Trong phần 5.1 chúng ta đã khảo sát sơ bộ đối với các hệ thống thông tin quang mμ cự ly truyền dẫn vμ tốc độ bit bị giới hạn do suy hao vμ tán sắc gây ra. Đây lμ vấn đề có liên quan tới kênh tín hiệu quang khi thiết kế hệ thống. Nhìn chung, có nhiều các tham số cần phải đề cập đến khi tính toán thiết kế hệ thống thông tin quang thực tế. Đó lμ bước sóng hoạt động, thiết bị phát, thiết bị thu, vμ loại sợi quang tương ứng; bên cạnh đó lμ tính tương thích giữa các yếu tố thμnh phần thiết bị, giá cả, đặc tính hệ thống, độ tin cậy của hệ thống, vμ cả khả năng nâng cấp sau nμy. Với những lý do đó mμ trong phần nμy, chúng ta hãy cùng khảo sát quá trình thiết kế bằng việc xem xét các quỹ công suất vμ thời gian lên vμ minh hoạ nó thông qua một vμi ví dụ đơn giản.
5.2.1 Quỹ công suất
Quỹ công suất trong hệ thống thông tin quang đ−ợc coi nh− lμ một yếu tố bao quát tổng hợp quan trọng nhất nhằm khẳng định xem công suất quang có đủ để đi từ thiết bị phát tới thiết bị thu hay không để duy trì đặc tính tin cậy trong suốt tuổi thọ của hệ thống. Nếu nh− tại đầu vμo bộ thu yêu cầu một công suất quang trung bình nhỏ nhất lμ độ nhạy thu
<Prec>, vμ có một công suất quang trung bình <Pt> tại đầu ra bộ phát quang, thì quỹ công suất CT của tuyến có thể đ−ợc xem nh− lμ tổng suy hao giữa bộ phát vμ bộ thu quang. Vì
thế quỹ công suất có thể viết dưới dạng rất đơn giản như sau:
CT =〈Pt〉−〈Prec〉=2lc +αfL+lsp +Ms (5-5) ở đây lc lμ suy hao bộ nối quang tính bằng dB, αf lμ hệ số suy hao sợi tính bằng dB/km, L lμ độ dμi sợi quang trên tuyến vμ coi nh− lμ cự ly truyền dẫn, lsp lμ tổng suy hao các mối hμn nối sợi tính bằng dB. Trong biểu thức nμy ta đã giả thiết tuyến chỉ sử dụng 2 bộ nối quang ở hai đầu.
Đại l−ợng Ms lμ dự phòng hệ thống. Dự phòng hệ thống lμ một l−ợng công suất quang xác định đ−ợc thêm vμo hệ thống để bù vμo sự mất mát công suất có thể xảy ra trong khoảng thời gian khai thác hệ thống, chẳng hạn nh− sự xuống cấp của các thμnh phần thiết bị, sự thay đổi nhiệt độ lμm giảm năng lực hệ thống, vμ các biến cố nhỏ khác. Trong thiết kế tuyến, dự phòng hệ thống thường lấy giá trị từ 3 đến 8 dB. Biểu thức (5-5) có thể
đ−ợc sử dụng để xác định cự ly truyền dẫn lớn nhất khi đã lựa chọn đ−ợc các phần tử hệ thống. Một khi bước sóng đã được lựa chọn, điều cần phải thực hiện lμ quyết định xem các thiết bị phát vμ thu nμo nên đ−ợc dùng. Đối với nguồn phát quang thì xem xét xem nguồn laser bán dẫn LD hay LED lμ phù hợp. Tương tự đối với các thiết bị thu quang thì
nên sử dụng bộ tách sóng p-i-n hay APD. Việc quyết định nμy cần quan tâm tới tính kinh tế mμ cụ thể lμ giá cả của hệ thống phải thấp.
5.2.2 Quỹ thời gian lên
Quỹ thời gian lên đ−ợc cũng đ−ợc coi lμ yếu tố quan trọng, nó đ−ợc đ−a ra nhằm xác
định xem hệ thống có đủ khả năng để hoạt động tại tốc độ bít đã định hay không. Thậm trí ngay cả khi băng tần của các thμnh phần hệ thống v−ợt qua tốc độ bit, nó vẫn có thể cho thấy rằng toμn bộ hệ thống có thể không đủ khả năng hoạt động tại tốc độ bít đó.
Quan niệm về thời gian lên đ−ợc dùng để định rõ băng tần trong các thμnh phần hệ thống khác nhau; nó đã được đề cập trong chương-4 đối với tín hiệu xung. Ta có thể mở rộng vμ lμm sáng tỏ ra rằng, thời gian lên Tr của một hệ thống tuyến tính đ−ợc xác định lμ thời gian mμ đáp ứng tăng từ 10% đến 90% giá trị đầu ra sau cùng của nó khi đầu vμo có sự thay đổi đột ngột - hμm bước nhảy. Hình 5.2 minh họa quan niệm nμy bằng biểu đồ.
Hình 5.2. Sự liên quan giữa thời gian lên với hệ thống tuyến tính có giới hạn băng tần.
Có một quan hệ giữa băng tần Δf vμ thời gian lên Tr của hệ thống tuyến tính. Quan hệ nμy có thể hiểu bằng việc xem xét mạch RC đơn giản lμm ví dụ cho hệ thống tuyến tính.
Khi điện áp đầu vμo mạch RC thay đổi một cách tức thời từ 0 đến V0, thì điện áp đầu ra thay đổi nh− sau
⎥
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛−
−
= RC
V t t
Vout( ) 0 1 exp (5-6) trong đó R vμ C tương ứng lμ điện trở vμ điện dung của mạch RC. Khi đó thời gian lên
đ−ợc tìm ra lμ:
Tr =( )ln9 RC≈2,2RC (5-7) Hμm chuyển đổi H(f) của mạch RC sẽ thu đ−ợc bằng phép biến đổi Fourier biểu thức (5-6) vμ cã
H f ( i fRC)
π 2 1 ) 1
( = + (5-8) Băng tần điện Be = Δf tương ứng với tần số mμ tại đó |H(f)|2 = 1/2 vμ được cho bởi biểu thức quen thuộc Be = (2πRC)-1. Sử dụng biểu thức (5-7) thì giữa Be vμ Tr có mối quan hệ nh− sau:
Vin
0 t
Hệ thống TuyÕn tÝnh
Vout
0 T t
r
0,9
0,1
e e
r B B
T 0,35
2 2 ,
2 =
= π (5-9) Với biểu thức nμy, có thể hy vọng rằng quan hệ nghịch đảo giữa thời gian lên vμ băng tần sẽ đúng cho mọi hệ thống tuyến tính. Tuy nhiên, tích TrBe thường lμ khác 0,35. Chính việc sử dụng TrBe = 0,35 để thiết kế các hệ thống thông tin quang đ−ợc coi lμ quan điểm bảo thủ.
Mối liên quan giữa băng tần điện Be vμ tốc độ bit B phụ thuộc vμo dạng tín hiệu số. Với dạng tín hiệu lμ RZ (Return-to-Zero), khi đó Be = B vμ BTr = 0,35. Ng−ợc lại, đối với dạng tín hiệu NRZ (Non Return-to-Zero) thì Be ≈ B/2 vμ do đó mμ BTr = 0,7. Trong cả hai trường hợp, tốc độ bit đặc trưng đặt ra giới hạn cho thời gian lên lớn nhất có thể cho phép.
Điều nμy có nghĩa lμ hệ thống thông tin phải đ−ợc thiết kế để bảo đảm rằng Tr nằm trong giá trị lớn nhất nμy, tức lμ:
Tr ≤ (5-10) Trong hệ thống thông tin quang có ba thμnh phần thời gian lên riêng rẽ. Thời gian lên tổng của toμn bộ hệ thống có quan hệ với các thời gian lên thμnh phần riêng rẽ nμy một cách xấp xỉ nh− sau:
Tr = Ttr2 +Tfib2 +Trec2 (5-11) ở đây Ttr, Tfib, vμ Trec t−ơng ứng lần l−ợt lμ các thời gian lên của thiết bị phát, sợi quang, vμ thiết bị thu quang. Th−ờng thì các thời gian lên của thiết bị phát vμ thu đ−ợc biết tr−ớc từ khi thiết kế hệ thống. Trước hết thời gian lên của thiết bị phát Ttr được xác định từ các thμnh phần điện của mạch điều khiển vμ các thμnh phần ký sinh điện liên quan tới nguồn quang. Giá trị tiêu biểu của của Ttr lμ vμo khoảng vμi ns đối với thiết bị phát LED, nh−ng nó có thể nhỏ tới 0,1 ns đối với thiết bị phát laser bán dẫn LD. Thời gian lên của bộ thu Trec được xác định trước hết lμ từ băng tần điện 3 dB của front-end (phần mặt trước) bộ thu. Biểu thức (5-9) có thể đ−ợc dùng để −ớc l−ợng Trec nếu nh− băng tần front-end đ−ợc xác định.
Thời gian lên của sợi Tfib đ−ợc tính bao gồm các đóng góp từ các tán sắc mode vμ tán sắc vận tốc nhóm thông qua mối quan hệ sau:
Tfib = Tmod2 +TGVD2 (5-12) ở đây Tmod lμ thời gian lên do tán sắc mode vμ TGVD lμ thời gian lên do tán sắc vận tốc nhóm gây ra. Đối với sợi đơn mode, Tmod = 0 vμ vì thế mμ Tfib = TGVD. Về nguyên lý, có thể sử dụng quan niệm băng tần sợi như đã đề cập trong chương-2 vμ liên hệ băng tần sợi 3 dB mμ đ−ợc ký hiệu lμ f3dB thông quan liên hệ t−ơng tự với biểu thức (5-9). Trong thực tế, không dễ dμng tính toán được f3dB, đặc biệt lμ trong trường hợp có tán sắc mode. Đó lμ
0,35/B đối với dạng RZ 0,70/B đối với dạng NRZ
do tuyến sợi quang gồm nhiều các đoạn sợi (dμi khoảng 2 ữ5 km) đ−ợc nối với nhau dẫn
đến có thể có các đặc tính tán sắc khác nhau. Hơn nữa, sẽ xảy ra sự trộn mode tại các
điểm hμn nối vμ vị trí bộ nối quang, điều nμy dẫn tới trễ truyền dẫn đối với các mode khác nhau trong sợi đa mode. Vì thế, có thể sử dụng phương pháp tiếp cận thống kê để xác
định băng tần sợi vμ thời gian lên tương ứng.
Ngoμi phương pháp tiếp cận trên, còn có cách tiếp cận theo hiện tượng logic, trong đó Tmod có thể coi xấp xỉ từ thời gian trễ ΔT, vμ khi không có sự trộn mode thì:
c Ln
T Δ
≈ 1
mod (5-13) ở đây L lμ cự ly, c lμ vận tốc ánh sáng, Δ lμ sự khác nhau về chỉ số chiết suất lõi-vỏ của sợi quang, vμ n1 ≈ n2. Thμnh phần TGVD cũng có thể đ−ợc tính xấp xỉ bởi ΔT nh− sau:
TGVD ≈ DLΔλ (5-14) trong đó Δλ lμ độ rộng phổ của nguồn phát quang đ−ợc tính theo độ rộng toμn phần tại nửa lớn nhất FWHM. Tham số tán sắc D có thể thay đổi dọc theo tuyến sợi quang nếu nh− các phần sợi khác nhau có các đặc tính tán sắc khác nhau, vì thế nên lấy giá trị trung bình trong biểu thức (5-14). Từ biểu thức nμy, ta hãy lμm thử ví dụ nếu hệ thống hoạt
động tại vùng bước sóng 1,3 μm thì TGVD = 0,3 ns khi cự ly tuyến lμ 50 km, độ rộng phổ nguồn phát lμ 2 nm, vμ tán sắc trung bình bằng 3 ps/km.nm. Các thời gian lên bộ phát vμ thu quang tương ứng lμ 0,25 ns vμ 0,35 ns. Đối với tuyến sử dụng sợi quang đơn mode thì
tán sắc mode bằng không vμ khi đó Tfib = 0,3 ns. Thời gian lên của hệ thống tính từ biểu thức (5-11) đ−ợc tìm ra lμ Tr = 0,524 ns. Nếu áp dụng biểu thức (5-10) thì ta thấy hệ thống không thể hoạt động tại tốc độ 1 Gbit/s khi dạng tín hiệu lμ RZ. Tuy nhiên, hệ thống hoμn toμn hoạt động đ−ợc nếu chuyển dạng mã sang NRZ. Dạng tín hiệu NRZ th−ờng đ−ợc sử dụng vì nó cho phép thời gian lên của hệ thống lớn hơn với cùng một tốc
độ bit, vμ nh− vậy việc thiết kế hệ thống sẽ thuận lợi hơn nhiều.