Báo Cáo BTL TTQuang1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang DWDM Có sử dụng khuếch đại quang EDFA Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hồng Hải Nhóm 3: MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 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 Hình 1.1 Sơ đồ chức hệ thống WDM 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 cơng 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: • Ðộ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch khơng q 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 thông thường: PIN, APD 1.3 Các phần tử hệ thống WDM 1.3.1 Bộ phát quang Các nguồn quang sử dụng hệ thống thơng tin cáp sợi quang Diode Laser (LD) Diode phát quang (LED) Cấu trúc phát quang bao gồm: • Nguồn quang • Bộ ghép tín hiệu quang • Mạch điều chế tín hiệu Hình 1.2 Sơ đồ khối phát quang 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 Ngồi ra, để tránh xun 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 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 1.3.2 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 tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép Hình 1.3 Sơ đồ khối thu quang 1.3.3 Sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần, sợi quang chế tạo gồm có hai lớp: • Lớp có dạng hình trụ trịn, 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 1.4 Cấu trục 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) 1.3.4 Bộ tách/ghép bước song Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, với vộ 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 thơng số sau: • • • • • • Suy hao xen Số lượng kênh xử lý Bước sóng trung tâm Băng thông Giá trị lớn suy hao xen Độ suy hao chen kênh a) Sơ đồ khối ghép kênh bước sóng (MUX) b) Sơ đồ khối tách kênh bước sóng Hình 1.5 Sơ đồ khối ghép/ tách kênh bước sóng (DEMUX) c) Các tham số đặc trưng MUX/ DEMUX 10 • Các giá trị thường gặp: Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 42 3.2.4.2 Thiết kế sợi G.655 • • - Bước 1: Truy nhập thư viện : Defaults Optical Fibers Library Optical Fibers Bước 2: Kích đúp vào sợi cáp thay đổi thông số sợi Mục Main Label : cho phép ta thay đổi tên sợi quạng (Đặt G655) Length : 50km ( tách làm phần nên phần 25km) Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang : với sợi cửa sổ 1550 có suy hao 0.2dB/km Mục Disp cho thay đổi giá trị tán sắc độ dốc tán sắc - Dispersion: Nhập giá trị 4.4 ps/nm/km - Dispersion Slope: Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.045 ps/nm2/km - PMD hệ số tán sắc mode phân cực có giá trị lớn 0.2ps/km1/2 Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô sử dụng Loop đóng vai trị nhân vòng lặp Cấu trúc truy nhập Loop Defaults Tools Loop control Sợi G.655 dài 50km số vòng lặp cần thiết là: 3.2.4.3 Thiết kế sợi bù tán sắc DCF Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc thực sợi bù tán sắc DCF Để đảm bảo hiệu ứng dãn xung bù hoàn toàn, cần phải thỏa mãn điều kiện sau: Tính tốn thơng số sợi bù tán sắc: • • • • Sợi G655 có chiều dài Độ tán sắc : Độ dốc tán sắc : Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF): 43 • Thì độ bù tán sắc • Độ dốc tán sắc : Ngoài suy hao sợi DCF 0.5 dB/km Để thiết kế sợi DCF thực sợi G.655 Sau kích đúp thay đổi thông số kết thúc OK 3.2.4.4 Khuếch đại tín hiệu (EDFA) Khuếch đại tín hiệu (EDFA): Defaults Amplifiers Otipcal EDFA Optical Amplifier Do tín hiệu truyền sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây suy hao sợi quang, suy giảm cơng suất phát tín hiệu Để khắc phục tượng suy giảm cơng suất suy hao tín hệ thống WDM sử dụng khuếc đại EDFA Với hệ số khuếch đại G lượng suy hao tuyến Hệ số khuếch đại EFDA nối sợi G.655: Hế số khuếch đại EFDA nối với sợi DCF : Việc thay đổi nhập giá trị EDFA thực hiên kích đúp thay đổi giá trị , kết thúc OK 3.2.5 Lắp đặt thiết bị đo Các thiết bị đo lấy thư viện cung cấp thiết bị đo Tùy thuộc vào yêu cầu đo tín hiệu quang hay tín hiệu điện mà thực chọn thiết bị đo bố trí phù hợp • Các thiết bị đo điện: quan tâm tới thiết bị đo công suất, thiết bị phân tích phổ điện, thiết bị đo Ber, thiết bị Osilo • Thiết bị đo quang: quan tâm chủ yếu thiết bị công suất quang, thiết bị phân tích phổ quang theo miền tần số, theo miền thời gian 44 3.3 Kết mô theo thiết kế ban đầu • Tuyến DWDM theo yêu cầu Hình 3.26 Tuyến DWDM thiết kế theo u cầu • Cơng suất phát Hình 3.27 Tổng cơng suất phát 45 • Công suất thu Hình 3.28 Công suất trước vào thu • Quang phổ tín hiệu phát Hình 3.29 Quang phổ tín hiệu phát • Quang phổ tín hiệu thu 46 Hình 3.30 Quang phổ tín hiệu thu • Tỷ lệ lỗi bit BER Hình 3.31 Mắt quang 47 Hình 3.32 BER kênh thứ 3.4 Thay đổi tham số để đặt BER = 3.4.1 Lý thuyết Theo lý thuyết tỷ số tín hiệu nhiễu eSNR tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc vào công suất phát nhiều thông số khác băng tần quang suy hao trung bình Trong thiết kế, BER (hoặc eSNR) đầu vào máy thu muốn đạt kết yêu cầu ta thay đổi công suất phát máy phát thông số khác có liên quan để có BER ý Nhưng hệ thống thông tin sợi quang, thông số thường chọn cố định, có cơng suất phát dễ thay đổi nhờ có cơng suất dự phịng Như vậy, để đạt BER (hoặc eSNR) theo yêu cầu thiết kế, ta thường thay đổi công suất phát 3.4.2 Thay đổi cơng suất để đạt BER = • Bước 1: Thiết lập tham số quét Chọn công suất làm tham số qt để tìm cơng suất thích hợp 48 Hình 3.33 Thiết lập tham số quét • Bước 2: Thiết lập số lần quét dải quét Layout -> Set Total Sweep Iteration Hình 3.34 Thiết lập số lần quét Layout -> Parameter Sweeps 49 Hình 3.35 Thiết lập dải quét • Bước 3: Report - Vào CW Laser array>Parameter>Power kéo thả vào trục X đồ thị - Vào BER Analyzer>Result> Min log of BER Kéo thả vào trục Y đồ thị, ta kết Hình 3.36 Report kênh thứ 50 • Từ Report chọn công suất kênh thứ -5.935dBm Tương tự ta có Bảng 3.5 Cơng suất phù hợp kênh Kênh Công suất phù hợp (dBm) -6.852 -6.781 -6.942 -4.950 -4.249 -5.485 -6.854 -5.900 • Bước 4: Thay đổi thông số công suất theo bảng Thay nguồn phát CW Laser Array để thay công suất phát, chỉnh lại thông số cho giống nguồn phát lúc đầu thay đổi nguồn phát 51 Hình 3.37 Thay đổi công suất phát kênh 3.4.3 Kết Hình 3.38 BER kênh 52 Hình 3.39 BER kênh Hình 3.40 BER kênh 53 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, nhóm chúng em hoàn thành tập lớn “xây dựng phương án thiết kế hệ thơng tin quang DWDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA” Qua tập lớn này, chúng em thu được: • Cách sử dụng phần mêm Optisystem • Có thêm kiến thức thơng tin quang như: hệ thông DWDM, khuếch đại EDFA, cách tính tốn thiết kế sợi G.655… • Các tài liệu sản phẩm quang, tiêu chuẩn ITU-T quang Mặc dù cố gắng, nhiên lần đầu tìm hiểu thực hành nên q trình thiết kế cịn nhiều sai sót hạn chế, mong có góp ý thầy bạn Chúng em chân thành cảm ơn! 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ITU-T G.655 (11/2009) Characteristics of a non-zero dispersion-shifted singlemode optical fibre and cable [2] ITU-T G.671 (8/2019) Transmission characteristics of optical components and subsystems 55 ... cách dễ dàng 2.2.6 Trang báo cáo (report page) Trang báo cáo Optisystem cho phép hiển thị tất phần tham số kết tính tốn thiết kế tùy theo yêu cầu người sử dụng Các báo cáo tạo tổ chức dạng text,... cầu người sử dụng Các báo cáo tạo tổ chức dạng text, dạng bảng tinh, đồ thị 2D 3D Cũng kết xuất báo cáo dạng file HTML dạng file template định dạng trước 2.2.7 Quét tham số tối ưu hóa (parameter... Chạy mô Hiển thị kết mô thiết bị đo đặt tuyến Thay đổi tham số phần tử tuyến để đạt BER = 10-12 Báo cáo kết thực hành - - Mơ hình mơ Các tham số mô chi tiết Kết mô o Kết mô theo phương án thiết