Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Mục lục I Thuật ngữ viết tắt IV Danh mục hình vẽ .VI Danh mục bảng biểu VIII Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang . 1 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang 1 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang 2 1.2.1. Suy hao . 3 1.2.2. Tán sắc 4 1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến . 7 1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM 7 1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) . 9 1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) 10 1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế 12 1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích . 12 1.3.1.1. Quỹ công suất 12 1.3.1.2. Quỹ thời gian lên . 13 1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn . 16 1.3.2.1. Tính tương thích 16 1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất . 18 1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê . 18 Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao . 21 2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 21 2.1.1. Tính toán với tán sắc 21 2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu 21 2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu . 27 2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc . 27 2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống 31 2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF 33 2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR . 34 2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm 37 2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang . 42 2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ . 42 2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh 43 2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa 47 2.1.5. Ví dụ . 50 2.2. Tính toán theo số liệu thống kê . 57 2.2.1. Phương pháp chung 57 2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống . 57 2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống 57 2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng 58 2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê . 60 2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu 62 2.2.3.1. Cơ sở . 62 2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu 62 2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang 65 2.2.3.4. Ghép nối thống kê . 66 2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực 71 2.3. So sánh hai phương pháp . 71 Kết luận . 73 Tài liệu tham khảo . 74
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I Mục lục Mục lục I Thuật ngữ viết tắt IV Danh mục hình vẽ VI Danh mục bảng biểu VIII Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 1 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang 1 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang 2 1.2.1. Suy hao 3 1.2.2. Tán sắc 4 1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến 7 1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM 7 1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) 9 1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) 10 1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế 12 1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích 12 1.3.1.1. Quỹ công suất 12 1.3.1.2. Quỹ thời gian lên 13 1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn 16 1.3.2.1. Tính tương thích 16 1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất 18 1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê 18 Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao 21 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II 2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 21 2.1.1. Tính toán với tán sắc 21 2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu 21 2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu 27 2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc 27 2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống 31 2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF 33 2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR 34 2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm 37 2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang 42 2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ 42 2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh 43 2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa 47 2.1.5. Ví dụ 50 2.2. Tính toán theo số liệu thống kê 57 2.2.1. Phương pháp chung 57 2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống 57 2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống 57 2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng 58 2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê 60 2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu 62 2.2.3.1. Cơ sở 62 2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu 62 2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang 65 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III 2.2.3.4. Ghép nối thống kê 66 2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực 71 2.3. So sánh hai phương pháp 71 Kết luận 73 Tài liệu tham khảo 74 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt DWDM Density Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LD Laser Diode Laze diode LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode NF Noise Factor Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về không OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode rms Root mean square Trung bình quân phương RZ Return to Zero Trở về không SC Single Channel Đơn kênh SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. 1 Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang 6 Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền 6 Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 9 Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác 11 Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp 16 Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp 17 Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp 17 Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp 18 Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm 25 Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất 29 Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc 30 Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau 30 Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt 32 Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 34 Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER 35 Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào 35 Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm 38 Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản 44 Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh 45 Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh 46 Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VII Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô hình Gausse) 50 Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại 60 Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm 63 Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm 63 Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng 64 Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng 64 Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 67 Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 68 Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình 69 Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc 69 Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 70 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VIII Danh mục bảng biểu Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử 19 Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon 23 Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại 26 Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm 26 Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB 27 Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] 34 Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên 41 Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng 43 Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống 58 Bảng 2-11 Một số giá trị 66 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX Lời nói đầu Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai. Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang. Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê. Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án. Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008 Sinh viên Lê Đức Vượng [...].. .Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 1.1 Mô hình tuyến thông tin quang Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang Nơi phát tín hiệu Thiết bị phát Môi trường... xuất của quang sợi là một hàm số của bước sóng ánh sáng tín hiệu Hình vẽ 1-2 biểu diễn sự thay đổi của vận tốc nhóm của một xung ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong một sợi cáp quang thông tin đơn mode thông thường Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang Trên hình vẽ 1-2,... và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa... số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham số Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm: Suy hao Tán sắc Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang Quỹ thời gian Nhiễu Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số này cũng khác nhau Với các hệ... trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc trong sợi cáp quang Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Như trên đã nói tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị méo và suy hao Suy hao là do sợi quang còn méo là tán sắc bên trong mode và hiệu ứng trễ giữa các mode gây ra Có ba nguồn gây nên hiện tượng tán sắc đó là: tán sắc vật liệu, tán sắc ống... 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều chế pha chéo Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này 1.2.1 Suy hao Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ. .. phát tín hiệu ánh sáng trên nó Có thể mô tả độ dãn xung bằng công thức sau đây: L( d n ) s d (1-4) Với L là độ dài của của sợi quang, n là trễ nhóm đối với một đơn vị độ dài, s là bước sóng trung tâm và là độ rộng trung bình quân phương rms của phổ nguồn phát Như vậy, tán sắc tổng cộng trên sợi dẫn quang gồm 2 thành phần chính là tán sắc mode và tán sắc bên trong mode Tán sắc bên trong... gồm có tán sắc ống dẫn sóng và tán sắc vật liệu Tán sắc bên trong mode còn được gọi là tán sắc màu CD (chromatic dispersion) Do chỉ xét đến sợi đơn mode nên ở đây quan tâm đến tán sắc màu Đối với các bước sóng trong phạm vi 1550nm thì tán sắc vật liệu là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng tán sắc Tán sắc vật liệu sinh ra là do trong một sợi cáp quang, vận tốc ánh sáng cũng như chiết xuất của quang. .. lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào... chúng ta nhận thấy tại các bước sóng vùng cửa sổ 1550nm, vận tốc nhóm tỷ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng Như chúng ta đã biết, trên thực tế không thể có một nguồn sáng đơn sắc tuyệt đối, mọi nguồn sáng đều có một độ rộng phổ nhất định Giả sử một xung ánh sáng có bước sóng trung tâm tại 1550nm, độ rộng phổ Δλ0 truyền qua một sợi cáp quang đơn mode Các thành phần bước sóng dài hơn của xung sẽ chuyền . về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê. Chương 2: Trình bày: Một số phương pháp tính toán tham số thông. việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang. quang tốc độ cao 21 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II 2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 21 2.1.1. Tính toán với