BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Đề tài Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Đề tài: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang E

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG

Đề tài: Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang

WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Sinh viên thực hiện:

Lời nói đầu

Trong vòng 2 thập kỷ trở lại đây, cùng với thế giới, Việt Nam cũng chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ thông tin, điện – điện tử viễn thông, đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông Với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng phát triển để đạt được những thành tựu to lớn, tất nhiên đi cùng với những thành tựu ấy không thể không kể đến kỹ thuật truyền dẫn cáp sợi quang Cáp sợi quang được coi là một môi trường truyền dẫn lý tưởng với những ưu điểm nổi bật như: băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng bởi nhiễu, khả năng bảo mật cao, phù hợp với 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 đáp ứng mọi loại hình dịch

vụ hiện tại và trong tương lai

Với những ưu điểm kể trên, hệ thống thông tin quang vẫn cần thực hiện ghép kênh ghép nhiều kênh trên một đường truyền quang để tránh lãng phí băng thông khi chỉ dùng cho các ứng dụng riêng lẻ Những kỹ thuật ghép kênh được quan tâm và sử dụng hiện

nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM – Time Division Multiplex) và ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplex) Trong khuôn

khổ của bài tập lớn học phần Thông tin quang, nhóm em thực hiện đề tài: “Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA”

Trong quá trình thực hiện đề tài trên, nhóm em đã nhận được sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tình từ thầy Nguyễn Hoàng Hải để hoàn thành nhiệm vụ Trong quá trình thực hiện làm bài tập lớn này, các thành viên trong nhóm đã cố gắng tìm hiểu và hoàn thiện nội dung bài tập lớn, tuy nhiên chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót, nhóm em rất mong sẽ nhận được sự đánh giá góp ý từ thầy và các thành viên khác trong lớp học để kết quả cũng như kiến thức chúng em nhận được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Danh mục hình ảnh i

Danh mục bảng biểu ii

Phần I: Lý thuyết 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống WDM 1

1.1 Định nghĩa 1

1.2 Phân loại hệ thống WDM 1

1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM 2

1.4 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM 3

1.5 Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống WDM 4

Chương 2: Bộ khuếch đại quang EDPA 6

2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại quang EDFA 6

2.2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng 6

2.3 Các ưu điểm của EDFA 7

Chương 3: Sợi quang đơn mode chuẩn G.652 8

3.1 Cấu tạo sợi quang 8

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sợi quang 8

3.3 Thông số kỹ thuật 8

Phần II: Thực hiện thiết kế hệ thống bằng Optisystem 10

4.1 Thông số hệ thống 10

4.2 Thiết kế từng khối 10

4.3 Kết quả mô phỏng 14

Phần III: Kết luận 23

i

Danh mục hình ảnh

Hình 1.Sơ đồ khối phát WDM và laser bơm 1

Hình 2.Hệ thống WDM đơn hướng 1

Hình 3.Hệ thống WDM song hướng 2

Hình 4.Sơ đồ khối hệ thống WDM 3

Hình 5.Xác định OSNR 5

Hình 6.Khối phát một kênh 10

Hình 7.Khối thu tín hiệu quang 11

Hình 8.Đường truyền sử dụng sợi quang G.652 12

Hình 9.Hệ thống mô phỏng thông tin quang đầy đủ 14

Hình 10.Tỷ lệ lỗi bit trên công suất phát 15

Hình 11.Phổ công suất tín hiệu trên miền thời gian 15

Hình 12.Thông số công suất đầu ra sau WDM 16

Hình 13.Phổ tín hiệu đầu ra WDM 16

Hình 14.Công suất tín hiệu đối với từng tần số 17

Hình 15.Đồ thị BER 17

Hình 16.Đồ thị mắt 18

Hình 17.Công suất đầu ra sau đường truyền 18

Hình 18.Công suất nhiễu đầu ra WDM 18

Hình 19.Phổ tín hiệu ra sau đường truyền 19

Hình 20.Công suất đầu ra đối với từng kênh 19

Hình 21.OSNR trước và sau đường truyền 20

Hình 22.Phân tích BER khi sử dụng bộ tạo xung NRZ 21

Hình 23.Tín hiệu thu được sau đường truyền khi sử dụng NRZ 21

Hình 24.OSNR trước và sau khi truyền sử dụng bộ tạo xung NRZ 22

ii

Danh mục bảng biểu

Bảng 1.Thông số kỹ thuật 8Bảng 2.Thông số hệ thống 10

Bộ ghép WDM

Bộ cách ly Bộ cách ly Bộ lọc quang

Laser bơm

Vào

Hình 1.Sơ đồ khối phát WDM và laser bơm

Các dải băng tần hoạt động trong WDM

- O-band (Original band): Dải băng tần từ 1260nm− 1360nm

- E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360nm− 1460nm

- S-band (Short wavelength band): Dải băng tần từ 1460nm− 1530nm

- C-band (Conventional band): Dải băng tần từ 1530nm− 1565nm

- L-band (Long wavelength band): Dải băng tần từ 1565nm− 1625nm

- U-band (Ultra-long wavelength band): Dải băng tần từ 1625nm− 1675nm

2

Đặc điểm:

- Chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang

- Khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng

- Thiết kế hệ thống song hướng khó hơn

- Các hệ thống khuếch đại trong hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp hơn

so với hệ thống đơn hướng nhưng có công suất quang đầu ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng

1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

- Hiện tại chỉ duy nhất công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng

truyền tải quang OTN (Optical Transport Network)

Nhược điểm

- Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang

- Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần

- Nếu hệ thống sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt

Truyền tín hiệu trên sợi quang

- 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 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, cachs tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổng hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot …

- Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợ quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn

đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu … Mỗi vẫn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều yếu tố 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 sợ 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

- Thu tín hiệu: Sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM

- Bộ phát quang

- Bộ thu quang

4

- OMUX/ ODEMUX

- Sợi quang

- Bộ khuếch đại quang (OA)

- Bộ xen rẽ bước sóng (OADM) …

1.5 Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống WDM

Khoảng cách giữa các kênh: Khoảng các kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng taafn có hạn giúp cho việc nâng cap hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này:

- Tốc độ truyền dẫn của từng kênh

- Quỹ công suất quang

- Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến

- Độ rộng phổ của nguồn phát

- Khả năng tách / ghép của các thiết bị WDM

- Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM

Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép

Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu:

P P −P P

Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA Ảnh hưởng của tín hiệu phi tuyến trong hệ thống WDM:

Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó Đối với các hệ thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:

- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR

- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM

5

Đối với việc thiết kế hệ thống quang chúng ta cũng cần quan tâm đến một số các thông số để đánh giá chất lượng hệ thống thông tin quang để từ đó có những đánh giá nhận xét và cải biến hệ thống

Hai thông số được sử dụng trong phần thực hiện báo cáo này chính là tỷ lệ lỗi bit

BER (Bit Error Rate) được xác định theo công thức:

_ _

Error Bits BER

6

CHƯƠNG 2: BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG EDPA

2.1 Cấu trúc bộ khuếch đại quang EDFA

EDFA có thành phần chính gồm 1 đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium

Erbium là một nguyên tố đất hiếm có tính năng quang tích cực Đoạn sợ pha tạp Eribum được kí hiệu là EDF (Erbium – Doper Filber) thường có chiều dài khoảng

Ngoài ra EDFA còn có một laser bom để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một

bộ ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách hạn chế ánh sáng phản xạ từ hệ thống

2.2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng

Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang

sử dụng trong hệ thống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vid đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EFDA

Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng

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

EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm mục đích bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh

Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang:

- Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số SNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ

ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang Điều này giới hạn

độ khuếch đại của EDFA và công suất phát

- Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thi do ít bị suy giảm Điều này giới hạn tỷ số SNR

- Trường hợp PA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt được công suất tín hiệu và SNR thích hợp

7

2.3 Các ưu điểm của EDFA

EDFA không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi nên mạch sẽ trở lên linh hoạt hơn

EDFA có cấu trúc nhỏ nên có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, do đó

có thể làm cho hệ thống linh họa hơn

Có thể hạ thấp trọng lượng nhỏ nâng cao được khoảng cách lặp và dung lượng truyền dẫn

Đối với bộ khuếch đại sợi quang EDFA, bước sóng bơm 1480nm cho hiệu quả tốt hơn đối với bước sóng tín hiệu đang được dùng phổ biến hiện nay là 1550nm

Các hệ thống thông tin sợi quang đường dài có thể sử dụng chuỗi EDFA trong truyền dẫn Cự ly truyền dẫn có thể đạt được xa hơn nhờ sử dụng các EDFA trong truyền dẫn, có nhiễu thấp và độ khuếch đại cao

8

CHƯƠNG 3: SỢI QUANG ĐƠN MODE CHUẨN G.652

3.1 Cấu tạo sợi quang

Sợi quang sử dụng là loại đơn mode Lõi của sợi quang làm bằng SiO2và các chất phụ gia khác, đảm bảo có chỉ số chiết suất của lõi sợi lớn hơn chỉ số chiết 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 do uốn cong và trầy xước

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sợi quang

Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm: Tán sắc, suy hao, hiệu ứng phi tuyến Đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau:

Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm

3.3 Thông số kỹ thuật

Bảng 1.Thông số kỹ thuật

3 Đường kính trường mode tại bước sóng 1310nm 9.2nm 0.4nm

4 Đường kính trường mode tại bước sóng 1550nm 10.4nm 0.5nm

5 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải quang phổ Neff

6 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải quang phổ Neff

9

8 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1310nm  0.36 dB km/

9 Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm  0.22dB km/

Chiều dài chuỗi bit 128bits

Số lượng kênh bước sóng 4 kênh

Phương thức điều chế Điều chế ngoài

Bộ thu Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel Các thiết bị đo cơ bản Thiết bị đo công suất quang

Thiết bị phân tích phổ quang

4.2 Thiết kế từng khối

Phía phát

Hình 6.Khối phát một kênh

+ Nguồn phát quang lazer CW lazer array

+ Bộ phát xung RZ pulse generator

11

+ Bộ phát bit điện User Defined Bit

+ Điều chế Mach – zehnder Modulator

+ Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát Thiết bị được sắp xếp như trên được gọi là phương pháp điều chế ngoài + Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1

Phía thu

Hình 7.Khối thu tín hiệu quang

+ Bộ tách kênh Demux 1x4

+ PIN kết hợp bộ lọc thông thấp Bessel

+ Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, genarator 3R được đặt ở vị trí thích hợp

Môi trường truyền dẫn

12

Hình 8.Đường truyền sử dụng sợi quang G.652

Do môi trường truyền dẫn trong đề bài yêu cầu sử dụng sợi quang G.652 như vậy cần phải thiết kế sợi quang G.652 với các thông số đặc trưng theo chuẩn ITU – T G.652:

Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm: 0.2 db km/ (1 )

Vòng lặp (hạn chế sự cồng kềnh cho hệ thống mà vẫn đảm bảo cự ly truyền dẫn)

Do tín hiệu được truyền trên sợ quang với cự lý truyền dẫn dài, beeb gây ra suy hao sợi quang, và làm giảm công suất phát tín hiệu Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiệu nên khi thiết kế hệ thống WDM sử dụng thêm bộ khuếch đại EDFA Với hệ số khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên đường tuyến

Gọi G1 là hệ số khuếch đại của EDFA1

G2 là hệ số khuếch đại của EDFA2

Công thức: G2 = |G1–1 −L1 L22 |

Chọn G1= 10dBthì G2 =10 – 0.2 50 – 0.5 10 5  = dB

Các tham số toàn cục bao gồm:

Tốc độ bít (Bit rate)= 10Gbit s/

Chiều dài chuỗi bit (Bit Sequence length) 128 = bits

Số lượng mẫu trên mỗi bit (Number of samples per bit ) 64=

Các tham số trên được sử dụng để tính toán:

Thay đổi thông số để đạt Ber bằng 12

10− theo yêu cầu

Có rất nhiều cách thay đổi chỉ số BER của hệ thống:

Thay đổi tốc độ bit

Thay đổi công suất phát

Thay đổi hệ số khuếch đại

Thay đổi cự ly truyền dẫn

14

Trong phần mô phỏng theo yêu cầu đề bài, để chuyển 12

10

Ber= − ta chọn phương pháp thay đổi công suất nguồn phát

Đối tượng chủ yếu cần thay đổi thông số trong mạch dó công suất phát quá laser

Do hệ thống WDM thực hiện tốc độ 10Gbit s/ có dải tần100Ghz Nên khoảng cách của các băng tần này là 0.8 nm(Băng C)

Giả sử chọn frequency của CW lazer =1552.52 nmthì các kênh tiếp theo có giá trị hơn kém nhau là 0.8nm

Tương đương dài tần của laser ở đơn vị THz cho 4 laser đầu vào lần lượt là: + Kênh 1 chọn tần số 193.1 THz

Chọn dải quét từ 0  −10

Mô hình kênh thông tin quang đầy đủ của đề tài:

Hình 9.Hệ thống mô phỏng thông tin quang đầy đủ