Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Từ khi có sự ra đời của Laser vào những năm đầu thập kỷ 60 của thế kỷ 20 làm xuất hiện nhiều lĩnh vực ứng dụng phong phú đa dạng. Trong công nghệ viễn thông thì từ khi có sự xuất hiện của laser với sợi quang thủy tinh đã hình thành nên phương thức thông tin mới. Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Các hệ thống thông tin quang không ngừng được hoàn thiện, ứng dụng trong hầu hết các topo mạng từ mạng đường trục, mạng trung kế hay các mạng truy nhập, mạng đô thị,… Với sự gia tăng của các ứng dụng số liệu nhu cầu về tốc độ truyền dẫn cao cùng với khoảng cách truyền dẫn lớn mà không cần đến các trạm lặp, chỉ cần sử dụng các bộ khuếch đại cần nhờ đến việc sử dụng các công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM. Nhưng với những hệ thống WDM với tốc độ truyền dẫn cao như 40Gbs trong một bước sóng như hiện nay thì công nghệ bị chi phối bởi ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi. Bài báo cáo này với chủ đề “ Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM”. Nhóm em xin trình bày về tổng quan hệ thống thông tin quang WDM và Mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM. Từ đó, khảo sát hiệu năng hệ thống truyền dẫn quang WDM theo 2 khuôn dạng điều chế đó là NRZ và RZ.
Nhóm MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………………………………1 LỜI NĨI ĐẦU …………………………………………………………………………………3 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM……… 1.1 Giới thiệu chung………………………………………………………………………….4 1.2 Sơ đồ khối tổng quát ……………………………………………………………………4 1.3 Phân loại hệ thống WDM 1.4 Các phần tử hệ thống WDM………………………………………… .6 ……………………………………………………………5 1.4.1 Bộ phát quang……………………………………………………………………6 1.4.2 Bộ thu quang ……………………………………………………………………8 1.4.3 Sợi quang ……………………………………………………………………9 1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng:( OMUX/ODEMUX) 1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng ( OADM) 1.4.6 Bộ nối chéo quang (OXC) ……………………………………………11 ……………………………………………………13 1.4.7 Bộ khuếch đại quang (OA - Optical Amplifier) 1.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng 1.5 ……………………………10 ……………………………14 ……………………………………………………15 Các tham số gép kênh quang theo bước sóng………………………… ……16 1.5.1 Suy hao xen ……………………………………………………………………16 1.5.2 Xuyên kênh ……………………………………………………………………16 1.5.3 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến………………………………………… 17 1.6 Ưu nhược điểm hệ thống WDM ……………………………………………………18 1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA ………………………………………………… ……….19 1.7.1 Các cấu trúc EDFA …………………………………………………… 19 Nhóm 1.7.2 Phổ khuếch đại …………………………………………………………… … 20 1.7.3 Các tính chất EDFA ………………………………………………… 22 1.7.4 Nhiễu khuếch đại……………………………………………… 23 1.7.5 Ưu khuyết điểm EDFA ………………………………………………… 24 CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 2.1 Tổng quan phần mềm Optisystem……………………………………………………25 2.1.1 Lợi ích ………………………………………………………………… .25 2.1.2 Ứng dụng 2.2 ………………………………………………………………… 26 Đặc điểm chức ………………………………………………………… 26 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) ………………………………… 26 2.2.2 Tích hợp với cơng cụ phần mềm Optiwave ………………………… 27 2.2.3 Các công cụ hiển thị ………………………………………………………… 28 2.3 Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem…………………………………… 28 2.4 Mơ hình mơ 2.4.1 ……………………………………………………………………31 Sơ đồ hệ thống……………………………………………………………………31 2.4.1.1 Phía phát………………………………………………………………………….31 2.4.1.2 Tuyến truyền dẫn………………………………………….…………………… 32 2.4.1.3 Phía thu ……………………………………… ………………………… 32 ……………………………………………………33 2.4.2 Thiết lập tham số tồn cục 2.4.3 Kết mơ theo yêu cầu thiết kế…………………………………………34 2.4.4 Kết mô dùng NZ……………………………………….………… 39 2.4.5 So sánh…………………………………………………………………………… 43 Tài Liệu Tham Khảo …………………………………………………… …………… 44 Nhóm Lời nói đầu Từ có đời Laser vào năm đầu thập kỷ 60 kỷ 20 làm xuất nhiều lĩnh vực ứng dụng phong phú đa dạng Trong cơng nghệ viễn thơng từ có xuất laser với sợi quang thủy tinh hình thành nên phương thức thơng tin Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thơng tin nói chung kỹ thuật viễn thơng nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao tăng dung lượng thông tin Các hệ thống thông tin quang khơng ngừng hồn thiện, ứng dụng hầu hết topo mạng từ mạng đường trục, mạng trung kế hay mạng truy nhập, mạng đô thị,… Với gia tăng ứng dụng số liệu nhu cầu tốc độ truyền dẫn cao với khoảng cách truyền dẫn lớn mà không cần đến trạm lặp, cần sử dụng khuếch đại cần nhờ đến việc sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM Nhưng với hệ thống WDM với tốc độ truyền dẫn cao 40Gb/s bước sóng cơng nghệ bị chi phối ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến sợi Bài báo cáo với chủ đề “ Khảo sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM” Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống thông tin quang WDM Mô hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Từ đó, khảo sát hiệu hệ thống truyền dẫn qung WDM theo khn dạng điều chế NRZ RZ Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Cao Hồng Sơn hướng dẫn giúp đỡ nhóm em thời gian qua để hồn thành báo cáo Bài báo cáo nhiều hạn chế mặt nội dung hình ảnh, chúng em mong thầy sai sót để nhóm em tiếp thu tiến trình học tập Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2017 Nhóm 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), khơi 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: Q 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: Nhóm • Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch khơng dB) • Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng gây ảnh hưởng đến mức cơng 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 thơng tin quang thơng 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 Nhóm 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 cơng 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 đơi 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 khơng 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 là: 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 Nhóm 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 bước sóng xác theo tiêu chuẩn • Mơ hình điều chế ngồi Hình 1.3 : Sơ đồ điều chế ngồi • u 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 ln bị dao động yếu tố khác nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hố 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 khơng đảm bảo chất lượng Muốn Nhóm 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 cơng suất việc kích thích laser giảm bớt công suất không mang tin tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng nhiễu (phát sinh có cơng suất lớn) ✓ Khả điều chỉnh bước sóng: Để tận dụng tồn 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 thơng quang, khơng 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 tỷ lệ lỗi bít (BER) cho phép Bộ thu quang hệ thống WDM Nhóm 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 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 Nhóm - Sợi đơn mode (Single-Mode) - Sợi đa mode (Multi-Mode) ❖ Sợi quang G.652 Là sợi đơn mode sử dụng phổ biến mạng lưới viễn thông nhiều nước Nó làm việc cửa sổ: - Ở cửa sổ 1310nm: G.652 có tán sắc nhỏ (xấp xỉ ps/nm.km) suy hao tương đối lớn - Ở cửa sổ 1550nm: G.652 có suy hao truyền dẫn nhỏ hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km) ❖ Sợi quang G.655 Là chuẩn sợi quang đưa ITU-T có ưu điểm sau: - Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn - Sợi quang G.655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao Độ tán sắc dương sợi G.655 tránh việc trộn lẫn bước sóng quang - Vùng hiệu dụng cao sợi G.655 (vẫn nhỏ sợi SMF) làm giảm thiểu - hiệu ứng phi tuyến Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại tín hiệu quang cửa sổ C, điều lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersionshifted) 1.4.4 Bộ tách / ghép bước sóng ( OMUX/ODEMUX) ❖ Định nghĩa: Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, với kết nối chéo quang, thiết bị quan trọng cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với kết nối chéo quang OXC hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả truyền tải đồng thời suốt loại hình dịch vụ, mà cơng nghệ hướng tới Bộ tách/ ghép kênh thực ghép tách tín hiệu bước sóng khác ❖ Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường mơ tả theo thông số sau: - Suy hao xen - Số lượng kênh xử lý 10 Nhóm 2.4 Mơ hệ thống 2.4.1 Sơ đồ hệ thống 2.4.1.1 Phía phát Vì phía phát sử dụng kênh bước sóng nên có khối giống 33 Nhóm 2.4.1.2 Tuyến truyền dẫn 2.4.1.3 Phía thu 34 Nhóm 2.4.2 Thiết lập tham số tồn 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 Bộ ghép kênh bước sóng 35 Nhóm 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 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 G.652 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 tỏn sc D2= -D1ìL1/L2.= -50ì16.75/10= -83 ps/nm.km dc tán sắc : 0.375ps/nm^2.km 2.4.3 Kết mô Sơ đồ hệ thống 36 Nhóm Quang phổ tín hiệu phát 37 Nhóm Quang phổ tín hiệu thu 38 Nhóm Tổng cơng suất phát Cơng suất thu kênh 39 Nhóm Hiển thị mắt quang BER kênh thứ =1.15602 40 Nhóm 2.4.4 Khi dùng điều chế RZ 41 Nhóm Quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Tổng cơng suất phát 42 Nhóm Cơng suất thu kênh 43 Nhóm Hiển thị mắt quang BER kênh thứ =1,2 44 Nhóm 2.4.5 So Sánh Kênh tốt Điều chế NRZ Điều chế RZ Kênh Kênh BER = 1.15602 Kênh BER= 9,17 Kênh Kênh tồi BER= 1,89 Kênh BER= 8,5 BER= 7,48 Kênh BER = 1,2 Kênh BER= 1,5 Kênh BER= 7,3 45 Nhóm Tài liệu tham khảo • TS Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM”, tạp chí bưu viễn thơng số 9-1999 • Giáo trình “Kỹ thuật thơng tin quang 2” (dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)_Ths Đỗ Văn Việt Em • Tài liệu: “khuếch đại quang sợi khả ứng dụng vào mạng viễn thơng”- Dương Đức Tuệ • Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng, NXB Bưu Điện, Hà Nội 5-2001 • Slide giảng “ Công nghệ truyền tải quang” 46 Nhóm Bảng phân cơng cơng việc Tên thành viên Nhiệm vụ Ngơ Thị Thanh Dun + Tìm hiểu tổng quan hệ thống quang WDM + Làm word Note + Nhóm trưởng + Báo cáo + Làm slide + Tổng hợp word, slide, mơ hồn chỉnh Lê Văn Công + Chạy mô hệ thống ghi kết + Báo cáo khuôn dạng NRZ + Đánh giá, so sánh Phan Hồng Bảo + Chạy mô hệ thống ghi kết khuôn dạng RZ + Đánh giá, so sánh Đỗ Văn Sáng + Tìm hiểu phần mềm Optisystem + Tìm hiểu khối sơ đồ hệ thống máy thu, máy phát + Làm word Lê Văn Đạt + Hướng dẫn sử dụng phần mềm Optisystem + Làm word theo mô kết 47 ... sát hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Mục đích: Khảo sát hiệu hệ thống truyền dẫn quang WDM theo khn dạng tín hiệu điều chế Yêu cầu: - Xây dựng hệ thống truyền dẫn quang WDM. .. Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống thông tin quang WDM Mô hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh theo bước sóng WDM Từ đó, khảo sát hiệu hệ thống truyền dẫn qung WDM theo khuôn dạng điều chế... WDM khảo sát hiệu hệ thống Nội dung: a Khảo sát hiệu hệ thống truyền dẫn quang WDM theo khn dạng tín hiệu điều chế NRZ RZ - Xây dựng hệ thống truyền dẫn WDM theo sơ đồ đây: Trong tuyến truyền dẫn