Bài tập lớn thông tin sợi cáp quang: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDMƯu nhược điểm so với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quangTHIẾT KẾ HỆ THỐNG WDM GHÉP KÊNH 4 BƯỚC SÓNGHệ thống WDM 4 bước sóng sử dụng kỹ thuật bù tán sắc.Thiết kế hệ thống quang WDM ghép kênh 4 bước sóng sử dụng kỹ thuật bù tán sắc.
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN SỢI QUANG ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang SVTH: Lê Minh Toản Lớp: CCVT07A Đà Nẵng, tháng 12 năm 2016 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang LỜI MỞ ĐẦU Ở nước ta nay, thông tin cáp sợi quang ngày chiếm vị trí quan trọng Với ưu điểm băng thông rộng, chịu ảnh hưởng môi trường, chất lượng tín hiệu tốt nên thông tin cáp sợi quang ngày chiếm ưu mạng viễn thông Công ty viễn thông nước Ngày nay, tuyến cáp quang sử dụng rộng khắp, tuyến cáp quang đường trục liên tỉnh tuyến cáp quang nội hạt kéo đến hầu hết quận, huyện nước Trong năm gần đây, lưu lượng qua mạng tăng trưởng đột biến, nhu cầu phát triển loại hình dịch vụ thoại, dịch vụ băng thông rộng đặc biệt Internet ngày lớn Những nhà cung cấp dịch vụ mà đặc biệt công ty sở hữu khai thác sở hạ tầng mạng, phải liên tục nâng cấp mạng để đáp ứng nhu cầu băng thông dịch vụ Tuy vậy, tất dự án giải lưu lượng mạng chậm so với thực tế Trong tình có đột phá công nghệ nhằm giải vấn đề dung lượng chất lượng mạng cho xã hội thông tin, công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng WDM Với tiến nhanh chóng, công nghệ WDM xứng đáng giải pháp hợp lý cho vấn đề tương lai Đây mục tiêu nhà cung cấp dịch vụ mạng thông tin nhằm đáp ứng cho tăng trưởng nhanh lưu lượng qua mạng (như Internet) đảm bảo cho chất lượng dịch vụ ngày tốt Với mục đích hiểu rõ công nghệ bước làm chủ thiết bị thành thạo công tác vận hành, bảo dưỡng thiết bị cho công việc sau này, góp phần giúp thiết bị hoạt động ổn định đảm bảo thông tin chất lượng tín hiệu, em chọn đề tài “CÔNG NGHỆ GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG WDM” Qua thời gian học tập trường, giúp đỡ thầy, cô khoa Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông- Trường CĐ CNTT Hữu Nghị Việt Hàn giúp em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích để em vững vàng tự tin công việc sau Để hoàn thành tốt Đồ án môn học này, em hướng dẫn, bảo tận tình TS Nguyễn Vũ Anh Quang SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM .6 1.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.2 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.2.1 Các kết cấu bản của hệ thống WDM 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM 1.3 CÁC DẢI BĂNG TẦN HOẠT ĐỘNG TRONG WDM 1.4 ƯU NHƯỢC ĐIỂM SO VỚI HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐƠN KÊNH QUANG 1.4.1 Ưu điểm .8 1.4.2 Nhược điểm 1.5 CÁC HIỆU ỨNG PHI TUYẾN 1.5.1 Hiệu ứng tán xạ: 1.5.2 Hiệu ứng Kerr .9 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG WDM GHÉP KÊNH BƯỚC SÓNG 11 2.1.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH 11 2.2.THIẾT KẾ 11 2.2.1.Nguồn phát 11 2.2.2.Tuyến truyền dẫn 13 2.2.3.Nguồn thu 13 2.3.HỆ THỐNG WDM BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 13 2.3.1.Phổ của kênh trước truyền 14 2.3.2.Phổ của kênh đường truyền .14 2.3.3.Kênh phần thu 15 2.4.THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUANG WDM GHÉP KÊNH BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 17 KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 23 SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH- 1: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA TUYẾN TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG .6 HÌNH-2 : HỆ THỐNG ĐƠN HƯỚNG HÌNH- 3: HỆ THỐNG SONG HƯỚNG HÌNH- 4: NGUỒN PHÁT 12 HÌNH- 5: TUYẾN TRUYỀN DẪN 13 HÌNH- 6: NGUỒN THU 13 HÌNH- 7: HỆ THỐNG WDM BƯỚC SÓNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT BÙ TÁN SẮC 13 HÌNH- 8: TẦN SỐ CỦA CÁC KÊNH TẠI BỘ MUX 4X1 14 HÌNH- 9: PHỔ CỦA KÊNH TRƯỚC KHI TRUYỀN 14 HÌNH- 10: PHỔ CỦA KÊNH TRÊN TUYẾN TRUYỀN DẪN HIỆU ỨNG PHI TUYẾN .15 HÌNH- 11: TẦN SỐ CÁC KÊNH TẠI BỘ DEMUX 4X1 15 HÌNH- 12: PHỔ TẠI KÊNH 16 HÌNH- 13:PHỔ TẠI KÊNH 16 HÌNH- 14:PHỔ TẠI KÊNH 17 HÌNH- 15: PHỔ CỦA TẠI KÊNH 17 HÌNH- 16 : HÌNH ẢNH GIẢN ĐỒ MẮT KÊNH BER=2.25E-12 18 HÌNH- 17: HÌNH ẢNH GIẢN ĐỒ MẮT KÊNH BER=6.69E-106 19 HÌNH- 18: HÌNH ẢNH GIẢN ĐỒ MẮT KÊNH BER=9.9E-117 19 HÌNH- 19: HÌNH ẢNH GIẢN ĐỒ MẮT KÊNH BER= 1.2E-120 20 SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang DANH MỤC VIẾT TẮT WDM Wavelength Division Multiplexing O-band Original band S-band Short Wavelength band E-band Extended band C-band Conventional band L-band Long Wavelength band U-band Ultra-Long Wavelength band TDM Time Division Multiplexing SRS Stimulated Raman Scrattering SBS Stimulated Brillouin Scrattering SPM Self Phase Modulation XPM Cross Phase Modulation FWM Four Wave Mixing EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier DCF Dispersion Compensation Fiber BER Bit Error Rate SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG WDM 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang WDM Bộ phát quang Tín hiệu điện vào Nguồn phát Nguồn phát quang quang Bộ chia quang Trạm lặp Thu quan Mạch điệng Phát quan g Khuếch đại quang Mối hàn sợi Sợi dẫn quang Mạch điều Mạch điều khiển khiển Bộ nối quang Các thiết bị khác Khuếch đại Đầu Đầuthu thu quang quang Khôi Khôiphục phục tín tínhiệu hiệu Tín hiệu điện Bộ thu quang Hình- 1: Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết với Cáp sợi quang gồm có sợi dẫn quang lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi quang khỏi tác động có hại từ môi trường bên Phần thu quang tách sóng quang mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có nối quang (connector), mối hàn, chia quang trạm lặp; tất tạo nên tuyến thông tin quang hoàn chỉnh 1.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng WDM Ghép kênh theo bước sóng WDM 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 SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang 1.2.1 Các kết cấu bản hệ thống WDM Có hai hình thức cấu thành hệ thống WDM: hệ thống đơn hướng song hướng Hệ thống đơn hướng (truyền theo chiều sợi quang): kết hợp bước sóng khác vào sợi đầu thực tách chúng để chuyển tới tách sóng quang đầu Kênh Kênh Nguồn λ Kênh Nguồn λ Kênh n Thu λ Thiết bị WDM Một sợi λ 1, λ λ n Kênh Thiết bị WDM Thu λ Kênh n Nguồn λ n Thu λ n Hình-2 : Hệ thống đơn hướng + Hệ thống WDM song hướng (truyền hai chiều sợi quang): phát thông tin theo hướng theo bước sóng λ1 đồng thời phát thông tin theo hướng ngược lại bước sóng λ2 Kênh vào Kênh Nguồn λ1 Kênh Nguồn λ2 Thiết Một sợi bị WDM λ λ2 Thiết bị Thu λ WDM Thu λ Kênh vào Hình- 3: Hệ thống song hướng SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang 1.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống WDM Ánh sáng đầu LD LED chiếu vào thiết bị ghép bước sóng (MUX: multiplex) cách tử G P thành luồng chung có n bước sóng truyền qua sợi quang Tại đầu thu sử dụng tách bước sóng (DEMUX: Demultiplex) để tách riêng rẽ bước sóng Mỗi bước sóng đưa vào diode tách quang để tách luồng tín hiệu số 1.3 Các dải băng tần hoạt động wdm O-band (Original band): dải băng tần từ 1260nm đến 1360nm E-band (Extended band): dải băng tần từ 1360nm đến 1460nm S-band (Short wavelength band): dải băng tần từ 1460nm đến 1530 nm C-band (Conventional band): dải băng tần từ 1530 nm đến 1565 nm L-band(Long wavelength band): dải băng tần từ 1565 nm đến 1625 nm U-band (Ultra-long wavelength band): dải băng tần từ 1625 nm đến 1675 nm 1.4 Ưu nhược điểm so với hệ thống truyền dẫn đơn kênh quang 1.4.1 Ưu điểm Dung lượng truyền dẫn lớn, hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thống TDM Loại bỏ yêu cầu khắt khe khó khăn gặp phải với hệ thống TDM đơn kênh tốc độ cao Không giống TDM phải tăng tốc độ số liệu lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM cần mang vài tín hiệu, tín hiệu ứng với bước sóng riêng (kênh quang) Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lượng hệ thống, kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang quang Việc nâng cấp dung lượng đơn giản cắm thêm card hệ thống hoạt động Quản lý băng tần cấu hình mềm dẻo, linh hoạt nhờ việc định tuyến phân bố bước sóng mạng WDM nên có khả quản lý hiệu băng tần truyền dẫn cấu hình lại dịch vụ mạng chu kỳ sống hệ thống Ngoài ứng dụng để truyền nhiều chương trình truyền hình chất lượng cao, cự ly dài Giảm chi phí đầu tư 1.4.2 Nhược điểm Dung lượng hệ thống nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn sợi quang Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng có nhiều hệ thống hoạt động 1.5 Các hiệu ứng phi tuyến Hiệu ứng phi tuyến chia thành hai loại hiệu ứng tán xạ hiệu ứng Kerr (khúc xạ) 1.5.1 Hiệu ứng tán xạ: Gồm hiệu ứng SBS SRS - Hiệu ứng SRS (Stimulated Raman Scrattering) tượng chiếu ánh sáng vào sợi quang gây dao động phân tử vật liệu sợi quang, điều chế tín hiệu quang đưa vào dẫn đến bước sóng ngắn hệ thống WDM suy giảm tín hiệu lớn, hạn chế số kênh hệ thống - Hiệu ứng SBS (Stimulated Brillouin Scrattering) cúng có tượng SRS gây dịch tần dải tần tăng ích nhỏ xuất hướng sau chiều tán xạ Ảnh hưởng càn lớn ngưỡng công suất thấp 1.5.2 Hiệu ứng Kerr Gồm hiệu ứng SPM, XPM FWM - Hiệu ứng SPM (Self Phase Modulation) tượng cường độ quang đưa vào thay đổi, hiệu suất khúc xạ sợi quang thay đổi theo gây biến pha sóng quang Khi kết hợp với tán sắc sợi quang dẫn đến phổ tần dãn rộng tích lũy theo tăng lên chiều dài Sự biến đổi công suất quang nhanh biến đổi tần số quang lớn SVTH: Lê Minh Toản Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang - Hiệu ứng XPM (Cross Phase Modulation), có nghĩa hệ thống nhiều bước sóng hiệu suất khúc xạ biến đổi theo cường độ đầu vào dẫn đến pha tín hiệu bị điều chế công suất kênh khác - Hiệu ứng FWM (Four Wave Mixing) xuất có nhiều tín hiệu quang truyền dẫn hồn hợp sợi quang làm xuất bước sóng gây nên xuyên nhiễu làm hạn chế số bước sóng sử dụng Việc nảy sinh hiệu ứng phi tuyến gây tượng xuyên âm kênh, suy giảm mức công suất tín hiệu kênh dẫn đến suy giảm tỷ số S/N, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống SVTH: Lê Minh Toản 10 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG WDM GHÉP KÊNH BƯỚC SÓNG ( Thiết kế OptiSytem) 2.1 Các thành phần Nguồn phát (4 bộ) Nguồn thu ( bộ) Tuyến truyền dẫn Sợi đơn mod chuẩn SMF (50km) bước sóng 1550nm Bộ khuếch đại ADFA Trong tuyến sử dụng kĩ thuật bù tán sắc( bù tán sắc quang sử dụng sợi DCF) Bộ WDM Mux 4x1 phần phát Bộ WDM Demux 1x4 phần thu Bộ phân tích phổ( bộ) Máy phân tích WDM Các tham số toàn cục: Tốc độ hoạt động hệ thống: 2.5 GBit/s Chiều dài chuỗi bit: 128 bit 64 bit/mẫu Lưu ý: Sợi DCF có chiều dài ngắn tốt Có suy hao Sợi DCF thương mại có chiều dài 4km bù cho sợi SMF 50km 2.2 Thiết kế 2.2.1 Nguồn phát SVTH: Lê Minh Toản 11 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 4: Nguồn phát SVTH: Lê Minh Toản 12 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang 2.2.2 Tuyến truyền dẫn Hình- 5: Tuyến truyền dẫn 2.2.3 Nguồn thu Hình- 6: Nguồn thu 2.3 Hệ thống WDM bước sóng sử dụng kỹ thuật bù tán sắc Hình- 7: Hệ thống WDM bước sóng sử dụng kỹ thuật bù tán sắc SVTH: Lê Minh Toản 13 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang 2.3.1 Phổ kênh trước truyền Do sử dụng phát kênh bước sóng nên có kênh Nếu phát kênh mà ta thu không đủ kênh sai phần WDM Mux 4x1 Hình- 8: Tần số kênh Mux 4x1 Hình- 9: Phổ kênh trước truyền 2.3.2 Phổ kênh đường truyền Trên kênh truyền có nhiều kênh xuất kênh hiệu ứng phi tuyến tạo thành Và minh họa hình vẽ SVTH: Lê Minh Toản 14 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 10: Phổ kênh tuyến truyền dẫn hiệu ứng phi tuyến 2.3.3 Kênh phần thu Trong trình truyền kênh bước sóng phân thu phải nhận kênh Nếu kênh đường truyền có vấn đề Hình- 11: Tần số kênh Demux 4x1 SVTH: Lê Minh Toản 15 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 12: Phổ kênh Hình- 13:Phổ kênh SVTH: Lê Minh Toản 16 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 14:Phổ kênh Hình- 15: Phổ kênh 2.4 Thiết kế hệ thống quang WDM ghép kênh bước sóng sử dụng kỹ thuật bù tán sắc Một sợi dây chiều dài sợi dây 50km( suy hao 0.2 dB/Km) khếch đại EDFA ( độ lợi G) SVTH: Lê Minh Toản 17 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Một sợi dây DCF có chiều dài 4km có suy hao 0.5dB/km, khuếch đại EDFA để khuếch đại cho sợ dây DCF bù lai suy hoa cho sợi dây Thay đổi tham số phần tử tuyến để có kênh đạt BER = Để thay đổi BER ta thay đổi công suất phát, chiều dài dây, độ suy hao Nhưng chọn thay đổi công suất phát Power Ta thay cho công suất phát là: -20,3dBm tần số F= 193THz công suất phát -15dBm có tần số là: 193.1, 193.2, 193,3(THz) Lưu ý: Khi thay đổi chiều dài sợi dây đơn mod chuẩn (độ lợi sợi dây đơn mod phải thay đổi để bù lại suy hoa cho nó) phải thay đổi chiều dài sợi dây DCF( phụ thuộc vào sợi dây đơn mod SMF) độ lợi theo sợi để bù lại suy hoa sợi dây Hình- 16 : Hình ảnh giản đồ mắt kênh BER=2.25e-12 SVTH: Lê Minh Toản 18 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 17: Hình ảnh giản đồ mắt kênh BER=6.69e-106 Hình- 18: Hình ảnh giản đồ mắt kênh BER=9.9e-117 SVTH: Lê Minh Toản 19 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang Hình- 19: Hình ảnh giản đồ mắt kênh BER= 1.2e-120 SVTH: Lê Minh Toản 20 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang KẾT LUẬN Ghép kênh WDM giải pháp hiệu việc tăng dung lượng truyền dẫn Việc sử dụng ghép kênh quang theo bước sóng mạng đường trục cho phép rẽ nhánh tuyến khai thác điểm khó khăn mặt cấp nguồn ghép bước sóng không cần đến nguồn điện, nâng cấp dung lượng tuyến khai thác thiết kế Nhưng kỹ thuật có hạn chế cần khắc phục như: suy hao, xuyên kênh, hiệu ứng phi tuyến tán sắc SVTH: Lê Minh Toản 21 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang TÀI LIỆU THAM KHẢO VŨ VĂN SAN Kỹ thuật thông tin quang Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 1997 DƯƠNG ĐỨC TUỆ Hệ thống ghép kênh theo bước sóng Nhà suất bưu điện – 2001 3.TS VŨ VĂN SAN Hệ thống thông tin quang, Hà Nội, 2003 Web: https://vi.wikipedia.org/wiki/WDM SVTH: Lê Minh Toản 22 Bài tập lớn: Thông tin sợi quang GVHD: Nguyễn Vũ Anh Quang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Đà Nẵng, ngày tháng năm 2016 Giảng viên SVTH: Lê Minh Toản 23