(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn đề tài xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -   - Báo Cáo Bài Tập Lớn Đề tài : Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguễn Hồng Hải Nhóm sinh viên thực : Nguyễn Văn Bằng Chu Thế Hiệu LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thơng tin nói chung kỹ thuật viễn thơng nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thơng phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao tăng dung lượng thông tin Cùng với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn, đặc biệt kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà khơng có mơi trường truyền dẫn thay Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm 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 toán: “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mơ hình mơ hệ thống thơng tin quang WDM theo phương án thiết kế Mặc dù cố gắng nhiều, trình độ cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy, bạn để tập chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 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 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang 1.4.2 Bộ thu quang 10 1.4.3 Sợi quang 10 1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng: ( OMUX/ODEMUX) 11 1.4.5 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): 12 1.5 Ưu nhược điểm hệ thống WDM 13 1.6 Bộ khuếch đại quang EDFA 14 1.6.1 Các cấu trúc EDFA 14 1.6.2 Ưu khuyết điểm EDFA 15 CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 16 2.1 Tổng quan phần mềm Optisystem 16 2.1.1 Lợi ích 16 2.1.2 Ứng dụng 17 2.2 Đặc điểm chức 18 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) 18 2.2.2 Tích hợp với cơng cụ phần mềm Optiwave 18 2.2.3 Các công cụ hiển thị 19 2.3 Mơ hình mơ 20 2.3.1 Yêu cầu thiết kế : 20 2.3.2.Phân tích yêu cầu 21 2.3.4.Kết mô 25 2.3.5.Thay đổi tham số hệ thống để đạt BER=10-12 29 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) cơng nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.2 Sơ đồ khối tổng quát Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp 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 dẫn 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, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều 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 sợi 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 Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: - Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch khơng q dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thơng thường: PIN, APD Sơ đồ chức hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng minh hoạ hình 1.2 Hệ thống đơn hướng truyền theo chiều sợi quang Do vậy, để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thơng tin điểm Cả hai hệ thống có ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ cho phép truyền N bước sóng sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: -Xét dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng -Khi cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) hai đầu liên kết có khả nhận biết cố cách tức thời -Ðứng khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế cịn phải xét thêm yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu có nhiều bước sóng sợi quang, đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho hai chiều sợi quang khơng dùng chung bước sóng -Các khuếch đại hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, số bước sóng khuếch đại hệ thống song hướng giảm ½ theo chiều nên hệ thống song hướng, khuyếch đại cho công suất quang ngõ lớn so với hệ thống đơn hướng 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang Các nguồn quang sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang Diode Laser (LD) Diode phát quang (LED) Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch · đại ánh sáng nhờ xạ kích thích.Hoạt động Laser dựa hai tượng : Hiện tượng xạ kích thích tượng cộng hưởng sóng ánh sáng lan truyền Laser · Tín hiệu quang phát từ LD LED có tham số biến đổi tương ứng với biến đổi tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào phát dạng số tương tự Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng cách biến đổi dòng vào qua nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát xạ vùng 1100 nm đến 1600 nm · Sử dụng điều biến để giảm chirp, tốc độ điều biến cao tạo định dạng tín hiệu quang khác (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) đảm bảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp bớc sóng xác theo tiêu chuẩn · Mơ hình điều chế ngồi Sơ đồ điều chế · Yêu cầu với nguồn quang: - Độ xác bước sóng phát: Đây u cầu kiên cho hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu ln bị dao động yếu tố khác nhiệt độ, dịng định thiên, độ già hố linh kiện Ngồi ra, để tránh xuyên nhiễu tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách bước sóng thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao - Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ định nghĩa độ rộng phổ nguồn quang tính cho bước cắt dB Để tăng nhiều kênh dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách kênh nhỏ độ rộng đường phổ hẹp tốt, không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống khơng đảm bảo chất lượng Muốn đạt điều nguồn phát laser phải nguồn đơn mode (như loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố) - Dòng ngưỡng thấp: Điều làm giảm bớt vấn đề lãng phí cơng suất việc kích thích laser giảm bớt cơng suất không mang tin tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng nhiễu (phát sinh có cơng suất lớn) - Khả điều chỉnh bước sóng: Để tận dụng toàn băng tần sợi quang, nguồn quang phải phát dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động cần khả điều chỉnh bước sóng - Tính tuyến tính: Đối với truyền thơng quang, khơng tuyến tính nguồn quang dẫn việc phát sinh sóng hài cao hơn, tạo xuyên nhiễu kênh - Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu pha, Nhiễu thấp quan trọng để đạt mức BER thấp truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt 1.4.2 Bộ thu quang Phần thu quang gồm tách sóng quang, kênh tuyến tính kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần thường sử dụng photodiode PIN APD Yêu cầu quan trọng thu quang công suất quang phải nhỏ (độ nhạy quang) thu tốc độ truyền dẫn số ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép 1.4.3 Sợi quang · Cấu tạo sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: - Lớp có dạng hình trụ trịn, có đường kính d = 2a, làm thủy tinh có chiết suất n1, gọi lõi (core) sợi - Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao quanh lõi nên gọi lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm thủy tinh plastic, có chiết suất n2 < n1 · Phân loại sợi quang o Phân loại theo chiết suất: - Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index) - Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index) o - Phân loại theo mode Sợi đơn mode (Single-Mode) 10 Sợi đa mode (Multi-Mode) -  Sợi quang G652 Là sợi đơn mode sử dụng phổ biến mạng lưới viễn thông nhiều nước Nó làm việc cửa sổ: - Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ ps/nm.km) suy hao tương đối lớn - Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km) Sợi quang G655  Là chuẩn sợi quang đưa ITU-T có ưu điểm sau: Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng - truyền dẫn Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao - Độ tán sắc dương sợi G655 tránh việc trộn lẫn bước sóng quang - Vùng hiệu dụng cao sợi G655 (vẫn nhỏ sợi SMF) làm giảm thiểu hiệu ứng phi tuyến Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại tín hiệu quang - cửa sổ C, điều lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersionshifted) 1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng: ( OMUX/ODEMUX) · Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, với vộ kết nối chéo quang, thiết bị quan trọng cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với kết nối chéo quang OXC hình thành nên mạng truyền tải 11 quang, có khả truyền tải đồng thời suốt loại hình dịch vụ, mà cơng nghệ hướng tới.Bộ tách/ ghép kênh thực ghép tách tín hiệu bước sóng khác Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường mơ tả theo thơng số · sau: - Suy hao xen - Số lượng kênh xử lý - Bước sóng trung tâm - Băng thông - Giá trị lớn suy hao xen - Độ suy hao chen kênh Ghép tầng để tạo ghép kênh dung lượng cao: · - Ghép tầng nối tiếp đơn kênh - Ghép tầng - Ghép tầng theo băng sóng - Ghép tầng đan xen chẵn lẻ 1.4.5 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): · Trên thực tế tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng khuếch đại quang làm trạm lặp, chủ yếu khuếch đại đường dây pha tạp Eribum (EDFA) Các khuếch đại có ưu điểm khơng cần q trình chuyển đổi O/E E/O mà thực khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang · + Lợi ích: Thay lặp đắt tiền hệ thống bị giới hạn suy hao 12 + Tăng độ nhạy thu + Nâng cao mức công suất phát + Độc lập tốc độ định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời + Nâng cấp đơn giản · Đặc tính số khuếch đại quang lý tưởng + Hệ số khuếch đại mức công suất đầu cao với hiệu suất chuyển đối cao + Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi + Không nhạy cảm với phân cực + Nhiễu thấp + Không gây xuyên kênh tín hiệu WDM + Suy hao ghép nối với sợi quang thấp · Phân loại : + Vào : giống laser bán dẫn phân cực ngưỡng + Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy sợi quang pha tạp đất hiếm, phổ biến EDFA + Ra : khuếch đại xảy sợi quang nhờ mức công suất bơm cao Tải FULL (file word 31 trang): bit.ly/37VRLy6 Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net 1.5 Ưu nhược điểm hệ thống WDM a Ưu điểm : · Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thống TDM · Không giống TDM phải tăng tốc độ số liệu lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM cần mang vài tín hiệu, tín hiệu ứng với bước sóng riêng (kênh quang) 13 · WDM cho phép tăng dung lượng mạng có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang b Nhược điểm : · Dung lượng hệ thống nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn sợi quang · Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng có nhiều hệ thống hoạt động 1.6 Bộ khuếch đại quang EDFA 1.6.1 Các cấu trúc EDFA Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Cấu trúc khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium bao gồm: Sợi quang pha ion đất Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): nơi xảy quátrình khuếch đại (vùng tích cực) EDFA Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ -6 μm) EDF pha trộn ion Er3+ nơi có cường độ sóng bơm tín hiệu cao Việc pha ion Er3+ trongvùng cung cấp chồng lắp lượng bơm tín hiệu với ion erbiumlớn dẫn đến khuếch đại tốt Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơnbao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợiquang tổng cộng 250 μm Lớp phủ có chiết suất lớn so với lớp bọc dung để loại bỏ 14 Tải FULL (file word 31 trang): bit.ly/37VRLy6 Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net ánh sáng khơng mong muốn lan truyền sợi quang Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống sợi đơn mode chuẩn viễn thông 1.6.2 Ưu khuyết điểm EDFA a) Ưu điểm: - Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn cơng suất cao - Cấu hình đơn giản: hạ giá thành hệ thống - Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuyển thay - Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thông tin quang vượt biển - Khơng có nhiễu xun kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đại quangbán dẫn - Hầu không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu b) Nhược điểm: - Phổ độ lợi EDFA không phẳng - Băng tần hiên bị giới hạn băng C băng L - Nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn 15 3558377 ... toán: ? ?xây dựng phương án thiết kế hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA. ” Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây. .. sợi ) Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công... dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thông thường: PIN, APD Sơ đồ chức hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song