Thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên trong hệ thống thông tin

Thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên trong hệ thống thông tin

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 4.1 Giới thiệu chương Trong năm gần đây, công nghệ thông tin quang đạt thành tựu lớn phải kể đển kỹ thuật ghép kênh quang, thực việc ghép tín hiệu ánh sáng để truyền sợi dẫn quang việc ghép kênh khơng có q trình biến đổi điện Mục tiêu việc ghép kênh nhằm tăng dung lượng kênh truyền dẫn tạo tuyến thơng tin quang có dung lượng cao Khi tốc độ đạt tới mức độ người ta thấy hạn chế mạch điện tử việc nâng cao tốc độ truyền dẫn, thân mạch điện tử không đảm bảo đáp ứng xung tín hiệu hẹp với chi phí cao Để khắc phục tình trạng kỹ thuật ghép kênh quang đời có nhiều phương pháp ghép kênh khác phương pháp ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM-Optical Time Division Multiplexing) ưu việt sử dụng phổ biến toàn giới Đối với OTDM, kỹ thuật ghép kênh có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã tốc độ đường truyền Như ta biết, hệ thống thơng tin quang thích hợp với cơng nghệ truyền dẫn SDH Kỹ thuật SDH ghép kênh để tạo luồng tín hiệu quang, cịn OTDM thực việc ghép luồng quang để tạo tuyến truyền dẫn có dung lượng cao 4.2 Nguyên lý ghép kênh OTDM Trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM chuỗi xung hẹp phát từ nguồn phát thích hợp Các tín hiệu đưa vào khuếch đại nhằm nâng mức tín hiệu đủ lớn để đáp ứng yêu cầu Sau chia thành N luồng, luồng đưa vào điều chế nhờ điều chế ngồi với tín hiệu nhánh có tốc độ B Gbit/s Để thực ghép tín hiệu quang với nhau, tín hiệu nhánh phải đưa qua trễ quang Tuỳ theo vị trí kênh theo thời gian khung mà trễ thực trễ để dịch khe thời gian quang cách tương ứng Thời gian trễ chu kỳ tín hiệu clock tín hiệu sau ghép có tín hiệu B Gbit/s Bên phía thu, thiết bị tách kênh tách kênh khơi phục xung clock đưa kênh quang riêng biệt tương ứng với kênh quang đầu vào ghép phía phát Sơ đồ khối mơ tả hoạt động hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM Hình 4.1: Sơ đồ tuyến thơng tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép kênh quang Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động vùng bước sóng 1550nm, bước sóng có suy hao quang nhỏ lại phù hợp với khuếch đại quang sợi có mặt hệ thống Các khuếch đại quang sợi có chức trì quỹ cơng suất hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N phía thu quang 4.3 Phát tín hiệu hệ thống OTDM Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh OTDM áp dụng hai kỹ thuật phát tín hiệu chủ yếu sau: Tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc sử lý quang luồng NRZ Dựa vào việc điều chế xung quang Trong kỹ thuật tạo luồng số liệu quang số RZ thông qua việc sử lý quang luồng NRZ, từ luồng NRZ ta thực biến đổi chúng để đưa dạng tín hiệu RZ cách cho luồng tín hiệu NRZ qua phần tử xử lý quang có đặc tính chuyển đổi phù hợp Q trình biển đổi ánh sáng liên tục (CW) thành xung dựa vào khuếch đại điện-quang Đầu vào CW luồng tín hiệu quang NRZ thường luồng NRZ yêu cầy phần tử xử lý quang riêng Nhưng với hệ thống tiên tiến cho phép đồng thời thực biến đổi xen quang NRZ thành NZ nhờ thiết bị chuyển mạch tích cực điện-quang 2x2 Vì vậy, chùm tín hiệu ban đầu NRZ tốc độ B Gbit/s lấy mẫu nhờ điều chế Mach-Zehnder, điều chế điều khiển với sóng hình sin vời tần số B GHz làm biên độ giá trị điện áp chuyển mạch Tín hiệu quang số biến đổi thành dạng RZ tốc độ B Gbit/s với độ rộng xung nửa chu kỳ bit việc nhằm mục đích tạo khoảng để xen vào luồng tín hiệu dạng RZ thứ hai Việc xen kênh thứ hai thực nhờ ghép Công nghệ nguồn phát quang ghép kênh lưu ý, Laser phát xung hẹp tốc độ cao đầu nguồn chia quang thụ động, điều chế ngồi tiếp trễ thời gian, tái hợp sử dụng couple Các sản phẩm phía phát OTDM phát dựa vào công nghệ tổ hợp mạch lai ghép điều tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp hành nghiên cứu Đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật OTDM, lựa chọn tuyến quang cho hệ thống ta cần quan tâm đến tỷ lệ “đánh điểm-khoảng trống” tuỳ thuộc vào mức độ ghép kênh đặt ra.Trong hệ thống OTDM kênh, tỷ lệ “đánh điểm-khoảng trống” lớn nguồn phát xung quanh Khi tuyến truyền dẫn xa tỷ lệ yêu cầu cao Các nguồn phát xung phù hợp với hệ thống OTDM sử dụng rộng rãi: Các Laser hốc cộng hưởng gõ mode 4x5Gbit/s Các Laser DFB chuyển mạch khuếch đại 8x6,25Gbit/s Các Laser vòng sợi khoá mode 4x10Gbit/s 16x6,25Gbit/s Các nguồn phát liên tục 16x6,25Gbit/s Nguồn phát liên tục 16x6,25Gbit/s công cụ thực linh hoạt dựa mở rộng quang phổ cách truyền xung lượng cao dây cáp quang 4.4 Giải ghép xen rẽ kênh hệ thống OTDM 4.4.1 Giải ghép Khi xem sét hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ OTDM người ta quan tâm đến việc ghép giải ghép vùng thời gian quang Với hệ thống thơng tin quang có cấu hình điểm-điểm cơng việc giải ghép phía thu việc tách hồn tồn kênh quang tương ứng phát đầu phát Nhưng mạng thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM việc giải ghép phía thu không đơn tách kênh quang mà thực việc xen rẽ kênh từ luồng truyền dẫn Đối với giải ghép kênh cần phải xem xét thông số tách kênh kể tỷ số phân biệt quang, suy hao quang, suy hao xen mặt cắt cửa sổ chuyển mạch đạt Tỷ số phân biệt có ảnh hưởng lớn đến mức độ xuyên âm EX  10 log 10 A B (4.1) với A: Mức cơng suất quang trung bình mức logic B: Mức cơng suất quang trung bình mức logic Ngoài ra, xuyên kênh bị tăng phủ chờm kênh lân cận với tạo thành cửa sổ chuyển mạch Và kết độ rộng cửa sổ chuyển mạch có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ đường truyền ta phải đặt yêu cầu độ rộng xung tín hiệu sau truyền dẫn để giảm nhỏ xuyên kênh Bảng tóm tắt phương pháp giải ghép kênh OTDM -Bộ điều chế Niobate tầng ghép Tín hiệu điều Các đặc tính cửa sổ chuyển mạch khiển Loại chuyển mạch nhỏ Sóng điện hình 40>10Gbit/s cửa sổ 19ps sin 40>10Gbit/s cửa sổ 22ps - Bộ điều khiển băng Sóng điện tần Rẽ xen kênh rộng số Không nhạy cảm phân cực - Bộ điều khiển điện-hấp thụ - Quang Kerr: sợi 40>10Gbit/s cửa sổ 10ps Sóng điện hình sin - Trộn sóng: sợi - Gương vòng: Sợi 40Gbit/s 5Gbit/s 100>6,25Gbit/s 40>20Gbit/s Xung quang 100>6,25Gbit/s, cửa sổ 6ps Xung quang Rẽ xen kênh 40Gbit/s*10Gbit/s Xung quang 20>5Gbit/s - Trộn sóng: bán dẫn 20>10Gbit/s - Quang Kerr: bán 40>10Gbit/s dẫn Xung quang -Gương vòng: bán Xung quang dẫn 250>1Gbit/s cửa sổ 4ps Xung quang Có hai loại sơ đồ giải ghép điều khiển điện điều khiển quang trình bày hình 4.3 Trong thời gian đầu, tập trung vào hướng sử dụng điều chế Mach-Zehnder Lithium niobate, cho phép khai thác đáp ứng hình sin để giải ghép bốn lần tốc độ tín hiệu Nhưng gần đây, người ta lại quan tâm đến việc ứng dụng cơng nghệ sử lý quang hồn tồn cho giải ghép với đặc tính bật sau:  Cho phép thoả mãn mức độ giải ghép kênh  Lấy kênh, truy cập đến kênh dang truyền để thực việc xen rẽ kênh  Các cửa sổ chuyển mạch có ưu điểm bật cho hệ thống OTDM, điều cho phép sử dụng xung tín hiệu rộng trước kênh kề gây xuyên kênh Hình 4.3: Nguyên lý giải ghép thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang Hiệu ứng Kerr hiệu ứng mà đặc tính phân cực sợi quang phụ thuộc vào đồng theo hình trụ số chiết suất Sự ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên đồng hiệu ứng truyền dẫn sảy sau thường gọi chung hiệu ứng Kerr Hình 4.4: Sơ đồ đồng lựa chọn kênh quang gương vòng phi tuyến để rẽ xen kênh với coupler 3dB 4.4.2 Xen rẽ kênh Tín hiệu đến chia 3dB chia nhánh gương vòng Sau lan truyền vòng quanh vài km sợi vịng hai chi xung giao thoa, tái hợp với phản xạ từ gương vòng điều kiện tương thích Chu trình hoạt động động tuyến tính Tuy nhiên, có chuỗi xung clock cơng suất cao đưa vào vịng mà trùng hợp với tín hiệu số lan truyền theo hướng xung clock biến đổi số chiết suất lõi sợi Việc điều chế ngang pha vừa đủ có xung tín hiệu để tạo xung phù hợp chuyển mạch qua phía đối diện gương vịng Kết tín hiệu cần thiết lấy nút thiết bị phản xạ kênh cịn lại qua tái hợp chỗ với tín hiệu phát cho hướng truyền dẫn phía trước cửa sổ chuyển mạch thiết bị cửa sổ xác định không dạng xung điều khiển mà vận tốc tương đối tín hiệu Do đó, xếp xung tín hiệu xung điều khiển cách đối xứng hai phía tán sắc sợi khơng mà cửa sổ chuyển mạch thu từ xung tín hiệu điều khiển tương hợp vận tốc Các gương vòng phi tuyến (NOLM: Nonlinear Loop Mirror) cấu trúc từ thiết bị Laser bán dẫn thay cho sợi số trường hợp Nhược điểm NOLM độ dài sợi (khoảng 10km), mà cần phải lựa chon việc tán sắc khơng bước sóng tín hiệu điều khiển để đạt cửa sổ chuyển mạch hợp lý 4.5 Đồng quang hệ thống OTDM Hình 4.5: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock Kỹ thuật tách lấy tín hiệu clock q trình khơng thể thiếu để tạo tín hiệu định thời với tốc độ tín hiệu thu trình khơng thể thiếu thực sử lý tín hiệu PCM tốc độ cao Trong hệ thống thông tin quang khai thác, việc trích lấy thời gian thực mạch khoá pha PLL điện (Phase-locked-loop) sau tín hiệu quang thu được biển đổi thành tín hiệu điện thiết bị truyền dẫn thiết bị đầu cuối quang, thiết bị xen rẽ kênh trạm lặp có PLL Việc trích lấy xung clock địi hỏi phải thực cách xác Các mạch PLL điện đáp ứng hệ thống truyền dẫn với tốc độ bít nhỏ, tốc độ truyền dẫn tăng lên chúng khơng cịn phù hợp Nó bị hạn chế băng tần biến đổi quang-điện mạch điện tử không đáp ứng kịp Đối với hệ thống OTDM tốc độ làm việc cao tính chất quang hố hệ thống thể rât rõ cần phải sử dụng việc tách tín hiệu clock dựa công nghệ quang Các mạch PLL quang đáp ứng tốc độ cực nhanh tín hiệu hệ thống OTDM hệ thống thông tin tốc độ cao khác Trong cấu hình mạch PLL quang, khuếch đại Laser LDA có chức mạch kết hợp ngang quang có tốc độ cực nhanh Khi có tín hiệu quang xung từ clock tới, khuếch đại LDA kết hợp hai tín hiệu cho tín hiệu kết hợp tần số thấp có chứa thành phần f với f lệch tần số hai tín hiệu này, sau tổ hợp tín hiệu tách sóng lọc tín hiệu f tương ứng với tín hiệu dao động nội so sánh Dịch pha kiểm tra nhờ mạch so pha, kết so pha đưa vào dao động điều khiển điện áp VCO để phát tần số f Mạch phát tín hiệu quang biến đổi tín hiệu điện có tần số f  f thành tín hiệu quang tương ứng Tín hiệu clock quang lấy từ biến đổi điện-quang E/O cấp vào thiết bị giải ghép quang hệ thơng OTDM 4.6 Đặc tính truyền dẫn OTDM Do ánh sáng truyền sợi quang bị giãn rộng tán sắc sợi quang, hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật OTDM hoạt động với tốc độ cao, điều đòi hỏi xung phát phải ngắn Ta đưa truyền dẫn Soliton vào hệ thống để khắc phục vấn đề tán sắc Tuy vậy, phải quan tâm đến vấn đề tạo xung cực hẹp Giả sử khuếch đại quang thường sử dụng để tăng mức tín hiệu dọc theo tuyến thơng tin quang cần Trong truyền dẫn tuyến tính tín hiệu RZ sợi có tán sắc, vấn đề bù cho hệ thống theo nghĩa bù trừ tán sắc thiết lập xung tín hiệu bị lượng vào khe thời gian lân cận Tuy vậy, điều sảy hệ thống bị suy giảm nhanh nên để tăng cực đại khoảng cách truyền dẫn phải đưa hệ thống truyền dẫn ODTM vào tuyến cá tán sắc tiến tới không Giải pháp nguồn phát phải làm việc bước sóng gần với bước sóng tán sắc sợi khơng điều khó thực giảm cơng suất tín hiệu để tránh giãn xung cần thiết điều làm cho đặc tính hệ thống bị giới hạn tỷ lệ S/N Giải pháp thứ hai kỹ thuật điều tiết tán sắc ánh sáng sử dụng để trì hình thức truyền dẫn tuyến tính tuyến Hệ thống sử dụng phát OTDM truyền dẫn số phi tuyến có ưu điểm lớn Các dạng xung ngắn phù hợp với truyền dẫn Soliton để khắc phục tán sắc sợi dẫn quang Với hệ thống Soliton khoảng lặp hệ thống OTDM phi tuyến tăng lên lớn cách thực kỹ thuật điều khiển Soliton, thông qua việc sử dụng lọc dẫn hoặc định thời tích cực Các lọc dẫn thuận lợi áp dụng vào mơi trường có hiệu ứng Gordon-Haus gây Jitter, lại việc định lại thời gian tích cực loại bỏ Jitter chế hoạt động Nhờ công nghệ người ta thực trạm lặp bao gồm khối khôi phục clock điện để điều khiển thiết bị điện-quang quang hoàn toàn nhằm đưa dịch pha cho tín hiệu quang 4.7 Kết luận chương Qua nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM) thấy thực kỹ thuật tối ưu tuyến thơng tin quang tốc độ cao có đặc điểm bật sau:  Dung lượng kênh truyền dẫn lớn  Tốc độ truyền dẫn cao  Vận dụng tốt phổ hẹp Laser  Kết hợp với kỹ thuật diều khiển Soliton để tăng khả lặp hệ thống phi tuyến lên lớn Ghép kênh quang phân chia theo thời gian phù hợp với loại Laser tạo xung có độ dài độ dài khe thời gian tín hiệu cho phép  ... quang sợi có mặt hệ thống Các khuếch đại quang sợi có chức trì quỹ cơng suất hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N phía thu quang 4.3 Phát tín hiệu hệ thống OTDM Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ... nghệ quang Các mạch PLL quang đáp ứng tốc độ cực nhanh tín hiệu hệ thống OTDM hệ thống thông tin tốc độ cao khác Trong cấu hình mạch PLL quang, khuếch đại Laser LDA có chức mạch kết hợp ngang quang. .. 16x6,25Gbit/s công cụ thực linh hoạt dựa mở rộng quang phổ cách truyền xung lượng cao dây cáp quang 4.4 Giải ghép xen rẽ kênh hệ thống OTDM 4.4.1 Giải ghép Khi xem sét hệ thống thông tin quang sử dụng công