Tiểu luận Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
MỤC LỤC
MỤC LỤC ...........................................................................................................................1
Danh mục hình vẽ...............................................................................................................4
LỜI NÓI ĐẦU.....................................................................................................................7
1.1. Giới thiệu chung....................................................................................................8
1.2. Sơ đồ khối tổng quát.............................................................................................8
1.3 Phân loại hệ thống WDM.....................................................................................9
1.4.1 Bộ phát quang ................................................................................................10
1.4.2 Bộ thu quang ..................................................................................................12
1.4.3 Sợi quang ...........................................................................................................13
1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM)......................................................................15
1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC) ............................................................................17
1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song...............................................................................19
1.5.2. Xuyên kênh ....................................................................................................20
1.5.3. Độ rộng kênh..................................................................................................22
1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến..........................................................23
1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang .........................................................................24
1.6.1. Cấu trúc mạng Ring...........................................................................................24
1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh..........................................................................................24
1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao .....................................................................................25
1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp ................................................................26
1.7 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WDM .................................................................27
1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA ..............................................................................27
1.8.1 Các cấu trúc EDFA.............................................................................................27
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
1
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA......................................................................29
1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm................................................................................31
1.8.4 Phổ khuếch đại...................................................................................................33
1.8.5. Các tính chất của EDFA ....................................................................................34
1.8.6. Nhiễu trong bộ khuếch đại.................................................................................36
1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA ................................................................................38
MỀM OPTISYSTEM.......................................................................................................39
2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem...................................................................39
2.1.1. Lợi ích................................................................................................................39
2.1.2. Ứng dụng ...........................................................................................................40
2.2. Đặc điểm và chức năng..........................................................................................40
2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library)..............................................................40
2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ................................................41
2.2.3. Các công cụ hiển thị ..........................................................................................42
2.3.1. Yêu cầu chung ...................................................................................................42
2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ......................................................45
2.3.3 Tạo một dự án mới..............................................................................................50
2.3.5. Chạy mô phỏng..................................................................................................58
2.4. Mô hình mô phỏng .................................................................................................66
2.4.1 Yêu cầu thiết kế...................................................................................................66
2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế.....................................................................68
2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang...............................................................................71
2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM......................................................................74
2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế ............................................................75
Tài Liệu Tham Khảo .......................................................................................... 83
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
2
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
THU T NG V TỪ VIẾT T T
GVD
Group velocity dispersion
Nhóm hệ số tán sắc
OADM Optical add/drop multiplexer
Bộ xen rớt quang
Tốc độ lỗi bit
BER
OTN
DCF
Bit error rate
Optical transport network
Dispersion sompensating fiber
Mạng truyền tải quang
Sợi bù tán sắc
DEMUX Demultipplexer
Bộ tách kênh
SNR
Signal to noise ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Khuếch đại quang sợi quang trộn
Erbium
EDFA
Erbium doped fiber amplifier
FWM
Four wave mixing
Hiệu ứng trộn bốn sóng
Light amplication by stimulated Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ
LASER emission of radiation
kích thích
MUX
NF
Multiplexer
Bộ ghép kênh
Noise figure
Nền nhiễu
SBS
Stimulated brillouin scattering
Cable television
Tán xạ do kích thích Brillouin
Cáp tivi
CATV
OLT
OSC
Optical line terminal
Optical supervisory channel
Bộ đầu cuối đường quang
Kênh giám sát đường quang
Sợi quang pha ion đất hiếm
Erbium
EDF
Erbium doped fiber
OXC
PMD
APS
Optical cross connector
Polarisation mode dispersion
Automatic protection switching
Pass optical network
Bộ kết nối chéo quang
Hệ số tán sắc phân cực mode
Chuyển mạch bảo vệ tự động
Mạng quang thụ động
PON
WDM
SMF
Wavelength devision Multiplexing
Single mode fiber
Ghép kênh theo bước sóng
Sợi đơn mode
Bộ ghép kênh phân chia theo thời
gian
TDM
SPM
Time division multiplexing
Self phase modulation
Hiệu ứng tự điều chế dịch pha
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
3
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM............................................................ 6
Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng ......................................6
Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài...................................................................................8
Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu............................................................................................9
Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang...........................................................................10
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng.........................................................11
Hình 1.7 Cấu trúc song song.............................................................................................12
Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng..........................................................................12
Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp...............................................................................................13
Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng....................................................................13
Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC..........................................................................................14
Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA..................................................................................15
Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép..............................................................................18
Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp.......................................................................18
Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring .......................................................................................21
Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh ......................................................................................21
Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn..........................................................................22
Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép ...........................................................................22
Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp...................................................................23
Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA..........................................24
Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium .................................25
Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica ..........................26
Hình 1.23 Phổ hấp thụ ......................................................................................................27
Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu .........................................................................28
Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11]. ......................................30
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
4
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L................................................................31
Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà...........................................................33
Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA ...................................................34
Hình 2.1: Thành phần trình diễn.......................................................................................42
Hình 2.2: Thư viện các phần tử.........................................................................................42
Hình 2.3: Giao diện thư viện.............................................................................................44
Hình 2.4. Giao diện người sử dụng...................................................................................44
Hình 2.5: Project Browser.................................................................................................45
Hình 2.6: Description........................................................................................................45
Hình 2.7: Status bar...........................................................................................................46
Hình 2.8: Menu bar ...........................................................................................................46
Hình 2.9: Pan window.......................................................................................................46
Hình 2.10: Tool bars .........................................................................................................47
Hình2.11. Cửa số Project layout.......................................................................................47
Hình 2.12. Đặt phần tử vào Main layout...........................................................................48
Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động................................................................................48
Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động .........................................................................48
Hình 2.15 :màn hình Parameters .....................................................................................49
Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít......................................................................50
Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi......................................................................51
Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực .......................................................................52
Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang......................................................................53
Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng ...........................................................55
Hình 2.21 : Chạy chương trình ........................................................................................56
Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh ....................................................................................57
Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng .........................................................................................58
Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét................................................................................... 59
Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét. ................................................................................. 60
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
5
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số ...........................................61
Hình 2.27: Chọn chế độ của tham số ...............................................................................61
Hình 2.28:. Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số ...................................63
Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục ..............................................................................65
Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser...........................................................................66
Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ................................................................................................66
Hình 2.32. Bộ tạo chuỗi bít ...............................................................................................66
Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder.............................................................................67
Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1................................................................................67
Hình 2.35: Tuyến phát quang............................................................................................68
Hình 2.36. Tuyến truyền dẫn quang..................................................................................68
Hình 2.37. Bộ lặp..............................................................................................................69
Hình 2.38. Thông số sợi bù tán sắc DCF..........................................................................70
Hình 2.39. Tuyến thu WDM...............................................................................................71
Hình 2.40. Thiết bị đo BER ...............................................................................................71
Hình 2.41. Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu..................................................................72
Hình 2.42. Quang phổ tín hiệu phát..................................................................................73
Hình 2.43. Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 3. ..................................................... 73
Hình 2.44. Tổng công suất phát ........................................................................................74
Hình 2.45. Công suất thu của kênh 4. ......................................................................... 74
Hình 2.46. Hiển thị mắt quang .........................................................................................75
Hình 2.47. BER của kênh thứ nhất là 10-13 ...........................................................................................................75
Hình 2.48. Thay đổi công suất Laser phát ........................................................................76
Hình 2.49. Hệ số suy hao sợi quang thay đổi....................................................................76
Hình 2.50. BER của kênh thứ nhất đạt 10-12 ........................................................................................................77
Hình 2.51. BER đạt 10-12 khi thay đổi một số tham số......................................................77
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
6
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ
thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp
lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ
thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu
to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi
quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường
truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được.
Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh
hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao ,phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục
địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng
nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương
lai. Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất
lượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầu
đặt ra là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang
hiện nay. Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM,
nó cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang do đó có thể tăng dung
lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang.
Với bài toán: “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có
sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổng quan về hệ thống
thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mô hình mô phỏng hệ
thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế.
Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.s Cao Hồng
Sơn, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh
khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, các bạn
để bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng Em xin chân thành cảm ơn!
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
7
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 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
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, 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:
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
8
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
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.
Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM
1.3 Phân loại hệ thống WDM
Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
9
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như
minh hoạ trên hình 1.2. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do
vậy, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang. Hệ thống WDM song hướng,
ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi
thông tin giữa 2 điểm.
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ hiện tại
chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:
-Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp
đôi so với hệ thống song hướng. Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ
thống song hướng.
-Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch
bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có
khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.
-Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải
xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi
quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang
không dùng chung một bước sóng.
-Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong
hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song
hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho
công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng.
1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM
1.4.1 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).
Laser “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại
ánh sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là :
Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền
trong Laser.
Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với
biến đổi của tín hiệu điện vào. Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự.
Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng
bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang. Bước sóng ánh sáng của nguồn
phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát. Ví dụ GaalAs phát ra bức
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
10
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến
1600 nm.
Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các định
dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tín hiệu quang
có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn.
Mô hình điều chế ngoài
Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài
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 và tránh cho máy
thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn).
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
11
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
- 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.
1.4.2 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 t lệ lỗi bít (BER) cho
phép.
Bộ thu quang trong hệ thống WDM
Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
12
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
1.4.3 Sợi quang
Cấu tạo 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 1.5 : Cấu trúc 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)
Sợi quang G652
Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện
nay. Nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ:
- Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương
đối lớn.
- Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối
lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km)
Sợi quang G655
Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:
- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn.
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
13
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
- Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng
cao.
- Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.
- Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu
ứng phi tuyến.
- Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ
C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).
1.4.4. Bộ tách / ghép bƣớc song: ( OMUX/ODEMUX)
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:
- 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 (MUX)
(b) Sơ đồ khối bộ tách
kênh bước sóng (DEMUX)
(c) Các tham số đặc
trưng của bộ MUX/ DEMUX
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng
Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:
- Ghép tầng nối tiếp đơn kênh
- Ghép một tầng
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
14
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
- Ghép tầng theo từng băng sóng
- Ghép tầng đan xen chẵn lẻ
1.4.5. Bộ xen / rẽ bƣớc sóng: ( OADM)
Khái niệm :
- OADM ( Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng
quang đô thị và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối
với cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng.
- OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước sóng
còn lại được cấu hình cho đi xuyên qua.
Các cấu trúc cho OADM :
- Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh. Sau đó
một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách
thích hợp.
Hình 1.7 Cấu trúc song song
- Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo
từng modun cho cấu trúc song song
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
15
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng
- Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh
đi vào OADM.
Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp
- Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh
bước sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM. Các kênh được thiết lập thực hiện
xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có
băng thông là dải bước sóng. Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó
giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ
Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
16
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC)
Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc
cung ứng dịch vụ, hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến của
các dịch vụ đa phương tiện
Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC
Các yêu cầu đối với OXC :
-
-
-
-
-
-
Cung cấp dịch vụ
Bảo vệ
Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit
Giám sát chất lượng truyền dẫn
Chuyển đổi bước sóng
Ghép và nhóm tín hiệu
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
17
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier):
Bộ bù tán
sắc
λ1 ,λ2
,…,λW
OADM
λO
λO
SC
SC
Chặng
độ lợi
Chặng
độ lợi
Máy
Laser
Laser
Bơm
Rama
n
Hình 1.12: 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
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
18
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
+ 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
+ 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
1.4.8. Bộ chuyển đổi bƣớc song
Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở
đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra. Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển
đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :
Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong
WDM
Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử
dụng tài nguyên bước sóng hiệu quả hơn, linh động hơn.
Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:
Phương pháp quang điện
Phương pháp cửa quang
Phương pháp giao thoa
Phương pháp trộn bước sóng
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
19
Bộ môn Thông tin quang 2
Th.s Cao Hồng Sơn
1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc sóng
1.5.1 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 (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7).
O(i )
L 10log
i
dB
MUX
(2.1)
(2.2)
Iii
O(i )
Iii
L 10log
i
dB
DEMUX
Trong đó Li là suy hao tại bước sóng 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.
- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ
ghép.
- Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ
tách.
1.5.2. Xuyên kênh
Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu và
giảm t số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét.
Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:
-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
Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM sử dụng phần mềm Optisystem
Nhóm 2
20
Tải về để xem bản đầy đủ
81 trang
24180
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tiểu luận Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tieu_luan_thiet_ke_va_mo_phong_he_thong_thong_tin_quang_wdm.pdf
