ứng dụng phần mềm optisystem mô phỏng bộ khuếch đại quang

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀIĐối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn trung bình dài tới một mức nhất định nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp. Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền. Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu. Để phân tích, thiết kế hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng OptiSystem là phần mềm mô phỏng thông tin quang. Vì vậy, em quyết định chọn đề tài “Ứng dụng phần mền Optisystem để thiết kế bộ khuếch đại quang sợi EDFA” làm báo cáo môn học “Chuyên đề viễn thông tiên tiến”.Nội dung đồ án gồm 4 chương:Mở đầuChương 1 Tổng quan về truyền dẫn quang băng rộngChương 2 Tìm hiểu bộ khuếch đại quang sợi EDFAChương 3 Giới thiệu và tìm hiểu phần mềm OPTISYSTEMChương 4 Thiết kế bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong phần mềm OptiSystem.Kết luận3.Ý NGHĨAPhần mềm mô phỏng Optisystem giúp giải quyết việc mô phỏng tuyến truyền dẫn quang, đo kiểm các thông số, thiết kế hệ thống một cách tối ưu nhất.Nội dung đề tài giúp sinh viên có thêm những kiến thức mới và bổ ích trong việc tìm hiểu phần mềm mô phỏng OptiSystem. Nắm rõ hơn về hệ thống mạng viễn thông, hiểu rõ hơn về nguyên lý khuếch đại và các tham số ảnh hưởng đến EDFA.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN

Hệ đại học - Ngành kỹ thuật điện tử viễn thông

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ THIẾT KẾ

BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

Trang 2

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ THIẾT KẾ

BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

Trang 3

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn trung bình dài tới một mức nhất định nào đó mà suy hao vượt quá công suất dự phòng, mức phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền

Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một

hệ thống thông tin quang toàn cầu Để phân tích, thiết kế hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng OptiSystem là phần mềm mô phỏng thông tin quang

Vì vậy, em quyết định chọn đề tài “Ứng dụng phần mền Optisystem để thiết kế bộ khuếch đại quang sợi EDFA” làm báo cáo môn học “Chuyên đề viễn thông tiên tiến”.

Trang 4

MỞ ĐẦU

2 BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG

Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về truyền dẫn quang băng rộng

Chương 2 Tìm hiểu bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Chương 3 Giới thiệu và tìm hiểu phần mềm OPTISYSTEM

Chương 4 Thiết kế bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong phần mềm OptiSystem

Kết luận

Trang 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG

1.1.1 Giới thiệu

Truyền dẫn quang là phương pháp truyền dẫn tín hiệu dùng bằng cáp quang, có thể

hoạt động ở tốc độ cao, vượt xa tốc độ cáp xoắn và cáp đồng trục Vì số liệu được truyền thông bằng luồng ánh sáng nên không bị ảnh hưởng bởi các xuyên nhiễu điện từ

Do đó hệ thống truyền dẫn quang thích hợp để sử dụng cho các ứng dụng truyền tốc độ cao, có khả năng loại bỏ nhiễu cao, phù hợp với các hoạt động công sở có các thiết bị hoạt động với công suất lớn, không gây ra bức xạ sóng điện từ

Trang 7

1.1.2 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang cơ bản

Mạng truyền dẫn quang được thiết lập để truyền dẫn các luồng dữ liệu số tốc độ cao và các ứng dụng dịch vụ của người dùng trong mạng viễn thông, tuyến truyền dẫn quang cơ bản từ nốt A đến nốt B và các nốt chuyển tiếp trên một cự

L2

Trạm đầu cuối quang

Trạm đầu cuối quang Trạm chuyển

tiếp quang

Trạm chuyển tiếp quang

Cáp quang Cáp

quang quangCáp quangCáp

Trang 8

1.1.2 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang cơ bản

Thiết bị ghép kênh đầu cuối quang TRM (Terminal Multiplexer Station): bao gồm

thành phần thiết bị ghép/phân kênh đầu cuối, và các thành phần thiết bị thu phát quang.+ Bao gồm thành phần thiết bị ghép/phân kênh đầu cuối, để ghép các kênh đầu cuối quang thành phần thành kênh dữ liệu số truyền dẫn và xử lý kênh tín hiệu số thu thành các kênh đầu cuối quang thành phần, thiết bị phát tín hiệu quang, thiết bị thu tín hiệu quang

Thiết bị trạm lặp quang (REG – Regenerator Station): là thiết bị thu phát quang

chuyển tiếp tín hiệu quang, có 2 loại trạm lặp quang là khuếch đại trực tiếp và khuếch đại có rớt và xen kênh ADM

Sợi quang:

+ Sợi quang là sợi thủy tinh SiO2, để kết nối trực tiếp giữa thiết bị phát quang và thiết

bị thu quang, độ dài cự ly tuyến cáp là L(km)

Trang 9

1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG

1.2.1 Mạng truyền dẫn quang điểm - điểm (Point to Point)

Mạng truyền dẫn quang điểm – điểm, được thiết lập để truyền tính hiệu quang giữa hai trạm đầu cuối quang, thiết bị đầu cuối quang TRM (Transmiter and Receiver Module terminal) tại hai trạm đầu cuối quang được nối trực tiếp với nhau bằng một đôi cáp quang

Mạng truyền dẫn điểm – điểm

Trang 10

1.2.2 Mạng truyền dẫn quang tuyến tính (Liner Network)

Ký hiệu TRM: là trạm đầu cuối quang;

REG: là trạm khuếch đại chuyển tiếp trực tiếp;

ADM: là trạm khuếch đại chuyển tiếp có xen và rớt kênh;

L(km) là chiều dài toàn tuyến truyền dẫn quang

Cấu hình mạng truyền dẫn quang tuyến tính

Trang 11

1.2.3 Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng và song hướng

Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng là hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang giữa hai trạm đầu cuối, sử dụng ít nhất hai sợi quang, một sợi truyền tín hiệu phát, một sợi để thu tín hiệu quang, tín hiệu quang trên mỗi sợi có cùng bước sóng hoặc sử dụng hai bước sóng khác nhau

Cấu trúc một tuyến thông tin quang đơn hướng

Máy phát t/h quang (TxA)

Máy thu t/h quang (RxA)

Máy phát t/h quang (TxB)

Cự ly tuyến truyền dẫn tín hiệu quang L(km)

Tín hiệu

băng tần

gốc

Tín hiệu băng tần gốc

Sợi quang #1

Sợi quang #2

Trang 12

1.2.3 Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng và song hướng

Tuyến truyền dẫn quang song hướng là hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang giữa hai

trạm đầu cuối, chỉ sử dụng một sợi quang, để truyền tín hiệu phát, và nhận tín hiệu thu, tín hiệu phát quang và tín hiệu thu quang truyền theo hai hướng trên cùng một sợi

quang, theo hai bước sóng khác nhau và sử dụng bộ lọc bước sống để phân chia tín

hiệu quang cho máy phát và máy thu quang

Máy phát t/h quang (TxA)

Máy thu t/h quang (RxA)

Máy phát t/h quang (TxB)

Bước sóng λ #1

Bộ lọc bước sóng quang

Sợi quang #1 Bước sóng λ #2

Trang 13

1.2.4 Mạng truyền dẫn quang vòng (Ring Network)

Cấu hình mạng truyền dẫn quang kết nối thàng vòng kín, thường gọi là mạng vòng RING mạng vòng ring được thiết kế khi trong địa hình mạng có từ 3 điểm truyền dẫn trở lên, từ một điểm có hai hướng truyền đến điểm đối diện Dữ liệu được truyền được thiết kế truyền theo hai hướng truyền khác nhau bằng các đôi cáp sợi quang khác nhau

và được nối lại thành vòng kín

Cấu hình mạng truyền dẫn vòng ring

Trang 14

1.2.5 Mạng truyền dẫn quang hình sao

Mạng hình sao được thiết kế ứng dụng cho các thành phố, khu vực đô thị là trung tâm chính và kết nối với các khu vực ngoại vi Ưu điểm của cấu hình mạng hình sao là trạm trung tâm đóng vai trò trạm chính, trạm chủ, có chức năng quản lý, phân chia lưu lượng, giám sát và vận hành tự động tập trung chung cho các nút mạng Nhược điểm là không bảo vệ cáp trên từng nút

Trang 15

1.2.5 Mạng truyền dẫn quang hình sao

Trang 16

1.2.6 Mạng truyền dẫn quang mắc lưới

Trong mạng viễn thông có N nút truy cập mạng phân bố trên khu vực rộng, đa tuyến và

đa hướng truyền, và có yêu cầu kết nối giữa các nút mạng, vì vậy mạng truyền dẫn mắc lưới ra đời là sự kết hơp giữa cấu hình mạng hình sao và mạng vòng ring, tại mỗi nút sẽ

có các tuyến truyền dẫn đến các nút còn lại

Trang 17

1.2.6 Mạng truyền dẫn quang mắc lưới

Sơ đồ mạng hình mắc lưới 6 nút mạng

Nút 1

Nút 4

Nút 6

Nút 2

Nút 3 Nút

5

Trang 18

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

Bộ khuếch đại quang đóng vai trò là một phần tích hợp của truyền dữ liệu đường dài Tính năng nổi bật nhất của bộ khuếch đại quang là thiết bị có thể khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp mà không cần phải chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện trước khi khuếch đại EDFA (Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium) là một loại của nhiều bộ khuếch đại quang khác nhau có thể đạt được khuếch đại tín hiệu qua giao tiếp quang dài

Trang 19

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA

Khi thiết kế hệ thống thông tin quang đường dài, đặc biệt là hệ thống cáp quang biển với khoảng cách vài trăm tới vài chục ngàn km, người ta thường mắc các bộ khuếch đại EDFA cách đều nhau theo kiểu mắc xen kẽ (dạng mắc chuỗi) Cần xác định

số bộ EDFA tối thiểu sao cho vẫn thỏa mãn số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR cho phép tại máy thu tương ứng với tốc độ bít và tỉ số bít BER theo yêu cầu

Hiện nay sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có ưu điểm như độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích không

có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số…

Trang 20

2.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA EDFA

Laser bơm (pumping laser): Cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch

đảo nồng độ trong vùng tích cự 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 trong

sợi quang Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1500nm

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

Sợi quang pha đất hiếm Erbium EDF là nơi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA.

Trang 21

Cấu tạo của một EDFA

Trang 22

Cấu tạo của sợi pha tạp Erbium

Vùng lõi trung tâm của EDFA (đường kính từ 3-6μm) được pha trộn ion Er3+ là nơi có μm) được pha trộn ion Er3+ là nơi có m) được pha trộn ion Er3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung cấp sự chồng lặp của năng lượng bơm và tín hiệu tới các ion Erbium lớn nhất dẫn đến khuếch đại tốt hơn

Trang 23

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA EDFA

Hai bước sóng điển hình để bơm EDFA là 980 hoặc 1480nm

Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng

từ các photon và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm

Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ - năng lượng từ các photo và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn

Giản đồ năng lượng Erbium

Trang 24

2.4 YÊU CẦU NGUỒN BƠM

2.4.1 Bước sóng bơm

Điều kiện để khuếch đại tín hiệu đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm trực tiếp tại bước sóng 1480nm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng sẵn có và độ tin cậy cao hơn Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu hoặc bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm

Thấp hơn Cao hơn Thấp hơn Cao hơn Ứng dụng Tiền khuếch đại Khuếch đại công suất

Trang 25

2.4.2 Công suất bơm

Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên

Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo công suất bơm vì số lượng các ion erbium được cấy vào sợi dây là có giới hạn Ngoài ra, khi công suất bơm tăng lên thì hệ số nhiễu sẽ giảm

Trang 26

2.4.3 Hướng bơm

Bộ khuếch đại EDFA có thể bơm được theo 3 cách:

 Bơm thuận: nguồn bơm được bơm cùng chiều với hướng truyền tín hiệu

 Bơm ngược: nguồn bơm được bơm ngược chiều với hướng truyền tín hiệu

 Bơm hai chiều: sử dụng hai nguồn bơm và được theo hai chiều ngược nhau

Trang 27

2.5 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA

2.5.1 Độ lợi cuả EDFA

Độ lợi của EDFA hiện đại ngày nay có giá trị trong khoảng 20dB đến 40dB dựa vào

chức năng của nó, người ta có thể thiết kế chúng như bộ khuếch đại công suất, khuếch đại đường dây hay bộ tiền khuếch đại

Sự bão hòa độ lợi là một đặc tính quan trong của EDFA, đặc biệt trong khuếch đại công suất, nơi mà tín hiệu vào hầu như đến trực tiếp từ bộ phát quang do đó rất lớn Sự bão hòa độ lợi xác định công suất ra một cách lớn nhất, thường được gọi là công suất ra bão hòa mà EDFA có thể đạt được

Trang 28

2.5 ĐẶC TÍNH CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDFA

2.5.2 Nhiễu của EDFA

Nhiễu là một thông số quan trọng thứ hai của một bộ khuếch đại quang (hay bất kỳ loại khuếch đại nào) Chúng ta thấy rằng độ lợi của một bộ EDFA thường được sử dụng để khuếch đại bước sóng xác định Do đó, rất quan trọng để tính toán độ lợi và nhiễu trong băng thông của một kênh riêng biệt Nhiễu quan trọng trong EDFA được gọi là nhiễu phát xạ tự phát

Trang 29

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU PHẦN MỀM OPTISYSTEM

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM

Phần mềm OptiSystem có thể kết hợp với nhiều công cụ phần mềm để mô phỏng

hệ thống thông tin quang Mang lại nhiều lợi ích cho quá trình thi công thiết kế hệ thống Chương này nói về cách cài phần mềm và giúp chúng ta biết rõ về một số thành phần và chức năng của chúng

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 mạng thông tin quang Trong thực tế, dựa trên bài toán xây dựng mô hình hóa các hệ thống thông tin Bên cạnh đó, phần mềm này cũng cho phép người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử mới thiết kế

bổ sung vào thư viện ứng dụng

Trang 30

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU PHẦN MỀM OPTISYSTEM3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM

OptiSystem – Công cụ mô phỏng mạng quang

Trang 31

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU PHẦN MỀM OPTISYSTEM3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM

Giao diện chính của Optisystem

Trang 32

3.1.1 Các đặc điểm chính của phần mềm OptiSystem:

Thư viện các phần tử: Optisystem có một thư viện các phần tử phong phú với hàng trăm phần tử được mô hình hóa để có đáp ứng giống như các thiết bị trong thực tế

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

Thư viện các bộ lọc quang

Thư viện các bộ khuếch

đại quang

Thư viện các bộ ghép kênh

và phân kênh MUX/DEMUX

Trang 33

3.1.1 Các đặc điểm chính của phần mềm OptiSystem :

Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện Thư viện các phần tử truy nhập

Trang 34

3.1.2 Một số chức năng cở bản của optisystem

Mở một dự án có sẵn

Tạo một dự án mới

Thiết lập các tham số toàn cục

Hiển thị và thay đổi tham số các phần tử trong dự án

Chạy mô phỏng

Hiển thị kết quả mô phỏng

Thực hiện quét tham số

Đưa kết quả mô phỏng vào báo cáo

Tiêu đề	Ứng Dụng Phần Mềm OptiSystem Để Thiết Kế Bộ Khuếch Đại Quang Sợi EDFA
Tác giả	Huỳnh Thị Bảo Trân
Người hướng dẫn	TS. Hồ Văn Cừu
Trường học	Trường Đại Học Sài Gòn
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
Thể loại	báo cáo đồ án
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Sài Gòn

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	1,81 MB

ứng dụng phần mềm optisystem mô phỏng bộ khuếch đại quang

MÔ PHỎNG EDFA QUA PHẦN MỀM OPTISYSTEM