Bài tập lớn môn thông tin quang WDM

Định nghĩa Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng đượcghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tinquang ghép kênh the

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một nền kinh tế hết sức năng động và sáng tạo, đòihỏi con người phải luôn luôn tìm tòi học hỏi và phát huy hết khả năng của mình Chính

vì vậy nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng lớn, với chất lượng dịch vụ ngày càng cao.Nhu cầu con người ngày càng tăng cao, đòi hỏi phải có một công nghệ mạng viễnthông tiến tiến Yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa phương tiện, đápứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của con người

Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang(WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn củasợi quang, nâng cao được dung lượng truyền dẫn và làm giảm giá thành sản phẩm Sựphát triển này sẽ mang lại những ưu điểm vượt trội về chất lượng truyền dẫn cao, đặcbiệt là băng thông rộng

1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.

AOTF Acousto Optic Turnable Filter Bộ lọc thanh quang có điều

chỉnh

Grating Multiplexer Bộ ghép kênh lưới quang dẫn sóng kiểu dànATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không

đồng bộ

DCA Distinct Channel Assignment Gán kênh riêng biệt

DLE Dynamic Lightpath Establishment Thiết lập luồng quangDWDM Differential Wavelength

GMPLS Erbium doped fiber amplifer

GW Frequency Division Multiplexing

IP First Fit Wavelength First

ISDN Generalized Multiple Protocol

LCG Integrated service digital network

LSP Logical Connection Graph

AOTF Label Swithched Path

C Avalanche Photodiode

DEMUX Grating Multiplexer

3

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

MỤC LỤC 4

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 5

1 Định nghĩa 5

2 Các dải băng tần hoạt động trong WDM 5

3 Sơ đồ khối và chức năng của các khối 5

4 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM 8

5 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM 10

PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 11

1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA 11

a Cấu trúc 11

b Nguyên lý hoạt động của EDFA 11

2 Tính toán các thông số về bộ khuếch đại EDFA 13

a) Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi 13

b) Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA 14

c) Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA: 15

d) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau: 16

e) Bài toán mô phỏng 17

f) Ưu khuyết điểm của EDFA 21

PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652 22

1 Cấu tạo 22

2 Các yếu tố ảnh hưởng 23

a) Suy hao 23

b) Tán sắc 23

PHẦN IV: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM 25

1 Giới thiệu chung về phần mềm OPTISYSTEM 25

a) Các ứng dụng của phần mềm Optisystem 25

b) Yêu cầu về phần cứng và phần mềm 25

c) Cài đặt 26

d) Các đặc điểm chính của phần mềm Optisystem 26

2 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng một số chức năng cơ bản của OPTISYSTEM 30

a) Mở một dự án có sẵn: 30

b) Tạo một dự án mới 30

c) Thiết lập các tham số toàn cục (global parameters) của dự án 31

d) Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án 32

e) Chạy mô phỏng 33

f) Hiển thị kết quả mô phỏng 34

g) Thực hiện quét tham số (Parameter Sweep) 35

h) Đưa kết quả mô phỏng vào báo cáo 39

Phần V: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG THỰC TẾ 40

1 Đề bài 40

2 Mô phỏng theo phương án thiết kế 41

3 Sơ đồ thiết kế 48

4 Cách chọn thông số ber phù hợp với đề bài 49

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN

QUANG WDM

1 Định nghĩa

Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng đượcghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tinquang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)

Trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng nhanh đặc biệt làInternet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lên như là nền tảng cho các dịch vụứng dụng trong tương lai, các nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc này sẽ phảisuy nghĩ lại về hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệthống vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thông

2 Các dải băng tần hoạt động trong WDM

 O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm  1360 nm

 E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm  1460 nm

 S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm  1530 nm

 C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm  1565 nm

 L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm  1625 nm

 U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm  1675 nm

a Sơ đồ khối tổng quát

b Chức năng các khối

5

 Phát tín hiệu:

Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có một sốloại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bướcsóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộngphổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độrộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

 Ghép/tách tín hiệu:

Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồngtín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sựphân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗicổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màngmỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộlọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như:khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóngtrung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy haoxen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

 Truyền dẫn tín hiệu:

Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố:suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tínhiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợiquang, chất lượng sợi )

 Khuếch đại tín hiệu:

Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sửdụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường

(Erbium-và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảocác yêu cầu sau:

 Thu tín hiệu:

Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang nhưtrong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

c Phân loại hệ thống WDM

 Gồm 2 loại: đơn hướng và song hướng.

hướng lại đòi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng

 Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiềuvới những vấn đề như sự chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng trên 1 sợiquang), đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợiquang không dùng chung 1 bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theobăng…)

 Về việc giải quyết vấn đề khi có sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song hướngthì khi có bất kì sự cố gì xảy ra trên hệ thống, nó không cần đến cơ chế APS

7

(automatic protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà nó có thể tự hiểuđồng thời ở cả 2 đầu hệ thống

thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng =1/2 WDM đơnhướng nên công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ thống song hướng sẽ cao hơn

hệ thống đơn hướng

trong 1 số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương vì 1 số đặcđiểm tối ưu trong điều kiện hiện tại Ví dụ: Trong điều kiện khả năng xuyên nhiễugiữa các bước sóng là rất cao, mà hệ thống đòi hỏi phải có dung lượng truyền dẫnlớn Lúc này ta chỉ có thể dùng WDM đơn hướng

a Bộ phát

Phần phát quan trọng nhất là laser diode Yêu cầu nguồn quang trong hệ thốngWDM là phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số Tuy nhiên laser diode có khoangcộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là cácnguồn đơn mode Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này Trong

hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có nhữnglaser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, còn lại các mode bên cần được loại bỏ.Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản

xạ Bragg phân tán (DBR)

b Bộ thu

Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống đơnkênh Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến đổitín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về tốc

độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode được

sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD

c Sợi quang

Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang Sợi quang

có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn Sợi quang đơn modechuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU-T chuẩn hoá

d Trạm lặp

Trạm lặp là bộ chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm một bộ thu quang và

bộ phát quang Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện vàđược khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu này sau đó được chuyển thànhtín hiệu quang nhờ laser phát

e Bù tán sắc

Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảngcách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang Trễ nhóm là một hiệu ứng chính gây rabởi tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độrộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự

f Khuếch đại quang OA (EDFA)

Khuếch đại quang sợi pha Erbium là chìa khoá xây dựng nên hệ thống WDM Hệthống này có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp Đặc tính tăng íchkhông có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc độ số và khuôn dạng Đây là cácđặc tính rất có lợi trong thông tin quang nói chung và WDM nói riêng Tăng ích đượctính toán như là tỷ số công suất ra trên công suất vào bộ khuếch đại Giá trị này xácđịnh trực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bộ EDFA liên tiếp Nó phụ thuộc vào

số kênh và độ dài của tuyến Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới 20 dBđến 30dB Công suất đầu ra của bộ khuếch đại khi đầu vào công suất cao Hiện nay đãđược thương mại hóa các bộ khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu

ra công suất tới 30 dBm

g Bộ lọc quang

Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bộ lọc quang được sử dụng, nhưng phổ biếnnhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tínhiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua Bộ lọc này thuộc loại bộlọc bước sóng cố định Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môitrong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n =1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) xen kẽ nhau Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bộ lọcbậc 0) hoặc ne = 3λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với λ0 là bước sóng trung tâm

h Bộ xen rẽ quang OADM

Thiết bị ODAM thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tínhiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi

9

i Bộ nối chéo quang OXC

OXC có hai chức năng chính :

• Chức năng nối chéo của kênh quang

• Chức năng ghép tách đường tại chỗ

j Chuyển mạch không gian

Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng trong các thiết bị OADM vàOXC Các thiết bị này dựa vào hoạt động cơ học bao gồm motor, điện tử tĩnh hoặc ápđiện làm lệch các vi gương cho chuyển mạch các tín hiệu quang Do yêu cầu chuyểnđộng cơ học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải khá rộng từ 30ms đến500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt năng hoặc hiệu ứng quang- điện là cóthời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm các đặc tính của các matrận chuyển mạch khác nhau

a Ưu điểm:

 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 hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng(kênh quang)

thêm sợi quang

PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA

 Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái

 nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng980nm hoặc 1480nm

 WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào

 trong sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép cáctín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm

 Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếchđại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền

phản xạ ngược về EDFA

b 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 theo các bướcnhư hình dưới đây

11

Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng tử từ các photon (có năng lượng Ephoton = 1.27eV) và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)

- Tại vùng bơm các Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1micro s) vàchuyển xuống vùng giả bền (2)

- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841 eV) và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)

- Các ion Er trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng nănglượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)

- Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi cácphoton có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ chuyển sangtrạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát)(5)

Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er ở vùng nền (6) Tín hiệu ánh sáng bịsuy hao

- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạkích thích xảy ra Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái nănglượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùngnền và phát xạ photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha vàcùng bước sóng Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại

Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra trongkhoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động củaEDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm vàbằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm

2 Tính toán các thông số về bộ khuếch đại EDFA

Khi sử dụng EDFA để thay thế bộ lặp trong hệ thống thông tin sợi quang, vấn

đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các nhiễu giao thoa tại đầu ra của bộ khuếch đại

đến đầu vào của máy thu Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài lớn thì cần phải sử

dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo bởi các EDFA này sẽ hợp thành nhiễu tích lũy có giá trị

lớn Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và đặc tính

BER của tín hiệu tại đầu vào máy thu

a) Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi

Về mặt lý thuyết, thì cự ly truyền dẫn rất dài có thể thực hiện được bằng cách

xen nhiều bộ khuếch đại quang theo phương pháp LA Tuy nhiên, khi có nhiều bộ

khuếch đại được mắc chuỗi trên tuyến, đặc tính hệ thống sẽ bị giảm do có sự xuất hiện

nhiễu tích lũy từ các EDFA và các hiệu ứng phi tuyến

Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi

Khuếch đại tổng G và suy hao tổng L của hệ thống được xác định như sau:

Ở đây Gi và Li là bộ khuếch đại EDFA thứ i và suy hao quang của phân đoạn thứ i Do

có tích lũy nhiễu, công suất phát xạ tự phát tổng được xác định như sau:

Với Pspi như ta đã biết là công suất phát xạ tự phát của EDFA thứ i nó được tính

G G





k i i

L L

k i i j k

i spi

P

1

b) Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA

Gọi:

 Ptx là công suất của nguồn phát

 Pin là công suất ngõ vào của EDFA

 Pout là công suất ngõ vào của EDFA

 Ps là công suất của bộ tách sóng

  là hệ số suy hao sợi quang

 d Chiều dài của tuyến truyền dẫn

 d0 là chiều dài của đoạn phía trước bộ EDFA

 d1 là chiều dài của đoạn phía sau bộ EDFA

Ở đây tất cả nhiễu và tín hiệu được tính theo pA2 nên trong công thức tính toán cónhân thêm 1012

 Nhiễu lượng tử:

Nhiễu lượng tử còn gọi là nhiễu bắn (shot) do dòng tín hiệu vào và dòng phát

xạ tự phát sinh ra Nhiễu lượng tử sinh ra trong trường hợp LA là:

 Nhiễu nhiệt:

12 1

0 1

GP

eB tx t sp e

sh



10 0

Với: số lần suy hao trên đoạn d0

số lần suy hao trên đoạn d1

 =e/hv là hệ số chuyển đổi quang điện

 là hiệu suất lượng tử

110

d n

Nhiễu nhiệt được tính như sau:

Để tiện tính toán, giả thiết rằng có k EDFA giống nhau tức là: G=Gj, nsp=nspj,

Psp=Pspj; lúc này ta có công thức tính các nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA(4.6), (4.7) và (4.8) được rút gọn như sau:

15

12 L

2 1

2 2

2 2 1

2 2

2 1 0

2 2

10 )

1 ( 4

) 1 ( 4

4

n n

B P G G h n

n n

B P G G h n n

n

B GP N

e tx sp

sp s

e tx sp

e tx sp

2

0 2 2

2 2

n

B B G

h n

sp sp

2 1 1

1

) 1 ( 2

1 0

1 1 0

2

n n n

G G G P n

n

G P

n

P n

n n n

P G G G B

m

B

k

k k sp k

k

k k sp k

spk k

tx k

k t

(

2 1

3 2 1 1

) 1 ( 2

1 0

2 1

n n n

G G G P n

n

G P

n

P n

n n n

P G G G eB

k

k sp

k k

k k sp k

spk k

tx k e

2 1

3 2 1 1

) 1 ( 0

2

n n n

G G G P n

n

P n

P m B

B

k

k sp

k k

k sp k

spk t

e sp

.

0 0

2

n

kP n

P B m

B

k

sp tx t

e sp

d) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau:

Công thức trên được dùng để tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (điện) trong trường

Ta có công thức tính BER khi biết eSNR như sau:

Với

e) Bài toán mô phỏng

Tìm số bộ khuếch đại cần thiết khi cho trước:

- Khoảng cách truyền dẫn AB

- Công suất phát Ptx

- Tốc độ bit của hệ thống Rb

- Tỷ lệ lỗi bit BER

- Suy hao trung bình toàn tuyến 

) ( 10

P eB

k

sp tx e

2 2 12 20

2

n

kP m B

B

k

sp t

e sp

4 12 21

R

4 2

2

4

) / P ( SNR

1 2

0 2

0 0

0 2

2 0

KTB n

kP m

B B

n

P n

P eB

n

kP n

P B m B

n

e k

sp t

e

k

sp tx

e k

sp tx

t e



x

(14)

- Hệ số khuếch đại G của các bộ khuếch đại EDFA.

- Các thông số khác có liên quan

Công suất phát tối đa của máy phát là 9dBm, công suất dự phòng 6dBm Vậy côngsuất phát Ptx là: 9 - 6=3dBm

Độ nhạy thu là một hàm của tỷ lệ lỗi bit BER và tốc độ Rb Nếu ta chọn Be = 2,5Ghz,yêu cầu BER=10-12 thì độ nhạy thu bằng -27,5dBm theo (6)

Gọi l0 là khoảng truyền dẫn mà hệ thống làm việc tốt (máy thu vẫn thu tốt tín hiệu từmáy phát) mà không cần EDFA

Ta có:

P r = P tx - P loss = P tx - l 0

 l 0 = (P tx - P r )/

Như vậy khoảng cách truyền dẫn cần bù lượng tổn hao do nó gây ra là: AB - l 0

Suy hao do khoảng cách này gây ra: (AB - l 0 )

Như vậy số EDFA cần sử dụng là:

Chọn l0 = 100km Ở phần trước ta đã rút ra công thức như sau:

Tính tỷ số eSNR khi biết các thông số khác:

Các thông số được cho như sau:

R 4 2

2

4

) / P ( SNR

1 2

0 2

0 0

0 2

2 0

KTB n

kP m

B B

n

P n

P eB

n

kP n

P B m B

n e

e k

sp t

e

k

sp tx

e k

sp tx

t e

e BER

x

2

 Hiệu suất lượng tử  = 0,9

 Bước sóng của tín hiệu quang  = 1550nm

 Số mode phân cực: do dùng sợi đơn mode nên chỉ có một mode phân cực ngang

mt = 1

 Trở kháng tải của bộ tách sóng Rl = 50

 Tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s

 Nhiệt độ tuyệt đối T = 3000K

Với các thông số đã cho ở trên thế vào (*) tính được:

035 , 2

) ( 10 2575 , 7 10

8984 , 0

2 0

3 2

2 6

0

3 2

pA k n

P

pA k n

P

tx sp

s

tx sh

P k

k n

P

n P e

tx tx

tx

6 0

3 2

6 0

3

2 0 2 12

10.2575,710

.8984,0828,010

.22,810

.035,2

)(

1,26.10SNR

SNR

354 ,

x 

) SNR 354 , 0 (

SNR 255

, 1

1

SNR 354

, 0 2

1 ( 0 , 354 SNR )

e

e e

BER

e

e BER

Tính ra rằng với eSNR = 1,98.102 thì BER  10-12

Đây là giá trị BER đạt yêu cầu tính toán trong phần thiết kế của bài

Như vậy khi BER chưa đạt yêu cầu ta chỉ cần tăng công suất phát Ptx sao cho eSNR đạtgiá trị 1,98.102

Từ bài toán mô phỏng này ta xây dựng được thuật toán như dưới đây

19

Lưu đồ thuật toán

thế công suất

Thay phát P=Pđạt

Bắt đầu

Nhập khoảng cách, công suất phát P và độ khuếch đại Chọn tốt độ bit

Tính số bộ EDFA cần thiết

Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR,

tỷ lệ lỗi bit BERTính công suất phát Pđạt để BER = 10-12

Hiển thị các thông số tính được

BER 10 - 12

Thử lại

Thiết kế thành công Bạn muốn thử lại không

Thiết kế chưa thành công Bạn muốn thử lại không

f) Ưu khuyết điểm của EDFA

1 Ưu điểm:

 Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao

 Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống

 Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L

 Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn

21

PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652

Khuyến nghị ITU-T G.652 mô tả các thuộc tính hình học, cơ khí và một chế độ cápquang và cáp, có bước sóng không phân tán xung quanh 1310 nm Sợi ITU-T G.652

đã được tối ưu hóa cho sử dụng trong khu vực bước sóng 1310 nm, nhưng cũng có thểđược sử dụng trong khu vực 1550nm

1 Cấu tạo

Sợi quang sử dụng là loại đơn mode Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và cácchất phụ gia khác, đảm bảo có các chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ sốchiếc suất của lớp vỏ phản xạ Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2 Lớp bảo

vệ sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không bị suyhao do uốn cong và trầy xước Lớp bảo vệ sơ cấp dễ dàng được bóc ra bằng dụng cụ

cơ khícầm tay (không dùng đến hoá chất) mà không gây ảnh hưởng đến sợi quang

Sợi quang được mã hoá màu dễ dàng được phân biệt nhau bằng mắt thường,không được phai màu trong suốt thời gian sử dụng của cáp

Vỏ sợi

Lõi sợi

Cấu trúc tổng thể của sợi

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn ,làm bằng thủy tinh ,được gọi la lõi ( core ) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao xung quanh lõi lên được gọi là lớp bọc ,làmbằng thủy tinh hoặc plastic

có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.Suy hao tín hiệutrong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợiquang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh đó quá trình sợi bịuốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao Các suy hao này là suy hao ngoàibản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau Tuynhiên,vấn đề chính ở đây ta xét đến suy hao do bản chất bên trong của sợi quang.

 Suy hao tín hiệu

Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra Pout của sợi có chiều dài L và công suất quang đầu vào Pin

 Suy hao do tán xạ

Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợigây ra Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúchoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi

- Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi Khi bất kỳ một sợi dẫnquang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sáng

ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao

b) Tán sắc

Trong một sợi quang ,những tần số ánh sáng khác nhau và những mối khácnhau cần những thời gian khác nhau để truyền một đoạn tư A đến B hiện tượng nàygọi là tán sắc và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau ,tán sắc dẫn đến sự co giãn xungtrong truyền dẫn quang và gây ra giao thoa giữa các ký tự tăng lỗi bít ở máy thu và dẫnđến giảm khoảng cách truyền dẫn

23

 Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn

Tán sắc gây ra méo tín hiệu và điều này làm cho các xung ánh sáng bị giãn rộng rakhi được truyền dọc theo sợi dẫn quang Khi xung bị giãn ra nó sẽ phủ lên các xungbên cạnh Khi sự phủ này vượt quá một giá trị giới hạn nào đó thì thiết bị phía thu sẽkhông phân biệt được các xung kề nhau nữa, lúc này lỗi bít xuất hiện Như vậy, đặctính tán sắc làm giới hạn dung lượng truyền dẫn của sợi quang

Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tốnày cũng khác nhau ,ví dụ :

 Đối với các cự ly ngắn ,dung lượng thấp thì yếu tố quan trọng nhất mà tacần quan tâm là đó là suy hao

 Đối với các hệ thống có tốc độ cao ,cư ly tương đối lớn thì yếu tố cần chú

Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bít cao,phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quangsợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, sợi quang đơn modetiêu chuẩn (sợi G.652) có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn Tán sắc lớn

sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (ISI-IntersymbolInterference) do sự dãn xung tại các khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyềndẫn và hậu quả thậm chí có thể không chấp nhận được Nhìn chung, ảnh hưởng của tánsắc đến năng truyền dẫn của hệ thống là rất phức tạp

Sự giãn xung quanh đã làm cho năng lượng phổ tín hiệu tại các khe thời gian, đã

bị phuur chờm xang khe lân cận và năng lượng này tạo ra công xuất bị mất mát đi làmxâu đặc tính BER ,do đó phải bù BER

PHẦN IV: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM

OPTISYSTEM

1 Giới thiệu chung về phần mềm OPTISYSTEM

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Được viết ra đểgiải quyết các nhu cầu của các nhà khoa học, các kỹ sư, giá sư và sinh viên nghiên

kiếm một hệ thống mạnh mẽ và dễ sử dụng

a) Các ứng dụng của phần mềm Optisystem.

 Thiết kế hệ thống thông tin quang từ mức phần tử đến mức hệ thông ở lớp vật lý

 Thiết kế mạng FTTx dựa trên mạng quang thụ động ( PON )

 Thiết kế hệ thống ROF ( radio over fiber )

 Thiết kế bộ thu, phát, bộ khuếch đại quang

 Thiết kế sơ đồ tán sắc

 Đánh giá BER và Penalty của hệ thống với các mô hình bộ thu khác nhau

 Tính toán BER và quỹ công suất tuyến của các hệ thống có sử dụng khuếch đại quang

b) Yêu cầu về phần cứng và phần mềm.

OptiSystem yêu cầu cấu hình hệ thống tối thiểu sau:

 PC với bộ vi xử lý Pentium 3 hoặc tương đương

 Microsoft Windows XP hoặc Vista 32-bit hoặc 64-bit

 1024 x 768 độ phân giải đồ họa, tối thiểu 65.536 màu sắc

 Internet Explorer 5.5 hoặc cao hơn

 DirectX 8.1 hoặc cao hơn

25

c) Cài đặt.

 Optisystem có thể được cài đặt Windown XP or Vista Trước khi cài đặt nên thoát tất cả các chương trình trước khi chạy chương trình cài đặt

 Để cài đặt ta thực hiện các bước sau đây:

 Chay file setup.exe (tùy từng máy nhưng thường thường phải có mạng mới chạy đc file setup

 Khi quá trình setup hoàn thành, ngắt mạng internet, cop 2 file trong foder crack vào C:\Program Files\Optiwave Software\OptiSystem 7\bin

 Quá trình hoàn tất, kết nối lại mạng để hoàn tất

d) Các đặc điểm chính của phần mềm Optisystem.

 Thư viện các phần tử

 Thư viện nguồn quang - ( optical sources library )

 Thư viện các bộ thu quang - (receivers library)

 Thư viện sợi quang - (optical fiber library)

 Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện) - (amplifier library)

 Thư viện các bộ lọc (quang, điện) - (filter library)

 Thư viên các phần tử FSO - ( free space optics library)

 Thư viện các phần tử truy nhập - ( access library)

 Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện) - (passiver library)

 Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) -( signal processing library)

 Thư viện các phần tử mạng quang (network library)

 Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện

Ngoài ra các phần tử được định nghĩa sẵn, Optisystem còn có

- Các phần tử Measured components Với các phần tử này, Optisystem cho phép nhập các tham số được đo tử các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau

- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa (User-defined Components)

 Giao diện người sử dụng ( GUI )

 Project layout : phần mà để người sử dụng thiết kế

Giao diện người sử dụng