Khảo sát tuyến truyền dẫn sợi quang có sử dụng sợ bù tán sắc

Không những thế hệ thống thông tin cáp sợi quang còn có độ bảo mật rất cao do tính đóng kín hệ thống truyền dẫn và sử dụng tín hiệu ánh sáng thay cho tín hiệu điện.. Các thiết bị mới ra

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

BÀI TIỂU LUẬN

Môn: Công nghệ truyền tải quang

Đề tài: Khảo sát tuyến truyền dẫn sợi quang

Hà Nội, 2017

Nội dung

Lời giới thiệu

Ngày nay,hệ thống tin sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi trong thông tin liên lạc Bởi lẽ đây là hệ thống đáp ứng được yêu cầu sử dụng băng thông cũng như quỹ công suất thu phát và cự ly thông tin tốt nhất hiện nay So với thông tin dùng cáp đồng (ADSL) thì tốc độ tối đa đạt được của hệ thống thông tin sợi quang(FTTH) gấp 50 lần Không những thế hệ thống thông tin cáp sợi quang còn có độ bảo mật rất cao do tính đóng kín hệ thống truyền dẫn và sử dụng tín hiệu ánh sáng thay cho tín hiệu điện

Cùng với sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạo thiết bị quang cũng ngày càng phát triển Các thiết bị mới ra đời nhằm tăng tốc độ và chất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu của mạng quang như là tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất …

Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nhưng bên cạnh

đó còn tồn tại những nhược điểm Nhược điểm chính của hệ thống là ảnh hưởng của tán sắc Tán sắc làm tín hiệu khi truyền dẫn trong sợi quang bị suy hao và biến dạng dẫn đến hạn chế cự ly truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn, làm giảm dung lượng cũng như chất lượng của hệ thống Vấn đề đặt ra hiện nay là việc khắc phục những nhược điểm này

Đề tài trong bài tiểu luận lần này sẽ giúp mọi người hiểu rõ hơn về một hệ thống tuyến truyền dẫnquang sử dụng sợi bù tán sắc và ngoài ra cũng giúp mọi người làm quen với phần mềm OPTISYSTEM ( phần mềm mô phỏng các hệ thống quang)

Nội dung bài tiểu luận chia thanh 3 phần:

Phần I: Giới thiệu về phần mềm OPTISYSTEM

Phần II: Mô phỏng hệ thống quang trên OPTISYSTEM

Phần III: Kết quả mô phỏng là kết luận

I Giới thiệu về phần mềm OPTISYSTEM

I.1 Giới thiệu phần mềm OPTISYSTEM

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp

Để phân tich, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối

ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bên cạnh đó, phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự định nghĩa vào Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan OptiSystem

có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiết kế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần Phần mềm OptiSystem là một sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học trong lớp truyền dẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học từ mạng LAN, SAN, MAN tới mạng ultra-long-haul Nó cung cấp lớp truyền dẫn, thiết kế và quy hoạch hệ thống thông tin quang từ các thành phần tới mức hệ thống Hội nhập của nó với các sản phẩm Optiwave khác và các công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phần mềm thiết kế tự động góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến độsản phẩm ra thị trường và rút ngắn thời gian hoàn vốn

I.2 Lợi ích

- Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống

- Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật

- Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng

- Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu

- Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa

- Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave

I.3 Ứng dụng

Tạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác, OptiSystem đáp ứng các nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn dễ sử dụng công cụ thiết kế hệ thống quang học

OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:

- Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV

- Thiết kế mạng vòng SONET / SDH

- Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán

- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau

- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch đại quang

- Thay đổi hệ thống tham số BER và tính toán khả năng liên kết “Khi hệ thống quang học trở nên nhiều hơn và phức tạp hơn, các nhà khoa học và kỹ sư ngày càng phải áp dụng các phần mềm kĩ thuật mô phỏng tiên tiến, quan trọng hỗ trợ cho việc thiết kế Nguồn OptiSystem và linh hoạt tạo điều kiện thuận lợi hiệu quả và hiệu quả trong việc thiết kế nguồn sáng "

I.4 Đặc điểm và chức năng

I.4.1.Cấu tạo thư viện (Component Library)

Thư viện OptiSytem bao gồm hàng trăm các thành phần cho phép bạn có thể nhập các thông số được đo từ các thiết bị thực sự Nó tích hợp với các thử nghiệm và thiết bị đo lường từ các nhà cung cấp khác nhau Người sử dụng có thể kết hợp các thành phần mới dựa trên hệ thống con và người sử dụng vàđịnh nghĩa là thư viện, hoặc sử dụng mô phỏng cùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc SPICE

Cụ thế bao gồm:

- Thư viện nguồn quang

- Thư viện các bộ thu quang

- Thư viện sợi quang

- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)

- Thư viện các bộ MUX, DEMUX

- Thư viên các bộ lọc (quang, điện)

- Thư viện các phần tử FSO

- Thư viện các phần tử truy nhập

- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)

- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)

- Thư viện các phần tử mạng quang

- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện

I.4.2.Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave

Optisystem cho phép người dùng sử dụng kết hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave như OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để thiết kế ở mức phần tử

- Miêu tả được tín hiệu pha trộn

OptiSystem xử lý các định dạng tín hiệu hỗn hợp cho tín hiệu quang và điện trong Hợp phần Thư viện OptiSystem tính toán các tín hiệu đang sử dụng thích hợp các thuật toán có liên quan đến các yêu cầu mô phỏng chính xác và hiệu quả

- Chất lượng và thực hiện các thuật toán

Để dự đoán hiệu suất hệ thống, OptiSystem tính toán các thông số chẳng hạn như BER và Q-Factor bằng cách sử dụng phân tích số hoặc bán phân tích kỹ thuật của

hệ thống giới hạn bởi biểu tượng nhiễu và tiếng ồn

- Các công cụ trực quan nâng cao

Các công cụ trực quan tiên tiến tạo ra phổ OSA ,xung tín hiệu,biểu đồ mắt,phân cực trạng thái,các sơ đồ hợp thành và nhiều hơn nữa.Ngoài ra,bao gồm các công cụ nghiên cứu WDM các danh sách tín hiệu nguồn,hình ảnh tiếng ồn và OSNR cho mỗi kênh

- Theo dõi, giám sát dữ liệu

Bạn có thể chọn các cổng thành phần lưu dữ liệu và gắn màn hình sau khi mô phỏng kết thúc Điều này cho phép bạn xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng mà không cần tính toán lại , Bạn có thể tùy ý đính kèm một số hiện hình tới màn hình tại cùng một cổng

I.4.3 Các công cụ hiển thị

Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện Cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lượngtín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống

Thiết bị đo quang:

- Phân tích phổ (Spectrum Analyzer)

- Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter)

- Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer)

- Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer)

- Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer)

- Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)

Thiết bị đo điện:

- Oscilloscope

- Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer)

- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer)

- Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer)

- Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter)

- Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer)

Bài toán mô phỏng

Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang khảo tuyến truyền dẫn sợi quang có sử dụng sợi bù tán sắc theo sơ đồ trên.

Các tham số được thiết lập như sau:

- Tốc độ bit: 10Gbit/s ( 40Gbit/s)

- Độ dài chuỗi bit: 128 bit

- Số mẫu / mỗi bit: 64 mẫu

Đưa các thiết bị đo vào mô phỏng:

- Máy đo công suất quang

- Máy hiện sóng tín hiệu quang

- Máy phân tích phổ quang

- Máy hiện thị BER

Chạy mô phỏng với số các vòng lặp khác nhau.

Vẽ đường cong BER và tham số OSNR là hàm của khoảng cách truyền dẫn và xác định giới hạn khoảng cách và OSNR của hệ thống tại mức BER = 〖10〖^9 ở hai tốc độ khác nhau

Kết quả và báo cáo

II.1 Sợi Quang Đơn Mode NZ-DSF

II.1.1 Cấu tạo của sợi quang

Sợi quang dịch chuyển tán sắc khác không (NZ-DSF), còn gọi là sợi quang đơn mode G655 Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và các chất phụ gia khác, đảm bảo có chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ số chiếc suất của lớp vỏ phản xạ Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2 Lớp bảo vệ

sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không bị suy hao do uốn cong và trầy xước

Điểm tán sắc bằng không của nó không nằm ở 1550 nm mà dịch tới 1570 nm hoặc gần 1510 nm – 1520 nm

Giá trị tán sắc trong phạm vi 1548-1565 nm là ở 1÷4 ps/nm/km đủ để tán sắc không bằng 0, trong khi vẫn duy trì được tán sắc tương đối nhỏ.

II.1.2 Thông số kỹ thuật của sợi quang G655

Thông số sợi G655 theo ITU-T G655 ( 11/2009)

Các thuộc tính sợi

Đường kính trường mode Bước sóng 1550 mm

Dải giá trị danh định 8 - 11 mm

Đường kính vỏ Giá trị danh định 125 mm

Sai số đồng tâm của lõi Giá trị cực đại 0,8 mm

Độ không tròn đều của vỏ Giá trị cực đại 2%

Bước sóng cắt (của sợi đã bọc

Đặc tính suy hao của sợi Bán kính 30 mm

quang ở bước sóng 1550 nm Số vòng cuốn 100

Giá trị cực đại tại bước sóng

Dmax - Dmin ≤5,0 ps/nm.km

Hệ số tán sắc

Dải bước sóng: 1565-1625 nm

λmin và λmax (*)Giá trị nhỏ nhất của Dmin (*)Giá trị lớn nhất của Dmax (*)

Các thuộc tính cáp

Hệ số suy hao Giá trị lớn nhất tại bước sóng

II.1.3 Thiết kế trong phần mềm điều chỉnh thông số trong Optisystem

• Bước 1: Truy nhập thư viện Defaults Optical Fibers Library Optical Fibers

• Bước 2: Kích đúp vào sợi cáp và thay đổi các thông số của sợi

- Khi kích đúp vào sợi quang thì xuất hiện bảng:

- Mục main:

• Label: cho phép ta thay đổi tên của sợi quang ( Đặt là G655 )

• Length: cho phép thay đổi chiều dài của sợi quang

• Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang: với sợi này tại cửa sổ 1550

có suy hao là 0.35dB/km

- Mục Disp: cho thay đổi giá trị của tán sắc và độ dốc tán sắc

• Dispersion : Nhập giá trị tán sắc ( Nhập 6 ps/nm/km).

• Dispersion Slope : Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.07 ( hoặc 0.07,

0.05 tùy ta dùng sợi dịch tán sắc nào ) Thường thì ta chọn 0.07 ps/nm2/km

Nhấn OK để kết thúc

- Thông số sau khi thiết lập

o Chiều dài sợi 70 km.

o Hệ số suy hao tại bước sóng 1550nm : 0.35 dB/km

o Hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm : 6ps/nm/km

o Độ dốc tán sắc không : 0.07 ps/nm^2/km

II.2 Sợ Bù Tán Sắc DCF

II.2.1 Tổng quan về sợi DCF

Tán sắc trong quang sợi - một trong những hiện tượng vật lý ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của mạng thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa (dùng bước sóng ánh sáng vùng cửa sổ 1550nm)

Tán sắc làm giãn rộng xung ánh sáng khi tín hiệu được truyền qua sợi quang, không quyết định được bit 0 và 1 chính xác, làm tăng tỉ lệ lỗi bit, giới hạn tốc độ hoặc khoảng cách truyền của mạng

Để xây dựng hoặc nâng cấp những mạng thông tin quang cự ly xa (vài nghìn km), tốc độ cao (vài chục Gbit/s) thì một vấn đề quan trọng phải giải quyết đó là giảm tối thiểu độ tán sắc trong sợi cáp quang

Kỹ thuật bù bằng cách sử dụng các bộ bù tán sắc quang điện tử có thể tăng khoảng cách lên 2lần tuy nhiên nó lại không phù hợp với các hệ đường dài, hệ thống này yêu cầu GVD phải được bù liên tục theo chu kỳ dọc đường truyền Đặc biệt trong các hệ thống toàn quang việc sử dụng các bộ

bù tán sắc quang điện tử là không phù hợp Vì thế người ta đã nghĩ ra một sợi quang đặc biệt gọi là sợi quang bù tán sắc (DCF: Dispersion Compensating Fiber) Việc sử dụng sợi DCF cho các hệ thống toàn quang có thể bù GVD một cách đáng kể nếu công suất quang trung bình được giữ đủ nhỏ

để các hệ thống phi tuyến bên trong sợi là không đáng kể

Việc sử dụng sợi DCF để bù tán sắc hết sức đơn giản là chỉ cần đặt sợi DCF xen vào giữa, do đặc điểm của sợi DCF là có độ tán sắc âm, nghĩa là khi tín hiệu phát xung ánh sáng đi qua sợi này thìxung ánh sáng sẽ co dần lại, hiện tượng này ngược với sợi SMF – xung ánh sáng bị giãn ra do tán sắc, do đó việc xung ánh sáng giãn ra đã giải quyết được

Phương pháp này dựa trên nguyên lý sau: Tán sắc của sợi đơn mode nói chung là tổng của tán sắc dẫn sóng và tán sắc vật liệu

Như vậy, về mặt nguyên tắc với một cấu trúc thành phần hợp lý có thể tạo ra sợi có tán sắc đủlớn, ngược dấu tại bước sóng công tác định trước

Dựa theo tính chất này, trên mỗi khoảng lặp đặt thêm một đoạn sợi có tán sắc âm với độ dài hợp lý thì có thể bù được phần nào tán sắc

Sợi quang DCF được chế tạo một cách đặc biệt nhờ thay đổi diện tích lõi sợi và thay đổi phân

bố chiết suất trong lõi/vỏ sợi một cách hợp lý khiến cho giá trị tán sắc có dấu ngược với trường hợp của sợi SMF (sợi đơn mode chuẩn trong phần lớn các hệ thống WDM)

Khi tín hiệu quang đã bị tán sắc dương trong sợi SMF đi qua phần sợi quang DCF có giá trị tán sắc âm, thành phần bước sóng ngắn hơn lúc này sẽ di chuyển chậm hơn so với thành phần bước sóng dài hơn

Để đảm bảo hiệu ứng dãn xung được bù hoàn toàn, cần phải thỏa mãn điều kiện sau:

Trong đó:

: Hệ số tán sắc của sợi SMF: Chiều dài của sợi SMF: Hệ số tán sắc của sợi DCF ( giá trị âm): Chiều dài của sợi DCF

Thực tế sợi DCF phải có chiều dài càng ngắn càng tốt nên sợi DCF phải có giá trị tán sắc âmlớn

Ưu điểm:

Thiết bị bù tán sắc hoàn toàn thụ động

Bù trong khoảng tán sắc lớn

Nhược điểm:

Suy hao của bộ bù tán sắc lớn và phụ thuộc vào khoảng tán sắc phải bù

Phải giám sát công suất tín hiệu truyền để tránh các hiện tượng hiệu ứng

II.2.2 Thiết kế trong phần mềm điều chỉnh thông số trong Optisystem.

- Thiết lập tương tự như với sợi quang G655

- Thông số sau khi thiết lập

- Chiều dài sợi : 2.5 km

- Hệ số suy hao : 0.5 dB/km

- Diện tích hiệu dụng : 20 um^2.

II.3 Bộ Khếch Đại EDFA

II.3.1 Cấu tạo của bộ EDFA

- EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium

- Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

II.3.2 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang

- Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số SNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát

- Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thu do ít bị suy giảm Điều này giới hạn tỷ số SNR

- Trường hợp PA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng công suất phát và hệ

số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt được công suất tín hiệu và SNR thích hợp

II.3.3 Ưu điểm của EDFA

EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn

EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, do đó có thể làm cho

hệ thống linh hoạt hơn

Có thể hạ thấp được giá thành của hệ thống do có cấu trúc đơn giản của EDFA, cáp có trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp và dung lượng truyền dẫn

Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm cho hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay là 1550nm

Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi EDFA trong truyền dẫn Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng các EDFA, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao

II.3.4 Thiết kế trong phần mềm điều chỉnh thông số trong Optisystem

- Vào theo đường dẫn: Default Amplifiers Library Optical EDFA Optical Amplifier

- Thiết lập thông số: Mục đích của EDFA là bù suy hao cho tuyến truyền dẫn trước nó Do đó :