›
›

Báo cáo Chuyên đề WDM và phần mềm Optisystem

Download
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
LỜI NÓI ĐẦU  
Chúng ta đang sống trong một nền kinh tế hết sức năng động và sáng tạo,  
đòi hỏi con người phải luôn luôn tìm tòi học hỏi và phát huy hết khả năng của  
mình. Chính vì vậy nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng lớn, với chất lượng dịch  
vụ ngày càng cao. Nhu cầu con người ngày càng tăng cao, đòi hỏi phải có một công  
nghệ mạng viễn thông tiến tiến. Yêu cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa  
phương tiện, đáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của con người.  
Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang  
(WDM) là một giải pháp hoàn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thông cực lớn  
của sợi quang, nâng cao được dung lượng truyền dẫn và làm giảm giá thành sản  
phẩm. Sự phát triển này sẽ mang lại những ưu điểm vượt trội về chất lượng truyền  
dẫn cao, đặc biệt là băng thông rộng.  
Cấu trúc của bài báo cáo bao gồm 4 phần như sau:  
Phần I: Giới thiệu chung về hệ thống thông tin quang WDM  
Phần II: Khuếch đại quang EDFA  
Phần III: Sợi quang G 652  
Phần IV: Giới thiệu và tìm hiểu phần mềm mô phỏng OPTISYSTEM  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
1
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.  
Viết tắt  
ADM  
AG  
Tiếng anh  
Add/drop multiplexer  
Auxiliary Graph  
Acces Node  
Tiếng việt  
Bộ ghép kênh xen kẽ  
Dựng một đồ thị phụ  
Nút truy nhập  
AN  
AOTF  
APD  
AWGM  
Acousto Optic Turnable Filter  
Avalanche Photodiode  
Arrayed - Wavelength  
Grating Multiplexer  
Asynchronous Transfer Mode  
Bộ lọc thanh quang có điều chỉnh  
Điốt quang thác  
Bộ ghép kênh lưới quang dẫn  
sóng kiểu dàn  
Phương thức truyền không đồng  
bộ  
ATM  
ADP  
AW  
C
Avalanche Photo Diode  
Available Wavelength  
Core  
Điốt quang thác  
Bước sóng khả dụng  
Đường trục  
DCA  
DEMUX  
DSF  
DXC  
DLE  
Distinct Channel Assignment  
Demultiplexer  
Gán kênh riêng biệt  
Bộ giải ghép kênh  
Sợi dịch tán sắc  
Nối chéo số  
Thiết lập luồng quang  
Dispersion Shifted Fiber  
Digital Cross Connect  
Dynamic Lightpath Establishment  
Differential Wavelength  
Division Multiplexer  
Fibre Grating  
Erbium doped fiber amplifer  
Division Multiplexer  
Fibre Grating  
Erbium doped fiber amplifer  
Frequency Division Multiplexing  
First Fit Wavelength First  
Generalized Multiple Protocol  
Label Swithching  
DWDM  
FBG  
EDFA  
FDM  
FFWF  
GMPLS  
GW  
IP  
ISDN  
LAN  
LC  
Gateway  
LCP  
LCG  
LF  
LEC  
LL  
LSP  
ADM  
AG  
Internet Protocol  
Integrated service digital network  
Local Area Network  
Logical Connection  
Least Congested Path  
Logical Connection Graph  
Largest First  
Least Converter First  
Least Loaded  
AN  
AOTF  
APD  
AWGM  
ATM  
ADP  
AW  
Label Swithched Path  
Add/drop multiplexer  
Auxiliary Graph  
Acces Node  
Acousto Optic  
Turnable Filter  
C
DCA  
Avalanche Photodiode  
Arrayed - Wavelength  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
2
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
DEMUX  
Grating Multiplexer  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
3
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
Phần I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM  
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ WDM  
1. Định nghĩa  
Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được  
ghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tin  
quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)  
Trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng nhanh đặc biệt là  
Internet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lên như là nền tảng cho các dịch vụ  
ứng dụng trong tương lai, các nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc này sẽ phải  
suy nghĩ lại về hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệ  
thống vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thông.  
2. Các dải băng tần hoạt động trong WDM.  
- O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm 1360 nm.  
- E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm 1460 nm.  
- S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm 1530 nm.  
- C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm 1565 nm  
- L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm 1625 nm  
- U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm 1675 nm  
II. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CÁC KHỐI  
1. Sơ đồ khối tổng quát  
2. Chức năng các khối  
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  
độrộng 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  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
4
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng,  
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 đếnkhuếch 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:  
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.  
3. Phân loại hệ thống WDM:  
- Gồm 2 loại: đơn hướng và song hướng.  
+ Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, tuy vậy thì WDM đơn  
hướng lại đòi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
5
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
+ Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều với  
những vấn đề như sự chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng trên 1 sợi quang),  
đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi quang không dùng  
chung 1 bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theo băng …)  
+ Về việc giải quyết vấn đề khi có sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song hướng thì  
khi có bất kì sự cố gì xảy ra trên hệ thống, nó không cần đến cơ chế APS (automatic  
protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà nó có thể tự hiểu đồng thời ở cả 2  
đầu hệ thống  
+ Bộ khuếch đại quang EDFA ở hệ thống song hướng đơn giản hơn so với hệ thống  
đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng =1/2 WDM đơn hướng nên  
công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ thống song hướng sẽ cao hơn hệ thống đơn  
hướng  
=>Tính về độ tối ưu thì WDM song hướng hơn hẳn WDM đơn hướng. Tuy nhiên  
trong 1 số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương vì 1 số đặc điểm  
tối ưu trong điều kiện hiện tại. Ví dụ: Trong điều kiện khả năng xuyên nhiễu giữa các  
bước sóng là rất cao, mà hệ thống đòi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn lớn. Lúc này  
ta chỉ có thể dùng WDM đơn hướng.  
III. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG WDM  
1. Bộ phát  
Phần phát quan trọng nhất là laser diode. Yêu cầu nguồn quang trong hệ thống  
WDM là phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số. Tuy nhiên laser diode có khoang  
cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là các  
nguồn đơn mode. Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này. Trong  
hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có những  
laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, còn lại các mode bên cần được loại bỏ.  
Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản  
xạ Bragg phân tán (DBR  
2. Bộ thu  
Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống  
đơn kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến  
đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về  
tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode  
được sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD.  
3. Sợi quang  
Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang. Sợi  
quang có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn. Sợi quang đơn  
mode chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU-T chuẩn  
hoá.  
4. Trạm lặp  
Trạm lặp là bộ chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm một bộ thu quang  
và bộ phát quang. Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
6
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
và được khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại. Tín hiệu này sau đó được chuyển  
thành tín hiệu quang nhờ laser phát.  
5. Bù tán sắc  
Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng  
cách các trạm lặp trong tuyến thông tin quang. Trễ nhóm là một hiệu ứng chính gây ra  
bởi tán sắc. Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ  
rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự.  
6. Khuếch đại quang OA (EDFA)  
Khuếch đại quang sợi pha Erbium là chìa khoá xây dựng nên hệ thống WDM.  
Hệ thống này có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp. Đặc tính tăng  
ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc độ số và khuôn dạng. Đây là các  
đặc tính rất có lợi trong thông tin quang nói chung và WDM nói riêng. Tăng ích được  
tính toán như là tỷ số công suất ra trên công suất vào bộ khuếch đại. Giá trị này xác  
định trực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bộ EDFA liên tiếp. Nó phụ thuộc vào  
số kênh và độ dài của tuyến. Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới 20 dB  
đến 30dB. Công suất đầu ra của bộ khuếch đại khi đầu vào công suất cao. Hiện nay đã  
được thương mại hóa các bộ khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu  
ra công suất tới 30 dBm  
7. Bộ lọc quang  
Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bộ lọc quang được sử dụng, nhưng phổ biến  
nhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF). TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín  
hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua. Bộ lọc này thuộc loại bộ  
lọc bước sóng cố định. Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện môi  
trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n =  
1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) xen kẽ nhau. Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bộ lọc  
bậc 0) hoặc ne = 3λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với λ0 là bước sóng trung tâm. Hình 1.14  
mô tả cấu tạo bộ lọc màng mỏng điện môi. Các bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên  
tắc của buồng cộng hưởng Fabry-Perot. Đây là bộ lọc cộng hưởng có tính chọn lọc  
bước sóng. Sóng ánh sáng nào có thể tạo ra trong khoang cộng hưởng một sóng đứng  
(chiều dài khoang cộng hưởng bằng bội số nguyên lần nửa bước sóng) thì sẽ lọt qua  
được bộ lọc và có công suất cực đại tại đầu ra.  
8. Bộ xen rẽ quang OADM  
Thiết bị ODAM thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ  
tín hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi.  
9. Bộ nối chéo quang OXC  
OXC có hai chức năng chính :  
• Chức năng nối chéo của kênh quang  
• Chức năng ghép tách đường tại chỗ  
10.Chuyển mạch không gian  
Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng trong các thiết bị OADM  
và OXC. Các thiết bị này dựa vào hoạt động cơ học bao gồm motor, điện tử tĩnh hoặc  
áp điện làm lệch các vi gương cho chuyển mạch các tín hiệu quang. Do yêu cầu  
chuyển động cơ học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải khá rộng từ 30ms  
đến 500ms. Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt năng hoặc hiệu ứng quang- điện  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
7
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
là có thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm các đặc tính của các  
ma trận chuyển mạch khác nhau.  
IV. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG WDM  
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  
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  
PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA)  
I. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA  
1. cấu trúc  
Soi pha Er3+  
Bộ cách li  
Bộ cách li  
coupler  
Laser bơm  
Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA  
. Trong đó bao gồm:  
- Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá  
trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.  
- Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái  
nghịch đạo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng  
980nm hoặc 1480nm  
- WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
8
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín  
hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm.  
- Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại  
phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ  
ngược về EDFA.  
2. Nguyên lý hoạt động của EDFA  
Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích  
Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo  
các bước như sau (xem hình 1.4)  
Quá trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA với hai bước sóng bơm 980 nm và  
1480 nm  
- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ  
năng lượng tử từ các photon (có năng lượng Ephoton = 1.27eV) và chuyển  
sang trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)  
- Tại vùng bơm các Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1micro s)  
và chuyển xuống vùng giả bền (2)  
- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp  
thụ năng lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841 eV) và  
chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)  
- Các ion Er trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng  
năng lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)  
- Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu không được kích thích bởi  
các photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er3+ sẽ  
chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra  
photon (phát xạ tự phát) (5).  
Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xả đồng thời hai hiện tượng sau:  
- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er ở vùng nền (6). Tín hiệu  
ánh sáng bị suy hao  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
9
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) . Hiện  
tượng phát xạ kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ  
chuyển sang trạng thái năng lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền  
xuống mức năng lượng thấp ở vùng nền và phát xạ photon mới có cùng  
hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bước sóng. Tín hiệu ánh  
sáng được khuếch đại.  
Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra  
trong khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm. Đây cũng là vùng bước sóng hoạt  
động của EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn  
1565 nm và bằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm.  
II. TÍNH TOÁN SỐ BỘ KHUẾCH ĐẠI EDFA VÀ VỊ TRÍ ĐẶT CHÚNG  
TRONG TUYẾN CÁP SỢI QUANG SỬ DỤNG CHUỖI EDFA, TÌM HIỂU  
TÍCH LŨY VÀ BER TẠI MÁY THU CỦA HỆ THỐNG NÀY  
Khi sử dụng EDFA để thay thế bộ lặp trong hệ thống thông tin sợi quang,  
vấn đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các nhiễu giao thoa tại đầu ra của bộ  
khuếch đại đến đầu vào của máy thu. Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài  
lớn thì cần phải sử dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo bởi các EDFA này sẽ hợp thành  
nhiễu tích lũy có giá trị lớn. Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu  
trên nhiễu eSNR và đặc tính BER của tín hiệu tại đầu vào máy thu.  
1. Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi:  
Về mặt lý thuyết, thì cự ly truyền dẫn rất dài có thể thực hiện được bằng  
cách xen nhiều bộ khuếch đại quang theo phương pháp LA. Tuy nhiên, khi có  
nhiều bộ khuếch đại được mắc chuỗi trên tuyến, đặc tính hệ thống sẽ bị giảm do  
có sự xuất hiện nhiễu tích lũy từ các EDFA và các hiệu ứng phi tuyến.  
EDFA 1  
EDFA 2  
EDFA k  
n0,l0  
n1,l1  
nk,lk  
TX  
RX  
Hình 1.5 Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
10  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
Khuếch đại tổng G và suy hao tổng L của hệ thống được xác định như sau:  
k
k
L  
L i  
G  
G
i
i 1  
i 1  
Ở đây Gi và Li là bộ khuếch đại EDFA thứ i và suy hao quang của phân đoạn  
thứ i. Do có tích lũy nhiễu, công suất phát xạ tự phát tổng được xác định như  
sau:  
k
k
k
P
P
G
L
i
sp  
spi  
j
i 1  
j i 1  
i 1  
Với Pspi như ta đã biết là công suất phát xạ tự phát của EDFA thứ i nó  
được tính bằng công thức:  
Pspi = mthvnspi(Gi - 1)B0  
(*)  
Với mt, hv, nspi lần lượt là số mode truyền dẫn, năng lượng photon và hệ  
số bức xạ tự phát của EDFA.  
2 Tính toán Nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA:  
EDFA  
,d0  
,d1  
Ptx  
Ps  
Pin  
Pout  
Hình 1.6 Cấu trúc một hệ thống LA  
a. Nhiễu lượng tử:  
Nhiễu lượng tử còn gọi là nhiễu bắn (shot) do dòng tín hiệu vào và dòng  
phát xạ tự phát sinh ra. Suy ra nhiễu lượng tử sinh ra trong trường hợp LA là:  
mt nsp h(G 1)B  
(pA2)  
(1)  
0   
GP  
s2h 2eBe  
1012  
tx  
n0n1  
n1  
d0  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
11  
10  
Với:  
số lần suy hao trên đoạn d0.  
n0 10  
số lần suy hao trên đoạn d1.  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
d1  
n1 10 10  
b. Nhiễu nhiệt:  
Nhiễu nhiệt được tính như sau:  
4KTB e  
2
1012  
(pA2)  
(2)  
th  
R L  
c. Nhiễu phách:  
+ Mật độ công suất tương đương của nhiễu phách tín hiệu - tự phát là:  
42nsp hG(G 1)P Be  
42 N0GP Be  
tx  
s2sp  
s2sp  
tx  
n1n22  
n1n22  
42nsp hG(G 1)P Be  
tx  
1012  
(pA2)  
(3)  
n1n22  
+ Thành phần nhiễu phách tự phát - tự phát là:  
2mt2ns2p (h)2 (G 1)2 B0 Be  
s2psp  
1012  
(pA2)  
(4)  
(5)  
n22  
d. Nhiễu tổng tại ngõ ra của bộ tách sóng là:  
2 = 2 + 2 + 2s-sp +2  
tot  
th  
sh  
sp-sp  
3. Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA:  
a. Nhiễu phách tín hiệu - tự phát:  
4B 2 G G ...GP  
P
P
sp(k1)G  
P G G ...G  
k1  
k
sp1  
k
2
s2sp  
.
1 tx .( spk   
...  
)10 (pA )  
12  
2
(6)  
e
k
k1  
mB  
n0n1n2...nk  
nk  
nk1nk  
n n ...nk  
t
0
1 2  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
12  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
b. Nhiễu lượng tử:  
P
P
sp(k1)Gk  
P G2G3...G  
k   
G G2...Gk P  
spk  
sp1  
s2h 2eB   
(  
...  
1012(pA2 )  
1
tx  
(7)  
(8)  
e
n0n1n2...nk  
nk  
nk1nk  
n1n2...nk  
c. Nhiễu phách tự phát - tự phát:  
2Be2  
P
P
P G2G3...G  
k 2  
spk  
sp(k1)  
sp1  
12  
s2psp  
...  
10 (pA2 )  
B0m nk nk1nk  
n n2...nk  
t
1
Để tiện tính toán, giả thiết rằng có k EDFA giống nhau tức là: G=Gj, nsp=nspj,  
Psp=Pspj; lúc này ta có công thức tính các nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ  
EDFA (4.6), (4.7) và (4.8) được rút gọn như sau:  
4B 2 P  
kP  
tx  
sp  
12  
2
s2sp  
. .  
10 (pA )  
e
(9)  
m B n0 nk  
t
0
kP  
sp   
P
s2h 2eB   
1012(pA2 )  
tx  
0
(11)  
e
n0 nk  
2
2Be2  
kP  
sp   
12  
s2psp  
10 (pA2)  
(12)  
B0m nk  
t
4 KTB  
2
th  
2
10 12 ( pA )  
e
R 1  
4. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong các trường hợp sử dụng k bộ EDFA  
giống nhau:  
Công thức trên được dùng để tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (điện) trong  
trường hợp tổng quát, đối với hệ thống thông tin sợi quang sử dụng k bộ EDFA  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
13  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
mắc chuỗi và bộ lọc quang đặt sau nó khác nhau. Như đã nói ở trên, đây là một  
quá trình tính toán phức tạp. Trong khuôn khổ đồ án này, công thức tính tỷ số tín  
hiệu trên nhiễu ở trường hợp này là:  
(P / n0 )2  
tx  
SNR  
(dB)  
4Be2 P  
P
tx  
kP  
P
sp   
sp  
tx  
.
.
2eB   
e
(13)  
m B0 n0 nk  
n0 nk  
t
2
2Be2  
4KTB  
kP  
sp   
e
B0m  
nk  
R1  
t
Ta có công thức tính BER khi biết eSNR như sau:  
2
1 ex  
(14)  
BER  
2
.x  
Với  
x0,354 eSNR  
5. Bài toán mô phỏng:  
Tìm số bộ khuếch đại cần thiết khi cho trước: Khoảng cách truyền dẫn  
AB, Công suất phát Ptx, tốc độ bit của hệ thống Rb, tỷ lệ lỗi bit BER, Suy hao  
trung bình toàn tuyến , hệ số khuếch đại G của các bộ khuếch đại EDFA, Các  
thông số khác có liên quan.  
+ Công suất phát tối đa của máy phát là 9dBm, công suất dự phòng  
6dBm. Vậy công suất phát Ptx là: 9 - 6=3dBm.  
+ Độ nhạy thu là một hàm của tỷ lệ lỗi bit BER và tốc độ Rb. Nếu ta chọn  
Be = 2,5Ghz, yêu cầu BER=10-12 thì độ nhạy thu bằng -27,5dBm.  
Gọi l0 là khoảng truyền dẫn mà hệ thống làm việc tốt (máy thu vẫn thu tốt  
tín hiệu từ máy phát) mà không cần EDFA.  
Ta có:  
l0 = (Ptx - Pr)/  
Như vậy khoảng cách truyền dẫn cần bù lượng tổn hao do nó gây ra: AB - l0  
Suy hao do khoảng cách này gây ra: (AB - l0)  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
14  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
(AB - l0)  
Như vậy số EDFA cần sử dụng là: k =  
G
Nếu ta chọn độ nhạy máy thu Pr = -27,5 dBm. Công suất tới bộ tách sóng Ps phải  
lớn hơn độ nhạy thu này. Ta chọn Ps = -25dBm. Ta có Ptx = 3 dBm. Vậy:  
3 - (-25)  
l0 =  = 130km, Chọn l0 = 100km  
0,21  
Tính tỷ số eSNR khi biết các thông số khác:  
Các thông số được cho như sau: Công suất phát Ptx = 3dBm; Tốc độ bit  
Rb = 2,5Ghz; Tỷ lệ lỗi bit BER = 10-12; Băng tần điện Be = Rb = 2,5 (5 và 7,5)  
Ghz; Suy hao trung bình toàn tuyến = 0,21dB/km; Băng tần quang B0:  
c
B0 =  =    
2  
Chọn  = 0,4nm ta có B0 = 50Ghz  
Các thông số khác: Hiệu suất lượng tử = 0,9; Bước sóng của tín hiệu  
quang = 1550nm; Số mode phân cực: do dùng sợi đơn mode nên chỉ có một  
mode phân cực ngang mt = 1; Trở kháng tải của bộ tách sóng Rl = 50; Tốc độ  
ánh sáng c = 3.108 m/s; Nhiệt độ tuyệt đối T = 3000K.  
Với các thông số đã cho ở trên thế vào (*), (9), (10),(11),(12) tính được:  
2sp-sp = 8,22.10-6k2(pA2)  
0,8984.103 P  
s2h   
7,2575.106 k(pA2 )  
tx  
n0  
2,035.103 P  
2
s2sp  
k(pA )  
tx  
n0  
2 = 0,828(pA2)  
th  
S = 1,26.1012(Ptx/n0)2  
Thế vào công thức (13) ta có:  
1,26.10 (P2 n0 )2  
12  
tx  
eSNR   
2,035.103 P  
0,8984.103 P  
k 8,22.106 k2 0,828  
7,2575.106 k  
tx  
tx  
n0  
n0  
Áp dụng công thức (14) tính BER khi biết eSNR.  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
15  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
Lưu đồ thuật toán  
Bắt đầu  
Nhập khoảng cách, công  
suất phát P và độ khuếch  
đại. Chọn tốt độ bit  
thế công suất  
Thay phát P=Pđạt  
Tính số bộ EDFA  
cần thiết  
Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR,  
tỷ lệ lỗi
bit BER  
Tính công suất phát Pđạt để BER = 10-12  
Hiển thị các thông số tính  
N
Y
-12  
BER 10  
Thiết kế thành  
công. Bạn muốn  
thử lại không  
Thiết kế chưa thành  
công. Bạn muốn  
thử lại không  
N
Thử lại  
Y
Hiện thị hình vẽ  
Kết
thúc  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
16  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
III. Ưu khuyết điểm của EDFA  
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.  
- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển và  
thay 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  
quangbán dẫn.  
- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.  
2. khuyết 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.  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
17  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
PHẦN 3: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652  
I. GIỚI THIỆU CHUNG  
Khuyến nghị ITU-T G.652 mô tả các thuộc tính hình học, cơ khí và một chế độ cáp  
quang và cáp, có bước sóng không phân tán xung quanh 1310 nm. Sợi ITU-T G.652  
đã được tối ưu hóa cho sử dụng trong khu vực bước sóng 1310 nm, nhưng cũng có thể  
được sử dụng trong khu vực nm 1550. Đây là phiên bản mới nhất của một Khuyến  
nghị lần đầu tiên được tạo ra vào năm 1984 và những giao dịch với một số sửa đổi  
tương đối nhỏSửa đổi này là nhằm duy trì sự thành công thương mại của các sợi này  
trong thế giới phát triển hệ thống truyền dẫn quang hiệu suất cao  
1. Cấu tạo  
Sợi quang sử dụng là loại đơn mode. Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và các  
chất phụ gia khác, đảmbảo có âchỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ số chiếc  
suất của lớp vỏ phản xạ. Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2. Lớp bảo vệ sơ  
cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không bị suy hao do  
uốn cong và trầy xước. Lớp bảo vệ sơ cấp dễ dàng được bóc ra bằng dụng cụ cơ  
khícầm tay (không dùng đến hoá chất) mà không gây ảnh hưởng đến sợi quang.  
Sợi quang được mã hoá màu dễ dàng được phân biệt nhau bằng mắt thường,  
không được phai màu trong suốt thời gian sử dụng của cáp.  
vỏ sợi  
Lõi sợi  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
18  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
Cấu trúc tổng thể của sợi.  
- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn ,làm bằng thủy tinh ,được gọi la lõi ( core ) sợi  
- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao xung quanh lõi lên được gọi là lớp bọc ,làm  
bằng thủy tinh hoặc plastic  
2. Các yếu tố ảnh hưởng  
có ba yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến hả năng của các hệ thống thông tin  
quang ,bao gồm :  
Tán sắc, suy hao  
a. Suy hao là than số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu  
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợi  
quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu. Mặt khác, do  
việc khó lắp đăt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang  
có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.Suy hao tín hiệu  
trong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi  
quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh đó quá trình sợi bị  
uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài  
bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau. Tuy  
nhiên,vấn đề chính ở đây ta xét đến suy hao do bản chất bên trong của sợi quang.  
- Suy hao tín hiệu  
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra Pout của sợi có chiều  
dài L và công suất quang đầu vào Pin  
- Suy hao do tán xạ  
Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng đều rất nhỏ của lõi sợi  
gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc  
hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi.  
- Suy hao do uốn cong sợi  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
19  
-
-Báo cáo chuyên đề WDM và phần mềm optisystem  
Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi dẫn  
quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sáng  
ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao  
b.Tán sắc :  
Trong một sợi quang ,những tần số ánh sáng khác nhau và những mối khác  
nhau cần những thời gian khác nhau để truyền một đoạn tư A đến B .hiện tượng này  
gọi là tán sắc và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau ,tán sắc dẫn đến sự co giãn xung  
trong truyền dẫn quang và gây ra giao thoa giữa các ký tự tăng lỗi bít ở máy thu và dẫn  
đến giảm khoảng cách truyền dẫn  
Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn  
Tán sắc gây ra méo tín hiệu và điều này làm cho các xung ánh sáng bị giãn rộng ra khi  
được truyền dọc theo sợi dẫn quang. Khi xung bị giãn ra nó sẽ phủ lên các xung bên  
cạnh. Khi sự phủ này vượt quá một giá trị giới hạn nào đó thì thiết bị phía thu sẽ không  
phân biệt được các xung kề nhau nữa, lúc này lỗi bít xuất hiện. Như vậy, đặc tính tán  
sắc làm giới hạn dung lượng truyền dẫn của sợi quang.  
+ tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này  
cũng khác nhau ,ví dụ :  
Đối với các cự ly ngắn ,dung lượng thấp thì yếu tố quan trọng nhất mà ta cần  
quan tâm là đó là suy hao  
Đối với các hệ thống có tốc độ cao ,cư ly tương đối lớn thì yếu tố cần chú ý là suy  
hao và tán sắc  
Đối với các cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài hai yếu tố trên thì ta cần  
xem xét đến hiệu ứng phi tuyến  
Sợi quang đang được sử rộng rãi nhất hiện nay là sợi đơn mode SMF ,G.652 ,suy  
hao nhỏ nhất của các sợi này ở vùng bức sóng 1500nm nhưng tán sắc có giá tri thấp  
nhất ( bằng không ) lại ở bức sóng 1300nm  
- Các hệ thống thông tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bít cao, phần  
lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi  
pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn. Tuy vậy, sợi quang đơn mode tiêu  
chuẩn (sợi G.652) có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn. Tán sắc lớn sẽ  
làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol  
Interference) do sự dãn xung tại các khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyền  
Nhóm thực hiện: Nhóm 2  
20  
Tải về để xem bản đầy đủ
doc 38 trang yennguyen 29/03/2022 9460
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Chuyên đề WDM và phần mềm Optisystem", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • docbao_cao_chuyen_de_wdm_va_phan_mem_optisystem.doc