Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.
MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục hình vẽ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Sơ đồ khối tổng quát 1.3 Phân loại hệ thống WDM 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 10 1.4.1 Bộ phát quang 10 1.4.2 Bộ thu quang 12 1.4.3 Sợi quang 13 1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) 14 1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) 15 1.4.6 1.4.7 Bộ nối chéo quang: (OXC) 17 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): 18 1.4.8 Bộ chuyển đổi bước song 19 1.5 Các tham số gép kênh quang theo bước sóng 20 1.5.1 Suy hao xen 20 1.5.2 1.5.3 Xuyên kênh 20 Độ rộng kênh 22 1.5.4 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 23 1.6 Cấu trúc mạng truyền tải quang 24 1.6.1 Cấu trúc mạng Ring 24 1.6.2 Cấu trúc mạng Mesh 24 1.6.3 Cấu trúc mạng hình 25 1.6.4 Cấu trúc mạng Mesh Ring hai lớp 26 1.7 Ưu nhược điểm hệ thống WDM 27 1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA 27 1.8.1 Các cấu trúc EDFA 27 1.8.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA 29 1.8.3 Yêu cầu nguồn bơm 31 1.8.4 Phổ khuếch đại 33 1.8.5 Các tính chất EDFA 34 1.8.6 Nhiễu khuếch đại 36 1.8.7 Ưu khuyết điểm EDFA 38 CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 39 2.1 Tổng quan phần mềm Optisystem 39 2.1.1 Lợi ích 39 2.1.2 Ứng dụng 40 2.2 Đặc điểm chức 40 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) 40 2.2.2 Tích hợp với công cụ phần mềm Optiwave 41 2.2.3 Các công cụ hiển thị 42 2.3 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 42 2.3.1 Yêu cầu chung 42 2.3.2 45 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 2.3.3 Tạo dự án 50 2.3.4 Hiển thị thay đổi tham số phần tử dự án 52 2.3.5 Chạy mô 58 2.4 Mô hình mô 66 2.4.1 Yêu cầu thiết kế 66 2.4.2 Mô theo phương án thiết kế 68 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C 68 2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang 71 2.4.4.3 Tuyến thu hệ thống WDM 74 2.4.3 Kết mô theo yêu cầu thiết kế 75 2.4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER=10-12 79 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thông tin nói chung kỹ thuật viễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao tăng dung lượng thông tin Cùng với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn, đặc biệt kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà môi trường truyền dẫn thay Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm 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 Ta thấy mạng thông tin quang số hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thông hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, yêu cầu đặt phải tăng chất lượng cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang Giải pháp đưa công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, cho phép ghép nhiều bước sóng sợi quang tăng dung lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung 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 Hình 1.1: Sơ đồ chức hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng minh hoạ hình 1.2 Hệ thống đơn hướng truyền theo chiều sợi quang Do vậy, 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 - Ðứng khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế phải xét thêm yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu có nhiều bước sóng sợi quang, đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho hai chiều sợi quang không dùng chung bước sóng - Các khuếch đại hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hệ thống đơn hướng Tuy nhiên, số bước sóng khuếch đại hệ thống song hướng giảm ½ theo chiều nên hệ thống song hướng, khuyếch đại cho công suất quang ngõ lớn so với hệ thống đơn hướng 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 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 xạ 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 • Mô hình điều chế Hình 1.3 : Sơ đồ điều chế • 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 tố khác 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 độ ổn 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 Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu 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 Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang Phân loại sợi quang Phân loại theo chiết suất: - Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index) - Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index) Phân loại theo mode - Sợi đơn mode (Single-Mode) - Sợi đa mode (Multi-Mode) 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) Sợi quang G655 Là chuẩn sợi quang đưa ITU-T có ưu điểm sau: - Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao 10 Hình 2.28: Các bước để hiển thị kết mô quét tham số 2.4 Mô hình mô 2.4.1 Yêu cầu thiết kế 1) Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA với yêu cầu thiết kế sau: - Tốc độ bit: - Cự ly truyền dẫn: - Số lượng kênh bước sóng: kênh Một số gợi ý thiết kế: - Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn (G.652) Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser 10 Gbit/s 300 km 64 2) a) - Phương thức điều chế: điều chế - Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với lọc thông thấp Bessel Yêu cầu: Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô hệ thống thông tin quang WDM theo phương án thiết kế Lưu ý: tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) thiết lập sau b) - Tốc độ bit: 10 Gbit/s - Chiều dài chuỗi: 128 bits - Số mẫu bit: 64 Đưa thiết bị đo vào mô hình mô Các thiết bị đo tuyến đặt vị trí phù hợp để xác định chất lượng dạng tín hiệu điểm cần thiết tuyến Các thiết bị đo bản: - Thiết bị đo công suất quang - Thiết bị phân tích phổ quang - Thiết bị đo BER c) Chạy mô d) Hiển thị kết mô thiết bị đo đặt tuyến e) Thay đổi tham số phần tử tuyến để đạt BER = 10 -12 3) Báo cáo kết thực hành - Mô hình mô - Các tham số mô chi tiết - Kết mô o Kết mô theo phương án thiết kế ban đầu hệ thống ban đầu o Sự thay đổi tham số thiết kế để đạt BER = 1012 - Nhận xét, phân tích kết mô 65 2.4.2 Mô theo phương án thiết kế 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, phát xung RZ pulse genarator, phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, điều chế Machzehnder Tuyến phát quang gồm kênh quang tích hợp thông quang ghép kênh quang MUX Thiết lập tham số toàn cục Tốc độ bít: 10GBps Chiều dài chuỗi: 128bits Số mẫu bít: 64 Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong bit=128×64=8192 Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục Nguồn phát: Sử dụng nguồn CW Laser ( continous Wave Laser ) : nhằm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi 66 Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser Bộ tạo xung RZ Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ Bộ tạo chuỗi bit Hình 2.32 Bộ tạo chuỗi bít 67 Bộ điều chế Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder Bộ ghép kênh quang (ghép kênh) Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1 68 Toàn tuyến phát kênh quang Hình 2.35: Tuyến phát quang 2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang Hình 2.36 Tuyến truyền dẫn quang 69 Sợi quang sử dụng G.652 có tham số: cửa sổ truyền 1550nm thì: • Suy hao sợi: 0.2dB • Độ tán sắc: 0.335 ps/nmkm • Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm^2/k): 0.075ps/nm^2/k Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô sử dụng Sloop đóng vai trò nhân vòng lặp Chọn chiều dài sợi G.652 60km, số lặp là: 300km÷60km=5 Hình 2.37 Bộ lặp Do sợi quang có suy hao tán sắc nên tuyến truyền dẫn sử dụng bù tán sắc DCF Thông số bù tán sắc: • • • • • Giả sử sợi G652 có chiều dài L1=50km Độ tán sắc : D1= 16.75 ps/nm.km Độ dốc tán sắc : 0.075ps/nm^2.km Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) L2=60km-50km=10km Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2.= -50×16.75/10= -83 ps/nm.km Độ dốc tán sắc : 0.375ps/nm^2.km 70 Hình 2.38 Thông số sợi bù tán sắc DCF Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng khuếch đại EDFA để bù suy hao sợi + L1=50km suy hao sợi là: 50×0.2=10dB Độ lợi khuếch đại EDFA 10dB + L2=10km suy hao sợi là: 10×0.2=5dB Độ lợi khuếch đại EDFA 5dB 2.4.4.3 Tuyến thu hệ thống WDM 71 Hình 2.39 Tuyến thu WDM Thiết bị đo BER Hình 2.40 Thiết bị đo BER 2.4.3 Kết mô theo yêu cầu thiết kế 72 Tuyến WDM theo yêu cầu Hình 2.41 Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu 73 Quang phổ tín hiệu phát Hình 2.42 Quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Hình 2.43 Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ Công suất tín hiệu phát 74 Hình 2.44 Tổng công suất phát Công suất tín hiệu thu Hình 2.45 Công suất thu kênh Tỉ lệ lỗi bit BER 75 Mắt quang Hình 2.46 Hiển thị mắt quang BER kênh Hình 2.47 BER kênh thứ 10-13 76 2.4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER=10-12 Khi thay đổi tham số hệ thống tỉ số lỗi bít BER se thay đổi theo Thay đổi công suất Laser phát Hình 2.48 Thay đổi công suất Laser phát Hoặc thay đổi hệ số suy hao sợi quang lên thành 0.2025dB Hình 2.49 Hệ số suy hao sợi quang thay đổi 77 BER thay đổi + BER kênh thứ thay đổi Hình 2.50 BER kênh thứ đạt 10-12 + Mắt quang: Hình 2.51 BER đạt 10-12 thay đổi số tham số 78 ... đồ chức hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng Hệ thống WDM chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng song hướng minh hoạ hình 1.2 Hệ thống đơn... công suất quang ngõ lớn so với hệ thống đơn hướng 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 Diode Laser (LD) Diode phát quang (LED)... chiều sợi quang Do vậy, 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