Báo Cáo Bài Tập Lớn Thông Tin Quang Wdm Có Sử Dụng Khuếch Đại Quang Edfa.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG (ĐỀ TÀI 3) Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hoàng Hải Mã lớp 54681 Sinh viên thực hiện Nhóm 4 Nguyễn X[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG (ĐỀ TÀI 3) Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Hải Mã lớp : 54681 Sinh viên thực : Nhóm Nguyễn Xuân Sơn 20092265 ĐTVT 12 – K54 Nguyễn Văn Cường 20090430 ĐTVT 12 – K54 Nguyễn Quang Tuấn 20093004 ĐTVT 01 – K54 Trần Công Nam 20091851 ĐTVT 01 – K54 Hà Nội, 5/2013 Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Cùng với bùng nổ nhu cầu thông tin, hệ thống thông tin quang ngày trở nên phức tạp Nhu cầu trao đổi thông tin của người ngày lớn với chất lượng dịch vụ cao, đòi hỏi phải có công nghệ mạng viễn thông tiên tiến, tốc đô truyền dẫn lớn, băng thông rông, đô tin cậy bảo mật cao, đáp ứng mọi nhu cầu thực tiễn của người Sự phát triển của hệ thống WDM với công nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM chính mơt giải pháp hồn hảo, tạo nên mơt mạng thơng tin thế hệ mới- mạng thơng tin tồn quang Để phân tich, thiết kế hệ thống phải sử dụng công cụ mô phỏng ưu việt Trong nôi dung môn học thông tin quang, chúng em được phân cơng mơ phỏng tốn: “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 thông tin quang WDM có sử dụng kh́ch đại EDFA xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống thông tin quang WDM theo phương án thiết kế phần mềm Optisystem Cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo Nguyễn Hoàng Hải, hướng dẫn tận tình, giúp đỡ nhóm chúng em thời gian qua để chúng em có thể hoàn thành được đề tài Nhóm Báo cáo tập lớn mơn học Thơng Tin Quang I HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG WDM Giới thiệu chung Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) công nghệ “trong môt sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền môt sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác Các dải băng tần hoạt đông WDM O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 1360 nm E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm ÷ 1460 nm S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm ÷ 1530 nm C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm ÷ 1565 nm L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm ÷ 1625 nm U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm ÷ 1675 nm Sơ đồ khối tổng quát chức khối a Sơ đồ khối tổng quát Hình 1: Sơ đồ chức hệ thống WDM b Chức khối  Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng laser Hiện có môt số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước Nhóm Báo cáo tập lớn mơn học Thơng Tin Quang sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có đô rông phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, đô rông phổ, đô rông chirp phải nằm giới hạn cho phép  Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp môt số nguồn sáng khác thành môt luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu bô tách Hiện có bô tách/ghép tín hiệu WDM như: bô lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bô lọc Fabry-Perot Khi xét đến bô tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, đô rông băng tần của kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa  Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng của 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 thuôc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )  Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng bô khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier).Tuy nhiên bô khuếch đại Raman được sử dụng thực tế.Có ba chế đô khuếch đại khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng bô khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: - Ðô lợi khuếch đại đồng tất cả kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu của 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 cả kênh Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang  Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng bô tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD Các thành phần của hệ thống WDM a Bộ phát Phần phát quan trọng nhất laser diode.Yêu cầu nguồn quang hệ thống WDM phải có đô rông phổ hẹp, ổn định tần số.Tuy nhiên laser diode có khoang công hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED chưa thật nguồn đơn mode Vẫn còn mode khác mode bản nguồn Trong hệ thống WDM nhất hệ thống ghép bước sóng có mật đô cao DWDM cần có laser đơn mode tạo môt mode dọc chính, còn lại mode bên cần được loại bỏ Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản xạ Bragg phân tán (DBR) b Bộ thu Bô thu quang của hệ thống WDM tương tự bô thu quang hệ thống đơn kênh Chúng thực chất photodiode (PD), thực chức bản biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bô thu quang phải đảm bảo yêu cầu tốc đô lớn, đô nhạy thu cao bước sóng hoạt đông thích hợp Hai loại photodiode được sử dụng rông rãi bô thu quang photodiode PIN photodiode thác APD Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang c Sợi quang Các mạng quang sử dụng môi trường truyền dẫn sợi quang.Sợi quang có đặc tính suy hao tán sắc thấp môi trường phi dẫn Sợi quang đơn mode chuẩn sợi dịch tán sắc, sợi tán sắc phẳng được ITU-T chuẩn hoá d Trạm lặp Trạm lặp bô chuyển đổi tần số quang điện bản bao gồm môt bô thu quang bô phát quang Bô thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện được khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu sau đó được chuyển thành tín hiệu quang nhờ laser phát e Bù tán sắc Bên cạnh suy hao của sợi môt hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng cách trạm lặp tuyến thông tin quang.Trễ nhóm môt hiệu ứng chính gây tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với đô dài đô rông phổ nguồn quang nguyên nhân làm méo xung nhiễu kí tự f Khuếch đại quang OA (EDFA) Kh́ch đại quang sợi pha Erbium chìa khố xây dựng nên hệ thống WDM Hệ thống có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rông, tạp âm thấp Đặc tính tăng ích không có quan hệ với phân cực, suốt với tốc đô số khuôn dạng Đây đặc tính rất có lợi thông tin quang nói chung WDM nói riêng Tăng ích được tính tốn tỷ số cơng śt công suất vào bô khuếch đại Giá trị xác định trực tiếp suy hao tối đa cho phép hai bô EDFA liên tiếp.Nó phụ thuôc vào số kênh đô dài của tuyến.Trong tuyến thực tế giá trị biến đổi từ 20 dB đến 30dB.Công suất đầu của bô khuếch đại đầu vào công suất cao Hiện được thương mại hóa bô khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu công suất tới 30 dBm Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang g Bộ lọc quang Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bô lọc quang được sử dụng, phổ biến nhất bô lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu môt dải phổ đó cho phần dải phổ còn lại qua Bô lọc thuôc loại bô lọc bước sóng cố định Cấu trúc của nó gồm môt khoang công hưởng điện môi suốt, hai đầu khoang có gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n = 1,35 SiO2 có n = 1,46) xen kẽ Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bô lọc bậc 0) ne = 3λ0/4 (đối với bô lọc bậc 1), với λ0 bước sóng trung tâm h Bộ xen rẽ quang OADM Thiết bị ODAM thực chức thêm vào tách môt kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà không gây nhiễu với kênh khác sợi i Bộ nối chéo quang OXC OXC có hai chức chính : • Chức nối chéo của kênh quang • Chức ghép tách đường chỗ Chuyển mạch không gian Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng thiết bị OADM j OXC Các thiết bị dựa vào hoạt đông học bao gồm motor, điện tử tĩnh áp điện làm lệch vi gương cho chuyển mạch tín hiệu quang Do yêu cầu chuyển đông học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải rông từ 30ms đến 500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt hiệu ứng quang- điện có thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm đặc tính của ma trận chuyển mạch khác Đặc điểm của hệ thống WDM Thực tế nghiên cứu triển khai WDM rút được ưu nhược điểm của công nghệ WDM sau: Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang  Ưu điểm: - Tăng băng thông truyền sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được - ghép vào để truyền môt sợi quang Tính suốt: Do công nghệ WDM thuôc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ định dạng số liệu thoại như: ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, - chuyển mạch kênh, IP … Khả mở rông : tiến bô công nghệ WDM hứa hẹn tăng băng thông truyền sơi quang lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rông mạng - nhiều cấp đô khác Hiện có nhất công nghệ WDM cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) giúp truyền tải suốt nhiều loại hình dịch vụ, quản lý mạng hiệu quả, định tuyến linh đông …  Nhược điểm: - Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rông lớn của sợi - quang (chỉ tận dụng được băng C băng L) Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng có nhiều hệ thống hoạt đơng Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) Cấu trúc EDFA Hình : Cấu trúc tổng qt bơ kh́ch đại EDFA Cấu trúc của môt bô khuếch đại quang sợi pha trôn Erbium EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) được minh họa hình Trong đó bao gồm: - Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): nơi xảy - quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA Laser bơm (pumping laser): cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng tháinghịch đảo nồng đô vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có - bước sóng980nm 1480nm WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vàotrong sợi quang Loại coupler được sử dụng WDM coupler cho phép ghép - tín hiệu có bước sóng 980/1550nm 1480/1550nm Bô cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại phản xạ ngược phía đầu phát tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược EDFA Nguyên lý hoạt động Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa tượng phát xạ kích thích.Quá trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA có thể được thực theo bước hình Hình 3.Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm 1480 nm - Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, ion Er3+ vùng hấp thụ lượng tử từ photon (có lượng E photon = 1.27eV) chuyển sang trạng thái lượng cao vùng bơm (pumping band) (1) - Tại vùng bơm Er3+ phân rã không xạ rất nhanh (khoảng 1micro s) chuyển xuống vùng giả bền (2) - Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, ion Er 3+ vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng E photon = 0.841 eV) chuyển sang trạng thái lượng cao đỉnh của vùng giả bền (3) - Các ion Er vùng giả bền có khuynh hướng chuyển xuống vùng lượng thấp (vùng có mật điện tử cao) (4) 10 Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang - Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích photon có lượng thích hợp (phát xạ kích thích) ion Er 3+ chuyển sang trạng thái lượng thấp vùng phát xạ photon (phát xạ tự phát)(5) Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tượng sau: - Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion Er vùng (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao - Các photon tín hiệu kích thích ion Er3+ vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy Khi đó, ion Er 3+ bị kích thích chuyển sang trạng thái lượng từ mức lượng cao vùng giả bền xuống mức lượng thấp vùng phát xạ photon có hướng truyền, phân cực, pha bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại Đô rông vùng giả bền vùng cho phép phát xạ kích thích xảy khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm.Đây vùng bước sóng hoạt đông củaEDFA Đô lợi khuếch đại giảm nhanh chóng bước sóng lớn 1565 nm dB bước sóng 1616 nm III PHẦN MỀM OPTISYSTEM Giới thiệu chung OptiSystem phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm có khả thiết kế, đo kiểm tra thực tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa khả mơ hình hóa hệ thống thông tin quang thực tế Bên cạnh đó, phần mềm có thể dễ dàng mở rông người sử dụng có thể đưa thêm phần tử tự định nghĩa vào.Phần mềm có giao diện thân thiện, khả hiển thị trực quan OptiSystem có thể giảm thiểu yêu cầu thời gian giảm chi phí liên quan đến thiết kế của hệ thống quang học, liên kết, thành phần Phần mềm OptiSystem môt sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, mô phỏng gần tất cả loại liên kết quang học 11 Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang lớp truyền dẫn của môt quang phổ rông của mạng quang học.Nó cung cấp lớp truyền dẫn,thiết kế quy hoạch hệ thống thông tin quang từ thành phần tới mức hệ thống.Hôi nhập của nó với sản phẩm Optiwave khác công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phần mềm thiết kế tự đông góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến đô sản phẩm thị trường rút ngắn thời gian hoàn vốn Ứng dụng Optisystem được ạo để đáp ứng nhu cầu của nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên môt loạt người dùng khác, thiết kế hệ thống quang học OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, mô phỏng: - Thiết kế mạng WDM / TDM CATV - Thiết kế mạng vòng SONET / SDH - Thiết kế bô phát, kênh, bô khuếch đại, bô thu thiết kế bản đồ phân tán - Đánh giá BER penalty của hệ thơng với mơ hình bơ thu khác - Tính tốn BER quĩ công suất tuyến của hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang - Thay đổi hệ thống tham số BER tính toán khả liên kết “Khi hệ thống quang học trở nên nhiều phức tạp hơn, nhà khoa học kỹ sư ngày phải áp dụng phần mềm kĩ thuật mô phỏng tiên tiến, quan trọng hỗ trợ cho việc thiết kế Nguồn OptiSystem linh hoạt tạo điều kiện thuận lợi hiệu quả hiệu quả việc thiết kế nguồn sáng " Đặc điểm OptiSytem có môt thư viện khổng lồ bao gồm hàng trăm thành phần cho phép bạn có thể nhập thông số được đo từ thiết bị thực Nó tích hợp với thử nghiệm thiết bị đo lường từ nhà cung cấp khác Người sử dụng có thể kết 12 Nhóm Báo cáo tập lớn mơn học Thông Tin Quang hợp thành phần dựa hệ thống người sử dụng định nghĩa thư viện, sử dụng mô phỏng với môt công cụ của bên thứ ba chẳng hạn MATLAB SPICE Cụ thế bao gồm: - Thư viện nguồn quang - Thư viện bô thu quang - Thư viện sợi quang - Thư viện bô khuếch đại (quang, điện) - Thư viện bô MUX, DEMUX - Thư viên bô lọc (quang, điện) - Thư viện phần tử FSO - Thư viện phần tử truy nhập - Thư viện phần tử thụ đông (quang, điện) - Thư viện phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) - Thư viện phần tử mạng quang - Thư viện thiết bị đo quang, đo điện IV I.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG WDM BẰNG OPTISYSTEM ĐỀ BÀI : Đề tài Bài toán : Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA, với yêu cầu thiết kế sau: • • • Tốc đô bit: 2.5 Gbit/s Cự ly truyền dẫn: 600Km Số lượng kênh bước sóng: kênh Tải FULL (26 trang): https://bit.ly/3epOavR Một số gợi ý thiết kế : • • Loại sợi: Nguồn phát: Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net Sợi quang dịch tán sắc khác khơng (G.655) - Loại nguồn: Laser - Phương thức điều chế : điều chế ngồi • Bơ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bơ lọc thơng thấp Bessel 13 Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang I.2 a Yêu cầu Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mơ hình mơ phỏng hệ thống thơng tin quangWDM theo phương án thiết kế Lưu ý: tham số tồn cục (global parameters để mơ phỏng) được thiết lập sau: Tốc đô bit: Chiều dài chuỗi: Số mẫu bit: 2.5 Gbit/s 128 bits 64 b.Đưa thiết bị đo vào mơ hình mơ phỏng Các thiết bị đo tuyến được đặt vịtrí phù hợp để xác định được chất lượng dạng tín hiệu điểm cần thiết tuyến Các thiếtbị đo bản: - Thiết bị đo công suất quang Thiết bị phân tích phổ quang Thiết bị đo BER c Chạy mô phỏng d.Hiển thị kết quả mô phỏng thiết bị đo đặt tuyến e Thay đổi tham số của phần tử tuyến để đạt được BER = Báo cáo kết mơ : Mơ hình mơ phỏng Các tham số mô phỏng chi tiết Kết quả mô phỏng: o Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đẩu o Thay đổi tham số để đạt được BER = Nhận xét, phân tích kết quả mơ phỏng I.3 • • • • THIẾT KẾ TUYẾN WDM 2.1 Thiết kế phát • Khối điều chế ngồiTa thiết kế mơt kênh bao gồm phần tử sau : - Nguồn phát quang lazer CW lazer : Default > Transmitters Library > Optical Sources>CW laser - Bô phát xung NRZ pulse genarator : Default > Transmitters >Pulse Generator > Electrical > NRZ Pulse Generator - Bô phát bít điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator : Default > Transmitters Library > Bit Sequence Generators>Pseudo-Random Bit Sequence Generator 14 Nhóm 3558462 .. .Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Cùng với bùng nổ nhu cầu thông tin, hệ thống thông tin quang ngày trở nên phức tạp Nhu cầu trao đổi thông tin của người ngày lớn. .. khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất cả kênh Nhóm Báo cáo tập lớn mơn học Thơng Tin Quang  Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng bô tách sóng quang hệ thống thông. .. hệ thống WDM Thực tế nghiên cứu triển khai WDM rút được ưu nhược điểm của công nghệ WDM sau: Nhóm Báo cáo tập lớn môn học Thông Tin Quang  Ưu điểm: - Tăng băng thông truyền sợi quang số