Nghiên cứu giảm méo tín hiệu phi tuyến cho các hệ thống thông tin quang băng rộng dùng các siêu kênh Terabit

Nhằm tái tạo lược tần số dải rộng dùng bộ trộn tham số trong sợi quang cho các ứng dụng siêu kênh Terabit/s sử dụng định dạng điều chế QAM nhiều mức; Phát triển bộ thu phát Terabit/s hiệu suất cao dùng bộ lược tần số được tái tạo và định dạng điều chế QAM nhiều mức; Truyền dẫn đường dài các siêu kênh Terabit/s hiệu suất phổ cao dùng các kỹ thuật bù phi tuyến phương pháp quang và số để vượt qua các giới hạn Shannon phi tuyến, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng do TS.Nguyễn Tấn Hưng đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu giảm méo tín hiệu phi tuyến cho các hệ thống thông tin quang băng rộng dùng các siêu kênh Terabit”.

Sau một thời gian triển khai, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu đã đề ra như trong thuyết minh. Các kết quả nghiên cứu quan trọng của đề tài bao gồm:

1. Đề xuất mô hình hoàn chỉnh hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang M-QAM kháng nhiễu và méo phi tuyến sử dụng bộ thu tách sóng trực tiếp Kramers-Kronig

Đề tài đề xuất lần đầu tiên một mô hình lý thuyết để tính toán, phân tích chất lượng hệ thống truyền dẫn thông tin quang tách sóng trực tiếp sử dụng nguyên lý Kramers-Kronig. Mô hình tính đến tác động của nhiễu pha của laser (laser phase noise), quá trình hình thành nhiễu biên độ từ nhiễu pha P2A (phase-to-amplitude noise conversion) và hiệu ứng nhiễu pha tăng cường EEPN (equalization enhanced phase noise) do quá trình bù tán sắc bằng phương pháp số trong máy thu. Hệ thống truyền sử dụng tín hiệu điều chế đơn biên (single-side band) và tách sóng trực tiếp, trong đó bộ thu Kramers-Kronig hoạt động như một cơ chế thu kết hợp (self-coherence), giúp bộ thu có thể bù tán sắc sợi trên đường truyền bằng kỹ thuật số DSP (electronic dispersion compensation) và loại bỏ nhiễu giao thoa tín hiệu-tín hiệu SSBI (signal-signal beat interference) do sự tương tác qua lại giữa tán sắc (gây ra méo tuyến tính) và phi tuyến (méo phi tuyến) trong máy thu.

Cụ thể đã: Đề xuất mô hình tính toán tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) có tính đến ảnh hưởng của nhiễu P2A, nhiễu tương tác giữa P2A-tín hiệu, nhiễu EEPN và nhiễu pha; Tiến hành mô phỏng Monte Carlo hệ thống truyền sử dụng định dạng điều chế 64-QAM, 30 Gbaud và 60 Gbaud. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết cho thấy độ sai lệch chỉ 0.2 dB, chứng tỏ độ chính xác rất cao và tin cậy của mô hình tính toán lý thuyết đề xuất; Khảo sát và so sánh ảnh hưởng của các loại nhiễu như P2A, EEPN, nhiễu phát xạ tự phát ASE (amplified spontaneous emission) do bộ khuếch đại EDFA (erbium doped fiber amplifier) gây ra, dưới tác động của nhiễu pha do laser phát và khoảng cách truyền. Kết quả nghiên cứu cho thấy bên cạnh ảnh hưởng lớn của nhiễu ASE, tác động của nhiễu EEPN lớn hơn so với nhiễu P2A;

Kết quả nghiên cứu này có tính mới và giá trị khoa học khi lần đầu tiên đưa ra mô hình tính toán có độ chính xác cao để xác định chất lượng hệ thống truyền thông tin quang tách sóng trực tiếp dùng nguyên lý Kramers-Kronig. Mô hình này rất hữu ích khi thiết kế hệ thống trong thực tế, giúp tính toán được chất lượng tín hiệu, dung lượng kênh truyền cực đại, khoảng cách truyền dẫn cho hệ thống thiết kế.

2. Nghiên cứu phân tích được hiệu quả của các phương pháp bù méo phi tuyến sợi cho hệ thống truyền dẫn cự ly cực lớn cho các siêu kênh Terabit/s và đề xuất các kỹ thuật nâng cao hiệu quả bù méo phi tuyến sợi.

Đề tài đã phân tích, so sánh, đánh giá được hiệu năng của các phương pháp bù méo tín hiệu phi tuyến trong việc nâng cao chất lượng cho các hệ thống thông tin sợi quang khoảng cách truyền cực lớn (>1000 km), băng rộng tốc độ dữ liệu hàng Terabit/s. Đề tài cũng đã phân tích hiệu quả cac phương pháp bù phi tuyến chính như phương pháp truyền ngược dùng xử lý số DBP (digital back propagation), phương pháp dùng bộ kết hợp pha quang OPC (optical phase conjugation) và phương pháp dùng cặp đôi sóng kết hợp pha PCTW (phase conjugated twin waves). Đây là các phương pháp bù phi tuyến rất hiệu quả thường được sử dụng để vượt qua giới hạn Shannon phi tuyến (nonlinear Shannon limit) cho các hệ thống truyền đường dài dùng các tín hiệu có định dạng điều chế cao cấp như M-QAM.

Kết quả nghiên cứu này có tính mới và giá trị khoa học khi xét đến ảnh hưởng của băng thông tín hiệu đến hiệu quả của các phương pháp bù phi tuyến phổ biến. Yếu tố này quan trọng nhưng bị bỏ qua trong các nghiên cứu trước đây. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng khi xây dựng các kênh truyền dung lượng lớn hàng Terabit/s trong tương lai.

3. Phát triển được các kỹ thuật thu phát tín hiệu quang băng rộng hiệu suất phổ cao sử dụng các kỹ thuật ghép kênh cao cấp

Đề tài phát triển các kỹ thuật tạo và thu tín hiệu quang có hiệu suất phổ cao sử dụng ghép phổ nhiều kênh OFDM (multiband OFDM) hay Nyquist WDM. Đây là các kỹ thuật quan trọng để tạo/thu các siêu kênh có tốc độ lên hàng Terabit/s trong điều kiện băng thông hệ thống sợi quang ngày càng hạn chế. Các kỹ thuật multiband OFDM hay Nyquist WDM giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ, nhằm đạt hiệu suất phổ tiến đến lý tưởng 1 symbol/s/Hz.

Kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa thực tế khi nhóm đề tài có thể ứng dụng được các kỹ thuật đã phát triển vào trong hệ thống thực nghiệm, khẳng định tính đúng đắn, phù hợp của các đề xuất đưa ra. Đây cũng là điểm khởi đầu cho hướng phát triển của đề tài, trong đó đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật bù méo tín hiệu phi tuyến vào trong thực nghiệm truyền tín hiệu thông tin quang nhằm mở rộng băng thông tín hiệu, khoảng cách truyền dẫn.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí IEEE Photonics Technology Letters, REV Journal on Electronics and Communications, 2019 và Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2017 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT 2017).

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16347/2019) tại Cục Thông tin khoa học và Công nghệ Quốc gia.