Tính toán độ nhạy thu của tuyến thông tin quang M-QAM có sử dụng khuếch đại quang

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
28 
TÍNH TOÁN ĐỘ NHẠY THU CỦA TUYẾN THÔNG TIN QUANG M-QAM 
CÓ SỬ DỤNG KHUẾCH ĐẠI QUANG 
INVESTIGATION OF RECEIVER SENSITIVITY OF M-QAM OPTICAL COMMUNICATION 
LINKS WITH OPTICAL AMPLIFIER 
Lê Trung Thành Trần Đức Hân, Đỗ Đình Hưng, Nguyễn Duy Huyển 
Trường Đại học GTVT Hà Nội Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Bài báo đề xuất phương pháp phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống truyền dẫn quang M-QAM, 
một công nghệ mới đang được quan tâm hiện nay. Các tham số quan trọng ảnh hưởng đến chất 
lượng truyền dẫn như các nguồn tạp âm của bộ khuếch đại và bộ tách sóng quang đã được phân tích, 
đánh giá. Đã xây dựng phương pháp tính toán độ nhạy thu quang cho hệ thống M-QAM có sử dụng 
bộ khuếch đại quang sợi EDFA như bộ tiền khuếch đại PA. Đã khảo sát định lượng sự phụ thuộc của 
công suất thu sau bộ tách sóng quang vào các tham số của hệ thống như hệ số khuếch đại G, mức 
điều chế M , hệ số tạp âm NF, băng tần bộ lọc quang Bo, hệ số bức xạ tự phát Nsp, tỉ số lỗi bit BER 
và tốc độ bit Rbv.v. Kết quả phân tích thu được sẽ là cơ sở cho bài toán thiết kế hệ thống M-QAM. 
Với cự ly truyền dẫn L km cùng tốc độ bit Rb ( Gbps ) và tỉ số lỗi bit BER. cho trước người thiết kế 
dễ dàng tính toán xác định được một bộ thông số tối ưu cho hệ thống. 
ABSTRACT 
The purpose of this paper is to propose a method for analysis and calculation of M-QAM optical 
transmission system, a technology that has been attracting much attention recently. A numbers of 
noise sources such as noise from optical amplifier and from optical detector, which all have an 
influence on the sensitivity and consequently an accurate estimation of the receiver sensitivity of the 
system is analyzed... A calculation method of the receive sensitivity of M-QAM transmission system 
using the optical fibre amplifier EDFA as PA is studied. The theory results are simulated on computer 
using different parameters of the system such as: the gain G of EDFA, the NF of amplifier, the BER, 
M-modulation level, band of optical filter Bo, bit rate Rb and spontaneous emission coefficient Nsp  
The results of the analysis has applied to design the M-QAM transmission systems. With given 
transmission distance L km, bit rate Rb and BER, a designer can calculate different parameters of the 
system, to determine the optimal saturable gain of the amplifier. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Độ nhạy thu quang là một tham số rất 
quan trọng và cần phải được tính toán trong quá 
trình thiết kế một tuyến thông tin quang. Trong 
các tuyến thông tin quang truyền tín hiệu khoá 
đóng-mở (OOK:On-Off Keying), độ nhạy thu 
đã được nghiên cứu khá chi tiết trong một số 
công trình [1.6.7]. Tuy nhiên, trong hệ thống 
thông tin quang truyền tín hiệu M-QAM thì 
chưa có một kết quả nghiên cứu chi tiết nào. 
Bài báo đề xuất phương pháp tính toán độ nhạy 
thu quang và cự ly truyền dẫn của tuyến thông 
tin quang M-QAM. Các kết quả này sẽ được 
mô phỏng, đánh giá và so sánh với các tham số 
khác nhau của hệ thống có sử dụng và không sử 
dụng EDFA. 
II. PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘ NHẠY THU 
QUANG CỦA TUYẾN THÔNG TIN 
QUANG M-QAM 
Giả sử bộ khuếch đại quang EDFA được 
sử dụng làm tiền khuếch đại (PA) trong hệ 
thống (hình 1). 
Hình 1. Hệ thống thông tin quang M-QAM 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
29 
Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm 
CNR sau tách sóng quang của hệ thống này sẽ 
được tính theo [2,3,4]: 
2
225,0
total
sImCNR

 , (1) 
trong đó, m là chỉ số điều quang, Is là dòng 
phôtô sau tách sóng quang và 
2
total là tổng 
công suất tạp âm sau tách sóng. 
Đồng thời, mối quan hệ giữa CNR và xác 
suất lỗi bit BER của tín hiệu M-QAM được 
tính theo [3]: 





















avr
b CNR
L
Q
L
L
N
E
L
L
Q
L
L
BER
1
3
log
)1(22
1
log3
log
)1(2
2
2
1
0
2
2
2
1
(2) 
trong đó M=L2 là số mức điều chế; Eb,N0 
tương ứng là năng lượng bít và mật độ tạp âm; 
Q(x) được xác định qua hàm bù sai lỗi: 
)
2
exp(
2
1
)
2
(
2
1
)(
2x
x
x
erfcxQ 

; 
CNRavr là tỷ số công suất sóng mang trên 
tạp âm trung bình sau tách sóng quang [7]: 
2
max2
1
2
)1(3
11
A
M
M
CNRACNR
M
CNR
M
i
iavr








 

(3) 
trong đó Ai là biên độ của điểm tín hiệu 
thứ i, Amax là biên độ cực đại. 
Theo định nghĩa thì độ nhạy thu là công 
suất nhỏ nhất có thể thu được tại một giá trị xác 
suất lỗi bit BER nào đó của hệ thống. Do vậy, 
từ (1) độ nhạy thu tính được là: 
PS= 
 
2/1
20
2
2
0
2
2
2
2
0
2
0
5,0
2/
5,0
4
5,0
5,0






































Gm
CNR
BBP
B
B
Gm
CNR
e
h
R
kTB
Gm
CNR
P
B
B
Gm
CNR
P
B
B
eASE
e
e
ASE
e
ASE
e


(4) 
trong đó, Be, B0 là băng tần điện của bộ thu và 
băng tần quang của bộ lọc quang sau EDFA; 
e,k,R,T lần lượt là điện tích electron, hằng số 
Boltzman, điện trở tải tách sóng và nhiệt độ 
tuyệt đối; IASE là dòng phôtô tạo ra do phát xạ tự 
tự phát được khuếch đại sau tách sóng, 
0)1(2 BGhnPI spASEASE   PASE là 
công suất của phát xạ tự phát được khuếch đại; 
,,hnsp , G tương ứng là hệ số phát xạ, hằng số 
Plank, tần số quang và hệ số khuếch đại của 
EDFA. 
Nếu hệ thống dùng sợi quang có hệ số 
suy hao )/( kmdB , thì khoảng cách truyền 
dẫn của tuyến thông tin quang M-QAM được 
tính theo công thức: 

stx PPL

 [km] (5) 
ở đó, Ptx là công suất phát đưa vào đầu sợi 
quang và Ps là độ nhạy thu quang. 
III. MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Như vậy ta có nhận xét là độ nhạy thu 
quang phụ thuộc vào nhiều tham số của hệ 
thống thông tin quang như: phụ thuộc vào hệ số 
khuếch đại G của bộ khuếch đại quang, vào 
băng tần của bộ lọc quang, vào tốc độ bit truyền 
dẫn, vào dạng điều chế hay vào hệ số tạp âm 
của bộ khuếch đại quang,v.v... Do vậy, trong 
thiết kế tính toán tuyến truyền dẫn quang M-
QAM có sử dụng khuếch đại quang ta cần phải 
nghiên cứu sự phụ thuộc của độ nhạy thu và 
khoảng cách truyền dẫn vào các tham số khác 
nhau của hệ thống, để từ đó tìm ra tập giá trị tối 
ưu các tham số của hệ thống mà vẫn đảm bảo 
chất lượng truyền tin. Với mục đích đó, trong 
phần này chúng tôi mô phỏng sự phụ thuộc của 
độ nhạy thu quang và khoảng cách truyền dẫn 
của tuyến vào một số tham số khác nhau của hệ 
thống. 
Trên hình 2 là kết quả mô phỏng cho sự 
phụ thuộc của độ nhạy thu vào hệ số khuếch đại 
G của EDFA với các tốc độ bít khác nhau và 
cho hệ thống điều chế M-QAM có các mức 
điều chế M= 8, 16, 32 và 64 tương ứng. Các 
tham số được sử dụng trong mô phỏng này là: 
R=50 , T=3000K, B0=1GHz,  =1550nm, 
m=0,2;=0,8A/W,xác suất lỗi bit BER=10-9. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
30 
Hình 2. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G 
với tốc độ bit khác nhau 
Hình 3. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G 
với băng tần quang và Nsp khác nhau 
Kết quả mô phỏng cho thấy, độ nhạy thu 
đạt được giá trị cao khi giá trị của hệ số khuếch 
đại G tăng; tuy nhiên nó lại tỷ lệ nghịch với tốc 
độ bit, khi tốc độ bít tăng thì độ nhạy thu bị 
giảm xuống. Độ nhạy thu đạt được các giá trị 
cao như -50dBm, -49 dBm, -47dBm và -46 dBm 
cho các tốc độ bit 2,5 Gb/s, 5 Gb/s, 7,5 Gb/s và 
10 Gb/s. Đồng thời ta cũng có nhận xét là giá trị 
độ nhạy thu không tăng và đạt đến bão hoà nếu 
như hệ số khuếch đại G của EDFA tăng quá 
một giá trị giới hạn nào đó. Điều này có thể 
được giải thích như sau: khi G tăng thì công 
suất tín hiệu sau tách sóng quang tăng theo, 
nhưng khi đó cũng làm tăng các thành phần tạp 
âm tác động lên hệ thống, làm cho tổng công 
suất tạp âm sau tách sóng quang cũng tăng theo. 
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của hệ thống, do đó, 
sẽ không tăng được nữa và đạt đến giá trị bão 
hoà. 
Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào hệ số 
khuếch đại G với hệ số tạp âm NF và băng tần 
của bộ lọc quang B0 khác nhau được mô phỏng 
trên hình 3. Ta thấy rằng, băng tần của bộ lọc 
quang B0 có ảnh hưởng rất ít đến độ nhạy thu; 
trong khi, hệ số bức xạ tự phát Nsp lại có ảnh 
hưởng lớn đến giá trị của độ nhạy thu. Ví dụ 
dùng phương pháp điều chế M=64, thì giá trị 
của độ nhạy thu sẽ giảm gần 2 dB khi Nsp tăng 
từ Nsp=1 đến giá trị Nsp=1,26. 
Hình 4. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào NF 
với số mức điều chế khác nhau 
Hình 5. Sự phụ thuộc của độ nhạy thu vào G và 
với M khác nhau 
Ngoài ra, độ nhạy thu còn phụ thuộc vào 
các tham số khác của hệ thống như hệ số tạp âm 
NF của bộ khuếch đại và số mức điều chế M. 
Hình 4 và hình 5 mô phỏng mối quan hệ giữa 
độ nhạy thu của hệ thống với NF của bộ khuếch 
đại và với hệ số khuếch đại G khi hệ thống sử 
dụng các phương pháp điều chế khác nhau. Kết 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
31 
quả mô phỏng cho thấy giá trị của độ nhạy thu 
sẽ giảm nhanh khi NF tăng, điều này là do khi 
NF tăng thì các thành phần tạp âm bức xạ tự 
phát được khuếch đại tăng, làm giảm tỷ số tín 
hiệu trên tạp âm sau tách sóng quang và ảnh 
hưởng mạnh đến độ nhạy thu. Ví dụ với hệ 
thống 64-QAM như được chỉ ra trên hình 4, tại 
G = 25dB, giá trị của độ nhạy thu đạt được là - 
46 dBm khi NF=4 dB; tuy nhiên khi NF tăng 
đến 8 dB thì độ nhạy thu lúc này chỉ là - 
42dBm. Mặt khác, khi số mức điều chế tăng thì 
hiệu suất băng thông sẽ tăng nhưng lại làm cho 
độ nhạy thu giảm xuống như được chỉ ra trên 
hình 5; ví dụ tại M= 16 và G = 5dB giá trị độ 
nhạy thu đạt được -46,5 dBm; tuy nhiên khi số 
mức điều chế M tăng lên đến 64 thì độ nhạy thu 
lúc này chỉ đạt -44dBm. Do đó, khi thiết kế hệ 
thống truyền tín hiệu M-QAM thì nhà thiết kế 
phải cân nhắc tính toán giữa các tham số: 
khoảng cách truyền dẫn, độ nhạy thu quang, hệ 
số khuếch đại G và số mức điều chế được sử 
dụng để đảm bảo được chất lượng truyền dẫn 
yêu cầu. 
Hình 6. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và 
G với M=64 
Hình 7. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và 
G với M=256 
Một trong những tham số quan trọng cần 
quan tâm khi thiết kế tuyến là khoảng cách 
truyền dẫn của tuyến; bởi với một khoảng cách 
tuyến truyền dẫn cho trước, nhà thiết kế cần 
chọn các tham số khác của hệ thống để đảm bảo 
được chất lượng truyền tin yêu cầu hay với một 
tập các tham số cho trước thì ta cần phải tính 
toán được xem là khoảng cách truyền dẫn cực 
đại có thể đạt được là bao nhiêu với một giá trị 
BER cho trước. Trên hình 6 và hình 7 là mối 
quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn của tuyến 
và hệ số khuếch đại G của EDFA với các tốc độ 
bit 2,5 Gb/s, 5 Gb/s, 7,5 Gb/s và 10 Gb/s tương 
ứng, kết quả mô phỏng cho hai hệ thống 64-
QAM và 256- QAM, với 910BER . Rõ ràng 
khi tốc độ bit tăng thì khoảng cách truyền dẫn 
của tuyến sẽ bị giảm xuống; ví dụ tại tốc độ bit 
2,5 Gb/s, khoảng cách truyền cực đại có thể đạt 
được 225 km cho hệ thống 64- QAM và 212 
km cho hệ thống 256- QAM, tại G = 5dB; tuy 
nhiên khi tốc độ bit tăng đến 10 Gb/s thì 
khoảng cách chỉ còn là 210 km cho hệ thống 
64-QAM và 195 km cho hệ thống 256- QAM 
với cùng một giá trị G như trên. 
Ta thấy rằng, yêu cầu về tỷ lệ lỗi bit BER 
của hệ thống có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy 
thu cũng như khoảng cách truyền dẫn của tuyến 
và yêu cầu về chất lượng của hệ thống thông tin 
càng cao thì khoảng cách truyền dẫn cực đại 
của hệ thống càng nhỏ. Kết quả mô phỏng mối 
quan hệ giữa khoảng cách truyền dẫn của tuyến 
64-QAM với hệ số khuếch đại G của EDFA 
cho hai hệ thống có yêu cầu tỷ lệ lỗi bit BER 
tương ứng là 10-9 và 10-12 được chỉ ra trên hình 
8. Ta thấy khi yêu cầu chất lượng của hệ thống 
truyền tin cao, giả sử từ BER=10-9 đến giá trị 
BER=10
-12
 thì khoảng cách truyền dẫn sẽ giảm 
khoảng 10 km tại tốc độ bit Rb=10Gb/s. 
Hình 8. Mối quan hệ giữa khoảng cách tuyến và 
G với BER khác nhau 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
32 
Hình 9. So sánh hệ thống có và không có 
khuếch đại quang EDFA. 
Để tăng khoảng cách truyền dẫn của 
tuyến cũng như độ nhạy thu quang, người ta 
thường dùng bộ khuếch đại quang EDFA làm 
tiền khuếch đại. Hình 9 so sánh khoảng cách 
truyền dẫn tối đa có thể đạt được của các hệ 
thống: có và không sử dụng bộ khuếch đại 
quang và các hệ thống có số mức điều chế M 
khác nhau. Với hệ thống không có sử dụng 
khuếch đại quang EDFA thì khoảng cách truyền 
dẫn cực đại chỉ đạt khoảng 40 km tại 
910BER , trong khi hệ thống có sử dụng 
khuếch đại quang thì khoảng cách truyền dẫn sẽ 
tăng hơn nhiều và có thể đạt đến 190 km cho hệ 
thống 256- QAM hay thậm chí là 220 km cho 
hệ thống 16- QAM. Như vậy hệ thống sử dụng 
khuếch đại quang sẽ có khoảng cách truyền dẫn 
lớn hơn hẳn so với hệ thống không sử dụng bộ 
khuếch đại quang. 
IV. KẾT LUẬN 
Trong thiết kế tính toán tuyến truyền dẫn 
quang M-QAM, khoảng cách truyền dẫn và độ 
nhạy thu quang là hai tham số rất quan trọng 
cần được nghiên cứu. Hai giá trị này phụ thuộc 
vào nhiều tham số khác nhau của hệ thống như 
hệ số khuếch đại G, phương pháp điều chế được 
sử dụng hay hệ số tạp âm NF của bộ khuếch 
đại. Bài báo đã khảo sát sự phụ thuộc của độ 
nhạy thu quang và khoảng cách truyền dẫn của 
tuyến thông tin quang M-QAM vào một số 
tham số của hệ thống. Các kết quả này có thể 
được dùng để thiết kế tuyến thông tin quang 
truyền tín hiệu M-QAM đảm bảo giá trị BER 
theo yêu cầu. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Trần Đức Hân, Trần Quốc Dũng, Lê Trung Thành, Đào Ngọc Nam; Phương pháp tính toán công 
suất bù BER trong hệ thống truyền dẫn quang; Tạp chí BCVT, Chuyên san các Công trình nghiên 
cứu triển khai VT và CNTT, Số 11, 3/2004. 
2. Lê Trung Thành; Nghiên cứu việc đánh giá chất lượng truyền dẫn tín hiệu video được điều chế 
bằng phương pháp M-QAM qua tuyến thông tin quang có sử dụng bộ khuếch đại quang sợi 
EDFA; Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5/2004. 
3. Lê Trung Thành; So sánh hoạt động của các hệ thống thông tin quang M-QAM có sử dụng bộ 
khuếch đại quang; Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Trường ĐHGTVT, Số 8, tháng 9/2004. 
4. Lê Trung Thành; Phương pháp tính công suất bù BER thiết kế các hệ thống truyền tín hiệu M-
QAM qua tuyến thông tin cáp sợi quang; Tạp chí Khoa học – Công nghệ trường Đại học Công 
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, T.XX, No.3, 2004. 
5. Roberto Sabella; Performance analysis of wireless broadband systems employing optical fiber 
link; IEEE Transactions on communications, pp.715-721,vol.47, No.5, May 1999 
6. Vu Van San, Hoang Van Vo; Accurate Estimation of Receiver sensitivity for 10 Gb/s optically 
amplified systems; Optic Communication Journal, Amsterdam, The Netherland, Vol.181, July, 
2000. 
7. A. Pappert, D. Lafaw; Performance evaluation of a 64- QAM microwave fiber optic link wih a 
remote external modulator. Proceedings of the Seventh Annual DARPA symposium on Photonic 
systems for antenna applications , 13-16, Jan., 1997. 
Địa chỉ liên hệ: Trần Đức Hân - Tel: (04) 3853.2909 
 Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội