Bài tập lớn xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thông ======o0o====== BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Đề tài:2 “Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA” Nhóm thực : Trần Văn Đô Đt 11-K54 20090751 Nguyễn Văn Bình Đt 11-K54 20090243 Dương Văn Sinh Đt 11-K54 20092219 Nguyễn Bá Nguyên Đt 11-K54 20091932 LỜI NÓI ĐẦU Bước sang kỉ 21 chứng kiến bùng nổ mạnh mẽ công nghệ thông tinđiện tử viễn thông, đặc biệt lĩnh vực viễn thông thực cách mạng lớn thay đổi sống toàn nhân loại Cùng với phát triển kĩ thuật chuyển mạch , kỹ thuật truyền dẫn không ngừng phát triển đạt thành tựu vô to lớn,và tất nhiên phải kể đến kỹ thuật truyền dẫn cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không môi trường truyền dẫn thay Các hệ thống thông tin quang có ưu điểm bật như: băng thông rộng, cự ly xa , không ảnh hưởng nhiễu khả bảo mật cao, phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Tuy nhiên băng thông quang lớn nên hao phí dùng cho ứng dụng đơn lẻ Vì yêu cầu đặt phải ghép nhiều kênh đường truyền quang Những kỹ thuật ghép kênh quan tâm ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Tuy nhiên khuôn khổ tập lớn chúng em tập trung sâu vào hai kỹ thuật ghép kênh chúng em chọn đề tài “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA” Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống kết mô đạt sử dụng topology để thiết kế hệ thống Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ts.Nguyễn Hoàng Hải tận tình bào giúp đỡ chúng em thời gian qua để hoàn thiện đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu tổng quan Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) công nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.2 Sơ đồ khối tổng quát Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: - Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD 1.3 Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng hình minh hoạ hình 1.2 Hệ thống đơn hướng truyền theo chiều sợi quang Do đó, để truyền thông tin hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều sợi quang nên cần sợi quang để trao đổi thông tin điểm Cả hai hệ thống có ưu nhược điểm riêng Giả sử công nghệ cho phép truyền N bước sóng sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: - Xét dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng - Khi cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) hai đầu liên kết có khả nhận biết cố cách tức thời 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang  Các nguồn quang sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang có  thể Diode Laser (LD) Diode phát quang (LED) Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh sáng nhờ xạ kích thích.Hoạt động Laser dựa hai  tượng : Hiện tượng xạ kích thích tượng cộng hưởng sóng ánh sáng  lan truyền Laser Tín hiệu quang phát từ LD LED có tham số biến đổi tương ứng  với biến đổi tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào phát dạng số tương tự Thiết bị phát quang thực biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng cách biến đổi dòng vào qua nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát bứcxạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát xạ vùng 1100 nm đến 1600 nm  Sử dụng điều biến để giảm chirp, tốc độ điều biến cao tạo định dạng tín hiệu quang khác (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) đảm bảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp bớc sóng xác theo tiêu chuẩn  Yêu cầu với nguồn quang: - Độ xác bước sóng phát: Đây yêu cầu kiên cho hệ thống WDM hoạt động tốt Nói chung, bước sóng đầu bị dao động yếu tốkhác nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách bước sóng thiết độổn định tần số phía phát phải thật cao - Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ định nghĩa độ rộng phổ nguồn quang tính cho bước cắt dB Để tăng nhiều kênh dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách kênh nhỏ độ rộng đường phổ hẹp tốt, không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt điều nguồn phát laser phải nguồn đơn mode (như loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố) - Dòng ngưỡng thấp: Điều làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất việc kích thích laser giảm bớt công suất không mang tin tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng nhiễu (phát sinh có công suất lớn) - Khả điều chỉnh bước sóng: Để tận dụng toàn băng tần sợi quang, nguồn quang phải phát dải 100 nm Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động cần khả điều chỉnh bước sóng - Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, không tuyến tính nguồn quang dẫn việc phát sinh sóng hài cao hơn, tạo xuyên nhiễu kênh - Nhiễu thấp: Có nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu pha, Nhiễu thấp quan trọng để đạt mức BER thấp truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt 1.4.2 Bộ thu quang Phần thu quang gồm tách sóng quang, kênh tuyến tính kênh phục hồi Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần thường sử dụng photodiode PIN APD Yêu cầu quan trọng thu quang công suất quang phải nhỏ (độ nhạy quang) thu tốc độ truyền dẫn số ứng với t lệ lỗi bít (BER) cho phép Bộ thu quang hệ thống WDM 1.4.3 Sợi quang  Cấu tạo sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: - Lớp có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm thủy tinh có chiết suất n1, gọi lõi (core) sợi - Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao quanh lõi nên gọi lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm thủy tinh plastic, có chiết suất n2 < n1  Sợi quang G652 Là sợi đơn mode sử dụng phổ biến mạng lưới viễn thông nhiều nước Nó làm việc cửa sổ: - Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ ps/nm.km) suy hao tương đối lớn - Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km) 1.4.4 Bộ tách / ghép bƣớc song: ( OMUX/ODEMUX)  Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, với vộ kết nối chéo quang, thiết bị quan trọng cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với kết nối chéo quang OXC hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả truyền tải đồng thời suốt loại hình dịch vụ, mà công nghệ hướng tới.Bộ tách/ ghép kênh thực ghép tách tín hiệu bước sóng khác  Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường mô tả theo thông số sau: - Suy hao xen - Số lượng kênh xử lý - Bước sóng trung tâm - Băng thông - Giá trị lớn suy hao xen - Độ suy hao chen kênh điều chế Mach-zehnder Tuyến phát quang gồm kênh quang tích hợp thông quang ghép kênh quang MUX -Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s - Chiều dài chuỗi: 128 bits - Số mẫu bit: 64 Số mẫu =chiều dài chuỗi * số mẫu bit=128x64=8192 Nguồn phát: sử dụng nguồn CW laser(continuos wave laser) :nhằm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi Bộ tạo xung:RZ Bộ tạo chuỗi bit Bộ điều chế Bộ ghép kênh quang (ghép kênh) Toàn tuyến phát kênh quang Tuyến truyền dẫn quang Tuyến thu kênh quang 2.1 Kết mô thu được: Toàn hệ thống thông tin quang Quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Công suất tín hiệu phát: Tổng công suất phát Công suất tín hiệu thu: Công suất tín hiệu thu kênh Đồ thị mắt 2.3 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER= Thay đổi công suất phát laser Tỉ lệ lỗi bit BER: Đồ thị mắt BER kênh thứ thay đổi [...]... riêng (kênh quang) WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang b 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 1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA 1.7.1 Các cấu trúc EDFA Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped... tạo xung:RZ Bộ tạo chuỗi bit Bộ điều chế ngoài Bộ ghép kênh quang (ghép 4 kênh) Toàn tuyến phát 4 kênh quang Tuyến truyền dẫn quang Tuyến thu 4 kênh quang 2.1 Kết quả mô phỏng thu được: Toàn bộ hệ thống thông tin quang Quang phổ của tín hiệu phát Quang phổ của tín hiệu thu Công suất tín hiệu phát: Tổng công suất phát Công suất tín hiệu thu: Công suất tín hiệu thu của kênh 4 Đồ thị mắt 2.3 Kết quả mô... gồm: Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra Quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA  Nguyên lý hoạt động của EDFA Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện: Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng... hệ thống viễn thông dùng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA Băng EDFA khoản 30nm Nếu ta muốn xếp khoảrộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,8 tần số hơn là bước sóng 1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM a.Ưu điểm - Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống - TDM Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín... 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 quang điện  Phương pháp cửa quang   Phương pháp giao thoa Phương pháp trộn bước sóng 1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng 1.5.1 Suy hao xen Được... các bộlọc - Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suấtquang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy 1.5.3 Độ rộng kênh Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống việc phân chia bước sóng như thế nào Hiện nay trong hệ thống viễn thông. .. pulsegenarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ điều chế Mach-zehnder Tuyến phát quang gồm 4 kênh quang được tích hợp thông quang bộ ghép kênh quang MUX -Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s - Chiều dài chuỗi: 128 bits - Số mẫu trong 1 bit: 64 Số mẫu =chiều dài mỗi chuỗi * số mẫu trong 1 bit=128x64=8192 Nguồn phát: sử dụng nguồn CW laser(continuos wave laser) :nhằm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi Bộ. .. để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:  Ghép tầng nối tiếp đơn kênh  Ghép một tầng  Ghép tầng theo từng băng sóng  Ghép tầng đan xen chẵn lẻ 1.4.5 .Bộ chuyển đổi bước sóng  Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau  Tín hiệu có thể... (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3) CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát... sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm t 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 đi vào 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 của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế