thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA

thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA

Thiết kế hệ thống thông tin quang NỘI DUNG 1. Bài toán 2 2. Yêu cầu 2 3. Phương án thiết kế 2 4.Thiết kế mạng DWDM 3 4.1.Thiết kế phía phát: 3 4.2.Thiết kế bộ thu quang: 4 4.3 Thiết kế môi trường truyền dẫn: 5 4.4 Lắp đặt các thiết bị đo 11 . 4.5. Mô hình mô phỏng toàn hệ thống 11 4.6 .Thiết lập thông số toàn cục 12 5. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………… 16 5.1. Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu 17 5.2. Thay đổi của các tham số để đạt được BER = 10 -12 : 24 1. Bài toán. 1 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA, với các yêu cầu thiết kế như sau: • Tốc độ bit: 10 Gbit/s • Cự ly truyền dẫn 600Km • Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh 2. Yêu cầu a. Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế. Lưu ý: các tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) được thiết lập như sau • Tốc độ bit: 10 Gbit/s • Chiều dài chuỗi: 128 bits • Số mẫu trong 1 bit: 64 b. Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các vị trí phù hợp để xác định được chất lượng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến. Các thiết bị đo cơ bản: - Thiết bị đo công suất quang - Thiết bị phân tích phổ quang - Thiết bị đo BER d. Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến e. Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER = 10 -12 3. Phương án thiết kế • Loại sợi: Sợi quang dịch tán sắc khác không (G.655) • Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser. -Phương thức điều chế: điều chế ngoài • Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel 4.Thiết kế mạng DWDM 2 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang 4.1.Thiết kế phía phát: • Nguồn phát quang lazer CW lazer • Bộ phát xung NRZ pulse genarator • Bộ phát bít điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, điều chế Mach-zehnder Modulator. • Để lấy các thiết bị này ta lần lượt kích chuột vào kéo ra màn hình Layout. - Máy phát điện Pseudom –Radom bit sẽ phát tín hiệu điện tới bộ NRZ (hoặc RZ) để phát các bộ NRZ (hoặc RZ ) phát các xung điện. - Tín hiệu tại đầu ra của bộ NRZ (RZ) là các xung điện được đưa vào một đầu vào của bộ điều chế Mach-Zehnder . - Bộ phát CW lazer phát tín hiệu quang được đưa vào đầu vào ( cổng các nhà cung cấp) của bộ điều chế Mach-Zehnder. Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát. Thiết bị được xắp xếp như trên được gọi là phương pháp điều chế ngoài. Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1 • Bộ phát điện (bit) (pseudo- random): Default->Transmitter -> Bit sequency. • Máy phát xung : Default-> transmiter-> Pulse generator-> electrical • Máy phát quang lazer : Default->Transmitter->optical sources • Bộ điều chế quang (Modulators optical): Default-> Transmitter-> Optical Modulators. • Bộ ghép kênh: Mux do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1. Default-> WDM multiplexers Library-> Multiplexers. 3 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang - Nguyên lý hoạt động của phía phát: các nguồn tín hiệu quang phát ra các tín hiệu quang có tần số khác nhau : f1,f2,f3,f4. Được đưa tới bộ điều chế Mach-Zehnder Modulator để thực hiện điều chế ngoài. Như vậy tại đầu ra của 4 bộ này là bốn bước sóng của các nguồn phát quang đưa tới. Do hệ thống 4 kênh nên tín hiệu quang tại đầu ra của 4 bộ điều chế này sẽ được đưa tới bộ ghép kênh Mux 4x1 nhằm ghép các kênh có bước sóng tương ứng với các tần số mà bộ phát quang đưa tới. Các kênh bước sóng này được ghép lại để truyền trên cùng một đường truyền vật lý đó là hệ thống cáp quang ( sử dụng sợi G655 và bộ khuếch đại EDFA). 4.2.Thiết kế bộ thu quang: Bộ thu quang bao gồm các thiết bị thu như: Bộ tách kênh Demux 1x4, PIN, APD nhưng trong nội dung thiết kế hệ thống WDM sử dụng chủ yếu là PIN, kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel. Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, Osilo, genarator 3R được đặt ở vị trí thích hợp. 4 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Bộ tách kênh demux 4x1: Defaults-> WDM multiplexrs lybrary-> Demultyplexers. • Bộ thu quang (PIN): Defaults-> receiverw Library-> Photodetectors. • Bộ lọc thông thấp (fiters Lybrary): Default-> Filters Library-> Electrical-> Lowpass Besel Fiter. • Các bộ Genarator 3R: Default-> Receiver Library-> genarator 3R. • Các máy đo Ber: Default-> Visualzer-> Electrical-> Ber. 4.3 Thiết kế môi trường truyền dẫn: • Do môi trường truyền dẫn trong đề bài yêu cầu sử dụng sợi quang G655(sợi quang dịch tán sắc khác không) như vậy cần phải thiết kế sợi quang G655 với các thông số đặc trưng. Các tham số đặc trưng của sợi quang G 655. Chi tiết trong bảng sau. 5 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Tiêu chuẩn ITU –T G.655: NZ – DSF là loại cáp quang truyền tốc độ cao cự ly xa. Đặc biệt thích hợp cho hệ thống ghép bước sóng mật độ cao. ĐẶC ĐIỂM CHI TIẾT Giá Trị Đvt A B C Dung sai ± 0,7 ± 0,7 ± 0,7 mm Đường kính lớp vỏ phản xạ Danh định 125 125 125 mm 6 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Dung sai ± 0,1 ± 0,1 ± 0,1 mm Sai số đồng tâm của sợi quang Cực đại 0,8 0,8 0,8 mm Độ không tròn đều của vỏ phản xạ Cực đại 2,0 2,0 2,0 % Bước sóng cắt đã bọc thành cáp Cực đại 1450 1450 1450 Nm Suy hao do uốn cong Bán kính uốn 30 30 30 mm Số vòng uốn cong 100 100 100 Cực đại ở 1550nm 0,50 0,50 0,50 dB Ứng suất thử Nhỏ nhất 0,69 0,69 0,69 GPa Hệ số tán sắc Chromatic trong vùng bước sóng 1530 và 1565 lmin vàlmax 1530 và 1625 1530 và 1625 1530 và 1625 nm Dmin 0,1 1,0 1,0 Ps/nm*km Dmax 6,0 10,0 10,0 Ps/nm*km Dấu + or - + or - + or - Dmax - Dmin - £ 5,0 £ 5,0 Ps/nm*km Hệ số tán sắc lomin - TBD TBD - 7 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Chromatic trong vùng bước sóng 1565 và 1625 vàlomax Dmin - TBD TBD - Dmax - TBD TBD - Đường kính trường mốt Bước sóng 1550 1550 1550 nm Danh định 8 - 11 8 - 11 8 - 11 mm Dấu + or - + or - + or - Hệ số tán sắc mốt phân cực của sợi quang không bọc Max Chú ý:1 Chú ý:1 Chú ý:1 Chú ý:1 ĐẶC ĐIỂM CHI TIẾT Giá trị cáp quang Đvt A B C Hệ số tán sắc mốt phân cực của cáp quang. M 20 20 20 cables Q 0,01 0,01 0,01 % Cực đại PMD Q 0,5 0,5 0,2 Ps/km 1/2 Hệ số suy hao Max ở 1550 nm 0.35 0,35 0,35 dB/km  Đặc điểm của sợi quang G655 (NZ-DSF): 8 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Các sợi quang này có tán sắc mầu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1550nm. Điều này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong khi vẫn giữ được ưu điểm của các sợi DSF. • Tất cả các sợi NZ-DSF được chế tạo có giá trị tán sắc khác 0 rất nhỏ ở dải C nhưng vẫn có giá trị không ngoài dải C, nằm trong dải L hoặc dải S. Trong những trường hợp này một phần lớn của dải băng xung quanh bước sóng sẽ không dùng cho hiện tượng trộn 4 bước sóng. Như vậy sợi G655 sẽ làm giảm hiệu ứng trộn bốn bước sóng trong hệ thống WDM. • Tán sắc mầu ngoài việc phải có giá trị nhỏ, còn phải có độ dốc nhỏ (đối với bước sóng ). Độ dốc nhỏ làm giảm độ trải rộng xung do tán sắc tích lũy giữa các kênh khác nhau trong một hệ thống WDM. Nếu độ trải rộng nhỏ , tức là tán sắc màu tích lũy trên các kênh khác nhau gần như là đồng chất , có thể bù tán sắc màu tích lũy trên tất cả các kênh bằng một bộ bằng một bộ bù tán sắc duy nhất (DCF). Phương pháp này rẻ hơn nhiều khi sử dụng bù tán sắc trên mỗi kênh. • Độ dốc tán sắc mầu của các sợi True Wave RS có giá trị độ dốc tán sắc nhỏ hơn khoảng 0.05ps/nm.km 2 • Độ dốc tán sắc đối với các sợi NRZ khác có giá trị trong khoảng 0.07 đến 0,4 ps/nm.km 2 • Hệ số tán sắc mode phân cực PMD <= 0.1ps/(km) 1/2 • Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm là :0.22dB/km.  Các bước thiết kế sợi G655: • Bước 1: Truy nhập thư viện : Defaults-> optical fibers library-> optical fibers. • Bước 2: Kích đúp vào sợi cáp và thay đổi các thông số của sợi. Khi kích đúp vào sợi quang thì xuất hiện bảng:  Mục Main • Label : cho phép ta thay đổi tên của sợi quạng (Đặt là G655). • Length : cho phép thay đổi chiều dài của sợi quang. • Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang : với sợi này tại cửa sổ 1550 có suy hao là 0.35dB/km.  Mục Disp cho thay đổi giá trị của tán sắc và độ dốc tán sắc . 9 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Dispersion: Nhập giá trị 6 ps/nm/km • Dispersion Slope: Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.09 ( hoặc 0.07, 0.05 tùy ta dùng sợi dịch tán săc nào) ps/nm2/km. Thường thì ta chọn giá trị là 0.09ps/nm2/km. Mục PMD hệ số tán sắc mode phân cực có giá trị lớn nhất là 0.1ps/km1/2 Nhập giá trị này và tích vào mục Disp, kết thúc bằng OK.  Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng chúng ta sử dụng bộ Sloop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp. Cấu trúc truy nhập Loop : Defaults-> Tools-> Sloop control. Việc thay đổi giá trị Loop cho phép ta thay đổi số vòng lặp tùy theo chiều dài của sợi sử dụng, và nếu như hệ thống truyền tốc độ cao có sự suy hao tán sắc thì cần dùng thêm bộ bù tán sắc DCF hợp lý. Giả sử cự ly truyền dẫn là 600km: Nếu ta chọn sợi G655 dài 100Km, sợi DCF dài 10km thì ta sẽ Loop= 600/100= 6 lần. Việc thay đổi Loop cũng được thực hiện bởi việc kích đúp Loop control và thay đổi thông số, kết thúc bằng OK.  Thiết kế sợi bù tán sắc: Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng sợi bù tán sắc DCF. Theo tính toán tính chất của sợi bù tán sắc ta chọn sợi tán sắc có chiều dài 10km + Tính toán thông số của sợi bù tán sắc: • Sợi G655 có chiều dài là L1= 100km. • Độ tán sắc là : D1= 4.4 ps/nm.km. • Độ dốc tán sắc : 0.09ps/nm^2.km. • Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) là L2 =10km • Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2.= -100×4.4/10=- 44 ps/nm.km. • Độ dốc tán sắc :- 0.72ps/nm^2.km. Để thiết kế sợi DCF chúng ta thực hiện truy nhập thư viện : Defaults-> cable optical. Để lấy sợi quang và kéo ra màn hình layout. Sau đó kích đúp và thay đổi các thông số và kết thúc bằng OK 10 Nhóm 4 [...]...  Thông số sợi quang:  Thông số bộ khuếch đại EDFA: 5.2.1 Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu  Quang phổ tín hiệu phát: 17 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Quang phổ tín hiệu thu: 18 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Công suất tín hiệu phát:  Công suất tín hiệu thu:  Tỉ lệ lỗi bit BER: • Kênh 1 19 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Kênh 2 20 Nhóm 4 Thiết kế. . .Thiết kế hệ thống thông tin quang  Khuếch đại tín hiệu (EDFA) : Defaults-> Amplifiers otipcal-> EDFA -> Optical Amplifier Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây ra suy hao sợi quang, và suy giảm công suất phát tín hiệu Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện đối với hệ thống WDM sử dụng bộ khuếc đại EDFA Với hệ số khuếch đại G đúng... Kênh 2 20 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang 21 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Kênh 3 Kênh 4 22 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang 5.2 Thay đổi của các tham số để đạt được BER = 10-12: Theo lý thuyết tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc vào công suất phát và nhiều thông số khác như băng tần quang suy hao trung bình Trong thiết kế, nếu BER (hoặc eSNR) tại... muốn đạt kết quả như yêu cầu ta có thể thay đổi công suất phát tại máy phát hoặc các thông số khác có liên quan để có được BER như ý Nhưng trong hệ thống thông tin sợi quang, các thông số thường được chọn cố định, chỉ có công suất phát dễ thay đổi nhờ có công suất dự phòng Như vậy, để đạt được BER (hoặc eSNR) theo yêu cầu thiết kế, ta thường thay đổi công suất phát Hệ thống sử dụng chuỗi EDFA sẽ tạo... thống thông tin quang - - 29 Kênh 3: Kênh 4: Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Kết luận: Bài báo cáo chúng em xin được kết thúc tại đây Mặc dù rất cố gắng trong quá trình thiết kế, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế và thiếu sót, rất mong được sự góp ý của thầy giáo và các bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn - Sợi quang G655 thích... suất, thiết bị phân tích phổ điện, thiết bị đo Ber, thiết bị Osilo • Thiết bị đo quang: quan tâm chủ yếu thiết bị công suất quang, thiết bị phân tích phổ quang theo miền tần số, theo miền thời gian 4.5 Mô hình mô phỏng toàn hệ thống 4.6 Thiết lập thông số toàn cục Các tham số toàn cục bao gồm có: • • 11 Tốc độ bít ( bít rate)= 10Gbit/s Chiều dài chuỗi bít (Bít Sequence length)= 128 bít Nhóm 4 Thiết kế hệ. .. Ta có công thức tính BER khi biết eSNR như sau: Với 25 Nhóm 4 (7) Thiết kế hệ thống thông tin quang Vậy : Ta thay giá trị của BER= 10-12 ta tính ra được eSNR = 1,98.102 Áp dụng vào bài toán thiết kế ta có các thông số - Tốc độ bít - Tỷ lệ lỗi bit - Băng tần điện Rb = 2,5Ghz BER = 10-12 Be = Rb = 2,5 (5 và 7,5) Ghz - Suy hao trung bình toàn tuyến α = 0,21dB/km - Băng tần quang Thông thường khi không có. .. toán, giả thiết rằng có k EDFA giống nhau tức là: G=G j, nsp=nspj, Psp=Pspj; lúc này ta có công thức tính các nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA σ 24 2 s − sp 4 Be ℜ 2 Ptx kPsp 12 = 10 ( pA 2 ) mt B0 n0 nk Nhóm 4 (4) (5) Thiết kế hệ thống thông tin quang Ta có công thức tính eSNR trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau  P kPsp  12 2 2 σ sh = 2eBe ℜ  tx + 10 ( pA )  n0 n k  (6) 2 2... 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Tại mục Power cho phép ta nhập công suất phát quang có giá trị phù hợp với từng kênh  Quy tắc thay đổi giá trị của các tham số hệ thống: Do hệ thống truyền với tốc độ cao trên một cự ly dài Tuy sợi quang dịch tán sắc có độ tán sắc nhỏ và độ dốc tán sắc nhỏ Điều này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tới mạch nhưng đồng thời khi truyền các kênh có bước... nguồn quang ban đầu, dựa vào kết quả của tỷ lệ lỗi bits từng kênh ta thay đổi cụ thể như sau: • Kênh 1: Power = 4 dBm • Kênh 2: Power = 5 dBm • Kênh 3: Power = 5 dBm • Kênh 4: Power = 3 dBm Sau khi chạy lại ta thu được kết quả như sau:  Công suất tín hiệu phát: 27 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Công suất tín hiệu thu:  Tỷ lệ lỗi bits BER: - - 28 Kênh 1: Kênh 2: Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông . Bài toán. 1 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA, với các yêu cầu thiết kế như sau: • Tốc độ bit:. Thiết kế hệ thống thông tin quang NỘI DUNG 1. Bài toán 2 2. Yêu cầu 2 3. Phương án thiết kế 2 4.Thiết kế mạng DWDM 3 4.1.Thiết kế phía phát: 3 4.2.Thiết kế bộ thu quang: 4 4.3 Thiết kế. thanh công cụ.  Thông số nguồn Laser  Thông số bộ ghép kênh quang WDM: 16 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Thông số sợi quang:  Thông số bộ khuếch đại EDFA: 5.2.1. Kết quả mô phỏng