Nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang, khám phá ứng dụng và tiềm năng trong công nghệ quang học hiện đại.

• Tác giả: Lê Ngọc Tân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Nhân
• Trường học: Học viện công nghệ bưu chính viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Ngược Trong Miền Quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng
• 1.2.1. Phương pháp truyền dẫn
• 1.3. Các định dạng điều chế quang tiên tiến
• 1.3.1. Điều chế PSK
• 1.3.2. Điều chế BPSK
• 1.3.3. Điều chế QPSK
• 1.3.4. Điều chế PSK bậc cao
• 1.3.5. Điều chế tín hiệu DP-QPSK
• 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng lên hệ thống truyền dẫn quang sợi
• 1.4.1. Tán sắc sắc thể
• 1.4.2. Tán sắc mode phân cực (PMD)
• 1.4.3. Nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại
• 1.4.4. Méo phi tuyến
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN QUANG
• 2.1. Mô hình truyền ngược
• 2.1.1. Mô hình truyền xung trong sợi quang
• 2.1.2. Mô hình truyền ngược
• 2.2. Một số kỹ thuật truyền ngược để bù méo
• 2.2.1. Phương pháp truyền ngược miền số
• 2.2.2. Phương pháp Fourier tách bước
• 2.2.3. Phương pháp đảo phổ giữa tuyến
• 2.2.4. Phương pháp truyền ngược quang
• 2.3. Kỹ thuật truyền ngược toàn quang OBP
• 2.3.1. Nguyên lý kỹ thuật OBP
• 2.3.2. Cấu hình hệ thống OBP
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT KỸ THUẬT TRUYỀN NGƯỢC TRONG MIỀN QUANG
• 3.1. Mô hình khảo sát
• 3.1.1. Mô hình hệ thống OBP cỡ bước đầy đủ
• 3.1.2. Mô hình hệ thống OBP cỡ bước lớn
• 3.2. Tham số hệ thống mô phỏng
• 3.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Ngược Trong Miền Quang

Nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin quang học. Kỹ thuật này cho phép bù méo tín hiệu quang, cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, nhu cầu về băng thông ngày càng tăng, việc nghiên cứu và ứng dụng các kỹ thuật mới là cần thiết.

1.1. Giới thiệu về kỹ thuật truyền ngược trong miền quang

Kỹ thuật truyền ngược trong miền quang là một phương pháp xử lý tín hiệu nhằm đảo ngược các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Phương pháp này có thể thực hiện trong miền số hoặc hoàn toàn trong miền quang.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng

Kỹ thuật này đã được nghiên cứu từ nhiều năm trước, nhưng gần đây mới được áp dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của các bộ xử lý tốc độ cao. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật này có thể bù méo cho các tín hiệu WDM hiệu quả.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Ngược

Mặc dù kỹ thuật truyền ngược có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc áp dụng. Các yếu tố như nhiễu, tán sắc và hiệu ứng phi tuyến vẫn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Việc tìm kiếm giải pháp để khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu quang

Nhiễu phát xạ tự phát, tán sắc và méo phi tuyến là những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu quang. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện hiệu năng của hệ thống.

2.2. Thách thức trong việc bù méo tín hiệu

Việc bù méo tín hiệu trong các hệ thống truyền dẫn quang gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khi áp dụng cho các tín hiệu đa kênh. Cần có các giải pháp kỹ thuật hiệu quả để giải quyết vấn đề này.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Ngược Trong Miền Quang

Để nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp bù méo mà còn cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Mô hình truyền ngược trong miền quang

Mô hình truyền ngược cho phép mô phỏng và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu quang. Việc xây dựng mô hình chính xác giúp đánh giá hiệu quả của kỹ thuật truyền ngược.

3.2. Các kỹ thuật bù méo tín hiệu

Nhiều kỹ thuật bù méo đã được nghiên cứu, bao gồm phương pháp truyền ngược miền số và phương pháp Fourier tách bước. Những kỹ thuật này cho thấy khả năng bù méo hiệu quả cho tín hiệu quang.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kỹ Thuật Truyền Ngược Trong Miền Quang

Kỹ thuật truyền ngược trong miền quang đã được áp dụng trong nhiều hệ thống truyền dẫn quang hiện đại. Việc cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng cường băng thông là những lợi ích chính của kỹ thuật này.

4.1. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật truyền ngược có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy khả năng bù méo hiệu quả cho tín hiệu WDM.

4.2. Tương lai của kỹ thuật truyền ngược

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, kỹ thuật truyền ngược trong miền quang hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng mới trong tương lai. Nghiên cứu tiếp tục sẽ giúp tối ưu hóa các giải pháp hiện tại.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Kỹ Thuật Truyền Ngược Trong Miền Quang

Kỹ thuật truyền ngược trong miền quang là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật mới sẽ giúp đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy kỹ thuật truyền ngược có khả năng bù méo hiệu quả cho tín hiệu quang, từ đó cải thiện chất lượng truyền dẫn.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các giải pháp kỹ thuật mới, nhằm tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của lưu lượng dữ liệu toàn cầu với tốc độ tăng trưởng hơn 30% mỗi năm đang đặt ra áp lực to lớn lên hạ tầng mạng truyền tải viễn thông. Khi dung lượng đường trục mở rộng từ hàng chục Gbps lên hàng chục Tbps, các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM với hơn 80 kênh quang (khoảng cách kênh chỉ 0.5 nm tại cửa sổ 1550 nm) phải đối mặt với nhiều giới hạn vật lý nghiêm trọng. Vấn đề cốt lõi nảy sinh trên các cự ly truyền dẫn dài hơn 300 km là sự kết hợp giữa các suy giảm tuyến tính như tán sắc sắc thể và các hiệu ứng phi tuyến như tự điều chế pha, điều chế pha chéo và trộn bốn sóng, gây biến dạng xung quang và suy giảm chất lượng tín hiệu.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu chuyên sâu và mô phỏng kỹ thuật truyền ngược trong miền quang (OBP) nhằm bù trừ đồng thời cả tán sắc sắc thể và hiệu ứng phi tuyến cho hệ thống truyền dẫn quang 40 Gbps sử dụng định dạng điều chế khóa dịch pha vi phân DPSK. Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn 2017 - 2018, tập trung khảo sát tuyến sợi quang đơn mode tiêu chuẩn dài 300 km gồm 6 chặng khuếch đại quang (mỗi chặng 50 km). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cải thiện tỷ số lỗi bit BER xuống dưới ngưỡng tiêu chuẩn 10^-9, đồng thời mở rộng giới hạn công suất phát lên tới 9 dBm mà không bị ràng buộc bởi tốc độ xử lý của các chip xử lý tín hiệu số điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng phương trình phi tuyến Schrödinger (NLSE), công cụ toán học mô tả toàn diện sự lan truyền của xung ánh sáng trong sợi quang đơn mode dưới tác động đồng thời của suy hao, tán sắc và phi tuyến. Để giải phương trình này trong mô hình truyền ngược, nghiên cứu áp dụng phương pháp Fourier tách bước bất đối xứng (SSFM) kết hợp định lý Baker-Hausdorff nhằm tính toán độc lập toán tử tuyến tính và toán tử phi tuyến trên từng phân đoạn nhỏ. Khung lý thuyết xoay quanh 5 khái niệm chuyên ngành cốt lõi: tán sắc sắc thể với hệ số tán sắc D khoảng 16 ps/nm/km, hiện tượng tự điều chế pha (SPM) với hệ số phi tuyến 1.31 W^-1 km^-1, liên hợp pha quang (OPC) dựa trên hiệu ứng trộn bốn sóng, phần tử bù tán sắc cách tử Bragg sợi quang (FBG) và kỹ thuật truyền ngược toàn quang (OBP).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ quá trình mô phỏng số trên phần mềm chuyên ngành OptiSystem phiên bản 7.0 trong khung thời gian 24 tháng. Phương pháp phân tích dựa trên việc giải phương trình Schrödinger phi tuyến ngược bằng thuật toán SSFM để tái tạo dạng sóng nguyên bản trước khi giải điều chế.

Cỡ mẫu khảo sát được chuẩn hóa ở mức 32.768 bit (tương đương chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS đa thức 2^15 - 1) với tốc độ truyền 40 Gbps, áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng với mật độ 64 mẫu trên mỗi chu kỳ bit. Cỡ mẫu này đảm bảo phản ánh chính xác các đặc tính thống kê của nhiễu phát xạ tự phát được khuếch đại (ASE) và hiện tượng quay pha phi tuyến. Luận văn lựa chọn phương pháp mô phỏng trên OptiSystem thay vì thực nghiệm vật lý vì phần mềm mô hình hóa chính xác các tham số sợi quang thực tế theo chuẩn viễn thông quốc tế, cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số trên tuyến 300 km và đánh giá chỉ số BER, OSNR với độ tin cậy khoa học cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình OBP cỡ bước đầy đủ (kích thước bước 50 km tương đương một chặng khuếch đại) đã bù trừ triệt để hiện tượng tán sắc sắc thể và méo tự điều chế pha trên tuyến 300 km tốc độ 40 Gbps, duy trì tỷ số lỗi bit BER tối ưu dưới 10^-9 ở dải công suất thu từ -22 dBm đến -16 dBm.

Thứ hai, mô hình OBP cỡ bước lớn (kích thước bước 100 km tương đương hai chặng khuếch đại) đạt hiệu năng xấp xỉ mô hình bước đầy đủ với mức chênh lệch BER dưới 4.5% tại cùng công suất thu, trong khi giảm được 50% số lượng cụm linh kiện bù (từ 6 khối OBP xuống còn 3 khối).

Thứ ba, tại mức công suất phát cao 9 dBm (vùng phi tuyến hoạt động mạnh), hệ thống ứng dụng OBP vẫn duy trì mẫu mắt mở rộng rõ nét, trong khi hệ thống truyền thống không bù phi tuyến bị méo dạng hoàn toàn và không thể khôi phục dữ liệu.

Thứ tư, việc sử dụng sợi phi tuyến cao HNLF có chiều dài ngắn khoảng 750 mét kết hợp với cách tử FBG đã tạo ra độ dịch pha phi tuyến tương đương hơn 10 km sợi dịch tán sắc DSF tiêu chuẩn.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của kỹ thuật OBP bắt nguồn từ việc đặt bộ liên hợp pha quang OPC ở đầu cuối tuyến kết hợp cùng các phần tử FBG và HNLF. Bộ OPC đảo ngược phổ pha phức của tín hiệu, biến các méo dạng tích lũy thành tín hiệu đối ngẫu, sau đó sợi HNLF tạo ra mức dịch pha ngược dấu để triệt tiêu hoàn toàn biến dạng do SPM. So với kỹ thuật truyền ngược miền số DBP vốn đòi hỏi chip DSP phức tạp và tiêu thụ điện năng lớn, OBP xử lý trực tiếp trong miền quang nên loại bỏ được nút thắt điện tử và hỗ trợ xử lý song song cho nhiều kênh WDM.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị đường thể hiện sự biến thiên của BER theo công suất thu (từ -25 dBm đến -12 dBm) và đường cong BER theo công suất phát (từ 0 dBm đến 10 dBm). Bên cạnh đó, bảng tổng hợp tham số suy hao cùng các đồ thị biểu đồ mắt tại 1 dBm và 9 dBm phản ánh trực quan độ mở mắt, độ dày vệt tín hiệu và mức độ suy giảm méo jitter thời gian của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa cấu hình khối OBP cỡ bước lớn: Các doanh nghiệp viễn thông như VNPT và Viettel nên triển khai thử nghiệm mô hình OBP bước lớn 100 km trên các tuyến trục liên tỉnh dài hơn 300 km nhằm cắt giảm 50% chi phí linh kiện phần cứng quang trong giai đoạn 2026 - 2027.
2. Tích hợp công nghệ cách tử FBG điều khiển nhiệt: Các viện nghiên cứu viễn thông cần phát triển module FBG thông minh có khả năng tự động vi chỉnh độ tán sắc bù theo thời gian thực với độ trôi bước sóng dưới 0.05 nm trong vòng 12 tháng.
3. Chuẩn hóa module sợi phi tuyến cao HNLF: Các đơn vị chế tạo thiết bị quang học cần nâng cao hệ số phi tuyến của sợi HNLF lên trên 15 W^-1 km^-1 để rút ngắn chiều dài đoạn sợi bù xuống dưới 500 mét, giảm suy hao xen ghép xuống dưới 0.2 dB trong vòng 18 tháng.
4. Mở rộng ứng dụng OBP cho các định dạng điều chế bậc cao: Kỹ sư quy hoạch mạng cần nghiên cứu phối hợp OBP với các định dạng DP-QPSK và 16-QAM nhằm nâng tốc độ truyền dẫn mỗi kênh lên 100 Gbps - 400 Gbps trên cự ly xuyên quốc gia trên 500 km trong giai đoạn 2027 - 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành mạng truyền dẫn quang tại các nhà mạng: Nắm bắt giải pháp bù méo toàn quang cho các tuyến DWDM đường trục 40 Gbps - 100 Gbps dài trên 300 km để nâng cao công suất phát và chất lượng dịch vụ.
2. Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học NLSE, thuật toán SSFM và giải pháp liên hợp pha quang OPC phục vụ công tác giảng dạy sau đại học.
3. Học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử Viễn thông: Tiếp cận phương pháp thiết lập kịch bản mô phỏng trên OptiSystem 7.0 với chuỗi 32.768 bit, rèn luyện kỹ năng phân tích biểu đồ chòm sao và biểu đồ mắt.
4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông: Tham khảo kiến trúc OBP cỡ bước lớn để chế tạo các module bù quang học tích hợp nhỏ gọn, giúp tiết kiệm 50% số lượng linh kiện quang và hạ giá thành sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật truyền ngược trong miền quang OBP khác gì so với truyền ngược trong miền số DBP? Truyền ngược miền số DBP đòi hỏi bộ xử lý tín hiệu số DSP tốc độ cao, tiêu tốn nhiều điện năng và chỉ xử lý riêng lẻ từng kênh. Ngược lại, OBP thực hiện bù méo hoàn toàn trong miền quang thông qua bộ OPC và sợi HNLF, cho phép xử lý đồng thời nhiều kênh WDM tại tốc độ 40 Gbps mà không bị giới hạn bởi phần cứng điện tử.

2. Tại sao luận văn sử dụng cách tử FBG thay vì sợi bù tán sắc DCF thông thường? Cách tử FBG có kích thước vật lý nhỏ gọn chỉ vài centimet và suy hao xen rất thấp, giúp giảm kích thước khối OBP so với cuộn sợi DCF dài hàng kilomet. Ngoài ra, FBG cho phép điều chỉnh tham số tán sắc linh hoạt thông qua nhiệt độ với độ chính xác bước sóng dưới 0.1 nm.

3. Mô hình OBP cỡ bước lớn mang lại lợi ích kỹ thuật và kinh tế như thế nào? Mô hình OBP bước lớn 100 km (tương đương 2 chặng truyền dẫn) giúp giảm 50% số lượng phần tử FBG và HNLF so với mô hình bước đầy đủ 50 km. Kết quả mô phỏng cho thấy tỷ số BER chỉ chênh lệch dưới 5%, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo yêu cầu chất lượng.

4. Định dạng điều chế DPSK 40 Gbps phát huy hiệu quả ra sao khi kết hợp với khối OBP? Điều chế vi sai DPSK mã hóa thông tin vào độ lệch pha của hai bit liên tiếp, tăng khả năng chống chịu nhiễu ASE khoảng 3 dB so với điều chế OOK. Khi kết hợp với khối OBP, méo tự điều chế pha SPM được triệt tiêu, giữ cho biểu đồ mắt mở rộng tối đa ngay cả tại công suất phát 9 dBm.

5. Tuyến truyền dẫn 300 km trong nghiên cứu được cấu hình ra sao? Tuyến truyền dẫn gồm 6 chặng sợi quang đơn mode chuẩn SSMF, mỗi chặng dài 50 km với hệ số suy hao 0.2 dB/km và hệ số tán sắc 16 ps/nm/km. Giữa các chặng bố trí các bộ khuếch đại EDFA để bù suy hao quang trước khi tín hiệu đi vào khối xử lý OBP tại đầu thu.

Kết luận

• Làm chủ cơ sở lý thuyết và phương pháp mô hình hóa truyền lan xung quang dựa trên phương trình Schrödinger phi tuyến và thuật toán Fourier tách bước.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình truyền ngược quang OBP trên OptiSystem cho hệ thống 40 Gbps DPSK trên tuyến truyền dẫn 300 km.
• Chứng minh tính khả thi của cấu hình OBP bước lớn giúp cắt giảm 50% số lượng linh kiện quang mà vẫn duy trì tỷ số BER dưới 10^-9.
• Xác nhận khả năng bù đồng thời tán sắc sắc thể và hiệu ứng phi tuyến SPM tại mức công suất phát quang cao lên đến 9 dBm.
• Khẳng định tính ưu việt của việc thay thế sợi tán sắc bằng cách tử FBG nhỏ gọn, mở ra giải pháp tối ưu hóa phần cứng quang học.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện giải pháp bù méo toàn quang hiệu quả cao cho các tuyến viễn thông đường trục tốc độ cao. Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng trên các hệ thống ghép kênh WDM đa bước sóng 100 Gbps - 400 Gbps kết hợp điều chế DP-QPSK. Độc giả và các đơn vị nghiên cứu hãy tham khảo toàn văn công trình để áp dụng các giải pháp kỹ thuật quang học tiên tiến này vào thực tế mạng viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Trong xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi về mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn. Trong khi các hệ thống truyền dẫn điện đã bắt đầu đạt giới hạn về tốc độ (hàng chục Gb/s) thì nhu cầu của các mạng lưới viễn thông có thể đã lên đến hàng Tb/s và thậm chí hơn nữa. Để đáp ứng được nhu cầu về băng thông ngày càng tăng, các hệ thống truyền tải quang đường trục hiện nay đều hướng tới hoạt động ở khoảng cách lớn và tốc độ ngày càng cao hơn. Do đó tín hiệu quang trên các hệ thống này đều gặp phải các yếu tố ảnh hưởng của đường truyền dẫn sợi quang bao gồm nhiễu, tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến.

Để khắc phục các suy giảm hiệu năng trên đường truyền dẫn sợi quang đã có nhiều biện pháp được thực hiện. Các bộ bù tán sắc đặt dọc trên đường truyền dẫn quang hiện nay có thể bù méo do tán sắc gây ra nhưng lại không bù được các hiệu ứng phi tuyến gặp phải. Thêm nữa biện pháp này thường chỉ chỉ sử dụng để hoạt động tại một tốc độ xác định, khi hệ thống được nâng cấp ở tốc độ cao hơn sẽ đòi hỏi phải thiết kế lại đường truyền làm tăng chi phí. Bởi vậy cùng với các định dạng điều chế mới, các kỹ thuật xứ lý số trong miền quang đã được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây để bù méo cho tín hiệu quang.

Trong các kỹ thuật xử lý tín hiệu số, kỹ thuật truyền ngược là một phương pháp xứ lý mới nhưng cho thấy khả năng bù đồng thời cả hai ảnh hưởng tán sắc và hiệu ứng phi tuyến, tuy nhiên việc áp dụng thường được thực hiện offline do gặp phải giới hạn về tốc độ chip xử lý. Hơn nữa kỹ thuật này cũng bị hạn chế trong xử lý tín hiệu ghép kênh nhiều bước sóng WDM trên hệ thống. Vài năm trở lại đây do sự phát triển nhanh các bộ xử lý tốc độ cao nên kỹ thuật truyền ngược đã có nhiều sự quan tâm trong việc tìm kiếm các giải thuật xử lý hiệu quả. Xét từ nhu cầu bù méo gây ra trên đường truyền dẫn quang phù hợp cho các tín hiệu đa kênh bước sóng, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật 2 truyền ngƣợc trong miền quang” để thực hiện luận văn tốt nghiệp nhằm mục đích cải thiện hệ thống truyền tải quang tốc độ cao.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Khi tốc độ và dung lượng của mạng truyền tải quang càng ngày càng tăng để đáp ứng được nhu cầu băng thông của khách hàng thì các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền như tán sắc và hiệu ứng phi tuyến càng trở nên nghiêm trọng. Do vậy việc tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để bù méo cải thiện chất lượng truyền dẫn đã được quan tâm từ lâu. Một trong các kỹ thuật được quan tâm nghiên cứu gần đây là kỹ thuật truyền ngược trong đó tín hiệu được mô hình hóa và thực hiện truyền ngược để đảo ngược lại các yếu tố ảnh hưởng trước khi giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật truyền ngược này có thể thực hiện trong miền số bằng các bộ DSP tốc độ cao hoặc có thể thực hiện hoàn toàn trong miền quang [1-6].

Trong vài năm gần đây, kỹ thuật truyền ngược trong miền quang được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm vì cho phép bù méo đồng thời các tín hiệu WDM [4-6]. Các nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật thực hiện và cấu hình truyền ngược trong miền quang nhằm cải thiện hiệu năng trên đường truyền dẫn sợi quang. Một số công trình cũng nghiên cứu xác định tối ưu các tham số cho cấu hình truyền ngược [4]. Tại Việt Nam nghiên cứu về kỹ thuật truyền ngược trong miền quang còn mới mẻ chưa có những nghiên cứu cụ thể về vấn đề này.

Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật truyền ngược trong miền quang từ đó đánh giá khả năng bù méo để cải thiển hiệu năng của hệ thống truyền dẫn quang. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật xử lý tín hiệu trong miền quang để bù méo. Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung vào hệ thống truyền dẫn quang tốc độ cao đường dài. 3 Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện được mục đích đặt ra luận văn sẽ được nghiên cứu thông qua nghiên cứu tài liệu về lý thuyết về hệ thống truyền dẫn quang cũng như kỹ thuật truyền ngược trong miền quang.

Sau đó xây dựng mô hình khảo sát đánh giá khả năng áp dụng của kỹ thuật qua tính toán và mô phỏng bằng phần mềm. Bố cục luận văn Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau: Chƣơng 1:Tổng quan hệ thống truyền dẫn quang Chƣơng 2: Các kỹ thuật truyền ngƣợc trong miền quang Chƣơng 3: Khảo sát kỹ thuật truyền ngƣợc trong miền quang 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀNDẪN QUANG 1.1 Giới thiệu chung Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là một hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi này có thể từ vài trăm mét đến vài trăm kilômét thậm chí hàng trăm ngàn kilômét vượt qua đại dương. Thông tin có thể truyền thông qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau.

Hệ thống thông tin quang là một hệ thống thông tin bằng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. Thông tin truyền đi trong hệ thống thông tin quang được thực hiện ở tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc vùng hồng ngoại gần của phổ sóng điện từ. Hệ thống truyền dẫn quang cơ bản gồm một lõi hình trụ làm bằng vật liệu thủy tinh có chỉ số chiết suất n1 lớn và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lõi và có chiết suất n2 > n1. Trong phần này, chủ yếu khái quát về các kỹ thuật và công nghệ chính của hệ thống thông tin quang bao gồm hệ thống ghép kênh quang phân chia theo bước sóng, các định dạng điều chế quang và một số yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu quang cơ bản.2 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng 1.1 Nguyên lý Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) nhằm tăng dung lượng truyền dẫn.

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mangđi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thờinhiềubước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM). Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang 5 phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET).

Các nhà cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn. Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quang độc lập riêng rẽ. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, sử dụng các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự.

Có nhiều cách tạo nên một hệ thống WDM, chẳng hạn sử dụng bước sóng 1310nm và bước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng 1310nm. Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng khái niệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing).Về nguyên lý không có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên, DWDM là khoảng cách giữa các kênh và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống.Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ bước sóng chủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn. Công nghệ này cho phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm. Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa như hình 1.1: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng 6 WDM là một hệ thống ghép n bước sóng 1.n, phía phát sử dụng nguồn quang bằng LD hoặc LED.

Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng. Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng (MUX: multiplex) có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóng truyền qua sợi quang. Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng (DEMUX: Demultiplex) để tách riêng rẽ từng bước sóng. Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách quang để tách luồng tín hiệu số.

Các thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép (MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX). Các bộ MUX, DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộ MUX-DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng được mô tả như hình 1.2: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX) 1.2 Phương pháp truyền dẫn 1.a Phương pháp ghép bước sóng theo một hướng Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các bước sóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia.3: Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng 1.b Phương pháp ghép bước sóng theo hai hướng Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng là phát thông tin theo một hướng theo bước sóng 1 và đồng thời cũng phát thông tin theo hướng ngược lại tại bước sóng 2.4: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng 1.3 Các định dạng điều chế quang tiên tiến 1.1 Điều chế PSK Dữ liệu được truyền bởi thay đổi khía cạnh của một vài tia gốc hưởng ứng tín hiệu dữ liệu. Bằng cách kiểm tra pha của nó với thông tin truyền đạt, trong trường hợp giảiđiều chế phải có một tín hiệu tham chiếu để so sánh với pha của tín hiệu nhận được.