Bài tập lớn môn thông tin quang WDM (kèm source + slide thuyết trình)

BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG LỜI NĨI ĐẦU Chúng ta sống kinh tế động sáng tạo, đòi hỏi người phải ln ln tìm tịi học hỏi phát huy hết khả Chính nhu cầu trao đổi thông tin ngày lớn, với chất lượng dịch vụ ngày cao Nhu cầu người ngày tăng cao, địi hỏi phải có cơng nghệ mạng viễn thông tiến tiến Yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa phương tiện, đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin người Đáp ứng nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) giải pháp hồn hảo cho phép tận dụng hiệu băng thông cực lớn sợi quang, nâng cao dung lượng truyền dẫn làm giảm giá thành sản phẩm Sự phát triển mang lại ưu điểm vượt trội chất lượng truyền dẫn cao, đặc biệt băng thơng rộng BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt ADM AG AN AOTF APD AWGM Add/drop multiplexer Auxiliary Graph Acces Node Acousto Optic Turnable Filter Avalanche Photodiode Arrayed - Wavelength Grating Multiplexer Asynchronous Transfer Mode Bộ ghép kênh xen kẽ Dựng đồ thị phụ Nút truy nhập Bộ lọc quang có điều chỉnh Điốt quang thác Bộ ghép kênh lưới quang dẫn sóng kiểu dàn Phương thức truyền khơng đồng Điốt quang thác Bước sóng khả dụng Đường trục Gán kênh riêng biệt Bộ giải ghép kênh Sợi dịch tán sắc Nối chéo số Thiết lập luồng quang ATM ADP AW C DCA DEMUX DSF DXC DLE DWDM FBG EDFA FDM FFWF GMPLS GW IP ISDN LAN LC LCP LCG LF LEC LL LSP ADM AG AN AOTF APD AWGM ATM ADP AW C Avalanche Photo Diode Available Wavelength Core Distinct Channel Assignment Demultiplexer Dispersion Shifted Fiber Digital Cross Connect Dynamic Lightpath Establishment Differential Wavelength Division Multiplexer Fibre Grating Erbium doped fiber amplifer Division Multiplexer Fibre Grating Erbium doped fiber amplifer Frequency Division Multiplexing First Fit Wavelength First Generalized Multiple Protocol Label Swithching Gateway Internet Protocol Integrated service digital network Local Area Network Logical Connection Least Congested Path Logical Connection Graph Largest First Least Converter First Least Loaded Label Swithched Path Add/drop multiplexer Auxiliary Graph Acces Node Acousto Optic Turnable Filter Avalanche Photodiode BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG DCA DEMUX Arrayed - Wavelength Grating Multiplexer BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM .5 1.Định nghĩa 2.Các dải băng tần hoạt động WDM 3.Sơ đồ khối chức khối .5 4.Các thành phần hệ thống WDM 5.Ưu nhược điểm hệ thống WDM 10 PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) 11 1.Cấu trúc nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA 11 a.Cấu trúc 11 b.Nguyên lý hoạt động EDFA 11 2.Tính tốn thơng số khuếch đại EDFA .13 a)Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi 13 b)Tính tốn nhiễu trường hợp hệ thống sử dụng EDFA 14 c)Tính tốn nhiễu trường hợp hệ thống sử dụng k EDFA: .15 d)Tỷ số tín hiệu nhiễu trường hợp sử dụng k EDFA giống nhau: .16 e)Bài tốn mơ .17 f)Ưu khuyết điểm EDFA 21 PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652 .22 1.Cấu tạo .22 2.Các yếu tố ảnh hưởng .23 a)Suy hao 23 b)Tán sắc 23 PHẦN IV: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM 25 1.Giới thiệu chung phần mềm OPTISYSTEM 25 a)Các ứng dụng phần mềm Optisystem 25 b)Yêu cầu phần cứng phần mềm 25 c)Cài đặt 26 d)Các đặc điểm phần mềm Optisystem 26 2.Tóm tắt hướng dẫn sử dụng số chức OPTISYSTEM 30 a)Mở dự án có sẵn: 30 b)Tạo dự án 30 c)Thiết lập tham số toàn cục (global parameters) dự án 31 d) Hiển thị thay đổi tham số phần tử dự án 32 e)Chạy mô 33 f)Hiển thị kết mô 34 g)Thực quét tham số (Parameter Sweep) 35 h)Đưa kết mô vào báo cáo 39 Phần V: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG THỰC TẾ 40 1.Đề .40 2.Mô theo phương án thiết kế 40 3.Sơ đồ thiết kế 48 4.Cách chọn thông số ber phù hợp với đề .49 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Định nghĩa Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà nhiều kênh bước sóng ghép lại truyền chung nột đường truyền quang gọi hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing) Trong điều kiện dịch vụ truyền số liệu ngày tăng nhanh đặc biệt Internet, truyền hình số, vệ tinh… mà IP lên tảng cho dịch vụ ứng dụng tương lai, nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc phải suy nghĩ lại hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệ thống vốn tối ưu cho truyền thoại lại hiệu sử dụng băng thông Các dải băng tần hoạt động WDM − O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 1360 nm − E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm ÷ 1460 nm − S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm ÷ 1530 nm − C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm ÷ 1565 nm − L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm ÷ 1625 nm − U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm ÷ 1675 nm Sơ đồ khối chức khối a Sơ đồ khối tổng quát BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG b Chức khối  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 mơi, 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 (ErbiumDoped 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:  Thu tín hiệu: Thu tín hiệu hệ thống WDM sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG c Phân loại hệ thống WDM  Gồm loại: đơn hướng song hướng − Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, WDM đơn hướng lại địi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng − Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi phức tạp nhiều với vấn đề chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng sợi quang), đảm bảo định tuyến phân bố bước sóng cho chiều sợi quang khơng dùng chung bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theo băng…) − Về việc giải vấn đề có cố xảy hệ thống: với WDM song hướng có cố xảy hệ thống, không cần đến chế APS BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG (automatic protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà tự hiểu đồng thời đầu hệ thống − Bộ khuếch đại quang EDFA hệ thống song hướng đơn giản so với hệ thống đơn hướng, số bước sóng WDM song hướng =1/2 WDM đơn hướng nên công suất khuếch đại đầu hệ thống song hướng cao hệ thống đơn hướng  Tính độ tối ưu WDM song hướng hẳn WDM đơn hướng Tuy nhiên số trường hợp ta áp dụng hệ thống đơn hương số đặc điểm tối ưu điều kiện Ví dụ: Trong điều kiện khả xuyên nhiễu bước sóng cao, mà hệ thống địi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn lớn Lúc ta dùng WDM đơn hướng Các thành phần hệ thống WDM a Bộ phát Phần phát quan trọng laser diode Yêu cầu nguồn quang hệ thống WDM phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số Tuy nhiên laser diode có khoang cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED chưa thật nguồn đơn mode Vẫn cịn mode khác ngồi mode nguồn Trong hệ thống WDM hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có laser đơn mode tạo mode dọc chính, cịn lại mode bên cần loại bỏ Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản xạ Bragg phân tán (DBR) b Bộ thu Bộ thu quang hệ thống WDM tương tự thu quang hệ thống đơn kênh Chúng thực chất photodiode (PD), thực chức biến đổi tín hiệu quang thu thành tín hiệu điện Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu tốc độ lớn, độ nhạy thu cao bước sóng hoạt động thích hợp Hai loại photodiode sử dụng rộng rãi thu quang photodiode PIN photodiode thác APD c Sợi quang Các mạng quang sử dụng môi trường truyền dẫn sợi quang Sợi quang có đặc tính suy hao tán sắc thấp môi trường phi dẫn Sợi quang đơn mode chuẩn sợi dịch tán sắc, sợi tán sắc phẳng ITU-T chuẩn hoá BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG d Trạm lặp Trạm lặp chuyển đổi tần số quang điện bao gồm thu quang phát quang Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu sau chuyển thành tín hiệu quang nhờ laser phát e Bù tán sắc Bên cạnh suy hao sợi hiệu ứng tán sắc mà giới hạn khoảng cách trạm lặp tuyến thơng tin quang Trễ nhóm hiệu ứng gây tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài độ rộng phổ nguồn quang nguyên nhân làm méo xung nhiễu kí tự f Khuếch đại quang OA (EDFA) Khuếch đại quang sợi pha Erbium chìa khố xây dựng nên hệ thống WDM Hệ thống có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp Đặc tính tăng ích khơng có quan hệ với phân cực, suốt với tốc độ số khuôn dạng Đây đặc tính có lợi thơng tin quang nói chung WDM nói riêng Tăng ích tính tốn tỷ số cơng suất công suất vào khuếch đại Giá trị xác định trực tiếp suy hao tối đa cho phép hai EDFA liên tiếp Nó phụ thuộc vào số kênh độ dài tuyến Trong tuyến thực tế giá trị biến đổi từ 20 dB đến 30dB Công suất đầu khuếch đại đầu vào công suất cao Hiện thương mại hóa khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu công suất tới 30 dBm g Bộ lọc quang Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại lọc quang sử dụng, phổ biến lọc màng mỏng điện môi (TFF) TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín hiệu dải phổ cho phần dải phổ cịn lại qua Bộ lọc thuộc loại lọc bước sóng cố định Cấu trúc gồm khoang cộng hưởng điện mơi suốt, hai đầu khoang có gương phản xạ chiết suất thấp (MgF2 có n = 1,35 SiO2 có n = 1,46) xen kẽ Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với lọc bậc 0) ne = 3λ0/4 (đối với lọc bậc 1), với λ0 bước sóng trung tâm h Bộ xen rẽ quang OADM Thiết bị ODAM thực chức thêm vào tách kênh tín hiệu từ tín hiệu WDM mà khơng gây nhiễu với kênh khác sợi BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG i Bộ nối chéo quang OXC OXC có hai chức : • Chức nối chéo kênh quang • Chức ghép tách đường chỗ j Chuyển mạch không gian Các ma trận chuyển mạch không gian sử dụng thiết bị OADM OXC Các thiết bị dựa vào hoạt động học bao gồm motor, điện tử tĩnh áp điện làm lệch vi gương cho chuyển mạch tín hiệu quang Do yêu cầu chuyển động học phần tử chuyển mạch thời gian đạt dải rộng từ 30ms đến 500ms Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng nhiệt hiệu ứng quang- điện có thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm đặc tính ma trận chuyển mạch khác Ưu nhược điểm hệ thống WDM a Ưu điểm: − Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn nhiều so với hệ thống TDM − Không giống TDM phải tăng tốc độ số liệu lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM cần mang vài tín hiệu, tín hiệu ứng với bước sóng riêng (kênh quang) − WDM cho phép tăng dung lượng mạng có mà khơng cần phải lắp đặt thêm sợi quang b Nhược điểm: − Dung lượng hệ thống nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn sợi quang − Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng có nhiều hệ thống hoạt động 10 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA) Cấu trúc nguyên lý hoạt động khuếch đại EDFA a Cấu trúc Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Trong bao gồm: − Sợi quang pha ion đất Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): nơi xảy trình khuếch đại (vùng tích cực) EDFA − Laser bơm (pumping laser): cung cấp lượng ánh sáng để tạo trạng thái − nghịch đảo nồng độ vùng tích cực Laser bơm phát ánh sáng có bước sóng 980nm 1480nm − WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại ánh sáng từ laser bơm vào − sợi quang Loại coupler sử dụng WDM coupler cho phép ghép tín hiệu có bước sóng 980/1550nm 1480/1550nm − Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn khơng cho tín hiệu quang khuếch đại phản xạ ngược phía đầu phát tín hiệu quang đường truyền phản xạ ngược EDFA b Nguyên lý hoạt động EDFA Nguyên lý khuếch đại EDFA dựa tượng phát xạ kích thích Q trình khuếch đại tín hiệu quang EDFA thực theo bước hình 11 BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG Q trình khuếch đại tín hiệu xảy EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm 1480 nm - Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, ion Er 3+ vùng hấp thụ lượng tử từ photon (có lượng E photon = 1.27eV) chuyển sang trạng thái lượng cao vùng bơm (pumping band) (1) - Tại vùng bơm Er3+ phân rã không xạ nhanh (khoảng 1micro s) chuyển xuống vùng giả bền (2) - Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, ion Er 3+ vùng hấp thụ lượng từ photon (có lượng Ephoton = 0.841 eV) chuyển sang trạng thái lượng cao đỉnh vùng giả bền (3) - Các ion Er vùng giả bền ln có khuynh hướng chuyển xuống vùng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4) - Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), khơng kích thích photon có lượng thích hợp (phát xạ kích thích) ion Er 3+ chuyển sang trạng thái lượng thấp vùng phát xạ photon (phát xạ tự phát) (5) Khi cho tín hiệu ánh sáng vào EDFA, xảy đồng thời hai tượng sau: - Các photon tín hiệu bị hấp thụ ion Er vùng (6) Tín hiệu ánh sáng bị suy hao - Các photon tín hiệu kích thích ion Er3+ vùng giả bền (7) Hiện tượng phát xạ kích thích xảy Khi đó, ion Er3+ bị kích thích chuyển sang trạng thái lượng từ mức lượng cao vùng giả bền xuống mức lượng thấp vùng phát xạ photon có hướng truyền, phân cực, pha bước sóng Tín hiệu ánh sáng khuếch đại Độ rộng vùng giả bền vùng cho phép phát xạ kích thích xảy khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm Đây vùng bước sóng hoạt động EDFA Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng bước sóng lớn 1565 nm dB bước sóng 1616 nm 12 BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG Tính tốn thơng số khuếch đại EDFA Khi sử dụng EDFA để thay lặp hệ thống thông tin sợi quang, vấn đề quan tâm ảnh hưởng nhiễu giao thoa đầu khuếch đại đến đầu vào máy thu Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài lớn cần phải sử dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo EDFA hợp thành nhiễu tích lũy có giá trị lớn Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu nhiễu eSNR đặc tính BER tín hiệu đầu vào máy thu a) Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi Về mặt lý thuyết, cự ly truyền dẫn dài thực cách xen nhiều khuếch đại quang theo phương pháp LA Tuy nhiên, có nhiều khuếch đại mắc chuỗi tuyến, đặc tính hệ thống bị giảm có xuất nhiễu tích lũy từ EDFA hiệu ứng phi tuyến EDFA n0,l0 EDFA EDFA k n1,l1 nk,lk TX RX Cấu hình khuếch đại EDFA mắc chuỗi Khuếch đại tổng G suy hao tổng L hệ thống xác định sau: k G =∏ Gi i= k L =∏ Li i= Ở Gi Li khuếch đại EDFA thứ i suy hao quang phân đoạn thứ i Do có tích lũy nhiễu, cơng suất phát xạ tự phát tổng xác định sau: k Psp =∑ Pspi i= k k G ∏ L ∏ j j= i+ i i= Với Pspi ta biết công suất phát xạ tự phát EDFA thứ i tính công thức: Pspi = mthvnspi(Gi - 1)B0 (*) Với mt, hv, nspi số mode truyền dẫn, lượng photon hệ số xạ tự phát EDFA 13 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG b) Tính tốn nhiễu trường hợp hệ thống sử dụng EDFA EDFA α,d0 Ptx Pin α,d1 Pout Ps Cấu trúc hệ thống LA (EDFA dùng làm khuếch đại đường truyền) Gọi: − Ptx công suất nguồn phát − Pin công suất ngõ vào EDFA − Pout công suất ngõ vào EDFA − Ps cơng suất tách sóng − α hệ số suy hao sợi quang − d Chiều dài tuyến truyền dẫn − d0 chiều dài đoạn phía trước EDFA − d1 chiều dài đoạn phía sau EDFA Ở tất nhiễu tín hiệu tính theo pA nên cơng thức tính tốn có nhân thêm 1012  Nhiễu lượng tử: Nhiễu lượng tử gọi nhiễu bắn (shot) dịng tín hiệu vào dòng phát xạ tự phát sinh Nhiễu lượng tử sinhVới: trường hợp LA số là: lần suy hao đoạn d0 m n hυ(G −1) B0  12(pA  GP số2)lần suy(1)hao đoạn d1 σ sh2 = 2eBeℜ tx + t sp 10  n1  n0 n1  n1 = 10 αd1 10 n0 = 10 αd 10 ℜ =eη/hv hệ số chuyển đổi quang điện η hiệu suất lượng tử υ tần số tín hiệu quang h= 6,625.10-34Js số Plank e= 1,6.10-19 C điện tích eclectron mt số mode tín hiệu quang 14 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG  Nhiễu nhiệt: Nhiễu nhiệt tính sau:  Nhiễu phách: σ th2 = KTBe 12 (pA2) 10 RL (2) + Mật độ cơng suất tương đương nhiễu phách tín hiệu - tự phát là: σ s − sp σ s − sp 4ℜ N GPtx Be 4ℜ n sp hυG (G − 1) Ptx Be = = n1 n 22 n1 n 22 = 4ℜ n sp hυG (G − 1) Ptx Be 2 nn 1012 (pA ) (3) + Thành phần nhiễu phách tự phát - tự phát là: σ sp −sp = 2mt ℜ2 nsp2 (hυ ) (G − 1) B0 Be n 2 1012(pA 2)  Nhiễu tổng ngõ tách sóng là: (4) (5) σ2tot = σ2th + σ2sh + σ2s-sp +σ2sp-sp c) Tính tốn nhiễu trường hợp hệ thống sử dụng k EDFA:  Nhiễu phách tín hiệu - tự phát: σ s − sp Psp1Gk Gk −1 G2 12 (6) Be ℜ Gk Gk −1 G1 Ptx Pspk Psp ( k −1) Gk = ( + + )10 ( pA ) mt B0 n0 n1n2 nk nk nk −1nk n1n2 nk  Nhiễu lượng tử: Pspk Psp ( k −1) Gk Psp1G2 G3 Gk  12  G G G P (7) σ sh2 = 2eBe ℜ  k tx + ( + + 10 ( pA ) nk nk −1nk n1n2 nk   n0 n1n2 nk  Nhiễu phách tự phát - tự phát: σ sp − sp Be ℜ = B0 mt Psp1G2 G3 Gk  12  Pspk Psp ( k −1) + + +   10 ( pA ) n1n2 nk   nk nk −1nk (8) 15 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG Để tiện tính tốn, giả thiết có k EDFA giống tức là: G=G j, nsp=nspj, Psp=Pspj; lúc ta có cơng thức tính nhiễu trường hợp sử dụng k EDFA (4.6), (4.7) (4.8) rút gọn sau: σ s − sp Be ℜ Ptx kPsp 12 = 10 ( pA ) mt B0 n0 nk  P kPsp  12 σ sh2 = 2eBe ℜ  tx + 10 ( pA )  n0 n k  (9) (10) (11) σ sp2 − sp Be ℜ  kPsp  12 =   10 ( pA ) B0 mt  nk  (12) d) Tỷ số tín hiệu nhiễu trường hợp sử dụng k EDFA giống nhau: σth2 = KTBe 1012 ( pA ) R1 Công thức dùng để tính tỷ số tín hiệu nhiễu (điện) trường hợp tổng quát, hệ thống thông tin sợi quang sử dụng k EDFA mắc chuỗi lọc quang (ℜ Ptx / n0 ) Như SNR = (dB) kP P   B ℜ P P sp sp e trình tx + 2eBeℜ  tx +  mt B0 n0 nk  n0 nk  tạp Trong này, công hiệu + 2 Beℜ  kPsp  KTBe   + B0 mt  nk  R1 đặt sau khác nói trên, (13) tính tốn phức khn khổ tập thức tính tỷ số tín nhiễu trường hợp là: Ta có cơng thức tính BER biết eSNR sau: e −x BER = π x (14) 16 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG Với x = 0,354 SNR e) Bài tốn mơ Tìm số khuếch đại cần thiết cho trước: - Khoảng cách truyền dẫn AB - Công suất phát Ptx - Tốc độ bit hệ thống Rb - Tỷ lệ lỗi bit BER - Suy hao trung bình tồn tuyến α - Hệ số khuếch đại G khuếch đại EDFA - Các thơng số khác có liên quan Cơng suất phát tối đa máy phát 9dBm, cơng suất dự phịng 6dBm Vậy công suất phát Ptx là: - 6=3dBm Độ nhạy thu hàm tỷ lệ lỗi bit BER tốc độ R b Nếu ta chọn Be = 2,5Ghz, yêu cầu BER=10-12 độ nhạy thu -27,5dBm theo (6) Gọi l0 khoảng truyền dẫn mà hệ thống làm việc tốt (máy thu thu tốt tín hiệu từ máy phát) mà khơng cần EDFA Ta có: Pr = Ptx - ∑Ploss= Ptx- l0α ⇒ l0 = (Ptx - Pr)/α Như khoảng cách truyền dẫn cần bù lượng tổn hao gây là: AB - l0 Suy hao khoảng cách gây ra: (AB - l0)α Như số EDFA cần sử dụng là: (AB - l0)α k = G Nếu ta chọn độ nhạy máy thu Pr = -27,5 dBm Cơng suất tới tách sóng P s phải lớn độ nhạy thu Ta chọn Ps = -25dBm Ta có Ptx = dBm Vậy: - (-25) l0 =  = 130km 0,21 Chọn l0 = 100km Ở phần trước ta rút công thức sau: 17 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG (ℜ Ptx / n0 ) eSNR = (dB)  Ptx Psp  Be ℜ Ptx kPsp + 2eBe ℜ  +  mt B0 n0 nk  n0 n k  2 Be ℜ  kPsp  KTBe +   + B0 mt  nk  R1 Tính tỷ số eSNR biết thông số khác: Các thông số cho sau: − Công suất phát Ptx = 3dBm − Tốc độ bít Rb = 2,5Ghz − Tỷ lệ lỗi bit BER = 10-12 − Băng tần điện Be = Rb = 2,5 (5 7,5) Ghz − Suy hao trung bình tồn tuyến α = 0,21dB/km − Băng tần quang Thơng thường khơng có lọc Bo phụ thuộc vào ∆λ khuếch đại (∆λ=40÷50nm) Tuy nhiên dùng nhiều lọc nên B phụ thuộc vào ∆λ lọc ∆λ = 0,1 ÷ 0,5nm c dƒ c ∆ƒ c ƒ=  ⇒  = - ⇒  = λ dλ λ2 ∆λ λ2 c ⇒B0 = ∆ƒ =  ∆λ λ2 Chọn ∆λ = 0,4nm ta có B0 = 50Ghz Các thơng số khác: − Hiệu suất lượng tử η = 0,9 − Bước sóng tín hiệu quang λ = 1550nm − Số mode phân cực: dùng sợi đơn mode nên có mode phân cực ngang mt = − Trở kháng tải tách sóng Rl = 50Ω − Tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s − Nhiệt độ tuyệt đối T = 3000K Với thơng số cho vào (*) tính được: 0,8984.10 Ptx = + 7,2575.10 −6 k ( pA ) n0 σ sh σ s − sp 2,035.10 Ptx = k ( pA ) n0 18 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG σ2sp-sp = 8,22.10-6k2(pA2) σ2th = 0,828(pA2) S = 1,26.1012(Ptx/n0)2 Thế vào cơng thức ta có: Ta có cơng thức tính BER biết eSNR sau: 1,26.1012 ( Ptx2 n0 ) eSNR = 2,035.10 Ptx 0,8984.10 Ptx −6 k + 8,22.10 k + 0,828 + + 7,2575.10 − k n0 n0 −x BER = x = 0,354 eSNR Với Vậy e π x BER = BER = e −( 0,354 eSNR ) π 0,354 eSNR 1,255 eSNR e −( , 354 eSNR ) Tính với eSNR = 1,98.102 BER ≈ 10-12 Đây giá trị BER đạt u cầu tính tốn phần thiết kế Như BER chưa đạt yêu cầu ta cần tăng công suất phát P tx cho eSNR đạt giá trị 1,98.102 Từ tốn mơ ta xây dựng thuật toán 19 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG Lưu đồ thuật tốn Bắt đầu Nhập khoảng cách, cơng suất phát P độ khuếch đại Chọn tốt độ bit cơng suất Thay phát P=Pđạt Tính số EDFA cần thiết Tính tỷ số tín hiệu nhiễu eSNR, tỷ lệ lỗi bit BER Tính cơng suất phát Pđạt để BER = 10-12 Hiển thị thơng số tính Y BER ≤10- 12 Thiết kế thành công Bạn muốn thử lại không N Thiết kế chưa thành công Bạn muốn thử lại không N Thử lại Y Hiện thị hình vẽ Kết thúc 20 BÀI TẬP LỚN MƠN THÔNG TIN QUANG f) Ưu khuyết điểm EDFA − − − − − − − − − Ưu điểm: Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn cơng suất cao Cấu hình đơn giản: hạ giá thành hệ thống Cấu trúc nhỏ gọn: lắp đặt nhiều EDFA trạm, dễ vận chuyển thay Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi áp dụng cho tuyến thông tin quang vượt biển Khơng có nhiễu xun kênh khuếch đại tín hiệu WDM khuếch đại quang bán dẫn Hầu không phụ thuộc vào phân cực tín hiệu Khuyết điểm: Phổ độ lợi EDFA không phẳng Băng tần hiên bị giới hạn băng C băng L Nhiễu tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn 21 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652 Khuyến nghị ITU-T G.652 mơ tả thuộc tính hình học, khí chế độ cáp quang cáp, có bước sóng khơng phân tán xung quanh 1310 nm Sợi ITU-T G.652 tối ưu hóa cho sử dụng khu vực bước sóng 1310 nm, sử dụng khu vực 1550nm Cấu tạo Sợi quang sử dụng loại đơn mode Lõi sợi quang làm SiO2 chất phụ gia khác, đảm bảo có số suất lõi sợi quang lớn số suất lớp vỏ phản xạ Lớp vỏ phản xạ sợi quang làm SiO2 Lớp bảo vệ sơ cấp làm vật liệu chống tia cực tím, đảm bảo sợi quang khơng bị suy hao uốn cong trầy xước Lớp bảo vệ sơ cấp dễ dàng bóc dụng cụ khícầm tay (khơng dùng đến hố chất) mà khơng gây ảnh hưởng đến sợi quang Sợi quang mã hoá màu dễ dàng phân biệt mắt thường, không phai màu suốt thời gian sử dụng cáp Vỏ sợi Lõi sợi Tải FULL (55 trang): https://bit.ly/3bCiG52 Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net Cấu trúc tổng thể sợi - Lớp có dạng hình trụ trịn ,làm thủy tinh ,được gọi la lõi ( core ) sợi - Lớp thứ hai có dạng hình trụ bao xung quanh lõi lên gọi lớp bọc ,làm thủy tinh plastic 22 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG Các yếu tố ảnh hưởng Có ba yếu tố sợi quang ảnh hưởng đến khả hệ thống thông tin quang ,bao gồm : a) Suy hao Suy hao tín hiệu sợi quang đặc tính quan trọng sợi quang định khoảng cách lặp tối đa máy phát máy thu Mặt khác, việc khó lắp đăt, chế tạo bảo dưỡng lặp nên suy hao tín hiệu sợi quang có ảnh hưởng lớn việc định giá thành hệ thống.Suy hao tín hiệu sợi quang ghép nối nguồn phát quang với sợi quang, sợi quang với sợi quang sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh q trình sợi bị uốn cong giới hạn cho phép tạo suy hao Các suy hao suy hao chất sợi, làm giảm chúng nhiều biện pháp khác Tuy nhiên,vấn đề ta xét đến suy hao chất bên sợi quang − Suy hao tín hiệu Suy hao tín hiệu định nghĩa tỷ số cơng suất quang lối Pout sợi có chiều dài L công suất quang đầu vào Pin − Suy hao tán xạ Suy hao tán xạ sợi dẫn quang tính khơng đồng nhỏ lõi sợi gây Đó thay đổi nhỏ vật liệu, tính khơng đồng cấu trúc khuyết điểm trình chế tạo sợi - Suy hao uốn cong sợi Suy hao uốn cong sợi suy hao chất sợi Khi sợi dẫn quang bị uốn cong có bán kính xác định có tượng phát xạ ánh sáng vỏ sợi ánh sáng lan truyền lõi sợi bị suy hao Tải FULL (55 trang): https://bit.ly/3bCiG52 Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net b) Tán sắc Trong sợi quang ,những tần số ánh sáng khác mối khác cần thời gian khác để truyền đoạn tư A đến B tượng gọi tán sắc gây nhiều ảnh hưởng khác ,tán sắc dẫn đến co giãn xung truyền dẫn quang gây giao thoa ký tự tăng lỗi bít máy thu dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn 23 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG  Ảnh hưởng tán sắc đến dung lượng truyền dẫn Tán sắc gây méo tín hiệu điều làm cho xung ánh sáng bị giãn rộng truyền dọc theo sợi dẫn quang Khi xung bị giãn phủ lên xung bên cạnh Khi phủ vượt giá trị giới hạn thiết bị phía thu không phân biệt xung kề nữa, lúc lỗi bít xuất Như vậy, đặc tính tán sắc làm giới hạn dung lượng truyền dẫn sợi quang Tuy nhiên hệ thống khác mức độ ảnh hưởng yếu tố khác ,ví dụ : • Đối với cự ly ngắn ,dung lượng thấp yếu tố quan trọng mà ta cần quan tâm là suy hao • Đối với hệ thống có tốc độ cao ,cư ly tương đối lớn yếu tố cần ý suy hao tán sắc • Đối với cự ly dài dung lượng lớn ngồi hai yếu tố ta cần xem xét đến hiệu ứng phi tuyến Sợi quang sử rộng rãi sợi đơn mode SMF, G.652, suy hao nhỏ sợi vùng sóng 1500nm tán sắc có giá tri thấp ( không ) lại sóng 1300nm Các hệ thống thơng tin sợi quang nay, hệ thống tốc độ bít cao, phần lớn hoạt động vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, sợi quang đơn mode tiêu chuẩn (sợi G.652) có hệ số tán sắc vùng bước sóng lớn Tán sắc lớn làm méo tín hiệu tạo tượng giao thoa ký tự (ISI-Intersymbol Interference) dãn xung khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyền dẫn hậu chí khơng chấp nhận Nhìn chung, ảnh hưởng tán sắc đến truyền dẫn hệ thống phức tạp Sự giãn xung quanh làm cho lượng phổ tín hiệu khe thời gian, bị phuur chờm xang khe lân cận lượng tạo công xuất bị mát làm xâu đặc tính BER ,do phải bù BER 3558466 24 ... Optic Turnable Filter Avalanche Photodiode BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG DCA DEMUX Arrayed - Wavelength Grating Multiplexer BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC MỤC LỤC ... 48 4.Cách chọn thông số ber phù hợp với đề .49 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM Định nghĩa Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà nhiều... nhanh chóng bước sóng lớn 1565 nm dB bước sóng 1616 nm 12 BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG Tính tốn thơng số khuếch đại EDFA Khi sử dụng EDFA để thay lặp hệ thống thông tin sợi quang, vấn đề quan