CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5.1 Giới thiệu chương Các hệ thống thông tin quang ứng dụng có hiệu lĩnh vực truyền dẫn số Do tính tốn, thiết kế ta xem xét hệ thống truyền dẫn số IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection) điều kiện bắt buộc kỹ thuật tính kinh tế đóng vai trị quan trong tất tuyến thông tin sợi quang Người thiết kế phải chọn cẩn thận công đoạn để đảm bảo cho hệ thống suốt thời gian phục vụ hoạt động tốt 5.2 Các khái niệm Như biết, hệ thống thông tin quang phổ biến hệ thống IM-DD điểm-điểm Để thiết kế tuyến ta cần quan tâm đến: Thiết bị phát quang, thiết bị thu quang, sợi dẫn quang yếu tố ảnh hưởng đến chẳng hạn mối hàn connector hình vẽ đây: Mục đích việc thiết kế tuyến phải đạt yêu cầu sau:  Cự ly truyền dẫn theo yêu cầu  Tốc độ truyền dẫn  Tỷ số lỗi bit BER Để đảm bảo cho việc thiết kế tuyến đạt yêu cầu cần phải chọn thành phần tuyến:  Sợi quang đơn mode hay đa mode  Kích thước lõi sợi  Chỉ số chiết suất mặt cắt lõi  Băng tần tán sắc  Suy hao sợi  Khẩu độ hay bán kính trường mode Nguồn phát LD hay LED  Bước sóng phát  Độ rộng phổ  Cơng suất phát  Vùng phát xạ có hiệu Thiết bị thu quang sử dụng PIN hay APD  Hệ số chuyển đổi  Bước sóng làm việc  Tốc độ làm việc  Độ nhạy thu Để lựa chọn thành phần cho đảm bao kỹ thuật ta phải xét đến quỹ công suất lên quỹ thời gian lên tín hiệu hệ thống Quỹ cơng suất có cơng suất phát, độ nhạy thu, cơng suất dự phịng, từ ta thiết lập tỷ số BER Cơng suất dự phịng cho suy hao sợi, suy hao mối nối Khi lựa chọn thành phần tuyến mà khơng đảm bảo khoảng cách đường truyền thay đổi thành phần hay ghép trạm lặp vào tuyến để thoả mãn yêu cầu công suất Khi quỹ công suất cân ta kiểm tra quỹ thời gian lên tín hiệu Các bước thiết kế: Chọn bước sóng làm việc tuyến Lựa chọn thành phần thiết bị hoạt động bước sóng Chọn thiết bị thoả mãn yêu cầu đặt 5.3 Quỹ công suất Ta xét phương trình cân quỹ cơng suất Đó điều kiện cơng suất để tuyến hoạt động bình thường Giả sử bên phát bên thu khơng có suy hao cơng suất thì: Ps  Pr  (5.1) đó, Ps : Cơng suất phát Pr : Công suất thu Suy hao tuyến bao gồm suy hao sợi dẫn quang, nối mối hàn Suy hao phần xác định theo cơng thức: A = -10log pout pin (5.2) Ngồi suy hao nói cần phải có lượng cơng suất dự phịng cho tuổi thọ thành phần, cho thay đổi nhiệt độ Giá trị cơng suất dự phịng có giá trị khoảng 6dB đến 8dB  Phương trình cân quỹ cơng suất (điểm-điểm) là: 10 logPs hs   MDP     cap L  n. c  m. S   d   device (5.3) Trong đó: Ps công suất phát [mW] hs: Hiệu suất ghép quang [%] MDP: Độ nhạy máy thu MDP=-27,5dBm [7]  , cap : Hệ số suy hao cáp dự phòng cho cáp [dB/km] L: Khoảng cách phía phát thu [km]  c , s : Suy hao connector suy hao mối hàn [dB] n, m: Số connector số mối hàn  d : Suy hao ghép sợi quang-bộ thu[dB]  device : Suy hao dự phòng cho thiết bị [dB]  Công suất quang tới Pd [dB]:  Pd  10 logPs hs     cap .L  n. c  m. s   d   device  (5.4) Khi công suất quang tới nằm khoảng [MDP đến (MDP+Over)] với Over hệ số tải máy thu Lúc tỷ số lỗi bit BER nhỏ mong muốn không bị tải máy thu 5.4 Quỹ thời gian lên Trong hệ thống thơng tin quang, tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua môi trường truyền dẫn sợi quang Trong q trình đó, độ rộng xung tín hiệu bị giãn Do đó, ta xem tín hiệu qua hệ thống qua lọc thơng thấp Khi đó, thời gian lên hệ thống định nghĩa khoảng thời gian t cho biên độ tín hiệu xung tăng từ 10% đến 90% biên độ cực đại Ta tính thời gian lên tín hiệu xung vng qua mạch lọc thơng thấp RC: Hình 5.1: Đáp ứng xung lọc thơng thấp Tín hiệu vào xung vng nên có dạng: Vin  V0 1t   Vin  p   V0 p (5.5) H  p  Hàm truyền: 1  p với   RC (5.6)  Vout  p   H  p .Vin  p   (5.7)  V0 p 1  p      Vout t   V0  exp  t (5.8) t1 :  t 0,1V0  V0 1  exp        t  exp   0,9      t :  t 0,9V0  V0 1  exp        (5.9) t  exp   0,1      (5.10) Từ (5.9) (5.10) ta có: (5.11) t  t1  ln 9 .  t  ln 9 RC  2,2 RC Hf   Từ (5.6) ta có: 1  jfRC (5.12) Do băng thơng mạch: B 2RC (5.13) Từ (5.11) (5.13) ta được: 2,2 0,35  2B B t (5.14) Băng thông tối thiểu lọc phải băng thông tín hiệu ta thu tín hiệu, điều tương ứng với thời gian lên tối đa: t max  0,35 Brx (5.15) t rx max   0,7 Với tín hiệu loại NRZ: R (5.16) Với loại tín hiệu RZ: t max  0,35 R (5.17) thời gian lên tuyến: tt  N t i 1 i (5.18) -Thời gian lên thiết bị thu Gọi B băng tần điện 3dB tính MHz thời gian lên thiết bị thu tính t n  350 B (5.19) -Thời gian lên tán sắc mode sợi quang q t mod e  440 L B0 [ns] (5.20) Trong q: tham số có giá trị từ 0,5 đến B0 : Băng tần Km cáp sợi quang [MHz] L: Chiều dài cáp -Thời gian lên tán sắc vật liệu dùng ống dẫn sóng tVL  D.L. (5.21) Trong D: Hệ số tán sắc  : Độ rộng nguồn phát (5.17) viết lại: t t  t  D.L.  tx 440 Lq  350    B   B0  rx  (5.22) 5.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang Nhĩễu khái niệm để mơ tả thành phần tín hiệu điện khơng mong muốn Có chiều hướng gây rối q trình truyền dẫn xử lý tín hiệu hệ thống mà khơng kiểm sốt đầy đủ Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loại nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt 5.5.1 Nhiễu lượng tử Nhiễu lượng tử photodiode sinh số lượng hạt tải điện qua khe lượng hay vượt qua hàng rao có tính ngẫu nhiên theo thời gian gây Dịng chảy hạt electron qua tiếp giáp p-n riêng rẽ ngẩu nhiên Các hạt đến không đồng thời nên phát sinh nhiễu Giá trị nhiễu lượng tử phụ thuộc vào tham số: i shot  2.e.i.B (5.23) Trong đó: B độ rộng băng thu I dịng trung bình đến tách sóng Giá trị dịng nhiễu lượng tử ishot  2.e.i.B , từ biểu thức ta thấy dòng nhiễu lượng tử tăng theo B 5.5.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt xuất phát từ điện trở tải tách sóng linh kiện điện tử khuyếch đại, có xu hướng chi phối trình khuyếch đại sử dụng photodiode PIN với tỷ số tín hiệu nhiểu thấp, đạt hệ số khuyếch đại tối ưu thiết kế cân nhiễu nhiệt nhiễu lương tử không phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại Cơng thức tính tốn nhiễu nhiệt: (5.24) Tong đó: K số Bozman, K=1,38.1023 T nhiệt độ đơn vị kenvin, T = t(0c) + 273 R điện trở tải 5.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 5.6.1 Đối với photodiode PIN i  KTB RL Trong hệ thống tách sóng trực tiếp, sử dụng diode tách sóng PIN giá trị dịng cơng suất tới quan hệ sau: is  e ps hv (5.25) Với:  hiệu suất lượng tử h số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có cơng suất tải: S = i2.RL S= ( e ps hv )2 RL 5.26 -Cơng suất nhiễu lượng tử với dịng bao gồm dòng tối: Nshot  i shot e RL  2.eI.BRL  2e( Ps  id ).B.RL hv 5.27 -Dòng nhiễu nhiệt: inh  KTB RL : unh  4KTB.RL Công suất nhiễu nhiệt: Nnh  4KTB RL  4KTB RL 5.28 Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: e ( ps )2 RL hv S  N 2e(e p  i )B.R  4K.B.T s d L hv 5.29 5.6.2 Đối với photodiode APD Như biết APD bao gồm lớp chuyển đổi quang điện lớp nhân điện, nhiễu xuất lớp chuyển đổi quang điện i2shot = 2.e.I.B nhân lên lớp nhân với hệ số nhân M e i êhot  ( ps  id ) M  x B hv 5.30 e Nshot  i2shot.RL  2.eI.BRL  2e( Ps  id ).M 2 x B.RL hv 5.31 Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức Đây giá trị sinh hiệu ứng thác Với x hệ số tạp âm mức Giá trị x phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode APD Đối với photodiode si = 0.3 photodiode InGAs x = 0.7 photodiode Ge x = Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: S  N (5.32) e ( M ps ) RL hv e 2e( ps  id )M 2x B.RL  4K.B.T hv Tỷ lệ lỗi bit: BER  exp( q 2 ) q 2. (5.33) Với q=SN/2 Tỷ số BER nhỏ chất lượng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thường BER = 10 9 hay < 10 12 5.7 Các giá trị thành phần Thiết bị phát quang: [7] Tham số Giá trị Bước sóng làm việc 1300nm hay 1550nm Dải sóng làm việc  50nm Công suất LED: -32 đến 15dBm LD: -12 đến 7dBm Thời gian lên LED: 3ns(max) LD: