Giới thiệu chung
Hệ thống thông tin quang tốc độ cao sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) cho phép truyền tải nhiều bước sóng tín hiệu quang trên một sợi quang Tại đầu phát, các tín hiệu quang với bước sóng khác nhau được tổ hợp lại để truyền đi, trong khi ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp được phân giải và khôi phục lại tín hiệu gốc, sau đó chuyển đến các đầu cuối khác nhau.
Sơ đồ khối tổng quát
Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser
Hiện nay, có nhiều loại nguồn phát laser như Laser điều chỉnh được bước sóng và Laser đa bước sóng Yêu cầu chính đối với các nguồn phát này bao gồm độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ và độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép.
Ghép tín hiệu WDM là quá trình kết hợp nhiều nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp, cho phép truyền dẫn hiệu quả qua sợi quang.
Tách tín hiệu WDM là quá trình phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành các tín hiệu ánh sáng riêng biệt tại từng cổng đầu ra Hiện nay, có nhiều loại bộ tách/ghép tín hiệu WDM như bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG và bộ lọc Fabry-Perot Khi lựa chọn bộ tách/ghép WDM, cần xem xét các tham số quan trọng như khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần, bước sóng trung tâm, mức xuyên âm, tính đồng đều của kênh, cùng với các loại suy hao như suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg và xuyên âm đầu gần đầu xa.
Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến và các vấn đề khuếch đại tín hiệu Mỗi yếu tố này đều phụ thuộc vào loại và chất lượng của sợi quang, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dẫn.
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại
Raman hiện nay đã được ứng dụng thực tiễn với ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi sử dụng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM, cần đảm bảo độ lợi khuếch đại đồng đều cho tất cả các kênh bước sóng, với mức chênh lệch không vượt quá 1 dB.
Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh
Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào, giúp điều chỉnh các hệ số khuếch đại để đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đồng nhất cho tất cả các kênh.
Trong các hệ thống WDM, việc thu tín hiệu được thực hiện thông qua các bộ tách sóng quang, tương tự như trong các hệ thống thông tin quang thông thường Các loại cảm biến như PIN và APD được sử dụng để thu thập tín hiệu hiệu quả.
Phân loại hệ thống WDM
Hình 1.1 : Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Hệ thống WDM được chia thành hai loại chính: hệ thống đơn hướng và hệ thống song hướng Hệ thống đơn hướng chỉ cho phép truyền tải dữ liệu theo một chiều trên sợi quang, do đó cần hai sợi quang để kết nối giữa hai điểm Ngược lại, hệ thống WDM song hướng cho phép truyền tải dữ liệu hai chiều trên cùng một sợi quang, giúp tiết kiệm một sợi quang trong việc trao đổi thông tin giữa hai điểm.
Cả hai hệ thống truyền dẫn quang đều có những ưu và nhược điểm riêng Nếu công nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, việc so sánh hai hệ thống sẽ giúp xác định hiệu suất và khả năng ứng dụng của từng loại.
Hệ thống đơn hướng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng, nhưng lại yêu cầu số lượng sợi quang gấp đôi.
Khi xảy ra sự cố đứt cáp, hệ thống song hướng tự động phát hiện và phản ứng mà không cần cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS, nhờ vào khả năng nhận biết sự cố tức thời ở cả hai đầu của liên kết.
Hệ thống mạng song hướng có thiết kế phức tạp hơn do phải xem xét các yếu tố như vấn đề xuyên nhiễu từ nhiều bước sóng trên một sợi quang Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần phải định tuyến và phân bố bước sóng một cách hợp lý, tránh việc hai chiều sử dụng chung một bước sóng trên cùng một sợi quang.
Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp hơn so với hệ thống đơn hướng Mặc dù số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm theo mỗi chiều, nhưng các bộ khuếch đại vẫn cung cấp công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng.
Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM
Bộ phát quang
Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED)
Laser, which stands for "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation," operates on two fundamental principles: stimulated emission and the resonance of light waves as they propagate within the laser medium.
Tín hiệu quang từ LD hoặc LED thay đổi theo các tham số của tín hiệu điện đầu vào, có thể ở dạng số hoặc tương tự.
Thiết bị phát quang chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang thông qua các nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo của phần tử phát.
Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm.
Sử dụng bộ điều biến ngoài giúp giảm chirp, tăng tốc độ điều biến và tạo ra các định dạng tín hiệu quang đa dạng như NRZ, RZ, CS-RZ và DPSK Đồng thời, nó đảm bảo rằng tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp tại bước sóng chính xác theo tiêu chuẩn.
Mô hình điều chế ngoài
Hình 1.2 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài
Yêu cầu với nguồn quang:
Độ chính xác của bước sóng phát là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống WDM hoạt động hiệu quả Bước sóng đầu ra thường bị dao động do nhiều yếu tố như nhiệt độ, dòng định thiên và độ già hoá linh kiện Để giảm thiểu hiện tượng xuyên nhiễu và hỗ trợ việc tách bước sóng tại phía thu, độ ổn định tần số của nguồn phát cần phải đạt mức cao.
Độ rộng đường phổ hẹp, được định nghĩa là độ rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB, là yếu tố quan trọng để tăng số lượng kênh trên một dải tần nhất định Để đảm bảo khoảng cách giữa các kênh nhỏ và giảm thiểu hiện tượng xuyên nhiễu từ các kênh lân cận, độ rộng đường phổ cần phải càng hẹp càng tốt Nếu không, lỗi bít sẽ gia tăng, ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống.
Để đạt được hiệu quả tối ưu, nguồn phát laser cần phải là nguồn đơn mode, bao gồm các loại như laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng và laser phản hồi phân bố.
Dòng ngưỡng thấp giúp giảm thiểu lãng phí công suất trong quá trình kích thích laser, đồng thời giảm công suất nền không mang tin Điều này giúp tránh ảnh hưởng của nhiễu nền đến máy thu, đặc biệt khi có công suất nền lớn.
Để tối ưu hóa băng tần sợi quang, nguồn quang cần có khả năng phát trên dải 100 nm Hơn nữa, trong hệ thống lựa chọn kênh động, việc điều chỉnh bước sóng là rất cần thiết.
Tính tuyến tính trong truyền thông quang rất quan trọng, vì sự không tuyến tính của nguồn quang có thể gây ra sự phát sinh của các sóng hài cao hơn, dẫn đến hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kênh truyền.
Nhiễu thấp là yếu tố quan trọng trong truyền thông số, với nhiều loại nhiễu laser như nhiễu cạ nh tranh mode và nhiễu pha Để đạt được mức BER thấp và đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt, việc kiểm soát nhiễu thấp là cần thiết.
Bộ thu quang
Phần thu quang bao gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi, có chức năng tiếp nhận tín hiệu quang và tách tín hiệu từ phía phát Sau đó, nó biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Thông thường, trong phần này, các photodiode PIN hoặc APD được sử dụng để thực hiện quá trình này.
Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là độ nhạy quang, tức là công suất quang tối thiểu cần thiết để đạt được tốc độ truyền dẫn số nhất định, đồng thời đảm bảo tỷ lệ lỗi bít (BER) trong giới hạn cho phép.
Bộ thu quang trong hệ thống WDM
Sợi quang
Cấu tạo sợi quang Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi.
Lớp thứ hai, được gọi là lớp bọc (cladding), có dạng hình trụ bao quanh lõi với đường kính D = 2b Lớp bọc này được chế tạo từ thủy tinh hoặc plastic, có chỉ số chiết suất n2 thấp hơn n1.
Hình 1.4 Cấu trúc tổng quát sợi quang
Phân loại sợi quang Phân loại theo chiết suất:
Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)
Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index) Phân loại theo mode
Sợi đơn mode (Single-Mode)
Sợi đa mode (Multi-Mode)
Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện nay Nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ:
- Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn.
- Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km)
Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:
- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn
- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao.
- Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.
- Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến.
- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).
Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX)
Bộ ghép/ tách kênh bước sóng và bộ kết nối chéo quang là hai thiết bị quan trọng trong hệ thống WDM Khi kết hợp với bộ kết nối chéo quang OXC, chúng tạo ra mạng truyền tải quang có khả năng truyền tải đồng thời và linh hoạt cho mọi loại hình dịch vụ Bộ tách/ghép kênh thực hiện việc ghép và tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau, đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại.
Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:
- Số lượng kênh xử lý
- Giá trị lớn nhất của suy hao xen
- Độ suy hao chen giữa các kênh
(a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX)
(b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX)
(c) Các tham số đặc trưng của bộ MUX/ DEMUX
Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng
Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:
- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh
- Ghép tầng theo từng băng sóng
- Ghép tầng đan xen chẵn lẻ
Bộ xen / rẽ bước sóng: (OADM)
OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) là thiết bị quan trọng trong các mạng quang đô thị và mạng quang đường dài, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội Thiết bị này đặc biệt hữu ích cho các cấu hình mạng tuyến tính và mạng vòng, giúp tối ưu hóa việc quản lý và phân phối tín hiệu quang.
- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua.
Các cấu trúc cho OADM :
- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh
Sau đó một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách thích hợp.
Hình 1.6 Cấu trúc song song
- Cấu trúc song song theo băng (theo modun) : tạo thành bằng cách thiết kế theo từng modun cho cấu trúc song song
Hình 1.7 Cấu trúc song song theo băng
- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi vào OADM.
Hình 1.8 Cấu trúc nối tiếp
Cấu trúc xen rớt theo băng sóng cho phép một nhóm cố định kênh bước sóng thực hiện quá trình xen/rớt tại mỗi nút mạng OADM Các kênh được thiết lập để xen/rớt là các kênh liên tiếp trong một băng sóng, được lọc bởi bộ lọc có băng thông tương ứng Sau khi lọc, các kênh này sẽ được nâng lên mức ghép kênh cao hơn và sau đó được giải ghép thành các kênh bước sóng riêng lẻ.
Hình 1.9 Cấu trúc xen rớt theo băng sóng
Bộ nối chéo quang: (OXC)
OXC là thiết bị được thiết kế để linh hoạt cung cấp dịch vụ và có khả năng đáp ứng nhanh chóng với sự tăng băng thông đột biến của các dịch vụ đa phương tiện.
Hình 1.10 Sơ đồ kết nối OXC
Các yêu cầu đối với OXC :
- Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit
- Giám sát chất lượng truyền dẫn
- Ghép và nhóm tín hiệu
Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier)
Hình 1.11 Khuếch đại quang OLA
Hiện nay, các tuyến thông tin tốc độ cao sử dụng bộ khuếch đại quang như các trạm lặp, chủ yếu là bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum (EDFA) Ưu điểm nổi bật của các bộ khuếch đại này là khả năng khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang mà không cần quá trình chuyển đổi quang-điện (O/E) và điện-quang (E/O).
Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao
Tăng độ nhạy của bộ thu
Nâng cao mức công suất phát
Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời OADM
Nâng cấp đơn giản Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng
Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi
Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi
Không nhạy cảm với phân cực
Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM
Suy hao ghép nối với sợi quang thấp.
Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng
Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA
Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao
Bộ chuyển đổi bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ một bước sóng ở đầu vào sang một bước sóng khác ở đầu ra Trong hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng mang lại nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau.
Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong WDM
Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn.
Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:
Phương pháp trộn bước sóng
Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng
Suy hao xen
Suy hao xen trong hệ thống truyền dẫn quang được xác định là lượng công suất tổn hao do các điểm ghép nối thiết bị WDM với sợi quang và suy hao từ chính các thiết bị ghép Do đó, trong thiết kế thực tế, cần tính toán thêm vài dB ở mỗi đầu kết nối Công thức biểu diễn suy hao xen sẽ được áp dụng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Li là mức suy hao tại bước sóng λ i khi thiết bị được kết nối vào tuyến truyền dẫn, và các tham số này được cung cấp bởi các nhà chế tạo cho từng kênh quang của thiết bị.
- Ii (λ i ), Oi (λ i ) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λ i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép.
- Ii (λ i ), Oi (λ i ) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λ i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ tách.
Xuyên kênh
Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét.
Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:
Các viền phổ của một kênh ảnh hưởng đến băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong các viền phổ tương tự như điều chế công suất trong băng của kênh lân cận.
- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ lọc.
- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode
Cơ chế hoạt động của nó là tán xạ Raman, một hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến Hiện tượng này cho phép công suất quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang ở các bước sóng khác.
Trong bộ tách kênh, không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i với bước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác Tuy nhiên, thực tế luôn có mức xuyên kênh nhất định, ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Khả năng tách biệt các kênh khác nhau được thể hiện qua suy hao xuyên kênh, được đo bằng đơn vị dB.
Trong bộ giải ghép thì Ui (λ k ) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ k bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi
Hình 1.12 Xuyên kênh ở bộ giải ghép
Trong các thiết bị tách hỗn hợp có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần và xuyên âm đầu xa.
Hình 1.13 Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp
- Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như Ui (λj).
- Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ Ii (λk) sinh ra Ui (λj).
Độ rộng kênh
Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và việc phân chia bước sóng như thế nào.
Trong hệ thống viễn thông sử dụng sợi quang hiện nay, bước sóng 1550nm và bộ khuếch đại EDFA là phổ biến Bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA có băng thông tối đa khoảng 30nm Để bố trí 16 kênh trong dải bước sóng này, độ rộng giữa các kênh sẽ là 30nm chia cho 16 kênh, tương đương với 1,875nm Độ rộng kênh được xác định theo công thức tiêu chuẩn λ f = c f = c λ.
Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.10 8 m/s. λ là bước sóng hoạt động.
Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz
Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang
Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA nằm trong khoảng 1530-1550nm Đối với các nguồn phát, nếu nguồn phát đầu tiên phát xạ tại 1530nm, nguồn phát thứ hai cần phát xạ tại 1531,875nm, và các nguồn phát khác cũng tương tự Khi sử dụng diode laser làm nguồn phát quang, độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm Trong trường hợp sử dụng diode LED, độ rộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần so với diode laser, do độ rộng phổ của diode LED rộng hơn.
Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến xuất hiện khi công suất tín hiệu trong sợi quang vượt quá giới hạn của hệ thống WDM Mức công suất này thường thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh.
Các hiệu ứng phi tuyến tác động đến chất lượng của hệ thống WDM được phân thành hai loại chính: hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ).
Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:
Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scattering) xảy ra khi ánh sáng chiếu vào sợi quang, gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi Hiện tượng này làm biến đổi tín hiệu quang, dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM, gây suy giảm tín hiệu quá lớn và hạn chế số kênh của hệ thống.
Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scattering) tương tự như SRS nhưng tạo ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ, chỉ xuất hiện ở hướng sau chiều tán xạ Khi ảnh hưởng càn lớn, ngưỡng công suất cần thiết sẽ giảm xuống.
Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:
Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) xảy ra khi cường độ ánh sáng đưa vào thay đổi, dẫn đến sự biến đổi trong hiệu suất khúc xạ của sợi quang và gây ra biến pha của sóng quang Khi hiệu ứng này kết hợp với tán sắc của sợi quang, nó sẽ tạo ra phổ tần dãn rộng và tích lũy theo chiều dài sợi quang Đặc biệt, sự biến đổi công suất quang càng nhanh thì biến đổi tần số quang càng lớn.
Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation) xảy ra trong các hệ thống nhiều bước sóng, khi hiệu suất khúc xạ thay đổi theo cường độ đầu vào Hiện tượng này dẫn đến việc pha của tín hiệu bị điều chế bởi công suất của các kênh khác.
Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xảy ra khi nhiều tín hiệu quang truyền dẫn cùng lúc trên sợi quang, tạo ra bước sóng mới gây nhiễu và hạn chế số bước sóng có thể sử dụng Các hiệu ứng phi tuyến này gây ra hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, làm giảm công suất tín hiệu của từng kênh, dẫn đến suy giảm tỷ số S/N và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng hệ thống.
Cấu trúc mạng truyền tải quang
Cấu trúc mạng Mesh
Hình 1.15 Cấu trúc mạng Mesh
Các node liên kết vật lý trực tiếp với tất cả node gần nó cung cấp nhiều khả năng định tuyến
Cấu trúc có độ tin cậy cao nhưng kết cấu phức tạp Thường được sử dung trong các mang đòi hỏi độ tin cậy cao
Cấu trúc mạng hình sao
Chọn một node làm trung tâm tín hiệu sẽ được truyền đến các node như hình trên
Cấu trúc mạng đơn giản, cho phép truyền dung lượng lớn
Node trung tâm phải có khả năng truyền và sử lý với dung lượng lớn
1.6.2.2 Cấu trúc mạng hình sao kép
Hình 1.17 Cấu trúc mạng hình sao kép
Tương tự như mang sao đơn nhưng ngoài node trung tâm còn có các thiết bị đầu xa
Cấu trúc kép cho phép sư dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con
Cấu trúc này có nhược điểm do sử dụng thiết bị đấu cuối nên tăng chi phí lắp đặt
Cấu hình phức tạp cũng làm giảm độ tin cậy Khó phát triên dịch vụ băng thông rộng
1.6.2.3 Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp
Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp được ứng dụng thực tế để kết nối các cấu trúc ring riêng biệt, tạo thành một mạng liên kết lớn.
Tốc độ giữa các node trong mang ring thì cao, ngược lại tốc độ giữa các mang ring tương đối chậm
Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp
Hình 1.19 Cấu Trúc mạng Mesh và Ring hai lớp
Tương tự như mạng ring hai lớp mạng mesh và mang ring hai lớp tạo kết nối giữa mang nội bộ với các mang nội bộ khác
Ưu nhược điểm của hệ thống WDM
Ưu điểm
Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM.
Khác với TDM, nơi cần tăng tốc độ dữ liệu khi lưu lượng truyền dẫn gia tăng, WDM chỉ yêu cầu mang theo một vài tín hiệu, với mỗi tín hiệu tương ứng với một bước sóng riêng biệt (kênh quang).
WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang
Nhược điểm
Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.
Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động
CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG HỆ THỐNG
Các dạng điều chế quang Coherent
Điện trường kết hợp với tín hiệu quang có thể được biểu diễn bằng công thức e_s(t) = b(t) E_m cos(w_s t + ϕ_s) Trong đó, tín hiệu số được điều chế là b(t), và tín hiệu điện trường phát ra từ laser bán dẫn e_s(t) có tần số góc w_s Đối với điều chế số nhị phân, b(t) nhận một trong hai giá trị cố định trong mỗi chu kỳ bit, tùy thuộc vào việc bit 1 hay 0 được truyền đi.
2 π là tần số sóng mang
B là băng thông của biên độ được điều chế b(t)
Ta có dạng phổ công suất tín hiệu ASK như sau
Hình 2.3 Phổ công suất của tín hiệu ASK
Trong phần lớn các tình huống thực tế, b(t) = 0 khi truyền các bit 0
Khi đó, ASK được gọi là OOK và giống với sơ đồ điều chế thường được sử dụng cho các hệ thông TTQ số noncoherent IM/DD.
Khác với IM/DD, hệ thống coherent luôn có sự thay đổi về pha khi biên độ thay đổi do dòng điều chế vào laser bán dẫn, và phản ứng của bộ tách sóng phụ thuộc vào pha của tín hiệu thu được Để thực hiện ASK trong hệ thống coherent, cần duy trì S gần như không đổi, điều này đạt được bằng cách vận hành laser bán dẫn liên tục với dòng điện không đổi và điều chế đầu ra bằng bộ điều chế ngoài Tuy nhiên, việc này có thể dẫn đến mất mát công suất do suy hao xen.
Tín hiệu e s (t) sau khi truyền trên sợi quang và đến đầu thu sẽ bị lệch pha với tín hiệu phát một góc s Để khôi phục tín hiệu dải nền, có hai phương pháp: phương pháp đầu tiên là nhân tín hiệu e s (t) với cos (w s t + s), tín hiệu này được tạo ra từ bộ dao động nội; phương pháp thứ hai là bình phương tín hiệu e s (t).
Luồng bit quang được tạo ra thông qua việc điều chế pha, trong khi biên độ và tần số của sóng mang quang vẫn được giữ nguyên Biểu thức toán học cho dạng điều chế PSK được diễn đạt như sau: e s ( t ) =E m cos [ w s t +b ( t ) π ].
Dạng phổ của tín hiệu PSK cũng giống như ASK nhưng có vạch phổ sóng mang.
Phổ tín hiệu PSK cho thấy cường độ quang không đổi qua tất cả các bit, đồng thời tín hiệu được duy trì ở dạng liên tục Điều này tạo ra một đặc điểm nổi bật cho PSK trong việc truyền tải thông tin.
Tách sóng coherent là một bước quan trọng trong PSK, vì nếu tín hiệu quang bị tách sóng trực tiếp mà không kết hợp với đầu ra của bộ dao động nội, mọi thông tin sẽ bị mất.
Thực hiện PSK yêu cầu một bộ điều chế có khả năng thay đổi pha quang dựa trên điện áp Cơ chế vật lý của các bộ điều chế này được gọi là khúc xạ điện.
Việc sử dụng PSK yêu cầu pha của sóng mang quang phải được duy trì ổn định để thông tin về pha có thể được trích xuất chính xác tại máy thu Điều này đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về dung sai độ rộng vạch phổ của laser phát và dao động nội.
Yêu cầu này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng một biến thể của PSK gọi là DPSK.
Trong phương pháp DPSK, thông tin được mã hóa dựa trên sự khác biệt pha giữa hai bit liền kề Cụ thể, nếu s đại diện cho pha của bit thứ k, thì độ lệch pha k - k-1 sẽ thay đổi một lượng là hoặc 0, tùy thuộc vào việc bit thứ k là 1 hay 0 Một trong những ưu điểm nổi bật của DPSK là tín hiệu phát có khả năng được giải điều chế thành công miễn là pha sóng mang giữ ổn định tương đối trong khoảng thời gian của 2 bit.
Loại điều chế này được ưa chuộng trong các hệ thống thực tế do không yêu cầu bộ giải điều chế phức tạp, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng tốt.
Thông tin được mã hóa trên sóng mang quang bằng cách điều chỉnh tần số sóng w_s, tạo ra hai giá trị tần số là (w_s - Δw) và (w_s + Δw) Sự điều chỉnh này phụ thuộc vào tín hiệu phát đi, với bit 0 tương ứng với một giá trị và bit 1 với giá trị còn lại.
Độ dịch tần số, ký hiệu là f = w/2, được gọi là độ lệch tần Đại lượng 2f thường được gọi là khoảng cách tone, vì nó biểu thị khoảng cách tần số giữa bit 1 và bit 0 Trường quang của FSK có thể được diễn đạt bằng công thức: e s ( t ) =E m cos [ w s t +b ( t ) 2 πΔf ].
FSK có thể được xem là một kiểu điều chế pha sao cho pha sóng mang tăng hoặc giảm tuyến tính trong khoảng thời gian bit.
Việc lựa chọn f phụ thuộc vào băng tần khả dụng Tổng băng tần của FSK xấp xỉ là f+ B, trong đó B là tốc độ bit.
Tỷ số β = 2 B Δf được gọi là tỉ số điều chế nhằm phân biệt hai trường hợp
Khi có nghĩa là f >> B, băng tần ≈ f và gần như độc lập với
B Trường hợp này được gọi là FSK băng rộng Dạng phổ có dạng được chia làm hai thành phần tập trung xung quanh (f s - f) và (f s + f).
Hình 2.5 Phổ của tín hiệu FSK
Khi β