyến truyền dẫn có cự ly dài, ngƣời ta thƣờng sử dụng thêm bộ

khuếch đại Raman. Bộ khuếch đại Raman đƣợc chế tạo dựa trên hiệu ứng Raman do

Chandrasekhara Venkata Raman, nhà bác học ngƣời Ấn độ phát hiện vào năm 1928.

Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman đƣợc minh họa trên hình 1.8. Trong

khuếch đại Raman, tín hiệu quang đƣợc khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi

quang silic bình thƣờng. Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Bộ ghép

Coupler dùng để ghép các bƣớc sóng tín hiệu vào sóng bơm. Bộ cách ly Isolator đặt ở

hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch

đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hƣớng ngƣợc về phía đầu vào có

thể gây ảnh hƣởng đến tín hiệu đầu vào. Laser bơm (Pump Laser) dùng để cung cấp

năng lƣợng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo

ra sự nghịch đảo nồng độ.

Pump

Laser

Sợi quang thƣờng

Tín hiệu

vào nhỏ

Tín hiệu

ra lớn

Coupler

Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman

So với khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản,

nhiễu thấp, dễ chọn băng tần, độ lợi lớn và phổ độ lợi bằng phẳng. Tuy nhiên khuếch

đại Raman có hiệu suất khuếch đại thấp hơn và có hiện tƣợng xuyên âm tín hiệu do

hiện tƣợng tán xạ Raman kích thích.

1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM

Việc xen hoặc rớt một hoặc nhiều bƣớc sóng tại một số điểm trên đƣờng truyền

là rất cần thiết. Do đó cần có các bộ ghép xen/rớt để thực hiện chức năng này. Ngoài

các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bƣớc sóng, các OADM còn có khả năng

chặn một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại. OADM là một phần quan

trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang.

Có hai loại thiết bị OADM. Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố định đƣợc cấu hình

vật lý để rớt một số bƣớc sóng cụ thể đã định trƣớc trong khi xen thêm các bƣớc sóng

khác. Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bƣớc

sóng để xen/rớt (ROADM). Các công nghệ để chế tạo nên thiệt bị OADM thƣờng là:



công nghệ cách tử Bragg, công nghệ điện môi màng mỏng và cách tử ống dẫn sóng

dạng mảng.

Circulator 1 Circulator 2

FBG

Ra

Rớt Xen

λG λG

λ1, λ2, λ3,...

A1 B1

B2A2

λG

Vào

Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator

Trên hình 1.9 miêu tả cấu tạo của một OADM đơn giản sử dụng cách tử Bragg

sợi quang (FBG) và Circulator. Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này nhƣ sau:

ánh sáng đƣợc đƣa vào cổng A1 và đƣợc định hƣớng tới FBG có bƣớc sóng phản xạ là

λG, ánh sáng có bƣớc sóng này bị cách tử phản xạ trở lại Circulator 1 và tách ra ở cổng

A2, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đƣa tới Circulator 2. Ở

Circulator 2, một tín hiệu khác có bƣớc sóng λG đƣợc đƣa vào cổng B2, tín hiệu này bị

cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng B1.

ROADM – Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer – OADM cấu hình lại

đƣợc, hình sau đây mô tả một WSS ROADM (WSS: Wavelength Selectable Switch:

chuyển mạch có khả năng lựa chọn bƣớc sóng):

Rớ

t

Xen

Rớ

t

Xen

Khuếch đại Khuếch đại

MUX/DEMUX MUX/DEMUX

WSS 1x9 WSS 1x9

Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hướng

1.2.5 Bộ kết nối chéo quang

Đối với các mô hình mạng đơn giản nhƣ mô hình mạng vòng hoặc tuyến tính thì

OADM là sự lựa chọn tối ƣu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng

đáp ứng yêu cầu của mạng. Nhƣng trong tƣơng lai, khi yêu cầu về khả năng linh động

trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phƣơng tiện đòi hỏi phải đáp



ứng đƣợc sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại không đáp ứng đƣợc.

Khi đó cần phải triển khai mạng mắt lƣới với phần tử trung tâm là các bộ kết nối chéo

quang OXC.

λ1... λN

λ1... λN

λ1... λN

λ1... λN

λ1... λN

λ1... λN

M sợi

đầu vàoM sợi

đầu ra

Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang

Thiết bị nối chéo quang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng

xen/rẽ. Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bƣớc sóng. Các

cổng xen/rẽ cho phép chèn và tách một số bƣớc sóng. OXC thực hiện các chức năng

sau đây: ghép và tách kênh, xen/rớt kênh quang, chuyển mạch không gian và có thể cả

chuyển đổi bƣớc sóng. Điều này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa

các sợi đầu vào và các sợi đầu ra (và có thể nối xuyên giữa bƣớc sóng vào và bƣớc

sóng ra). Yêu cầu cơ bản đối với OXC là:

Có khả năng tự động cung cấp thêm các kênh bƣớc sóng nếu nhu cầu băng thông

tăng lên.

Bảo vệ đƣờng quang với các sự cố nhƣ đứt cáp, sự cố nút mạng.

Giám sát chất lƣợng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu thực hiện

chức năng đo đạc, giám sát chất lƣợng truyền dẫn.

Chuyển đổi bƣớc sóng.

Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn

quang.

Ghép và nhóm tín hiệu: cho phép hoạt động với các tín hiệu có tốc độ bit không

tƣơng ứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang.

1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM

1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode

1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD)

Tán sắc là hiện tƣợng trải rộng xung ở ngõ ra so với ngõ vào, gây nên sự chồng

lấn xung và giao thoa giữa các ký tự. Làm tăng tỉ lệ lỗi bit dẫn đến giảm cự ly truyền

dẫn hoặc hạn chế tốc độ bit trên một kênh. Tán sắc chính là một trong những yếu tố

gây khó khăn khi tăng tốc độ bit trên 1 kênh lên 40 Gb/s và hơn nữa.



Nhƣ chúng ta đã biết, vận tốc ánh sáng truyền trong sợi quang phụ thuộc vào

chiết suất của sợi quang, mà chiết suất của sợi quang đối với các ánh sáng đơn sắc

khác nhau là không giống nhau. Các nguồn laser sử dụng trong hệ thống DWDM có

độ rộng phổ rất hẹp nhƣng ánh sáng do chúng phát ra không phải là đơn sắc, do đó lúc

truyền đi trên sợi quang sẽ có những thành phần ánh sáng di chuyển với vận tốc khác

nhau và gây ra hiện tƣợng tán sắc màu.

Mỗi loại sợi quang có độ tán sắc riêng và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số tán sắc, đơn

vị: ps/(nm.km). Nói chung hệ số tán sắc phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi quang và

bƣớc sóng của ánh sáng truyền qua. Hình 1.12 thể hiện đặc tính tán sắc của một số loại

sợi quang đơn mode [5].

ITU G.652: Single Mode Fiber – SMF: Sợi SMF là sợi quang đang đƣợc sử

dụng phổ biến nhất hiện nay, hệ số tán sắc của sợi SMF bằng 0 tại bƣớc sóng

1310 nm và khoảng 17 ps/(nm.km) tại bƣớc sóng 1550 nm. Các hệ thống

DWDM sử dụng bƣớc sóng trong cửa sổ 1550 nm, tuy nhiên tán sắc tại cửa sổ

này là khá lớn và đây chính là một nhƣợc điểm của sợi G.652. Do vậy ngƣời ta

đã chế tạo ra sợi G.653 – sợi dịch tán sắc.

ITU G.653: Dispersion-Shifted Fiber – DSF: Sợi này đã dịch tán sắc bằng 0 từ

cửa sổ 1310 nm lên cửa sổ 1550 nm. Tuy nhiên vấn đề gặp phải khi dịch tán sắc

bằng 0 lên cửa sổ 1550 nm là ảnh hƣởng nặng nề của hiệu ứng phi tuyến và tán

sắc phân cực mode. Nên trong thực tế sợi DSF không đƣợc sử dụng nữa, và

ngƣời ta đã phát triển một loại sợi quang mới G.655 – sợi dịch tán sắc khác 0.

ITU G.655: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber – NZDSF: Đặc điểm của sợi

này là có hệ số tán sắc khác 0 trong cửa sổ 1550 nm (khoảng 3 ps/(nm.km) tại

1550 nm), đã khắc phục đƣợc những hạn chế của sợi DSF, và là sợi quang tối

ƣu cho các hệ thống DWDM. Tuy nhiên do chi phí cao và do lịch sử lắp đặt cáp

quang nên hiện nay sợi SMF vẫn là sợi đƣợc sử dụng phổ biến nhất.

Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang



Ảnh hưởng của tán sắc màu đến cự ly truyền dẫn:

Tán sắc màu làm tăng tỉ lệ lỗi bit và do đó hạn chế khoảng cách truyền dẫn trƣớc

khi tái tạo tín hiệu và bù tán sắc. Trong hệ thống DWDM sử sụng laser DFB, cự ly

truyền dẫn tối đa trƣớc khi bù tán sắc và tái tạo thƣờng đƣợc tính theo công thức sau

đây [5]:

, (1.1)

với CD (ps/(nm.km)) là hệ số tán sắc, B (Gb/s) là tốc độ bit của một kênh. Dựa vào

hình 1.12 và công thức (1.1), ta đƣa ra bảng so sánh sau:

Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu

Bit rate G.652 (λ = 1550 nm) G.655 (λ = 1550 nm)

10 Gb/s 61,2 km 346,7 km

40 Gb/s 3,8 km 21,7 km

100 Gb/s 0,6 km 3,47 km

Từ bảng trên ta nhận thấy rằng khi tốc độ bit tăng lên thì khoảng cách truyền dẫn

tối đa giảm một cách nhanh chóng, và gần nhƣ bằng 0 tại tốc độ 100 Gb/s (G.652).

Tán sắc màu là tƣơng đối ổn định và có thể đo đƣợc bằng các dụng cụ đo tán sắc, vì

vậy có thể sử dụng các phƣơng pháp bù tán sắc để loại bỏ ảnh hƣởng của chúng. Các

kỹ thuật bù tán sắc bao gồm: bù trƣớc, bù sau, sử dụng sợi DCF, cách tử Bragg sợi

quang… Các kỹ thuật bù tán sắc hiện nay có chi phí tƣơng đối cao và làm tăng thêm

suy hao cũng nhƣ tán sắc phân cực mode của tuyến quang. Nên người ta đang nghiên

cứu những kỹ thuật điều chế mới có sự miễn nhiễm cao đối với CD cũng như PMD !

1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD)

Ánh sáng truyền trong sợi quang gồm 2 thành phần phân cực vuông góc với nhau

mà ta gọi là 2 mode trực giao. Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên

phƣơng truyền của 2 mode này thì hiện tƣợng tán sắc phân cực mode xảy ra. Khác với

tán sắc màu, tán sắc phân cực mode có tính ngẫu nhiên, thay đổi theo thời gian và phụ

thuộc vào điều kiện môi trƣờng. Tán sắc phân cực mode tỷ lệ tuyến tính với căn bậc

hai chiều dài của sợi quang.

Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng đã đƣợc phân cực có

thể bị phân chia thành các thành phần đƣợc sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi

quang: một trục nhanh và một trục chậm. Cần chú ý là các trục này không nhất thiết

phải tƣơng ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính. Trong cáp quang thực tế, tính

định hƣớng của các trục này và sự khác nhau tƣơng đối về tốc độ truyền tƣơng ứng với

mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lƣỡng chiết bên trong) thay đổi dọc



theo đƣờng dẫn quang. Trong mỗi đoạn của sợi quang, hƣớng của các trục lƣỡng chiết

thay đổi. Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục

nhanh và ánh sáng theo trục chậm. Vì tính hƣớng tƣơng đối của các trục này trong các

phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rộng theo thời gian.

Với những bƣớc sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng đƣợc đƣa vào sợi

quang có thể chỉnh sửa để xung không trải rộng. Trong thực tế, có hai trạng thái phân

cực trực giao tồn tại. Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tƣơng ứng với thời

gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất. Sự

khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này đƣợc gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tƣơng

ứng với bƣớc sóng đó và PMD đƣợc xác định là giá trị trung bình theo bƣớc sóng của

DGD (hình 1.13). PMD tỉ lệ với căn bậc 2 chiều dài sợi quang: √ , với

DPMD là hệ số PMD, đơn vị √ . Ví dụ: sợi G.652 có DPMD = 0,5 √ .

Differential Group Delay - DGD

Polarization Mode Dispersion - PMD

Xung

quang

Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode

Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode:

Ảnh hƣởng của tán sắc phân cực mode tăng lên khi tăng tốc độ bit trên một kênh

cũng nhƣ tăng cự ly truyền dẫn. Tuy nhiên có thể cho phép tối đa một lƣợng tán sắc

phân cực mode bằng khoảng 10% chu kỳ của một bit [5]. Bảng dƣới đây sẽ cho ta thấy

ảnh hƣởng của PMD khi tăng tốc độ bit:

Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode

Tốc độ bit Chu kỳ bit Giới hạn PMD

10 Gb/s 100 ps 10 ps

40 Gb/s 25 ps 2,5 ps

100 Gb/s 10 ps 1 ps

Ngƣời ta đã phát triển các khối bù tán sắc màu DCM để thực hiện việc bù tán sắc

phân cực mode (DCMs). Hình 1.14 là một ví dụ về bù PMD bằng phƣơng pháp quang

và điện, phƣơng pháp này thƣờng sử dụng cho các tuyến cáp cũ, cự ly dài và có chỉ số

PMD cao. Tuy nhiên giá thành khá cao và không bù đƣợc triệt để.



Các mạch xử lý

tín hiệu quang

Mạch phản hồi

và điều chỉnh

Mạch đánh giá

PMD

Hình 1.14 Bù PMD bằng phương pháp quang và điện

1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến

Hiệu ứng quang đƣợc gọi là phi tuyến nếu các tham số của nó phụ thuộc vào

cƣờng độ ánh sáng (công suất). Tính phi tuyến trong sợi quang có những hiệu ứng

tƣơng tự nhƣ các hệ thống vật lý khác, là cơ học hoặc điện tử. Tính phi tuyến làm phát

sinh các hài và các tần số khác nhau. Các tín hiệu phát sinh này lại gây ra các suy hao

không mong muốn trong các mạng truyền thông quang.

Tính phi tuyến của sợi quang trở nên đáng chú ý khi cƣờng độ tín hiệu laser

(công suất trên một đơn vị diện tích) đạt đến giá trị ngƣỡng. Đồng thời, các hiệu ứng

phi tuyến cũng trở thành tất yếu sau khi các tín hiệu vƣợt qua một độ dài nào đó của

sợi quang, phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của cấu trúc và các điều kiện hoạt động

của sợi quang. Nói chung sợi quang có diện tích hiệu dụng càng nhỏ thì càng bị ảnh

hƣởng nặng nề của các hiệu ứng phi tuyến. Do đó ngƣời ta có xu hƣớng chế tạo các

loại sợi G.655 mới có diện tích hiệu dụng lớn nhƣ TrueWave XL, LEAF… Các loại

sợi này có diện tích hiệu dụng khoảng 70-80 μm2, lớn hơn so với NZ-DSF (50 μm

2).

Các hiệu ứng phi tuyến thƣờng chia thành hai loại, đó là hiện tƣợng tán xạ và

hiện tƣợng chiết suất. Với hiện tƣợng tán xạ, tín hiệu laser bị tán xạ bởi các sóng âm

(các phonon âm thanh) hoặc các dao động trong phân tử sợi quang (các phonon ánh

sáng) và sẽ bị dịch đến các bƣớc sóng dài hơn. Hai hiện tƣợng tán xạ thƣờng thấy là

tán xạ ngƣợc Brillouin kích thích (hiện tƣợng phonon âm) và tán xạ Raman kích thích

(hiện tƣợng phonon quang). Trong các hiện tƣợng chiết suất, công suất tín hiệu đủ cao

để chiết suất không thể coi là hằng số nữa mà xấp xỉ theo công thức sau:

n = n0 + n2.I , (1.2)

với n0 là chiết suất tuyến tính, I là cƣờng độ tín hiệu, n2 là hệ số phi tuyến (khoảng 2

đến 3.10-16

cm2/W với sợi quang silic). Các hiện tƣợng chiết suất bao gồm tự điều chế

pha SPM, điều chế pha chéo XPM và hiệu ứng trộn bốn sóng FWM. Dƣới đây là

những nét cơ bản về các hiệu ứng phi tuyến nói trên.



a. Tán xạ Brillouin kích thích – SBS

Trong hiệu ứng này, tín hiệu laser tạo ra các vùng tuần hoàn hoặc thay đổi chiết

suất, có nghĩa là một cách tử tuần hoàn truyền đi nhƣ một sóng âm từ tín hiệu. Những

phản xạ do cách tử ảo này gây ra xuất hiện nhƣ ánh sáng tán xạ ngƣợc, đƣợc khuếch

đại và tác động do hiệu ứng Doppler dịch tần số thấp hơn (bƣớc sóng dài hơn). Hiệu

ứng SBS dẫn đến suy giảm tín hiệu theo hƣớng truyền và gây ra nhiễu vì có nhiều

năng lƣợng quang bị tán xạ ngƣợc.

Với các sợi quang G.653 tại bƣớc sóng 1552 nm chẳng hạn, tín hiệu bị tán xạ

ngƣợc bị dịch xuống phía dƣới khoảng 10,7 GHz (0,085 nm) với băng tần cỡ 60 MHz.

Với sợi quang G.652 trong cùng cửa sổ, tín hiệu bị tán xạ ngƣợc bị dịch xuống khoảng

11 GHz (0,088 nm) với băng tần cỡ 30 MHz [3]. Theo kinh nghiệm thì nên xem xét

SBS nhƣ một vấn đề về điện thế (potential) nếu ánh sáng đơn sắc trên 6 dBm đƣợc đƣa

vào sợi quang. Nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển để khử SBS trong các hệ thống thực

tế. Kỹ thuật thông dụng nhất là rung nhanh (~50 kHz) sóng mang qua một dải tần

khoảng 1 GHz, lớn hơn rất nhiều so với băng tần SBS (30 đến 60 MHz).

b. Tán xạ Raman kích thích – SRS

Nếu đƣa vào trong sợi quang hai hay nhiều tín hiệu có bƣớc sóng khác nhau thì

SRS gây ra sự chuyển năng lƣợng từ các kênh có bƣớc sóng thấp (năng lƣợng cao)

sang các kênh có bƣớc sóng cao hơn (năng lƣợng thấp hơn). Hiện tƣợng tán xạ Raman

kích thích thƣờng đƣợc ứng dụng để chế tạo các bộ khuếch đại Raman. Hệ số tán xạ

Raman khoảng 10-12

cm/W nhỏ hơn so với hệ số tán xạ Brillouin (10-9

cm/W). Tuy

nhiên, tần số tín hiệu lại bị dịch đến những giá trị thấp hơn rất nhiều (từ 10 đến 15 THz

trong cửa sổ 1550 nm, hoặc tại bƣớc sóng dài hơn 100 nm) với băng tần rộng hơn

nhiều (khoảng 7 THz hay 55 nm).

Trang 72 và 73 của tài liệu [6] có đƣa ra 2 công thức tính công suất ngƣỡng cho

SBS và SRS:

Đối với SBS: . (1.3)

Đối với SRS: . (1.4)

Trong đó: - d: đƣờng kính lõi sợi quang (μm),

- λ: bƣớc sóng sử dụng (μm),

- α: hệ số suy hao (dB/km),

- ν: độ rộng phổ của laser (GHz).

Ví dụ: Sợi quang đơn mode có hệ số suy hao 0,5 dB/km hoạt động tại bƣớc sóng

1,3 μm, có đƣờng kính lõi 6 μm và độ rộng phổ của laser 600 MHz:

PB = 4,4.10-3

.62.1,3

2.0,5.0,6 = 80,3 (mW),

PR = 5,9.10-2

.62.1,3.0,5 = 1,38 (W).



c. Tự điều chế pha SPM

Khi cƣờng độ tín hiệu laser trở nên quá cao, tín hiệu có thể tự điều chế pha. Việc

điều chế này nới rộng phổ của tín hiệu và tạm thời nới rộng hoặc nén tín hiệu, phụ

thuộc vào dấu (âm hay dƣơng) của tán sắc sắc thể. Một sự dịch chuyển các bƣớc sóng

ngắn xảy ra tại phần đuôi của tín hiệu và dịch chuyển các bƣớc sóng dài tại phần đầu

tín hiệu. Trong các hệ thống WDM, sự nới rộng phổ do SPM gây ra trong một kênh tín

hiệu có thể giao thoa với các tín hiệu liền kề.

SPM tăng lên khi công suất đƣa vào kênh tăng (sợi quang cố định với diện tích

hiệu dụng cố định), khi tốc độ bit của kênh tăng và trong trƣờng hợp tán sắc sắc thể

mang dấu âm (-). SPM không bị ảnh hƣởng nhiều khi giảm khoảng cách kênh và tăng

số lƣợng kênh. Hiệu ứng này giảm xuống khi tán sắc sắc thể có giá trị không hoặc giá

trị dƣơng nhỏ, khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang và khi bù tán sắc.

d. Điều chế pha chéo XPM

SPM là giới hạn phi tuyến chủ yếu trong hệ thống đơn kênh. Trong hệ thống đa

kênh, độ dịch pha của một kênh phụ thuộc không những vào cƣờng độ của chính kênh

đó mà còn phụ thuộc vào cƣờng độ của những kênh khác. Nghĩa là trong trƣờng hợp

này tín hiệu của một kênh điều chế pha của tín hiệu trong kênh khác. XPM cũng nhạy

với các tham số giống nhƣ SPM, ngoài ra còn nhạy với sự tăng số lƣợng kênh. XPM

không bị ảnh hƣởng nghiêm trọng khi giảm khoảng cách kênh nhƣng giảm trong các

trƣờng hợp: tăng diện tích hiệu dụng của sợi và bù tán sắc. Trong các hệ thống sử dụng

sợi có diện tích hiệu dụng lớn thì XPM không phải là một vấn đề quá quan trọng.

e. Hiệu ứng trộn bốn sóng FWM

Đây là hiệu ứng phi tuyến có tính chất phá vỡ nhiều nhất trong các hệ thống

DWDM. Khi cƣờng độ tín hiệu laser đạt đến giá trị tới hạn, các tín hiệu bóng xuất hiện

và một số có thể rơi vào các kênh có thực, gây nhiễu các kênh này. Số lƣợng kênh

bóng đƣợc tính theo công thức N2(N-1)/2 với N là số kênh tín hiệu [3]. Theo cách tính

này thì trong một hệ thống 4 kênh sẽ xuất hiện 24 kênh bóng, hệ thống 8 kênh xuất

hiện 224 kênh bóng, hệ thống 16 kênh xuất hiện 1920 kênh bóng. Sự giao thoa giữa

các kênh này sẽ rất ảnh hƣởng trầm trọng tại phía thu.

Hiệu ứng trộn bốn sóng rất nhạy với sự giảm khoảng cách kênh, tăng số lƣợng

kênh và giảm tán sắc màu. Hiệu ứng này đặc biệt nghiêm trọng trong hệ thống sử dụng

sợi quang dịch tán sắc G.653. Với sợi quang dịch tán sắc khác không (G.655) thì ít bị

ảnh hƣởng hơn, đặc biệt khi sợi có diện tích hiệu dụng lớn. FWM không bị ảnh hƣởng

nhiều khi tăng tốc độ bit của kênh. Khi tăng diện tích hiệu dụng của sợi quang hoặc

tăng giá trị tuyệt đối của tán sắc sắc thể thì có thể giảm FWM. Trong cửa sổ 1550 nm,

ảnh hƣởng của FWM không nghiêm trọng đối với sợi quang chƣa dịch tán sắc G.652

so với sợi quang dịch tán sắc G.653 vì tán sắc tƣơng đối phẳng trong khi sƣờn tán sắc

lại dốc hơn.



1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang [4]

Nhiễu trong bộ thu quang là nguyên nhân làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu và

dẫn đến giảm độ nhạy của máy thu:

, (1.5)

. (1.6)

Nhiễu lƣợng tử

Nhiễu lƣợng tử sinh ra do sự va đập giữa các hạt photon trong quá trình tạo ra dòng

photon (dòng điện ở ngõ ra của photodiode ứng với công suất quang tới):

. (1.7)

Trong đó:

- e là điện tích của electron,

- Ip là dòng photon trung bình, tức là dòng điện ở ngõ ra của photodiode,

- B là băng thông của bộ thu,

- M là hệ số nhân thác lũ của APD (với PIN thì M = 1),

- F(M) = Mx là hệ số nhiễu của APD (với PIN thì F(M) = 1).

Nhiễu dòng tối

Dòng tối là dòng sinh ra khi không có ánh sáng tới và dòng này sinh ra nhiễu:

, với Id là dòng tối. (1.8)

Nhiễu nhiệt

Nhiễu nhiệt là nhiễu sinh ra do điện trở tải của diode thu quang cũng nhƣ trở kháng

đầu vào của bộ tiền khuếch đại:

, (1.9)

trong đó K là hằng số Boltzman, Fn là hệ số nhiễu và RL là điện trở tải.

Ta có:

, (1.10)

với R là đáp ứng của photodiode và P0 là công suất quang ngõ vào. Thay tất cả giá

trị vào (1.3) ta đƣợc công thức tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu:

( ) ( )

. (1.11)

Nhiễu trong bộ thu quang đã làm ảnh hƣởng đến độ nhạy của máy thu và đây

chính là hạn chế của tách sóng trực tiếp, nếu sử dụng tách sóng Coherent sẽ hạn chế

đƣợc điều này và làm tăng độ nhạy của máy thu lên khoảng từ 10 đến 20 dB. Tách

sóng Coherent sẽ đƣợc xem xét trong chƣơng 2.



1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM

1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn

Bên cạnh những ƣu điểm đã đƣợc nêu ra trong mục 1.1, thì các hệ thống DWDM

hiện nay cũng tồn tại những hạn chế. Và những hạn chế này cần đƣợc khắc phục kịp

thời trƣớc sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của ngành viễn thông. Có thể nói rằng hạn

chế lớn nhất của các hệ thống DWDM hiện nay chính là năng lực truyền dẫn. Các hệ

thống hiện nay chủ yếu vẫn đang khai thác công nghệ 10 Gb/s trên một kênh bƣớc

sóng ở băng C và một phần của băng L. Vài năm gần đây đã đƣa vào khai thác công

nghệ 40 Gb/s, nhƣng đó cũng chỉ là một giải pháp tạm thời trƣớc khi có những bƣớc

đột phá để nâng tốc độ lên 100 Gb/s và hơn thế nữa.

Có thể xem năng lực truyền dẫn của một hệ thống nhƣ thể tích của khối chữ nhật

gồm 3 chiều:

Optical Bandwidth: băng tần quang.

Channel density: mật độ kênh.

Channel bit rate: tốc độ bit của một kênh.

Năng lực truyền dẫn (bit/s) = (tổng băng tần)*(mật độ kênh)*(tốc độ bit của một

kênh), trong đó:

Tổng băng tần (Hz): phụ thuộc vào băng tần của bộ khuếch đại quang.

Mật độ kênh (1/Hz): số kênh trên băng tần quang = 1/(khoảng cách kênh).

Tốc độ bit của một kênh (bit/s): (bit/symbol)*(symbol/s).

Về băng tần quang: hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và một phần của băng L

(1530 nm – 1610 nm), tức là nhỏ hơn 10 THz.

Về khoảng cách kênh: chủ yếu là 100 GHz và 50 GHz.

Về tốc độ bit: 10 Gb/s và 40 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng.

Ngƣời ta thƣờng hay dùng khái niệm hiệu suất phổ (Spectral Efficiency – SE)

để đánh giá năng lực truyền dẫn của một hệ thống DWDM:

SE = (tốc độ bit của một kênh)/(khoảng cách kênh) = bit/s/Hz, SE càng lớn có

nghĩa là khả năng tận dụng băng tần của sợi quang càng cao. Để tăng SE thì hoặc là

tăng tốc độ bit trên một kênh, hoặc là giảm khoảng cách kênh.

Ví dụ hệ thống mạng Flashwave 7500 (FUJITSU) đang đƣợc VTN khai thác ở

khu vực phía Nam, sử dụng công nghệ 40 Gb/s, khoảng cách kênh 100 GHz [7]. Suy

ra hiệu suất phổ: SE = 40Gb/s/100GHz = 0,4 bit/s/Hz – hiệu suất phổ thấp.

1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống

Để nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống DWDM, có những giải pháp sau:

Mở rộng băng tần sử dụng.

Tăng mật độ kênh, tức là giảm khoảng cách kênh.

Tăng tốc độ bit trên một kênh bƣớc sóng.



1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng

Băng tần của sợi quang là rất lớn, gồm 6 băng sóng cơ bản O - E - S - C - L - U,

phạm vi bƣớc sóng từ 1260 nm – 1675 nm, tƣơng đƣơng với 58,95 THz.

1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

0.8

0.7

Su

y h

ao

(d

B/k

m)

O E S C L U

Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng

Ghi chú:

- Đƣờng màu đỏ là đặc tính suy hao của sợi SSMF G.652, đƣờng màu xanh là

đặc tính suy hao của sợi Corning SMF-28e.

- O: Original: gốc,

- E: Extended: mở rộng,

- S: Short: ngắn,

- C: Conventional: quy ƣớc,

- L: Long: dài,

- U: Ultra-long: siêu dài.

Hiện nay chỉ mới sử dụng băng C và L, muốn mở rộng băng tần thì cần phải sử

dụng cả những băng còn lại. Tuy nhiên băng tần của bộ khuếch đại quang (OA) lại bị

giới hạn trong băng C và băng L dẫn đến băng tần sử dụng cũng bị hạn chế ( < 10

THz). Ngoài ra còn phụ thuộc vào băng tần của các khối bù tán sắc (DCM) và suy hao

cho phép đối với các sợi SMF cũ thuộc băng O, C, L. Mở rộng băng tần cũng dẫn đến

tăng chi phí mua sắm, vận hành, bảo trì OA và DCM.

Như vậy mở rộng băng tần gặp phải rất nhiều khó khăn trong thời điểm hiện tại

cũng như trong những năm sắp tới !



1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh

Các hệ thống hiện tại chủ yếu sử dụng khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz.

Giảm khoảng cách kênh: 100 GHz → 50 GHz → 25 GHz → 12,5 GHz; 12,5 GHz sẽ

là giới hạn trong một khoảng thời gian dài [8]. Không thể giảm khoảng cách kênh mãi

đƣợc, do những nguyên nhân sau:

Lasers không ổn định dẫn đến chồng lấn giữa các kênh, độ rộng phổ do các laser

phát ra có giới hạn nhất định.

Các bộ lọc (Filters) không lọc hết tín hiệu từ kênh bên cạnh nếu các kênh sát

nhau quá.

Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh

Ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến khi giảm khoảng cách kênh (xem mục 1.3.2).

Tăng số lƣợng kênh sẽ làm tăng tổng công suất phát vào một sợi quang, dẫn đến

tăng ảnh hƣởng xấu của hiệu ứng phi tuyến đến tín hiệu.

Ngoài ra còn một lý do rất quan trọng, đó là: cơ sở hạ tầng của mạng hiện tại phù

hợp cho hệ thống mạng có khoảng cách kênh 100 GHz và 50 GHz, nếu muốn

giảm khoảng cách kênh sẽ phải đầu tƣ thêm nhiều chi phí mua sắm thiết bị mới.

1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh

Tăng tốc độ bit từ 10 Gb/s lên 40 Gb/s, 100 Gb/s và hơn nữa… Ta xét hai trƣờng

hợp:

Tăng tốc độ bit nhƣng không tăng hiệu suất phổ:

Đối với điều chế hai mức (bi-level modulation) nhƣ On-Off Keying, BPSK: Tăng

tốc độ bit của kênh bao nhiêu thì cũng tăng độ rộng phổ của kênh bấy nhiêu, tức

là giảm mật độ kênh bấy nhiêu. Vậy năng lực truyền dẫn sẽ không tăng.

Tăng tốc độ bit đồng thời với tăng hiệu suất phổ: Những khó khăn gặp phải:

- Ảnh hƣởng nặng nề của tán sắc và hiệu ứng phi tuyến (bảng 1.3).

- Tần số của các mạch điện tử hiện đã tiến dần đến giới hạn cao nhất.

- Tiêu hao năng lƣợng lớn, bức xạ lớn.

- Khó thiết kế mạch, giá thành cao.

- Phải phù hợp với cơ sở hạ tầng đang sử dụng.

Tần số



Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit [9]

10 Gb/s 40 Gb/s 100 Gb/s

Độ nhạy CD 1 x 16 x 100

Độ nhạy PMD 1 x 4 x 10

OSNR yêu cầu 1 + 6dB + 10dB

Độ nhạy phi tuyến 1 x 4 x 10

Băng thông điện 10 GHz 40 GHz 100 GHz

Bảng 1.3 đã cho ta thấy những khó khăn gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10

Gb/s lên 40 Gb/s và 100 Gb/s (trên hạ tầng quang thiết kế cho hệ thống 10 Gb/s). Ví

dụ đối với PMD, với tốc độ 10 Gb/s cho phép 1 lƣợng PMD tối đa là 10 ps thì lúc

nâng lên 100 Gb/s chỉ còn 10/10 = 1 ps. Đòi hỏi phải bù chính xác PMD ?

Để giải quyết những thách thức và khó khăn trên chúng ta cần phải sử dụng

những kỹ thuật điều chế mới với yêu cầu:

Tốc độ bit cao: ≥ 100 Gb/s trên một kênh bƣớc sóng.

Khoảng cách truyền dẫn xa (trƣớc khi phải dùng Regeneration).

Hiệu suất phổ cao để tiết kiệm băng tần: ≥ 2 bit/s/Hz.

Tính miễn nhiễm của tín hiệu đối với CD, PMD, phi tuyến cũng nhƣ hiệu năng

của các phƣơng pháp bù CD và PMD.

Khả năng chịu đƣợc các bộ lọc quang dải hẹp: Khi đi qua những bộ lọc này tín

hiệu ít bị méo và ít gây ra ảnh hƣởng (Inter-Symbol-Interference, ISI) giữa các

ký tự quang.

Dạng phổ hẹp, gọn, phân bố năng lƣợng trên các bƣớc sóng đều.

Tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp, hệ số phẩm chất Q (Q-factor) cao.

Giảm giá thành cho các hệ thống mới.

Dễ nâng cấp cho các hệ thống đang sử dụng.

Trong số những kỹ thuật điều chế tiên tiến đã đƣợc nghiên cứu, các nhà sản xuất

thiết bị hàng đầu nhƣ Nortel (bây giờ là Ciena), Alcatel-Lucent, Fujitsu, Huawei… đã

lựa chọn DP-QPSK làm kỹ thuật điều chế sử dụng trong công nghệ 100 Gb/s (kết hợp

với tách sóng Coherent). Tuy nhiên cũng cần phải nói thêm rằng, để công nghệ 100

Gb/s thành công thì ngoài kỹ thuật điều chế DP-QPSK còn cần phải sử dụng thêm

những kỹ thuật khác; nhƣ kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc

FEC… Tất cả những thành phần này đều rất quan trọng trong việc ứng dụng công

nghệ 100 Gb/s vào thực tế. Trong khuôn khổ đề tài này, chủ yếu trình bày về kỹ thuật

điều chế DP-QPSK, những vấn đề còn lại chỉ được giới thiệu một cách tóm tắt mà

không đi sâu vào cụ thể. Những vấn đề liên quan đến điều chế và lý thuyết về kỹ thuật

điều chế DP-QPSK sẽ được trình bày trong nội dung của chương 2.

Chƣơng 2: Kỹ thuật điều chế DP-QPSK trong DWDM


CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM

2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM

2.1.1 Khái niệm về điều chế

Điều chế (modulation) là quá trình mã hóa số liệu vào sóng mang, nghĩa là thay

vì truyền số liệu thì ngƣời ta truyền sóng mang mang thông tin số liệu đi trên đƣờng

truyền (đƣờng truyền có thể là vô tuyến hoặc hữu tuyến). Quá trình điều chế xảy ra

trong máy phát, ở máy thu xảy ra quá trình ngƣợc lại: giải điều chế. Giải điều chế là

quá trình tách số liệu từ trong sóng mang. Sóng mang thƣờng đƣợc sử dụng là sóng

dạng sin:

e(t) = As cos(ωst + ϕ(t)), (2.1)

trong đó: As là biên độ của sóng mang, ωs = 2πfs là tần số góc, fs là tần số và ϕ(t) là

pha của sóng mang. Trong mọi trƣờng hợp quá trình điều chế bao gồm khóa chuyển

biên độ, tần số hay pha cho sóng mang theo luồng số liệu vào. Vì vậy tồn tại ba

phƣơng thức điều chế cơ bản: điều chế khóa chuyển biên (ASK – Amplitude Shift

Keying), điều chế khóa chuyển tần số (FSK – Frequency Shift Keying) và điều chế

khóa chuyển pha (PSK – Phase Shift Keying). Hình 2.1 minh họa dạng sóng của các

kiểu điều chế này:

1 1 00 1

ASK

FSK

PSK

t

t

t

Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK

Nếu tín hiệu đƣa vào điều chế là tín hiệu liên tục thì ta có quá trình điều chế

tƣơng tự, nếu tín hiệu đƣa vào điều chế là tín hiệu số thì ta có quá trình điều chế số.

Trong cuốn đồ án này sẽ trình bày về điều chế số sử dụng trong thông tin quang. Điều

chế trong thông tin quang cũng tƣơng tự nhƣ trong vô tuyến nhƣng tần số sóng mang

sử dụng trong điều chế quang (cỡ vài trăm THz) lớn hơn nhiều so với tần số sóng



mang sử dụng trong điều chế vô tuyến ( nhỏ hơn 300 GHz). Dải tần số sử dụng trong

tuyền dẫn quang sợi là từ 178,98 THz (~1675 nm) đến 237,93 THz (~1260 nm), đây là

dải tần số tối ƣu cho truyền thông tin qua sợi quang.

Về điều chế trong thông tin quang, có thể chia làm hai loại cơ bản: điều chế

cƣờng độ và điều chế trong thông tin quang Coherent. Điều chế cƣờng độ kết hợp với

tách sóng trực tiếp sẽ đƣợc xem xét trong mục 2.1.3, điều chế trong thông tin quang

Coherent kết hợp với tách sóng Coherent sẽ đƣợc trình bày trong mục 2.2. Về phƣơng

thức điều chế, ta có điều chế trực tiếp và điều chế ngoài, phần nội dung tiếp theo sẽ

trình bày về hai phƣơng thức điều chế này.

2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài

2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp

Điều chế trực tiếp (direct modulation) hay còn gọi là điều chế nội (internal

modulation) đƣợc sử dụng trong các hệ thống tốc độ thấp. Trong kiểu điều chế này,

mạch điều chế nằm ngay trong bộ phát laser và tín hiệu điều chế đƣợc thực hiện bằng

cách thay đổi dòng điện kích thích chạy qua laser. Dòng điện kích thích thay đổi theo

tín hiệu thông tin từ giá trị dƣới mức ngƣỡng đến giá trị trên mức ngƣỡng, ví dụ bit

đầu vào là “1” thì laser phát ánh sáng và bit đầu vào là “0” thì laser tắt. Hình sau đây

mô tả một mạch phát quang sử dụng kỹ thuật điều chế trực tiếp:

_

+

Dữ liệu

Giám sát ra

VDC

Phân cực

- 5,2V

VBB

VDRIVE

Q1 Q2

Q3

Q4

LD PD

Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode

Dữ liệu phát đƣợc đƣa vào cực B của transistor Q1, cực B của transistor Q2 đƣợc

cố định bởi nguồn phân cực VBB. Khi tín hiệu ngõ vào lớn hơn VBB, Q1 dẫn và Q2 tắt,

dòng qua LD (Laser Diode) giảm làm LD ngƣng phát sáng. Ngƣợc lại khi tín hiệu ngõ

vào nhỏ hơn VBB, Q1 tắt và Q2 dẫn, dòng qua LD tăng làm LD phát sáng. Q3 đóng vai



trò cung cấp nguồn dòng ổn định cho mạch vi sai Q1 và Q2. Q4 kết hợp với mạch hồi

tiếp dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ổn định dòng qua LD dƣới tác động của

nhiệt độ, cũng nhƣ cung cấp tín hiệu cho việc giám sát nhiệt độ làm việc của LD phục

vụ công việc cảnh báo và bảo dƣỡng cho bộ phát quang. Vai trò của photodiode PD là

thu ánh sáng từ laser phát ra và tạo ra dòng quang điện tỷ lệ với công suất phát quang

của laser. Vì vậy khi công suất quang ngõ ra thay đổi (do sự thay đổi của nhiệt độ)

dòng quang điện sẽ thay đổi làm cho dòng điện phân cực cũng thay đổi theo bù lại

những thay đổi trong công suất quang của laser [4]. Nhƣợc điểm của kỹ thuật điều chế

trực tiếp:

Băng thông điều chế bị giới hạn bởi tần số dao động tắt dần của laser.

Hiện tƣợng chirp làm tăng độ rộng phổ của xung ánh sáng (đối với laser DFB).

Không ứng dụng đƣợc trong các hệ thống đòi hỏi công suất phát quang lớn

(>30mW) nhƣ các mạng truyền dẫn cự ly xa hay mạng truyền hình cáp.

Kỹ thuật điều chế ngoài (external modulation) có thể khắc phục đƣợc những hạn

chế của kỹ thuật điều chế trực tiếp.

2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài

Tại tốc độ 10 Gb/s và cao hơn, kỹ thuật điều chế trực tiếp không đáp ứng đƣợc

do những hạn chế đã nêu ở trên. Lúc này ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài.

Điều chế ngoài (external modulation) là một kỹ thuật mà tín hiệu đƣợc điều chế ở một

bộ điều chế riêng biệt nằm ngoài laser. Nhƣ vậy lúc này ánh sáng do laser phát ra là

sóng liên tục (Continuous Wave – CW) nên tránh đƣợc hiện tƣợng chirp cũng nhƣ

khắc phục đƣợc sự hạn chế về băng thông và công suất phát.

Bộ điều chế

ngoàiPD

Điện tử kích thíchTín hiệu vào (xung RZ

hoặc NRZ)

CWTín hiệu quang

sau khi điều chế

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài

Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai bộ điều chế sử dụng trong kiểu điều chế

ngoài: Mach-Zehnder Modulator và Electroabsorption Modulator.

a. Mach-Zehnder Modulator

Mach-Zehnder Modulator là bộ điều chế giao thoa kế chế tạo từ vật liệu LiNbO3

(Lithium Niobate), là loại vật liệu có chiết suất phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh



sáng do laser phát ra đi vào bộ giao thoa kế đƣợc chia thành hai phần bằng nhau. Khi

không có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này không bị

dịch pha và kết hợp với nhau tạo thành sóng ánh sáng có dạng nhƣ ban đầu. Khi có

điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này lệch pha 180o và

triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là ánh sáng đã đƣợc điều biến về cƣờng độ. Sự lệch pha

giữa hai thành phần ánh sáng là do vận tốc khác nhau trên hai đƣờng đi có chiết suất

khác nhau (vận tốc của ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất của môi trƣờng ánh sáng

truyền qua). Độ lệch pha giữa hai thành phần này cũng có thể điều khiển đƣợc bằng

cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc chia làm 2 loại,

loại một cực và loại hai cực:

Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực (Single-Drive Mach-Zehnder

Interferometer Modulator – SDMZIM):

Hai ống dẫn sóng chia đôi tín hiệu quang vào, một trong hai tín hiệu quang đƣợc

điều chế bởi điện áp v(t), sau đó hai tín hiệu quang đƣợc cộng lại tại đầu ra. Ta có

công thức sau xác định tín hiệu quang tại đầu ra [8]:

* (

)+ , (2.2)

với Vπ là điện áp phân cực ngƣỡng, sao cho nếu đặt v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa hai

tín hiệu bằng π, Vπ càng nhỏ thì càng tốt.

Nếu v(t) = 0 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):

* (

)+

[ ] .

Nếu v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra không có tín hiệu

quang (OFF):

[ (

)]

[ ]

[ ]

[ ] .

+v(t) -v(t)

Tín hiệu

quang vào

Tín hiệu

quang ra

Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực

SDMZIM chỉ dùng cho điều chế công suất, không dùng cho điều chế pha.



Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực (Dual-Drive Mach-Zehnder

Interferometer Modulator – DDMZIM):

Khác với bộ điều chế một cực, ở bộ điều chế hai cực cả hai tín hiệu quang đƣợc

điều chế bởi v1(t) và v2(t) [8]:

* (

) (

)+. (2.3)

+v1(t) -v1(t)

+v2(t) -v2(t)

Tín hiệu

quang vào

Tín hiệu

quang ra

Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực

Nếu v1(t) và v2(t) bằng 0 thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu

quang (ON):

[ ] .

Nếu v1(t) = Vπ/2 và v2(t) = –Vπ/2 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra

không có tín hiệu quang (OFF):

[ (

) (

)]

* (

) (

) (

) (

)+ .

Nếu v1(t) = v2(t) = v(t), tín hiệu sẽ đƣợc điều chế pha tùy vào giá trị của v(t).

Trong các bộ điều chế Mach-Zehnder hiện đại, có thể thực hiện điều chế với

băng thông lên đến 75 GHz. Điện áp điều chế 5V nhƣng có thể giảm xuống dƣới 3V

với một thiết kế phù hợp [10].

b. Electroabsorption Modulator

Thƣờng đƣợc gọi là bộ điều chế sử dụng hiệu ứng hấp thụ điện quang, xem hình

2.6 [10]. Đây là bộ điều chế sử dụng nguyên lý của hiệu ứng Franz-Keldysh: Khi

không có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì bƣớc sóng của ánh sáng tới dài hơn bƣớc

sóng cắt của chất bán dẫn và ánh sáng sẽ truyền qua bình thƣờng. Ngƣợc lại khi có

điện áp đặt lên chất bán dẫn thì độ rộng dải cấm (bandgap) của nó giảm và lớp bán dẫn

sẽ hấp thụ ánh sáng tới (khi độ rộng dải cấm giảm thì bƣớc sóng cắt tăng lên).



p-contact

Absorbing

MQW layers

p-type

n-type

n-type substrate

Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption

Một ƣu điểm của bộ điều chế Electroabsorption so với bộ điều chế Mach-

Zehnder là vật liệu chế tạo cũng là chất bán dẫn nhƣ vật liệu chế tạo laser, nên có thể

tích hợp với các loại laser (DFB và DBR) trên một chip. Ngoài ra, điện áp điều chế

cũng nhỏ hơn, chỉ một vài volt tại tốc độ bit lên đến 40 Gb/s. Do đó bộ điều chế này

thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM. Vào năm 2001, ngƣời ta đã giới thiệu

một bộ điều chế Electroabsorption tích hợp có băng thông lớn hơn 50 GHz và có khả

năng hoạt động ở tốc độ bit lên đến 100 Gb/s [10].

2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK)

Hệ thống DWDM mà chúng tã đã trình bày trong chƣơng 1 thƣờng đƣợc gọi là

hệ thống IM/DD, sử dụng kỹ thuật điều chế cƣờng độ (Intensity Modulation – IM) kết

hợp với tách sóng trực tiếp (Direct Detection – DD). Cụ thể hơn, kỹ thuật điều chế sử

dụng ở đây là On-Off Keying (khóa On-Off). Phần này chỉ trình bày thêm một số đặc

điểm của kỹ thuật điều chế này cũng nhƣ ƣu nhƣợc điểm của nó.

Q

I

[0] [1] Ea

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

P (dBm)

Tần số 193,1 THz

40 Gbps NRZ OOK

Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK



Các đặc điểm của điều chế OOK:

Điện trƣờng trong mặt phẳng phức:

- Data = “0” → e(t) = 0 → tắt.

- Data = “1” → e(t) = Ea → mở.

Mã hóa 1 bit trên 1 ký tự quang (1 bit/1 optical symbol).

Độ rộng phổ tỷ lệ với bit rate hoặc symbol rate, có nghĩa là tăng tốc độ bit lên

bao nhiêu lần thì cũng tăng độ rộng phổ lên bấy nhiêu lần.

Tần số và pha của tín hiệu quang có thể thay đổi trong phạm vi cho phép.

Có thể sử dụng điều chế trực tiếp hoặc điều chế ngoài.

Sơ đồ máy phát quang và bộ điều chế: xem hình 1.4, 2.2 và 2.3.

a. Máy thu trong điều chế OOK:

BPF

LPF

Clock

recovery

Tín hiệu

quang vàoDữ liệu đã

khôi phục

Bo Vphân cực

i(t)

v(t)

Be

ClockKhuếch đạiOptical

Electrical

Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK

Tín hiệu quang rơi trực tiếp lên photodiode mà không qua “sơ chế” bằng LO (bộ

dao động nội).

Tách sóng theo quy luật bình phƣơng, dòng điện sau photodiode (không xét đến

nhiễu):

I(t) = R.|e(t)|2, với R là đáp ứng của photodiode. (2.4)

- Dòng điện tƣơng ứng với bit 0: I(t) = R.|0|2 = 0.

- Dòng điện tƣơng ứng với bit 1: I(t) = R.|Ea|2.

- Nếu coi R = 1, thì khoảng cách (về điện) giữa 2 mức tín hiệu tƣơng ứng với bit

0 và 1 là |Ea|2.

Nếu hệ thống sử dụng khuếch đại quang thì ngoài các loại nhiễu đã nêu trong

mục 1.3.3, trong bộ thu quang còn xuất hiện loại nhiễu ASE (thƣờng đƣợc gọi là

tạp quang). Khi đi qua photodiode tạp quang này trộn với tín hiệu quang tạo ra 2

thành phần nhiễu [8]:

,

, (2.5)



trong các hệ thống đƣờng dài thì (Psig-ase + Pase-ase) lớn hơn nhiễu trong công thức (1.6)

hàng ngàn lần cho nên ngƣời ta quan tâm nhiều hơn đến tạp quang và OSNR.

Nếu hệ thống không sử dụng khuếch đại quang thì không có tạp quang và nhiễu

sau photodiode có phân bố xác suất dạng Gaussian. Ngƣợc lại, nếu hệ thống có

sử dụng khuếch đại quang thì có tạp quang và nhiễu sau photodiode có phân bố

xác suất dạng χ (Chi). Xem trên hình 2.9:

Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ

b. Các dạng xung quang cơ bản

NRZ (Non Return-to-Zero): Có độ rộng xung bằng độ rộng bit, công suất quang

chiếm 100% thời gian bit 1.

66%-RZ: Công suất quang chiếm 66% thời gian của bit 1, độ rộng xung tại điểm

-3dB của công suất đỉnh bằng 66% độ rộng chuẩn Ts của xung. Độ rộng phổ lớn

hơn khoảng 1,3 lần so với dạng NRZ.







Ta có một số nhận xét sau:

- Xung càng hẹp thì phổ càng rộng nên dễ bị ảnh hƣởng của CD.

- Xung hẹp thì OSNR tức thời cao, nói chung dạng xung 50%-RZ và 66%-RZ

đƣợc lợi khoảng 2 dB và 1,7 dB OSNR so với dạng xung NRZ.



- Xung hẹp quá: công suất đỉnh xung giảm mạnh khi hai phân cực tách ra do ảnh

hƣởng của PMD, rất khó bù phi tuyến.

- Xung NRZ dễ bị ảnh hƣởng giữa các ký tự (Inter-Symbol-Interference - ISI) và

vì yêu cầu công suất phát cao nên bị ảnh hƣởng xấu của các hiệu ứng phi tuyến.

⇒ 66%-RZ đƣợc khuyến nghị dùng trong các hệ thống đƣờng dài do tính miễn

nhiễm của nó tốt nhất đối với CD, PMD, phi tuyến.

0

1

Popt Popt

1

0

tt

Ts Ts1 1

0,50,5

3 d

B

3 d

B

16,67%

66% 33%

33%

Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ

c. Ƣu nhƣợc điểm của điều chế OOK:

Ƣu điểm:

- Thiết kế máy thu và máy phát đơn giản.

- Tín hiệu ít chịu ảnh hƣởng của những dao động về tần số và pha của laser.

- Có thể dùng laser phổ rộng, giá thành thấp.

- Sai pha do SPM và XPM ít ảnh hƣởng đến BER của máy thu, vì máy thu làm

việc với công suất, không làm việc với pha của tín hiệu.

Nhƣợc điểm:

- Độ nhạy của máy thu không cao.

- Bị giới hạn về tốc độ bit (≤ 10 Gb/s) do chịu ảnh hƣởng của tán sắc màu và tán

sắc phân cực mode cũng nhƣ hiệu ứng phi tuyến khi truyền dẫn ở tốc độ cao.

- Hệ thống IM/DD thƣờng thực hiện bù tán sắc bằng sợi DCF có hệ số suy hao

lớn (~0,5 dB/km) và diện tích hiệu dụng nhỏ (12-15 μm2), nên phải sử dụng thêm

một tầng khuếch đại và làm tăng tính phi tuyến của sợi quang.

Để khắc phục những hạn chế này, người ta có xu hướng sử dụng các kỹ thuật

điều chế trong thông tin quang Coherent kết hợp với tách sóng Coherent. Phần sau

đây sẽ trình bày về kỹ thuật điều chế trong hệ thống Coherent.



2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent

2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent

Thông tin quang Coherent đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong những năm 1980,

chủ yếu là do máy thu Coherent có độ nhạy cao giúp kéo dài khoảng cách truyền dẫn.

Tuy nhiên việc thiết kế máy thu là quá phức tạp và dƣờng nhƣ là điều không thể vào

thời điểm đó. Vào những năm 1990, sự ra đời của khuếch đại quang EDFA cùng với

công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) đã làm nên một bƣớc ngoặt

trong lịch sử truyền thông sợi quang. Ƣu điểm của WDM là thiết kế đơn giản, kết hợp

giữa điều chế cƣờng độ và tách sóng trực tiếp (IM/DD). Các hệ thống WDM đƣợc

triển khai rộng khắp trên toàn thế giới và phát triển cực kỳ nhanh chóng. Từ đó thông

tin quang Coherent chìm vào quên lãng.

Năm 2005, sau 20 năm bị lãng quên, thông tin quang Coherent đã quay trở lại và

hiện nay đang trở thành vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu tại các hãng sản xuất thiết bị

cũng nhƣ các nhà khai thác mạng. Hệ thống IM/DD đã dần lộ rõ những hạn chế của nó

mà cơ bản nhất là hạn chế về năng lực truyền dẫn trong khi dung lƣợng trên đƣờng

truyền đang ngày một tăng. Nhƣ chúng ta đã biết, hệ thống IM/DD sử dụng dạng điều

chế nhị phân (hai trạng thái On và Off), và hạn chế của dạng điều chế này là hiệu suất

phổ không cao. Hiệu suất phổ bị giới hạn ở mức 1 bit/s/Hz/phân cực [11], ngƣời ta

thƣờng gọi là giới hạn Nyquist. Điều này càng làm cho thông tin quang Coherent đƣợc

chú ý hơn ở thời điểm hiện nay.

Điểm khác biệt lớn nhất giữa tách sóng Coherent và tách sóng trực tiếp là: ở tách

sóng trực tiếp, tín hiệu quang rơi trực tiếp trên photodiode mà không qua sự “chế biến”

nào. Trong khi tách sóng Coherent, tín hiệu quang đƣợc trộn với tín hiệu từ bộ dao

động nội (LO) trƣớc khi đi vào bộ tách sóng (hình 2.11):

LPF, Sample,

Decision

LO

LPF

PDEs(t)

ELO(t)

ωIF = ωs – ωLO Dữ liệu ra

Bộ trộn

OPLL

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent

Trong máy phát quang Coherent cổ điển, bộ điều chế tín hiệu sử dụng các kỹ

thuật điều chế nhƣ ASK, FSK, PSK..., sóng laser phát ra ánh sáng liên tục có tần số



góc ωs (= 2πfs). Ở bộ dao động nội của máy thu, laser phát ra ánh sáng có tần số góc

ωLO, nếu ωs = ωLO thì ta có kiểu tách sóng homodyne, ngƣợc lại ta có kiểu tách sóng

heterodyne. Dĩ nhiên nếu ở máy phát sử dụng dạng điều chế FSK thì ở máy thu không

sử dụng tách sóng homodyne.

- Es(t) = As cos(ωst + ϕs), (2.6)

- ELO(t) = ALO cos(ωLOt + ϕLO). (2.7)

Công suất của tín hiệu quang tại đầu vào photodiode [10]:

√ , (2.8)

với ωIF = ωs – ωLO là tần số góc của tín hiệu trung tần, Ps và PLO là công suất của tín

hiệu quang và công suất của tín hiệu LO (Ps ≪ PLO), R là đáp ứng của photodiode.

Dòng điện thu đƣợc sau photodiode [11]:

√ . (2.9)

Với tách sóng homodyne: ωIF = 0 ⇒ √ . (2.10)

Nếu pha của LO đƣợc khóa với pha của tín hiệu thì ϕs = ϕLO và dòng tín hiệu

homodyne: √ . Ta nhớ lại rằng, dòng tín hiệu sau photodiode trong

tách sóng trực tiếp (công thức 2.4) đƣợc cho bởi I(t) = R.|e(t)|2 = R.Ps(t), Ps(t) là công

suất tín hiệu quang trƣớc photodiode. Nếu coi công suất tín hiệu quang trung bình là ̅

thì công suất tín hiệu điện trung bình (sau photodiode) đƣợc nhân lên với một hệ số

4PLO/ ̅ khi sử dụng tách sóng homodyne, và mức tăng có thể vƣợt quá 20 dB [10].

Nhƣ vậy khi LO có công suất đủ lớn ta có thể tăng mức tín hiệu thu đƣợc mà không

cần bộ tiền khuếch đại, do đó giảm đƣợc nhiễu trong bộ thu quang. Tách sóng

Coherent có thể làm tăng độ nhạy của máy thu lên 20 dB so với tách sóng trực tiếp.

Một số hạn chế của hệ thống Coherent cổ điển:

Tần số và pha của laser máy phát phải rất ổn định. Cần có kỹ thuật nhƣ ổn định

nhiệt độ của laser ở nhiệt độ thấp 10-2

– 10-3

K để đảm bảo độ ổn định tần số

trong khoảng 10-20GHz/K. Điều này đã hạn chế sự phát triển thông tin quang

Coherent trong một thời gian dài.

Đồng bộ pha giữa LO của máy thu và máy phát trong trƣờng hợp homodyne rất

khó thực hiện, yêu cầu LO phải có độ ổn định tần số cao và mạch OPLL (vòng

khóa pha quang) phải có băng thông đủ lớn để điều chỉnh những sai lệch về tần

số và pha giữa laser phát và thu.

Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hƣởng của CD nhiều hơn so với tín hiệu điều

chế công suất do CD gây sai pha tuyến tính.

Tín hiệu điều chế pha chịu ảnh hƣởng lớn của tính chất phi tuyến của sợi quang

thông qua hiệu ứng tự điều chế pha (SPM) và điều chế pha chéo (XPM).



2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại:

Để khắc phục những hạn chế nêu trên, ngƣời ta đã nghiên cứu các kỹ thuật điều

chế mới hiệu quả hơn, cùng với đó là chế tạo máy thu Coherent hiện đại với những

tính năng tiên tiến.

LO

90o

PD1

PD2

PD3

PD4

Tín hiệu thu

Đa dạng pha

IQ(t)

II(t)

Giải mãĐánh giá

phaEqualizer

Phục hồi

clockADC

Tín hiệu đã

đƣợc giải

điều chế

Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại

Máy thu đa dạng pha (Phase diversity): Thu cả phần thực và phần ảo của tín hiệu

(xem hình 2.12), dòng điện trong phần thu thực và ảo [11]:

√ { } , (2.11)

√ { } , (2.12)

⇒ √ { } , (2.13)

với ϕsig(t) là pha tín hiệu, ϕs(t) là pha điều chế, ϕn(t) = ϕsn(t) – ϕLO(t) là nhiễu pha

tổng cộng và ϕsn(t) là nhiễu pha.

Máy thu đa dạng phân cực (Polarization diversity): Tín hiệu thu đƣợc chia làm

hai phân cực vuông góc x và y. Mỗi phân cực trộn với một phân cực của tín hiệu LO

tạo ra hai tín hiệu hỗn hợp. Mỗi tín hiệu hỗn hợp đƣợc giải điều chế riêng rẽ và sau đó

cộng lại để đƣa vào mạch “sample and detection”.

Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực, sử dụng kiểu tách sóng

homodyne (hình 2.13): Tín hiệu sau bộ PBS đƣợc cho bởi [11]:

[

] [

√

√

] , (2.14)

[

]

√ [

] , (2.15)

với α là tỉ lệ công suất của hai thành phần phân cực và δ là độ lệch pha giữa chúng.



PBS (Polarization Beam Splitter) là bộ tách phân cực. Hai bộ lai ghép quang 90o

(90o Optical Hybrid) tạo ra điện trƣờng từ E1 đến E8 [11]:

, (2.16)

, (2.17)

, (2.18)

( ) (2.19)

90o

Optical

Hybrid

90o

Optical

Hybrid

PBS

PBS

IPD1

IPD2

IPD3

IPD4

E1

E2

E3

E4

E5

E6

E7

E8

Đa dạng pha

Đa dạng

phân cực

Ein

ELO

Ein,x

ELO,x

Ein,y

ELO,y

Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực

Dòng điện thu đƣợc từ PD1 đến PD4 [11]:

√

{ } , (2.20)

√

{ } , (2.21)

√

{ } , (2.22)

√

{ } . (2.23)



Từ (2.20), (2.21), (2.22) và (2.23) suy ra:

√

{ } , (2.24)

√

{ } . (2.25)

Đánh giá pha (Phase Estimation): Dùng các mạch xử lý tín hiệu số triệt tiêu sai

pha do nhiễu gây ra nên không cần mạch khóa pha OPLL để đồng bộ pha của LO

(Free-running LO). Hình sau đây miêu tả về kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward:

Tách pha – Giải mã

x MTách

pha÷ M

Esexp{j[ϕs(t)+ϕn(t)]} [ϕs(t)+ϕn(t)] ϕs(t)

(Es)M

exp{jM[ϕs(t)+ϕn(t)]}

=(Es)M

exp{jMϕn(t)}

Vì Mϕs(t)=2π

Mϕn(t)

ϕn(t)

Tín hiệu đã

đƣợc giải

điều chế

Từ

Equalizer

Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward

Kiểm soát phase của tín hiệu thu đƣợc trong miền điện bằng các mạch xử lý tín

hiệu số (Digital Signal Processing – DSP), không phải trong miền quang. Cấu trúc và

chức năng của một bộ xử lý tín hiệu số sẽ đƣợc trình bày trong mục 2.4.

2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent

Điều chế trong thông tin quang Coherent là rất phong phú và đa dạng, sau đây

liệt kê một số dạng điều chế đã và đang đƣợc nghiên cứu, từ đơn giản đến phức tạp:

- ASK, FSK, PSK: điều chế cơ bản trong Coherent cổ điển.

- BPSK: Binary PSK: điều chế pha 2 trạng thái.

- QPSK: Quadrature PSK: điều chế pha vuông góc (4 trạng thái).

- 8-PSK: điều chế pha 8 trạng thái.

- DPSK (DBPSK): Differential PSK: điều chế pha vi sai 2 trạng thái.

- DQPSK: Differential QPSK: điều chế pha vi sai 4 trạng thái.

- M-ADPSK: điều chế pha kết hợp công suất M trạng thái (M = 4, 8, 16…).

- DP-QPSK (PM-QPSK, PDM-QPSK): Dual Polarization QPSK: điều chế pha

vuông góc phân cực kép (ghép phân cực).

- M-QAM: M-Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ vuông góc (hay

cầu phƣơng) M trạng thái (M = 8, 16, 32…).



- DP-OFDM: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - ghép phân cực…

Sau đây chúng ta đƣa ra một số so sánh giữa các dạng điều chế khác nhau:

Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM [12]

Gbit/s Số phân

cực

Gsymbol/s Lƣới

(GHz)

Bit/symbol Dạng điều

chế

OSNR

min (dB)

112 2 28 50 2 DP-QPSK 12,6

224 2 28 50 4 DP-16QAM 17,4

448 2 112 200 2 DP-QPSK 18,6

448 2 56 100 4 DP-16QAM 22,4

448 2 42 75 6 DP-64QAM 26,6

448 2 28 50 8 DP-256QAM 31,9

Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s [13]

Điều chế OOK DPSK DQPSK QPSK DP-DQPSK DP-QPSK

Hiệu suất phổ

(bit/s/Hz) 0,4 0,8 1,6 1,6 3 3

Độ nhạy

OSNR

(dB/0,1nm)

20 17 18 15,5 18 15,5

PMD cho

phép (ps) 1 1 2 2 2,5 2,5

CD cho phép

(ps/nm) 15 12 35 35 140 140

Analogue

electronics

complexity

Cao Cao Trung

bình

Trung

bình Thấp Thấp

Digital

electronics

complexity

Thấp Thấp Thấp Cao Trung bình Cao

Optical

complexity Thấp

Trung

bình

Trung

bình Cao Trung bình Cao

Cự ly (km) 400 800 700 1000 700 1000

Chi phí 0% +20% +50% +70% +90% +110%



Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s [8]

Điều chế NRZ-

DPSK

NRZ-

ADPSK RZ-ADPSK

RZ-

DQPSK DP-DPSK

OSNR (dB)

BER=2.10-3

12,5 13 12,5 13,5 12,5

Cự ly (km) 1600 1600 2200 1400 1700

Ảnh hƣởng

của Optical

Filtering

Ảnh hƣởng Ít ảnh

hƣởng Ít ảnh hƣởng Ít ảnh hƣởng Ít ảnh hƣởng

PMD cho

phép (ps) 3 3,5 3,5 6 10

Phi tuyến Ít ảnh

hƣởng

Ít ảnh

hƣởng Ít ảnh hƣởng Ảnh hƣởng Ảnh hƣởng

Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác [14]

Dạng điều chế

Coherent

Bit/symbol

Gsymbol/s

Chòm sao tín hiệu

Lƣới bƣớc sóng

GHz

Hiệu suất phổ

Bit/s/Hz

Cự ly (km)

OSNR (dB)

BER 4.10-3

CD cho phép

(ps/nm)

DGD cho phép (ps)

Tƣơng thích với 10G

và 40G

ROADMs

X X

DQPSKRZ-DPSK-

3ASK

100 Gbps

DP-DQPSKOP-FDM-

RZ-DQPSKDP-QPSK

DP-OFDM-

QPSK



2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK

DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là

PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK

(Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với

ghép phân cực. Để hiểu đƣợc bản chất của dạng điều chế này, chúng ta lần lƣợt tìm

hiểu về điều chế BPSK và QPSK trƣớc khi đi vào kỹ thuật điều chế DP-QPSK.

2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK

Đây là dạng điều chế nhảy pha 2 mức, nghĩa là 2 trạng thái “0” và “1” đƣợc phân

biệt bởi 2 giá trị pha của sóng mang. Hai pha cách nhau 180o (π rad), hình dƣới đây

biểu diễn giản đồ trạng thái và dạng phổ của tín hiệu BPSK :

Q

I

-29

-40

-50

-60

-70

-80

P (dBm)


40 Gbps NRZ BPSK

[1]~180o [0]~0

o

Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK

Đặc điểm của điều chế BPSK:

- Độ rộng phổ tƣơng đƣơng với bit rate (tốc độ bit) hoặc symbol rate.

- Chịu đƣợc các bộ lọc quang băng thông hẹp tốt hơn điều chế OOK.

- Miễn nhiễm với PMD tƣơng đối tốt.

- Miễn nhiễm với CD và phi tuyến kém hơn so với điều chế OOK.

MZMLaser

LaserData

I(t)BPSK

Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK



Hình 2.16 minh họa sơ đồ khối đơn giản của điều chế và giải điều chế BPSK,

trong đó MZM (Mach-Zehnder Modulator ) là một bộ điều chế dùng để điều chế pha

của sóng mang. Chúng ta quay trở lại công thức (2.3) và hình 2.5, nếu điện áp điều chế

v1(t) = v2(t) = v(t) thì:

[ (

) (

)]

[ ] , (2.26)

và lúc này sóng mang tín hiệu đã đƣợc điều chế pha. Tùy theo sự thay đổi giá trị

của v(t) mà pha của sóng mang cũng thay đổi theo. Trong trƣờng hợp BPSK thì

pha của sóng mang là 0 hoặc là π. Bộ tách sóng là một cặp photodiode cân bằng,

đƣợc gọi là balanced-photodiode (BPD).

2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK

Đây là dạng điều chế nhảy pha 4 mức, nghĩa là 4 trạng thái “00”, “01”,

“11”, “10” đƣợc phân biệt bởi 4 giá trị pha của sóng mang. Lúc này pha cách nhau

90o (hình 2.17). Đối với điều chế BPSK thì một ký tự quang mang 1 bit thông tin, còn

điều chế QPSK thì một ký tự quang mang 2 bit thông tin. Một cách đơn giản, có thể

coi tín hiệu QPSK là tổng của 2 thành phần tín hiệu BPSK: I (In-phase: đồng pha) và

Q (Quadrature: vuông pha), xem trên hình 2.18 [15] và 2.19.

Q

I

-25

-30

-40

-50

-60

-70

-80

P (dBm)


40 Gbps NRZ QPSK

[11]~π [00]~0

[01]~π/2

[10]~3π/2

Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK

Đặc điểm của điều chế QPSK:

- Do mã hóa 2 bit trên 1 ký tự nên độ rộng phổ bằng 1/2 bit rate, bằng 1/2 độ rộng

phổ của OOK hoặc BPSK có cùng bit rate, dẫn đến lợi gấp đôi về băng tần.

- Chịu đƣợc các bộ lọc quang băng thông hẹp.

- Miễn nhiễm đối với CD, PMD và phi tuyến: tƣơng tự nhƣ BPSK.



1 0 0 1

1 0 1 0

11 00 01 10

Ts 2Ts3Ts 4Ts

I

Q

Signal

Time

Data

Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang

MZM

Laser Laser

Data

IQ(t)

QPSK

MZM II(t)

Data

Q

I

π/2

π/2

Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK

2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK

Phân cực Y

Phân cực X

Hƣớng truyền

Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng

Trƣớc tiên, chúng ta nhắc lại sự phân cực của ánh sáng. Ánh sáng từ mặt trời và

nhiều nguồn chiếu sáng tự nhiên hay nhân tạo khác đều tạo ra sóng ánh sáng có vectơ

điện trƣờng dao động trong mọi mặt phẳng vuông góc với hƣớng truyền sóng. Ánh



sáng nhƣ vậy đƣợc gọi là ánh sáng không phân cực. Nếu nhƣ vectơ điện trƣờng bị hạn

chế dao động trong một mặt phẳng bởi sự lọc chùm tia với những chất liệu đặc biệt

(chất liệu có tính bất đẳng hƣớng về mặt quang học), thì ánh sáng đƣợc xem là phân

cực phẳng, hay phân cực thẳng đối với hƣớng truyền. Và tất cả sóng dao động trong

một mặt phẳng đƣợc gọi là mặt phẳng song song hay mặt phẳng phân cực. Ngoài ra,

cũng tồn tại một vài trạng thái ánh sáng phân cực elip mà trƣờng hợp đặc biệt của nó là

phân cực tròn. Hình 2.20 minh họa về sự phân cực của ánh sáng (ở đây là trƣờng hợp

phân cực phẳng), hai mặt phẳng màu xanh và màu đỏ thể hiện 2 trạng thái phân cực

vuông góc (trực giao) và đƣợc gọi là phân X và phân cực Y.

Ý tƣởng của điều chế ghép phân cực là truyền hai luồng tín hiệu trên hai trạng

thái phân cực trực giao của sóng mang. Trong trƣờng hợp điều chế DP-QPSK thì hai

tín hiệu QPSK đƣợc truyền trên hai phân cực X và Y của sóng mang, chúng đi qua bộ

kết hợp tia phân cực (PBC) và đƣợc truyền trên sợi quang. Đến đầu thu, bộ tách tia

phân cực (PBS) sẽ chia thành hai luồng tín hiệu riêng rẽ và xử lý một cách độc lập với

nhau. Nhƣ vậy kỹ thuật điều chế này đã làm tăng gấp đôi hiệu suất phổ so với điều chế

QPSK, nghĩa là tăng gấp đôi tốc bit trong khi sử dụng cùng một băng tần. Kỹ thuật

điều chế DP-QPSK mã hóa bốn bit trên một ký tự quang (gấp đôi so với QPSK).

X-pol

Y-pol

Driver 1

Driver 2

Driver 3

Driver 4

PBC

Pol Rot

Modulator 1

Modulator 2

Modulator 3

Modulator 4

BSLaser

π/2

π/2

Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK

X-pol

Y-pol

LO

Signal

I

Q

I

Q

90 deg

Hybrid

Mixer

90 deg

Hybrid

Mixer

Pol Rot

PBS

BS

Laser

XI

XQ

YI

YQ

Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK



Trên hình 2.21a và 2.21b minh họa sơ đồ khối của một máy phát và máy thu DP-

QPSK theo chuẩn của OIF [15], trong đó:

- Driver 1 đến Driver 4: các bộ điều khiển điện áp phân cực đặt lên các bộ điều chế

Modulator 1 đến Modulator 4 theo chuỗi bit dữ liệu đầu vào (xem mục 2.1.2.2).

- BS: Beam Splitter: bộ chia, dùng để chia tín hiệu từ nguồn phát Laser.

- Modulator: bộ điều chế ngoài, dùng để điều chế pha của tín hiệu, có thể sử dụng

bộ điều chế Mach-Zehnder trong hình 2.5. Tín hiệu sau Modulator 1 và

Modulator 2 là hai tín hiệu BPSK đƣợc dịch pha nhau π/2 (I và Q), cộng lại ta

đƣợc tín hiệu QPSK. Tƣơng tự đối với tín hiệu sau Modulator 3 và Modulator 4.

- X-pol và Y-pol: phân cực X và phân cực Y (trực giao với nhau).

- Pol Rot: Polarization Rotator: bộ xoay phân cực, tạo ra tín hiệu phân cực X trực

giao với tín hiệu phân cực Y. Hai tín hiệu QPSK sau các bộ điều chế Modulator

là hai tín hiệu có cùng trạng thái phân cực (X hoặc Y), bộ xoay phân cực sẽ xoay

1 trong 2 tín hiệu đến trạng thái phân cực mới vuông góc với trạng thái phân cực

của tín hiệu còn lại.

- PBC: Polarization Beam Combiner: bộ kết hợp tia phân cực, ghép 2 tín hiệu phân

cực trực giao QPSK để tạo thành tín hiệu DP-QPSK và truyền đi trên sợi quang.

- LO: Local Oscillator: bộ dao động nội tại máy thu.

- PBS: Polarization Beam Splitter: bộ tách tia phân cực, chia tín hiệu DP-QPSK

thành hai tín hiệu QPSK ở hai trạng thái phân cực trực giao (vuông góc).

- 90 deg Hybrid Mixer: bộ trộn lai ghép quang 90 độ, có nhiệm vụ tổ hợp tín hiệu

sau bộ PBS với tín hiệu từ bộ dao động nội để tạo ra bốn tín hiệu BPSK.

Tín hiệu điện sau photodiode sẽ đƣợc chuyển đến bộ biến đổi tín hiệu tƣơng tự -

số (Analog-to-Digital Converter – ADC) và bộ xử lý tín hiệu số DSP để xử lý tiếp

trƣớc khi đƣợc phục hồi dƣới dạng chuỗi bit, các chức năng cơ bản của một bộ xử lý

tín hiệu số đƣợc trình bày trong mục 2.3.4. Đễ dễ dàng hiểu đƣợc sự biến đổi về pha

cũng nhƣ trạng thái phân cực của tín hiệu quang qua từng giai đoạn, chúng ta cùng

quan sát chòm sao tín hiệu trên hai hình 2.22a và 2.22b:

Tín hiệu BPSK In-phase (I).

Tín hiệu BPSK Quadrature (Q), đã đƣợc dịch pha π/2.

Tín hiệu QPSK ở trạng thái phân cực Y.

Tín hiệu QPSK ở trạng thái phân cực X (sau khi đƣợc quay phân cực).



Tín hiệu DP-QPSK, là tổng của hai tín hiệu QPSK ở hai trạng thái phân

cực Y và X (trực giao với nhau).

DAC: Digital-to-Analog Converter: bộ biến đổi tín hiệu số – tƣơng tự.

ADC: Analog-to-Digital Converter: bộ biến đổi tín hiệu tƣơng tự – số.

DSP: Digital Signal Processor: bộ xử lý tín hiệu số.

DAC

DAC

DAC

DAC

Modulator 1

Modulator 2

Modulator 3

Modulator 4

Pol Rot

PBCLaser BS

25 Gbps

25 Gbps

25 Gbps

25 Gbps

π/2

π/2

Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát

PBS

Pol Rot 90 deg

Hybrid

Mixer

Laser BS

90 deg

Hybrid

Mixer

ADC

+

DSP

Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu



Dòng tín hiệu sau photodiode xem thêm ở mục 2.2.2 , từ công thức (2.14) đến

công thức (2.25).

Một số tham số của máy phát và máy thu 100 Gb/s DP-QPSK theo chuẩn của

OIF đƣợc trình bày trong 2 bảng dƣới đây:

Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK [16]

Tham số Đơn vị Min Typical Max Ghi chú

Băng thông E/O

(3 dB) GHz 23

Tần số tham chiếu

tại 1,5 hoặc 2 GHz

Trở kháng RF Ohm 50

Tần số hoạt động

- Băng C

- Băng L

THz

191,35

186,0

196,2

191,5

Lƣới 50 GHz

(ITU-T G.694.1)

Công suất quang vào dBm 18 Công suất tối đa

Suy hao xen dB ffs 14 Cho mỗi phân cực

Suy hao phản xạ điện

- f ≤ 25 GHz

- 25 < f ≤ 32 GHz

dB

10

8

Suy hao phản xạ quang dB 30 Input & output

Polarization ER dB 20

Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK [17]

Tham số Đơn vị Min Typical Max Ghi chú

Công suất tín hiệu

hoạt động dBm -18 0

Công suất quang

trung bình

Công suất LO dBm Xem hình 2.23

Sai pha ± độ 5 Giữa XI và XQ,

YI và YQ

Băng thông tín

hiệu nhỏ (3 dB) dB 22

Méo hài tổng

cộng % 5 Xem chú thích



Chú thích:

- E/O: Electro-Optical: điện-quang.

- RF: Radio Frequency: tần số vô tuyến.

- Polarization ER: Polarization Extinction Ratio: hệ số phân biệt phân cực.

- Méo hài tổng cộng: giả định Psig = -10 dBm, PLO = 13 dBm, suy hao vƣợt

bằng 2dB, đáp ứng của photodiode bằng 0.8 A/W.

Psig

(dBm)

PLO

(dBm)

0 3

-3 6

-6 9

-10 13

-13 16

-16 16

-18 16

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0-20 -15 -10 -5 0

PLO (dBm)

Psig (dBm)

Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép

Giả định: đáp ứng của photodiode là 0,8 A/W, mã hóa NRZ, suy hao vƣợt là 2 dB.

Trong hội nghị và triển lãm về thông tin quang châu Âu lần thứ 34, diễn ra tại

thành phố Brussels của nƣớc Bỉ, Hiroshi Yamazaki cùng các đồng nghiệp đã công bố

một công nghệ liên quan đến điều chế ghép phân cực DP-QPSK tại tốc độ 100 Gb/s

[18]. Hai bộ điều chế QPSK và một mạch ghép phân cực (PDM) đƣợc tích hợp bằng

cách sử dụng một kỹ thuật lắp ráp lai ghép giữa PLCs (Planar Lightwave Circuits)

Silica và một mảng các bộ điều chế pha LiNbO3, có băng thông lớn và suy hao xen

thấp. Mạch PDM đƣợc thực hiện trong một PLC, bao gồm một bộ kết hợp tia phân cực

(PBC) ống dẫn sóng, trong đó việc kiểm soát pha tƣơng đối giữa các mode phân cực

trực giao đƣợc thực hiện bằng cách điều khiển chiều rộng của lõi ống dẫn sóng. PBC

hoạt động trong một phạm vi quang phổ rộng với suy hao khoảng 0,3 dB [18]. Có hai

bộ điều chế QPSK, mỗi bộ chứa hai bộ điều chế Mach-Zehnder (bao gồm hai PLC

coupler hình chữ Y và hai bộ điều chế pha LiNbO3) hoạt động giống nhau, băng thông

(3 dB) khoảng 27 GHz [18]. Các bộ điều chế DP-QPSK hoạt động với mức suy hao

xen thấp không thay đổi 4,8 dB và nhiễu xuyên âm giữa các kênh khoảng -25 dB [18],

đây là công nghệ tích hợp điều chế DP-QPSK đầu tiên trên thế giới.

Chúng ta vừa trình bày về lý thuyết điều chế DP-QPSK cùng với sơ đồ khối máy

phát và máy thu theo chuẩn của OIF. Trong phần cuối chƣơng 2, sẽ giới thiệu tóm tắt

chức năng của kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) và kỹ thuật mã hóa sửa lỗi (FEC) trong



hệ thống Coherent tốc độ cao. Đây là những công nghệ chủ chốt cho hệ thống 100

Gb/s bên cạnh công nghệ điều chế DP-QPSK.

2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s

PBS

BS

Es(t)

ELO(t)

90o

Hybrid

90o

Hybrid

Đếm

BE

R

Eq

uali

zati

on

Kh

ôi

ph

ục p

ha

và t

ần

số

Giả

i g

hép

ph

ân

cự

c

Kh

ôi

ph

ục c

lock

Bù

tán

sắc

Ex(t)

Ey(t)

Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP

Tín hiệu trƣớc DSP

X

Tín hiệu trƣớc DSP

Y

Bù tán sắc

X

Bù tán sắc

Y

Phục hồi thời gian

X

Phục hồi thời gian

Y

Giải ghép phân cực

X

Giải ghép phân cực

Y

Đánh giá tần số

X

Đánh giá tần số

YĐánh giá pha

X

Đánh giá pha

Y

Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bước xử lý tín hiệu



Trong các hệ thống Cohernet tốc độ cao sử dụng những kỹ thuật điều chế phức

tạp thì bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor – DSP) có một vai trò vô cùng

quan trọng. Một trong những nguyên nhân dẫn đến các công nghệ Coherent tốc độ cao

chậm đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thực tế là do mức độ phức tạp của các bộ xử lý tín

hiệu số cũng nhƣ giá thành quá cao của chúng. Dựa trên các thuật toán tiên tiến, DSP

có thể theo dõi sự phân cực, khôi phục đồng hồ, pha và thông tin dữ liệu, thực hiện bù

tán sắc màu và tán sắc phân cực mode. Việc bù tán sắc đƣợc thực hiện trong DSP sẽ

làm giảm chi phi và những rắc rối phát sinh so với khi sử dụng khối bù tán sắc trên

đƣờng truyền (ví dụ bù tán sắc bằng sợi DCF). Các chức năng cơ bản của một bộ xử lý

tín hiệu số đƣợc thể hiện trên hình 2.24 [19]. Có thể quan sát biểu đồ chòm sao điện

của tín hiệu sau mỗi bƣớc xử lý tín hiệu trên hình 2.25 [20].

Ngoài ra, sử dụng kỹ thuật mã sữa lỗi trƣớc (Forward Error Correction – FEC)

cũng đƣợc coi là một giải pháp hấp dẫn về hiệu quả chi phí để khôi phục độ nhạy bị

mất khi chuyển lên tốc độ bit cao hơn. Nhƣ đã trình bày trong bảng 1.3, khi tăng tốc

độ bit từ 10 Gb/s lên 100 Gb/s thì độ nhạy giảm 10 lần, tƣơng đƣơng với yêu cầu tăng

thêm 10 lần OSNR (+10 dB). Có thể tăng độ nhạy của máy thu lên bằng cách sử dụng

kỹ thuật điều chế DP-QPSK trong sự thống nhất với một máy thu Coherent, nhƣng

nhƣ thế vẫn là chƣa đủ để đền bù những thâm hụt OSNR do tăng tốc độ bit gây nên.

Trong các công nghệ hiện có để nâng cao hơn nữa độ nhạy của máy thu, FEC đƣợc coi

là giải pháp hiệu quả nhất [21].

FEC là một kỹ thuật mã hóa kênh sửa lỗi, bằng cách thêm vào những gói tin

đƣợc phát những phần dƣ là một mã sửa lỗi (ví dụ: mã Reed Solomon – RS, mã BCH),

tại đầu thu sẽ giải mã và tự sửa lỗi nếu có mà không cần một kênh yêu cầu truyền lại

dữ liệu (ARQ: Automatic Repeat reQuest). Sử dụng FEC làm tăng độ lợi mã hóa và do

đó cải thiện đáng kể tỉ lệ lỗi bit. Ví dụ: sử dụng mã RS (1023,1007) bên ngoài, BCH

(2047,1952) bên trong, 7% (OH), (ITU-T G.975.1-I.4), sẽ cho độ lợi mã hóa là 8.67

dB tại BER = 10-15

[28]. Hình 2.26 mô tả kiến trúc chức năng của một khối thu phát

100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC [21], trong đó:

100G LH: 100 Gb/s Long Haul: 100 Gb/s đƣờng dài.

Tx/Rx: máy phát và thu DP-QPSK.

OTN Framer: khung OTN (ITU-T G.709), bao gồm mào đầu, tải trọng và FEC.

OTN: Optical Transport Network: mạng truyền tải quang.

External FEC Encoder/Decoder: mã hóa và giải mã FEC bên ngoài.

Optional Internal FEC Encoder/Decoder: mã hóa và giải mã FEC bên trong tùy ý.

100G LH Int Phot: 100 Gb/s Long Haul Integrated Photonics: mạch quang tử tích

hợp 100 Gb/s đƣờng dài.

OH = r/k, r là số bit dƣ, k là số bit thông tin (OH: overhead: mào đầu).



OTN

Framer

OTN

Framer

External

FEC

Encoder

External

FEC

Decoder

Optional

Internal

FEC

Encoder

Optional

Internal

FEC

Decoder

MUX

ADC

+

DSP

Tx

Rx

Lasers

100G LH FEC7

% (

OH

)

100G LH Int Phot

100G LH Farmework100G LH Module

Out

In

Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC

Trong chƣơng 2 chúng ta đã tìm hiểu các vấn đề liên quan đến điều chế, đặc biệt

là kỹ thuật điều chế DP-QPSK. Phần đầu chƣơng 2 giới thiệu tổng quan về điều chế

trong thông tin quang, bao gồm khái niệm về điều chế, điều chế trực tiếp và điều chế

ngoài. Kỹ thuật điều chế On-Off Keying và những hạn chế của nó cũng đã đƣợc trình

bày trong phần này. Phần nội dung tiếp theo của chƣơng 2 tìm hiểu về điều chế trong

thông tin quang Coherent, từ những kỹ thuật điều chế đƣợc nghiên cứu trong những

năm 1980 cho đến những kỹ thuật điều chế tiên tiến đang thu hút nhiều sự quan tâm

hiện nay. Một số so sánh giữa các dạng điều chế cũng đem lại cho chúng ta một cái

nhìn tổng quát hơn về xu hƣớng phát triển của thông tin quang Coherent trong giai

đoạn hiện nay.

Trong số các định dạng điều chế tiên tiến đó, DP-QPSK đã đƣợc OIF lựa chọn

làm định dạng điều chế chuẩn cho công nghệ 100 Gb/s DWDM. Với những ƣu điểm

nhƣ hiệu suất phổ cao, dạng phổ hẹp, khả năng miễn nhiễm đối với tán sắc và phi

tuyến cao, DP-QPSK đƣợc nhiều nhà sản xuất thiết bị lựa chọn cho giải pháp 100 Gb/s

Long-haul và Metro. Phần cuối chƣơng 2 trình bày lý thuyết về kỹ thuật điều chế DP-

QPSK, máy phát và máy thu DP-QPSK, cùng với kỹ thuật xử lý tín hiệu số và kỹ thuật

mã hóa sửa lỗi. Đó là những công nghệ chính quyết định đến sự thành công của việc

ứng dụng công nghệ 100 Gb/s vào thực tế. Chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về lý thuyết

điều chế DP-QPSK, phần nội dung chƣơng 3 sẽ trình bày về ứng dụng của kỹ thuật

điều chế này trong công nghệ 100 Gb/s Long-haul và thực tế ở mạng đƣờng trục của

tập đoàn VNPT (do công ty VTN quản lý).

Chƣơng 3: Giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT


CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT

Phần nội dung chƣơng 2 đã trình bày về một số dạng điều chế đƣợc nghiên cứu

trong thông tin quang Coherent, dựa vào những so sánh trong các bảng từ 2.1 đến 2.4,

chúng ta thấy rằng: điều chế DP-QPSK là dạng điều chế phù hợp nhất cho tốc độ 100

Gb/s. DP-QPSK có tính miễn nhiễm cao đối với CD và PMD cũng nhƣ đối với hiệu

ứng phi tuyến, có hiệu suất phổ cao và yêu cầu OSNR thấp. Trên thực tế có nhiều công

nghệ điều chế khác phức tạp hơn có thể ứng dụng cho công nghệ 100 Gb/s nhƣ DP-

8PSK, M-QAM, Co-OFDM, những công nghệ này cho phép truyền tải ở cả những tốc

độ bit cao hơn 100 Gb/s (200 Gb/s, 400 Gb/s…). Tuy nhiên, công nghệ DP-QPSK đạt

đƣợc một sự cân bằng tối ƣu về độ phức tạp của công nghệ cũng nhƣ giá thành của sản

phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s.

Trong phần đầu chƣơng 3 sẽ giới thiệu chung về mạng truyền tải 100 Gb/s,

những dự báo về thị trƣờng và tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng

100 Gb/s. Tiếp theo xin trình bày giải pháp mạng quang 100 Gb/s DP-QPSK của hãng

Ciena và ứng dụng thực tế vào hệ thống mạng Ciena 240G tại Việt Nam. Phần cuối

cùng trình bày về mô hình mô phỏng hệ thống DP-QPSK bằng phần mềm Optisystem.

3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s

Theo các số liệu điều tra vào đầu những năm 2000, tăng trƣởng lƣu lƣợng của

internet ở mức từ 70-150% một năm [22]; kể từ năm 2006, tỉ lệ này nằm ở mức 40-

50% [23]. Rõ ràng với mức độ tăng trƣởng đó thì hệ thống mạng sử dụng tốc độ 10

Gb/s sẽ không đáp ứng đƣợc. Nhiều nhà khai thác mạng lớn đã lập kế hoạch mở rộng

một cách đáng kể năng lực mạng lƣới để đáp ứng nhu cầu tăng trƣởng của lƣu lƣợng

IP. Theo số liệu của hãng nghiên cứu thị trƣờng Dell’ Oro thì các sản phẩm truyền dẫn

có tốc độ 100 Gb/s sẽ phát triển mạnh từ sau năm 2012 với tổng giá trị sản phẩm

khoảng 30 triệu USD và sẽ đạt khoảng 500 triệu USD vào năm 2014 [24]. Còn hãng

nghiên cứu thị trƣờng Heavy Reading thì dự báo thị phần các ứng dụng có tốc độ kênh

từ 40 Gb/s đến 100 Gb/s sẽ chiếm hơn phân nửa (55%) vào năm 2013, trong đó ứng

dụng 40 Gb/s chiếm 26% và 100 Gb/s là 29%; gần phân nửa thị trƣờng còn lại (45%)

là của các ứng dụng 10 Gb/s [24]. Hình 3.1 thể hiện xu hƣớng phát triển về tốc độ

truyền dẫn trên các hệ thống mạng DWDM [25].

Vào ngày 14/12/2009, Verizon tuyên bố trở thành nhà cung cấp dịch vụ

viễn thông đầu tiên thành công trong việc đƣa vào thƣơng mại hóa hệ thống 100

Gb/s. Hệ thống này đƣợc triển khai trên mạng lõi châu Âu, nối giữa Paris và

Frankfurt (893 km), là sự hợp tác giữa Nortel và Verizon [26]. Lần lƣợt Nortel

(bây giờ là Ciena), Alcatel-Lucent, Huawei, Fujitsu, ZTE đã thành công trong

việc cung cấp giải pháp thƣơng mại sẵn có cho công nghệ 100 Gb/s. Việc triển



khai thành công công nghệ 100 Gb/s trên cơ sở hạ tầng mạng quang sử dụng cho

công nghệ 10 Gb/s, đã đánh dấu một bƣớc phát triển mới trong mạng DWDM

Coherent. Ngoài việc nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống, công nghệ 100

Gb/s sẽ làm đơn giản hóa hệ thống mạng, cho phép truyền trực tiếp 100 GbE

(IEEE P802.3ba) giữa các bộ định tuyến tốc độ cao (ví dụ nhƣ T1600 của

Juniper) qua mạng lõi DWDM mà không cần Transponder [27].

1T

500G

100G

40G

10G

2,5G

1995 2000 2005 2010 2015

Coh

eren

t

Su

per

Ch

an

nel

s

Tách sóng

trực tiếp

Tách sóng

Coherent

Hình 3.1 Xu hướng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM

Tuy nhiên việc đƣa vào thƣơng mại rộng rãi công nghệ 100 Gb/s vẫn còn gặp

nhiều khó khăn, do mức độ phức tạp của công nghệ cũng nhƣ giá thành của sản phẩm.

Chúng ta đã từng đƣợc chứng kiến khoảng thời gian kéo dài hơn 7 năm kể từ khi ra

mắt sản phẩm 40 Gb/s đầu tiên cho tới khi chúng đƣợc thƣơng mại hóa rộng rãi trên

thế giới. Có ba nguyên nhân dẫn đến thời gian đƣa sản phẩm ra thị trƣờng kéo dài:

Thứ nhất, do những dự báo về sự bùng nổ dung lƣợng internet thiếu chính xác. Ví

dụ: vào cuối năm 2005, John Chambers (giám đốc điều hành của Cisco) cho rằng

mức tăng trƣởng lƣu lƣợng truy cập internet đã tăng khoảng 100% mỗi năm và có

thể hƣớng tới 300-500% mỗi năm [23]. Nhƣng trên thực tế mức tăng chỉ ở khoảng

40-50% mỗi năm.

Thứ hai, công nghệ 40 Gb/s phức tạp hơn nhiều so với công nghệ 10 Gb/s và

không dễ để có sự hòa hợp giữa hai công nghệ này.

Thứ ba, sự thiếu hụt của các tiêu chuẩn để chuẩn hóa công nghệ 40 Gb/s dẫn đến

việc có quá nhiều công nghệ 40 Gb/s trong khi lại thiếu nguồn tài chính cho các

công nghệ này.

Chúng ta đã có bài học với công nghệ 40 Gb/s và do đó không thể để lặp lại

những lỗi nhƣ trên khi triển khai các công nghệ 100 Gb/s. Các tiêu chuẩn về công

nghệ 100 Gb/s đã đƣợc thực hiện bởi ba tổ chức tiêu chuẩn chính là IEEE, ITU và OIF



trong nửa đầu năm 2010 và đây là tiền đề cho việc triển khai rộng khắp các ứng dụng

100 Gb/s. Thêm vào đó, 100 Gb/s có thể kế thừa các đặc tính của công nghệ 40 Gb/s.

Một số nhà khai thác mạng thậm chí đã không ngần ngại bỏ qua 40 Gb/s, đi thẳng lên

xây dựng các mạng 100 Gb/s để nhanh chóng đƣa các tiêu chuẩn và công nghệ 100

Gb/s vào thực tiễn.

Mặc dù vậy, cần phải xem xét kỹ hơn sự chín muồi của 100 Gb/s về mặt tiêu

chuẩn, công nghệ và hiệu quả chi phí. Các tiêu chuẩn công nghệ cho 100 GbE (100

Gb/s Ethernet) đã đƣợc hoàn thiện vào giữa năm 2010, tuy nhiên các tiêu chuẩn cho

các module 100 Gb/s quang và 100 Gb/s DWDM vẫn cần thêm thời gian để hoàn

thiện. Bên cạnh đó, về mặt công nghệ, toàn bộ ngành công nghiệp 100 Gb/s là hoàn

toàn mới. Do vậy sau khi các tiêu chuẩn đƣợc phê duyệt thì ngành công nghiệp bao

gồm sản xuất chip, sản xuất các module hệ thống, các thành phần khác cho công nghệ

này vẫn cần thêm một khoảng thời gian nữa để ổn định và trƣởng thành. Chúng ta cần

phải cẩn thận để không lặp lại các thiếu sót đã mắc phải khi triển khai công nghệ 40

Gb/s dẫn tới một chuỗi các giá trị 40 Gb/s còn đang dang giở nhƣ hiện nay.

Thêm vào đó, xét một cách lâu dài thì 100 Gb/s là khá đắt. Các nhân tố này đang

kết hợp tạo ảnh hƣởng tới kế hoạch thƣơng mại hóa 100 Gb/s. Mặc dù thời điểm đƣa

các công nghệ 100 Gb/s ra thị trƣờng đƣợc cho là sẽ ngắn hơn nhiều so với 40 Gb/s,

song một quá trình xử lý dài của phát triển thị trƣờng và công nghệ vẫn là cần thiết

trƣớc khi chính thức tung ra thị trƣờng. Điều đó có nghĩa là 100 Gb/s sẽ cùng tồn tại

với 40 Gb/s trong một khoảng thời gian tƣơng đối dài. Xét một cách tổng quan các

nhân tố thì thời điểm đầu năm 2013 sẽ là thích hợp cho thƣơng mại hóa 100 Gb/s rộng

rãi. Các nhà khai thác mạng cần tính toán và cân nhắc kỹ về hiệu quả chi phí và mức

tăng trƣởng dung lƣợng trên mạng lƣới trƣớc khi triển khai công nghệ 100 Gb/s.

Về mặt công nghệ cho truyền tải 100 Gb/s đƣờng dài, chủ yếu là kỹ thuật điều

chế và giải điều chế, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc FEC (Forward Error Correction), kỹ

thuật xử lý tín hiệu số và các công nghệ truyền tải đƣờng dài. Công nghệ điều chế tiên

tiến là cần thiết cho việc thực hiện truyền tải DWDM dung lƣợng cao và khoảng cách

xa. Một số hãng lớn trên thế giới đã nghiên cứu các vấn đề này, ví dụ Huawei đã phát

triển các kỹ thuật điều chế tiên tiến nhƣ sDQPSK, oPDM-DQPSK và ePDM-QPSK.

Điều chế sDQPSK sử dụng công nghệ kiểm soát phân cực để giảm tác động phi tuyến

trong hệ thống DWDM tốc độ cao, cho phép hệ thống truyền tín hiệu trên khoảng cách

1200 km [28]. Bằng việc thực thi phần cứng kết hợp với các thuật toán tiên tiến, công

nghệ oPDM-DQPSK tạo điều kiện theo dõi một cách nhanh chóng phân cực quang và

giúp truyền tải tới 80 bƣớc sóng tín hiệu tại 100 Gb/s. Các đặc tính tiên tiến của công

nghệ ePDM-QPSK có thể kể đến nhƣ kỹ thuật tách sóng Coherent, bộ chuyển đổi tín

hiệu tƣơng tự – số tốc độ cao, bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao. Do tính miễn nhiễm với

tán sắc và phi tuyến cao nên công nghệ ePDM-QPSK có thể truyền tải lên tới 80 bƣớc

sóng của tín hiệu tại 100 Gb/s qua khoảng cách 1500 km [28].



3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena

3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena

Ciena® Corporation (Hoa Kỳ), là một công ty chuyên về mạng, cung cấp các giải

pháp cơ sở hạ tầng mạng hàng đầu thế giới. Khách hàng của Ciena bao gồm cả những

nhà khai thác mạng lớn nhƣ: AT&T, Verizon, Bell Canada, CenturyLink, CANARIE,

Internet2, JANET, SURFnet, VERNet… Các giải pháp mạng quang học của Ciena

đƣợc ứng dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới, bao gồm mạng siêu đƣờng dài

(Ultra-Long-haul), mạng đƣờng dài (Long-haul), mạng vùng (Regional) và mạng đô

thị (Metro). Ƣu điểm của các giải pháp mạng Ciena là kiến trúc mạng đơn giản, linh

hoạt và dễ dàng nâng cấp khi cần. Hình 3.2 minh họa kiến trúc mạng quang Ciena, với

các thiết bị quan trọng 6500, 5410, 5430 (hình 3.3). Trong đó thiết bị chủ lực 6500 là

một thiết bị biên hỗ trợ đa dịch vụ, đa giao thức; kết hợp TDM/WDM/Ethernet/OTN

trên một mạng hội tụ duy nhất. Ngoài ra 6500 còn hỗ trợ giao diện 40 Gb/s và 100

Gb/s, cho phép nâng cấp dễ dàng lên 40 Gb/s và 100 Gb/s. 5410 và 5430 là những

thiết bị chuyển mạch gói quang có khả năng cấu hình lại đƣợc, thực hiện thu gom lƣu

lƣợng trên các mạng IP đƣa về mạng lõi qua thiết bị 6500.

6500

5430

5410

5430

5410

Ciena

6500

6500

6500

6500

6500

6500

Quản lý mạng

Thống nhất

Mạng dƣới

biển

Mạng Metro

& Long Haul

Mạng Metro

& Long Haul

Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena

Về công nghệ mạng quang Coherent tốc độ cao, Ciena là hãng cung cấp thiết bị

đầu tiên trên thế giới đƣa sản phẩm cho ứng dụng 40 Gb/s và 100 Gb/s vào thƣơng mại

hóa. Tính đến ngày 06/09/2012, đã có hơn 100 khách hàng sử dụng công nghệ 40/100

Gb/s của Ciena, với hơn 15 triệu km đã đƣợc triển khai trên toàn cầu [29]. Giải pháp

40/100 Gb/s của Ciena dựa trên bộ vi xử lý quang Coherent WaveLogic TM

(mới nhất

là WaveLogic 3), cho phép nâng cấp mạng lƣới 10 Gb/s đang sử dụng lên 40 Gb/s và



100 Gb/s và tƣơng lai lên đến 400 Gb/s, một cách đơn giản và hiệu quả về chi phí.

Những lợi ích của công nghệ WaveLogic bao gồm:

- Tăng lƣu lƣợng truyền tải của mạng 10 Gb/s hiện tại lên 4 lần hoặc 10 lần bằng

cách đơn giản là lắp đặt module 40/100 Gb/s vào thiết bị OME 6500.

- Nhanh chóng kích hoạt các dịch vụ mới trên mạng, bao gồm cả Ethernet tốc độ

cao và các dịch vụ OTN.

- Giảm chi phí đầu tƣ thông qua việc cắt giảm hoặc loại bỏ một số loại thiết bị mạng

nhƣ bộ khuếch đại Raman, bộ tái tạo tín hiệu (Regenerator), bộ bù tán sắc…

- Không cần phải đầu tƣ lắp đặt thêm các tuyến cáp quang mới.

4200 6500 7-slot 6500 14-slot 6500 32-slot 5410 5430

Nền tảng dịch

vụ tiên tiếnNền tảng gói quang Hệ thống chuyển

mạch cấu hình

lại đƣợc

Truyền tải gói quang Chuyển mạch gói quang

Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena

3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s

Giải pháp mạng quang đƣờng dài của Ciena thƣờng đƣợc ứng dụng vào mạng

đƣờng trục quốc gia. Ƣu điểm của nó là ở tính đơn giản, linh hoạt; xây dựng hệ thống

mạng theo kiến trúc module cho phép thay đổi, nâng cấp và quản lý dễ dàng. Đặc biệt

giải pháp 100 Gb/s của Ciena cho phép tận dụng tối đa cơ sở hạ tầng mạng đã đƣợc

xây dựng cho hệ thống 10 Gb/s, đồng thời giảm bớt một số khối thiết bị nhƣ bộ

khuếch đại Raman, bộ bù tán sắc trên đƣờng truyền, bộ tái tạo tín hiệu. Một số đặc

điểm của giải pháp 100 Gb/s [30]:

Hỗ trợ 88 kênh bƣớc sóng 100 Gb/s (khoảng cách kênh 50 GHz).

Có thể ghép hỗn hợp với kênh 10 Gb/s và 40 Gb/s trên cùng một sợi quang.

Phù hợp với lƣới ITU 50 GHz và 100 GHz.

Sử dụng hai sóng mang con với khoảng cách 20 GHz, làm cho tốc độ xử lý giảm

đƣợc một nữa (xuống còn 14 Gsymbol/s).

Hỗ trợ khoảng cách hơn 1000 km (không cần Regenerator).

Sử dụng bù tán sắc động điện tử và có thể bù ±32000 ps/nm.

Cho phép một lƣợng tán sắc phân cực mode khoảng 10 ps.



Tính miễn nhiễm với PMD cao hơn so với hệ thống 10 Gb/s.

Có thể đi qua 10 ROADM (50 GHz).

6500OTN

NetworkIP IP

IEEE

ITU-T ITU-T

IEEE

OIF OIF

6500

Hình 3.4 Kiến trúc mạng đường dài 100 Gb/s

Hình 3.4 mô tả kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s của hãng Ciena, trong đó cơ

bản có thể chia làm ba phần: phần mạng phía khách hàng (theo chuẩn IEEE), phần

mạng lõi (theo chuẩn ITU-T) và phần thu/phát xử lý tín hiệu (theo chuẩn OIF). Sau

đây chúng ta cùng tìm hiểu về ba thành phần này.

a. IEEE

Chuẩn Ethernet tốc độ 40/100 Gb/s (IEEE P802.3ba) đƣợc thông qua vào ngày

17/06/2010, mở đƣờng cho một làn sóng kết nối máy chủ Ethernet tốc độ cao và hệ

thống chuyển mạch lõi. Thiết bị OME 6500 của Ciena cũng đã cung cấp giao diện

khách hàng 100 GbE, thuận tiện cho kết nối giữa mạng DWDM và mạng Metro hoặc

mạng vùng. Nhƣ vậy tín hiệu 100 Gb/s trên mạng lõi qua thiết bị OME 6500 có thể

chia thành 10 x 10 GbE client, 10 x 10 Gb/s multi-rate client hoặc 100 GbE client. Với

giao diện 100 GbE, cho phép truyền tín hiệu 100 GbE từ thiết bị OME 6500 đến các

Router lõi. Chuẩn IEEE P802.3ba đƣợc trình bày trong bảng dƣới đây [13] [27]:

Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba

100 GbE 40 GbE

Tốc độ 103,125 Gb/s 41,25 Gb/s

1m backplane 40GBASE-KR4

10m cáp đồng 100GBASE-CR10 40GBASE-CR4

100m MMF 100GBASE-SR10 (10 x 10Gb/s – 10 sợi/hƣớng) 40GBASE-SR4

10km SMF 100GBASE-LR4 (4 x 25Gb/s CWDM-800GHz) 40GBASE-LR4

40km SMF 100GBASE-ER4 (4 x 25Gb/s CWDM-800GHz)

b. ITU-T

Bao gồm các khuyến nghị G.872, G.709, G.798 cho mạng truyền tải quang

(OTN). Những ƣu điểm của OTN: tính trong suốt trong toàn miền quang, tối ƣu hóa

cho chuyển gói trên mạng quang, tích hợp FEC để tăng khoảng cách truyền dẫn,



chuyển đổi dễ dàng lên tốc độ 40 Gb/s và 100 Gb/s... Đặc biệt với giao diện G.709 cho

phép đơn giản hóa cơ chế ghép kênh và hỗ trợ đa giao thức (IP, Ethernet,

SONET/SDH..) trong mạng OTN. Chuẩn ITU-T G.709 cho phép tín hiệu khách hàng

(client signal) đƣợc đóng gói và sắp xếp (mapping) vào các khung, tƣơng tự nhƣ các

khung trong SONET/SDH. Cấu trúc khung trong G.709 đƣợc minh họa nhƣ trên hình

3.5, trong đó:

• Payload: là dữ liệu khách hàng, bao gồm SONET/SDH, ATM, GbE…

• OPU: Optical channel Payload Unit: khối tải trọng kênh quang.

• ODU: Optical channel Data Unit: khối dữ liệu kênh quang.

• OTU: Optical channel Transport Unit: khối truyền tải kênh quang.

• FEC: Forward Error Correction: mã sửa lỗi trƣớc.

OTU

FEC

Payload

(Tải trọng)

(SONET, ATM, IP,

GbE, FC…)

Mào

OPU

Mào

OTU

Fram

ing

Mào ODU

OPU Frame

ODU Frame

OTU Frame

1 15 17 3825 4080

4080 cột

4 hà

ng

Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709

Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709

OTU ODU Tốc độ làm

tròn Gb/s

Tốc độ

OTU Gb/s

Tốc độ ODU

Gb/s Tín hiệu khách hàng

0 1,25 1,244160 1 GbE

1 1 2,5 2,666057 2,498775 STM-16/OC-48

2 2 10 10,709225 10,037274 STM-64/OC-192

3 3 40 43,018414 40,319219 STM-256/OC-768

4 4 100 111,809973 104,794446 100 GbE

2e 2e 10 11,095730 10,399525 10 GbE

3e1 3e1 40 44,570975 41,774364 4 x ODU2e

3e2 3e2 40 44,583356 41,785969 4 x ODU2e



Các khung dữ liệu sẽ đƣợc ghép chéo nhƣ trên hình 3.6 [31], và tín hiệu cuối

cùng đƣợc truyền đi là OTU1 – OTU4, tốc độ các khung xem trên bảng 3.2 [32]. Nhƣ

vậy đối với mạng truyền tải 100 Gb/s, nếu tín hiệu khách hàng là 100 GbE, thì sẽ đƣợc

mapping vào ODU4 (ODU4 + FEC = OTU4). Nếu là các tín hiệu khác sẽ đƣợc

mapping vào các ODU bậc thấp hơn, sau đó thực hiện ghép theo các hệ số nhƣ trên

hình 3.6 để đƣợc tín hiệu ODU4.

ODU0-L

ODU1-L

ODUflex

ODU2-L

ODU2e-L

ODU3-L

ODU1-H

ODU2-H

ODU3-H

ODU3e1-H

ODU3e2-H

ODU4-H

OTU2

OTU2e

OTU3

OTU3e1

OTU3e2

OTU4

OTU1

ODU4-L

1GbE

Tín hiệu khác nhau

FC1200,10GbE

100GbE

2.5G STM-16

OC-48

10G STM-64

OC-192

STM-256/OC-768

40GbE

G.Sup43

G.Sup43

G.Sup43

x2x80

x8x40

x10

x10x2

x32

x3

x4

x4

G.Sup43

G.709

Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709

Chú thích:

- STM: Synchronous Transport Module: khối truyền tải đồng bộ (SDH).

- OC: Optical Carrier: khối vận tải quang (SONET).

- L: Lower Order ODU: ODU bậc thấp hơn.

- H: Higher Order ODU: ODU bậc cao hơn.

- ODUflex: hỗ trợ các dữ liệu với tốc độ khác nhau.

- FEC sử dụng trong ITU-T G.709 là mã Reed Solomon (255,239).

c. OIF

Khác với IEEE thƣờng không quan tâm đến kỹ thuật điều chế tín hiệu, OIF đã

tập trung vào nghiên cứu các kỹ thuật điều chế cho 100 Gb/s đƣờng dài và đã lựa chọn

DP-QPSK làm định dạng điều chế chuẩn cho tốc độ 100 Gb/s, bao gồm:

- 100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document [15],

- Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed

Quadrature Modulated Transmitters [16],

- Implementation Agreement for Intradyne Coherent Receivers [17],



- 100G Forward Error Correction White Paper [21],

- Multisource Agreement for 100G Long-Haul DWDM Transmission Module –

Electromechanical [33].

Những vấn đề liên quan đến điều chế và giải điều chế DP-QPSK cũng nhƣ máy

phát và máy thu 100 Gb/s DP-QPSK đã đƣợc giới thiệu trong chƣơng 2. Sau khi chọn

DP-QPSK làm định dạng điều chế cho công nghệ 100 Gb/s, Ciena đã cho ra mắt bộ xử

lý quang WaveLogic 3, là cơ sở cho việc nâng cấp mạng lên 100 Gb/s. Những phân

tích nêu trên chỉ tập trung vào mạng truyền tải đƣờng dài 100 Gb/s, tuy nhiên ở thời

điểm hiện tại và một thời gian dài nữa, công nghệ 100 Gb/s sẽ cùng tồn tại song song

với công nghệ 10 Gb/s và 40 Gb/s. Nghĩa là các giao tiếp với mạng khách hàng vẫn

giữ nguyên nhƣ lúc chƣa nâng cấp, thêm vào giao tiếp 100 GbE hoặc 10 x 10 GbE.

3.3 Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G

3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G [34]

Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G do công ty viễn thông liên tỉnh

(VTN) quản lý. Với vai trò truyền tải lƣu lƣợng trên mạng đƣờng trục quốc gia (chủ

yếu từ các hệ thống mạng của tập đoàn VNPT và cho một số doanh nghiệp khai thác

viễn thông khác thuê). Hiện nay có 2 hệ thống mạng đƣờng trục (backbone) đang hoạt

động song song là Long Haul 1600 (120 Gb/s) và Ciena 240G (240 Gb/s). Trong đó hệ

thống Long Haul 1600 đã cũ và không còn khả năng nâng cấp sử dụng công nghệ 100

Gb/s, nên trong phần này chỉ đề cập đến hệ thống Ciena 240G.

Hệ thống 240G đƣợc hãng Nortel (bây giờ là Ciena) xây dựng vào năm 2008 với

tên gọi Nortel 80G (dùng 8 bƣớc sóng, mỗi bƣớc 10 Gb/s), đƣợc nâng cấp vào cuối

năm 2009 với tên gọi Nortel 240G (dùng thêm 4 bƣớc 40 Gb/s bên cạnh 8 bƣớc 10

Gb/s). Hệ thống mạng này theo cấu hình Ring, bao gồm 6 Ring chính (hình 3.7):

Ring 7: Hà Nội – Vinh

Ring 8: Vinh – Đà nẵng

Ring 9: Đà Nẵng – Quy Nhơn

Ring 10: Quy Nhơn – Phan Rang

Ring 11: Phan Rang – TPHCM

Ring 12: TPHCM – Cần Thơ

Theo thiết kế ban đầu lúc nâng cấp thì: Ring 7, 8, 9, 10 và 11 sử dụng 8 bƣớc 10

Gb/s; Ring 12 sử dụng 4 bƣớc 10 Gb/s. Ring 7, 8 và 10 sử dụng 5 bƣớc 40 Gb/s; Ring

9 và 11 sử dụng 4 bƣớc 40 Gb/s; Ring 12 sử dụng 2 bƣớc 40 Gb/s. Các bƣớc sóng đã

sử dụng đƣợc trình bày trong bảng 3.3. Trên tuyến đƣờng trục Bắc-Nam đang sử dụng

hai loại sợi quang G.652 và G.655.



Khuếch đại đƣờng dây

OM

E 6500 D

D (D

ouble Decker)

OM

E 6500 (B

B+M

SPP+PL)

OM

E 6500 B

B (B

roadBand)

RO

AD

M 2 hƣớng

RO

AD

M 4 hƣớng

HA

NO

I

NIN

H B

INH

CH

O

BE

NR

2

TAN

KY

HU

ON

G

SO

N

THA

NH

HO

A

VIN

H

HA

TINH

BA

C

SO

NR

7

CA

M

LOA

LUO

IH

IEN

HO

AN

G

LE

DO

NG

HO

ID

ON

G

HA

HU

E

DA

NA

NG

TAM

KY

QU

AN

G

NG

AI

LAI

KH

AN

PH

UO

C

SO

N

DA

K

TO

KO

N

TUM

PLE

IKU

AN

KH

E QU

Y N

HO

N

TUY

HO

A

PH

U

NH

ON

NH

A TR

AN

G

B.M

.THU

OT K

RO

NG

NO

DA

LAT

PH

AN

RA

NG NU

I

MO

T

PH

AN

THIE

T

XU

AN

LOC

DA

K N

ON

G

BIN

H

PH

UO

C

BIN

H

DU

ON

G

VT1-H

CM

MY

THO

1

MY

THO

2

CA

O LA

NH

VIN

H LO

NG

CA

N TH

O

Chú thích:

MY

DIN

H

(HA

NO

I) RIN

G 7

RIN

G 8

RIN

G 9

RIN

G 10

RIN

G 11

RIN

G 12

NO

DE

2-

LTK

Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G



Hệ thống Ciena 240G gồm có ba thiết bị chính: CPL, HDXc và OME 6500:

CPL: Là thiết bị hoạt động trên lớp DWDM, bao gồm các thành phần chức năng:

- Khuếch đại EDFA và Raman,

- CMD44: tách/ghép kênh (44 bƣớc sóng trong băng C),

- WSS: chuyển mạch lựa chọn bƣớc sóng,

- DOSC/UOSC: chứa bộ xử lý, điều khiển và truyền thông chính cho tất cả các

thiết bị CPL ở ROADM hoặc Line AMP. Đây là một thiết bị thông minh của

mạng, nó lƣu trữ thông tin gắn liền với việc quản lý, cấu hình, truyền thông, tối

ƣu và điều khiển mạng lƣới.

HDXc: Có chức năng kết nối liên mạng, chuyển mạch bảo vệ trong mạng quang

Ciena, dung lƣợng hệ thống:

- HDXc: 320 Gb/s – 640 Gb/s,

- HDX: 640 Gb/s – 1280 Gb/s.

Cấu hình:

+ 10G: 4FR, 2FR, 1+1, SNCP Ring, không bảo vệ,

+ 2.5G: 2FR, 1+1, SNCP Ring, không bảo vệ,

+ 155M/622M: 1+1, SNCP Ring, không bảo vệ.

OME 6500: Là thiết bị biên đa dịch vụ quang, hoạt động trên lớp SDH, có các

đặc điểm sau:

- OME 6500 có thể ứng dụng cho mạng Metro, Backbone, Core…

- Hỗ trợ nhiều giao tiếp với nhiều tốc độ, giao thức khác nhau: SONET/SDH,

Ethernet, IP, OTN, DWDM…

- Hỗ trợ chuyển mạch lớp 2 và chuyển mạch dịch vụ Erthenet.

- Có khả năng xen rớt lƣu lƣợng trực tiếp từ STM-256 xuống các luồng thấp hơn.

- Hỗ trợ nhiều phƣơng thức chuyển mạch bảo vệ nhƣ MSP, MS-SPRing…

- Bù tán sắc động điện tử (eDCO).

- Hỗ trợ các module điều chế thế hệ mới.

- Có ba cấu hình cơ bản:

+ OME 6500 BB (BroadBand), 14 Slot,

+ OME 6500 MSPP (Multi-Service Provisioning Platform), 14 Slot,

+ OME 6500 DD (Double Decker), 32 Slot.

- Phần cứng thiết bị OME 6500 BB và MSPP: Shelf OME 6500 bao gồm 17 slot

trong đó có 14 slot mang lƣu lƣợng:

+ Bảng truy xuất (Access Panel) nằm ở phía trên của shelf,

+ 2 card xử lý shelf (Shelf Processor) nằm ở slot 15 và 16,



+ Card giao tiếp bảo dƣỡng (MIC) nằm ở slot 17,

+ Các card nguồn vào nằm ở slot 17, subslot 1 và 3,

+ Card kết nối chéo (Cross Connect) nằm ở slot 7 và 8,

+ Card giao tiếp nằm ở các Slot 1-6 và 9-14.

- Phần cứng thiết bị OME 6500 DD:

+ OME 6500 DD có 32 slot mang lƣu lƣợng,

+ Có 2 card kết nối chéo nằm ở slot 9 và 10,

+ Access Panel (AP) nằm ở slot 47,

+ Quạt đƣợc tích hợp nhƣ là một phần chính của shelf, shelf có 2 module,

mỗi module có 4 quạt, nếu 1 trong 4 quạt hỏng thì phải thay cả module đó,

đƣợc sử dụng ở slot 45 và 46,

+ 2 Card nguồn 3x60A (breakered) nằm ở slot 43 và 44,

+ 2 Card xử lý shelf nằm ở slot 41 và 42,

+ Card giao tiếp quang nằm ở các slot 1-8, 11-18, 21-28, 31-38.

Hình sau đây mô tả một node mạng trong hệ thống Ciena 240G:

HDXc /

OME-DDOMEOME

AMP WSSCMD44

AMPWSSCMD44

CPL CPL

Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena

Những node mạng chỉ có chức năng khuếch đại đƣờng dây thì chỉ gắn các

module khuếch đại trên giá của CPL, những node có chức năng ROADM 2 hƣớng thì

không cần dùng HDXc hoặc OME 6500 DD. Hệ thống Ciena 240G sử dụng lƣới bƣớc

sóng có khoảng cách kênh 100 GHz, bao gồm 44 bƣớc sóng trong băng C, đƣợc chia

làm 9 nhóm nhƣ trên bảng 3.3. Những bƣớc sóng có ghi chú “For future” là những

bƣớc sóng đƣợc quy hoạch sử dụng trong tƣơng lai khi nâng cấp hệ thống lên 40 Gb/s.

Bảng 3.3 Lƣới bƣớc sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G

Nhóm Kênh số (Ciena) Bƣớc sóng (nm) Kênh số (VTN) Ghi chú

1

1 1530,33 9 40 Gb/s

2 1531,12 10 40 Gb/s

3 1531.90 11 40 Gb/s

4 1532,68 12 40 Gb/s

5 1533,47 13 40 Gb/s



2

6 1534,25 14 For future

7 1535,04 15 For future

8 1535,82 16 For future

9 1536,61 17 For future

10 1537.40 18 For future

3

11 1538,19 19 For future

12 1538,98 20 For future

13 1539,77 21 For future

14 1540,56 22 For future

15 1541,35 23 For future

4

16 1542,14 24 For future

17 1542,94 25 For future

18 1543,73 26 For future

19 1544,53 27 For future

20 1545,32 28 For future

5

21 1546,12 29 For future

22 1546,92 30 For future

23 1547,72 31 For future

24 1548,51 32 For future

25 1549,32 33 For future

6

26 1550,12

27 1550,92

28 1551,72

29 1552,52

30 1553,33

7

31 1554,13

32 1554,94

33 1555,75

34 1556,55

35 1557,36

8

36 1558,17

37 1558,98 1 10 Gb/s

38 1559,79 2 10 Gb/s

39 1560,61 3 10 Gb/s

40 1561,42 4 10 Gb/s

9

41 1562,23 5 10 Gb/s

42 1563,05 6 10 Gb/s

43 1563,86 7 10 Gb/s

44 1564,68 8 10 Gb/s



3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống

Việc nâng cấp hệ thống sử dụng công nghệ 100 Gb/s là xu hƣớng tất yếu trong

vài năm tới khi lƣu lƣợng trên mạng lõi đang ngày một tăng do sự ra đời của nhiều

dịch vụ chiếm băng thông lớn. Nhiều nƣớc trên thế giới đã triển khai hệ thống 100

Gb/s, Ciena cùng với VTN cũng đã thử nghiệm thành công tại Việt Nam, điều đó

chứng tỏ hạ tầng mạng quang của VNPT/VTN hoàn toàn có thể đáp ứng các yêu cầu

cho việc triển khai công nghệ 100 Gb/s. Dự đoán trong năm 2015, VTN sẽ đƣa công

nghệ này vào sử dụng trên mạng đƣờng trục Bắc-Nam. Trong phần nội dung tiếp theo

xin đƣa ra một vài nhận định về những vấn đề cần quan tâm khi nâng cấp mạng lƣới.

Khi triển khai công nghệ 100 Gb/s, VTN có hai sự lựa chọn: một là xây dựng

một hệ thống mới với giải pháp công nghệ có thể lựa chọn từ những nhà sản xuất thiết

bị đã có sản phẩm thƣơng mại hóa nhƣ Fujitsu, Huawei, Alcatel-Lucent…Hai là đầu tƣ

nâng cấp hệ thống Ciena đang sử dụng. Rõ ràng giải pháp đầu tiên là không khả thi

vào lúc này vì chi phí để đầu tƣ xây dựng một hệ thống mới là quá cao và mất rất

nhiều thời gian. Lựa chọn giải pháp thứ hai đồng nghĩa với lựa chọn giải pháp công

nghệ 100 Gb/s DP-QPSK đƣờng dài của Ciena. Những ƣu điểm của giải pháp này đã

đƣợc trình bày trong mục 3.2, quan trọng nhất là tận dụng đƣợc tối đa cơ sở hạ tầng

đang sử dụng cho công nghệ 10/40 Gb/s nên tiết kiệm đƣợc chi phí đầu tƣ. Nhƣ chúng

ta đã biết, việc bù tán sắc trên đƣờng truyền bằng sợi DCF (phổ biến) sẽ làm tăng suy

hao tuyến quang, độ phi tuyến, tán sắc phân cực mode và dĩ nhiên làm tăng thêm chi

phí xây dựng mạng quang. Sử dụng giải pháp của Ciena với công nghệ bù tán sắc điện

tử sẽ khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm này. VTN cũng đã có đƣợc những kinh

nghiệm khi nâng cấp hệ thống lên 40 Gb/s, có thể coi đó nhƣ là một bƣớc đệm cho

việc nâng cấp lên 100 Gb/s. Ngoài ra, việc đã có nhiều năm hợp tác với Ciena sẽ giúp

các kỹ sƣ của VTN dễ dàng nắm bắt công nghệ, vận hành và quản lý mạng lƣới.

3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bƣớc sóng:

Việc quy hoạch sử dụng bƣớc sóng là một vấn đề quan trọng khi triển khai công

nghệ mới, phải có những tính toán dự báo kỹ lƣỡng và chính xác về nhu cầu lƣu lƣợng

truyền tải trên từng chặng giữa các thành phố và các tỉnh. Hiện tại các bƣớc sóng ở

nhóm 1, 8 và 9 (bảng 3.3) đã đƣợc sử dụng cho công nghệ 10/40 Gb/s. Theo tính toán

ban đầu lúc nâng cấp hệ thống lên 40 Gb/s thì các bƣớc sóng thuộc nhóm 1 đến 5 đƣợc

sử dụng cho công nghệ 40 Gb/s. Những mô phỏng và thử nghiệm của Ciena chỉ ra

rằng nếu các bƣớc sóng 10 Gb/s, 40 Gb/s và 100 Gb/s sử dụng xen kẽ sẽ gây ảnh

hƣởng lẫn nhau; nên lúc quy hoạch bƣớc sóng, các bƣớc sóng 10 Gb/s, 40 Gb/s và 100

Gb/s sẽ đƣợc chia thành từng nhóm riêng biệt và cách nhau khoảng 2 nhóm. Nghĩa là

các bƣớc sóng 100 Gb/s sẽ nằm trong nhóm 4 và 5 (và sẽ mở rộng về 2 phía khi có

nhu cầu nếu thử nghiệm không có vấn đề gì xảy ra). Dĩ nhiên sử dụng bao nhiêu bƣớc

100 Gb/s là tùy thuộc vào những tính toán của VTN tại thời điểm triển khai.



Trong qua trình triển khai công nghệ 40 Gb/s, tại Ring 8, tuyến Vinh – Cam Lộ –

Đà Nẵng, đã không thể đáp ứng đƣợc yêu cầu lai ghép giữa hai công nghệ 10 Gb/s và

40 Gb/s trên sợi G.655 do suy hao các chặng quá cao (ví dụ: Cam Lộ – A Lƣới = 36

dB). Nên Ciena đã lựa chọn giải pháp chuyển đổi 8 bƣớc 10 Gb/s sang 2 bƣớc 40

Gb/s. Nhƣ vậy rất có thể lúc triển khai công nghệ 100 Gb/s cũng sẽ gặp phải trƣờng

hợp tƣơng tự. Lúc đó có thể phải đầu tƣ nâng cấp cáp quang hoặc tính toán lắp đặt lại

các bộ khuếch đại, hoặc xây dựng thêm node mới với chức năng khuếch đại đƣờng

dây.

3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới:

Hiệu quả về chi phí là yếu tố quan trọng nhất khi đầu tƣ mua sắm trang thiết bị

cho việc nâng cấp mạng lƣới, việc thiết kế mạng và lắp đặt thiết bị là do phía Ciena

đƣa ra kiến nghị dựa trên những yêu cầu từ phía VTN. Với vốn kiến thức hạn chế của

mình, chỉ xin nêu ra dƣới đây một vài module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới.

Để truyền tín hiệu 100 Gb/s giữa hai node A và B sử dụng thiết bị OME 6500 (ở đây

không đề cập đến CPL và HDXc), Ciena sử dụng một cặp card 100 Gb/s cho mỗi

node, bao gồm một card 100G-OCLD và một card 100G-OCI nhƣ trên hình 3.9.

O

C

I

O

C

L

D

O

C

L

D

O

C

I

100 Gb/s

DWDM

Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI

Card 100-OCLD: Là một mạch tích hợp máy thu/phát tín hiệu 100 Gb/s DP-

QPSK, sử dụng công nghệ bù tán sắc điện tử. Chiếm hai slot trong OME 6500, bình

thƣờng đƣợc lắp đặt ở slot 5-6 và 11-12; trong trƣờng hợp khác, ví dụ chức năng tái

tạo tín hiệu, có thể lắp đặt ở các slot 3-4, 5-6, 9-10, 11-12. Một số đặc điểm chính:

- Giao diện 100 Gb/s DWDM (OUT4) tƣơng thích với lƣới 50/100 GHz, băng C.

- Sử dụng điều chế và giải điều chế Coherent DP-QPSK.

- Bồi thƣờng và khả năng chịu đựng PMD cao.

- Điều khiển công suất tự động ở giao diện phía thu.

- Hỗ trợ giám sát hiệu suất của OTU4, ODU4 và lớp vật lý.

Card 100G-OCI: Giao tiếp phía khách hàng, thực hiện chức năng ánh xạ tín hiệu

khách hàng vào tín hiệu 100 Gb/s và kết nối đến card 100G-OCLD liền kề thông qua

backplane trong OME 6500. Card 100G-OCI phải đƣợc trang bị một module quang

CFP (C Form-factor Pluggable) hỗ trợ 100 Gb/s Ethernet. Tín hiệu khách hàng có thể

là 10 x 10 Gb/s hoặc là 100 Gb/s. Nhƣ vậy cặp card OCLD và OCI có thể thực hiện



chức năng Muxponder, Transponder hoặc Regeneration. Card OCI cũng chiếm hai slot

trong OME 6500, trong OME 14 slot có thể gắn ở slot 3-4 và 9-10.

Card xử lý shelf 2 (Shelf Processor 2 – SP-2): Card xử lý shelf là bộ xử lý trung

tâm của shelf OME 6500. Mỗi thiết bị OME 6500 đƣợc lắp đặt 2 card xử lý shelf, một

card làm việc và một card dự phòng. Thiết bị OME 6500 sử dụng trong công nghệ 10

Gb/s đƣợc trang bị bộ xử lý shelf SP, còn trong công nghệ 100 Gb/s sử dụng bộ xử lý

shelf SP-2, đƣợc nâng cấp từ SP. So với SP thì SP-2 tính toán với tốc độ nhanh hơn

2,5 lần, khả năng lƣu trữ gấp 10 lần và bộ nhớ gấp 4 lần (NTK555CAE5) hoặc 8 lần

(NTK555FAE5) [35]. Thiết bị OME 6500 DD trong hệ thống Ciena 240G đang sử

dụng card xử lý shelf NTK555FAE5. SP-2 thực hiện các chức năng sau:

- Quản lý và giám sát các module trên OME 6500,

- Quản lý những thông tin liên lạc với thiết bị khác,

- Đƣa ra các cảnh báo,

- Duy trì bản sao backup của tất cả các phần mềm hệ thống trên một FLASH DISK.

3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng:

Lúc đƣa vào khai thác công nghệ 40 Gb/s, hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam

đã đƣợc nâng cấp phần mềm cho hệ thống quản lý mạng (NMS), tuy nhiên vào thời

điểm đó sản phẩm 100 Gb/s vẫn chƣa sẵn có nên phầm mềm không tƣơng thích hoặc

không hỗ trợ đối với công nghệ 100 Gb/s. Nhƣ vậy muốn đƣa vào khai thác công nghệ

100 Gb/s, VTN phải thực hiện nâng cấp phần mềm quản lý mạng với mục đích tƣơng

thích với các phần mềm thiết bị mới và thiết bị 100 Gb/s mới. Cần lƣu ý rằng việc

nâng cấp phần mềm không chỉ thực hiện cho tất cả các thiết bị OME 6500 mà còn cho

tất cả các thiết bị CPL trên toàn bộ mạng lƣới. Việc nâng cấp phần mềm trên thiết bị

OME 6500 có thể trải qua hai giai đoạn sau đây:

Giai đoạn chuẩn bị:

- Chuẩn bị phần mềm phiên bản mới hỗ trợ công nghệ 100 Gb/s.

- Kiểm tra sự tƣơng thích của phần mềm với các module.

- Sao lƣu tất cả các cấu hình hiện có.

- Thiết lập một bảng chứa thông tin liên quan đến các node đƣợc nâng cấp (ví dụ

nhƣ tên node, địa chỉ IP, phiên bản phần mềm đang hoạt động…).

- Loại bỏ các phiên bản phần mềm không còn sử dụng.

Giai đoạn nâng cấp:

- Thực hiện nâng cấp, giai đoạn này có thể mất khoảng 70 – 80 phút.

- Sau khi nâng cấp xong, thực hiện xóa hoàn toàn phiên bản phần mềm cũ.

- Khởi động lại các module có firmware mới, bao gồm các card 100 Gb/s.

- Sao lƣu tất cả các dữ liệu hệ thống.



Ngoài ra, VTN có thể sẽ phải mua thêm thiết bị OME 6500 và các module trang

bị cho CPL khi đƣa vào sử dụng thêm nhiều bƣớc sóng mới hoặc lắp đặt/nâng cấp các

node mạng. Bƣớc đầu có thể thử nghiệm sử dụng bƣớc sóng 100 Gb/s giữa ba node

mạng lớn Hà Nội (HNI), Đà Nẵng (DNG) và Thành phố Hồ Chí Minh (HCM), đảm

nhiệm truyền tải lƣu lƣợng giữa ba Router lõi đặt tại ba node mạng này.

3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK

Trong phần cuối cùng của chƣơng 3, xin đƣa ra một số kết quả mô phỏng hệ

thống 100 Gb/s DP-QPSK với sự hỗ trợ của phần mềm Optisystem 11 và một số kết

quả thử nghiệm trên thực tế. Tuy nhiên phần mềm chỉ hỗ trợ phân tích tín hiệu trƣớc

bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Nói chung, cho đến hiện nay, việc phân tích tín hiệu trong

hệ thống sử dụng điều chế DP-QPSK vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn do mức độ phức

tạp của công nghệ. Việc mô phỏng hệ thống này trên các phần mềm cũng vậy, không

thể mô phỏng một hệ thống (điểm – điểm) hoàn chỉnh với các kết quả phân tích nhƣ

khi mô phỏng hệ thống 10 Gb/s sử dụng điều chế cƣờng độ.

3.3.3.1 Mô hình 1

D

S

P

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK

Mô hình 1 miêu tả một hệ thống thu/phát 100 Gb/s DP-QPSK, bao gồm:

Máy phát DP-QPSK: Tần số: 193,1 THz, công suất: 0 dBm, bit rate: 100 Gb/s.

Máy thu DP-QPSK: Tần số: 193,1 THz, công suất: 0 dBm, bit rate: 10 Gb/s và

100 Gb/s, photodetector: PIN với R = 0,8 A/W.

Sợi quang G.652: Chiều dài: 100 km (Loop control = 1), hệ số suy hao: 0,2 dB/km,

hệ số tán sắc 16,75 ps/(nm.km), độ dốc tán sắc: 0,075 ps/nm2/km.

Khuếch đại EDFA: G = 20 dB, hệ số nhiễu NF = 4 dB.

4 bộ khuếch tín hiệu điện có độ lợi 20 dB.

4 bộ lọc thông thấp Bessel.



Ngoài ra còn 2 máy phân tích phổ quang (OSA Input và OSA Output), 2 máy quan

sát tín hiệu quang trên miền thời gian (OTDV Input và OTDV Output), 2 máy quan

sát chòm sao tín hiệu điện trên hai phân cực X và Y (Electrical Constellation

Visualizer X và Electrical Constellation Visualizer Y).

Kết quả mô phỏng:

Phổ của tín hiệu sau máy phát (trên phân cực X và Y):

Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát

Biểu đồ chòm sao tín hiệu điện (10 Gb/s và 100 Gb/s, trên phân cực Y):

10 Gb/s

100 Gb/s

Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s

Ta thấy khi hệ thống hoạt động với tốc độ bit 10 Gb/s thì biểu đồ chòm sao tín

hiệu nhƣ trên hình bên trái, lúc này hệ thống hoạt động tốt (các ký tự quang “00”,

“01”, “11”, “10” nằm trên 4 đỉnh của hình vuông và cách xa tâm, nên xác suất lựa

chọn đúng ký tự quang cao, nghĩa là tỉ lệ lỗi bit thấp). Tuy nhiên, khi tăng tốc độ bit



lên 100 Gb/s thì biểu đồ chòm sao tín hiệu nhƣ trên hình bên phải và tỉ lệ lỗi bit sẽ lớn

hơn rất nhiều, dẫn đến hệ thống không thể hoạt động đƣợc nếu nhƣ không sử dụng bộ

xử lý tín hiệu số tốc độ cao. Chúng ta có thể đối chiếu với kết quả thử nghiệm trên

thực tế đƣợc nêu trong hình 2.42 của tài liệu [1] bằng việc quan sát hình dƣới đây (tín

hiệu sau máy thu chƣa qua bộ DSP, tán sắc 170 ps chƣa đƣợc bù trên đƣờng truyền,

kết quả có đƣợc nhờ máy phân tích điều chế quang PSO-200 của hãng EXFO):

Phân cực X Phân cực Y

Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km

Rõ ràng sau chặng 100 km, pha của tín hiệu đã bị thay đổi (nhiễu pha), điều này

đƣợc thể hiện qua kết quả phân tích tín hiệu quang trên miền thời gian đƣợc thể hiện ở

trên hình 3.14 (trên phân cực X). Sau máy phát, 4 trạng thái “00”, “01”, “11”, “10”

đƣợc phân biệt bởi 4 giá trị pha của sóng mang cách nhau 90 độ (hình bên trái).

Trƣớc máy thu (sau 100 km), pha của tín hiệu đã bị méo nghiêm trọng (hình bên

phải) dẫn đến chòm sao tín hiệu có dạng nhƣ trên hình 3.13. Việc khôi phục pha

cũng nhƣ tần số của tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện trong bộ DSP.

Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian



3.3.3.2 Mô hình 2

Xét ảnh hƣởng của kênh 100 Gb/s lên kênh 10 Gb/s trong một hệ thống WDM sử

dụng khoảng cách kênh 100 GHz.

Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bước sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s

Mô hình 2 mô phỏng một hệ thống DWDM, bao gồm 4 kênh bƣớc sóng:

- Kênh 0: 100 Gb/s, tần số 193,1 THz,



- Kênh 3: 10 Gb/s, tần số 193,4 THz.

Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trước bộ DEMUX

Mô hình 2 sử dụng lại tuyến quang trong mô hình 1 nhƣng có thực hiện bù tán

sắc trên đƣờng truyền bằng sợi DCF. Sợi DCF có chiều dài 20 km và hệ số suy hao 0,5

dB/km, hệ số tán sắc: -16,75.100/20 = -83,75 ps/(nm.km). Để bù suy hao trên sợi DCF



ta dùng thêm một bộ khuếch đại EDFA 2 với hệ số khuếch đại: 20.0,5 = 10 dB. Ngoài

ra còn dùng thêm 3 máy phân tích tỉ lệ lỗi bit (BER Analyzer) cho 3 kênh 10 Gb/s.

Hình 3.16 thể hiện dạng phổ của tín hiệu WDM tại điểm phát (hình bên trái) và tại

điểm thu (hình bên phải), phổ của tín hiệu 100 Gb/s nằm ở ngoài cùng bên trái.

Xét ảnh hƣởng của kênh 100 Gb/s lên các kênh 10 Gb/s:

BERmin = 2.7424.10-17

BERmin = 4.63237.10-26

(a) Kênh 1 (b) Kênh 2

(c) Kênh 3

BERmin = 2.0311.10-200

Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bước sóng 10 Gb/s

Ta thấy tỉ lệ lỗi bit của kênh 1 là lớn nhất, kênh 3 là nhỏ nhất và gần nhƣ là bằng

không. Nhƣ vậy kênh càng gần kênh 0 (100 Gb/s) thì càng bị ảnh hƣởng, kênh 3 cách

kênh 0 một khoảng 300 GHz và gần nhƣ không bị ảnh hƣởng. Điều đó giải thích vì sao

Ciena khuyến nghị nhóm các kênh 10 Gb/s lại gần nhau và trừ ra một khoảng bảo vệ

giữa kênh 100 Gb/s với các kênh 10 Gb/s (cũng nhƣ 40 Gb/s).



Xét ảnh hƣởng của các kênh 10 Gb/s lên kênh 100 Gb/s:

Các kênh 10 Gb/s cũng gây ảnh hƣởng lên kênh 100 Gb/s, nhƣng phần mềm

Optisystem lại không hỗ trợ phân tích tỉ lệ lỗi bit của kênh 100 Gb/s. Tuy nhiên chúng

ta có thể quan sát điều này qua những hình ảnh thu đƣợc từ cuộc thử nghiệm giải pháp

100 Gb/s của Alcatel-Lucent [1]. Cuộc thử nghiệm của Alcatel-Lucent đƣợc thực hiện

trên mạng của CESNET, qua 6 chặng, mỗi chặng dài khoảng 100 km, 3 chặng đầu sử

dụng sợi G.652 và 3 chặng sau sử dụng sợi G.655. Thực hiện ghép 14 kênh 10 Gb/s

(khoảng cách kênh 100 GHz) và 2 kênh 100 Gb/s (khoảng cách kênh 50 GHz), 2 kênh

100 Gb/s nằm ở giữa những kênh 10 Gb/s, xem hình 3.18.

Cô

ng

su

ất

(dB

m)

Bƣớc sóng (nm)

Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau

Hiệu suất của kênh 100 Gb/s đƣợc đo bằng cách theo dõi số lƣợng khung dữ liệu

đƣợc sửa (dùng mã hóa FEC) trong khoảng thời gian 15 phút. Ban đầu khi các kênh 10

Gb/s và 100 Gb/s gần kề nhau (hình 3.18) thì số khung đƣợc sữa lỗi là 1144 triệu.

Nhƣng sau khi 3 kênh 10 Gb/s liền kề đƣợc gỡ bỏ (hình 3.19) thì số khung đƣợc sữa

lỗi tăng lên 2282 triệu, nghĩa là hiệu suất kênh truyền 100 Gb/s bị sụt giảm. Điều này

nghe có vẻ vô lý và hiện nay vẫn đang đƣợc nghiên cứu. Tuy nhiên nó lại không gây ra

ảnh hƣởng đối với những kênh 10 Gb/s còn lại.

Côn

g s

uất

(dB

m)

Bƣớc sóng (nm)

Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề



KẾT LUẬN

Theo dự báo của VTN, trong giai đoạn từ nay đến năm 2015, lƣu lƣợng trên

mạng đƣờng trục Bắc-Nam sẽ tăng với tỉ lệ hàng năm vào khoảng 85% [24], đó là một

tỷ lệ khá cao so với mức tăng trung bình của nhiều nƣớc trên thế giới . Chính vì lẽ đó,

việc nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống mạng đƣờng trục sẽ trở thành vấn đề

cấp thiết trong vài năm tới. Đƣa công nghệ 100 Gb/s vào ứng dụng trong mạng lõi là

xu hƣớng chung của các nhà khai thác mạng trên thế giới trong vài năm qua và những

năm sắp tới. VTN cũng đã sẵn sàng cho việc nâng cấp hệ thống mạng đƣờng trục của

mình mà bằng chứng là việc VTN cùng với Ciena thử nghiệm thành công công nghệ

100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G, theo giải pháp 100 Gb/s Long-haul của

hãng Ciena. Tìm hiểu về những kỹ thuật đƣợc ứng dụng trong công nghệ 100 Gb/s mà

quan trọng nhất là kỹ thuật điều chế DP-QPSK là cần thiết cho các kỹ sƣ và sinh viên

có dự định làm việc trong mảng truyền dẫn quang. Đó cũng là mục tiêu chính của em

khi chọn đề tài này để làm Đồ án tốt nghiệp.

Tuy nhiên do kiến thức hạn chế và thời gian có hạn nên nội dung của đề tài chỉ

trình bày một cách sơ lƣợc về lý thuyết điều chế DP-QPSK, chƣa có những số liệu tính

toán cụ thể cũng nhƣ phân tích các kết quả đạt đƣợc trong việc triển khai một hệ thống

trên thực tế. Do vậy, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý thầy cô

cũng nhƣ các bạn đọc quan tâm, để cuốn Đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn. Khi đọc

xong cuốn Đồ án này, chắc hẳn nhiều ngƣời sẽ đặt ra câu hỏi: Điều chế DP-QPSK

đƣợc lựa chọn cho công nghệ 100 Gb/s, vậy ở những tốc độ bit cao hơn nhƣ 200 hoặc

400 Gb/s kỹ thuật điều chế nào sẽ đƣợc lựa chọn ? Câu trả lời cũng chính là hƣớng mở

của đề tài này, kỹ thuật điều chế đƣợc quan tâm nhất hiện nay cho công nghệ 200/400

Gb/s là DP-16QAM – điều chế biên độ vuông góc 16 mức ghép phân cực.

Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em cùng

các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để

em hoàn thành cuốn Đồ án này.



THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt

ADPSK Amplitude DPSK Điều chế pha kết hợp công suất

AMP Amplifier Bộ khuếch đại

APD Avalanche Photo-Diode Photodiode kiểu thác

ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu

CMD Channel Mux/Demux Ghép/tách kênh

CPL Common Photonic Layer Lớp quang tử chung

DBPSK Differential BPSK BPSK vi sai

DBR Distributed Bragg Reflector laser Laser phản xạ Bragg phân bố

DCF Dispersion Compensation Fiber Sợi quang bù tán sắc

DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh

DFB Distributed FeedBack laser Laser hồi tiếp phân bố

DGD Differential Group Delay Trễ nhóm vi sai

DP-QPSK Dual Polarization-Quadrature

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vuông góc phân cực

kép (ghép phân cực)

DPSK Differential PSK Tƣơng tự nhƣ DBPSK

DQPSK Differential QPSK QPSK vi sai

DSF Dispersion-Shifted Fiber Sợi quang dịch tán sắc

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

DWDM Dense WDM WDM mật độ cao

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi pha Erbium

eDCO electronic Dispersion

Compensation Optics

Bù tán sắc động điện tử

eSNR Electrical Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu điện

FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang

FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi trƣớc

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số

FWM Four Wave Mixing Trộn bốn sóng

HD IPTV High Definition Internet Protocol

Television

Truyền hình theo giao thức internet

có độ phân giải cao

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử



IM/DD Intensity Modulation /

Direct Detection

Điều chế cƣờng độ /

Tách sóng trực tiếp

IP VoD Internet Protocol Video on Demand Video theo yêu cầu sử dụng giao

thức internet

ITU International Telecommunications

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LASER

(Laser)

Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation

Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ

kích thích của bức xạ

LEAF Large Effective Area Fiber Sợi quang diện tích hiệu dụng lớn

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

LO Local Oscillator Bộ dao động nội

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

MUX Multiplexer Bộ ghép kênh

MZM Mach-Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach-Zehnder

NRZ Non Return-to-Zero Không trở về 0

NZ-DSF Non-Zero DSF Sợi quang dịch tán sắc khác 0

OADM Optical Add/Drop Multiplexer Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

trực giao

OIF Optical Internetworking Forum Diễn đàn liên mạng quang

OLA Optical Line Amplifier Khuếch đại đƣờng quang

OME Optical Multiservice Edge (Thiết bị) Biên đa dịch vụ quang

OOK On-Off Keying Khóa mở - tắt

OPLL Optical Phase Locked Loop Vòng khóa pha quang

OSNR Optical Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu quang

OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang

OXC Optical Cross Connect Bộ kết nối chéo quang

PBC Polarization Beam Combiner Bộ kết hợp tia phân cực

PBS Polarization Beam Splitter Bộ tách tia phân cực

PDM-

QPSK

Polarization Division Multiplexing

– QPSK.

Tƣơng tự nhƣ DP-QPSK

PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode

PM-QPSK Polarization Multiplexing – QPSK Tƣơng tự nhƣ DP-QPSK

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

ROADM Reconfigurable OADM OADM cấu hình lại đƣợc

RZ Return-to-Zero Trở về 0

SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ Brillouin kích thích

SDH Synchronous Digital Hierarchy Phân cấp số đồng bộ



SE Spectral Efficiency Hiệu suất phổ

SMF Single Mode Fiber Sợi quang đơn mode

SONET Synchronous Optical NETwork Mạng quang đồng bộ

SPM Self Phase Modulation Tự điều chế pha

SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích

TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

VNPT VietNam Posts and

Telecommunications group

Tập đoàn Bƣu chính Viễn thông

Việt Nam

VTN Vietnam Telecoms National Công ty Viễn thông liên tỉnh

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc

sóng

WSS Wavelength Selectable Switch Chuyển mạch lựa chọn bƣớc sóng

XPM Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. L. Lange Bjørn (NORDUnet), K. Bozorgebrahimi (UNINETT), E. Camisard

(RENATER), “State-of-the-Art Photonic Switching Technologies – Study and

Testing”, NORDUnet, 05/2012.

[2]. “DWDM Primer”, Fujitsu Network Communications Inc, Texas, 21/05/2004.

[3]. Lê Bật Thắng, “Ảnh hƣởng của XPM lên chất lƣợng hệ thống WDM”, Hà Nội,

12/11/2008.

[4]. TS. Lê Quốc Cƣờng, ThS. Đỗ Văn Việt Em, ThS. Phạm Quốc Hợp, ThS.

Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, “Hệ thống thông tin quang – Tập 1 & 2”, Nhà xuất

bản thông tin và truyền thông, Hà Nội, 04/2009.

[5]. Gildas Chauvel, “Dispersion in Optical Fibers”, Anritsu Corporation.

[6]. John M. Senior, “Optical Fiber Communications”, London, 1985.

[7]. FLASHWAVE® 7500, Release 6.1, Issue 1, 05/2009, FUJITSU.

[8]. TS. Trần Đại Dũng (VTN), “Điều chế tín hiệu quang trong các hệ thống truyền

dẫn đƣờng dài”, Hà Nội, 09/2010.

[9]. “The path to 100G”, Fujitsu Network Communications Inc, Texas, US, 2011.

[10]. Govind P. Agrawal, “Fiber-Optic Communication Systems”, Third Edition, John

Wiley & Sons, New York, 2002.

[11]. M. Nakazawa, K. Kikuchi, T. Miyazaki, “High Spectral Density Optical

Communication Technologies”, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

[12]. “Beyond 100G”, Fujitsu Network Communications Inc, Texas, US, 2012.

[13]. Yongpeng ZHAO, “100G: Opportunities and challenges, and enabling

technologies”, 10/2008, http://www.lusterlighttech.com.

http://www.lusterlighttech.com/



[14]. Eugen Lach, Wilfried Idler, “Modulation formats for 100G and beyond”, Alcatel-

Lucent, Bell Labs, Lorenzstraße 10, Stuttgart, Germany, 26/08/2011.

[15]. OIF, “100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document”, 2010.

[16]. OIF, “Implementation Agreement for Integrated Polarization Multiplexed

Quadrature Modulated Transmitters”, 12/03/2010.

[17]. OIF, “Implementation Agreement for Intradyne Coherent Receivers”, 16/04/2010

[18]. Hiroshi Yamazaki, Takashi Yamada, Kenya Suzuki, Takashi Goh, Akimasa

Kaneko, Akihide Sano, Eiichi Yamada, Yutaka Miyamoto, “Integrated 100-Gb/s

PDM-QPSK modulator using a hybrid assembly technique with silica-based

PLCs and LiNbO3 phase modulators”, Brussels Expo, Belgium, 09/2008.

[19]. Xu Zhang, “Digital Signal Processing for Optical Coherent Communication

Systems”, Technical University of Denmark, 27/04/2012.

[20]. Júlio César R. F. de Oliveira, “100Gbit/s and Beyond Optical Communications

Systems”, Optical Transmission Activities in Brazil.

[21]. OIF, “100G Forward Error Correction White Paper”, 05/2010.

[22]. Andrew M. Odlyzko, “Internet traffic growth: Sources and implications”,

University of Minnesota, Minneapolis, MN, US, 2003.

[23]. “Minnesota Internet Traffic Studies (MINTS)”, University of Minnesota,

http://www.dtc.umn.edu/mints/home.php.

[24]. TS. Trần Đại Dũng (VTN), “100 Gbit/s – Tầm cao mới của truyền dẫn đƣờng

trục”, Hà Nội, 07/2011.

[25]. “Coherent DWDM Technologies”, Infinera Corporation, US, 2012.

[26]. “Verizon Deploys Commercial 100G Ultra-Long-Haul Optical System on

Portion of Its Core European Network”, http://newscenter.verizon.com/press-

releases/verizon/2009/verizon-deploys-commercial.html.

[27]. Julian Lucek, “Towards 100 Gbps: Challenges and Solutions in Optical

Networking”, Juniper Networks, HEAnet National Networking Conference 2010.

[28]. Shen Anle, “100G stands tall with a strong backbone”, Huawei Communicate,

Issue 58, 12/2010.

[29]. “Ciena’s Coherent 100G Solution Selected for Janet6 Infrastructure”,

http://www.ciena.com/about/newsroom/press-releases/Cienas-Coherent-100G-

Solution-Selected-for-Janet6-Infrastructure.html.

[30]. “Solving the 100 Gb/s transmission challenge”, Ciena® Corporation, 12/2010.

[31]. “Coherent Optical Networking”, Ciena Corporation, US, 2011.

[32]. “OTN – Transporting Ethernet and SDH/SONET”, JDS Uniphase Corporation,

2009, http://www.jdsu.com/productliterature/otn-fec_po_opt_tm_ae.pdf

[33]. OIF, “Multisource Agreement for 100G Long-Haul DWDM Transmission

Module – Electromechanical”, 08/06/2010.

[34]. “Tài liệu học tập nghiệp vụ”, VTN2, 20/11/2012.

[35]. Optical Multiservice Edge 6500, Standard Release 6.0, Issue 1, 09/2009, Nortel.

http://www.dtc.umn.edu/mints/home.php

http://newscenter.verizon.com/press-releases/verizon/2009/verizon-deploys-commercial.html

http://newscenter.verizon.com/press-releases/verizon/2009/verizon-deploys-commercial.html

http://www.ciena.com/about/newsroom/press-releases/Cienas-Coherent-100G-Solution-Selected-for-Janet6-Infrastructure.html

http://www.ciena.com/about/newsroom/press-releases/Cienas-Coherent-100G-Solution-Selected-for-Janet6-Infrastructure.html

http://www.jdsu.com/productliterature/otn-fec_po_opt_tm_ae.pdf

dieu che dp-qpsk

Documents