luận văn thạc sĩ kỹ thuật ghép kênh quang pptx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI : KĨ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ: TRIỆU QUỐC KHANH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NAM QUÂN Hà Nội , năm 2011 Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc Khanh - 2 - LI NểI U Trong nhng nm gn õy chỳng ta ó chng kin s phỏt trin vt bc cu khoa hc k thut. c bit l lnh vc in T Vin Thụng v cụng ngh thụng tin. Song hnh cựng ú cụng ngh truyn dn cng phỏt trin vi tc rt cao. Ni tri lờn l cụng ngh truyn dn quang. Vi nhng u th v cụng ngh nh bng thụng rng , c ly xa, cht lng thụng tin tt, dung lng cao, gim bt s nh hng ca súng in t Hin nay thụng tin quang ó t c nhiu tin b ỏng k. Trong ú phi núi n k thut ghộp kờnh quang. Nú thc hin ghộp tớn hiu ỏnh sỏng truyn dn trờn si quang. Ghộp kờnh quang nhm mc ớch tng dung lng gim suy hao ca kờnh truyn dn v cú kh nng to ra nhng kờnh thụng tin cú tc rt cao , gim c chi phớ u t. c im chớnh ca k thut ghộp kờnh quang l cụng ngh ghộp kờnh quang theo bc súng WDM ( Wavelength Division Multiplexer ). c s giỳp , hng dn, ch bo tn tỡnh ca TS Nguyn Nam Quõn , s hp dn ca cụng ngh , cựng vi nhng kin thc ó hc ti khoa Cụng ngh in t Thụng tin Vin i hc M H Ni hc viờn Triu Quc Khanh ó chon ti cho lun vn tt nghip ca mỡnh l K thut ghộp kờnh quang . Ton b ni dung ca lun vn c trỡnh by bao gm 5 chng v phn kt lun chung c xõy dng trờn c s tham kho thờm mt s ti liu. Chng 1 Gii thiu nhng khỏi nim , nhng nguyờn lý c bn v nhng c im chớnh ca cụng ngh ghộp kờnh quang theo bc súng WDM ( Wavelength Division Multiplexer) Chng 2 - t n mt s phn t trong thit b WDM nh kt cu c bn, nguyờn lý hot ng ca h thng WDM. Phn t phỏt quang, phn t thu quang, cỏc b ghộp kờnh quang. Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc Khanh - 3 - Chng 3 - t n mt s vn hn ch ca cụng ngh WDM. Nh khong cỏch kờnh bc súng vi vn xuyờn õm gia cỏc kờnh, vn suy hao, vn tỏn sc vi bự sc, vn nh hng ca hiu ng phi tuyn. Chng 4 Núi v mt s thit b ca h thng WDM trong ú cú thit b OADM, thit b khuch i si quang, thit b ni chộo OXC. Chng 5 - t ti nhng ng dng ca WDM vo mng truyn ti trong ú cú gii thiu qua v mng truyn ti v quỏ trỡnh phỏt trin ca nú, cu trỳc mng truyn ti da trờn cụng ngh WDM, vn bo v v khụi phc trong mng WDM. Trong qua trỡnh thc hin lun vn ny do kin thc cũn cú hn , thiu v thc t , kinh nghim chuyờn mụn nờn em cha th hin ht v cht ch mi vn . Khụng th trỏnh khi nhng thiu sút . Kinh mong cỏc thy trong hi ng ca khoa gúp ý b xung thờm giỳp em lun vn hon thin hn v cú tớnh thc t . Em xin chõn thnh cm n! Hc viờn thc hin : Triu Quc Khanh §¹i Häc Më Hµ Néi LuËn v¨n tèt nghiÖp TriÖu Quèc Khanh - 4 - Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1.KHÁI NIỆM WDM Kể từ khi hệ thống truyền dẫn quang được đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, với các ưu điểm của mình về băng thông, về cự ly, chất lượng thông tin không bị ảnh hưởng của sóng điện từ, v.v… Càng ngày các dịch vụ viễn thông càng trở nên đa dạng và phức tạp với một nhu cầu về lưu lượng ngày càng lớn như các dịch vụ internet, ISDN, v.v… Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, trong đó phải kể đến kĩ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền dẫn trên sợi quang. Ở đây, việc thực hiện ghép kênh sẽ không có một quá trình biến đổi điện nào. Mục tiêu của ghép kênh quang nhằm tăng dung lượng kênh truyền dẫn, bên cạnh đó nó còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao. Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức nào đó người ta thấy các hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn. Ví dụ khi tốc độ đạt tới hàng chục Gb/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kì hẹp, thêm vào đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém do cơ cấu hoạt động đòi hỏi công nghệ rất cao. Do đó, kĩ thuật ghép kênh quang đã ra đời và khắc phục được những hạn chế trên. Mặc dù vậy, trong các hệ thống thông tin điểm nối điểm thông thường trước đây, một sợi quang chỉ truyền dẫn một bước sóng, với một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Với một hệ thống như vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ(hình 1.1). §¹i Häc Më Hµ Néi LuËn v¨n tèt nghiÖp TriÖu Quèc Khanh - 5 - Bên cạnh đó, nếu ta muốn tăng dung lượng của hệ thống thì phải thêm sợi quang. Để giải quyết cả hai vấn đề trên người ta nảy ra ý tưởng truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang khác nhau với các bước sóng khác nhau cho các nguồn thông tin độc lập. Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này. Vậy công nghệ WDM là gì ? Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang. Nguyên lý cơ bản là tín hiệu quang có bước sóng khác nhau ở đầu vào được tổ hợp lại (ghép kênh) và phối ghép trên cùng một sợi quang của đường dây cáp quang để truyền dẫn, ở đầu thu tín hiệu bước sóng tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh) và xử lý khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau, do đó gọi công nghệ này là ghép kênh chia bước sóng quang hay còn gọi tắt là công nghệ ghép kênh bước sóng. Công nghệ WDM ra đời nhằm khai thác đầy đủ tiềm năng băng rộng của sợi quang, thực hiện thông tin siêu cao tốc có ý nghĩa rất quan trọng nhất là hiện nay có thêm bộ khuếch đại trộn Erbium (EDFA) thì WDM càng có sức hấp dẫn to lớn với mạng thông tin hiện đại. Hấp thụ do tạp chất Tán xạ Rayleigh Hấp thụ đi ện tử Hấp thụ V ật liệu Bước sóng (µm) 0,01 0,1 1 1 0 0,02 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Hình 1.1 Đặc tính suy hao sợi quang theo bước song Hệ số suy hao (dB/km) §¹i Häc Më Hµ Néi LuËn v¨n tèt nghiÖp TriÖu Quèc Khanh - 6 - Sợi quang O( λ 1 λ n ) MUX MUX I 1 ( λ 1 ) I n ( λ n ) O 1 ( λ 1 ) O n ( λ n ) I( λ 1 λ n ) Hình 1. 2 Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng 1.2.NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA WDM. Nguyên lý cơ bản WDM có thể minh hoạ như ở hình 1.2 Giả sử có các nguồn làm việc ở các bước sóng khác nhau λ 1 , λ 2 , λ 3 , , λ j , , λ n . Các tín hiệu quang ở các bước sóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi dẫn quang. Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép lại ở phía phát nhờ bộ ghép kênh; bộ ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ và tín hiệu sau khi được ghép sẽ được truyền theo sợi tới phía thu. Các bộ tách sóng khác nhau ở phía đầu thu sẽ nhận lại các luồng tín hiệu với các bước sóng riêng rẽ này sau khi chúng qua bộ giải ghép bước sóng. Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang WDM. * Truyền dẫn một chiều hai sợi (hình 1.3) WDM một chiều là tất cả các kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều, ở đầu phát mang các tín hiệu có bước sóng khác nhau và đã điều chế λ 1 , λ 2 , , λ n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn. ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc Khanh - 7 - n 1 n B ghộp kờnh B tỏch kờnh M ỏy phỏt quang Mỏy phỏt quang Mỏy thu quang Mỏy thu quang 1 n 1 2 n Si quang n 1 B tỏch kờnh B ghộp kờnh Mỏy thu quang Mỏy thu quang Mỏy phỏt quang Mỏy phỏt quang 1 n 1 2 n Si quang Hỡnh 1.3 S trruyn dn mt chiu trờn hai si quang hiu cú bc súng khỏc nhau, hon thnh truyn dn tớn hiu quang, hng ngc li truyn dn qua mt si quang khỏc, nguyờn lý ging nh trờn. * Truyn dn hai chiu mt si (hỡnh 1.4) WDM hai chiu l kờnh quang trờn mi si cựng truyn dn theo hai chiu khỏc nhau, dựng cỏc bc súng tỏch ri nhau thụng tin hai chiu (song cụng). V mt phỏt trin v ng dng h thng WDM mt chiu tng i rng rói. H thng WDM hai chiu thỡ yờu cu phỏt trin v ng dng cao hn, ú l vỡ khi thit k v ng dng h thng WDM hai chiu cn phi xem xột n nhõn t ca cỏc h thng then cht, nh hn ch can nhiu xuyờn kờnh (MPI) cn phi chỳ ý n cỏc vn nh hng ca phn x quang, cỏch ly gia cỏc kờnh hai chiu, tr s v loi hỡnh ca xuyờn õm, tr s mc in ca cụng sut truyn dn trờn hai chiu v s ph thuc vo nhau gia chỳng, Nhng i vi h thng WDM mt chiu thỡ h thng WDM hai chiu gim c s lng b khuch i si quang v ng dõy. Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc Khanh - 8 - Mỏy phỏt quang Mỏy phỏt quang Mỏy thu quang Mỏy thu quang - - - - - - B ghộp/tỏch kờnh B ghộp/tỏch kờnh Mỏy thu quang Mỏy thu quang Mỏy phỏt quang Mỏy phỏt quang - - - - - - 1 n 1 n 1 n 1 n 1 n Si quang 1 2 n 1 2 n Hỡnh 1.4- S truyn dn hai chiu trờn mt si quang 1.3.C IM CHNH CA CễNG NGH WDM 1.3.1 Tn dng c ti nguyờn di tn rt rng ca si quang Cụng ngh WDM tn dng ti nguyờn bng rng to ln ca si quang(on súng tn hao thp), lm cho dung lng truyn dn ca mt si quang so vi truyn dn bc súng n tng t vi ln n vi chc ln, t ú tng dung lng truyn dn ca si quang, h giỏ thnh, cú giỏ tr ng dng v giỏ tr kinh t rt ln. Vớ d, hin nay h thng thụng tin si quang ch truyn dn trong mt kờnh tớn hiu bc súng, m bn thõn si quang trong khu vc bc súng cú khu vc tn hao thp rt rng, cú rt nhiu bc súng cú th s dng nh hin nay, ngi ta s dng ch l mt b phn rt nh trong ph tn tn hao thp ca si quang. Mc dự s dng ton b di tn khu vc khuch i ca b khuch i si quang trn Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc Khanh - 9 - Erbium (EDFA) (1530 1565nm), cng ch chim 1/6 di tn ca nú. Cho nờn cụng ngh WDM tn dng rng bng rt ln ca si quang n mode, do ú mc rt ln ó gii quyt vn gii tn truyn dn 1.3.2 ng thi truyn dn nhiu tớn hiu Vỡ trong cụng ngh WDM s dng cỏc bc súng c lp vi nhau, do ú cú th truyn dn nhng tớn hiu cú c tớnh hon ton khỏc nhau, thc hin vic tng hp v chia cỏc tớn hiu dch v vin thụng, bao gm tớn hiu s v tớn hiu tng t, tớn hiu PDH v tớn hiu SDH, truyn dn hn hp tớn hiu a phng tin(nh õm tn, th tn, s liu, vn bn, ho ). 1.3.3 Thc hin truyn dn hai chiu trờn mt si quang Do nhiu phng tin thụng tin u dựng phng thc hon ton song cụng(nh in thoi), do ú dựng cụng ngh WDM cú th tit kim c lng u t ln cho ng dõy. 1.3.4 Nhiu ng dng Cn c vo nhu cu, cụng ngh WDM cú th cú th cú rt nhiu ng dng nh: mng ng trc ng di, mng phõn phi kiu qung bỏ, do ú rt quan trng i vi ng dng mng. 1.3.5 Tit kim u t cho ng dõy Do cụng ngh WDM cú th ghộp kờnh N bc súng truyn dn trong mt si quang n mode, vỡ vy khi khong cỏch v dung lng ng truyn tng lờn ta cú th tit kim c s lng ln si quang. Bờn cnh ú, cụng ngh WDM cũn thun tin cho vic m rng dung lng h thng thụng tin si quang ó xõy dng, ch cn h thng c cú d cụng sut tng i ln, thỡ cú th tng thờm dung lng m khụng cn phi thay i nhiu i vi h thng c. §¹i Häc Më Hµ Néi LuËn v¨n tèt nghiÖp TriÖu Quèc Khanh - 10 - 1.3.6 Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện Khi tốc độ truyền dẫn tăng lên, tốc độ tương ứng của nhiều linh kiện quang điện là không đủ. Về mặt này công nghệ WDM có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại có thể truyền dẫn dung lượng lớn. 1.3.7 Kênh truyền dẫn IP Ghép kênh bước sóng đối với khuôn dạng(format) số liệu là trong suốt, tức là không có quan hệ gì với tốc độ của tín hiệu và phương thức điều chế về điện. Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý tưởng, là cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới(ví dụ IP, ). Thông qua việc tăng thêm một bước sóng phụ có thể đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng mới mong muốn, thí dụ hiện nay hoặc sau này thực hiện công nghệ IP trên WDM. 1.3.8 Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng Sử dụng công nghệ WDM trong việc trọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai. [...]... mỏy phỏt quang, b khuch i chuyn tip quang, mỏy thu quang, kờnh tớn hiu iu khin giỏm sỏt quang v h thng qun lý (xem hỡnh 2.1) 1 n Si quang Mỏy phỏt quang B chuyn B chuyn B ghộp súng quang Khuch i trung k quang BA S B phỏt tớn hiu iu khin giỏm sỏt kờnh quang Si quang Mỏy thu quang B Tỏch súng quang PA LA S Thu/phỏt tớn hiu iu khin giỏm sỏt kờnh B thu 1 B thu n B phỏt tớn hiu iu khin giỏm sỏt kờnh quang. .. tỏch súng quang 2.4 CC B GHẫP KấNH QUANG 2.4.1 Cỏc b lc quang Luận văn tốt nghiệp - 21 - Triệu Quốc Khanh Đại Học Mở Hà Nội Nhng linh kin ch cho phộp bc súng nht nh i qua gi l b lc quang hoc gi l b lc súng quang Nu bc súng(tn s) qua nú cú th bin i thỡ gi l b lc quang cú iu chnh bc súng Linh kin ny cú giỏ tr ng dng rng rói h thng ghộp kờnh theo bc súng v h thng chuyn mch quang, l linh kin quang rt tiờn... min ph t do v ph rng Luận văn tốt nghiệp - 27 - Triệu Quốc Khanh Đại Học Mở Hà Nội u vo u ra M N L FSR FSR 0 BW Tn s (f) Hỡnh 2.16: S khoang cng hng F P v c tớnh truyn dn quang b) Mt s b lc quang cú iu chnh b1 B lc quang cú iu chnh kiu si quang hỡnh khoang F P Hỡnh 2.17 cho thy kt cu ca b lc quang cú iu chnh kiu khe khụng khớ Si quang kớnh PZT kớnh PZT Hỡnh 2.17: B lc quang F - P cú iu chnh kiu... t ti vi chc KHz Kớn h PZT PZT Si quang n mt Hỡnh 2.18: B lc quang F- P cú th iu chnh kiu ng bin b2 B lc quang vũng si quang kiu khoang bng phng Di õy gii thiu mt b lc quang khỏc nh hỡnh 2.19 Dựng mt b phi ghộp phng hng ni hai u si quang (thụng qua ni núng chy), hỡnh thnh vũng kt cu khoang cng hng kiu khoang bng phng Nú cng cú iu kin pha, tc l khi quang trỡnh ca nhỏnh quang hỡnh trũn gõy ra lch pha bng... cui SDH), sau ú c b chuyn phỏt quang (OTU) chuyn hoỏ thnh tớn hiu phự hp B hp súng tp hp tớn hiu nhiu kờnh quang; qua b khuch i cụng sut (BA) khuch i v a ra tớn hiu nhiu kờnh quang Sau khi truyn dn qua si quang c ly di (80 120km), cn phi khuch i chuyn tip i vi tớn hiu quang Hin nay thng s dng b khuch i si quang trn Erbium (EDFA) u thu, b tin khuch i (PA) khuch i tớn hiu quang kờnh ch suy gim qua truyn... vin thụng) 2.2 PHN T PHT QUANG 2.2.1 Light Emitting Diodes (LED) 2.2.1.1 Cu trỳc ca LED iụt phỏt quang LED l mt loi ngun phỏt quang dựng rt phự hp cho cỏc h thng thụng tin quang cú tc bớt khụng quỏ 200Mbit/s s dng si dn quang a mode Tuy nhiờn ngy nay trong phũng thớ nghim ngi ta cú th s dng tc bớt ti 565Mbớt/s do cú s ci tin cụng ngh cao s dng tt trong cỏc h thng thụng tin quang, LED phi cú cụng... 3 2 4 1 l1 u ni l4 (b) (a) Hỡnh 2.19: (a)B lc quang vũng si quang hỡnh khoang (b)Kt cu ci tin ca b lc quang vũng si quang Luận văn tốt nghiệp - 29 - Triệu Quốc Khanh Đại Học Mở Hà Nội Kt cu nh hỡnh 2.19a cú hai vn khi s dng: mt l im ni bng phng phỏp núng chy s gõy ra tn hao do khụng hon thin; hai l khú t n mc tt nht khi thit k ng kớnh vũng ca vũng si quang, ng kớnh ln quỏ nh hng n min ph t do, ng... tng th ca h thng WDM (mt chiu) Luận văn tốt nghiệp - 11 - Triệu Quốc Khanh Đại Học Mở Hà Nội Mỏy phỏt quang l ht nhõn ca h thng WDM, cn c vo khuyn ngh v tiờu chun ca ITU T Ngoi bc súng trung tõm trong mỏy phỏt kớch quang ca h thng WDM cú yờu cu c bit, cũn cn phi cn c vo cỏc ng dng khỏc nhau ca h thng WDM (ch yu vo loi si quang truyn dn v c ly trung k khụng cú chuyn i quang in) chn mỏy phỏt cú ngng cho... u ca si quang m mt lp phn x cao, u kia m lp chng phn x, gia chỳng mt khong khụng khớ thớch hp Do ú, chiu di ca khoang l gm mt on si quang v khe khụng khớ Trong hỡnh, PZT l gm ỏp in, di s tỏc ng ca tớn hiu in PZT cú th co dón lm bin i khe khụng khớ, lm thay i chiu di ca khoang (L), t ú thc hin vic iu chnh bc súng B lc quang kt cu loi ny cú c cp s lng ca FSR l 10 104GHz, mn t trờn 300 Luận văn tốt... chiu di ca si quang cng iu chnh c chiu di khoang, do ú hỡnh 2.18 cho ta mt kt cu khỏc, tc l gia hai lp mt kớnh lp mt si quang chu nh hng bi PZT, chiu di ton b khoang cng hng do chỳng cựng quyt nh Nguyờn lý lm vic ca kt cu hỡnh 2.18 nh sau: di tỏc dng ca PZT, si quang trong khoang cng hng thay i theo, chiu di thay i, lm cho chiu di khoang (L) thay i t ú iu chnh bc súng Min ph t do ca b lc quang cú kt . tin quang đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, trong đó phải kể đến kĩ thuật ghép kênh quang, nó thực hiện ghép các tín hiệu ánh sáng để truyền dẫn trên sợi quang. Ở đây, việc thực hiện ghép kênh. đi ều khiển giám sát kênh quang Máy phát quang Máy thu quang Khuếch đại trung k ế quang S ợi quang S ợi quang 1 n 1 n Đại Học Mở Hà Nội Luận văn tốt nghiệp Triệu Quốc. tin độc lập. Kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM sẽ thực hiện ý tưởng này. Vậy công nghệ WDM là gì ? Công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là công nghệ trong một sợi quang đồng thời