BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Đề tài Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Đề tài: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Sinh viên thực hiện: Lưu Ngọc Minh Nguyễn Thị Hoài Linh Nguyễn Thế Anh Phùng Sỹ Linh Đào Thị Minh Thúy Hà Nội, 5-2020 20162712 20161452 20160154 20167265 20163973 Lời nói đầu Trong vịng thập kỷ trở lại đây, với giới, Việt Nam chứng kiến bùng nổ mạnh mẽ công nghệ thông tin, điện – điện tử viễn thông, đặc biệt lĩnh vực viễn thông Với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng phát triển để đạt thành tựu to lớn, tất nhiên với thành tựu không kể đến kỹ thuật truyền dẫn cáp sợi quang Cáp sợi quang coi môi trường truyền dẫn lý tưởng với ưu điểm bật như: băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng nhiễu, khả bảo mật cao, phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Với ưu điểm kể trên, hệ thống thông tin quang cần thực ghép kênh ghép nhiều kênh đường truyền quang để tránh lãng phí băng thơng dùng cho ứng dụng riêng lẻ Những kỹ thuật ghép kênh quan tâm sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM – Time Division Multiplex) ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplex) Trong khn khổ tập lớn học phần Thơng tin quang, nhóm em thực đề tài: “Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA” Trong trình thực đề tài trên, nhóm em nhận dạy, hướng dẫn tận tình từ thầy Nguyễn Hồng Hải để hồn thành nhiệm vụ Trong q trình thực làm tập lớn này, thành viên nhóm cố gắng tìm hiểu hồn thiện nội dung tập lớn, nhiên chắn không tránh khỏi thiếu sót, nhóm em mong nhận đánh giá góp ý từ thầy thành viên khác lớp học để kết kiến thức chúng em nhận hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Mục lục Danh mục hình ảnh .i Danh mục bảng biểu ii Phần I: Lý thuyết Chương 1: Tổng quan hệ thống WDM 1.1 Định nghĩa 1.2 Phân loại hệ thống WDM 1.3 Ưu nhược điểm hệ thống WDM 1.4 Các thành phần hệ thống WDM 1.5 Các vấn đề cần quan tâm hệ thống WDM Chương 2: Bộ khuếch đại quang EDPA 2.1 Cấu trúc khuếch đại quang EDFA 2.2 EDFA hệ thống ghép kênh theo bước sóng 2.3 Các ưu điểm EDFA Chương 3: Sợi quang đơn mode chuẩn G.652 3.1 Cấu tạo sợi quang 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sợi quang 3.3 Thông số kỹ thuật Phần II: Thực thiết kế hệ thống Optisystem 10 4.1 Thông số hệ thống 10 4.2 Thiết kế khối 10 4.3 Kết mô 14 Phần III: Kết luận 23 Danh mục hình ảnh Hình 1.Sơ đồ khối phát WDM laser bơm Hình 2.Hệ thống WDM đơn hướng Hình 3.Hệ thống WDM song hướng Hình 4.Sơ đồ khối hệ thống WDM Hình 5.Xác định OSNR Hình 6.Khối phát kênh 10 Hình 7.Khối thu tín hiệu quang 11 Hình 8.Đường truyền sử dụng sợi quang G.652 12 Hình 9.Hệ thống mơ thơng tin quang đầy đủ 14 Hình 10.Tỷ lệ lỗi bit công suất phát 15 Hình 11.Phổ cơng suất tín hiệu miền thời gian 15 Hình 12.Thơng số cơng suất đầu sau WDM 16 Hình 13.Phổ tín hiệu đầu WDM 16 Hình 14.Cơng suất tín hiệu tần số 17 Hình 15.Đồ thị BER 17 Hình 16.Đồ thị mắt 18 Hình 17.Cơng suất đầu sau đường truyền 18 Hình 18.Cơng suất nhiễu đầu WDM 18 Hình 19.Phổ tín hiệu sau đường truyền 19 Hình 20.Cơng suất đầu kênh 19 Hình 21.OSNR trước sau đường truyền 20 Hình 22.Phân tích BER sử dụng tạo xung NRZ 21 Hình 23.Tín hiệu thu sau đường truyền sử dụng NRZ 21 Hình 24.OSNR trước sau truyền sử dụng tạo xung NRZ 22 i Danh mục bảng biểu Bảng 1.Thông số kỹ thuật Bảng 2.Thông số hệ thống 10 ii Phần I: Lý thuyết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM 1.1 Định nghĩa Một hệ thống truyền dẫn thơng tin quang mà có nhiều kênh bước sóng ghép lại truyền chung đường truyền quang gọi hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing) Vào Bộ cách ly Bộ ghép WDM Bộ cách ly Bộ lọc quang Laser bơm Hình 1.Sơ đồ khối phát WDM laser bơm Các dải băng tần hoạt động WDM - O-band (Original band): Dải băng tần từ 1260nm −1360nm - E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360nm −1460nm - S-band (Short wavelength band): Dải băng tần từ 1460nm −1530nm - C-band (Conventional band): Dải băng tần từ 1530nm −1565nm - L-band (Long wavelength band): Dải băng tần từ 1565nm −1625nm - U-band (Ultra-long wavelength band): Dải băng tần từ 1625nm −1675nm 1.2 Phân loại hệ thống WDM Theo hướng truyền dẫn: Gồm loại Hệ thống đơn hướng Rx1 Tx1 1 , 2 , 3 , , N Rx2 Tx2 MUX TxN DEMUX EDFA 1 , 2 , 3 , , N EDFA Hình 2.Hệ thống WDM đơn hướng RxN Đặc điểm: - Chỉ truyền theo chiều sợi quang - Khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng - Số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng Hệ thống song hướng Rx1 Tx1 1 , 2 , 3 , , N Tx2 Rx2 MUX DEMUX 1 (i + 1), 2 (i + 2), 3 (i + 3), , N TxN EDFA EDFA RxN Hình 3.Hệ thống WDM song hướng Đặc điểm: - Khi có cố, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS - Thiết kế hệ thống song hướng khó - Các hệ thống khuếch đại hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp so với hệ thống đơn hướng có cơng suất quang đầu lớn so với hệ thống đơn hướng 1.3 Ưu nhược điểm hệ thống WDM Ưu điểm - Tăng băng thông truyền sợi quang số lần tương ứng số bước ghép vào để truyền sợi quang Tính suốt Khả mở rộng Hiện công nghệ WDM cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) Nhược điểm - Chưa khai thác hết băng tần hoạt động sợi quang Q trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp gấp nhiều lần Nếu hệ thống sợi quang sử dụng sợi DSF theo chuẩn G.653 khó triển khai WDM xuất hiện tượng trộn bước sóng gay gắt 1.4 Các thành phần hệ thống WDM Sơ đồ khối chức khối Tx1 Rx1 Tx2 Rx2 MUX EDFA TxN Ghép tín hiệu DEMUX Truyền tín hiệu sợi quang EDFA Khuếch đại tín hiệu RxN Tách tín hiệu Hình 4.Sơ đồ khối hệ thống WDM Chức khối: - Phát tín hiệu: hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng Laser với yêu cầu có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm giới hạn cho phép - Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cachs tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổng hợp AWG, lọc Fabry-Perot … - Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợ quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu … Mỗi đề kể phụ thuộc nhiều yếu tố vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi …) - Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại - Thu tín hiệu: Sử dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thông thường: PIN, APD Các thành phần hệ thống WDM - Bộ phát quang - Bộ thu quang - OMUX/ ODEMUX - Sợi quang - Bộ khuếch đại quang (OA) - Bộ xen rẽ bước sóng (OADM) … 1.5 Các vấn đề cần quan tâm hệ thống WDM Khoảng cách kênh: Khoảng kênh độ rộng tần số tiêu chuẩn kênh gần Việc phân bổ kênh cách hợp lý dải băng taafn có hạn giúp cho việc nâng cap hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần giảm ảnh hưởng phi tuyến tính kênh gần Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này: - Tốc độ truyền dẫn kênh - Quỹ công suất quang - Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến - Độ rộng phổ nguồn phát - Khả tách / ghép thiết bị WDM - Suy hao quỹ công suất hệ thống WDM Trong hệ thống số vấn đề quan trọng phải đảm bảo tỷ số tín hiệu tạp âm (S/N) cho đầu thu thu tín hiệu với mức BER cho phép Để máy thu thu thơng tin cơng suất tín hiệu đến máy thu phải nằm dải công suất máy thu: Ptotal = Ptransmit + Pstore (1.1) total max Preceive  Ptransmit − Ploss  Preceive Như để đảm bảo thơng tin cơng suất phải lớn cự ly truyền dẫn lớn Để khắc phục điều người ta sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA Ảnh hưởng tín hiệu phi tuyến hệ thống WDM: Trong hệ thống thông tin quang, hiệu ứng phi tuyến xảy công suất tín hiệu sợi quang vượt mức Đối với hệ thống WDM mức cơng suất cao nhiều so với hệ thống đơn kênh Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM chủ yếu gồm: hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS SBR Các hiệu ứng chia thành hai loại: - Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm hiệu ứng SBS SBR Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM FWM Đối với việc thiết kế hệ thống quang cần quan tâm đến số thông số để đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang để từ có đánh giá nhận xét cải biến hệ thống Hai thông số sử dụng phần thực báo cáo tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) xác định theo công thức: BER =  Error _ Bits  Transmitted _ Bits (1.2) Và tỷ số cơng suất tín hiệu công suất nhiễu OSNR (Optical Signal to Noise Ratio): OSNR = 10log( Ps / Pn ) = dB( signal ) − dB(noise) (1.3) Hình 5.Xác định OSNR Để thực thiết kế mô hệ thống quang đánh giá tốt yêu cầu BER nhỏ OSNR lớn tốt Hệ số suy hao tối đa bước sóng 1310nm  0.36 dB / km Hệ số suy hao tối đa bước sóng 1550nm  0.22dB / km 10 Hệ số tán sắc bước sóng 1550nm 11 Độ dốc tán sắc không 12 Hệ số tán sắc mode phân cực PMD  18 ps / nm.km  0.092 ps / nm2 km  0.2 ps / km1/2 Phần II: Thực thiết kế hệ thống Optisystem 4.1 Thông số hệ thống Bảng 2.Thông số hệ thống Tốc độ bit 10Gbit / s Chiều dài chuỗi bit 128bits Số mẫu bit 64 Số lượng kênh bước sóng kênh Cự ly truyền dẫn 300km Loại sợi Sợi quang đơn mode chuẩn (G.652) Nguồn phát Laser Phương thức điều chế Điều chế Bộ thu Sử dụng PIN kết hợp với lọc thông thấp Bessel Các thiết bị đo Thiết bị đo công suất quang Thiết bị phân tích phổ quang 4.2 Thiết kế khối Phía phát Hình 6.Khối phát kênh + Nguồn phát quang lazer CW lazer array + Bộ phát xung RZ pulse generator 10 + Bộ phát bit điện User Defined Bit + Điều chế Mach – zehnder Modulator + Do hệ thống WDM ghép kênh tín hiệu nên phía đầu phát bao gồm có phát Thiết bị xếp gọi phương pháp điều chế ngồi + Do ghép kênh tín hiệu nên WDM Mux sử dụng Mux 4x1 Phía thu Hình 7.Khối thu tín hiệu quang + Bộ tách kênh Demux 1x4 + PIN kết hợp lọc thơng thấp Bessel + Ngồi để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu cịn có thiết bị đo Ber, genarator 3R đặt vị trí thích hợp Mơi trường truyền dẫn 11 Hình 8.Đường truyền sử dụng sợi quang G.652 Do môi trường truyền dẫn đề yêu cầu sử dụng sợi quang G.652 cần phải thiết kế sợi quang G.652 với thông số đặc trưng theo chuẩn ITU – T G.652: Hệ số suy hao tối đa bước sóng 1550nm : 0.2 db / km(1) Hệ số tán sắc bước sóng 1550nm : 16.75 ps / nm.km( D1 ) Độ dốc tán sắc không: 0.075 ps / nm km( S ) Hệ số tán sắc mode phân cực PMD: 0.2 ps / km Do sợi G.652 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tắn sắc thực sợi bù tán sắc DCF Như việc bù tán sắc cần thiết để đạt chất lượng tín hiệu đầu cao, BER có giá trị nhỏ Thông số sợi bù tán sắc DCF: Biết: D1 (hệ số tán sắc G.652):16.75 ps / nm.km M (hệ số suy hao G.652): 0.2db / km S1 (độ dốc tán sắc G.652): 0.075 ps / nm2 / km D2 (hệ số tán sắc DCF): −85 ps / nm / km M (hệ số suy hao DCF): 0.5 db / km Mà: S2 = −S1  ( L1 / L2 ) = S2  ( D2 / D1 ) S2 = 0.075 ps / nm2 / km ( −82 ps / nm / km : 16.75 ps / nm / km ) = −0.38 ps / nm2 / km 12 L2 = − ( L1  D1 ) / D2 Chọn L1 = 50km  L2 = 9.8 km Để áp ứng yêu cầu đề với cự ly truyền dẫn 300km phải chọn L2 = 10 km Số vòng Loop cần dùng là: 300/(50+10) = Vòng lặp (hạn chế cồng kềnh cho hệ thống mà đảm bảo cự ly truyền dẫn) Do tín hiệu truyền sợ quang với cự lý truyền dẫn dài, beeb gây suy hao sợi quang, làm giảm cơng suất phát tín hiệu Để khắc phục tượng suy giảm công suất suy hao tín hiệu nên thiết kế hệ thống WDM sử dụng thêm khuếch đại EDFA Với hệ số khuếch đại G lượng suy hao đường tuyến Gọi G1 hệ số khuếch đại EDFA1 G2 hệ số khuếch đại EDFA2 Công thức: G2 =| G1 – 1  L1 − L2   | Chọn G1 = 10dB G2 = 10 – 0.2  50 – 0.5  10 = 5dB Các tham số toàn cục bao gồm: Tốc độ bít ( Bit rate ) = 10Gbit / s Chiều dài chuỗi bit ( Bit Sequence length ) = 128 bits Số lượng mẫu bit ( Number of samples per bit ) = 64 Các tham số sử dụng để tính tốn: Cửa sổ thời gian = 128 1/10000000000 = 1.28 10−8 ( s ) Số lượng mẫu (Number of samples) = chiều dài chuỗi bít Số lượng mẫu = 128 64 = 8192  số mẫu bit Tốc độ lấy mẫu (sample rate) = số lượng mẫu / cửa sổ thời gian Tốc độ lấy mẫu = 8192 /1.28 10−8 = 640000000000 ( Hz ) Thay đổi thông số để đạt Ber 10−12 theo yêu cầu Có nhiều cách thay đổi số BER hệ thống: Thay đổi tốc độ bit Thay đổi công suất phát Thay đổi hệ số khuếch đại Thay đổi cự ly truyền dẫn 13 Trong phần mô theo yêu cầu đề bài, để chuyển Ber = 10−12 ta chọn phương pháp thay đổi công suất nguồn phát Đối tượng chủ yếu cần thay đổi thơng số mạch dó cơng suất phát q laser Do hệ thống WDM thực tốc độ 10Gbit / s có dải tần100Ghz Nên khoảng cách băng tần 0.8 nm (Băng C) Giả sử chọn frequency CW lazer = 1552.52 nm kênh có giá trị 0.8nm Tương đương dài tần laser đơn vị THz cho laser đầu vào là: + Kênh chọn tần số 193.1 THz + Kênh chọn tần số 193.2 THz + Kênh chọn tần số 193.3 THz + Kênh chọn tần số 193.4 THz Thiết lập tham số quét: Mục đích việc tìm mức cơng suất phát phù hợp để đo số BER hợp lý đường truyền Với 11 lần quét mức công suất khác thu giá trị BER khác từ tìm mối liên hệ cơng suất phát BER Chọn dải quét từ  −10 Mơ hình kênh thơng tin quang đầy đủ đề tài: Hình 9.Hệ thống mơ thơng tin quang đầy đủ 4.3 Kết mô Sau chạy xong ta vào phần REPORT để xem, chọn thông số Ber công suất phù hợp Vào CW laser array > Parameter > Power kéo thả vào trục X đồ thị 14 Vào BER Analyzer > Result > Min.log of BER Kéo thả vào trục Y đồ thị ta kết quả: Hình 10.Tỷ lệ lỗi bit cơng suất phát Hình 11.Phổ cơng suất tín hiệu miền thời gian 15 Ta chọn thông số công suất phát là: −7.7dBm cho BER theo u cầu tốn là: 10−12 Hình 12.Thơng số cơng suất đầu sau WDM Hình 13.Phổ tín hiệu đầu WDM Chúng ta lấy công suất phát là: −7.796 dBm chạy lại chương trình lần Tiến hành tương tự cho kênh lại Xem thơng số thiết bị đo: 16 Hình 14.Cơng suất tín hiệu tần số Hình 15.Đồ thị BER 17 Hình 16.Đồ thị mắt Đo cơng suất đầu máy phát Hình 17.Cơng suất đầu sau đường truyền Hình 18.Cơng suất nhiễu đầu WDM 18 Hình 19.Phổ tín hiệu sau đường truyền Hình 20.Cơng suất đầu kênh 19 Hình 21.OSNR trước sau đường truyền Trong trường hợp hệ thống trên, nhóm em thực sử dụng tạo mã đường dây RZ Pulse Generator để thực mơ phỏng, nhiên trước nhóm thử thực mô với tạo NRZ Pulse Generator với tất thông số hệ thống trên, nhiên kết mô BER đạt giá trị cao (giá trị BER nằm khoảng 10−7  10 −5 ) dù hệ thống bù tán sắc khuếch đại tín hiệu: 20 Hình 22.Phân tích BER sử dụng tạo xung NRZ Hình 23.Tín hiệu thu sau đường truyền sử dụng NRZ 21 Hình 24.OSNR trước sau truyền sử dụng tạo xung NRZ Từ trình mơ so sánh đánh giá nhóm em nhận thấy đề tốc độ 10Gbits / s tốc độ bits lớn việc lựa chọn thành phần thu phát ảnh hưởng nhiều tới chất lượng hệ thống, thể rõ thông số tỷ lệ lỗi bit BER hay tỉ lệ cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu hệ thống thông tin quang OSNR, theo kết thực mơ mã đường dây RZ cho kết BER nhỏ gấp 107 lần so với hệ thống thông tin quang sử dụng mã đường dây NRZ 22 Phần III: Kết luận Như hệ thống thông tin, việc lựa chọn tần số, công suất phát, sợi truyền dẫn cách bù tán sắc ảnh hưởng nhiều đến BER tín hiệu sau thu Trong phần làm việc nhóm thực để rõ tác động ảnh hưởng nhiệm vụ bù tán sắc cho sợi quang cách thực mô hệ thống trường hợp có bù tán sắc khơng bù tán sắc Thơng qua hình ảnh trực quan đồ thị mắt dễ dàng nhận thấy việc tách giải mã tín hiệu thực bù tán sắc thu tín hiệu lỗi nhiều so với việc không bù tán sắc Trong phần thực nhóm lựa chọn thông số chiều dài nhiễu tạp âm gần với thông số sợi quang sử dụng thực tế để thực đánh giá mô Sau thực nhóm nhận thấy hệ thống sợi quang mơ cịn nhiều vấn đề thực để cải tiến chất lượng tín hiệu để giảm giá trị BER, phần thực nhóm thực mô tham số chưa có thực để cải tiến chất lượng đường truyền định dạng lại thơng số tín hiệu đường truyền để thu lại tín hiệu giảm tỷ lệ lỗi bit Mặc dù hệ thống quang nhiều vấn đề tồn tại, với việc không ngừng phát triển cải biến công nghệ quang, việc truyền dẫn thông tin sợi quang hệ thống lý tưởng việc truyền dẫn tín hiệu ứng dụng rộng rãi Thông qua việc thực hành mô hệ thống thơng tin quang, nhóm em làm quen sử dụng phần mềm Optisystem để mô phần nắm rõ thành phần hệ thống quang, vấn đề ghép kênh, bù tán sắc để thu tín hiệu với chất lượng tốt nhiều vấn đề khác hệ thống thông tin quang 23 ... (WDM – Wavelength Division Multiplex) Trong khuôn khổ tập lớn học phần Thơng tin quang, nhóm em thực đề tài: ? ?Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang. .. …) - Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợ EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công... thực thiết kế mơ hệ thống quang đánh giá tốt yêu cầu BER nhỏ OSNR lớn tốt CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDPA 2.1 Cấu trúc khuếch đại quang EDFA EDFA có thành phần gồm đoạn ngắn cáp quang có lõi