Tái sử dụng sóng mang dqpsk trong mạng quang thụ động dwdm 100gb

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ^—] TRẦN NHỰT KHẢI HOÀN TÁI SỬ DỤNG SÓNG MANG DQPSK TRONG MẠNG QUANG THỤ ĐỘNG DWDM 100Gb/s Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã ngành: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ^—] Cán hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Lê Nguyên Bình (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Minh Hoàng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Phạm Hồng Liên (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: Th.S Trần Văn Sư (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 07 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Nhựt Khải Hoàn Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 27/05/1980 Nơi sinh : TP Cần Thơ Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Tái sử dụng sóng mang DQPSK mạng quang thụ động DWDM 100Gb/s 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tác giả đề nghị giải pháp mới, mơ hình tái điều chế (Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng mạng quang thụ động DWDM - PONs 100Gb/s (Dense Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Networks) Mục tiêu Đề tài chứng minh tính khả thi giải pháp đề cách mơ hình hố mơ hệ thống Matlab Simulink Kết đạt giải pháp cho việc triển khai hệ DWDM PONs tới 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TS Lê Nguyên Bình TS Nguyễn Minh Hồng Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua CB HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN ^—] Bằng tất lòng, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: GS.TS Lê Nguyên Bình, Cán trực tiếp hướng dẫn Dù từ phương xa Thầy dành nhiều thời gian để hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức phương pháp nghiên cứu; cung cấp nhiều tài liệu công cụ Simulink hữu ích Những lời động viên nhắc nhở thường xuyên Thầy giúp cho tác giả nhiều q trình hồn tất luận văn; TS Nguyễn Minh Hồng, Cán trực tiếp hướng dẫn Dù bận rộn Thầy dành nhiều thời gian để hướng dẫn, góp ý, giúp đỡ tác giả suốt thời gian xây dựng đề cương hoàn tất luận văn; Anh Nguyễn Đức Nhân, NCS Đại học Monash, dành nhiều thời gian trao đổi, hướng dẫn, cung cấp giới thiệu nhiều tài liệu kỹ thuật quý báu; Qúi Thầy Cô BM Viễn Thông - Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Bách khoa truyền đạt kiến thức hữu ích suốt khố học; Q Thầy Cơ BM Điện tử Viễn thơng – Khoa Công nghệ – Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt khoá học; Cuối cùng, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp quan tâm, động viên, cung cấp tài liệu suốt q trình hồn tất luận văn Xin chân thành cảm ơn! TP HCM, Tháng 06/2008 Trần Nhựt Khải Hoàn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ^—] Luận văn đề nghị giải pháp mới, mơ hình tái điều chế (Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng mạng quang thụ động DWDM - PONs 100Gb/s (Dense Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Networks) Kết mô mô hình chứng minh khả triển khai thực tế giải pháp đề nghị Mô sử dụng 67% 50% RZ-DQPSK (Return to Zero DQPSK) cho thấy hệ thống truyền nhận không lỗi (Bit Rate Error, BER = 10-9) khoảng cách 40km với đoạn không bù tán sắc 500m đến 600m sợi SMF-28 chuẩn, 1100m sợi MetroCor Kết mô việc sử dụng NRZ-DQPSK (NonReturn to Zero DQPSK) không khả thi ABSTRACT ^—] We propose and demonstrate by simulation a scheme of remodulation of the lightwave carrier from a downstream DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) data sequence for upstream transmission for passive optical networking We have simulated the transmission performance of this remudulation scheme for PON (Passive Optical Network) of 100Gb/s data rate using DQPSK modulation format with pulse shaping RZ (Return to Zero) 50% and 67% pulse symbol period Error free (BER=1e-9) can be obtained for 40km fully compensated transmission with residual dispersion of 0.5km to 0.6km when using SMF-28, and 1.1km when using MetroCor fiber The simulation also shows that dispersion allowance is not acceptable when using NRZ line code MỤC LỤC ^—] DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v Chương - MỞ ĐẦU 1.1 Quá trình phát triển mạng quang 1.2 Giới thiệu PONs 1.3 Sơ lược tình hình nghiên cứu giải pháp cho PONs 1.3.1 Lý việc tái điều chế - Remodulation 1.3.2 Các giải pháp nghiên cứu đề nghị cho PONs 1.4 Đặt vấn đề Luận văn 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Giới thiệu hướng giải 1.5 Cách trình bày luận văn .5 1.6 Kết luận Chương - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Điều chế DPSK – Differential Phase-shift Keying .7 2.1.1 BPSK – Binary Phase Shift Keying .7 2.1.2 DPSK .7 2.2 Điều chế DQPSK – Differential Quadrature Phase-shift Keying 2.2.1 QPSK – Quadrature Phase-shift Keying .8 2.2.2 DQPSK 2.3 Ưu điểm kiểu điều chế PSK 10 2.4 Hệ thống thông tin quang 10 2.4.1 Thiết bị phát – Optical transmitter 11 2.4.2 Thiết bị thu - Optical receiver .15 2.4.3 Kênh thông tin - Communication channel 18 2.5 Phân loại sợi quang 19 2.6 Giới thiệu MatLab Simulink 23 Chương - PONs & MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TÁI ĐIỀU CHẾ DÙNG MATLAB SIMULINK .25 3.1 Giới thiệu PONs 25 i 3.1.1 TDM-PON - Time Division Multiplexing PON 26 3.1.2 WDM - PON - Wavelength Division Multiplexing 27 3.1.3 Mạng hổn hợp WDM-TDM PON 27 3.2 Phân biệt NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK .28 3.2.1 Sơ lược mã đường truyền (line code) 28 3.2.2 Phân biệt NRZ-DQPSK, RZ-DQPSK 29 3.3 Cấu trúc mơ hình mơ dùng Simulink 31 3.3.1 Bộ phận phát RZ-DQPSK 32 3.3.2 Bộ phận thu DQPSK 37 3.4 Giải pháp tái điều chế (Re-Modulation) ONUs 39 3.4.1 Logic trình tái điều chế 40 3.4.2 Mô kiểm tra phận tái điều chế .42 Chương - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TÁI ĐIỀU CHẾ .45 4.1 Giới thiệu thông số khảo sát .45 4.2 Mô 100Gb/s 50%-RZ-DQPSK sợi SMF-28 .46 4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tán sắc lên độ nhạy thu 46 4.2.2 Ảnh hưởng đồng ONU lên độ nhạy thu CO .49 4.3 Mô 100Gb/s NRZ-DQPSK sợi MetroCor 54 4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng tán sắc lên độ nhạy thu 54 4.3.2 Ảnh hưởng đồng ONU lên độ nhạy thu CO .56 4.4 Mô 100Gb/s 67% RZ-DQPSK sợi SMF-28 58 4.4.1 Khảo sát ảnh hưởng tán sắc lên độ nhạy thu 59 4.4.2 Ảnh hưởng đồng ONU lên độ nhạy thu CO .61 4.5 Mô 100Gb/s 67% RZ-DQPSK sợi MetroCor 63 4.5.1 Khảo sát ảnh hưởng tán sắc lên độ nhạy thu 63 4.5.2 Ảnh hưởng đồng ONU lên độ nhạy thu CO .64 Chương - KẾT LUẬN & HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 66 5.1 Tóm tắt kết 66 5.2 Kết luận 67 5.3 Hướng nghiên cứu đề tài 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 70 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Đồ thị điểm BPSK – Nguồn Wikipedia Hình 2.2: Nguyên tắc điều chế DPSK Hình 2.3: Đồ thị điểm QPSK – Nguồn Wikipedia Hình 2.4: Các thành phần hệ thông tin quang 10 Hình 2.5: Sơ đồ khối thiết bị phát 11 Hình 2.6: Cấu trúc MZM -Nguồn [5] - Fiber Optics Communication Systems - Page 122 12 Hình 2.7: MZM phân cực đơn - Nguồn [4] Page 13 Hình 2.8: Biểu diễn ngõ MZM phân cực đơn 14 Hình 2.9: MZM phân cực đôi - Nguồn Werner Rosenkranz - Optical Communications - chapter page 8-17 14 Hình 2.10: Biểu diễn ngõ MZM phân cực đôi 14 Hình 2.11: Cấu trúc điều chế pha - Nguồn: Uri Cummings - Linearized And High Frequency Electrooptic Modulators - Thesis - page 12 15 Hình 2.12: Sơ đồ khối thu quang 16 Hình 2.13: Nguyên tắc tính BER theo xác suất 17 Hình 2.14: Ảnh hưởng tán sắc - Nguồn [6], trang 165 18 Hình 2.15: Sợi đa mode (trái) đơn mode (phải) - Nguồn www.fiber-optics.info 19 Hình 2.16: Kích thước sợi quang - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 20 Hình 2.17: Đồ thị tán xạ NDSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 21 Hình 2.18: Đồ thị tán xạ DSF - Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org 21 Hình 2.19: Sợi NZ DSF luân phiên 20km (+D) (-D) - Nguồn www.fiber-optics.info 22 Hình 2.20: Suy hao theo bước sóng SMF 28 (trái) SMF 28e (phải) - Nguồn: Corning Product information 22 Hình 3.1: Vị trí PONs - Nguồn http://www.iec.org 26 Hình 3.2: TDM - PON - Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture 26 Hình 3.3: WDM - PON -Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University -Lecture 27 Hình 3.4: WDM-TDM PON hổn hợp - Nguồn: C.W.Chow -National Chiao Tung University Lecture 27 Hình 3.5: Các wavelength mạng PONs ban đầu - Nguồn: Hitachi Communication Technologies - 2007 28 Hình 3.6: Mã dịng NRZ RZ 29 Hình 3.7: Tương tác symbols NRZ & RZ - Nguồn [9] page 13 29 Hình 3.8: Phân biệt NRZ-DQPSK (trái) & 50%-RZ-DQPSK (phải) 30 Hình 3.9: Phổ quang NRZ-DQPSK RZ-DQPSK - Nguồn: [1] - trang 30 Hình 3.10: Sơ đồ tạo RZ-DQPSK: Trực tiếp (trái) gián tiếp (phải) 30 Hình 3.11: Xung RZ-DQPSK dạng Gaussian 31 Hình 3.12: Sơ đồ khối tổng qt mơ hình 32 Hình 3.13: Cấu trúc phát RZ-DQPSK 33 Hình 3.14: Nguyên tắc khối khắc xung 34 Hình 3.15: Hàm truyền quan hệ vào RZ - MZM 34 iii Hình 3.16: Sơ đồ phát DQPSK theo cấu trúc nối tiếp 35 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên tắc thu DQPSK - Nguồn [11] Chương - trang 8-40 37 Hình 3.18: Đồ thị điểm ngõ dịch pha ±π/4 38 Hình 3.19: Bộ Re-modulation dùng phát QPSK nối tiếp 41 Hình 3.20: Sơ đồ nguyên tắc tái điều chế ONU 42 Hình 3.21: Constellation diagram (a) chuỗi bit 0, (b) chuỗi bit 43 Hình 3.22: Sơ đồ khảo sát hoạt động tái điều chế 44 Hình 3.23: So sánh biến đổi pha DQPSK theo thời gian trường hợp: re-modulation (hình trên) khơng có re-modulation (hình dưới) 44 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát mơ hình 46 Hình 4.2: Độ nhạy back to back, ONU CO theo chiều dài đoạn tán sắc 47 Hình 4.3: Độ nhạy theo chiều dài tán sắc ứng với BER = 1e-009 49 Hình 4.4: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng thời gian (ps) 51 Hình 4.5: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 53 Hình 4.6: Độ nhạy back to back, ONU CO theo chiều dài đoạn tán sắc 55 Hình 4.7: Độ nhạy luồng xuống ONUs 56 Hình 4.8: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng thời gian (ps) 57 Hình 4.9: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 58 Hình 4.10: Xung quang với độ rộng 67% chu kỳ 59 Hình 4.11: Độ nhạy back to back, ONU CO theo chiều dài đoạn tán sắc 60 Hình 4.12: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng thời gian (ps) 61 Hình 4.13: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 62 Hình 4.14: Độ nhạy back to back, ONU CO theo chiều dài đoạn tán sắc 63 Hình 4.15: Power penalty (dB) theo mức độ sai lệch đồng thời gian (ps) 65 Hình 4.16: Sai lệch thời gian cho phép theo chiều dài tán xạ ứng với BER = 1e-9 65 Phụ lục 1: Thông số kỹ thuật Bộ thu quang tốc độ cao Chipsat 70 Phụ lục 2: High Gain Narrowband Optical Receivers Frequency Response Curves of R408 71 Phụ lục 3: Typical gain characteristic of 80 Gbps Broadband Amplifier (100 Gbps Ethernet) - SHF 827 71 Phụ lục 4: Phổ tần 50% RZ-DQPSK 72 Phụ lục 5: Phổ tần 67% RZ- DQPSK 72 Phụ lục 6: Phổ tần NRZ-DQPSK 73 Phụ lục 7: Giản đồ mắt thu CO (luồng lên) công suất quang đầu vào thu 26.37 dBm 74 iv ... TÀI: Tái sử dụng sóng mang DQPSK mạng quang thụ động DWDM 100Gb/ s 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tác giả đề nghị giải pháp mới, mơ hình tái điều chế (Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK. .. mới, mô hình tái điều chế (Remodulation) sóng mang từ luồng tín hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng mạng quang thụ động DWDM - PONs 100Gb/ s (Dense... hiệu xuống DQPSK (Differential Quadrature Phase-shift Keying) cho luồng lên, dùng mạng quang thụ động DWDM - PONs 100Gb/ s (Dense Wavelength Division Multiplexing - Passive Optical Networks) Mục