Đề tài xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang dwdm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Đề tài Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Sinh viên thực hiện: MSSV Phạm Thành An 20198113 Ngô Thị Thúy Hạnh 20198128 Mã lớp: 135073 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Hoàng Hải Hà Nội, ngày 10, tháng 01, năm 2023 Mục Lục Lời nói đầu CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG I Tổng quan hệ thống thông tin quang .4 II Công nghệ OFDM .6 II Kỹ thuật DWDM .10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 16 I Giới thiệu chung 16 Sơ đồ khối tổng quát chức khối 16 a Sơ đồ khối tổng quát 16 b Chức khối .16 Các thành phần của hệ thống WDM 18 Đặc điểm của hệ thống WDM .20 II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 21 III PHẦN MỀM OPTISYSTEM 23 Giới thiệu chung 23 Ứng dụng .23 Đặc điểm .24 Chương Mô hệ thống 25 Đề (Đề tài 1) 25 1.1 Bài toán .25 1.2 Yêu cầu: 25 Thực thiết kế (Đề tài 1) 26 2.1 Mơ hình hệ thống 26 2.2 Thực mô 35 Kết luận 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 Lời nói đầu Cùng với phát triển công nghệ thông tin, việc đảm bảo tín hiệu thơng tin truyền xác với tốc độ cao vô quan trọng Từ yêu cầu thiết kế hệ thống truyền dẫn ngày nâng cao trọng 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 mơi trường cáp sợi quang Ta thấy mạng thơng tin quang cịn hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thơng cịn hẹp, cự li truyền dẫn ngắn Vì vấn đề đặt phải tăng chất lượng cung cự li truyền dẫn cho chế độ thông tin quang Giải pháp đưa công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, cho phép ghép nhiều bước sóng sợi quang tăng dung lượng đường truyền mà khơng cần thêm sợi quang Với tốn:” Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thơng tin quang DWDM: 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 thông tin quang DWDM theo phương an thiết kế Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới thầy PGS TS Nguyễn Hoàng Hải hướng dẫn giúp đỡ nhóm em thời gian qua Mặc dù cố gắng nhiều trình độ cịn hạn chế nên khơng thể tránh thiếu xót.Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để tập chúng em hoàn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn! Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG I Tổng quan hệ thống thông tin quang Ngày nay, song song với phát triển xã hội, nhu cầu thông tin liên lạc người thiếu Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, tạo nhiều loại dịch vụ viễn thông như: thoại, truyền hình hội nghị, trị chơi trực tuyến… Đóng góp vào phát triển to lớn phải kể đến đời cáp sợi quang kỹ thuật thông tin sợi quang Thông tin quang phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm đầu phát dùng để mã hóa thơng tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo lại thơng tin từ tín hiệu nhận Kênh truyền sử dụng cáp sợi quang môi trường mang thông tin từ từ điểm đến điểm khác dạng ánh sáng Hình 1 Hệ thống thơng tin quang điển hình Hình 1.1 biểu thị hệ thống thơng tin quang điển hình Dữ liệu đầu vào (Input data) tín hiệu số gửi tới mạch phát tín hiệu, sau chuyển đổi tín hiệu từ điện thành tín hiệu quang phát vào mơi trường truyền tin sợi quang gửi tới đầu thu Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện khơi phục lại giống với tín hiệu gốc Cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin quang mơ tả đơn giản gồm:  Bợ phát quang E/O: có vai trị chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang phát sợi quang Người ta thường gọi khối E/O nguồn quang Hiện nay, linh kiện điện tử sử dụng làm nguồn quang LED LASER  Bộ thu quang O/E: có vai trị chuyển đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện gốc giống với tín hiệu phía phát Các link kiện điện tử thường sử dụng để làm chức PIN APD chúng thường gọi linh kiện tách sóng quang - Mơi trường truyền tin: cáp sợi quang Hình Cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin quang đơn hướng Để thực truyền dẫn điểm, cần phải có sợi quang Hình 1.2 mơ tả cấu trúc đơn giản hệ thống thông tin quang đơn hướng Nếu cự ly truyền thơng tin q dài tuyến lắp thêm nhiều lặp tín hiệu Trạm lặp: truyền sợi quang, cơng suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do có suy hao sợi quang) Nếu cự ly truyền thơng tin q dài tín hiệu quang không đến đầu thu đến đầu thu với công suất thấp đầu thu không nhận dạng tín hiệu, lúc ta phải sử dụng trạm lặp đường truyền Chức trạm lặp thu nhận tín hiệu quang bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu sửa dạng, chuyển đổi thành tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 truyền tải tiếp tới đầu thu Như tín hiệu ngõ vào ngõ trạm lặp tín hiệu quang trạm lặp có khối chuyển đổi quang-điện điện-quang Truyền dẫn sợi quang sử dụng bước sóng có phổ điện từ gần vùng hồng ngoại, phía vùng ánh sáng nhìn thấy khơng thể nhìn thấy mắt Các bước sóng sử dụng truyền dẫn quang điển hình 850nm, 1310nm, 1550nm 1625nm Cả hai loại LASER LED sử dụng để làm nguồn phát ánh sáng vào sợi quang Laser thường sử dụng cho bước sóng 1310nm 1550nm ứng dụng sợi đơn mode LED sử dụng cho bước sóng 850nm 1310nm ứng dụng sợi đa mode Dải bước sóng dải mà sợi quang làm việc tốt Mỗi dải hiểu sổ làm việc Mỗi cửa sổ vị trí trung tâm bước sóng hoạt động bình thường II Cơng nghệ OFDM 1.1 Khái niệm đặc điểm OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) trường hợp đặc biệt truyền dẫn đa sóng mang, tức chia nhỏ luồng liệu tốc độ cao thành nhiều luồng liệu tốc độ thấp truyền đồng thời kênh truyền Trong OFDM, băng thông khả dụng chia thành số lượng lớn kênh con, kênh nhỏ đáp ứng tần số giả sử khơng đổi kênh Luồng thông tin tổng quát chia thành luồng thông tin con, luồng thông tin quang truyền kênh khác Những kênh trực giao với dễ dàng khơi phục lại đầu thu Chính điều quan trọng làm giảm xuyên nhiễu symbol (ISI) làm hệ thống OFDM hoạt động tốt kênh Fading nhiều tia Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexing) truyền thống, băng tần số tổng tín hiệu chia thành N kênh tần số không trùng lặp Mỗi kênh điều chế với symbol riêng lẻ sau N kênh ghép tần số với Điều giúp tránh việc chồng lấp phổ kênh giới hạn xuyên nhiễu kênh với Ý nghĩa trực giao cho ta biết có quan hệ tốn học xác tần số sóng mang hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, nhiều song mang đặt cách phần tín hiệu thu Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 đầu thu lọc giải điều chế thông thường Trong thu thế, khoảng tần bảo vệ đưa vào song mang khác miền tần số làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm Ưu điểm: Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn tượng giao thoa ký hiệu(ISI) độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn trễ truyền dẫn lớn kênh Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, ảnh hưởng phân tập tần số chất lượng hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Nhược điểm: Đường bao biên độ tín hiệu phát không phẳng Điều gây méo phi tuyến khuếch đại công suất máy phát máy thu Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu phân tập đa đường làm giảm phần hiệu suất sử dụng đường truyền, thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích Do yêu cầu điều kiện trực giao sóng 1.2 Nguyên lý OFDM Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI.Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng phổ kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có khác Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu sóng mang, nghĩa sóng cần trực giao với Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 OFDM Ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang Hình Phổ tín hiệu FDM (a) và OFDM (b) Về chất, OFDM trường hợp đặc biệt phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang phân bổ cách trực giao Nhờ thực biến đổi chuỗi liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, phân tán theo thời gian gây trải rộng trễ truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để trì ngăn cách đài Tuy nhiên khơng có kết hợp đồng trạm với trạm khác Với cách truyền OFDM, tín hiệu thơng tin từ nhiều trạm kết hợp dòng liệu ghép kênh đơn Sau liệu truyền sử dụng khối OFDM tạo từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm sốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, không gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM đóng gói trực giao sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 cải thiện hiệu phổ Hình Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng liệu song song sau mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp đưa đến đầu vào khối IDFT Khối tính tốn mẫu thời gian tương ứng với kênh nhánh miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vô tuyến đa đường Sau lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyển đổi lên tần số cao để truyền kênh Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN Ở phía thu, tín hiệu chuyển xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyển từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyểnvề biên độ pha sóng mang nhánh cân bằng cân kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Cuối thu nhận dòng liệu nối tiếp ban đầu Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 10 of 45 Vào Layout>Parametor Group>Power để điều chỉnh công suất phát 2,5dbm : Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 31 of 45 Vào Layout>Parametor Group>fequency để điều chỉnh tần số kênh, để dộ dãn kênh 100 Ghz Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 32 of 45 Kết nối nguồn phát với qua Bộ MUX8-1 ta nguồn phát kênh hoàn chỉnh Điều chỉnh tốc độ bit dây 40GHz, số lượng bit 128bits Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 33 of 45 b) Hệ thống truyền dẫn: - Dây cáp quang SMF: Default > OpticalFiber Library > Optical Tranmistter: Setting cho dây với thông số yêu cầu bao gồm:  Bước sóng 1550 nm  Chiều dài 35km  Suy hao theo quãng đường 0,4 db/km  Tán sắc dây có sẵn 17ps/nmn/km Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 34 of 45 - Bộ khuếch đại EDFA(1) Amlifiers Library> optical > EDFA Setting cho EDFA với thông số yêu cầu bao gồm:  Hệ số khuếch đại (Gain): 14db  Hệ số tạp âm (Noise Figure): 6db - Dây cáp bù tán sắc DSF: Default > OpticalFiber Library > Optical Tranmistter: Setting cho dây với thông số yêu cầu bao gồm:  Bước sóng 1550 nm  Chiều dài 10 km  Suy hao theo quãng đường 0,5 db/km  Hệ số bù tán sắc tính tốn theo cơng thức D1xL1 + D2xL2 = Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 35 of 45 => D2 = -D1.L1/L2 = -60ps/nm/km - Bộ khuếch đại EDFA(2) Amlifiers Library> optical > EDFA Setting cho EDFA với thông số yêu cầu bao gồm:  Hệ số khuếch đại (Gain): 5db  Hệ số tạp âm (Noise Figure): 6db - Bộ vòng lặp (Loop) : cài đặt với số vòng để thỏa mán tổng quãng đường truyền dẫn 245km - Kết hợp ta hệ thống truyễn dẫn thông tin quang hoàn chỉnh: Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 36 of 45 C) Bộ thu Tại phía thu ta dùng linh kiện kết hợp tương tự phía phát Các linh kiện gồm có:  Bộ tách kênh DEMUX 1-8  Pin kết hợp với lọc thông thấp BESSEL  Để quan sát chất lượng tín hiệu ta dùng thiết bị BER, genarator 3D kết hợp với Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 37 of 45  Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 38 of 45 2.2 Thực mô a) Chạy chương trình để hiển thị kết đo  Tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu qua máy phân tích quang phổ Đầu vào Đầu  Công suất đầu vào đầu đo Đầu vào Đầu  Công suất đo theo kênh Đầu vào Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Đầu Page 39 of 45  Đồ thị EYES-DIAGRAM Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 40 of 45  Thay đổi thông số để đạt tỷ lệ lỗi bit theo yêu cầu 10-12 - Có nhiều để thay đổi tỷ lệ lỗi BER kể đến như:  Thay đổi tốc độ bit  Thay đổi cự ly truyền dẫn  Thay đổi công suất phát  Thay đổi hệ số khuếch đại - Nhóm sử dụng công cụ SWEEP để quét trường hợp thay đổi cơng suất phát - Setting số vịng sweep cách ấn CTRL + Home để hệ số vịng 10: - Thiết lập cơng suất POWER cho nguồn chạy từ 2.5 dbm đến -10dbm Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 41 of 45 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 42 of 45  Sơ đồ số mũ Của BER theo công suất  Nhận xét số mũ đạt 10-12 công suất xấp xỉ 0,3dbm, ta điều chỉnh công suất xuống 0,3 dbm kết quả: Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 43 of 45 Kết luận Truyền dẫn cáp quang sử dụng rộng rãi để truyền liệu ngày sử dụng rộng rãi thay cho dây kim loại hiệu khả truyền dẫn cao Chúng thấy loại cáp quang thay cáp đồng xoắn đôi cáp đồng trục truyền thống Với nhu cầu sử dụng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ nhanh, chắn việc truyền dẫn cáp quang mang lại nhiều hội liên tục nghiên cứu, mở rộng để phục vụ cho nhu cầu tương lai Qua công việc thiết kế lần này, nhóm hồn thành thu kinh nghiệm kiến thức vơ hữu ích Bài tập lần giúp nhóm nâng cao kiến thức môn hệ thống viễn thông với optisystem Tuy nhiên, thời gian hồn thành có hạn kinh nghiệm nghiệp vụ chưa sâu nên đề tài chúng em nhiều thiếu sót Chúng em nhận ý kiến, góp ý thầy để phát triển mở rộng đề tài thời gian tới để áp dụng thực tế Chúng em xin chân thành cảm ơn! Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 44 of 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO  https://www.academia.edu/36259843/GI%E1%BB%9AI_THI%E1%BB %86U_CHUNG_V%E1%BB%80_PH%E1%BA%A6N_M%E1%BB %80M_OPTISYSTEM  https://timtailieu.vn/tai-lieu/gioi-thieu-chung-ve-phan-mem-optisystem-54019/ Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 45 of 45 ... Thực mô 35 Kết luận 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page of 45 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông. .. nguồn chạy từ 2.5 dbm đến -10dbm Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 41 of 45 Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 42 of 45  Sơ đồ số... án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 30 of 45 Vào Layout>Parametor Group>Power để điều chỉnh công suất phát 2,5dbm : Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page