đồ án thông tin quang thiết kế và mô phỏng hệ thống thông ti quang sử dụng optisystem

Hình 2.1 Sơ đồ thông tin sợi quang Hình 2.2 Sơ đồ thông tin sợi quang trường Việt Hàn Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng PON Hình 2.3 Đặc tuyến suy hao của sợi quang Hình 2.4 Các biện pháp

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm

qw

ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmrty uiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklz

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

= = = o0o = = =

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠNG FTTH CHO 6.000 THUÊ BAO Ở

ĐỊA BÀN HUYỆN TRIỆU PHONG TỈNH QUẢNG TRỊ

ĐÀ NẴNG 06 - 2011

Sinh viên thực hiện: Lê Quang Ghin

Lớp : VT02B

Giáo viên hướng dẫn:

Nguyễn Vũ Anh Quang

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ỨNG DỤNG

= = = o0o = = =

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG

Sinh viên thực hiện : Lê Quang Ghin

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang

ĐỀ CƯƠNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Sinh viên thực hiện: Lê Quang Ghin

Tên đề tài: Thiết kế tuyến cáp quang trường Việt Hàn

Giàng viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Anh Quang

1 Lý do chọn đề tài.

Ngày nay sự phát triển của xã hội ngày càng được nâng cao thì nhu cầu của conngười về trao đổi thông tin, học tập ngày càng cao Mạng cáp quang có thể đáp ứngđược điều đó Nó không những phục vụ cho nhu cầu giải trí mà còn phục vụ cho cảhọc tập

Hiện tại thì trường ta mới chỉ có mạng dây đồng rất chậm và kém hiệu quả.Đường truyền thấp mà nhu cầu tìm tìm kiếm tài liệu cho sinh viên cao khiến cho việctìm kiếm tài liệu rất khó khăn Nên em đã nảy ra ý tưởng thiết kế mạng thong tinquang cho toàn bộ trường để đáp ứng cho việc học tập cho sinh viên trong trường

2 Ý nghĩa thực tiễn.

Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém.Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhậpđến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường Nó sẽ xuyên trái đất vượt đạidương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụcho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoahọc, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đạithông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này

3 Kế hoạch thực hiện đề tài.

Đánhgiá của GVTuần 1

(20/06 –

01/07)

Sưu tầm tài liệu và viết đề cương thiết kế sợ quang.Đề cương sơ bộ về Tuần 2

(02/07 –

08/07)

Tìm hiểu phần mềm OptiSystem và tham khảo tài liệu liên quan

Biết được cách sử dụng phần mềm mô phỏng

Tuần 3

(09/07 –

15/07)

Thiết kế cấu trúc của tuyến cáp quang phùhợp với yêu cầu sử dụng

Thiết kế được hình dáng của bản thiết kê, thống kê các dữ liệu

(30/07 –

06/08)

Kiểm tra và chạy thử mô hình và các thông số thiết kế ( nhiểu,

tỉ lệ lỗi,công suất…)

Chụp hình, so sánhcác dữ liệu thu đượcTuần 6

(08/05 –

13/08)

Hoàn chỉnh thiết kếtuyến cáp quang và tài liệu cần thiết

Hoàn chỉnh đồ án, slide, bài báo cáoTuần 7

(14/08 –

ngày thi)

Mục lục:

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẺ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Phần 1 :lý thuyết:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

1.1 Lý do chọn đề tài, ý nghĩa thực tiển……… 2

1.2 Hệ thống truyền dẫn sợi quang……… 6

CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 2.1 Hệ thống truyền dẫn quang 7

2.2 Mô hình thiết kế……… … 7

2.3 Sợi quang và cáp quang……… …8

2.3.1 Đặc tính của sợi quang……… 8

2.3.2 Suy giảm tín hiệu trong sợi quang……… 9

2.3.3 cáp quang……… 9

2.3.4 Các biện pháp bảo vệ……… 10

2.4 Các thiết bị phát quang……… 10

2.4.1 điốt led……… 10

2.4.1 Điốt laze……… 11

2.5 Các thiết bị thu quang……… 11

2.5.1 Photođiốt PIN……… 11

2.5.2 Photođiốt thác……… 12

2.6 OLTs (Optical line terminators) thiết bị kết cuối kênh quang …… 12

2.7 ONU……… 13

2.8 Splitter……… 13

Phần 2 Tính toán và thiết kế. 3.1 Các khái niệm……….14

3.2 Quỹ công suất………15

3.3 Quỹ thời gian lên……… 15

4 Các yếu tố xét đến khi thiết kế hệ thống thông tin quang trường Việt Hàn:…… 17

4.1 Tốc độ dữ liệu……… 17

4.2 Công suất phát:……… 18

4.3 Bước sóng:……… 19

4.4 Khoảng cách truyền dẫn……… 20

4.5Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu……… 21

4.5.1 Đối với photodiode PIN ……… .21

4.5.2 Đối với photodiode APD……… 21

5 Kết luận……… 21

CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ Tiếng Anh Tiếng Việt

APON ATM over Passive Optical ATM trên mạng quang thụ động

BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít

FTTH Fibre to the Home Mạng quang đến hộ gia đìnhGPON Gigabit-capable Passive Optical Mạng quang thụ động gigabit

Network

NRZ Non Return to Zero Mã đường dây NRZ

OAM Operation, Administration and Vận hành, quản lý và bảo dưỡng

Maintenance

ODN Optical Distribution Network Mạng phân phối quang

OLT Optical Line Termination Thiết bị kết cuối đường dâyONU Optical Network Unit Thiết bị kết cuối mạng quangPON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

P2MP Point-to-multipoint Điểm – đa điểm

P2P Point-to-point Điểm – điểm

VPN Vitual Private Network

WDM-PON Wavelength division mutiplexer Mạng quang thụ động

passive optical network phân chia theo bước sóng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang

Hình 2.1 Sơ đồ thông tin sợi quang

Hình 2.2 Sơ đồ thông tin sợi quang trường Việt Hàn

Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng PON

Hình 2.3 Đặc tuyến suy hao của sợi quang

Hình 2.4 Các biện pháp bảo vệ sợi quang

Hình 2.5 Cấu trúc Photođiốt thác và trường điện trong vùng trôi

Hình 2.6 Các khối chức năng OLT

Hình 2.7 OLT

Hình 2.8 Spliter

Hình 3.1 Mô hình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang

Hình 4.1 Mô hình thiết kế bằng phần mềm optiwave

Hình 5.1 Dạng sóng thu được tại máy phân tích BER sau 4 lần thay đổi tốc độ bít

Hình 5.2: Dạng sóng của tín hiệu thu được tại máy phân tích BER trong 4 lần thay đổi PtHình 5.3: Biểu đồ biểu diễn các thông số Q,BER, Pr theo Pt

Hình 5.4 Kết quả khảo sát trong 4 lần thay đổi bước sóng

Hình 5.5 Kết quả khảo sát trong 2 lần thay đổi photodiot

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 5.2 Bảng so sánh Q, BER, Pt khi thay đổi công suất phát

Bảng 5.1 Bảng so sánh Q, BER, Pt khi thay đổi tốc độ dữ liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

1 Hệ thống truyền dẫn quang

Tín hiệu điện từ các thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu sau khi được mã hóa sẽ đưa đến thiết bị phát quang Tại đây, tín hiệu điện sẽ đượcchuyển đổi sang tín hiệu quang Tín hiệu trong suốt quá trình truyền đi trong sợi quangthi sẽ bị suy hao do đó trên đường truyền người ta đặt các trạm lặp nhằm khôi phục lạitín hiệu

Tín hiệu quang ban đầu để tiếp tục truyền đi Khi đến thiết bị thu quang thìtín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại tín hiệu ban đầu

để đưa đến thiết bị đầu cuối

CHƯƠNG II: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI

QUANG 2.1 Hệ thống truyền dẫn quang

quang

Hình 1.1 Cấu hình của hệ thống thông tin quang.

Hình 2.1 Sơ đồ thông tin sợi quang.

Theo ngiên cứu thì em thấy hệ thống mạng quang thụ động (PON) có nhiều ưu điểmhơn những loại khác nên em sẽ thiết kế hệ thống cáp quang dựa trên hệ thống mạng PON PON là từ viết tắt của Passive Optical Network tạm dịch là mạng quang thụ động Côngnghệ mạng quang thụ động PON còn được hiểu là mạng công nghệ quang truy nhập giúptăng cường kết nối giữa các nốt mạng truy nhập của nhà cung cấp dịch vụ và người sửdụng Công nghệ PON được biết tới đầu tiên đó là TPON (Telephony PON) được triểnkhai vào những năm 90, tiếp đó năm 1998, mạng BPON (Broadband PON) được chuẩnhóa dựa trên nền ATM Hai năm 2003 và 2004 đánh dấu sự ra đời của hai dòng côngnghệ Ethernet PON (EPON) và Gigabit PON (GPON), có thể nói hai công nghệ này mở

ra cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ giải quyết hàng loạt vấn đề truy nhập băngthông rộng tới người sử dụng đầu cuối Thành viên mới nhất trong gia đình PON đó làWDM PON (Wavelength Division Multiplexer PON)

2.2 Thành phần cơ bản của mạng quang thụ động PON

Hình 2.2 Mô hình hệ thống mạng PON

Biểu diễn trên hình 1 bao gồm các thiết bị kết cuối đường quang (OLTs – Opticalline terminators) đặt tại trạm trung tâm (CO- Central Office) và bộ các thiết bị kết cuốikênh quang (ONUs – Optical network units) được đặt ở phía người sử dụng Giữa chúng

là hệ thống phân phối mạng quang (ODN – Optical distribution network) bao gồm cápquang, các thiết bị ghép/tách thụ động

người ta sử dụng sợi quang ở đây là sợi quang có suy hao nhỏ chủ yếu là sử dụng sợiquang theo chuẩn G.652 (theo khuyến nghị G.982).

2.3.2 Suy giảm tính hiệu trong sợi quang

Hình 2.3 Đặc tuyến suy hao của sợi quang

Nhìn vào đặc tuyến suy hao của sợi quang ở hình 2.1 ta thấy ở bước sóng 1310 nm thì

suy hao sợi quang ở khoảng 0.4 dB/km và ở bước sóng 1490 nm thì suy hao sợi quang ởkhoảng 0.3 dB/km Các loại cáp quang sử dụng trong mạng PON:

 Cáp gốc (cáp phân bổ từ OLT đến splitter): thường là loose-tube – loại cáp nàythì được khuyến nghị ứng dụng ở hầu hết mạng PON

 Cáp phối (cáp phân bổ từ splitter đến dây drop): có thể sử dụng cáp loose-tubehoặc ribbon

 Dây drop (kéo đến thuê bao)

Suy hao tín hiệu trong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang,giữa sợi quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh đó quá trìnhsợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy haongoài bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau.Tuy nhiên, vấn đề chính ở đây ta xét đến suy hao do bản chất bên trong của sợi quang

2.3.3 Cáp sợi quang

Thực tế, để đưa cáp quang vào sử dụng thì các sợi cần phải được kết hợp lạithành cáp với các cấu trúc phù hợp với từng môi trường lắp đặt Do phụ thuộc vào môitrường lắp đặt nên cáp quang có rất nhiều loại: cáp chôn trực tiếp dưới đất, cáp treo trongcống, cáp treo ngoài trời, cáp đặt trong nhà, cáp thả biển

2.3.4 Các biện pháp bảo vệ sợi

Hình 2.4 Các biện pháp bảo vệ sợi quang

Trước khi tiến hành bọc cáp, sợi quang thường được bọc lại để bảo vệ sợi trongkhi chế tạo cáp Có hai biện pháp :

Thực nghiệm đã đạt được độ dài tuyến lên tới 9,6Km với tốc độ 2Gbit/s và 100Km vớitốc độ 16Mbit/s LED có ưu điểm là giá thành thấp và độ tin cậy cao, tuy nhiên chúngphù hợp với mạng nội hạt, các tuyến thông tin quang ngắn với tốc độ bit trung bình thấp.

2.5 Thiết bị thu quang

2.5.1 Photođiốt PIN

Phôtođiốt PIN là bộ tách sóng dùng để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện.Cấu trúc cơ bản của Photođiốt PIN gồm các vùng p và n đặt cách nhau bằng một lớp tựdẫn i rất mỏng Để thiết bị hoạt động thì cần phải cấp một thiên áp ngược để vùng bêntrong rút hết các loại hạt mang Khi có ánh sáng đi vào Photođiốt PIN thì sẽ xảy ra quátrình như sau Nếu một photon trong chùm ánh sáng tới mang một năng lượng h lớn hơn lớn hơnhoặc ngang bằng với năng lượng dải cấm của lớp vật liệu bán dẫn trong Photođiốt thìphoton có thể kích thích điện tử từ vùng hoá trị sang vùng dẫn.Quá trình này sẽ phát racác cặp điện tử, lỗ trống Thông thường, bộ tách sóng quang được thiết kế sao cho các hạtmang này chủ yếu được phát ra tại vùng nghèo là nơi mà hầu hết các ánh sáng tới bị hấpthụ (hình 3.2) Sự có mặt của trường điện cao trong vùng nghèo làm cho các hạt mangtách nhau ra và thu nhận qua tiếp giáp có thiên áp ngược Điều này làm tăng luồng dòng

ở mạch ngoài, với một luồng dòng điện sẽ ứng với nhiều cặp mang được phát ra và dòngnày gọi là dòng photon

2.5.2 Photođiốt thác ADP

Để tăng độ nhạy điốt quang người ta ứng dụng hệ thống giống như hiệu ứng nhân điện tử trong các bộ nhân quang điện

Photođiốt thác ký hiệu APD (Avalanche photodiote) có đặc tính tốt hơn đối vớitín hiệu nhỏ Sau khi biến đổi các photon thành các điện tử thì nó khuếch đại ngay dòngphoto ở bên trong nó trước khi dòng này đi vào mạch khuếch đại tiếp sau và điều nàylàm tăng mức tín hiệu dẫn tới độ nhạy máy thu tăng lên đáng kể Để thu được hiệu ứngnhân bên trong thì các hạt mang phải được tăng dần năng lượng tới mức đủ lớn để ionhoá các điện tử xung quanh do va chạm với chúng Các điện tử xung quanh này được đẩy

từ vùng hoá trị tới vùng dẫn rồi tạo ra các cặp điện tử- lỗ trống mới sẵn sàng dẫn điện.Các hạt mang mới này tạo ra tiếp tục được gia tốc nhờ điện trường cao và lại có thể phát

ra các cặp điện tử- lỗ trống mới khác Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng thác

Hình 2.5 Cấu trúc Photođiốt thác và trường điện trong vùng trôi

2.6 OLT

OLT cung cấp giao diện quang về phía mạng phối quang ODN và cung cấp ít nhất một

trong tổng đài hay tại một trạm từ xa Sơ đồ khối chức năng của OLT được mô tả ở hình2.6.

Hình 2.6 Các khối chức năng OLT

có nghĩa là công suất truyền đến mỗi ONU sẽ giảm xuống do suy hao của bộ chia splitter1:N tính theo công thức 10×logN (dB) nên nếu tỉ lệ bộ chia mà tăng lên gấp đôi thì suyhao sẽ tăng lên 3 dB

Gọi Ps là độ nhạy máy thu.

Khoảng chênh lệch: M(arg) = Pr – Ps

Được gọi là độ dự trử công suất của tuyến

2.9.2 Quỹ thời gian lên.

Quỹ thời gian lên nhằm đảm bảo tính kỷ thuật của tuyến Tán sắc của tuyến xác định tốc

độ bít giới hạn hoặc băng thông có thể sử dụng được được gọi là quỹ thời gian lên củatuyến

Thời gian lên của tuyến tsys được xác định bởi công thức:

t sys = sqrt(t tx 2 + t mod 2 + t CD 2 + t PMD 2 + t RX 2 )

trong đó: ttx : Thời gian lên của máy phát

tmod : Thời gian lên tán sắc mode của sợi đa mode

tCD : thời gian lên tán sắc màu của sợi

Hình 3.1 Mô hình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang

3.2 Tính toán suy hao trên tuyến

 Xét thuê bao xa nhất trên tuyến với chiều dài là 20km Chọn bước sóng là 1550nm

có tổn hao sợi là 0.3dB/km Suy hao trên sợi là: Psợi = 0.14*20 = 2.8dB

 Sử dụng 15 bộ nối với suy hao tương ứng với một bộ nối là 0.5dB

=> Suy hao do bộ nối là: Pbộ nối = 0.5*15 = 7.5 dB

 Sử dụng 8 mối hàn với suy hao tương ứng của một mối hàn là 0.1 dB

=> Suy hao do mối hàn là: Phàn = 0.1*8 = 0.8dB

 Sử dụng các bộ chia là 1:4, 1:4, 1:4, 1:128

=> Suy hao do bộ chia là: Pbộ chia = 10log4 + 10log4 + 10log4 + 10log128 =39.13dB

Vậy tổng công suất suy hao trên tuyến là:

Psuy hao = Psợi + Pbộ nối + Phàn + Pbộ chia = 2.8 + 7.5 + 0.8 + 39.13 = 50.23dB

4 Sử dụng phần mềm chuyên dụng optiwave để khảo sát hệ thống đã thiết kế

4.1 Mô hình thiết kế bằng phần mềm optiwave

Hình 4.1 Mô hình thiết kế bằng phần mềm optiwave

Tuyến trên gồm các thành phần chính:

 Máy phát: gồm dữ liệu điện, chuyển đổi mã NRZ, Laser, bộ điều chế ngoài

 Cáp quang: gồm sợi quang, bộ chia, bộ khuếch đại

 Máy thu : gồm bộ lọc thông, bộ lọc thông thấp, Photodiode, máy phân tích BER,máy đo công suất, máy hiện sóng, máy phân tích quang phổ

5 Các yếu tố xét đến khi thiết kế hệ thống thông tin quang trường Việt Hàn:

5.1 Khảo sát tốc độ dữ liệu

Thay đổi tốc độ dữ liệu, giữ nguyên các thông số ban đầu:

 Chiều dài 20 km

 Bước sóng 1550nm