Đề tài xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang dwdm

chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện và được khôi phục lại giống với tín hiệu gốc Cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể mô tả đơn giản gồm: Bộ phát q

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Sinh viên thực hiện:

1 Phạm Thành An

2 Ngô Thị Thúy Hạnh

MSSV 20198113

hệ thống thông tin quang DWDM

Mục Lục

Lời nói đầu 3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG 4

I Tổng quan về hệ thống thông tin quang 4

II Công nghệ OFDM 6

II Kỹ thuật DWDM 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 16

I Giới thiệu chung 16

1 Sơ đồ khối tổng quát và chức năng các khối 16

a Sơ đồ khối tổng quát 16

b Chức năng các khối 16

3 Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM 18

4 Đặc điểm của hệ thống WDM 20

II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 21

III PHẦN MỀM OPTISYSTEM 23

1 Giới thiệu chung 23

2 Ứng dụng 23

3 Đặc điểm 24

Chương 3 Mô phỏng hệ thống 25

1 Đề bài (Đề tài 1) 25

1.1 Bài toán 25

1.2 Yêu cầu: 25

2 Thực hiện thiết kế (Đề tài 1) 26

2.1 Mô hình hệ thống 26

2.2 Thực hiện mô phỏng 35

Kết luận 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc đảm bảo tín hiệu thông tin được truyền đi chính xác với tốc độ cao là vô cùng quan trọng Từ đó yêu cầu thiết kế các hệ thốngtruyền dẫn ngày càng được nâng cao và chú trọng 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 Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn những hạn chế về chất lượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, cự litruyền dẫn ngắn Vì vậy vấn đề đặt ra là phải tăng chất lượng cung như cự li truyền dẫn cho chế độ thông tin quang hiện nay Giải pháp được đưa ra hiện nay là công nghệ ghép kênh phân chia 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 thêm sợi quang

Với bài toán:” Xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang DWDM: 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 DWDM theo phương an đã thiết kế

Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới thầy PGS TS Nguyễn Hoàng Hải đã hướng dẫn và giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trình độ còn hạn chế nên không thể tránh được những thiếu xót.Rất mong được nhận những ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG

I Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Ngày nay, song song với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thông tin liên lạc của con người là không thể thiếu Cùng với nó là sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đã tạo ra nhiều các loại dịch vụ viễn thông như: thoại, truyền hình hội nghị, trò chơi trực tuyến… Đóng góp vào sự phát triển to lớn đó phải kể đến sự ra đời của cáp sợi quang và kỹ thuật thông tin trên sợi quang

Thông tin quang là một phương thức dùng ánh sáng để truyền dẫn thông tin Hệ thống thông tin quang bao gồm một đầu phát dùng để mã hóa thông tin thành tín hiệu ánh sáng, kênh truyền dùng để truyền tín hiệu đến đích, đầu thu dùng để tái tạo lại thông tin từ tín hiệu nhận được Kênh truyền sử dụng là cáp sợi quang là môi trường mang thông tin từ từ một điểm đến một điểm khác dưới dạng ánh sáng

Hình 1 1 Hệ thống thông tin quang điển hình

Hình 1.1 biểu thị một hệ thống thông tin quang điển hình Dữ liệu đầu vào (Input data) là các tín hiệu số được gửi tới mạch phát tín hiệu, sau đó được chuyển đổi tín hiệu từ điện thànhtín hiệu quang và phát vào môi trường truyền tin là sợi quang và gửi tới đầu thu và được

chuyển đổi từ tín hiệu quang thành tín hiệu điện và được khôi phục lại giống với tín hiệu gốc Cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin quang có thể mô tả đơn giản gồm:

 Bộ phát quang E/O: có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và

phát và sợi quang Người ta thường gọi khối E/O này là nguồn quang Hiện nay, linh kiện điện tử được sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER

 Bộ thu quang O/E: có vai trò chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu

điện gốc giống với tín hiệu ở phía phát Các link kiện điện tử hiện nay thường được sử dụng để làm chức năng này là PIN và APD và chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang

- Môi trường truyền tin: là cáp sợi quang

Hình 1 2 Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang đơn hướng

Để thực hiện truyền dẫn giữa 2 điểm, cần phải có 2 sợi quang Hình 1.2 mô tả cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang đơn hướng Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì trêntuyến có thể lắp thêm một hoặc nhiều các bộ lặp tín hiệu

Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất của tín hiệu quang bị suy yếu dần (do có

suy hao trên sợi quang) Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất rất thấp và đầu thu không nhận dạng được tín hiệu, lúc này ta phải sử dụng các trạm lặp ở trên đường truyền Chức năng chính củatrạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi thành tín hiệu

đã khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để

truyền tải tiếp tới đầu thu Như vậy tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều là tín hiệu quang và trong trạm lặp có cả khối chuyển đổi quang-điện và điện-quang.

Truyền dẫn sợi quang sử dụng các bước sóng có phổ điện từ gần vùng hồng ngoại, phía trên vùng ánh sáng nhìn thấy và không thể nhìn thấy được bằng mắt Các bước sóng sử dụng trong truyền dẫn quang điển hình là 850nm, 1310nm, 1550nm và 1625nm Cả hai loại

LASER và LED được sử dụng để làm nguồn phát ánh sáng vào sợi quang Laser thường được sử dụng cho các bước sóng 1310nm hoặc 1550nm trong ứng dụng sợi đơn mode LED được sử dụng cho bước sóng 850nm hoặc 1310nm trong ứng dụng sợi đa mode Dải của các bước sóng là dải mà trong sợi quang nó làm việc tốt nhất Mỗi dải được hiểu là một của sổ làm việc Mỗi cửa sổ là vị trí trung tâm khi bước sóng hoạt động bình thường

II Công nghệ OFDM

1.1 Khái niệm và đặc điểm của OFDM

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong một kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin quang được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh Fading nhiều tia

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexing) truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lặp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, nhiều song mang được đặt cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại

đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những song mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.

Ưu điểm:

Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu(ISI) nếu

độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval leght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự phân tập

về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng

1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trựcgiao với nhau Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong

OFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.

Hình 1 3 Phổ của tín hiệu FDM (a) và OFDM (b)

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếpsang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang(ICI) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo

vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuynhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ

cải thiện hiệu quả phổ.

Hình 1 4 Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗi dòng dữ liệu songsong sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổilên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại

bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian

sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ

đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyểnvề biên độ và pha của các sóng mang

nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol

hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng

ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoádịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữliệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN cótốc độ Rc (bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trênnhiều sóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thôngkênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khảnăng giao thoa sóng mang Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mangđược lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiệntượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụngvới hiệu quả cao nhất Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọnsao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôiphục mà không giao thoa hay chồng phổ

II Kỹ thuật DWDM

2.1 Kỹ thuật WDM

WDM (Wavelength Division Multiplexing) là phương thức ghép kênh quangtheo bước sóng Thông thường trong tuyến thông tin quang điểm nối điểm, mỗi mộtsợi dẫn quang cho một tia laser với một bước sóng ánh sáng truyền qua, tại đầu thu,

bộ tách sóng quang tương ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này Mỗi một sóng laser nàymang một số tín hiệu điện với một phổ nhất định WDM cho phép ta tăng dunglượng kênh mà không cần tăng tốc độ bit của đường truyền và cũng không dùngthêm sợi dẫn quang

Về lý thuyết có thể truyền một dung lượng khổng lồ trên một sợi quang từnhiều nguồn phát quang làm việc ở những bước sóng cách nhau một khoảng hợp lý.Tại đầu thu có thể thực hiện thu các tín hiệu quang riêng biệt nhờ quá trình lọc cácbước sóng khác nhau này Do có mức suy hao thấp ở vùng bước sóng 1.55 𝜇𝑚 nênvùng này được dụng rộng rãi trong ghép kênh DWM

Hình 1.5 mô tả nguyên lý cơ bản của quá trình ghép và giải ghép kênh DWM

Hình 1 5 Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng DWM

Giả sử hệ thống thiết bị phía phát có các nguồn phát quang làm việc ở cácbước sóng khác nhau 𝜆1, 𝜆2, … , 𝜆𝑛 Các tín hiệu quang được phát ra ở các bướcsóng khác nhau này sẽ được ghép vào cùng một sợi quang nhờ một bộ ghép kênhquang (MUX) Ở đầu thu các bộ tách sóng quang khác nhau sẽ nhận lại các luồngtín hiệu với các cường sóng riêng rẽ này sau khi qua bộ giải WDM (DEMUX)

Bộ khuếch đại quang trộn Erbium là một bộ khuếch đại được sử dụng đểnâng mức phổ của tín hiệu lên từ vùng 1530 nm tới 1570 nm Khi nó được bơm bởimột nguồn laser bên ngoài có bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, độ lợi tín hiệu cóthể cao cỡ 30dB (1000 lần)

Bởi vì EDFA cho phép tín hiệu được tái tạo lại mà không cần chuyển đổingược thành tín hiệu điện, làm cho các hệ thống trở nên nhanh hơn và tin cậy hơn.Khi sử dụng kết hợp với ghép kênh phân chia theo bước sóng, các hệ thống sợiquang có thể truyền một lượng lớn thông tin trên khoảng cách xa với độ tin cậy rấtcao

2.2 Kỹ thuật DWDM

DWDM (Dense-Wave Division Multiplexing) – ghép kênh phân chia theomật độ bước sóng, là một kỹ thuật “sắp xếp” dữ liệu vào cùng với nhau từ nhiềunguồn khác nhau trên một cáp sợi quang với mỗi tín hiệu được truyền tại cùng thờiđiểm trên bước sóng ánh sáng riêng biệt Khi sử dụng DWDM, có đến 160 (về lýthuyết có thể nhiều hơn) bước sóng khác nhau hay kênh dữ liệu có thể được dồn vào

một dòng ánh sáng được truyền trên một cáp sợi quang Mỗi kênh mang một tínhiệu TDM DWDM hứa hẹn giải quyết vấn đề "fiber exhaust" (cạn kiệt nguồn sáng)

và là công nghệ trong tất cả các mạng cáp quang trong tương lai

Hình 1 6 DWDM - phân chia theo mật độ bước sóng

Ưu điểm của công nghệ DWDM:

- Tận dụng được phần lớn băng thông của sợi quang, tạo ra được dung lượngtruyền dẫn lớn Công nghệ DWDM cho phép sử dụng toàn bộ tài nguyênbăng thông rất lớn của sợi quang (khoảng 25THz) để nâng cao dung lượngtruyền dẫn của hệ thống

- Khoảng cách truyền dẫn xa bằng cách sử dụng công nghệ khuếch đại quangsợi EDFA

- Cho phép truy nhập nhiều loại hình dịch vụ: các bước sóng trong hệ thốngDWDM độc lập nhau, do đó có khả năng truyền nhiều loại hình dịch vụ trêncùng một cáp sợi quang như: SDH, GE hay ATM…

- Hạn chế được số sợi quang cần sử dụng: hệ thống DWDM ghép nhiều bướcsóng trên một sợi quang nên tiết kiệm được rất nhiều cáp quang, từ đó có thểgiảm được cho phí xây dựng đường dây

- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng

- Độ linh hoạt cao, mạng kinh tế và ổn định.

Hệ thống DWDM thực hiện ghép bước sóng danh định khác nhau (tương ứngvới các tín hiệu kênh quang riêng lẻ) thành một chùm sáng và được truyền dẫn trênmột sợi, trong đó mỗi kênh quang mang dịch vụ khác nhau Cấu trúc cơ bản của hệthống DWDM gồm các thành phần chính sau:

- Bên truyền: Laser phát bước sóng ổn định và chính xác

- Trên đường truyền: Sợi quang có suy hao thấp, độ suy hao đều theo các bước sóng

- Bên nhận: Bộ thu và bộ tách kênh quang

- Các bộ xen rớt kênh (OADM), các kết nối chéo quang, các bộ khuếch đại quang…

+ Bộ phát (Laser) (ITU Wavelength Grid): Số bước sóng và khoảng cách giữa

các bước sóng có thể thay đổi tuỳ theo thiết kế

Hình 1 7 Lưới bước sóng

+ Cửa sổ quang: Trong công nghiệp viễn thông dùng 2 cửa sổ quang:

1310nm & 1550nm Cửa sổ 1550nm được chọn trong truyền dẫn trục và DWDM vì

có suy hao nhỏ và cửa sổ quang lớn hơn

Hình 1 8 Cửa sổ quang 1550nm

+ Bộ thu quang: Hai loại bộ thu được sử dụng rộng rãi:

- Positive-intrinsic-negative photodiode (PIN)

- Avalanche photodiode (APD)

+ Bộ khuyếch đại quang: Sử dụng bộ khuyếch đại quang EDFA (Erbium Doped

Fiber Amplifier_ Bộ khuếch đại quang được kích thích bằng Erơi)

Hình 1 9 Bộ khuếch đại quang EDFA

EDFA làm việc ở bước sóng 1550 nm với hệ số khuếch đại cao, công suất ra lớn vànhiễu thấp Để cho các EDFA hoạt động trên các hệ thống thông tin quang thì cần

có một nguồn bơm Các Laser diode bán dẫn công suất cao là các nguồn bơm thực

tế để cung cấp nguồn ánh sáng cho EDFA.

Hệ số khuếch đại của EDFA không bị ảnh hưởng do ảnh hưởng phân cực củaánh sáng, bởi vì bão hòa xảy ra trong EDFA tồn tại trong một thời gian khá dài, do

đó không tạo ra nhiễu xuyên âm khi truyền tín hiệu tốc độ cao

+ Bộ xen/rẽ kênh quang OADM:

Hình 1 10 Bộ xen/rẽ kênh quang OADM

Các kỹ thuật sử dụng trong OADM hiện tại chủ yếu dựa trên các bộ lọc điện môi mỏng, các bộ lọc quang âm điều chỉnh được, các bộ dịch pha định tuyến bước sóng AWG, hoặc sợi cách tử Bragg Với các bộ lọc điện môi, thiết bị OADM đạt được khoảng cách giữa các kênh là 100 GHz và lớn hơn còn với khoảng cách kênh là 50 GHz thì bộ lọc điện môi chưa thể đáp ứng được Các bộ lọc quang âm mặc dù có ưu điểm là phạm vi điều chỉnh bước sóng rộng, song lại bị hạn chế bởi các đặc tính không thích hợp của bộ lọc băng thông Các bộ dịch pha bước sóng AWG mặc dù có

ưu điểm cho hệ thống mật độ kênh cao, nhưng chúng vẫn có suy hao xen lớn, cũng

có các đặc tính về băng thông chưa thật hoàn hảo Cách tử Bragg là một triển vọng tốt cho các thiết bị OADM có khoảng cách kênh là 50 GHz với suy hao thấp, đặc tính phổ lọc tương đối tốt

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

I Giới thiệu chung

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) làcông nghệ “trong môt sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệuquang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại(ghép kênh) để truyền đi trên môt sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó đượcphân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khácnhau

Các dải băng tần hoạt đông 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

1 Sơ đồ khối tổng quát và chức năng các khối

a Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM

b Chức năng các khối

 Phát tín hiệu:

Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser Hiện tại đã có môt

số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đabước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có

đô rông phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóngtrung tâm, đô rông phổ, đô rông chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

bô lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bô tách/ghép WDM, ta phải xét các tham sốnhư: khoảng cách giữa các kênh, đô rông băng tần của các kênh bước sóng, bướcsóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suyhao 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 yếutố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếchđại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuôc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loạisợi quang, chất lượng sợi )

 Khuếch đại tín hiệu:

Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bô khuếch đại quang sợi EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier).Tuy nhiên bô khuếch đại Raman hiện nay cũng đãđược sử dụng trên thực tế.Có ba chế đô khuếch đại là khuếch đại công suất, khuếchđại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bô khuếch đại EDFA cho hệ thống WDMphải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðô lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệchkhông quá 1 dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mứccông 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

có những laser đơn mode tạo ra môt mode dọc chính, còn lại các mode bên cầnđược 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)

b Bộ thu

Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bô thu quang ở hệ thốngđơn kênh Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản làbiến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện Bô thu quang phải đảm bảo yêucầu về tốc đô lớn, đô nhạy thu cao và bước sóng hoạt đông thích hợp Hai loạiphotodiode được sử dụng rông rãi trong bô thu quang là photodiode PIN vàphotodiode thác APD

c Sợi quang

Sợi quang là 1 trong những thành phần quan trọng nhất của mạng, nó là phương tiện truyền dẫn vật lý Sợi quang thường được chế tạo từ nguyên liệu phổ biến là cát SiO2 Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có

2 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 2 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

Phân loại sợi quang:

- Theo chiết suất: gồm có sợi quang chiết suất bậc SI (Step Index) và sợi quang chiết suất bậc GI (Graded Index)

- Theo số mode: gồm sợi quang đơn mode (Single Mode) và sợi quang đa mode (Multi Mode)

Sợi quang có 3 cửa sổ truyền dẫn:

- Vùng cửa sổ 1: dùng LED chế tạo ra cửa sổ quang có bước sóng 850nm, mức suy hao α = 1 dB/km, hệ số tán sắc lớn

- Vùng cửa sổ 2: ứng với bước sóng 1310nm, có hệ số suy hao α = 0.5 dB/km,

hệ số tán sắc nhỏ

- Vùng cửa số 3: ứng với bước sóng 1550nm, có hệ số suy hao nhỏ nhất α = 0.154 dB/km Với kỹ thuật cao có thể chế tạo được sợi quang đơn mode có α = 0.14 dB/km

Suy hao tại 3 vùng cửa sổ này là thấp nhất, ở Việt Nam thường dùng ở cửa sổ thứ

3 (λ = 1550nm) Ghép kênh theo bước sóng là công nghệ làm tăng dung lượng đường truyền bằng cách tăng số lượng kênh truyền trên sợi quang thay vì chỉ dùng 1 kênh quang Vì vậy yêu cầu môi trường truyền dẫn của hệ thống là sợi quang suy hao thấp, suy hao đều theo các bước sóng, hệ số suy hao và hệ số tán sắc của môi trường là nhỏ

d Trạm lặp

Trạm lặp là bô chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm môt bô thu quang và

bô phát quang Bô thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện

và được khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại Tín hiệu này sau đó được chuyểnthành tín hiệu quang nhờ laser phát

e Bù tán sắc

Bên cạnh suy hao của sợi là môt hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng cách

các trạm lặp trong tuyến thông tin quang Trễ nhóm là môt hiệu ứng chính gây ra bởi

tán sắc Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với đô dài và đô

rông phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự

f 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 rông, tạp âm thấp Đặc tính tăng

ích không có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc đô 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 bô khuếch đại Giá trị này

xác định trực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bô EDFA liên tiếp Nó phụ thuôc

vào số kênh và đô dài của tuyến Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới

20 dB đến 30dB.Công suất đầu ra của bô khuếch đại khi đầu vào công suất cao Hiện

nay đã được thương mại hóa các bô khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB

cho đầu ra công suất tới 30 dBm

Khuếch đại sợi quang hiện nay chủ yếu là dùng sợi pha tạp Erbium, viết tắt là EDFA (Erbium-Dropped Fiber Amplifier) Bơm laser lúc này hoạt động ở 2 bước sóng 980nm hoặc 1480nm thì hiệu suất bơm hiệu quả nhất Các bộ cách ly quang có nhiệm vụ chống phản xạ tín hiệu, chỉ cho phép truyền dẫn quang đơn hướng WDM Coupler dùng để ghép tín hiệu bước sóng bơm và tín hiệu cần khuếch đại vào sợi Erbium

Cấu trúc của khuếch đại quang sợi EDFA

 Lợi ích:

 Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao

 Tăng độ nhạy của máy thu

 Nâng cao mức công suất phát

 Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời

 Nâng cấp, bảo trì đơn giản

 Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại 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 nhiễu xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM