Thiết kế và mô phỏng tuyến thông tin quang wdm bằng phần mềm optiwave optisystem

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG 621.382 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTIWAVE.OPTISYSTEM Người hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Hoa Lƣ Sinh viên thực : Nguyễn Mạnh Hùng Lớp : 50K2 - ĐTVT Khóa học : 2009 - 2014 NGHỆ AN - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Mạnh Hùng Mã số sinh viên: 0951085045 Ngành: Kỹ sư Điện tử - Viễn thơng Khố: 50 Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoa Lư Người phản biện: Nội dung đồ án tốt nghiệp: Nhận xét ngƣời hƣớng dẫn: Nghệ An, ngày tháng năm 2014 Ngƣời hƣớng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CHƢƠNG I HỆ THỐNG WDM, CÔNG NGHỆ THEN CHỐT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG WDM 10 1.1 Giới thiệu chung 10 1.2 Một số tham số kỹ thuật hệ thống WDM 14 1.2.1 Suy hao xen 14 1.2.2 Suy hao xuyên kênh 15 1.2.3 Độ rộng, khoảng cách số lượng kênh 16 1.3 Ổn định bước sóng nguồn quang 17 1.4 Ảnh hưởng tán sắc sợi quang truyền dẫn 18 1.4.1 Phương pháp bù tán sắc điều chế tự dịch pha(SPM) 19 1.4.2 Phương pháp bù tán sắc PDC 21 1.4.3 Phương pháp bù tán sắc DCF 22 1.5 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến đến truyền dẫn 23 1.5.1 Các hiệu ứng phi tuyến hệ thống WDM 23 1.5.2 Giải pháp khắc phục hiệu ứng phi tuyến sợi quang 25 1.6 Ứng dụng WDM 26 1.6.1 Ứng dụng WDM mạng truyền dẫn 26 1.6.2 Ứng dụng WDM mạng đa truy nhập 27 1.7 Kết luận 29 CHƢƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN TRONG WDM 30 2.1 Bộ phát quang 30 2.2 Bộ tách/ghép kênh quang 32 2.3 Bộ khuếch đại quang 35 2.4 Bộ thu quang 37 2.5 Sợi quang 38 2.6 Bộ lọc 40 2.7 Một số tham số ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM 41 CHƢƠNG III MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 51 3.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuyến thông tin quang 51 3.2 Tổng quan phần mêm optisystem 51 3.3 Bài toán 52 3.4 Phía phát 54 3.5 Phần truyền dẫn 58 3.6 Phía thu 60 3.7 Đặt thiết bị đo 62 3.8 Cài đặt tham số toàn cục 64 3.9 Chạy mô 65 3.10 Xem thông số kết 65 3.11 Hiệu giá thị BER 10-12 68 3.12 Kết luận 73 KẾT LUẬN CHUNG 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Băng tần truyền dẫn sợi quang 11 Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống WDM đơn hướng 12 Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống WDM hai hướng 12 Hình 1.4 Xuyên âm hệ thống 15 Hình 1.5 Khoảng cách kênh ðộ rộng kênh 16 Hình 1.6 Sự dãn xung ảnh hưởng hiệu ứng SPM 20 Hình 1.7 Phương pháp phân phối tán sắc 21 Hình 1.8 Phương pháp bù tán sắc OPC 22 Hình 1.9 Mạng WDM quảng bá hình 27 Hình 2.1 Tách kênh sử dụng lăng kính 33 Hình 2.2 Tách /ghép bước sóng cách tử nhiễu xạ 33 Hình 2.3 Chỉ số chiết suất n số nhóm n g thay đổi theo bước sóng sợi thủy tinh 44 Hình 2.4 Tham số b vi phân d(Vb)/dV V[d2(Vb)/dV2] thay đổi theo tham số V 46 Hình 2.5 Bước sóng phụ thuộc vào tham số tán sắc D sợi tiêu chuần, sợi dịch tán sắc, sợi tán sắc phẳng 47 Hình 2.6 Hiện tượng tán sắc mode phân cực PMD 48 Hình 3.1 Giao diện làm việc chương trình 53 Hình 3.2 Cửa sổ Project layout 53 Hình 3.3 Thư viện phần tử 54 Hình 3.4 Đặt tạo chuỗi bit vào Main layout 55 Hình 3.5 Đặt tạo xung vào Main layout 55 Hình 3.6 Đặt điều chế vào Main layout 56 Hình 3.7 Đặt nguồn Laser phát vào Main layout 56 Hình 3.8 Bốn kênh phát quang 57 Hình 3.9 Thay đổi dải tần số cơng suất phát 57 Hình 3.10 Tuyến phát quang 58 Hình 3.11 Tuyến truyền dẫn quang 60 Hình 3.12 Đặt tách kênh Demux vào Main layout 60 Hình 3.13 Đặt nguồn thu vào Main layout 61 Hình 3.14 Đặt lọc vào Main layout 61 Hình 3.15 Tuyến thu WDM 62 Hình 3.16 Thiết bị đo cơng suất phổ 63 Hình 3.17 Thiết bị đo BER 63 Hình 3.18 Mô hệ thống WDM 64 Hình 3.19 Hộp thoại Layout Parameters 64 Hình 3.20 Giao diện hình chạy mơ 65 Hình 3.21 Chạy chương trình 65 Hình 3.22 Công suất đầu máy phát 66 Hình 3.23 Cơng suất đầu vào máy thu 66 Hình 3.24 Phổ tín hiệu 66 Hình 3.25 Đo tỉ số Ber kênh 67 Hình 3.26 Hộp thoại chuyển sang chế độ quét tham số 70 Hình 3.27 Hộp thoại Parameter Sweep 70 Hình 3.28 Cửa sổ Report 71 Hình 3.29 Các bước hiển thị kết mơ 71 Hình 3.30 Kết mô 72 MỞ ĐẦU Thông tin liên lạc đóng vai trị ngày quan trọng phát triển mạnh mẽ xã hội loài người, sở hạ tầng, điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế xã hội Thời gian qua kinh tế nước ta chuyển biến tích cực, hịa nhịp với phát triển khu vực giới Xu toàn cầu hóa thương mại thơng tin địi hỏi phát triển xa lộ thông tin thỏa mãn nhu cầu dịch vụ Để tạo sở hạ tầng tốt làm tảng để phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn ngày cải tiến nâng cao lực Từ đời, cáp quang thể môi trường truyền dẫn lý tưởng với băng thông gần vô hạn nhiều ưu điểm khác Các hệ thống truyền dẫn khai thác phần nhỏ băng thông sợi quang Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn cách tăng tốc độ tín hiệu điện gặp nhiều khó khăn, nhà khoa học tìm cách nâng cao tốc độ truyền cách tăng tốc độ tín hiệu quang Trong bước nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) cơng nghệ khai thác tài nguyên sợi quang, khắc phục khó khăn tăng tốc độ tín hiệu điện Phương pháp ghép kênh theo bước sóng cịn có ưu điểm linh hoạt việc tăng dung lượng, tận dụng triệt để hệ thống cáp quang Với hàng loạt ưu điểm đó, ghép kênh theo bước sóng nghiên cứu áp dụng nhiều mạng tại, đặc biệt tuyến trung kế, liên quốc gia, tuyến ln có nhu cầu tăng tốc độ Muốn áp dụng công nghệ vào thực tiễn cần phải nắm kỹ thuật thông tin quang, nguyên lý việc ghép kênh theo bước sóng, hệ thống hệ thống thơng tin quang ghép kênh theo bước sóng yêu cầu nó, ưu điểm hệ thống so với hệ thống truyền dẫn Đây mục đích đề tài mà em nghiên cứu Với mục đích tìm hiểu công nghệ mới, củng cố phát triển kiến thức lĩnh hội trình nghiên cứu học tập Đại học Vinh em chọn đề tài tốt nghiệp là: “Thiết kế mơ tuyến thông tin quang WDM bằngphần mềm Optiwave.Optisystem” Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp với đề tài chọn hoàn thành với nội dung gồm chương sau: Chƣơng I: Hệ thống WDM, công nghệ then chốt ứng dụng hệ thống WDM Chƣơng II: Các thành phần WDM Chƣơng III: Mô tuyến thông tin quang WDM phần mềm Optisystem Do kiến thức cịn hạn hẹp nên q trình làm khơng thể tránh sai sót, em mong thầy giáo bạn góp ý thêm Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS TS Nguyễn Hoa Lƣ tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án này! Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, ngày tháng năm 2014 Sinh viên Nguyễn Mạnh Hùng TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu theo bước sóng WDM, qua mơ tuyến thơng tin quang WDM phần mềm optisystem Công nghệ WDM chìa khố để giải tốn truyền tải lưu lượng tốc độ cao, dung lượng lớn Với ưu điểm trội, ứng dụng nhiều nơi, nhiều mạng phục vụ nhiều dạng hình dịch vụ.…Tuy nhiên, nâng cấp hệ thống thông tin theo công nghệ WDM có nhiều vấn đề cần phải xem xét Các vấn đề đáng ý hệ thống WDM chất lượng nguồn quang, tách/ghép kênh quang, công nghệ khuyếch đại quang…cũng vấn đề tượng xuyên nhiễu, ảnh hưởng tượng phi tuyến vấn đề quĩ cơng suất quang, có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng hệ thống ABSTRACT Project Overview to learn about technology with wavelength multiplexing optical WDM and thereby simulating WDM optical communication lines with optisystem software WDM technology has been the key to solve the problem of traffic transmission speed, large capacity With these advantages, it has been applied in many places, in many networks and serve a vast variety of services However, when a system upgrade information technology there are WDM many issues to consider issues most notably in WDM systems as the quality of the optical source, the splitter/optical multiplexing, optical amplification technology as well as the problem of interference phenomena effects of nonlinear phenomena and optical power fund problem, have a direct influence on the quality of the system THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DEMUX Demultiplexer Bộ phân kênh BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít MUX Multiplexer Bộ ghép kênh DWDM Density Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần nửa lớn FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn song GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LD Laser Diode Diode laze LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha NRZ Non Return to Zero Không trở không OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang tạp âm TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia theo thời gian OTM Optical Termination Multiplexer Bộ đầu cuối ghép kênh quang PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước song FWHM Hình 3.15 Tuyến thu WDM Trở danh mục thư viện lấy thiết bị phát xung chuẩn sau: Default>Receivers library>Regenerators>3R Regenerator 3.7 Đặt thiết bị đo - Đo công suất: Default> Visualizer Library> Optical> Optical Power Meter - Đo phổ tín hiệu: Default> Visualizer Library> Optical> Optical Spectrum Như hình : + Máy đo OPM đo công suất đầu máy phát + Máy phân tích phổ phân tích phổ tín hiệu ghép kênh + Máy đo OPM1 đo cơng suất đầu vào máy thu 62 Hình 3.16 Thiết bị đo công suất phổ - Đo Ber: Default> Visualizer Library> Electrical > BER Analyser: Hình 3.17 Thiết bị đo BER 63 Hình 3.18 Mơ hệ thống WDM 3.8 Cài đặt tham số toàn cục Từ cửa sổ Project Layout, kích đúp chuột lên hình, hộp thoại Layout Parameters Hình 3.19 Hộp thoại Layout Parameters Thay đổi tốc độ bit cột Value tham số Bit rate thành 1000000000 b/s theo yêu cầu Thay đổi chiều dài chuỗi cột Value tham số Sequence length thành 128 Bits theo yêu cầu 64 Thay đổi số mẫu bít cột Value tham số Samples per bit thành 64 theo yêu cầu 3.9 Chạy mô Vào File> Calculate Hiện cửa sổ Kích vào biểu tượng Hình 3.20 Giao diện hình chạy mơ Sau chạy mơ phỏng: Hình 3.21 Chạy chương trình 3.10 Xem thơng số kết Đo công suất đầu máy phát : kích đúp vào thiết bị đo cơng suất OPM 65 Hình 3.22 Cơng suất đầu máy phát Đo cơng suất đầu vào máy thu: kích đúp vào thiết bị đo cơng suất OPM1 Hình 3.23 Cơng suất đầu vào máy thu Đo phổ tín hiệu: kích đúp vào thiết bị đo phổ tín hiệu Hình 3.24 Phổ tín hiệu 66 Đo Ber: Kênh 1: Kênh 4: Hình 3.25 Đo tỉ số Ber kênh 67 Kết đạt được: Sau mô tuyến thông tin quang dung lượng 10Gb/s, thực đấu nối thiết bị kiểm tra tham số: Thiết bị đo phổ, máy đo BER , khơi phục tín hiệu, đồng hồ Oscilloscope, thiết bị đo công suất Các kết đạt bao gồm: Phổ tần tín hiệu ghép kênh WDM, tham số chất lượng tín hiệu BER kênh Ta thấy hệ thống chưa đạt yêu cầu  Nguyên nhân tăng giá trị BER kênh: Nguyên nhân làm tăng hệ số BER nhiều nguyên nhân khác Nhưng hệ thống mô với khoảng cách kênh khơng đổi ta xét số ngun nhân sau: - Do hiệu ứng FWM Trong hiệu ứng này, nhiều tín hiệu quang có cường độ tương đối mạnh tương tác với tạo thành phần tần số Sự tương tác xảy bước sóng tín hiệu hệ thống WDM, bước sóng tín hiệu với xạ tự phát khuếch đại khuếch đại quang, mode mode bên kênh tín hiệu Việc tạo tần số tương tác tần số tín hiệu, nên hiệu ứng FWM làm giảm cơng suất kênh tín hiệu hệ thống WDM Nếu khoảng cách kênh tần số tạo rơi vào kênh tín hiệu, gây xuyên nhiễu cho kênh, làm suy giảm chất lượng hệ thống - Do hiệu ứng tán sắc làm suy giảm biên độ tín hiệu, giãn rộng xung tín hiệu truyền dẫn sợi quang làm ảnh hưởng tới việc khôi phục tín hiệu, làm giảm chất lượng tín hiệu thu, tăng hệ số BER - Xuyên nhiễu tuyến tính: đặc tính khơng lý tưởng thiết bị tách kênh, mức xuyên nhiễu chủ yếu phụ thuộc vào kiểu thiết bị tách kênh sử dụng khoảng cách kênh 3.11 Hiệu giá thị BER 10-12 Có nhiều cách thay đổi số BER hệ thống: 68 + Thay đổi tốc độ bit + Thay đổi công suất phát + Thay đổi hệ số khuếch đại + Thay đổi cự ly truyền dẫn … Trong phần mô theo yêu cầu đề bài, để chuyển Ber = 10 -12 ta chọn phương pháp thay đổi công suất Cách thực cụ thể theo phương pháp tối ưu hóa tham số công suất nguồn Laser sau: Trước hết thiết lập tham số quét, vào Layout> Set total sweep interation, hộp thoại sau thay đổi số: chọn 20 Vào Layout> Set current sweep interation, cửa sổ sau thay đổi số - Kích đúp vào thiết bị CW Laser kênh cần đo Tại mục Mode tham số Power chọn Sweep 69 Hình 3.26 Hộp thoại chuyển sang chế độ quét tham số - Kích OK Vào thực đơn Layout, chọn Parameter sweep => xuất hộp thoại Parameter Sweep => nhập vào giá trị cho tham số Như hình dưới: Hình 3.27 Hộp thoại Parameter Sweep 70 Chạy lại mơ Mục đích việc tìm mức cơng suất phát phù hợp để đo số BER hợp lý đường truyền Với 21 lần quét mức công suất khác thu giá trị BER khác từ tìm mối liên hệ cơng suất phát BER Điều thể qua trang Report Kích vào cửa sổ Report hình Hình 3.28 Cửa sổ Report Kích vào biểu tượng đồ thị Opti2D Graph kéo hình Hình 3.29 Các bước hiển thị kết mô 71 Vào CW Laser>Parameter>Power kéo thả trụ X đồ thị Kết là: Vào BER Analyzer>Result> Min log of BER Kéo thả vào trục Y đồ thị Kết là: - Ta chọn thơng số cơng suất phát :-7.83dBm cho Ber theo yêu cầu toán :10-12 - Chúng ta lấy công suất phát :-7.83 chạy lại chương trình lần Ber sau q trình chạy là: Hình 3.30 Kết mơ 72 Sau thay đổi giá trị công suất phát để hiệu chỉnh tham số Ber = 10-12, nhìn vào kết mô ta thấy hệ thống đạt yêu cầu 3.12 Kết luận Chương đưa tốn thiết kế tuyến truyền dẫn thơng tin quang để khảo sát khả thu nhận công suất tín hiệu hệ thống với dung lượng truyền dẫn 10Gb/s Sử dụng phần mềm Optisystem mô đưa kết giải pháp thích hợp để khắc phục chất lượng tín hiệu cho truyền dẫn 10GB/s 73 KẾT LUẬN CHUNG Truyền dẫn dung lượng cao theo hướng sử dụng cơng nghệ WDM có sức hút mạnh nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng hàng đầu giới Đã có hàng loạt tuyến truyền dẫn vận hành khai thác theo công nghệ này, tính đầu tư ổn định có nhiều điểm hẳn so với ghép kênh truyền thống TDM, mà nhu cầu dung lượng ngày cao Nghiên cứu tìm hiểu vấn đề hệ thống WDM nhu cầu cần thiết nhà thiết kế mạng viễn thơng nhằm tối ưu hóa chất lượng mạng truyền dẫn để đưa hệ thống vào ứng dụng thông tin viễn thông cách linh hoạt tối ưu Sau thời gian nghiên cứu công nghệ ghép kênh theo bước song WDM, đồ án trình bày số vấn đề sau:  Tổng quan công nghệ WDM  Những vấn đề kỹ thuật cần quan tâm phương pháp giải  Từ tiến hành thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM thông qua phần mềm mô Optiwave.Optisystem Hướng nghiên cứu: Vì khả kiến thức thân cịn nhiều hạn chế nên sau thời gian tìm hiểu, nội dung mà em đưa đồ án chưa thật đầy đủ cịn nhiều thiếu sót Trong đồ án đề cập đến số tham số hệ thống, thiết kế dung lượng tuyến mức thấp Việc tính tốn thiết kế tuyến với dung lượng cao tiếp tục nghiên cứu Vì vậy, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn sinh viên để giúp em hồn thiện mặt kiến thức đồ án 74 Cuối em xin cảm ơn quan tâm giúp đỡ thầy cô giáo khoa, tạo điều kiện tốt để em hồn thành đồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Hoa Lƣ, giúp đỡ em suốt thời gian làm đồ án Một lần em xin chân thành cảm ơn! 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang (Tập 1, 2), Nhà xuất Bưu điện, Hà Nội 2008 [2] Đỗ Văn Việt Em, Kỹ thuật thông tin quang 2, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội 2007 [3] Hồng Ứng Huyền, Kỹ thuật thông tin quang, Ban Thông tin Kỹ thuật, Tổng cục Bưu điện, Hà Nội 1993 [4] Phạm Công Hùng, Ghép kênh quang theo bước sóng WDM, Đại học Bách Khoa Hà Nội 2002 76 ... 41 CHƢƠNG III MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 51 3.1 Cơ sở lý thuyết thiết kế tuyến thông tin quang 51 3.2 Tổng quan phần mêm optisystem 51 3.3 Bài... gồm chương sau: Chƣơng I: Hệ thống WDM, công nghệ then chốt ứng dụng hệ thống WDM Chƣơng II: Các thành phần WDM Chƣơng III: Mô tuyến thông tin quang WDM phần mềm Optisystem Do kiến thức hạn hẹp... trình nghiên cứu học tập Đại học Vinh em chọn đề tài tốt nghiệp là: ? ?Thiết kế mơ tuyến thơng tin quang WDM bằngphần mềm Optiwave. Optisystem? ?? Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp với