Báo cáo hệ thống viễn thông 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 quang4 II Công nghệ OFDM 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 KHUÊCH 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 mơ 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 triể̉n củ̉ a cơng nghệ thơng tin, việc đảm bảo tín hiệu thơng tin truyền xác với tốc độ cao vơ quan trọng Từ u cầu thiết kế hệ thống truyền dẫn ngày nâng cao trọng Cùng với phát triể̉n củ̉ a kỹ thuật chuyể̉n mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn, đặwc biệt kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang Ta có thể̉ thấy mạng thơng tin quang hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thơng cịn hẹp, cự li truyền dẫn ngắn Vì vấn đề đặwt 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 có thể̉ tăng dung lượng đường truyền mà khơng cần thêm sợi quang Với toán:” Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông 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 Mặwc dù cố gắng nhiều trình độ cịn hạn chế nên khơng thể̉ tránh thiếu xót.Rất mong nhận ý kiến đóng góp củ̉ a thầy bạn để̉ tập củ̉ a 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 triể̉n củ̉ a xã hội, nhu cầu thông tin liên lạc củ̉ a người không thể̉ thiếu Cùng với phát triể̉n củ̉ a khoa học kỹ thuật, tạo nhiều loại dịch vụ viễn thơng như: thoại, truyền hình hội nghị, trị chơi trực tuyến… Đóng góp vào phát triể̉n to lớn phải kể̉ đến đời củ̉ a cáp sợi quang kỹ thuật thông tin sợi quang Thông tin quang phương thứ́c dùng ánh sáng để̉ truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm đầu phát dùng để̉ mã hóa thơng tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dùng để̉ truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để̉ tái tạo lại thơng tin từ tín hiệu nhận Kênh truyền sử dụng cáp sợi quang môi trường mang thông tin từ từ điể̉m đến điể̉m khác dạng ánh sáng Hình 1 Hệ thống thơng tin quang điển hình Hình 1.1 biể̉u thị hệ thống thơng tin quang điể̉n hình Dữ liệu đầu vào (Input data) tín hiệu số gửi tới mạch phát tín hiệu, sau chủ̉n đổi tín hiệu từ điện thành tín hiệu quang phát vào môi 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 chuyể̉n đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện khơi phục lại giống với tín hiệu gốc Cấu trúc đơn giản củ̉ a hệ thống thơng tin quang có thể̉ mơ tả đơn giản gồm: Bợ phát quang E/O: có vai trị chủ̉n 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 Bợ thu quang O/E: có vai trị chủ̉n đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện gốc giống với tín hiệu phía phát Các link kiện điện tử thường sử dụng để̉ làm chứ́c 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 Để̉ thực truyền dẫn điể̉m, cần phải có sợi quang Hình 1.2 mơ tả cấu trúc đơn giản củ̉ a hệ thống thông tin quang đơn hướng Nếu cự ly truyền thông tin dài tuyến có thể̉ lắp thêm hoặwc nhiều lặwp tín hiệu Trạm lặp: truyền sợi quang, cơng suất củ̉ a tín hiệu quang bị suy yếu dần (do có suy hao sợi quang) Nếu cự ly truyền thơng tin q dài tín hiệu quang có thể̉ khơng đến đầu thu hoặwc đến đầu thu với công suất thấp đầu thu khơng nhận dạng tín hiệu, lúc ta phải sử dụng trạm lặwp đường truyền Chứ́c củ̉ a trạm lặwp 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, chuyể̉n đổi thành tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để̉ 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 củ̉ a trạm lặwp tín hiệu quang trạm lặwp có khối chuyể̉n 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 thể̉ nhìn thấy mắt Các bước sóng sử dụng truyền dẫn quang điể̉n hình 850nm, 1310nm, 1550nm 1625nm Cả hai loại LASER LED sử dụng để̉ làm nguồn phát ánh sáng vào sợi quang Laser thường sử dụng cho bước sóng 1310nm hoặwc 1550nm ứ́ng dụng sợi đơn mode LED sử dụng cho bước sóng 850nm hoặwc 1310nm ứ́ng dụng sợi đa mode Dải củ̉ a bước sóng dải mà sợi quang làm việc tốt Mỗi dải hiể̉u củ̉ a 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 đặwc biệt củ̉ a truyền dẫn đa sóng mang, tứ́c 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 ứ́ng tần số có thể̉ 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 củ̉ a tổng tín hiệu chia thành N kênh tần số không trùng lặwp Mỗi kênh điều chế với symbol riêng lẻ sau N kênh ghép tần số với Điều giúp tránh việc chồng lấp phổ củ̉ a kênh giới hạn xuyên nhiễu kênh với Ý nghĩa củ̉ a trực giao cho ta biết có quan hệ tốn học xác tần số củ̉ a sóng mang hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, nhiều song mang đặwt cách phần để̉ cho tín hiệu có thể̉ 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 điể̉m: Hệ thống OFDM có thể̉ loại bỏ hồn tồn tượng giao thoa ký hiệu(ISI) độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn trễ truyền dẫn lớn củ̉ a kênh Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, ảnh hưởng củ̉ a phân tập tần số chất lượng củ̉ a hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Nhược điể̉m: Đường bao biên độ củ̉ a tín hiệu phát khơng 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 u cầu điều kiện trực giao sóng 1.2 Nguyên lý OFDM Nguyên lý củ̉ a 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 để̉ 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 có thể̉ 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 thể̉, có thể̉ tăng dung lượng đáng kể̉ cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR củ̉ a sóng mang Hình Phổ tín hiệu FDM (a) va OFDM (b) Về chất, OFDM trường hợp đặwc biệt củ̉ a phương thứ́c 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 điể̉m Trong phát thông thường đài phát truyền tần số khác nhau, sử dụng hiệu FDM để̉ 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 đặwc nhiều sóng mang Tất sóng mang thứ́ cấp tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiể̉m sốt can nhiễu sóng mang Các sóng mang chồng lấp miền tần số, khơng gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao củ̉ a điều chế Với FDM tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn kênh để̉ ngăn ngừa can nhiễu Điều làm giảm hiệu phổ Tuy nhiên với OFDM đóng gói trực giao sóng mang làm giảm đáng kể̉ 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 chuyể̉n 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 củ̉ a khối IDFT Khối tính tốn mẫu thời gian tương ứ́ng với kênh nhánh miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để̉ giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vơ tuyến đa đường Sau lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục chuyể̉n đổi lên tần số cao để̉ truyền kênh Trong q trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN Ở phía thu, tín hiệu chuyể̉n xuống tần số thấp tín hiệu rời rạc đạt lọc thu Khoảng bảo vệ loại bỏ mẫu chuyể̉n từ miền thời gian sang miền tần số phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế sử dụng, dịch chuyể̉nvề biên độ pha củ̉ a 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 ... 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 triể̉n củ̉ a cơng nghệ thơng tin, ... Với toán:” Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông 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. .. Sơ đồ chứ́c hệ thống WDM b Chức khối Phát tin hiệu:  Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang đươc dùng laser Hiện co môt Xây dựng phương án thiết kế mô hệ thống thông tin quang DWDM Page 17 of