-Bên cạnh suy hao của sợi, tán sắc cũng là một hiệu ứng giới hạn khoảng cách truyền trong tuyến thông tin quang. Trong truyền dẫn quang, hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân gây méo xung. Thiết bị bù tán sắc đưa ra một mức tán sắc bằng và ngược lại để điều chỉnh sự giãn xung ánh sáng.
Sợi bù tán sắc (DCF – Dispersion Compensate Fiber) là loại sợi đặc biệtmà bước sóng của ánh sáng ở vùng cửa sổ 1550nm có hệ số tán sắc không âm với khoảng 80ps/(nm.km). Do đó, 1km sợi DCF có thể bù tán sắc cho 5km sợi đơn mode, khi hệ số tán sắc của sợi đơn mode là 17ps/(nm.km). Hệ số tán sắc của sợi DCF cũng thay đổi theo tần số như sợi SFM, do đó không thể có khă năng bù tán sắc tốt nếu dải tần số mở rộng. Suy hao của sợi DCF có giá trị cỡ 0,6dBm/km và lớn hơn sợi SFM.
Kết luận chương:
Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM bao gồm: Khối phát đáp quang OUT,bộ ghép kênh OMU,bộ tách kênh ODU,bộ xen rẽ kênh OADM,bộ xem rẽ kênh có thể cấu hình lại,bộ khuếch đại OA,phân hệ kênh giám sát OSC,bộ bù tán sắc DCF.Việc hiểu rõ vai trò,chức năng và nguyên lý hoạt động của mỗi thành giúp chúng ta hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động của hệ thống DWDM.
56
CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG DWDM 5.1Thiết kế tuyến điểm –điểm
Tuyến điểm - điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ thống thông tin quang. Vai trò của chúng là chuyển tải thông tin trong dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được. Chiều dài tuyến có thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 km (cự ly ngắn) đến hàng ngàn km (cự ly dài), phụ thuộc vào ứng dụng.Khi chiều dài tuyến vượt quá một giá trị nào đó, nằm trong khoảng từ 20 - 100 km phụ thuộc vào bước sóng công tác, cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang, ngược lại tín hiệu có thể quá yếu để có thể tách ra ở phía thu.
Hình 5.1: Các tuyến điểm-điểm có bù suy hao định kỳ bằng cách; a) Sử dụng các trạm tái tạo; b) sử dụng khuếch đại quang.
Hình 5.1 trình bày hai sơ đồ thường sử dụng bộ suy hao quang.Các bộ lặp quang điện còn được gọi là trạm tái tạo bởi vì chúng tái tại lại tín hiệu quang. Hình 5.1a), bộ tái tạo là một cặp thu - phát tách tín hiệu quang đến, khôi phục lại bit điện rồi chuyển đổi ngược lại thành tín hiệu quang bằng cách điều chế một nguồn quang.Các bộ khuếch đại quang giải quyết vấn đề suy hao nhưng chúng bổ sung thêm nhiễu và làm trầm trọng thêm ảnh hưởng của tán sắc và các hiệu ứng phi tuyến bởi vì sự suy giảm tín hiệu sẽ được tích lũy ở các tầng khuếch đại. Thực tế, các hệ
57
thống thông tin quang được khuếch đại một cách định kỳ thường bị giới hạn bởi tán sắc trừ khi các kỹ thuật bù tán sắc được sử dụng. Các bộ lặp quang điện không bị ảnh hưởng bởi vấn đề này bởi vì chúng tái tạo lại các luồng bit ban đầu, do đó bù trừ hiệu quả tất cả các nguồn suy giảm tín hiệu một cách tự động. Để thay thế cho bộ lặp quang điện tử, bộ tái tạo quang phải thực hiện ba chức năng tương tự - tái tạo (regenerator), sửa dạng (reshaping) và định thời lại (retiming) tín hiệu, nên được gọi là bộ lặp 3R.Khoảng cách L giữa các bộ tái tạo hoặc bộ khuếch đại quang thường được gọi là khoảng lặp (repeater spacing) là một tham số thiết kế chủ yếu vì giá thành hệ thống giảm khi L tăng nhưng tán sắc khoảng cách L phụ thuộc vào tốc độ bit B. Tính tốc độ bit - khoảng cách, thông thường được sử dụng như là thước đo chất lượng của các tuyến điểm - điểm. Tích BL phụ thuộc vào bước sóng hoạt động vì cả suy hao và tán sắc trong sợi quang đều phụ thuộc vào bước sóng.
5.2Thiết kế mạng điểm-điểm dựa trên hệ số Q và OSNR
Hình 5.2: Quan hệ của Q với BER. [3]
Tacó: = (4.14)
là giá trị của dòng bit 0 là độ lệch chu
là độ lệch chu Mối quan hệ của h
5.2.1 Cách tính hệ số Q t
OSNR là tham số đại lượng đo được.
Trong đó: B0là băng thông quang b
của bộ lọc máy thu.
Từ công thức trên suy ra khi Q từ 1dB đến 2dB.
5.2.2 Cách tính OSNR cho m
Xét đường AB. Khu nâng cao công suất tín hi nhiễu khuếch đại phát xạ khuếch đại tạp âm hiện tạ
Hình 5.3: Khu
58
a dòng bit 0
ch chuẩn của dòng bit 1 ch chuẩn của dòng bit 0 a hệ số Q với BER:
BER= (
√ )(4.15)
Q từ OSNR
quan trọng nhất được kết hợp với tín hiệu quang.Đó là m
Q= 20log√
QdB= OSNR + 10log
là băng thông quang bộ tách sóng quangvà Belà băng thông đi
c trên suy ra khiB0<Bethì OSNR>Q.Trong thực tế
2 Cách tính OSNR cho mạng điểm - điểm
ng AB. Khuếch đại được đặt theo chu kỳ với khoảng cách l t tín hiệu lên. Mỗi lần khuếch đại, nó là thành ph
ạ tức thời và làm giảm bớt OSNR.Mỗi bộ khu ại.
: Khuếch đại đa miền trong mạng điểm-điểm.[3]
quang.Đó là một
là băng thông điện
OSNR lớn hơn
ng cách lặp lại để i, nó là thành phần riêng của khuếch đại sẽ vẫn
59
Dựa trên OSNR để thiết kế phải đảm bảo OSNR ở mức cuối phù hợp với hệ thống OSNR, do đó BER mới đạt yêu cầu.OSNR ở mỗi mức là:
=
ứ ℎ ∇
Trong đó: ứ là hệ số nhiễu
h là hằng số Plank = 6.6260 x 10 v là tần số quang = 193 THz
∇ là dải thông được tính bằng NF (thường là 0.1 nm) Tổng OSNR của toàn hệ thống:
1
= 1 + 1 + ⋯ ⋯ ⋯ + 1 = 1
Cho khuếch đại đơn có độ lợi G. Ta có: OSNR= =
( ) ∇
= 0.5 x 10
Trong đó: là hệ số phát xạ tự phát : số hạt electron ở trạng thái cao hơn : số hạt electron ở trạng thái thấp hơn Do đó:
=1.5893 + - (dB) – NF(dB)- 10logN – 10log∇ Cho∇ = 0.1 nm hay 12.5 GHz. Ta sẽ có:
OSNRdb = 58 + - Γ(dB) – NF(dB) - 10logN Trong đó NF là hệ số nhiễu ở mỗi bộ khuếch đại là như nhau Γlà hệ số chồng lặp.
60
5.3 Bảo vệ mạng DWDM
Bảo vệ đoạn ghép kênh quang(OMSP)
Hình thức này được thực hiện ở lớp ghép kênh quang.Tất cả các bước sóng trên sợi quang bị sự cố cùng được định tuyến lại lên một tuyến sợi quang tạm thời rỗi (đã được xác định trước).
Hình 5.4: Bảo vệ đoạn ghép kênh quang.[3]
Công nghệ này chỉ bảo vệ 1+1 trên kênh quang mà không bảo vệ đường dây đầu cuối. Tại đầu phát và đầu thu sử dụng bộ phân nhánh quang 1x2 và khóa quang, ở đầu thu chọn đường cho tín hiệu quang. Đặc điểm của khóa quang là tổn hao nhỏ, trong suốt đối với khu vực khuếch đại bước sóng tốc độ nhanh.
Hình 4.7dùng phương án bảo vệ đoạn ghép kênh quang gồm bộ phân nhánh quang và khóa quang. Trong hệ thống bảo vệ này chỉ có hệ thống đường dây DWDM là có bộ phận dự phòng.So với bảo vệ 1+1, nó hạ thấp giá thành.Bảo vệ đoạn ghép kênh OMSP chỉ thực thi trong hai sợi cáp quang độc lập mới thực sự có ý nghĩa.
5.4Thiết kế và mô phỏng
5.4.1 Giới thiệu chung về phần mềm Optisystem
Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp.Để phân tích, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải
61
sử dụng các công cụ mô phỏng.
OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Bên cạnh đó, phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự định nghĩa vào.Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan.
5.4.1.1Các ứng dụng của optisystem.
Optisystem cho phép thiết kế tự động hầu hết các loại tuyến thông tin quang ở lớp vật lý, từ hệ thống đường trục cho đến các mạng LAN, MAN quang. Các ứng dụng cụ thể bao gồm:
- Thiết kế hệ thống thông tin quang từ phần tử đến hệ thống ở lớp vật lý.
- Thiết kế mạng TDM/WDM và CATV.
- Thiết kế mạng FTTx dựa trên mạng quang thụ động (PON).
- Thiết kế hệ thống ROF (radio over fiber).
- Thiết kế bộ thu, bộ phát, bộ khuếch đại quang.
- Thiết kế sơ đồ tán sắc.
- Đánh giá BER và penalty của hệ thông với các mô hình bộ thu khác nhau.
- Tính toán BER và quĩ công suất tuyến của các hệ thống có sửng dụng khuếch
đại quang.
5.4.1.2Các đặc điểm chính của optisystem
Thư viện các phần tử (Component Library)
Optisystem có một thư viện các phần tử phong phú với hàng trăm phần tử được mô hình hóa để có đáp ứng giống như các thiết bị trong thực tế. Cụ thế bao gồm:
- Thư viện nguồn quang
- Thư viện các bộ thu quang
62
- Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)
- Thư viện các bộ MUX, DEMUX
- Thư viên các bộ lọc (quang, điện)
- Thư viện các phần tử FSO
- Thư viện các phần tử truy nhập
- Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)
- Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)
- Thư viện các phần tử mạng quang
- Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện
Ngoài các phần tử đã được định nghĩa sẵn, Optisystem còn có:
- Các phần tử Measured components. Với các phần tử này, Optisystem cho phép nhập các tham số được đo từ các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau.
- Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa (User-defined Components)
Khả năng kết hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave
Optisystem cho phép người dùng sử dụng kết hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave như OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để thiết kế ở mức phần tử.
Thư viện phần tử
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện. Cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống.
Thiết bị đo quang:
- Phân tích phổ (Spectrum Analyzer)
- Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter)
- Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer)
63
- Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer)
- Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)... Thiết bị đo điện:
- Oscilloscope
- Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer)
- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer)
- Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer)
- Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter)
- Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer)....
Mô phỏng phân cấp với các hệ thống con (subsystem)
Để việc mô phỏng được thực hiện một cách linh hoạt và hiệu quả, Optisystem cung cấp mô hình mô phỏng tại các mức khác nhau, bao gồm mức hệ thống, mức hệ thống con và mức phần tử.
Ngôn ngữ Scipt mạnh
Người sử dụng có thể nhập các biểu diễn số học của tham số và tạo ra các tham số toàn cục. Các tham số toàn cục này sẽ được dùng chung cho tất cả các phần tử và hệ thống con của hệ thống nhờ sử dụng chung ngôn ngữ VB Script.
Thiết kế nhiều lớp (multiple layout)
Trong một file dự án, Optisystem cho phép tạo ra nhiều thiết kế, nhờ đó người sử dụng có thể tạo ra và sửa đổi các thiết kế một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mỗi file dự án thiết kế của Optisystem có thể chứa nhiều phiên bản thiết kế. Mỗi phiên bản được tính toán và thay đổi một cách độc lập nhưng kết quả tính toán của các phiên bản khác nhau có thể được kết hợp lại, cho phép so sánh các phiên bản thiết kế một cách dễ dàng.
Quét tham số và tối ưu hóa (parameter sweeps and optimizations)
Quá trình mô phỏng có thể thực hiện lặp lại một cách tự động với các giá trị khác nhau của tham số để đưa ra các phương án khác nhau của thiết kế. Người sử dụng
64
cũng có thể sử dụng phần tối ưu hóa của Optisystem để thay đổi giá trị của một tham số nào đó để đạt được kết quả tốt nhất, xấu nhất hoặc một giá mục tiêu nào đó của thiết kế.
5.4.2 Mô hình mô phỏng 5.4.2.1 Yêu cầu thiết kế 5.4.2.1 Yêu cầu thiết kế
a) Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang DWDM bắt đầu
từ Hà Nội và đi qua 4 tỉnh Hà Nam, Nam Định, Thái Bình, Hưng Yên với mỗi tỉnh là một thiết bị hạ 3 kênh và ghép lên 1 kênh bước sóng:
- Tốc độ bit: 10 Gbit/s
- Số lượng kênh bước sóng: 8 kênh
- Khoảng cách giữa Hà Nội – Hà Nam: 67 km - Khoảng cách giữa Hà Nam – Nam Định: 30 km - Khoảng cách giữa Nam Định – Thái Bình: 35 km - Khoảng cách giữa Thái Bình – HưngYên: 60 km
65
b) Kịch bản mô phỏng.
Qua thời gian,do các tác động từ bên ngoài làm sợi bị uốn cong và phát sinh suy hao tại điểm uốn cong 10dB sau đó điểm suy hao thành 20dB.
c) Báo cáo kết quả
oKết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu hệ thống ban đầu oKết quả mô phỏng theo kịch bản.
5.4.2.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế.
Tuyến phát quang: Chọn cửa sổ truyền 1550nm.Mỗi kênh quang bao gồm nguồn
phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung RZ pulse genarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ điều chế Mach-zehnder. Tuyến phát quang gồm 8 kênh quang được tích hợp thông qua bộ ghép kênh quang MUX.
Thiết lập tham số toàn cục
Tốc độ bít: 10GBps Chiều dài chuỗi: 128bits Số mẫu trong một bít: 64
Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong một trong một bit=128×64=8192.
Nguồn phát: Sử dụng nguồn CW Laser ( continous Wave Laser ): nhằm giảm ảnh
hưởng của tán sắc sợi.
Toàn tuyến phát của 1 kênh quan
Hình5.7
Hình5.8:Tuy
66
Tuyến truyền dẫn quang
5.7:Tuyến truyền quang Hà Nội - Hà Nam.
67
Hình5.9:Tuyến truyền quang Nam Định –Thái Bình.
68
Sợi quang sử dụng G.652có các tham số: tại cửa sổ truyền 1550nm thì:
- Suy hao sợi: 0.2dB
-Độ tán sắc: D1= 16.75 ps/nm.km
- Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm2/k):0.075ps/nm2/k.
Do sợi quang có suy hao và tán sắc nên bên cạnh việc bù suy hao bằng các bộ khuếch đại,cần phải tiến hành bù tán sắc trong tuyến truyền dẫn.Giải pháp bù tán sắc đơn giản và hiệu quả nhất là sử dụng sợi bù tán sắc DCF.
Thông số của sợi bù tán sắc:
- Giả sử sợi G652 có chiều dài là L1. Độ tán sắc là: D1= 16.75 ps/nm.km. Độ dốc tán sắc: 0.075ps/nm2.km. - Thông số bộ bù tán sắc ( DCF) L2 : Thì độ bù tán sắc D2= -83 ps/nm.km. Độdốc tán sắc: -0.375ps/nm2.km. Vậy với:
- Chiều dài cáp Hà Nội – Hà Nam: 67 km sợi bù tán sắc có độ dài 13km - Chiều dài cáp Hà Nam – Nam Định: 30 kmsợi bù tán sắc có độ dài 6km - Chiều dài cáp Nam Định–Thái Bình: 35 km sợi bù tán sắc có độ dài 7km - Chiều dài cáp Thái Bình – Hưng yên: 60 kmsợi bù tán sắc có độ dài 12 km
69
Hình 5.11:Thông số sợi bù tánsắc.
Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng bộ khuếch đại
EDFA để bù suy hao sợi. Tuyến thu quang
Sử dụng thiết bị thugồm:photodetector Pin kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel.
70
Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế
Quang phổ và công suấttín hiệu phát:
Hình 5.13:Quang phổ tín hiệu phát từ Hà Nội.
71
Quang phổ vàcông suất tín hiệu thu.
Hình 5.15:Quang phổ tín hiệu thu tại Hà Nam.
72
Hình 5.17:Quang phổ tín hiệu thu tại Nam Định.
73
Hình 5.19:Quang phổ tín hiệu thu tại Thái Bình.
74
Hình 5.21:Quang phổ tín hiệu thu tại Hưng Yên.
75
Tỉ lệ lỗi bit BER
Hình5.23:Hiển thị mắt quang thu được tại Hà Nam.
76
Hình 5.25:Hiển thị mắt quang thu được tại Hưng Yên.