kl dinh cong nhan 811190d

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỀU BƯỚC SĨNG TRONG HỆ THỐNG WDM GVHD SVTH Lớp Khoá : Th.S ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC : ĐINH CƠNG NHÂN NGUYỄN HỒNG MINH LUÂN : 08DD2N : 08 TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG ASE Amplified Spontaneous Emission BER Bit Error Ratio CPM Cross Phase Modulation DCM Dispersion Compensation Module DEMUX Demultiplexer DFA Doped Fiber Amplifier DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier FA Fiber Amplifier FWM Four Wave Mixing MUX Multiplexer NDSF Non-Dispersion Shifted Fiber NE Network Element NF Noise Figure NGN Next Generation Network NZDSF Non- Zero Dispersion Shifted Fiber OADM Optial Add/Drop Multiplexer OFA Optical Fiber Amplifier OLA Optical Line Amplifier OLT Optical Line Terminal OSC Optical Service Channel OSNR Optical Signal to Noise Ratio OTN Optical Transport Network OXC Optical Crossconnect SBS Stimulated Brillouin Scattering SDM Space Division Multiplexing SMF Single – Mode Fiber SOA Semiconductor Optical Amplifier SPM Self Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering TDM Time Division Multiplexing WDM Wavelength Division Multiplexing LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, lời em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Đặng Ngọc Minh Đức Thầy người theo sát em trình làm luận văn, thầy tận tình bảo, đưa vấn đề cốt lõi giúp em củng cố lại kiến thức có định hướng đắn để hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy, Cô giáo giảng dạy khoa Điện-Điện Tử trường Đại học Tôn Đức Thắng dìu dắt em suốt năm năm qua giúp em có kiến thức để thực luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè giúp đỡ em trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn ! TP Hồ Chí Minh 06/07/2009 MỤC LỤC CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM 2.1.1 Định nghĩa 2.1.2 Cấu hình hệ thống WDM 2.1.3 Các hình thức truyền 2.1.3.1 Truyền dẫn đơn hướng (một chiều hai sợi) 2.1.3.2 Truyền dẫn song hướng (hai chiều sợi) 2.1.4 Ưu, nhược điểm hệ thống WDM 2.1.4.1 Ưu điểm hệ thống WDM 2.1.4.2 Nhược điểm hệ thống WDM 10 2.1.5 Các phần tử mạng WDM 11 2.1.5.1 Bộ ghép/tách tín hiệu (Coupler) 11 2.1.5.2 Bộ Isolator/ Circulator 11 2.1.5.3 Bộ lọc quang 12 2.1.5.4 Bộ ghép/tách kênh bước sóng 12 2.1.5.5 Bộ chuyển mạch quang 13 2.1.5.6 Bộ chuyển đổi bước sóng 14 2.1.5.7 Bộ đầu cuối đường quang OLT (Optical Line Terminal) 15 2.1.5.8 Bộ khuếch đại đường quang OLA (Optical Line Amplifier) 16 2.1.5.9 Bộ xen/rớt quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) 16 2.1.5.10 Bộ kết nối chéo OXC (Optical Crossconnect) 17 2.1.5.11 Bộ bù tán sắc DCM (Dispersion Compensation Module) 18 2.2 Giới thiệu khuếch đại quang 18 2.2.1 Nguyên lý khuếch đại quang 19 2.2.2 Phân loại khuếch đại quang 21 2.2.3 Các thông số kỹ thuật khuếch đại quang 22 2.2.3.1 Độ lợi (Gain) 22 2.2.3.2 Băng thông độ lợi (Gain Bandwidth) 23 2.2.3.3 Cơng suất ngõ bảo hịa (Saturation Output Power) 23 2.2.3.4 Hệ số nhiễu (Noise Figure) 24 2.2.4 Ứng dụng khuếch đại quang 25 2.2.5 Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn ERBIUM (EDFA) 26 2.2.5.1 Các cấu trúc EDFA 26 2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động EDFA 28 2.2.5.3 Ưu khuyết điểm EDFA 29 2.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) 30 2.3.1 Định nghĩa hiệu ứng phi tuyến (Nonlinear Effect) 30 2.3.2 So sánh hiệu ứng phi tuyến 30 2.3.3 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM (Four-Wave Mixing) 33 CHƯƠNG III : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG WDM 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Suy hao sợi quang (Attenuation) 36 3.3 Tán sắc (Dispersion) 38 3.4 Nhiễu ASE EDFA 38 3.5 Sự không phẳng giá trị độ lợi khuếch đại EDFA 40 3.6 Sợi quang 41 3.7 Nhiễu xuyên kênh kênh tín hiệu 44 3.8 Hiệu ứng phi tuyến sợi quang 44 3.8.1 Hiệu ứng tán xạ phi tuyến 44 3.8.2 Hiệu ứng tự điều pha 45 3.8.3 Hiệu ứng điều chế xuyên pha 45 3.8.4 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng 45 3.9 Phương hướng giải ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 47 CHƯƠNG IV : CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 48 4.1 Giới thiệu 48 4.2 Mơ hình mơ 48 4.3 Phương pháp mô 48 4.3.1 Phương pháp mô ảnh hưởng hiệu ứng trộn bốn bước sóng 48 4.3.2 Phương pháp tính độ lợi cơng suất nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại 50 4.3.3 Phương pháp mô tỷ số OSNR 54 4.4 Lưu đồ giải thuật 54 4.4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình mơ hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) 54 4.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình biễu diễn phụ thuộc độ lợi khuếch đại bước sóng tín hiệu vào 57 4.5 Kết mô 58 4.5.1 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng (FWM) 58 4.5.1.1 Biểu diễn phụ thuộc hiệu suất trộn bốn bước sóng vào khoảng cách kênh tín hiệu 58 4.5.1.2 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng khoảng cách kênh tín hiệu 59 4.5.1.3 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng khoảng cách kênh tín hiệu khơng 65 4.5.1.4 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng với giá trị cơng suất tín hiệu vào khác 66 4.5.1.5 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng loại sợi quang sử dụng 67 CHƯƠNG V : KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU Ngày nay, nhu cầu thông tin liên lạc ngày phong phú đa dạng với loại hình dịch vụ như: thoại, truyền số liệu, hội nghị truyền hình, Internet… Điều địi hỏi hệ thống truyền dẫn phải không ngừng nâng cấp, phát triển quy mô cơng nghệ để có khả đáp ứng cao, thoả mãn đồng thời nhiều loại hình dịch vụ Phương pháp mở rộng dung lượng truyền thống dùng kĩ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian miền điện (TDM– Time Division Multiplexing) Nhưng điều kiện nay, TDM tiến đến gần giới hạn mạch điện tử (tốc độ thu phát điện đạt 10GHz) Hệ thống ghép kênh bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) đời giải vấn đề này, sử dụng phổ biến hệ thống truyền dẫn quang Tuy nhiên, dung lượng thông tin khoảng cách truyền dẫn hệ thống bị giới hạn suy hao tín hiệu, tán sắc hiệu ứng phi tuyến Suy hao suy giảm cơng suất tín hiệu truyền sợi quang, công suất giảm dần theo cự ly với quy luật hàm mũ Điều ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu đầu thu Tán sắc tượng đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi quang nhận xung ánh sáng rộng cuối sợi Tán sắc gây trải rộng xung ánh sáng trình truyền dẫn, dẫn đến giao thoa xung kế cận, thiệt thịi cơng suất Tuyến dài ảnh hưởng tán sắc trở nên nghiêm trọng, tỷ số bit lỗi BER tăng, đầu thu khơng phân biệt bit truyền Chính vậy, tán sắc làm hạn chế cự ly tốc độ truyền dẫn Nếu gọi D(ns) độ dốc tán sắc tổng cộng sợi quang có chiều dài L ta ước tính tốc độ bit cực đại là: Br ≤ = Brmax (1.1) Do đó, việc tìm hiểu tán sắc nguyên nhân gây tán sắc quan trọng để có cách khắc phục nhằm tăng cự ly tốc độ truyền dẫn hệ thống Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ứng dụng cơng nghệ WDM hiệu ứng phi tuyến, đặc biệt ảnh hưởng nghiêm trọng hệ thống WDM tốc độ cao khoảng cách truyền dẫn lớn Hiệu ứng quang gọi phi tuyến tham số phụ thuộc vào cường độ ánh sáng (công suất) Hiệu ứng phi tuyến gồm có hiệu ứng tán xạ ánh sáng kích SVTH : Nguyễn Hồng Minh Ln – Đinh Cơng Nhân Trang Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức Dựa vào hình 4.4, ta thấy sợi NDSF, bước sóng 1550nm, tán sắc khoảng 16ps/nm.km ảnh hưởng FWM khơng đáng kể khoảng cách kênh bước sóng lớn 25GHz (nếu khoảng cách kênh bước sóng giảm xuống 15GHz ảnh hưởng hiệu ứng FWM trở nên nghiêm trọng sợi đơn mode chuNn) Khi tán sắc giảm ảnh hưởng FWM lớn hiệu ứng gây suy giảm chất lượng hệ thống Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết trình bày chương [2], [3] 4.5.1.2 Biểu diễn hiệu ứng trộn bốn bước sóng khoảng cách kênh tín hiệu ∆ Signal power * Pijk Hình 4.5 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng trường hợp khoảng cách kênh tín hiệu 50GHz Hình 4.5 minh họa cơng suất tín hiệu công suất nhiễu sinh hiệu ứng FWM ngõ sợi NDSF có chiều dài 120km, hệ số suy hao α=0.2dB/km, diện tích lõi hiệu dụng sợi quang Aeff = 80µm2 Số bước sóng ghép vào sợi quang có tần số 193.100THz, 193.150THz, 193.200THz, 193.250THz Giả sử tín hiệu vào có cơng suất 10mW SVTH : Nguyễn Hoàng Minh Luân – Đinh Công Nhân Trang 59 GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức Luận Văn Tốt Nghiệp Đoạn mã sử dụng để mơ cho hình 4.5: L0=120; % Chieu dai soi quang Si binh thuong (km) Leff=20; % Chieu dai hieu dung (km) alpha=0.2; alpha_km=0.0461; % Suy hao trung binh cua soi quang (dB/km) % He so suy hao tinh theo don vi km^-1 fs=[193.100,193.150,193.200,193.250]; delta_f=0.012; % fs la tan so anh sang tin hieu (THz) % Do rong nguon quang (THz) cs_th_vao=20; for i=1:4 Pin(i)=cs_th_vao; % Cong suat ngo vao soi quang cua moi tin hieu (mW) end % Mo phong FWM truong hop su dung soi quang SSMF n_NL_smf=2.3*10^-20; W) chietsuat=1.48; Aeff_smf=80; (micrometre^2) c=3*10^8; dD_dlamda_smf=0.09; D_smf=17; % n_NL la he so chiet suat phi tuyen (metre^2 / % Chiet suat soi quang % Dien tich loi hieu dung cua soi quang % Van toc anh sang (m/s) % Do doc tan sac (ps/nm^2.km) % Tan sac (ps/nm.km) % Tinh toan truong hop tron tan so n=0; % n la chi so bien chay cho chi so cua fijk , gia tri cua n cuoi chuong trinh la so luong fijk duoc tao for i=1:4 SVTH : Nguyễn Hồng Minh Ln – Đinh Cơng Nhân Trang 60 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức for j=1:4 if i~=j n=n+1; fijk_smf(n)=2*fs(i)-fs(j); lamda_ijk_smf(n)=c/fijk_smf(n)*10^-3; % (nm) delta_beta_smf(n)=2*pi*(lamda_ijk_smf(n)*10^-9)^2/c*(abs(fs(i)fs(j)))^2*10^24*(D_smf*10^-6+(lamda_ijk_smf(n)*10^9)^2*dD_dlamda_smf*1000*(abs(fs(i)-fijk_smf(n)))^2*10^12/c)*1000; hieusuat_smf(n)=alpha_km^2/(alpha_km^2+delta_beta_smf(n)^2)*(1+4*exp(alpha_km*L0)*(sin(delta_beta_smf(n)*L0/2))^2/(1-exp(-alpha_km*L0))^2); xi_smf(n)=c*chietsuat^2*n_NL_smf/480/pi^2; k_smf(n)=10^24*32*pi^3*xi_smf(n)/chietsuat^2/lamda_ijk_smf(n)/c*Leff/Aeff_smf; Pijk_smf(n)=10^6*hieusuat_smf(n)*9*k_smf(n)^2*Pin(i)*Pin(i)*Pin(j)*exp(-alpha_km*L0); end end end % Tinh toan truong hop tron tan so for i=1:3 for j=(i+1):4 for k=1:4 if (k~=i)&&(k~=j) n=n+1; fijk_smf(n)=fs(i)+fs(j)-fs(k); SVTH : Nguyễn Hồng Minh Ln – Đinh Cơng Nhân Trang 61 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức lamda_ijk_smf(n)=c/fijk_smf(n)*10^-3; % (nm) delta_beta_smf(n)=2*pi*(lamda_ijk_smf(n)*10^-9)^2/c*abs(fs(i)fs(k))*abs(fs(j)-fs(k))*10^24*(D_smf*10^-6+(lamda_ijk_smf(n)*10^9)^2*dD_dlamda_smf*1000*abs(fs(i)-fijk_smf(n))*abs(fs(j)fijk_smf(n))*10^12/c/2)*1000; hieusuat_smf(n)=alpha_km^2/(alpha_km^2+delta_beta_smf(n)^2)*(1+4*exp(alpha_km*L0)*(sin(delta_beta_smf(n)*L0/2))^2/(1-exp(-alpha_km*L0))^2); xi_smf(n)=c*chietsuat^2*n_NL_smf/480/pi^2; k_smf(n)=10^24*32*pi^3*xi_smf(n)/chietsuat^2/lamda_ijk_smf(n)/c*Leff/Aeff_smf; Pijk_smf(n)=10^6*hieusuat_smf(n)*36*k_smf(n)^2*Pin(i)*Pin(j)*Pin(k)*exp(-alpha_km*L0); end end end end for i=1:4 Pin_dB(i)=10*log10(Pin(i)); Ps_truoc_edfa_dB(i)=Pin_dB(i)-5-alpha*L0; % 5dB la suy hao moi han(60mh x 0.05) va connector(2 connector) Ps_truoc_edfa(i)=10^(Ps_truoc_edfa_dB(i)/10); end % Tinh tong cong suat nhieu FWM cua tung buoc song va luu bien % Pn_fwm_smf cua moi buoc song Pn_fwm_smf=[0,0,0,0]; SVTH : Nguyễn Hồng Minh Ln – Đinh Cơng Nhân Trang 62 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD : Th.S Đặng Ngọc Minh Đức for i=1:4 for j=1:n if (fijk_smf(j)>=(fs(i)-delta_f/2))&&(fijk_smf(j)