Báo Cáo BTL TTQuang1 [PDF]

Zitiervorschau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang DWDM Có sử dụng khuếch đại quang EDFA Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Hải Nhóm 3:

Hà Nội, 5-2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................................i DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................................ii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN WDM....................................1 1.1 Giới thiệu chung.............................................................................................................1 1.2 Sơ đồ khối tổng quát.......................................................................................................1 1.3 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM....................................................................2 1.3.1 Bộ phát quang...........................................................................................................2 1.3.2 Bộ thu quang............................................................................................................4 1.3.3 Sợi quang..................................................................................................................4 1.3.4 Bộ tách/ghép bước song...........................................................................................5 1.3.5 Bộ khuếch đại quang................................................................................................6 1.4 Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng..........................................7 1.4.1 Suy hao xen..............................................................................................................7 1.4.2 Xuyên kênh..............................................................................................................8 1.4.3 Độ rộng kênh............................................................................................................9 1.5 Ưu nhược điểm của hệ thông WDM............................................................................10 1.5.1 Ưu điểm..................................................................................................................10 1.5.2 Nhược điểm............................................................................................................11 1.6 Bộ khuếch đại quang EDFA.........................................................................................11 1.6.1 Các cấu trúc EDFA.................................................................................................11 1.6.2 Ưu nhược điểm của EFDA.....................................................................................12 1.7 Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM...............................12 1.7.1 Giới thiệu................................................................................................................12 1.7.2 Thành phần mạng DWDM.....................................................................................13

1.7.3 Chức năng hệ thống................................................................................................15 1.7.4 Các thông số ảnh hưởng đến hệ thống DWDM.....................................................16 1.7.5 Các kiểu mạng DWDM..........................................................................................16 1.7.6 Ứng dụng DWDM tại các lớp mạng......................................................................17 CHƯƠNG 2. PHẦN MỀM OPTISYSTEM.........................................................................18 2.1 Tổng quan về phần mềm Optisystem...........................................................................18 2.1.1 Lợi ích....................................................................................................................18 2.1.2 Ứng dụng................................................................................................................19 2.2 Đặc điểm và chức năng................................................................................................19 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library)..................................................................19 2.2.2 Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave.....................................................20 2.2.3 Các công cụ hiển thị...............................................................................................21 2.2.4 Mô phỏng phân cấp với các hệ thống con (subsystem)..........................................21 2.2.5 Thiết kế nhiều lớp(Multiple Layout)......................................................................21 2.2.6 Trang báo cáo (report page)...................................................................................22 2.2.7 Quét tham số và tối ưu hóa (parameter sweeps and optimizations).......................22 2.3 Một số giao diện phần mềm.........................................................................................22 2.3.1 Thư viện các phần tử ( component library )...........................................................22 2.3.2 Giao diện người sử dụng:.......................................................................................23 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM SỬ DỤNG EFDA ...................................................................................................................................................26 3.1 Yêu cầu thiết kế.............................................................................................................26 Bài toán...........................................................................................................................26 3.2 Thiết kế hệ thông DWDM............................................................................................27 3.2.1 Thiết kế thông số toàn cục......................................................................................27 3.2.2 Thiết kế bộ phát......................................................................................................28 3.2.3 Thiết kế bộ thu quang.............................................................................................30 3.2.4 Thiết kế môi trường truyền dẫn sợi quang.............................................................31 3.2.5 Lắp đặt các thiết bị đo............................................................................................35 3.3 Kết quả mô phỏng theo thiết kế ban đầu.....................................................................35 3.4 Thay đổi tham số để đặt BER = 10−12.......................................................................38 3.4.1 Lý thuyết................................................................................................................38 3.4.2 Thay đổi công suất để đạt BER = 10−12..............................................................39

3.4.3 Kết quả...................................................................................................................42 KẾT LUẬN..............................................................................................................................44 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................45

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM....................................................................1 Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát quang................................................................................3 Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ thu quang.................................................................................4 Hình 1.4 Cấu trục tổng quát sợi quang...........................................................................5 Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng.......................................................6 Hình 1.6 Khuếch đại quang OLA..................................................................................6 Hình 1.7 Xuyên kênh ở bộ giải ghép.............................................................................9 Hình 1.8 Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp......................................................................9 Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA.........................................11 Hình 1.10 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium...............................11 Hình 1.11 Hệ thống DWDM mở..................................................................................16 Hình 1.12 Hệ thống DWDM tích hợp..........................................................................17 Hình 2.1 Thư viện các phần tử.....................................................................................22 Hình 2.2 Giao diện người sử dụng...............................................................................23 Hình 2.3 Project Browser.............................................................................................24 Hình 2.4 Description....................................................................................................24 Hình 2.5 Status bar......................................................................................................25 Hình 2.6 Menu bar.......................................................................................................25 Hình 2.7 Tool bars.......................................................................................................25 Hình 3.1 Tham số toàn cục..........................................................................................28 Hình 3.2 Bộ phát và Mux.............................................................................................29 Hình 3.3 Thông số bộ phát...........................................................................................30 Hình 3.4 Bộ thu quang.................................................................................................30 Hình 3.5 Thông số Demux...........................................................................................31 Hình 3.6 Môi trường truyền dẫn..................................................................................31 Hình 3.7 Tuyến DWDM thiết kế theo yêu cầu.............................................................36

Hình 3.8 Tổng công suất phát......................................................................................36 Hình 3.9 Công suất trước khi đi vào bộ thu.................................................................36 Hình 3.10 Quang phổ tín hiệu phát..............................................................................37 Hình 3.11 Quang phổ tín hiệu thu................................................................................37 Hình 3.12 Mắt quang...................................................................................................38 Hình 3.13 BER của kênh thứ nhất...............................................................................38 Hình 3.14 Thiết lập tham số quét.................................................................................39 Hình 3.15 Thiết lập số lần quét....................................................................................39 Hình 3.16 Thiết lập dải quét........................................................................................40 Hình 3.17 Report kênh thứ nhất...................................................................................40 Hình 3.18 Thay đổi công suất phát từng kênh..............................................................41 Hình 3.19 BER kênh 2.................................................................................................42 Hình 3.20 BER kênh 4.................................................................................................42 Hình 3.21 BER tại kênh 8............................................................................................43

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tham số đặc trưng của G.655.......................................................................32 Bảng 3.2....................................................................................................................... 33 Bảng 3.3....................................................................................................................... 33 Bảng 3.4....................................................................................................................... 33 Bảng 3.5 Công suất phù hợp của từng kênh.................................................................40

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN WDM

1.1 Giới thiệu chung Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1.1 Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser. Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser)... Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép. Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang. Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, 1

bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa... Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...). Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế. Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại. Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

 Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB).

 Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh.

 Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh. Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD.

1.3 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM 1.3.1 Bộ phát quang Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED). Cấu trúc cơ bản của bộ phát quang bao gồm:  Nguồn quang.  Bộ ghép tín hiệu quang.  Mạch điều chế tín hiệu. 2

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát quang

Yêu cầu với nguồn quang:  Độ chính xác của bước sóng phát: Đây là yêu cầu kiên quyết cho một hệ thống WDM hoạt động tốt. Nói chung, bước sóng đầu ra luôn bị dao động do các yếu tố khác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá

linh

kiện... Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn định tần số phía phát phải thật cao.  Độ rộng đường phổ hẹp: Độ rộng đường phổ được định nghĩa là độ rộng phổ của nguồn quang tính cho bước cắt 3 dB. Để có thể tăng nhiều kênh trên một dải tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng. Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang cộng hưởng, laser phản hồi phân bố).  Dòng ngưỡng thấp: Điều này làm giảm bớt vấn đề lãng phí công suất trong việc kích thích laser cũng như giảm bớt được công suất nền không mang tin

3

và tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn).  Khả năng điều chỉnh được bước sóng: Để tận dụng toàn bộ băng tần sợi quang, nguồn quang phải có thể phát trên cả dải 100 nm. Hơn nữa, với hệ thống lựa kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng.  Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh.  Nhiễu thấp: Có rất nhiều loại nhiễu laser bao gồm: nhiễu cạnh tranh mode, nhiễu pha,... Nhiễu thấp rất quan trọng để đạt được mức BER thấp trong truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt. 1.3.2 Bộ thu quang Phần thu quang gồm các bộ tách sóng quang, kênh tuyến tính và kênh phục hồi. Nó tiếp nhận tín hiệu quang, tách lấy tín hiệu thu được từ phía phát, biến đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể. Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD. Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỉ lệ lỗi bít (BER) cho phép.

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ thu quang

4

1.3.3 Sợi quang Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:  Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi.  Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1.

Hình 1.4 Cấu trục tổng quát sợi quang

Phân loại sợi quang  Phân loại theo chiết suất:

- Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index) - Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)  Phân loại theo mode

- Sợi đơn mode (Single-Mode) - Sợi đa mode (Multi-Mode) 1.3.4 Bộ tách/ghép bước song Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM. Khi dùng kết hợp với bộ kết nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồng thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách/ ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau. Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau: 5

 Suy hao xen  Số lượng kênh xử lý  Bước sóng trung tâm  Băng thông  Giá trị lớn nhất của suy hao xen  Độ suy hao chen giữa các kênh a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng Hình 1.5 Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng

(MUX) b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) c) Các tham số đặc trưng của bộ MUX/ DEMUX

Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:

 Ghép tầng nối tiếp đơn kênh  Ghép một tầng  Ghép tầng theo từng băng sóng  Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

6

1.3.5 Bộ khuếch đại quang

Hình 1.6 Khuếch đại quang OLA

Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum (EDFA). Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang. Lợi ích:  Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao  Tăng độ nhạy của bộ thu  Nâng cao mức công suất phát  Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời  Nâng cấp đơn giản Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng  Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi  cao.  Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi  Không nhạy cảm với phân cực  Nhiễu thấp  Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM 7

 Suy hao ghép nối với sợi quang thấp. Phân loại :  Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng  Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA  Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao

1.4 Các tham số cơ bản của ghép kênh quang theo bước sóng 1.4.1 Suy hao xen Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra. Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu. Suy hao xen được biểu diễn qua công thức sau. Li=−10 log

O( λi ) [ dB ] MUX I i λi

Li=−10 log

O(λi ) [ dB ] DEMUX I i λi

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng λ i khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn. Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị.  I i ( λ¿¿ i) ¿, O i (λi ) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λ i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép.  I i ( λ¿¿ i) ¿, O i (λi ) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λ iđi vào và đi ra cửa thứ i của bộ tách. 1.4.2 Xuyên kênh Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và giảm tỷ số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét. Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do: 8

 Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác. Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công suất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận.  Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộ lọc.  Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode. Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suất quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy. Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước sóng λ i sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng λ i. Nhưng trong thực tế luôn tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị. Khả năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính bằng dB như sau: Di (λ i)=−10 log¿ ¿

Trong bộ giải ghép thì U i ( λ k ) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λ k bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λ i.

Hình 1.7 Xuyên kênh ở bộ giải ghép

Trong các thiết bị tách hỗn hợp có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần và xuyên âm đầu xa.

9

Hình 1.8 Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp

 Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên trong thiết bị như U i ( λ j ).  Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây ra, ví dụ I i ( λ¿¿ k ) ¿ sinh ra U i ( λ j ). 1.4.3 Độ rộng kênh Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và việc phân chia bước sóng như thế nào. Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sủ dụng bước song 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm. Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong miền tần số hơn là bước sóng. Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng: λ . f =c f=

c λ

df c ∆f c = 2 =¿ = dλ λ ∆ λ λ2

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/ s . λ là bước sóng hoạt động.

Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz. Vậy độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát 10

quang. Dải bước sóng C của các bộ khuếch đại EDFA là 1530-1550nm. Nếu nguồn phát thứ nhất phát xạ tại 1530, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1531,875nm và các nguồn phát khác tương tự. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu khoảng vài chục nm. Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thông WDM 1.5.1 Ưu điểm  Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM.  Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)  WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang 1.5.2 Nhược điểm  Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang.  Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

1.6 Bộ khuếch đại quang EDFA 1.6.1 Các cấu trúc EDFA

Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA

11

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9. Trong đó bao gồm: Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.

Hình 1.10 Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium

Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion erbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp hơn bao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính sợi quang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dung để loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếu không kể đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trong viễn thông. 1.6.2 Ưu nhược điểm của EFDA 1.6.2.1 Ưu điểm:  Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.  Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống. 12

 Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển vàthay thế.  Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang vượtbiển.  Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại quang bán dẫn.  Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu. 1.6.2.2 Nhược điểm:  Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.  Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.  Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.

1.7 Hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng mật độ cao DWDM 1.7.1 Giới thiệu. DWBM (Dense Wavelength Division Multiplex) - Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ cao, là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong sự phát triển công nghệ truyền hình tín hiệu quang. DWDM thực hiện ghép kênh theo bước sóng với mật độ rất cao, có khi lên tới hàng nghìn kênh, cung cấp dung lượng rất lớn phục vụ truyền dữ liệu, tải phim ảnh, âm nhạc, trò chơi ngày càng phát triển. DWDM hiện nay thường dùng cho mạng back bone như hệ thống cáp quang biển ngày nay hay hệ thống xuyên lục địa, cũng có thể cung cấp trong phạm vi một nước hay khu vực do chi phí triển khai rất cao, khoảng cách không dùng bộ lặp hay khuếch đại lên tới vài nghìn km. Ưu điểm:  Tốc độ truyền cao, có thể lên đến 400Gb/s, suy hao thấp, khoảng cách truyền xa.  Đa giao thức: giao thức DWDM không phụ thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu, vì thế các giao thức IP, ATM, SONET/SDH có thể truyền với tốc đọ từ 100Mbps đến 2,5Gbps.  DWDM có thể truyền nhiều dạng tín hiệu khác nhau trên cùng một kênh. 13

Nhược điểm:  Giá thành đắt, chi phí lắp đặt triển khai đắt hơn so với mạng cũ WDM. Sự phát triển công nghệ DWDM. Đầu những năm 1990, thời kỳ của hệ thống WDM thế hệ 2 chuyển từ sử dụng 2 kênh lên 8 kênh, nhữn kênh này đặt cách nhau một khoảng 400GHz ở miền 1550nm. Giữa những năm 1990, hệ thống DWDM nổi lên mạnh mẽ với sử dụng 16-40 kênh và khoảng cách tần số 100-200GHz. Cuối những năm 1990 hệ thống DWDM đã phát triển lên mức 64-100 kênh song song, mật độ đóng gói lên đến khoảng cách tần số 50 hay thậm chí 25GHz . Sự tăng cường mật độ kênh do ứng dụng công nghệ DWDM đã ảnh hưởng mạnh mẽ lên dung lượng mang tín hiêu của sợi quang. Năm 1995, khi những hệ thống 10Gbps đầu tiên được triển khai, tốc độ tăng dung lượng từ 4 lần mỗi năm . 1.7.2 Thành phần mạng DWDM 1.7.2.1 Bộ ghép kênh đầu cuối DWDM Bộ ghép kênh chứa các bộ transponder(bộ tách sóng) chuyển đổi bước sóng cho từng bước sóng mang tín hiệu. Các transponder này nhận tín hiệu quang đầu vào, chuyển chúng thành các tín hiệu điện và truyền lại bằng laser ở dải băng 1550nm. Các bộ ghép kênh đầu cuối này còn có cả bộ ghép kênh tín hiệu quang, chúng sẽ ghép các tín hiệu trong băng 1550nm vào một sợi cáp (SMF28fiber). Bộ ghép kênh đầu cuối có thể hoặc không hỗ trợ bộ khuếch đại quang EDFA nội bộ đối với tín hiệu quang đa bước sóng. 1.7.2.2 Các bộ lặp quang tức thời Mỗi khoảng 80-100km lại đặt một bộ để giảm suy hao công suất quang khi truyền trên đường dây. Tín hiệu sẽ được khuếch đại bởi EDFA . 1.7.2.3 Đầu cuối quang tức thời (bộ ADM) Là phần địa điểm bộ khuếch đại từ xa mà khuếch đại các tín hiệu đa bước sóng đã truyền lên đến 140km hoặc hơn thế trước khi tới trạm remote sites. 14

Phân tích và đo đạc tín hiệu quang được thực hiện tại các site, để cho phép định vị bất cứ sự đứt gãy hoặc suy giảm tín hiệu nào. Trong các hệ thống phức tạp các tín hiệu vượt ra ngoài tín hiệu đa bước sóng có thể được loại bỏ ở từng phần 1.7.2.4 Thiết bị đầu cuối phân kênh DWDM Chuyển tín hiệu đa bước sóng trở về từng tín hiệu đơn như trước đo, đưa trả về các sợi khác nhau trong hệ thống client-layer(như SONET/SDH). Cơ bản phần phân kênh này được thực hiện hoàn toàn thụ động trừ một vài phép đo, hầu hết các hệ thống SONET đầu nhận các tín hiệu bước sóng SONET đều nhận các tín hiệu bước sóng 1550nm. Tuy nhiên để chuyển đến hệ thống client-layer, để đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu số các tín hiệu phân kênh này thông thường sẽ được gửi sàng các transponder đầu ra O/E/O trước khi chuyển đến hệ thống client-layer. 1.7.2.5 Kênh giám sát quang optical supervisory channel(OSC) Truyền các thông tin về tín hiệu quang đa bước sóng cũng như điều kiện remote tại các điểm đầu cuối . 1.7.2.6 Giao diện DWDM Phần lớn các hệ thống DWDM hỗ trợ chuẩn giao tiếp với SONET/SDH. Bên trong hệ thông DWDM, transponder chuyển tín hiệu quang của client từ tín hiệu điện gửi trả. Những tín hiệu này được sử dụng cho đầu vào laser. Mỗi transponder trong hệ thống sẽ chuyển tín hiệu của client của nó thành một bước sóng khác nhau. Các bước sóng khác nhau của tất cả các client qua transponder sẽ được ghép kênh quang lại. Và ở bên phía đầu thu của hệ thống DWDM sẽ diễn ra quá trình ngược lại. Các bước sóng đơn lẻ sẽ được tách ra từ bộ tách sóng, chuyển đến từng transponder tương ứng, mà tại đó tín hiệu sẽ được chuyển lại thành tín hiệu điện và giao diện chuẩn trả về cho client. 1.7.3 Chức năng hệ thống Hệ thống gồm các chức năng chính sau :

15

1.7.3.1 Tạo tín hiệu Nguồn tín hiêu laser phát sáng ổn định, băng hẹp mang tín hiệu số được điều chế dạng tín hiệu tương tự . 1.7.3.2 Ghép kênh tín hiệu Hệ thống DWDM triển khai ghép kênh để tổng hợp tín hiệu. Có nhiễu xảy ra ở các quá trình tách và ghép kênh, nhiễu này phụ thuộc vào số kênh được truyền nhưng có thể được tổi thiểu bằng các bộ lọc quang- sẽ cải thiện tất cả các tín hiệu quang mà không cần chuyển sang tín hiệu điện . 1.7.3.3 Truyền tín hiệu Dưới tác động nhiễu xuyên và suy hao tín hiệu quang gây sauy hao, tổn thất do truyền tín hiệu trong sợi quang. Giảm các suy hao này bằng điều khiển các thông số như khoảng cách tần số, dung sai bước sóng, công suất phát laser. Các tín hiệu quang cần được khuếch đại để tăng khoảng cách truyền cũng như giảm nhiễu . 1.7.3.4 Phân kênh tín hiệu Tín hiệu được phân kênh được nhận bởi thiết bị thu quang như photodetector, thêm nữa một hệ thống DWDM cần được trang bị giao diện phía người dùng để nhận tín hiệu phía đầu vào, chức năng này được thực hiện bởi các transponder. Về mặt DWDM sẽ là các giao diện quang liên kết vởi hệ thống DWDM . 1.7.4 Các thông số ảnh hưởng đến hệ thống DWDM  Suy hao.  Số kênh bước sóng.  Độ rộng phổ của nguồn phát.  Quỹ công suất.  Tán sắc.  Hiệu ứng phi tuyến.  Dải bước sóng làm việc của hệ thống.

16

1.7.5 Các kiểu mạng DWDM  DWDM có hai kiểu ứng dụng: kiểu mạng mở và mạng tích hợp. Kiểu mạng DWDM mở hoạt động với mọi loại giao diện quang đầu cuối. Hệ thống này sử dụng công nghệ chuyển đổi bước sóng để chuyển đổi tín hiệu quang từ bước sóng của luồng tín hiệu cần truyền sang bước sóng quy chuẩn trong hệ thống. Các tín hiệu quang từ các thiết bị đầu cuối khác nhau sau khi được chuyển đổi thành các bước sóng khác nhau phù hợp hệ thống theo khuyến nghị ITU-T được đưa tới bộ ghép để ghép thành tín hiệu DWDM.

Hình 1.11 Hệ thống DWDM mở

 Hệ thống DWDM tích hợp không sử dụng công nghệ chuyển đổi bước sóng. Hệ thống DWDM tích hợp được thiết kế để hoạt động cùng với một số mạng khác như SDH, Ethernet, ... Các giao diện quang từ thiết bị thuộc các mạng được tích hợp phải có bước sóng chuẩn hóa DWDM và được kết nối trực tiếp vào bộ tách ghép kênh của hệ thống DWDM.

17

Hình 1.12 Hệ thống DWDM tích hợp

1.7.6 Ứng dụng DWDM tại các lớp mạng 1.7.6.1 Mạng đường trục (back-bone) Các hệ thống DWDM khoảng cách xa (long-haul) được ứng dụng trong mạng đường trục để truyền tải thông tin với lưu lượng lớn giữa các vùng trong một quốc gia. Đặc điểm của các hệ thống này là dung lượng rất lớn và sử dụng các công nghệ sửa lỗi FEC, khuyếch đại Raman, định dạng xung CRZ cùng với các trạm lặp để tăng cường về khoảng cách. Hệ thống mạng đường trục được xây dựng dưới dạng hình vòng hoặc hình lưới để tăng khả năng bảo vệ lưu lượng. 1.7.6.2 Mạng nội vùng (Metropolitan) Sử dụng các hệ thống DWDM khoảng cách trung bình để kết nối giữa các điểm tập trung lưu lượng trong một vùng. Các mạng metro cũng được xây dựng dạng hình vòng hoặc hình lưới để tăng khả năng bảo vệ lưu lượng.

18

CHƯƠNG 2. PHẦN MỀM OPTISYSTEM

2.1 Tổng quan 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 tich, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải 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. OptiSystem có thể giảm thiểu các yêu cầu thời gian và giảm chi phí liên quan đến thiết kế của các hệ thống quang học, liên kết, và các thành phần. Phần mềm OptiSystem là một sáng tạo, phát triển nhanh chóng, công cụ thiết kế hữu hiệu cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng gần như tất cả các loại liên kết quang học trong lớp truyền dẫn của một quang phổ rộng của các mạng quang học từ mạng LAN, SAN, MAN tới mạng ultra-long-haul. Nó cung cấp lớp truyền dẫn, thiết kế và quy hoạch hệ thống thông tin quang từ các thành phần tới mức hệ thống. Hội nhập của nó với các sản phẩm Optiwave khác và các công cụ thiết kế của ngành công nghiệp điện tử hàng đầu phần mềm thiết kế tự động góp phần vào OptiSystem đẩy nhanh tiến độ sản phẩm ra thị trường và rút ngắn thời gian hoàn vốn. 2.1.1 Lợi ích  Cung cấp cái nhìn toàn cầu vào hiệu năng hệ thống  Đánh giá sự nhạy cảm tham số giúp đỡ việc thiết kế chi tiết kỹ thuật  Trực quan trình bày các tùy chọn thiết kế và dự án khách hàng tiềm năng  Cung cấp truy cập đơn giản để tập hợp rộng rãi các hệ thống đặc tính dữ liệu  Cung cấp các tham số tự động quét và tối ưu hóa  Tích hợp với họ các sản phẩm Optiwave

19

2.1.2 Ứng dụng Tạo ra để đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học nghiên cứu, kỹ sư viễn thông quang học, tích hợp hệ thống, sinh viên và một loạt các người dùng khác, OptiSystem đáp ứng các nhu cầu của thị trường lượng tử ánh sáng phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn dễ sử dụng công cụ thiết kế hệ thống quang học. OptiSystem cho phép người dùng lập kế hoạch, kiểm tra, và mô phỏng:     

Thiết kế mạng WDM / TDM hoặc CATV Thiết kế mạng vòng SONET / SDH Thiết kế bộ phát, kênh, bộ khuếch đại, và bộ thu thiết kế bản đồ phân tán 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.  Thay đổi hệ thống tham số BER và tính toán khả năng liên kết “Khi hệ thống quang học trở nên nhiều hơn và phức tạp hơn, các nhà khoa học và kỹ sư ngày càng phải áp dụng các phần mềm kĩ thuật mô phỏng tiên tiến, quan trọng hỗ trợ cho việc thiết kế. Nguồn OptiSystem và linh hoạt tạo điều kiện thuận lợi hiệu quả và hiệu quả trong việc thiết kế nguồn sáng. "

2.2 Đặc điểm và chức năng 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) Thư viện OptiSytem bao gồm hàng trăm các thành phần cho phép bạn có thể nhập các thông số được đo từ các thiết bị thực sự. Nó tích hợp với các thử nghiệm và thiết bị đo lường từ các nhà cung cấp khác nhau. Người sử dụng có thể kết hợp các thành phần mới dựa trên hệ thống con và người sử dụng và định nghĩa là thư viện, hoặc sử dụng mô phỏng cùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc SPICE. Cụ thế bao gồm:       20

Thư viện nguồn quang Thư viện các bộ thu quang Thư viện sợi quang 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

2.2.2 Tích hợp với các công cụ phần mềm 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. 2.2.2.1 Miêu tả được tín hiệu pha trộn OptiSystem xử lý các định dạng tín hiệu hỗn hợp cho tín hiệu quang và điện trong Hợp phần Thư viện. OptiSystem tính toán các tín hiệu đang sử dụng thích hợp các thuật toán có liên quan đến các yêu cầu mô phỏng chính xác và hiệu quả. 2.2.2.2 Chất lượng và thực hiện các thuật toán Để dự đoán hiệu suất hệ thống, OptiSystem tính toán các thông số chẳng hạn như BER và Q-Factor bằng cách sử dụng phân tích số hoặc bán phân tích kỹ thuật của hệ thống giới hạn bởi biểu tượng nhiễu và tiếng ồn. 2.2.2.3 Các công cụ trực quan nâng cao Các công cụ trực quan tiên tiến tạo ra phổ OSA ,xung tín hiệu,biểu đồ mắt,phân cực trạng thái,các sơ đồ hợp thành và nhiều hơn nữa.Ngoài ra,bao gồm các công cụ nghiên cứu WDM các danh sách tín hiệu nguồn,hình ảnh tiếng ồn và OSNR cho mỗi kênh. 2.2.2.4 Theo dõi, giám sát dữ liệu Bạn có thể chọn các cổng thành phần lưu dữ liệu và gắn màn hình sau khi mô phỏng kết thúc. Điều này cho phép bạn xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng mà không cần tính toán lại, bạn có thể tùy ý đính kèm một số hiện hình tới màn hình tại cùng một cổng. 21

2.2.3 Các công cụ hiển thị 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. 2.2.3.1 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) Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer) Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer) Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)...

2.2.3.2 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)...

2.2.4 Mô phỏng phân cấp với các hệ thống con (subsystem) Để việc mô phỏng được thực hiện một cach 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. 2.2.5 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 thế tạo ra sửa đổi các thiết kế một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mỗi file dự án thiết kế của Optisystem có thế chứa nhieuf 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 thế được kết hợp lại, cho phép so sánh các phiên bản thiết kế một cách dễ dàng.

22

2.2.6 Trang báo cáo (report page) Trang báo cáo của Optisystem cho phép hiển thị tất cả hoặc một phần các tham số cũng như các kết quả tính toán được của thiết kế tùy theo yêu cầu của người sử dụng. Các báo cáo tạo ra được tổ chức dưới dạng text, dạng bảng tinh, đồ thị 2D và 3D. Cũng có thể kết xuất báo cáo dưới dạng file HTML hoặc dưới dạng các file template đã được định dạng trước 2.2.7 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 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 nhât hoặc một giá mục tiêu nào đó của thiết kế.

2.3 Một số giao diện phần mềm 2.3.1 Thư viện các phần tử ( component library ) Người dùng truy cập vào lấy các phần tử để thiết kế (Hình 1)

Hình 2.13 Thư viện các phần tử

23

Thư viện các phần tử:  Thư viện nguồn quang - ( optical sources library )  Thư viện các bộ thu quang - (receivers library)  Thư viện sợi quang - (optical fiber library)  Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện) - (amplifier library)  Thư viện các bộ MUX, DEMUX  Thư viện các bộ lọc (quang, điện) - (filter library)  Thư viên các phần tử FSO - ( free space optics library)  Thư viện các phần tử truy nhập - ( access library)  Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện) - (passiver library)  Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện) -( signal processing library)  Thư viện các phần tử mạng quang (network library)  Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện Ngoài ra các phần tử 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 tử các thiết bị thực của các nhà cung cấp khác nhau.  Các phần tử do người sử dụng tự định nghĩa ( User-defined Components) 2.3.2 Giao diện người sử dụng:  Project layout : phần mà để người sử dụng thiết kế

Hình 2.14 Giao diện người sử dụng

24

 Dockers : bao gồm -

Project Browser : truy nhập đến các tham số và kết quả của thiết kế (Hình

Hình 2.15 Project Browser

-

Description : đưa ra các thông tin để mô tả tóm tắt về thiết kế

Hình 2.16 Description

25

-

Status bar : hiển thị những gợi ý về việc sử dụng Optisystem

Hình 2.17 Status bar

-

Menu bar : chứa các menu có sẵn trong Optisystem

Hình 2.18 Menu bar

-

Tool bars : các thanh công cụ có sẵn trên cửa sổ

Hình 2.19 Tool bars

26

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM SỬ DỤNG EFDA

3.1 Yêu cầu thiết kế Bài toán: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang DWDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau: -

Tốc độ bit:

40 Gbit/s

-

Cự ly truyền dẫn:

1300 km

-

Số lượng kênh bước sóng: 8 kênh

Một số gợi ý khi thiết kế:

- Loại sợi:

Sợi quang đơn mode chuẩn (G.655)

- Nguồn phát:

Loại nguồn: Laser. Phương thức điều chế: điều chế ngoài

-

Bộ thu:

Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel

Yêu cầu: Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang DWDM theo phương án đã thiết kế. Lưu ý: các tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) được thiết lập như sau: -

Tốc độ bit:

40 Gbit/s

-

Chiều dài chuỗi:

128 bits

-

Số mẫu trong 1 bit:

64

Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các vị trí phù hợp để xác định được chất lượng và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến. Các thiết bị đo cơ bản:

27

-

Thiết bị đo công suất quang

-

Thiết bị phân tích phổ quang

-

Thiết bị đo BER

Chạy mô phỏng Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER = 10-12 Báo cáo kết quả thực hành -

Mô hình mô phỏng

-

Các tham số mô phỏng chi tiết

-

Kết quả mô phỏng o Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu hệ thống ban đầu o Sự thay đổi của các tham số thiết kế để đạt được BER = 10-12

-

Nhận xét, phân tích kết quả mô phỏng.

3.2 Thiết kế hệ thông DWDM 3.2.1 Thiết kế thông số toàn cục Các tham số toàn cục bao gồm có:  Tốc độ bít ( bít rate) = 40 Gbit/s  Chiều dài chuỗi (Sequence Length)= 128 bit.  Số mẫu trong 1 bit (Samples per bit)= 64. Các thông số toàn cục này sẽ ảnh hưởng tới tất cả các thành ph ần trong thi ết k ế có sử dụng. Các tham số trên được sử dụng để tính toán :  Cửa sổ thời gian (Time Window) = chiều dài chuỗi × 1/ tốc độ bit -> cửa s ổ thời gian = 128 ×

1 =3.2 ×10−9 (s). 40000000000

 Số lượng mẫu (Number of samples)= chiều dài chuỗi bít* số mẫu trên một bít Số lượng mẫu = 128 ×64=8192.

28

 Tốc độ lấy mẫu (Sample rate)= số lượng mẫu / cửa sổ thời gian. Tốc độ l ấy mẫu = 8192/3.2 ×10−9 =2.56 ×1012 ( Hz).

Hình 3.20 Tham số toàn cục

3.2.2 Thiết kế bộ phát  Nguồn phát quang lazer CW lazer Default → Transmitter → Optical Sources→CW Laser Array CS  Bộ phát xung NRZ pulse generator Default transmiter→ Pulse generator→ Electrical  Bộ phát bít điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator Default→Transmitter → Bit Sequency Generator  Điều chế Mach-zehnder Modulator. Default→ Transmitter → Modulation→Optical Để lấy các thiết bị này ta lần lượt kích chuột vào kéo ra màn hình Layout.  Máy phát điện Pseudom –Radom bit sẽ phát tín hiệu điện tới bộ NRZ (hoặc RZ) để phát các bộ NRZ (hoặc RZ ) phát các xung điện.  Tín hiệu tại đầu ra của bộ NRZ (RZ) là các xung điện được đưa vào một đầu vào của bộ điều chế Mach-Zehnder .

29

 Bộ phát CW lazer phát tín hiệu quang được đưa vào đầu vào ( cổng các nhà cung cấp) của bộ điều chế Mach-Zehnder. Do ghép 8 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Idea Mux với 8 cổng đầu vào Default-> WDM multiplexers Library-> Multiplexers.

Hình 3.21 Bộ phát và Mux

ITU- T đã đưa ra chuẩn G.692 quy định về khoảng cách các kênh, bước sóng trung tâm của hệ thống DWDM như sau:  Khoảng cách các kênh: 200 GHz  Bước sóng trung tâm: 1552.52 nm tương ứng với tần số 193.1 THz (theo ITU-T G.694)  Vùng bước sóng hoạt động: Băng S, C, L, U. Các thông số của CW Laser được sửa như hình dưới ( ngoại trừ Power sẽ được nhắc ở phần sau)

30

Hình 3.22 Thông số bộ phát

3.2.3 Thiết kế bộ thu quang Bộ thu quang bao gồm các thiết bị thu như: Bộ tách kênh Demux, PIN, APD … nhưng trong nội dung thiết kế hệ thống DWDM sử dụng chủ yếu là PIN, kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel. Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, Osilo, genarator 3R .. được đặt ở vị trí thích hợp

Hình 3.23 Bộ thu quang

 Bộ tách kênh Demux : Defaults→ WDM multiplexrs lybrary→ Demultiplexers →WDM Demux ES

31

 Bộ thu quang (PIN): Defaults→ Receiverw Library→ Photodetectors.

 Bộ lọc thông thấp (fiters Lybrary): Default→ Filters Library→ Electrical→ Lowpass Besel Fiter.  Các bộ Genarator 3R: Default→ Receiver Library→ Genarator 3R.  Các máy đo Ber: Default→ Visualzer→ Electrical→ Ber Analyzer

Hình 3.24 Thông số Demux

3.2.4 Thiết kế môi trường truyền dẫn sợi quang

Hình 3.25 Môi trường truyền dẫn

32

3.2.4.1 Sợi quang G.655(NZ-DSF) NZ – DSF là loại cáp quang truyền tốc độ cao cự ly xa. Đặc biệt thích hợp cho hệ thống ghép bước sóng mật độ cao. Do môi trường truyền dẫn trong đề bài yêu cầu sử dụng sợi quang G655(sợi quang dịch tán sắc khác không) như vậy cần phải thiết kế sợi quang G655 với các thông s ố đặc trưng. Các tham số đặc trưng của sợi quang G 655. Chi tiết trong bảng sau Bảng 3.1 Tham số đặc trưng của G.655

 Các giá trị thường gặp:

33

Bảng 3.2

Bảng 3.3

Bảng 3.4

3.2.4.2 Thiết kế sợi G.655  Bước 1: Truy nhập thư viện : Defaults → Optical Fibers Library → Optical Fibers.  Bước 2: Kích đúp vào sợi cáp và thay đổi các thông số của sợi. 1. Mục Main -

34

Label : cho phép ta thay đổi tên của sợi quạng (Đặt là G655).

-

Length : 50km ( do tách làm 2 phần nên mỗi phần 25km)

-

Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang : với sợi này tại cửa sổ 1550 có suy hao là 0.2dB/km.

2. Mục Disp cho thay đổi giá trị của tán sắc và độ dốc tán sắc . -

Dispersion: Nhập giá trị 4.4 ps/nm/km

-

Dispersion Slope: Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.045 ps/nm2/km.

-

PMD hệ số tán sắc mode phân cực có giá trị lớn nhất là 0.2ps/km1/2

Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng chúng ta sử dụng bộ Loop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp. Cấu trúc truy nhập Loop Defaults → Tools → Loop control. Sợi G.655 dài 50km cho nên số vòng lặp cần thiết là: 1300 =26(lần ) 50

3.2.4.3 Thiết kế sợi bù tán sắc DCF Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng sợi bù tán sắc DCF. Để đảm bảo hiệu ứng dãn xung được bù hoàn toàn, cần phải th ỏa mãn điều kiện sau: D SMF × L SMF + D DCF × L DCF=0

Tính toán thông số của sợi bù tán sắc:  Sợi G655 có chiều dài là L 1=50 km.  Độ tán sắc : D 1=4.4 ps /nm. km .  Độ dốc tán sắc : 0.045 ps/n m2 . km .  Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF): L 2=10 km L1

4.4

 Thì độ bù tán sắc D 2=−D 1× L 2 .=−50 × 10 =−22 ps / nm. km.  Độ dốc tán sắc :−0.225 ps/n m2 . km . Ngoài ra suy hao của sợi DCF là 0.5 dB/km.

35

Để thiết kế sợi DCF chúng ta thực hiện như sợi G.655. Sau đó kích đúp và thay đổi các thông số và kết thúc bằng OK 3.2.4.4 Khuếch đại tín hiệu (EDFA) Khuếch đại tín hiệu (EDFA): Defaults → Amplifiers Otipcal → EDFA → Optical Amplifier. Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây ra suy hao sợi quang, và suy giảm công suất phát tín hiệu. Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện đối với hệ thống WDM sử dụng bộ khuếc đại EDFA. Với hệ số khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên tuyến. Hệ số khuếch đại của EFDA nối 2 sợi G.655: G=25 × 0.2=5 dB Hế số khuếch đại của EFDA nối với sợi DCF : G=10 × 0.5=5 dB Việc thay đổi và nhập giá trị của EDFA thực hiên kích đúp và thay đổi giá trị , kết thúc bằng OK. 3.2.5 Lắp đặt các thiết bị đo Các thiết bị đo được lấy trong thư viện cung cấp thiết bị đo. Tùy thuộc vào yêu cầu đo tín hiệu quang hay tín hiệu điện mà chúng ta sẽ thực hiện chọn thiết bị đo và bố trí phù hợp.  Các thiết bị đo điện: quan tâm tới thiết bị đo công suất, thiết bị phân tích phổ điện, thiết bị đo Ber, thiết bị Osilo.  Thiết bị đo quang: quan tâm chủ yếu thiết bị công suất quang, thiết bị phân tích phổ quang theo miền tần số, theo miền thời gian.

3.3 Kết quả mô phỏng theo thiết kế ban đầu  Tuyến DWDM theo yêu cầu

36

Hình 3.26 Tuyến DWDM thiết kế theo yêu cầu

 Công suất phát

Hình 3.27 Tổng công suất phát

 Công suất thu

Hình 3.28 Công suất trước khi đi vào bộ thu

37

 Quang phổ tín hiệu phát

Hình 3.29 Quang phổ tín hiệu phát

 Quang phổ tín hiệu thu

Hình 3.30 Quang phổ tín hiệu thu

 Tỷ lệ lỗi bit BER

38

Hình 3.31 Mắt quang

Hình 3.32 BER của kênh thứ nhất

3.4 Thay đổi tham số để đặt BER = 1 0−12 3.4.1 Lý thuyết Theo lý thuyết tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc vào công suất phát và nhiều thông số khác như băng tần quang suy hao trung bình ... Trong thiết kế, nếu BER (hoặc eSNR) tại đầu vào máy thu muốn đạt kết quả như yêu cầu ta có thể thay đổi công suất phát tại máy phát hoặc các thông số khác có liên quan để có được BER như ý. Nhưng trong hệ thống thông tin sợi quang, các thông số thường được chọn

39

cố định, chỉ có công suất phát dễ thay đổi nhờ có công suất dự phòng. Như vậy, để đạt được BER (hoặc eSNR) theo yêu cầu thiết kế, ta thường thay đổi công suất phát. 3.4.2 Thay đổi công suất để đạt BER = 1 0−12  Bước 1: Thiết lập tham số quét Chọn công suất làm tham số quét để tìm công suất thích hợp

Hình 3.33 Thiết lập tham số quét

 Bước 2: Thiết lập số lần quét và dải quét Layout -> Set Total Sweep Iteration

Hình 3.34 Thiết lập số lần quét

Layout -> Parameter Sweeps

40

Hình 3.35 Thiết lập dải quét

 Bước 3: Report

- Vào CW Laser array>Parameter>Power kéo thả vào trục X của đồ thị. - Vào BER Analyzer>Result> Min. log of BER. Kéo thả vào trục Y của đồ thị, ta được kết quả

Hình 3.36 Report kênh thứ nhất

 Từ Report trên chọn được công suất kênh thứ nhất là -5.935dBm. Tương tự ta có

41

Bảng 3.5 Công suất phù hợp của từng kênh

Kênh

Công suất phù hợp (dBm)

1

-6.852

2

-6.781

3

-6.942

4

-4.950

5

-4.249

6

-5.485

7

-6.854

8

-5.900

 Bước 4: Thay đổi thông số công suất theo bảng Thay nguồn phát bằng bộ CW Laser Array để thay công suất phát, chỉnh lại thông số cho giống nguồn phát lúc đầu và chỉ thay đổi những nguồn phát.

Hình 3.37 Thay đổi công suất phát từng kênh

42

3.4.3 Kết quả

Hình 3.38 BER kênh 2

Hình 3.39 BER kênh 4

43

Hình 3.40 BER tại kênh 8

44

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm chúng em đã hoàn thành bài tập lớn “xây dựng phương án thiết kế hệ thông tin quang DWDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA”. Qua bài tập lớn này, chúng em thu được:

 Cách sử dụng phần mêm Optisystem  Có thêm các kiến thức về thông tin quang như: hệ thông DWDM, bộ khuếch đại EDFA, cách tính toán và thiết kế sợi G.655…

 Các tài liệu về các sản phẩm quang, các tiêu chuẩn ITU-T trong quang Mặc dù đã cố gắng, tuy nhiên do là lần đầu tìm hiểu và thực hành nên trong quá trình thiết kế còn nhiều sai sót và hạn chế, rất mong có được sự góp ý của thầy và các bạn. Chúng em chân thành cảm ơn!

45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ITU-T G.655 (11/2009) Characteristics of a non-zero dispersion-shifted singlemode optical fibre and cable [2] ITU-T G.671 (8/2019) Transmission characteristics of optical components and subsystems

46