(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn THÔNG TIN QUANG sợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG SỢI Giảng viên hướng dẫn: Học kỳ: 20211 Nhóm: PSG.TS Nguyễn Hoàng Hải Nguyễn Đăng Thế Anh 20172405 Đỗ Ngọc Thắng 20163826 Phạm Thái Trung 20172876 Trịnh Ngọc Đông 20172474 Hồ Hùng Minh 20172697 Hà Nội, 1/2022 MỤC LỤC PHẦN GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tên đề tài .5 1.2 Giới thiệu chung PHẦN : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Sơ đồ tổng quát .6 2.3 Phân loại hệ thống WDM 2.4 Các phần tử hệ thống WDM 2.4.1 Bộ phát quang 2.4.2 Bộ thu quang 2.4.3 Sợi quang 2.4.4 Bộ tách ghép bước sóng( OMUX/ODEMUX) 10 2.4.5 Bộ xen rẽ bước sóng(OADM) 11 2.4.6 Bộ nối chéo quang (OXC) 12 2.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): 13 2.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng .13 2.5 Ưu nhước điểm hệ thống WDM 14 2.6 Bộ khuếch đại quang EDFA 14 2.6.1 Cấu trúc EDFA .14 2.6.2 Các tính chất EDFA 15 2.6.3 Ưu khuyết điểm EDFA 16 CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM OPTISYSTEM 17 3.1 Tổng quan phần mềm Optisystem 17 3.1.1 Lợi ích 17 3.1.2 Ứng dụng .17 3.2 Đặc điểm chức 18 3.2.1 Cấu tạo thư viện( Component Library ) 18 3.2.2 Tích hợp với công cụ phần mêm Optiwave 19 3.2.3 Các công cụ hiển thị .20 3.2.4 Mô phân cấp với hệ thống (subsystem) .20 3.2.5 Thiết kế nhiều lớp(Multiple Layout) 20 3.2.6 Trang báo cáo 21 3.2.7 Quét tham số tối ưu hóa (parameter sweeps and optimizations) 21 3.3 Một số giao diện phần mềm .21 PHẦN 4: MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG MẬT ĐỘ CAO 25 4.1 Yêu cầu thiết kế 25 4.2 Mô theo phương án thiết kế 26 4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C 26 4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang 27 4.2.3 Tuyến thu hệ thống WDM 29 4.3 Kết mô theo yêu cầu 30 4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER= 10−12 35 PHẦN 5: KẾT LUẬN 40 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ chức hệ thống WDM Hình 2.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng .8 Hình 2.3: Sơ đồ khối bên thu Hình 2.4: Cấu trúc tổng quát sợi quang 10 Hình 2.5: Sơ đồ khối ghép/ tách kênh bước sóng 10 Hình 2.6: Cấu trúc song song 11 Hình 2.7: Cấu trúc song song theo băng 11 Hình 2.8: Cấu trúc nối tiếp 12 Hình 2.9: Sơ đồ kết nối OXC 12 Hình 2.10: Khuếch đại quang OLA 13 Hình 2.11: Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA 15 Hình 2.12: Phổ hấp thụ (absorption spectrum) phổ độ lợi (gain spectrum) 16 EDFAcó lõi pha Ge 16 Hình 3.1: Thư viện phần tử 21 Hình 3.2: Giao diện người sử dụng 22 Hình 3.3: Project Browser 23 Hình 3.4: Description 23 Hình 3.5: Status bar 23 Hình 3.6: Menu bar .23 Hình 3.7: Pan window 24 Hình 3.8: Tool bars 24 Hình 4.1: Nguồn Laser phát CW Laser .26 Hình 4.2: Bộ tạo xung NRZ 27 Hình 4.3: Bộ tạo chuỗi bít 27 Hình 4.4: Tuyến truyền dẫn quang 27 Hình 4.5: Bộ lặp 28 Hình 4.6: Thông số sợi bù tán sắc DCF .29 Hình 4.7: Tuyến thu WDM 30 Hình 4.8: Thiết bị đo BER 30 Hình 4.9: Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu 31 Hình 4.10: Quang phổ tín hiệu phát 32 Hình 4.11: Quang phổ tín hiệu đầu thu .33 Hình 4.12: Tổng công suất phát 33 Hình 4.13: Công suất thu 34 Hình 4.14: Hiển thị mắt quang 34 Hình 4.15: BER kênh thứ 35 Hình 4.16: Giá trị quét công suất phát 36 Hình 4.17: Quét kênh 36 Hình 4.18: Giá trị log of ber kênh quét công suất phát 36 Hình 4.19: Thay đổi công suất Laser phát 37 Hình 4.20: BER kênh thứ ba đạt 10-12 38 Hình 4.21: BER đạt 10-12 thay đổi công suất phát 39 PHẦN GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tên đề tài Đề tài: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thơng tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA với yêu cầu thiết kế sau: -Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s -Cự ly truyền dẫn: 300 km -Số lượng kênh bước sóng: kênh 1.2 Giới thiệu chung Ngày nay,hệ thống tin sợi quang sử dụng rộng rãi thông tin liên lạc Bởi lẽ hệ thống đáp ứng yêu cầu sử dụng băng thông quỹ công suất thu phát cự ly thông tin tốt So với thông tin dùng cáp đồng (ADSL) tốc độ tối đa đạt hệ thống thông tin sợi quang(FTTH) gấp 50 lần Không hệ thống thơng tin cáp sợi quang cịn có độ bảo mật cao tính đóng kín hệ thống truyền dẫn sử dụng tín hiệu ánh sáng thay cho tín hiệu điện Do nhóm chúng em chọn đề tài tập lớn môn Hệ thống viễn thơng với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin cáp sợi quang Trong trình làm Bài tập lớn chúng em vận dụng nhiều kiến thức học lớp mục tiêu nhóm chúng em đề Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hồng Hải tận tình hướng dẫn chúng em suốt q trình để nhóm chúng em hoàn thành kết mong đợi PHẦN : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 2.1 Giới thiệu chung Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) công 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 2.2 Sơ đồ 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 dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức cơng 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 thông tin quang thông thường: PIN, APD Hinh 2.1: Sơ đồ chức hệ thống WDM 2.3 Phân loại hệ thống WDM Hinh 2.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng 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 2.4 Các phần tử hệ thống WDM 2.4.1 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 2.4.2 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 t lệ lỗi bít (BER) cho phép Bộ thu quang hệ thống WDM Hinh 2.3: Sơ đồ khối bên thu 2.4.3 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 Hinh 2.4: Cấu trúc tổng quát sợi quang Phân loại sợi quang Phân loại theo chiết suất: - Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index) - Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)  Phân loại theo mode - Sợi đơn mode (Single-Mode) - Sợi đa mode (Multi-Mode) 2.4.4 Bộ tách ghép bước sóng( OMUX/ODEMUX)  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 thơng - Giá trị lớn suy hao xen - Độ suy hao chen kênh  Hinh 2.5: Sơ đồ khối ghép/ tách kênh bước sóng sau - Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s - Chiều dài chuỗi: 128 bits - Số mẫu bit: 64 Đưa thiết bị đo vào mơ hình mơ Các thiết bị đo tuyến đặt vị trí phù hợp để xác định chất lượng dạng tín hiệu điểm cần thiết tuyến Các thiết bị đo bản: b) - Thiết bị đo cơng suất quang - Thiết bị phân tích phổ quang - Thiết bị đo BER c) Chạy mô d) Hiển thị kết mô thiết bị đo đặt tuyến Thay đổi tham số phần tử tuyến để đạt BER = 10−12 4.2 Mô theo phương án thiết kế 4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C e) Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, phát xung RZ pulse genarator, phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, điều chế Mach- zehnder Tuyến phát quang gồm kênh quang tích hợp thơng quang ghép kênh quang MUX Thiết lập tham số tồn cục Tốc độ bít: 2.5Gbps Chiều dài chuỗi: 128bits Số mẫu bít: 64 Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong bit=128×64=8192 Nguồn phát: Sử dụng nguồn CW Laser ( continous Wave Laser ) : nhằm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi Hinh 4.1: Nguồn Laser phát CW Laser Bộ tạo xung NRZ Hinh 4.2: Bộ tạo xung NRZ Bộ tạo chuỗi bit Hinh 4.3: Bộ tạo chuỗi bít 4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang Hinh 4.4: Tuyến truyền dẫn quang Sợi quang sử dụng G.652 có tham số: cửa sổ truyền 1550nm thì: Suy hao sợi: 0.2dB Độ tán sắc: 16.75 ps/nmkm Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm^2/k): 0.075ps/nm^2/k Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô sử dụng Sloop đóng vai trị nhân vịng lặp Chọn chiều dài sợi G.652 sợi bù tán sắc 60km, số lặp là: 300km÷60km=5 Hinh 4.5: Bộ lặp Do sợi quang có suy hao tán sắc nên tuyến truyền dẫn sử dụng bù tán sắc DCF Hinh 4.6: Thông số sợi bù tán sắc DCF 4.2.3 Tuyến thu hệ thống WDM Hinh 4.7: Tuyến thu WDM Thiết bị đo BER Hinh 4.8: Thiết bị đo BER 4.3 Kết mô theo yêu cầu Thiết kế tuyến WDM theo yêu cầu Hinh 4.9: Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu Quang phổ tín hiệu phát Hinh 4.10: Quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Hinh 4.11: Quang phổ tín hiệu đầu thu Cơng suất tín hiệu phát Hinh 4.12: Tổng cơng suất phát Cơng suất tín hiệu thu Hinh 4.13: Công suất thu Tỉ lệ lỗi bit BER ban đầu +Mắt quang Hinh 4.14: Hiển thị mắt quang +BER kênh Hinh 4.15: BER kênh thứ 4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER= 10−12 Khi thay đổi tham số hệ thống tỉ số lỗi bít BER thay đổi theo Ta thực thay đổi công suất phát kênh Thực quét tham số công suất phát kênh với giá trị từ -21dBm tới 18dBm với sweeps=5 Hinh 4.16: Giá trị quét công suất phát Hinh 4.17: Quét kênh Hinh 4.18: Giá trị log of ber kênh quét công suất phát Điều chỉnh công suất kênh để BER yêu cầu Kênh Hinh 4.19: Thay đổi công suất Laser phát Kết sau thay đổi + BER kênh thứ ba Hinh 4.20: BER kênh thứ ba đạt 10-12 + Mắt quang: Hinh 4.21: BER đạt 10-12 thay đổi công suất phát PHẦN 5: KẾT LUẬN WDM với ưu mặt công nghệ trở thành phương tiện tối ưu kỹ thuật kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang cách nhanh chóng quản lý hiệu hệ thống WDM đáp ứng hoàn toàn dịch vụ băng rộng mạng tiền đề để xây dựng mạng toàn quang tương lai Khi áp dụng chế bảo vệ khôi phục liệu cho tuyến quang trục dựa tảng hệ thống WDM ta phải ý đến đặc điểm tuyến quang trục truyền với cự ly xa khả xảy cố cố đứt cáp hỏng hồn tồn nút đó, xây dựng chế bảo vệ khơi phục tín hiệu tuyến phải ý tới hiệu kinh tế khả phục hồi trường hợp cố chi phí đầu tư lớn độ tin cậy hệ thống Hy vọng tương lai gần xây dựng chế bảo vệ khôi phục liệu có độ tin cậy cao đồng thời chi phí đầu tư thiết bị mức hợp lý Sau thực xong đề tài chúng em tiếp thu kinh nghiệm làm việc theo nhóm, với kiến thức vơ bổ ích hệ thống thơng tin quang cách thức mô hệ thống băng phần mềm Optisystem Tuy cố gắng kiến thức hiểu biết hạn hẹp nên nhiều vấn đề chưa giải số lỗi nhỏ Chúng em mong nhận trợ giúp thầy để giúp hồn thiện kiến thức Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy ... 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 2.4 Các... Ngày nay,hệ thống tin sợi quang sử dụng rộng rãi thông tin liên lạc Bởi lẽ hệ thống đáp ứng yêu cầu sử dụng băng thông quỹ công suất thu phát cự ly thông tin tốt So với thông tin dùng cáp đồng... điện Do nhóm chúng em chọn đề tài tập lớn môn Hệ thống viễn thơng với mục đích nghiên cứu tìm hiểu hệ thống thông tin cáp sợi quang Trong trình làm Bài tập lớn chúng em vận dụng nhiều kiến thức