Giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của hệ thống thông tin quang sử dụng kết hợp WDM và EDFA

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trong năm đầu thập kỷ 90 kỷ 20 thông tin quang dần trở thành tảng mạng viễn thông quốc gia sở cho mạng viễn thông xuyên quốc gia Ngày nay, sợi quang bờ biển chuyền tải 85% tổng dung lượng thông tin mà tạo Sở dĩ thông tin quang có bước cải tiến quan trọng phát triển sở kỹ thuật sau:  Cơ sở thiết bị bán dẫn nghiên cứu chế tạo phần tử mạng quang mà quan trọng việc tạo sợi quang có suy hao thấp tán sắc nhỏ cửa sổ truyền dẫn lớn tạo hấp dẫn truyền thông tin băng sợi quang  Cơ sở lý thuyết sóng điện từ sở toán học dùng để phân tích lan truyền sóng sợi quang Việc phân tích dựa sở tiềm to lớn hệ thống thông tin quang sở để tạo công nghệ khách thông tin quang Sự phát triển mạnh mẽ thông tin quang thúc đẩy việc sáng tạo nhiều kỹ thuật công nghệ Trong công nghệ đó, công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) công nghệ khuếch đại quang sợi (EDFA) quan tâm Các công nghệ góp phần nâng cao lực hệ thống thông tin quang Công nghệ WDM nâng cao dung lượng truyền dẫn thông tin cáp quang Còn công nghệ khuếch đại quang sợi nhằm kéo dài khoảng cách truyền dẫn sợi quang Hai công nghệ WDM khuếch đại quang sợi mục tiêu nghiên cứu đồ án Mục đích đồ án nghiên cứu giải pháp cho việc áp dụng đồng thời hai công nghệ vào hệ thống thông tin quang Để trình bày vấn đề đồ án bố cục thành bốn chương sau:  Chương : Tổng quan hệ thống WDM Trong chương nghiên cứu đặc điểm công nghệ WDM, yếu cầu (ví dụ yêu cầu băng thông khoảng cách kênh…) nhược điểm cần khắc phục WDM (nhiều phi tuyến, xuyên âm…)  Chương : Tổng quan EDFA Trong chương tập trung vào việc nghiên cứu đặc điểm khuếch đại quang sợi kích thích đất EDFA  Chương : Giải pháp nâng cao chất lượng hệ thống thông tin quang sử dụng kết hợp WDM EDFA Chương giải pháp cho vấn đề kết hợp WDM EDFA  Chương 4: Chương thực mô phỏng, đánh giá tuyến quang kết hợp hai phương pháp WDM EDFA thực tế Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình cô giáo Nguyễn Thị Chinh – giáo viên hướng dẫn thầy cô môn bạn sinh viên giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WDM 1.1 Giới thiệu Trong hệ thống thông tin quang bình thường có luồng tín hiệu quang truyền sợi cho hướng thông tin để có chiều ngược lại cần có luồng tín hiệu quang sợi thứ hai Hệ thống gọi hệ thống kênh quang (hay gọi hệ thống đơn kênh quang) Trong vài năm trở lại đây, công nghệ thông tin quang đạt nhiều tiến đáng ý tạo hệ thống thông tin quang đại với dung lượng cao cự ly xa Nổi bật hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang Trong hệ thống này, lúc truyền nhiều luồng tín hiệu quang sợi nhằm mục tiêu tăng dung lượng kênh truyền dẫn Các hệ thống gọi hệ thống thông tin quang nhiều kênh quang (hay hệ thống đa kênh quang) để đơn giản gọi hệ thống thông tin quang nhiều kênh Trong thực tế hệ thống đơn kênh, tốc độ đường truyền đạt đến mức độ người ta thấy hạn chế mạch điện việc nâng cao tốc độ kéo dài cự ly truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng chục Gbit/s, khoảng cách truyền dẫn ngắn lại, thân mạch điện tử đảm bảo đáp ứng xung tín hiệu hẹp, thêm vào chi phí cho giải pháp tuyến truyền dẫn trở nên tốn cấu trúc hệ thống phức tạp đòi hỏi công nghệ cao Do đó, kỹ thuật ghép kênh quang đời nhằm khắc phục hạn chế Các phần tử quang hệ thống thiết bị đóng vai trò chủ đạo việc thay hoạt động phần tử điện vị trí xung yếu đòi hỏi kỹ thuật xử lý tín hiệu nhanh Kỹ thuật ghép kênh quang tận dụng phổ hẹp laser, phát huy khả sử dụng băng tần lớn sợi quang đơn mode, tạo cấu trúc hệ thống mạng thông tin quang linh hoạt nhằm giúp cho mạng lưới viễn thông có đóng góp to lớn cho tương lai Các hệ thống thông tin quang nhiều kênh đóng vai tò chủ đạo mạng truyền tải mạng hệ sau NGN (Next Generation Networks) Trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thường, sợi quang có nguồn phát quang phía phát tách sóng quang phía thu Các nguồn phát quang khác cho luồng ánh sáng mang tín hiệu khác phát vào sợi dẫn quang khác nhau, tách sóng quang tương ứng nhận tín hiệu từ sợi Như muốn tăng dung lượng hệ thống phải sử dụng thêm sợi quang Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM cho phép ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền dùng thêm sợi dẫn quang, thực truyền luồng ánh sáng với bước sóng khác sợi Lý chỗ, nguồn phát có độ rộng phổ hẹp, hệ thống thông tin quang thông thường sử dụng phần nhỏ băng tần truyền dẫn sẵn có Với hệ thống mạng vậy, dải phổ tín hiệu quang truyền dẫn qua sợi thực tế hẹp so với dải thông mà sợi truyền dẫn quang truyền dẫn với suy hao nhỏ (xem hình 1.1): Hình 1.1: Độ rộng phổ nguồn quang dải thông sợi quang Một ý tưởng hoàn toàn có lý cho truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ nguồn quang có bước sóng phát khác sợi quang Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM đời từ ý tưởng 1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) 1.2.1 Định nghĩa Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) công nghệ sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều 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 1.2.2 Sơ đồ chức Nguyên lý ghép bước sóng quang minh họa hình 1.2 giả sử hệ thống thiết bị phía phát có nguồn phát quang làm việc bước sóng khác λ1, λ2,…, λn Các tín hiệu quang phát bước sóng khác ghép vào sợi quang Các tín hiệu có bước sóng khác ghép lại phía phát nhờ ghép kênh quang, ghép bước sóng phải đảm bảo có suy hao nhỏ Tín hiệu quang sau ghép truyền đồng thời dọc theo sợi để tới phía thu Các tách sóng quang khác phía thu nhận lại luồng tín hiệu với bước sóng riêng rẽ sau chúng qua giải ghép kênh bước sóng Hình 1.2: Sơ đồ chức hệ thống WDM • Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM nguồn phát quang dùng laser Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suốt phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip 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 luồng ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách 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, tính đồng kênh, suy hao xen, suy phân phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa… • Truyền dẫn tín hiệu: 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 chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại • Thu tín hiệu: thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD 1.2.3 Phân loại 1.2.3.1 Truyền dẫn hai chiều hai sợi Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều hai sợi là: tất kênh quang sợi quang truyền dẫn theo chiều (như hình 1.3), đầu phát tín hiệu có bước sóng quang khác điều chế λ1, λ2,…, λn thông qua ghép kênh tổng hợp lại với truyền dẫn chiều sợi quang Vì tín hiệu mang thông tin qua bước sóng khác nhau, không lẫn lộn Ở đầu thu, tách kênh quang tách tín hiệu có bước sóng khác hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh Ở chiều ngược lại truyền dẫn qua sợi quang khác nguyên lý giống Hình 1.3: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều hai sợi quang 1.2.3.2 Truyền dẫn hai chiều sợi Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều sợi là: hướng kênh quang tương ứng với bước sóng λ1, λ2,…, λn qua ghép/tách kênh tổng hợp lại với truyền dẫn sợi Cũng sợi quang đó, hướng bước sóng λn+1, λn+2,…, λ2n truyền dẫn theo chiều ngược lại (xem hình 1.4) Nói cách khác ta dùng bước sóng tách rời để thông tin hai chiều (song công) Hình 1.4: Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 1.2.4 Lưới ITU Khi chuẩn hóa bước sóng, vấn đề cần xem xét khoảng cách kênh phải dựa theo tần số hay bước sóng Khoảng cách tần số làm cho khoảng cách bước sóng khác Không có tiêu chuẩn kỹ thuật ưu tiên để lựa chọn trường hợp Trong khuyến cáo ITU– G692 kênh cách khoảng 50GHz (tương đương với khoảng cách bước sóng 0,4nm) với tần số trung tâm danh định 193,1THz (1552,52nm) Tần số gữa giải thông sợi quang 1,55m khuếch đại quang sợi EDFA (xem hình 1.4) Khoảng cách phù hợp với khả phân giải MUX/DEMUX, Khi công nghệ hoàn thiện khoảng cách phải giảm Một vấn đề khác khó khăn việc chọn lựa bước sóng tiêu chuẩn đảm bảo cho hệ thống cho 4, 8, 16, 32 bước sóng hoạt động tương thích với nhà sản xuất có cấu hình kênh tối ưu riêng kế hoạch nâng cấp hệ thống từ kênh lên nhiều kênh khác ITU chuẩn hóa (ITU – G959) 16 bước sóng từ tần số 192.1 THz, rộng 200GHz bên giao diện đa kênh thiết bị WDM Cuối phải lưu ý không đảm bảo tần số trung tâm mà phải đảm bảo độ lệch tần số tối đa cho phép Đối với 200GHz, ITU quy định độ lệch tần số không vượt / GHz Với = 50GHz = 100GHz đến thời điểm ITU chưa chuẩn hóa Hình 1.5: Lưới bước sóng theo ITU 1.3 Một số vấn đề kỹ thuật WDM 1.3.1 Suy hao công suất vấn đề quỹ công suất Trong thiết kế thông tin quang, suy hao tham số quan trọng định khoảng cách truyền dẫn hai phần tử trạm lặp (hoặc khuếch đại) Có nhiều nguyên nhân gây suy hao công suất quang tuyến truyền dẫn ta xem xét hai góc độ chất nội sợi quang nguyên nhân bên (ví dụ như: việc nối sợi quang, uốn cong sợi ) Các suy hao nguyên nhân từ bên tuyến cụ thể xác định chi tiết Do vậy, ta xem xét suy hao góc độ nguyên nhân nội Các suy hao chất sợi quang có nguyên nhân sau đây: suy hao hấp thụ tín hiệu sợi (bao gồm: hấp thụ tạp chất, hấp thụ vật liệu làm sợi quang hấp thụ điện tử) suy hao tán xạ Để đảm bảo tỉ số tín hiệu nhiều người ta đưa giới hạn tổng suy hao công suất cho phép Giới hạn gọi quỹ công suất hệ thống thông tin: Ppb(dB) = Ptx(dB) – Prx(dB) (1.1) Trong Ptx, Prx: Là công suất phát công suất thu nhỏ Quan hệ quỹ công suất tổng suy hao công suất thể sau: αsoiL + αnoiN + αkhac ≤ Ppb (1.2) Trong đó: αsoi, L: suy hao tổng chất sợi độ dài sợi αnoi, N: suy hao mối nối số mối nối αkhac: suy hao khác Với hệ thống thống thông tin quang khác quỹ công suất có phần phụ thêm khác Trong hệ thống WDM suy hao sợi mối nối quỹ công suất quang có thành phần phạt công suất tín hiệu ứng phi tuyến phạt công suất ghép, tách kênh 1.3.2 Tán sắc Tán sắc giãn xung tín hiệu theo bước sóng có đơn vị ps/nm km Tán sắc bao gồm hai dạng tán sắc mode tán sắc mode (tán sắc mode) Tán sắc mode tồn sở đa mode mode sợi lan truyền theo đường khác làm cho cự ly đường khác có thời gian lan truyền khác Các sợi đơn mode tán sắc mode 10 Hình 4.16: Nhập tốc độ bít muốn thay đổi • Tiến hành thiết lập cửa sổ thời gian: Tại Value chọn Set Time Window nhập giá trị Hình 4.17: Thiết lập cửa sổ thời gian thực • Để thay đổi tham số nguồn phát quang ta thực kích đúp vào nguồn phát hình Layout 54 Hình 4.18: Thay đổi công suất phát quang • Kết thúc cài đặt tham số toàn cục cách Click OK thông số toàn cục thị sau: Hình 4.19: Hoàn tất tham số toàn cục Xóa tham số khỏi dự án.Thực qua bước: • Trong hộp thoại Layout Parameter, kích vào cột Value bên cạnh tham số bạn muốn thay đổi • Kích Remove Par: Tham số xóa Chú ý: Bạn chỉnh sửa xóa tham số hệ thống 55 4.3.5 Mô 4.3.5.1 Chạy mô - Ấn tổ hợp (Ctrl F5), Click Colculatol công cụ Màn hình hiển thị: Hình 4.20: Giao diện hình chạy mô - Tiếp theo Click vào nút Run để chạy chương trình Hình 4.21: Chạy chương trình • Sau chương trình chạy song, để thị giá trị BER ta kích đúp vào thiết bị đo BER kênh hình Layout 56 Hình 4.22: Đo tỉ số BER kênh • Thực tương tự với thiết bị đo khác để tim giải pháp phù hợp 4.3.5.2 Hiển thị kết mô Kích đúp chuột vào thiết bị đo thiết kế để thị đồ thị kết mà trình mô tạo Hình 4.23: Phổ công suất phát 57 4.4 Mô thực tế 4.4.1 Hệ thống WDM chưa kết hợp khuếch đại EDFA Hình 4.24: Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Quang phổ tín hiệu phát: 58 Hình 4.25: Quang phổ phía phát Quang phổ tín hiệu thu: Hình 4.26: Quang phổ phía thu Công suất tín hiệu phát: 59 Hình 4.27: Công suất tín hiệu phát kênh Công suất tín hiệu thu: Hình 4.28: Công suất tín hiệu thu kênh Tỷ lệ lỗi BER Hình 4.29: BER kênh thứ Noise phía phát 60 Hình 4.30: Nhiễu tín hiệu phía phát kênh Noise phía thu Hình 4.31: Nhiễu tín hiệu phía thu chưa có EDFA kênh 61 4.4.2 Hệ thống WDM kết hợp khuếch đại EDFA Hình 4.32: Hệ thống thông tin quang sử dụng kết hợp WDM + EDFA Quang phổ tín hiệu phát Hình 4.33: Quang phổ tín hiệu phát kênh 62 Quang phổ tín hiệu thu: Hình 4.34: Quang phổ tín hiệu thu kênh Công suất tín hiệu phát: Hình 4.35: Công suất tín hiệu phát kênh Công suất tín hiệu thu: Hình 4.36: Công suất tín hiệu thu kênh 63 Tỷ lệ lỗi BER Hình 4.37: Tỷ lệ lỗi BER 10-0.07 Noise phía thu Hình 4.38: Nhiễu tín hiệu thu kết hợp EDFA kênh Từ tham số biểu đồ cho ta thấy sử dụng kết hợp hai phương pháp WDM EDFA làm cho tuyến quang tăng dung lượng hệ thống tăng khoảng cách truyền dẫn, tham số tỷ số lỗi BER, công suất phía thu, nhiễu,…được cải thiện đáng kể 64 KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu làm đồ án em thực công việc sau: Nghiên cứu vấn đề công nghệ WDM Nghiên cứu vấn đề công nghệ EDFA Đưa giải pháp cụ thể cho trở ngại thực đánh giá mô    kết hợp hai công nghệ WDM EDFA Đồng thời đánh giá tính thực tiễn giải pháp để chọn giải pháp tốt cho trường hợp cụ thể thực tế Tính thực tiễn vấn đề lớn Hiện hệ thống thông tin quang kết hợp WDM EDFA triển khai rộng rãi Việt Nam Từ nghiên cứu ban đầu mở rộng theo hướng nghiên cứu cụ thể cho giải pháp mạng toàn quang tương lai Đó việc nghiên cứu vấn đề điều khiển công suất khuếch đại cho mạng vòng, mạng có xen tách kênh quang với cấu hình phức tạp, mạng có định tuyến quang theo bước sóng… Trong trình tham gia làm đồ án em mở rộng kiến thức kỹ thuật ghép kênh quang khuếch đại quang sợi EDFA vấn đề gặp phải ghép thiết bị với Không có vậy, em rút phương pháp để làm đồ án, cách thức trình bày báo cáo PHỤ LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ASE WDM Amplified Spontaneous Emission Wavelength Devision 65 Nhiễu tự phát Ghép kênh phân chia theo bước NGN EDFA XPM FWM SOA OFA NF OSNR SPM WSC DWDM SRS EDTFA EDSFA SBS Multiplexing Next Generation Networks Erbium Droper Fiber Amplifier sóng Mạng hệ Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium Cross Phase Modulation Điều chế pha chéo Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn bước sóng Optical Semiconductor Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn Optical Fiber Amplifier Khuếch đại quang sợi Noise Figure Hệ số nhiễu Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm quang Self Phase Modulation Tự điều pha Wave Select Control Lựa chọn bước sóng Dense Wavelength Devision Ghép kênh theo bước sóng Multiplexing quang dày đặc Stimualated Raman Scattering Tán xạ Raman kích thích Erbium Droper Tellurite Fiber Bộ khuếch đại EDFA sử dụng Amplifier sợi Tellurite Erbium Droper Silica Fiber Bộ khuếch đại EDFA sử dụng Amplifier sợi Silaca Stimualated Brilloin Scattering Tán xạ Brilloin kích thích 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn San Hệ thống thông tin quang (2003) [2] Chu Công Cẩn Bài giảng sở kỹ thuật thông tin quang (2007) [3] Đỗ Văn Việt Em Kỹ thuật thông tin quang (2007) [4] Phạm Tiến Đạt – Vũ Hoàng Sơn – Vũ Tuấn Lâm Giải pháp cân hệ số khuếch đại hệ thống thông tin quang đa kênh WDM sử dụng EDFA [5] Hewlett – Packard Company (1998) Fiber optic test and Measurement [6] J.P.Laude Wavelength Division Multiplexing [7] Modeling high concentrasent L-band EDFA at high optical powers based on invertion funtion (IEEE journal of selected optics in quantum electronic vol 8, number 3, 2002) NHẬN XÉT - 67 - 68