ĐỒ ÁN MÔN HỌC THÔNG TIN SỢI QUANG HỆ THỐNG WDM

Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của các loại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việc xậy dựng cấu trúc mạng viễn thông. Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băng tần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cử quan trọng cho đường truyền dẫn. Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạng lưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồng thời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độc lập tốc độ cao. Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn được phương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất. Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn. Trong quá trình làm đồ án không thể không xảy ra những thiếu sót. Em hy vọng nhận được những nhận xét, lời khuyên chân thành nhất của các thẩy cô về bài đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

============================

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THÔNG TIN SỢI QUANG

TÊN ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG WDM

SVTH: Trần Văn Trường Lớp: CCVT07A

GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang

Nẵng, Ngày 16 tháng 12 năm 2016

LỜI NÓI ĐẦU

Thời gian gần đây, nhu cầu lưu lượng tăng mạnh do sự phát triển bùng nổ của cácloại hình dịch vụ Internet và các dịch vụ băng thông đã tác động không nhỏ tới việcxậy dựng cấu trúc mạng viễn thông Để thoả mãn việc thông suốt lưu lượng và băngtần lớn, các hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM được xem là ứng cửquan trọng cho đường truyền dẫn Công nghệ WDM đã và đang cung cấp cho mạnglưới truyền dẫn cao trên băng tần lơn sợi đơn mode, nhiều kênh quang truyền đồngthời trên một sợi, trong đó mỗi kênh tương đương với một hệ thống truyền dẫn độclập tốc độ cao Công nghệ WDM cho phép các nhà thiết kế mạng lựa chọn đượcphương án tối ưu nhất để tăng dung lượng đường truyền với chi phí thấp nhất Với nhận thức ấy đề tài “Tìm hiểu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóngWDM” sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn

Trong quá trình làm đồ án không thể không xảy ra những thiếu sót Em hy vọngnhận được những nhận xét, lời khuyên chân thành nhất của các thẩy cô về bài đồ ánnày

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM 5

1.1 Giới thiệu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng 5

1.2 Nguyên lý cơ bản ghép kênh quang theo bước sóng: 6

1.3 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng: 8

1.3.1 Suy hao xen: 8

1.3.2 Xuyên kênh: 8

1.3.3 Độ rộng kênh: 9

1.3.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến: 10

1 3.5 Các vấn đề kỹ thuật khác cần quan tâm khác 12

1.4.Ưu nhược điểm của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng 13

CHƯƠNG II MÔ PHỎNG- THIẾT KẾ HỆ THỐNG WDM TRÊN PHẦN MỀM OPTISYSTEMS 14

2.1.Giới thiệu chung về phần mềm Optisystem 14

2.2.Các đặc điểm chính của phần mềm Optisystem 14

2.3.Thiết kế - khảo sát hệ thống thông tin quang sử dụng phần mềm Optisystem 15

2.3.1.Mục đích thiết kế 15

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Ví dụ hệ thống WDM sử dụng sợi đa mode 6

Hình 1.2: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng 6

Hình 1.3: Mô tả thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX 7

Hình 1.4 Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng 7

Hình 1.5: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng 7

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống WDM ghép 4 kênh 15

Hình 3.3.3 Hình ảnh phổ trước và sau đường truyền 18

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ WDM1.1 Giới thiệu công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng

Ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận dụng triệt để băng tần rất lớn của sợiquang, tăng dung lượng kênh, đồng thời xây dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao màcác hệ thống ghép kênh điện không thể đáp ứng được Các kỹ thuật ghép kênh quang

cơ bản được sử dụng là:

+ Ghép kênh quang theo bước sóng (WDM- Wavelenght Division Multiplexing) + Ghép kênh quang theo thời gian (OTDM- Optical Time DivisionMultiplexing)

+ Ghép kênh quang theo tần số (OFDM- Optical Frequency DivisionMultiplexing)

Tuy nhiên phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng WDM đã và đangđược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Khi cần tăng dung lượng của hệ thống chỉ cầnthay đổi thiết bị đầu cuối mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và không thêmsợi quang, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạng , làm cơ sở cho việc pháttriển nhiều loại hình dịch vụ viễn thông trong tương lai

Ghép kênh quang theo bước sóng:

Khái niệm: WDM (Wavelength Division Multiplexing) là phương thức ghép kênh

quang theo bước sóng Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗimột sợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầuthu, bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser nàymang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định

Kỹ thuật này sử dụng sợi quang (linh kiện quang) để mang nhiều kênh quangđộc lập riêng rẽ Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, sử dụng cácbước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp theo ký tự

Có nhiều cách tạo nên một hệ thống WDM, chẳng hạn sử dụng bước sóng 1310nm vàbước sóng 1550nm hoặc sử dụng bước sóng 850nm và bước sóng 1310nm (hình 1.1)Qua quá trình phát triển của công nghệ, khái niệm WDM được thay thế bằng kháiniệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) Về nguyên lý không có sựkhác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên DWDM nói đến khoảng cách giữa các kênh

và chỉ ra một cách định tính số lượng kênh riêng rẽ (mật độ kênh) trong hệ thống.Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một cửa sổ bước sóngchủ yếu là 1550nm vì môi trường ứng dụng hệ thống này là mạng đường trục, cự lytruyền dẫn dài và dung lượng lớn Công nghệ này cho phép chế tạo phần tử và hệthống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ 0,5nm

Hình 1.1: Ví dụ hệ thống WDM sử dụng sợi đa mode

1.2 Nguyên lý cơ bản ghép kênh quang theo bước sóng:

Nguyên lý cơ bản của việc ghép kênh quang theo bước sóng được minh họa nhưhình 1.2:

Hình 1.2: Mô tả tuyến thông tin quang có ghép bước sóng

WDM là một hệ thống ghép n bước sóng λ1 λn, phía phát sử dụng nguồnquang bằng LD hoặc LED Mỗi nguồn quang có bước sóng riêng

Ánh sáng đầu ra của bộ LD hoặc LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng(MUX: multiplex) có thể là cách tử G và P thành một luồng chung có n bước sóngtruyền qua sợi quang Tại đầu thu sử dụng bộ tách bước sóng (DEMUX: Demultiplex)

để tách riêng rẽ từng bước sóng Mỗi bước sóng được đưa vào một diode tách quang

để tách luồng tín hiệu số

Người ta chia các thiết bị ghép bước sóng quang thành 3 loại: Các bộ ghép

(MUX), các bộ giải ghép (DEMUX) và các bộ giải ghép hỗn hợp (MUX-DEMUX).Các bộ MUX, DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo một hướng, còn bộMUX-DEMUX được dùng cho phương án truyền dẫn theo hai hướng được mô tả nhưhình 1.3:

Hình 1.3: Mô tả

thiết bị ghép, tách kênh hỗn hợp (MUX-DEMUX

- Có 2 phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng quang:+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo một hướng: là kết hợp các bướcsóng khác nhau vào sợi tại một đầu và thực hiện tách chúng để chuyển tới các bộ táchsóng quang ở đầu kia hình 1.4:

Hình 1.4.

Hệ thống ghép bước sóng theo một hướng

+ Phương án truyền dẫn ghép bước sóng quang theo hai hướng, có nghĩa là cóthể phát thông tin theo một hướng theo bước sóng λ1 và đồng thời cũng phát thông tintheo hướng ngược lại tại bước sóng λ2 :

Hình 1.5: Hệ thống ghép bước sóng theo hai hướng

1.3 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng:

Các tham số cơ bản để miêu tả đặc tính các bộ ghép tách hỗn hợp là suy haoxen, xuyên kênh và độ rộng kênh

1.3.1 Suy hao xen:

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do cácđiểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây

ra Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen đượcbiểu diễn qua công thức sau:

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng λi khi thiết bị được ghép xen vào tuyếntruyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quangcủa thiết bị

- Ii(λi), Oi(λi) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λi đi vào và đi ra cửa thứ i của

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 củakênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế côngsuất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận

- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly củacác bộ lọc

- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơnmode Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho

công suất quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong cácbước sóng khác cũng như vậy.

Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i cóbước sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng λi Nhưng trong thực tếluôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của mộtthiết bị Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh

và được tính bằng dB như sau:

Trong bộ giải ghép thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng

λk bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi.

độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm Độ rộng kênh là tiêu chuẩntrong miền tần số hơn là bước sóng

Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/s

λ là bước sóng hoạt động

[ ] dB I

U D

k i

k i i

) ( log

10 )

(

λ λ λ

Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ250GHz Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phátquang

Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm Nếu nguồnphát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm vàcác nguồn phát khác tương tự Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộngkênh yêu cầu khoảng vài chục nm Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độrộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộnghơn

1.3.4 Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến:

Trong hệ thông thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suấttín hiệu trong sợi quang vượt quá một giới hạn của hệ thống WDM thì mức công suấtnày thấp hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh

Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM có thểchia thành hai loại là hiệu ứng tán xạ và hiệu ứng Kerr (khúc xạ)

1.3.4.1 Hiệu ứng tán xạ:

Bao gồm các hiệu ứng SBS và SRS:

- Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) là hiện tượng chiếu ánh sángvào sợi quang sẽ gây ra dao động phân tử trong vật liệu của sợi quang, nó điều chế tínhiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn trong hệ thống WDM suy giảm tín hiệuquá lớn, hạn chế số kênh của hệ thống

- Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có hiện tượng như SRSnhưng gây ra dịch tần và dải tần tăng ích rất nhỏ và chỉ xuất hiện ở hướng sau chiềután xạ Ảnh hưởng càn lớn thì ngưỡng công suất càng thấp

1.3.4.2 Hiệu ứng Kerr:

Gồm các hiệu ứng SPM, XPM, FWM:

- Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) là hiện tượng khi cường độ quang đưavào thay đổi, hiệu suất khúc xạ của sợi quang cũng thay đổi theo gây ra sự biến phacủa sóng quang Khi kết hợp với tán sắc của sợi quang sẽ dẫn đến phổ tần dãn rộng và

tích lũy theo sự tăng lên của chiều dài Sự biến đổi công suất quang càng nhanh thìbiến đổi tần số quang càng lớn.

- Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa là trong hệ thống nhiềubước sóng vì hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha của tínhiệu bị điều chế bởi công suất của kênh khác

- Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất hiện khi có nhiều tín hiệu quangtruyền dẫn hồn hợp trên sợi quang làm xuất hiện bước sóng mới gây nên xuyên nhiễulàm hạn chế số bước sóng được sử dụng Việc nảy sinh các hiệu ứng phi tuyến sẽ gâycác hiện tượng xuyên âm giữa các kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu của từngkênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống

1.3.4.3 Phương hướng giải quyết ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tính

Với xu thế phát triển công nghệ và linh kiện quang học, hệ thống WDM hiện nay

đã tìm được một số phương pháp giải quyết hữu hiệu để khắc phục ảnh hưởng củanhững hiệu ứng trên đối với truyền dẫn, nhất là hệ thống WDM có số lượng kênhquang tương đối ít (nhỏ hơn 16 kênh), tổng công suất truy nhập sợi quang thườngkhông lớn hơn +17 dBm, nhỏ hơn nhiều so với trị số ngưỡng gây ra hiệu ứng SRS,

do đó sẽ không có ảnh hưởng của SRS

Sử dụng công nghệ điều chế ngoài của bộ kích quang và công nghệ dao động tần

số thấp có thể khắc phục ảnh hưởng của hiệu ứng băng hẹp SBS

Hiệu suất trộn tần bốn sóng (FWM) có quan hệ rất lớn đối với tán sắc của sợiquang, sử dụng sợi quang G.655 có thể khắc phục được hiệu ứng FWM, hơn nữagiảm tán sắc của sợi quang, là lựa chọn tốt trong hệ thống WDM tốc độ cao

Điều chế pha chéo (XPM) thường phát sinh trong hệ thống WDM có nhiều hơn

32 kênh tín hiệu, có thể khắc phục bằng phương pháp tăng tiết diện hữu dụng vùnglõi của sợi quang G.652

Tự điều chế pha (SPM) sẽ làm hẹp độ rộng xung quang truyền dẫn, ngược lại vớihiệu ứng dãn xung của tán sắc, ở mức độ nhất định, có thể lợi dụng SPM để bù sựdãn xung do tán sắc

1 3.5 Các vấn đề kỹ thuật khác cần quan tâm khác

1.3.5.1 Vấn đề ổn định bước sóng của nguồn quang và yêu cầu độ rộng của nguồn phát

a Ổn định bước sóng của nguồn quang

Trong hệ thống WDM, phải quy định và điều chỉnh chính xác bước sóng củanguồn quang, nếu không, sự trôi bước sóng do các nguyên nhân sẽ làm cho hệ thốngkhông ổn định hay kém tin cậy Hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp điều khiểnnguồn quang: thứ nhất là phương pháp điều khiển phản hồi thông qua nhiệt độ chipcủa bộ kích quang để điều khiển giám sát mạch điện điều nhiệt với mục đích điềukhiển bước sóng và ổn định bước sóng; thứ hai là phương pháp điều khiển phản hồithông qua việc giám sát bước sóng tín hiệu quang ở đầu ra, dựa vào sự trênh lệnh trị

số giữa điện áp đầu ra và điện áp tham khảo tiêu chuẩn để điều khiển nhiệt độ của

bộ kích quang, hình thành kết cấu khép kín chốt vào bước sóng trung tâm

b Yêu cầu độ rộng của nguồn phát

Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh hoạt độngmột cách độc lập với nhau hay nó cách khác là tránh hiện tượng chồng phổ ở phíathu giữa các kênh lân cận Băng thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênhghép được rất lớn (ở cả hai cửa sổ truyền dẫn) Tuy nhiên, trong thực tế các hệ thốngWDM thường đi liền với các bộ khuếch đại quang sợi, làm việc chỉ ở vùng cửa sổ

1550 nm, nên băng tần của hệ thống WDM bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếchđại (từ 1530 nm đến 1565 nm cho băng C; từ 1570 đến 1603 nm cho băng L) Nhưvậy một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách ghép giữa các bước sóng phải thoảmãn được yêu cầu tránh chồng phổ của các kênh lân cận ở phía thu, khoảng cách nàyphụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn phát, phụ thuộc vào các ảnh hưởng như: tánsắc sợi, các hiệu ứng phi tuyến

1.3.5.2 Xuyên nhiễu giữa các kênh tín hiệu quang

Xuyên nhiễu giữa các kênh trong sợi quang ảnh hưởng tới độ nhạy của máy thu,chính vì vậy có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống WDM Có thể chia ralàm hai loại xuyên nhiễu chính sau đây:

- Xuyên nhiễu tuyến tính: do đặc tính không lý tưởng của các thiết bị tách kênh,mức xuyên nhiễu này chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh được sử dụngcũng như khoảng cách giữa các kênh.

- Xuyên nhiễu phi tuyến: chủ yếu do các hiệu ứng phi tuyến của sợi quang gâynên

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng

+ Loại bỏ yêu cầu khắt khe cũng như những khó khăn gặp phải với hệ thốngTDM đơn kênh tốc độ cao Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưulượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗibước sóng riêng (kênh quang)

+ Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM chophép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang.Việc nâng cấp dung lượng đơn giản là cắm thêm card mới trong khi hệ thống vẫn hoạtđộng

+ Quản lý băng tần và cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến và phân

bố bước sóng trong mạng WDM nên có khả năng quản lý hiệu quả băng tần truyền dẫn

và cấu hình lại dịch vụ mạng trong chu kỳ sống của hệ thống

+ Ngoài ra còn ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượngcao, cự ly dài

+ Giảm chi phí đầu tư mới

Nhược điểm:

Bên cạnh những ưu điểm trên, hệ thống WDM còn có những hạn chế:

+ Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn củasợi quang

+ Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động