Thiết kế tuyến thông tin quang vinh hà trung ghép kênh theo bước sóng wdm

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ===== ===== đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: thiết kế tuyến thông tin quang vinh - hà trung ghÐp kªnh theo b-íc sãng wdm Ngườ g : ThS nguyễn thị minh : nguyễn văn hữu : 49K - §TVT Mã số sinh viên : 0851080310 NGHỆ AN - 01/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Hữu Số hiệu sinh viên: 0851080310 Ngành: Điện tử - Viễn thơng Khố: 49 Đầu đề đồ án: Các số liệu liệu ban đầu: Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Các vẽ, đồ thị (ghi rõ loại kích thƣớc vẽ ): Họ tên giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /20 Ngày hoàn thành đồ án: / /20 Ngày tháng năm 2013 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ PHẢN BIỆN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Hữu Số hiệu sinh viên: 0851080310 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 49 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Minh Cán phản biện: Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT vii CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG 1.1 Hệ thống thơng tin sợi quang 1.1.1 Thông tin sợi quang 1.1.2 Q trình phát triển hệ thống thơng tin quang .1 1.1.3 Các thành phần hệ thống thông tin quang .4 1.1.4 Đặc điểm hệ thống thông tin quang .6 1.2 Sợi quang 1.2.1 Cấu trúc sợi quang 1.2.2 Sự truyền ánh sáng sợi quang 1.2.3 Các sợi dẫn quang đơn mode thông tin quang 12 1.3 Suy hao sợi quang 14 1.3.1 Suy hao sợi quang 14 1.3.2 Tán sắc sợi quang đơn mode 18 1.3.3 Các hiệu ứng phi tuyến .21 1.4 Thiết bị phát quang 23 1.4.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 23 1.4.2 Diode phát quang LED .25 1.4.3 Diode laser bán dẫn 26 1.4.4 Nhiễu nguồn phát laser 26 1.5 Thiết bị thu quang 27 1.5.1 Photodiode p-i-n .27 1.5.2 Photodiode thác APD .28 1.6 Các kỹ thuật ghép kênh quang 30 1.6.1 Kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo tần số OFDM 30 1.6.2 Kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM 31 1.6.3 Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM 33 1.7 Kết luận chương 33 CHƢƠNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 35 2.1 Tổng quan hệ thống thông tin quang WDM 35 2.2 Nguyên lý ghép kênh theo bước sóng quang .36 2.3 Đặc điểm hệ thống WDM điểm - điểm 39 2.4 Các tham số thành phần thiết bị WDM 41 2.4.1 Suy hao xen 41 2.4.2 Xuyên kênh .41 2.4.3 Độ rộng kênh 42 2.5 Các đặc tính hệ thống thông tin quang WDM 43 2.5.1 Xuyên kênh tuyến tính 43 2.5.2 Xuyên kênh phi tuyến .46 2.6 Các phần tử hệ thống WDM 49 2.6.1 Nguồn phát quang 49 2.6.2 Bộ thu quang .49 2.6.3 Các thiết bị ghép giải ghép 49 2.6.4 Sợi quang 50 2.6.5 Bộ khuếch đại quang 51 2.6.6 Bộ lọc quang .53 2.6.7 Bộ đầu cuối đường quang (OLT) .55 2.6.8 Bộ khuếch đại đường quang (OLA) 57 2.6.9 Bộ xen rớt quang (OADM) 57 2.6.10 Bộ kết nối chéo quang (OXC) 59 2.7 Kết luận chương 59 CHƢƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG VINH - HÀ TRUNG GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 61 3.1 Một số vấn đề thiết kế hệ thống thông tin quang 61 3.1.1 Ảnh hưởng suy hao 61 3.1.2 Ảnh hưởng tán sắc .63 3.1.3 Số kênh sử dụng khoảng cách ghép kênh .66 3.1.4 Việc ổn định bước sóng độ rộng phổ nguồn phát 68 3.1.5 Mã đường truyền 69 3.2 Đặc điểm thiết kế tuyến thông tin quang 69 3.2.1 Thiết kế tuyến thông tin quang ghép kênh theo bước sóng WDM 69 3.2.2 Thiết kế dựa quỹ công suất 71 3.2.3 Thiết kế dựa quỹ thời gian lên 72 3.2.4 Công suất dự trữ .74 3.3 Thiết kế, tính tốn mơ tuyến thơng tin quang Vinh - Hà Trung (Thanh Hóa) 76 3.3.1 Khảo sát địa hình tham số tính tốn tuyến 76 3.3.2 Tính tốn tuyến 77 3.4 Kết luận chương 90 KẾT LUẬN 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật lĩnh vực kỷ XXI làm cho kỹ thuật truyền thông không ngừng đổi phạm vi tồn giới Do đó, nhu cầu truyền thơng ngày cao với nhiều loại hình dịch vụ băng rộng đa phương tiện đời sống kinh tế - xã hội Để đáp ứng với nhu cầu mạng truyền thơng phải có khả linh hoạt, tốc độ cao, băng thơng rộng, dung lượng lớn, đa dịch vụ Từ mạng lưới viễn thông với công nghệ analog lạc hậu, viễn thông Việt Nam tiến hành cách mạng khoa học công nghệ đại với chiến lược tăng tốc chuyển từ mạng lưới cũ sang mạng linh hoạt với kỹ thuật tiên tiến, đáp ứng nhu cầu dịch vụ viễn thông cho đất nước Trong phát triển không ngừng mạng viễn thơng Việt Nam, thơng tin quang có đóng góp quan trọng quy mơ phát triển quy nâng cao chất lượng toàn mạng Vì vậy, thơng tin quang đáp ứng nhu cầu phát triển mạng truyền dẫn thời gian tới, đặc biệt phục vụ cho phát triển Internet tốc độ cao dịch vụ IP Trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm đơn kênh thông thường, sợi quang có nguồn phát quang phía phát tách sóng quang phía thu Nguồn phát quang phát luồng ánh sáng mang tín hiệu ghép vào sợi quang xác định riêng biệt, tách sóng quang tương ứng nhận tín hiệu từ sợi Như vậy, muốn tăng dung lượng hệ thống phải sử dụng thêm sợi quang Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM cho ta tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền không dùng thêm sợi dẫn quang; thực truyền luồng ánh sáng với bước sóng khác sợi Sự phát triển hệ thống WDM với công nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thông tin hệ - mạng thông tin tồn quang Chính vậy, em lựa chọn làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế tuyến thông tin quang Vinh - Hà Tru g g é k eo bư c sóng WDM” Đồ án chia làm ba chương: i Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM Chương Thiết kế, tính tốn mô tuyến thông tin quang Vinh - Hà Trung ghép kênh theo bước sóng WDM Qua q trình làm đồ án em cố gắng hoàn thành khơng tránh khỏi sai sót, em mong đóng góp ý kiến thầy bạn để có thêm kinh nghiệm vào thực tế Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Vinh hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho em trình học tập Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, người tận tình bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 01 năm 2013 Sinh viên thực Nguyễn Văn Hữu ii TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM Với yếu tố gây ảnh hưởng hệ thống ghép kênh theo bước sóng WDM như: xuyên kênh, suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, Trên sở nêu giải pháp tối ưu để thiết kế, tính tốn nhằm tăng dung lượng tốc độ cho hệ thống Với việc thiết kế mô tuyến thông tin quang Vinh - Hà Trung (Thanh Hóa) cho ta thấy đặc tính, thơng số kỹ thuật ưu, nhược điểm kỹ thuật để áp dụng vào thực tế PROJECT SUMMARY The thesis presents WDM transmission system With impacted elements of WDM system as: cross-channel, attenuation, dispersal, non-linear effect… This basis suggests optimal solution, calculates to increase capacity and speed for system With designing and simulation of information system Vinh - Ha Trung (Thanh Hoa) we can recognize characteristics, specifications as well as this technology’s advantages, disadvantages to apply for actuality iii = α [d ] N (3.21) Trong đó: N số mối hàn N (3.22) =2 ⇒ αmh = 0,5 [dB] = [dB]  Suy hao giắc: αgi = α [d ] M (3.23) = 0,5 [dB] = [dB] ⇒ Tổng suy hao tối thiểu: Pα MIN = S - R + αgi (3.24) = αsq + αmh + αgi = 63 [dB] + [dB] + 2[dB] = 66 [dB]  Công suất suy hao tối đa hệ thống Pα M X = Pα MIN + suy hao dự trữ (3.25) = 66 [dB] + [dB] = 69 [dB]  Công suất thu cực đại Pr MAX = PT MAX - Pα MIN (3.26) = [dBm] - 66 [dB] = -64 [dBm]  Công suất thu cực đại Pr MIN = PT MIN - Pα M X = -8[dBm] - 69 [dBm] =-77 [dBm] ⇛ Ta có thông số cần thiết tuyến: 78 (3.27) PT MAX = [dBm] Pr MAX = -64 [dBm] PR MAX = -8 [dBm] PT MIN =-8 [dBm] Pr MIN = -77 [dBm] PR MIN = -28 [dBm] PT MAX dBm PT MIN PR MAX PR MIN Pr MAX Pr MIN -3 -8 -28 -64 -77 Ta thấy PR MIN> Pr MIN Do tuyến quang chưa đạt yêu cầu, cần khắc phục cách tăng công suất phát 3.3.2.2 Thiết kế theo quỹ thời gian lên  Thời gian lên sợi quang Topt = L x D x Δλ (3.28) = 180 [km] x [ps/km.nm] x [nm] =1080 [ps] = 1,08 [ns]  Thời gian lên hệ thống TSys (3.29) = 1,138 [ns]  ăng tần hệ thống  Đối với NZ: (3.30)  Đối với NRZ: (3.31) 3.3.2.3 Tính tốn thơng số mô cho tuyến thông tin quang Vinh Hà Trung ghép kênh theo bƣớc sóng WDM Do hai phương pháp không thỏa mãn cho việc thiết kế tuyến quang có dung lượng cao truyền cự ly xa Do đó, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng 79 quang WDM cho phép tăng dung lượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền không dùng thêm sợi dẫn quang khắc phục nhược điểm phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian ảng 3.5 Thơng số tính tốn cho tuyến Ký hiệu Giá trị Đơn vị Cự ly truyền dẫn L 180 km Chiều dài sợi SMF L1 50 km Sợi bù tán sắc DCF L2 10 km λ 1550 μm G.655 Đơn mode - Chiều dài chuỗi - 128 bit Số mẫu bit - 64 Mẫu D1 ps/(km.nm) PMD 0,5 ps/km1/2 0,2 (0,5) dB/km Thông số ước sóng Sợi quang Độ tán sắc Tán sắc phân cực mode Hệ số suy hao SMF (DCF) αSMF, (αDCF) Độ dốc tán sắc - 0,075 ps/nm2.km Số lượng kênh bước sóng - kênh Tốc độ B 80 Gbit/s a) Tính tốn thơng số  Số lặp: (3.32)  Độ bù tán sắc: (3.33)  Độ lợi khuếch đại: G1 = L1.αSMF = 50[km].0,2[dB/km] = 10 [dB] (3.34) G2 = L2.αDCF = 10[km].0,5[dB/km] = [dB] (3.35)  Cửa sổ thời gian (Time Windows): 80 (3.36)  Số lượng mẫu (Number of samples) Số mẫu = chiều dài chuỗi bit số mẫu bit = 128x64=8912 (3.37)  Tốc độ mẫu (Sample rate) Tốc độ mẫu = tốc độ bit số mẫu bit (3.38) = 80000000000 x 64 = 5120 GHz b) Mô tuyến thông tin quang Vinh - Hà Trung ghép kênh theo bƣớc sóng WDM phần mềm OptiSystem  Sơ đồ khối phát quang 81 Hình 3.5 Khối phát quang  Sơ đồ khối truyền dẫn quang 82 Hình 3.6 Khối truyền dẫn quang  Sơ đồ khối thu quang Hình 3.7 Khối thu quang  Sơ đồ mơ tồn hệ thống 83 Hình 3.8 Mơ tồn hệ thống  Cơng suất phía phát Hình 3.9 Cơng suất phát  Cơng suất phía thu Hình 3.10 Cơng suất thu 84  Phổ tín hiệu phát Hình 3.11 Phổ tín hiệu phát  Phổ tín hiệu thu Hình 3.12 Phổ tín hiệu thu 85  Tín hiệu ER kênh  Kênh 1: Hình 3.13 Tín hiệu ER kênh  Kênh 2: Hình 3.14 Tín hiệu ER kênh 86  Kênh 3: Hình 3.15 Tín hiệu ER kênh  Kênh 4: Hình 3.16 Tín hiệu ER kênh 87  Kênh 5: Hình 3.17 Tín hiệu ER kênh  Kênh 6: Hình 3.18 Tín hiệu ER kênh 88  Kênh 7: Hình 3.19 Tín hiệu ER kênh  Kênh 8: Hình 3.20 Tín hiệu ER kênh 89 3.4 Kết luận chƣơng Chương trình bày yếu tố gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống biện pháp hiệu nhằm khắc phục yếu tố Từ đưa tiêu chuẩn, giải pháp hiệu cho tuyến quang thiết kế đảm bảo chất lượng Qua việc thiết kế, tính tốn tuyến thơng tin quang ghép kênh theo bước sóng ta thấy cao chất lượng tuyến nhiều phương pháp như: tăng công suất phát cho hệ thống, sử dụng sợi bù tán sắc, khuếch đại quang, ằng việc mô tuyến thông tin quang ta hiểu rõ nguyên lý phát, truyền dẫn thu hệ thống Từ kết mô hiển thị thiết bị đo ta thấy: quang phổ tín hiệu phía phát phía thu: tám tín hiệu quang phổ tập trung xung quanh dải bước sóng 1,55μm, phía đỉnh tín hiệu phổ tín hiệu nhỏ cơng suất tín hiệu cao Đối với tỷ lệ lỗi bit ER: chu kì bước sóng nhỏ tỉ lệ lỗi bit thấp Các thiết bị mô điều kiện lý tưởng nên cho công suất truyền dẫn tốt tỷ lệ lỗi bit thấp 90 KẾT LUẬN Với việc sử dụng công nghệ WDM làm tăng đáng kể dung lượng cự ly hệ thống quang đơn kênh truyền nhiều bước sóng sợi quang, đặc biệt kết hợp thêm khuếch đại quang sợi EDF bù tán sắc Qua thiết kế, tính tốn mơ tuyến thông tin quang WDM ghép kênh theo bước sóng WDM thấy yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng tuyến tìm giải pháp khắc phục Tuy nhiên, tiến hành lý thuyết, thực tế nhiều thiết bị kỹ thuật khác sử dụng để tăng chất lượng truyền dẫn hệ thống WDM Sau hồn thành đồ án “Thiết kế tuyến thơng tin quang Vinh - Hà Trung ghép kênh theo bước sóng WDM”, em có nhận xét: - Sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng quang WDM chất lượng tuyến tốt so với kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM ghép kênh quang phân chia theo tần số OFDM về: tốc độ, dung lượng, khoảng cách, tỷ lệ lỗi bit, - Để khắc phục yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lượng tuyến phải: sử dụng loại sợi quang thích hợp, sợi bù tán sắc, tăng cơng suất phát, khuếch đại quang, - Có thể sử dụng thiết bị khác, phối hợp kỹ thuật ghép kênh để tăng chất lượng tuyến Do hạn chế thời gian kiến thức nên đề tài chưa tìm hiểu sâu ứng dụng hệ thống WDM Trong thời gian tới, em tìm hiểu kỹ đặt mối tương quan lý thuyết thực tế để giải triệt để vấn đề sâu Đồ án cịn phát triển lên để nghiên cứu hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM khả ứng dụng hệ thống vào Việt Nam Một lần em xin cảm ơn cô giáo hướng dẫn - ThS Nguyễn Thị Minh tận tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án Nghệ An, tháng 01 năm 2013 Sinh viên 91 Nguyễn Văn Hữu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Văn San, Hệ thống thông tin quang (Tập 1,2), Nhà xuất ưu điện, Hà Nội 2008 [2] Hồng Văn Võ, Mạng thơng tin quang hệ sau, Nhà xuất ưu điện, Hà Nội 2008 [3] Lê Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phan Quốc Hợp, Kỹ thuật thông tin quang 1,Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội 2009 [4] Đỗ Văn Việt Em, Kỹ thuật thông tin quang 2, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Hà Nội 2007 [5] Hồng Ứng Huyền, Kỹ thuật thơng tin quang, Ban Thông tin Kỹ thuật, Tổng cục ưu điện, Hà Nội 1993 [6] Các wedsite tham khảo: www.maps.google.com/, truy nhập ngày cuối 20/12/2012 www.Vntelecom.org, truy nhập ngày cuối 02/01/2013 www.Tapchibcvt.org,truy nhập ngày cuối 02/01/2013 www.Thongtincongnghe.com, truy nhập ngày cuối 02/01/2013 92 ... 2.7 Kết luận chương 59 CHƢƠNG THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG VINH - HÀ TRUNG GHÉP KÊNH THEO BƢỚC SÓNG WDM 61 3.1 Một số vấn đề thiết kế hệ thống thông tin quang. .. tài ? ?Thiết kế tuyến thông tin quang Vinh - Hà Tru g g é k eo bư c sóng WDM? ?? Đồ án chia làm ba chương: i Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Chương Kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM Chương... nghệ ghép kênh công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số quang OFDM, công nghệ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM, công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM Mỗi phương thức ghép kênh