kỹ thuật bù tán sắc và ứng dụng các phương pháp nảy trong WDM-PON TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

LỜI CÁM ƠN -  - Lời cho em đƣợc gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến Thầy TS Lê Quốc Cƣờng dành nhiều thời gian, công sức để hƣớng dẫn nhƣ giải đáp thắc mắc mà em gặp phải trình nghiên cứu cung cấp cho em tài liệu cần thiết cho đề tài tìm hiểu Qua em xin gửi đến tồn thể thầy cô khoa Điện-Điện Tử Trƣờng ĐH Tôn Đức Thắng truyền đạt cho em kiến thức quý báo suốt năm qua để em áp dụng thực đồ án mai sau trƣờng làm việc Trong thời gian thực đồ án này, có nhiều cố gắng tìm hiểu kỹ thuật bù tán sắc ứng dụng phƣơng pháp WDM-PON nhƣng thời gian có hạn hạn chế trình độ nên báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót, nhầm lẫn Kính mong Thầy bạn góp ý để báo cáo đƣợc hồn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, ngày….tháng 01 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thiên Nhân i LỜI CAM ĐOAN -  Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi đƣợc hƣớng dẫn khoa học Thầy TS Lê Quốc Cƣờng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chƣa công bố dƣới hình thức trƣớc Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh giá nhƣ số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trƣờng đại học Tơn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày….tháng 01 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thiên Nhân ii iii iv LỜI NÓI ĐẦU Để góp phần vào phát triển chung đất nƣớc ngành nghề chiếm vị trí quan trọng định, lĩnh vực viễn thông không ngoại lệ Với nhu cầu trao đổi thông tin, liên lạc, giải trí ngày tăng mạnh địi hỏi sở hạ tầng phải cập nhât không ngừng phát triển Công nghệ truyền dẫn quang đời phần giải đƣợc vấn đề Song song với ƣu điểm mà đem lại có vài nhƣợc điểm gặp phải nhƣ sản xuất linh kiện, thiết bị lắp ráp đắt tiền, cần đội ngũ kĩ thuật tay nghề cao để vận hành bảo bảo dƣỡng Nhằm hiểu rõ công nghệ tiên tiến giới áp dụng tối hóa hệ thống truyền dẫn quang, em chọn tìm hiểu đề tài “So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON” Trong hệ thống thơng tin quang tán sắc có ảnh hƣởng lớn đến việc làm sai tín hiệu đầu thu cự ly truyền dẫn đặc biệt hệ thống tốc độ cao Mục tiêu tìm hiểu mơ hình, kỹ thuật bù tán sắc đƣờng dây đƣa giải pháp tối ƣu cho phép mở rộng cự ly truyền Ta tiến hành mô hệ thống WDM-PON bù tán sắc màu khác (DCF FBG) để hai vị trí khác (trƣớc sau sợi quang SMF), thông thƣờng chiều dài truyền dẫn hệ thống mà khơng có bù tán sắc khoảng (80-100 km) nhƣng áp dụng phƣơng pháp bù tán sắc thích hợp tỉ lệ lỗi bit đầu thu giảm tăng thêm cự ly truyền Nội dung đề tài gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM Chƣơng 2: Mạng truy cập quang thụ động – PON Chƣơng 3: Kỹ thuật bù tán sắc Chƣơng 4: Mô kỹ thuật bù tán sắc cho WDM-PON v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT 1.3 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG WDM 1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG WDM 1.4.1 Ƣu điểm công nghệ WDM 1.4.2 Nhƣợc điểm công nghệ WDM 1.5 CÁC PHẦN TỬ MẠNG WDM 1.5.1 Bộ tách/ghép kênh bƣớc sóng 1.5.2 Bộ đầu cuối đƣờng quang 1.5.3 Bộ khuếch đại đƣờng quang 1.5.4 Bộ xen rớt quang 10 1.5.5 Bộ nối chéo quang 14 1.5.6 Bộ khuếch đại quang EDFA 15 1.5.7 Bộ khuếch đại quang Raman 19 1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG WDM 22 CHƢƠNG 2: MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG-PON 25 2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PON 25 2.3 THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG PON 27 2.3.3 Bộ đầu cuối đƣờng quang OLT 27 2.3.4 Đơn vị mạng quang ONU 29 2.3.5 Mạng phân phối quang ODN 31 vi 2.3.6 Bộ chia Splitter 31 2.4 CÁC MƠ HÌNH MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG 32 2.5 CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP VÀ PHƢƠNG THỨC GHÉP KÊNH 33 2.5.1 TDM-PON 33 2.5.2 CDMA-PON 34 2.5.3 WDM-PON 35 CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 37 3.1 KHÁI NIỆM TÁN SẮC 37 3.2 CÁC LOẠI TÁN SẮC 38 3.2.1 Tán sắc mode 38 3.2.2 Tán sắc phân cực mode 39 3.2.3 Tán sắc vật liệu 39 3.2.4 Tán sắc ống dẫn sóng 40 3.3 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN TRUYỀN DẪN SỢI QUANG 40 3.4 KỸ THUẬT BÙ TRƢỚC 42 3.4.1 Kỹ thuật bù chirp 42 3.4.2 Chirp khuếch đại 46 3.4.3 Truyền dẫn hỗ trợ tán sắc 46 3.5 KỸ THUẬT BÙ SAU 47 3.6 BÙ TÁN SẮC BẰNG SỢI TÁN SẮC DCF 48 3.7 BÙ TÁN SẮC BẰNG CÁCH TỬ BRAGG SỢI FBG 53 3.7.1 Cách tử đồng dạng chu kì 54 3.7.2 Cách tử sợi quang chirp 56 3.8 ỨNG DỤNG CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC CHO WDM-PON 59 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC CHO WDM-PON 62 4.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM 62 4.1.1 Các ứng dụng 62 vii 4.1.2 Các đặc điểm phần mềm 63 4.1.3 Các thao tác sử dụng 65 4.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM-PON 16 KÊNH 68 4.2.1 Chuẩn bị linh kiện thiết bị 68 4.2.2 Các môđun bù tán sắc DCM 70 4.2.3 Mơ hình hệ thống WDM-PON 16 kênh 71 4.2.4 Kết mô 73 4.2.5 Nhận xét 78 KẾT LUẬN 79 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ APS Automatic Protection-Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát đƣợc khuếch đại ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ ATM Asynchronous Tranfer Mode Phƣơng thức truyền không đồng AWG Arrayed-Wavegiude Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận BW Bandwidth Độ rộng dải thơng CO Central Office Văn phòng trung tâm CPM Cross Phase Modulation Điều chế xuyên pha CW Continuous Wave Sóng quang liên tục DCM Dispersion Compensating Modules Mô đun bù tán sắc DCF Dispersion Compensate Fiber Sợi quang bù tán sắc DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bƣớc sóng dày đặc EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifer Bộ khuếch đại sợi trộn Erbium FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số FTTB Fiber to the Building Mạng quang đến tòa nhà FTTC Fibre to the Cabinet/Curb Mạng quang đến tủ cáp FTTH Fiber to the Home Mạng quang đến hộ gia đình FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bƣớc sóng IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet ix ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZI Mach-Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach-Zehnder NF Noise Figure Hệ số tạp âm OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang OAM Operation, Administration Vận hành, quản lý bảo dƣỡng and Maintenance ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang OLA Optical Line Amplifer Bộ khuếch đại đƣờng quang OLT Optical Line Terminal Bộ đầu cuối đƣờng quang ONT Optical Network Terminal Bộ đầu cuối mạng quang ONU Optical Network Unit Đơn vị mạng quang OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang OXC Optical Cross-Connect Bộ kết nối quang chéo PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động RA Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng SDM Security Device Management Quản lý bảo mật thiết bị SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SOA Semiconductor Optical Amlifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SPM Self Phase Modulation Tự điều pha SRS Stimulated Raman Scattering Tán xạ kích thích Raman TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia thời gian WDM Wavelength Division Multiplex Ghép kênh theo bƣớc sóng x ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 66/80 Để tạo Project ta chọn File→New Hình 4.2 Khung thiết kế Optisystem Để chọn linh kiện thiết bị đo ta vào Component Library, nhấp vào đối tƣợng cần sử dụng sau kéo thả vào Main Lyout Hình 4.3 Thao tác chọn linh kiện Sau chọn xong, ta kết nối chúng với cách nhấp vào điểm kết nối (hình mũi tên) linh kiện, thiết bị kết nối lại Chú ý phân biệt đầu vào, đầu để lắp đặt cho So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 67/80 Tiến hành tùy chỉnh thông số linh kiện cách nhấp đúp vào linh kiện nhấp chuột phải chọn Component Properties Hình 4.4 Tùy chỉnh thơng số cho linh kiện Để tiến hành chạy mô ta nhấp vào biểu tƣợng Play công cụ chờ phần mềm xử lý Hình 4.5 Cách chạy mơ So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 68/80 4.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM-PON 16 KÊNH 4.2.1 Chuẩn bị linh kiện thiết bị Hình 4.6 Các linh kiện sử dụng khối OLT Thông tin từ kết cuối đƣờng quang OLT đƣợc chuyển đến thiết bị đầu cuối mạng quang ONT ngƣời sử dụng qua liên kết truyền tải quang đƣợc gọi hệ thống phân phối quang ODN ODN bao gồm sợi vật lý thiết bị quang phân phối tín hiệu quang từ CO cho ngƣời dùng mạng quang thụ động Thông thƣờng định dạng cƣờng độ tín hiệu quang direct-ditection (IM-DD) đƣợc chọn Bộ tạo xung NRZ đƣợc lựa chọn chƣơng trình phổ biến chiếm ƣu mặt lịch sử mạng truyền dẫn quang Hình 4.7 Mơ hình thu gọn linh kiện khối OLT So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 69/80 Chuỗi bit đƣợc tạo từ nguồn liệu đƣợc gửi tới điều khiển tín hiệu nơi xung NRZ đƣợc hình thành Sau xung điện NRZ đƣợc gửi đến điều chế MachZehnder Cuối chùm laser CW đƣợc điều chế thông qua điều chế Mach Zehnder xung quang đƣợc hình thành Những xung quang vừa hình thành đƣợc kết hợp coupler quang từ tất kênh WDM đƣợc đƣa vào sợi đơn mode tiêu chuẩn ITU-T G.652 Hình 4.8 Các linh kiện khối ONT Hình 4.9 Các thiết bị cho mạng phân phối quang ODN So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 70/80 Mạng phân phối quang ODN thực ghép kênh bƣớc sóng với truyền đi, trình bù tán sắc thực Sau truyền tách kênh tách bƣớc sóng phân phối đến thiết bị đầu cuối mạng quang từ phân bố đến mạng ngoại vi 4.2.2 Các môđun bù tán sắc DCM Hình 4.10 Mơ hình sử dụng DCF bù trƣớc Hình 4.11 Mơ hình sử dụng DCF bù sau Hình 4.12 Mơ hình sử dụng FBG bù trƣớc So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 71/80 Hình 4.13 Mơ hình sử dụng FBG bù sau 4.2.3 Mô h nh hệ thống DM-PON 16 kênh Có hai phƣơng pháp bù tán sắc khác cho việc cải thiện độ dài tuyến truyền dẫn WDM-PON Những phƣơng pháp bù tán sắc đƣợc dùng mô đun bù tán sắc DCM cách tử Bragg sợi FBG sợi quang bù tán sắc DCF Chúng ta thực sơ đồ bù tán sắc trƣớc sau nhƣ so sánh hiệu phƣơng pháp bù tán sắc Ta đánh giá chất lƣợng hệ thống thông qua tỷ lệ lỗi bit (BER) biểu đồ mắt (Eye Diagram) kênh với tuyến truyền dẫn Giá trị BER đƣợc đề nghị ITUT cho hệ thống truyền tải cáp quang với tốc độ bit 10 Gbit/s cho kênh nhỏ 10-9 Trong kết cuối đƣờng quang OLT, tốc độ bit (Bit rate) đƣợc thiết lập 10Gbit/s tạo chuỗi bit nhẫu nhiên Bộ laser biến đổi điện quang phát công suất dBm, tần số kênh thứ 193.1 THz tăng thêm 0.1 THz cho kênh đến kênh cuối Ở kết cuối mạng quang ONT thông số cần ý nhƣ: Bộ biến đổi quang điện PIN có độ nhạy A/W dòng tối 10 nA; Bộ lọc thơng thấp Bessel có tần số cắt 7.5 GHz Trong mạng phân phối quang ODN, tần số lƣới đƣợc giữ 193,1 THz khoảng cách kênh đƣợc lựa chọn tƣơng đƣơng với khoảng tần số 100 GHz So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 72/80 tách/ghép kênh Bộ khuếch đại EDFA có cơng suất bão hịa 12dBm Chiều dài sợi DCF đƣợc sử dụng hai mơ hình bù trƣớc bù sau km với hệ số tán sắc D=-80 ps/km.nm, hệ số tán sắc sợi SMF 16 ps/km.nm Độ lợi (Gain) khuếch đại EDFA đƣợc tính tổng suy hao sợi DCF sợi SMF Ở đây, ta lấy xấp xỉ suy hao sợi quang 0.25 dB/km sợi DCF 0.55dB/km Để thay đổi kĩ thuật bù tán tắc ta cần thay mơ hình bù tán sắc đề cập mục (4.22) vào mạng phối quang ODN Các khối OLT ONT giữ ngun Với mơ hình dùng FGB bù trƣớc đƣợc cấu hình tối ƣu cho tán sắc -1100 ps/nm, cịn mơ hình FBG bù sau -700ps/nm Ta tiến hành chạy mô với khoảng cách truyền dẫn khác mơ hình để so sánh vẽ đồ thị BER theo khoảng cách (km) xem kỹ thuật cải thiện độ dài truyền dẫn xa Khi chạy xong mô ta chọn thiết bị phân tích phổ để xem dạng phổ lúc phát sau thu Đánh giá chất lƣợng hệ thống thơng qua thiết bị phân tích lỗi bit BER, ngồi thiết bị cịn xem đƣợc độ rộng mẫu mắt, hệ số chất lƣợng… So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 73/80 Hình 4.14 Mơ hình hệ thống WDM-PON 16 kênh 4.2.4 Kết mô So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 74/80 Hình 4.15 Hình dạng phổ tín hiệu đầu biểu đồ mắt kênh xấu khơng có bù tán sắc hệ thống WDM-PON Hình 4.16 Biểu đồ mắt giá trị BER theo khoảng cách truyền kênh xấu khơng có bù tán sắc hệ thống WDM-PON So Sánh Các Kỹ Thuật Bù Tán Sắc Cho Giải Pháp WDM-PON SVTH: Nguyễn Thiên Nhân ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 75/80 Hình 4.16 cho ta thấy khơng có bù tán sắc khoảng cách truyền lớn 98 km với BER