Mô phỏng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại sợi quang kích hoạt bằng erbium

Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp chất đất hiếm - nguyên tố Erbium làm nên các bộ khuếch đại tín hiệu quang, có tên gọi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm EDFA đã

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN

Hà Nội - 2003

M Ô P H Ỏ N G H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T IN Q U A N G

SỬ DỤNG K H U Ế C H ĐẠI SỢI Q U A N G

K ÍC H H O Ạ T BẰNG E R BIU M

Mã số: QT - 03 - 29 Chủ trì đề tài: TS Phùng Quốc Bảo

Cán bộ tham gia: ThS Nguyễn Tuấn Anh

CN Lê Hồng Sơn

PHẦN ICÁC THÔNG TIN CHUNG VỂ ĐỂ TÀI

b) Nội dung:

- N g h i ê n cứu hoạt động cơ bản của m ột hệ thố ng thông tin quang

- Phan tích ảnh hưởng củ a suy hao toàn tuyến, đ áp ứng thời gian, thời gian tăng và quỹ côn g suất qu ang trên tuyc'n truyền dẫn quang

- M ô p hỏ ng và xây dựng thuật toán cho các cấu hình E D F A với chức năn g tiền k h u ế c h đại, khu ếch dại đư ờng truyền, khuếch dại công suất

- Viết bộ c hư ơn g trình mô ph ỏng theo ng ôn n g ữ Visual Basic trong môi trường W i n d o w

5 Các kết quả đạt được:

a Phân tích hoạt độ ng của một số khối qu an trọng trong hệ thông

th ông tin quang : khối n gu ồn quang, trạm đáu c u ố i

b N g h i ê n cứu m ột số cấu hình truyền dÃn q u a n g và các thông số chính: độ suy hao, tán sắc, cô ng suất d ự phò ng, công suất

p e n a l t y làm c ơ sở cho việc xây dựng cá c ch ư ơn g trình mô phỏng

c Phcìn lích hoạ t động, chức năn g của E D F A trong n hữ ng cílíu hình

k h u ế c h đ ạ i s ợ i q u a n g tiêu c h u ẩ n trên t u y ế n t r u y ề n d ẫ n và Cik' t h ô n g

số cơ ban củ a c h ú n g (hệ số khuếch đại, côn g suílít bức xạ lự plìát dược k h u ế c h đại, tý số S / N Ạ Cùng với các thông s ố tuyến luyén dẫn, cá c th ôn g s ố bộ k hu ếc h dại là cơ sở để xây dựng chương Iiìnli

m ô phỏng

d Đc xuất các ihuật toán nh àm khảo sát một s ố dư ờng đặc trưng của

E D F A và trcn cơ sở đó, xây dựng bộ chư ơng trình mô p h ỏng hỗ Irợ thiết k ế tuy ến truyền dẫn qu an g cho phép tính cự ly truyền dẫn, kiểu loại, s ố lượng và vị trí lắp đặt các E D F A trên tuyến Đ ổ n g thời, việc ph ân tích và x ử lý CÍÍC kết quả thu dược ch o phcp đánh giá ánh

hư ớn g c ủ a cá c th ô ng số đường truyền, t h ôn g số E D F A cũ n g như ảnh hư ởn g củ a n g uồ n q u a n g và đầu thu lên cự ly truyền dãn

6 T ình hình k in h p h í c ủ a đ ề tài:

Tổng kinh phí củ a đề tài: 10.000.000 đồn g (Mười triệu đ ồ n g chán )

Số kinh phí này đã được quy ết toán đú n g thời hạn vào th án g 12/2003 tlico đúng c h ế độ tài chính, đ ú n g d ự trù ban đầu, cụ thể là:

1 Project:

Simulation o f optical c o m m u n ic a ti o n s yst em s

us ing Er b i u m - doped fiber amplifiers

- Analysis o f E D F A s ’ functions in standard amplifier conf igu ratio ns used

in optial tra nsm iss io n lines with allowance for E D F A s ’ imporUml para me ters (gain, ASE power S/N ratio )

- Based 011 Ihc a b o v e - m e n t i o n n e d parameters, the relevant algorithms

characteristics Simulation packages arc written in Visual Basic, cxccutcd

on W i n d o w platform, for 3 main E D F A functions (preamplifier, in-line & pow er amplifiers)

- The p ac k ag es assists des ignin g optical tra ns m is io n lines, permits to estimate t ra n sm iss io n distance, type, quantity and installation position of available E D F A s Moreover, on the basis o f tre atment the obtained data, one may get infornation about influences o f tranmi sio n l i n e s ’ and E D F A s ' main p ar am et er as well as influences o f optical sources and receivers on the transm iss io n distance

P H Ầ N 11

1 Mở đầu

Các hệ thống thông tin cáp quang, do những ưu điểm của nó, dã và dang dược nghiên cứu phát triển là một yếu tố vô cùng quan trọng trong ngành viễn thông, hình thành nên nhiều loại hình dịch vụ phong phú, góp phcìn nAng cao chất lượng Ihông tin, nhanh chóng đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao ciia đời sông

xã hội trong thời kỳ mới Một trong những thành công được áp dụng trong mạng quang đó là việc phát minh và đưa vào ứng dụng những bộ khuếch đại quang Việc sử dụng các sợi quang có pha tạp chất (đất hiếm - nguyên tố Erbium) làm nên các bộ khuếch đại tín hiệu quang, có tên gọi là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp nguyên tố đất hiếm (EDFA) đã có ý nghĩa rất lớn trong việc tăng tốc độ và

cự ly của các tuyến truyền dẫn hiện tại

Hiện nay, mạng viễn thông Việt Nam qua quá trình đầu tư, nâng cấp từ nfun 1992 dã có tốc độ dường truyền cao cữ nhiều Gb/s, phát triển cả trôn tlAì liền, trên biển, nối liền các tỉnh từ Bắc vào Nam, các nước trong khu vực và trên thế giới Các tuyến cáp quang tốc độ đường truyền cao của nước ta gồm có :

dụng thiết bị của hãng Nortel Canada

dụng thiết bị của hãng Nortel Canada

VTI-TQG-TNN sử dụng thiết bị của hãng Fujitsu Nhật Bản

Trung Ọuốc-LSN-QNH-HNÍ-VIH-Lào sử (lụng thiếi bị CÚH lifmg Fujil.su Nhật Bán

nối liổn 35 nước từ Đồng Bắc Á đến Ch Au Âu Đoạn Trung Quốc-Việt Nam-Singapore (lài 4600 Km

Các hệ thống truyển dẫn trên đều đang sử dụng các bộ khuếch đại quang EDFA híìn hết là các Power Amplifier và III - line Amplifier

Vấn đề nghiên cứu sâu các đặc trưng của EDFA sẽ giúp chúng ta:

> Đánh giá chính xác các sản phẩm thương mại được chào bán

> Lựa chọn được những nhà cung cấp thiết bị phù hợp cho nhũng dự án quốc gia trong hiện tại và cho tương lai

> Giảm được chi phí mua sắm thiết bị

> Tối ưu hoá được mạng lưới

'r NAng cao chất iượng dịch vụ cung cấp, trình độ khai thác hệ thống.Trên thế giới, các hướng nghiên cứu về lý thuyêì tập trung vào nghiên cứu EDFA hoặc như là hộp đen với các thông số vào/ra [1], hoặc là khảo sát dộng học khuếch đại EDFA với mô hình hệ nguyên tử nhiều mức [2,3],

Trong hệ thống thông tin viễn thông hiện nay, tuyến truyền dẩn quang điến hình thường bao gồm một bộ khuếch đại công suất ở lối ra bộ phát, một chuỗi các bộ khuếch đại đường truyền và một bộ tiền khuếch dại trước bộ tlni Việc lựa chọn kiểu loại, đánh giá số lượng EDFA cíỉn sử clụng đóng vai Irò quan Irọng Irong hỗ trợ lliiết k ế tuyến truyền dẫn quang nói riêng và toàn bộ hệ Ihống

nói clning.

Trong đc tài này, xuất phát từ việc khảo sát mối liên hệ giữa các thông số vào/ra của EDFA như một hộp đen và các thông số đường tniycn, cluing tỏi (lã xày dựng thuật toán, chương trình mô phỏng cho phép lựa chọn kiểu loại, đánh

Mình 1 Tuyến truyển dẫn quang điển hình

giá số lượim EDFA với 3 cấu hình chức năng thông dụng kể trên sừ clụng trong tuyến truyển dần quang cẩn thiết kế có tính đến ảnh hường của suy hao và tánsác

Một trong những giải pháp khả dĩ để tính đến ảnh hưởng của suy hao và tán sắc là thêm một công suất bù (penalty power) vào quỹ công suất truyền dần (power budget) [4] Khi đó, tỷ lệ lỗi bit của tuyến truyền dẫn quang BER (Bit Error Rate) được giữ nguyên không thay đổi Trong hệ thống truyền dãn quang, BER thường được đo qua hệ số Q xác định bằng tỷ số tín hiệu trên ổn SNR, công suất tín hiệu lối vào Pin , thông số nghịch đảo nxp Đây là cơ sờ nghiên cứu xây dựng thuật toán, chương trình mô phỏng hỗ trợ ứng dụng EDFA trên tuyến truyền dẫn quang.

2 Nội dung chính của đề tài

Phân tích hoạt động của khối nguồn quang, trạm đầu cuối, một số cấu hình truyền dẫn quang và các thông số chính: độ suy hao, tán sắc, quỹ công suất, công suấl bù trong hệ thống viễn thông quang học sử dụng sợi quang đơn mode

Phân tích hoạt động, chức năng của EDFA (được mô hình hóa như mội hệ nguyên tử 2 mức hiệu dụng) trong những cấu hình khuếch đại sợi quang tiêu chuẩn trên tuyến truyền dẫn và các thông sớ cơ bản của chúng (hệ số khuếch đại

G, công suất bức xạ tự phát được khuếch đại PASE, tỷ số S N R

Kết quả phân tích cho thấy những yêu cầu cơ bản của 3 cấu hình chức năng EDFA tiêu chuẩn như sau:

❖ EDFA công suất : hệ số khuếch đại lớn, nhiễu nhỏ, công suất bơm trung bình, mật độ ion Erbium lớn và công suất tín hiệu lớn

*1* EDFA tiền khuếch dại : hộ số khuếch đại vừa phải, nhiễu nhỏ, công SIIÍÌÌbơm trung bình, mật độ ion Erbium khổng cán quá lởn và cống suất tín

Pn - ngưỡng nhạy công suất của bộ thu;

(XỊ - suy hao sợi quang;

(X - s u y h a o l i ế p xúc ;

a , - suy hao đấu nối;

D - độ dài tuyc'n truyền dãn;

Dl - công suất bù, Dl (dB) = { l4 ĩơ B r )*, trong đó ơ là độ rộng phổ toàn

phương trung bình, B T - tốc độ bit (bit rate);

nhiệt độ

Chất lượng tuyến truyển dẫn quang nói chung có thể được đánh giá bằng

tỷ số lỗi bit BER biểu thị một cách gần đúng qua hộ số Q như sau:

Với giả sử rằng tín hiệu bit 0 là / 5(0) = 0, ổn tổng cộng là như nhau ở càhai bit 0 và I , tức là N ml(0) = jV,0, (1) = jV, ,, hệ số Q được tính như sau:

Đối với các EDFA công suất và tiển khuếch đại, ồn tín hiệu-tự phát trội,

hệ số Q có thể được tính theo biểu thức sau:

Đặc trung ổn của các bộ khuếch đại quang EDFA được biểu thị qua chỉ số

ổn NF (noise figure) định nghĩa như sau:

Chỉ số NF có thể dược tính theo công suất bức xạ tự phát khuếch dại P4Sr

p 1

N F _ r A St + 1

trong đó

: giải thông quang (optical bandwidth);

G : hệ số khuếch đại của EDFA tại tần số tín hiệu quang ^

Theo định nghĩa, hệ số khuếch đại G của EDFA (tính ra dB) tại tán số tín hiệu quang V là:

G{dB) = 10 log ' po ul

Khi tính đến ảnh hưởng của công suất bức xạ tự phát khuếch đại p ASt:

G{(iB) = 10 log 10 x !'g,m‘~ou' ASE

Ạ / / / — SNR0 _ SNR„ SNR, ° — 1 A

SNRA "" M , SNR2 SNR„

với S N R U là tý số tín hiệu trên ổn tại lối vào của chuỗi Trong thang logarit, chi

sô 011 toàn hệ thống có thể được viết dưới dạng:

Có hai cấu hình chuỗi EDFA: EDFA đặt trước giãn cách truyền (hình 2)

và EDFA đặt sau giãn cách truyển (hình 3)

Trong trường hợp thứ nhất, với giả sử rằng công suất lối vào chuỗi Pin không phụ thuộc vào hộ số khuếch đại G của EDFA và hao phí L trên giãn cách truyền, tỷ số SNR tại lối ra của chuỗi được viết dưới dạng:

G quá lớn

Hình 2 EDFA trước giãn cách truyển

Trong cấu hình thứ hai, tỷ số SNR ở lối ra của chuỗi là:

p SNR, = - — -

Hệ thức trên cho thấy tỷ số SNR sẽ được cải thiện khi tăng số bộ khuêch đại trong chuỗi N và giảm khuếch đại của EDFA Khi N rất lớn, tỳ số này đạt cực đại:

4 n,ph v B ' Ln(G„„)

Hình 3 EDFA sau giãn cách truyền

Khi thiết k ế một tuyến truyền dãn quang, ta cần quail tAm đến khoảng cách truyền dân, lốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỏi bít BER Ngoài ra, ta còn phải tính đến hai yếu tố đảm bảo hoạt động hệ thống:

1 Ọuỹ cổng suất đường truyền (link povcr budget), trong (ló phải quan tAm đến quỹ tiêu hao đường truyền (link loss budget)

2 Thời gian tăng (rise time) ảnh hưởng đến tốc độ hệ thống:

+ Thời gian tâng của đầu phát (transmiter rise time - Tu );

+ Thời gian tăng của sợi quang do tán sắc vật liệu (material dispersion riselime of lhe fibre - T mal)

+ Thời gian tăng của sợi quang do lán sác mode (modal dispersion rise lime -

T 1 moil/*)

+ Thời gian táng của đầu thu (receiver rise time - T rx)

Các thông số cơ bản của EDFA: Hệ số khuếch đại (G), chỉ số ỒI1 (NF),

cò n” suất lối vào )Pin), công suất bão hoà (Psa(), công suất nhiễu phát xạ tự phát (P ), Các thông số này được các nhà sản xuất ghi kèm theo các sản phẩm

Các Iliông số luyến truyền dẫn: Công suất phát (P), cự ly truyền (LEN),

dô suy hao (Loss), tý lệ lỗi bít (BER),

Từ các thông số cơ bản của EDFA và thông số tuyến truyền dẫn, ta có thểxây dựng được các đường đặc trưng của bộ khuếch đại quang Để phục vụ choviộc thiết k ế tuyến truyền dẫn dùng EDFA, ta chỉ cần tìm hiểu một số đường đặc trưng như p„n = f(G, NF), BER = f(pin, PSp), và thay vì biểu diễn một hàm ví dụ như Pin = f(G, NF), ta sẽ khảo sát hàm Pin = fl( G) khi cố định NF và hàm Pm = f2(NF) khi cố định G.

Như đã đề cập ở trên, trong đề tài này, ta chỉ xét 4 cấu hình và CÍÍC đirờng dặc trưng tương ứng với mỗi cấu hình, cụ thể là:

* Cấu hình EDFA tiển khuếch đại với hai đường đặc trưng:

+ Pm = fl( G) khi cho trước NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, công suất dự phòng

+ Pjn = f2(NF) khi cho trước G, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền clÃn, công suất dự phòng

* Gíu hình EDFA làm khuếch đại công suất với hai đường đặc trưng:

+ Pm.= fl( G ) khi cho trước NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dẫn, công suất dự phòng

+ Pjn = 1'2(NF) khi cho trước G, p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyén dẫn, công suất dự phòng

* Cấu hình EDFA làm khuếch đại đường truyền với đường đặc trưng:

Cự ly từ EDFA -> đầu thu = f (cự ly từ đầu phát -> EDFA) khi cho trước

NF, G, Psap p, bước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, công suất dự phòng

* Cấu hình chuỗi EDFA với hai đường đặc trưng:

+ Pin = f(giãn cách giữa các EDFA) khi cho trước NF, cự ly truyền clÃn, p, hước sóng, độ suy hao, tốc độ truyền dãn, công suất dự phòng

+ Số bộ EDFA = f(Pin) khi cho trước G, NF, p, bước sóng, độ suy hao, tốc

đ ộ t ruyền dẫn, c ổ n g suất dự phòng.

Các thuật toán và lưu đổ tương ứng với những cấu hình cần khảo sát dược biểu (liẽn trên các hình 4-7

Bộ chương trình với thuật toán tương ứng với những chức năng chính cùa EDFA được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic chạy trên nền Window có các giao diện được minh họa trên các hình 8-11.

Từ các số liệu thực tế của các tuyến cáp quang liên tỉnh [10], bộ chương trình đã được thử nghiệm, cho những số liộu tính toán phù hợp đối với EDFA tién khuếch đại và EDFA công suất (xem bảng 1, 2)

1 lình 4 Lưu dồ mỏ phỏng tính toán

cấu hình E D FA tiền khuếch đại và E DFA cô n g suất

N Ilijp liệ u H ill iiììu

I [ình 6 Lin.1 đồ biểu diễn Pm= f(step) cho cấu hình chuỗi F,DFA

Hình 7 Liai dồ biêu diễn N = f(Ci, p,„) cho cấu hình chuỗi HDFA

-lO O

50

0

H à m f ( G ) H à m F(NP9

i i S t i l t j: 1 z, tnứai; 1 t h f i c o e d - l ft Míti? |ĩ3 c o r a'Mtcm j t! t m l a m A l J &£&>aL| CiT^n 1 fcJir.’J 10.43*» I

Hình 8 Cửa sổ giao diện của chương trình mô phỏng tính toán

CÍƯ hình FDFA tiển khuếch đại

T Í N n T O A N J CAT? H Ì N H I K Ế T T I Ĩ Ứ C ị Nor : G: 16.; C ự ly: 1 19 0 1

ft Si J it Ị Ị Ã i - i c i y n g Ha I ’^ n ịt ĩ n -» lc i Ị t í Há tiọ ihifi y é, ,j ij> £C'f’AiiroP'& ĨT M io o ^ i V-'CT II o E0FA làn> ịỊ<$jl&< 'jj í õ ỹ I

! lình 9 Cửa sổ giao diện cìia chương trình m ô phòng tính toán

cấu hình ED F A công suất

I ỉình 10 Cửa sổ giao diện cùa chương trình mổ phòng tính loán

cấu hình E DFA đường truyền

‘ K c t q u ả tính t o á n :

-C ự I y: 2 0 0 0 K i n ; G :2 0 d B ; P i n :1 4 3 4 I I | W

T Í N H T O Á N I C Ấ U H Ì N H I K Ế T T H Ứ C I Pin: 2 0 i n W ; G : 1 0 d B ; ,số b ổ : 3 9 4

Itsi.nl Ị: : fc -mcji j £ I ET'FA là - 1 y >towJL 1 o £W tt Ị >sst)fAià Ị|t-> EOTA I ■fi-fcl'iri õĨ3<sy

Hình 1 1 Cửa sổ giao diện của chương trình m ô phỏng tính toán

cấu hình chuỗi EDF7A

T o rn iin iiln At.tcnual.im i D isp n rsim i 1 v.’irl iciil

Lcnglli ALL Dis Oonfigurnl ions

(kin) (cin/

km) (pa/mn/lun) Prc-mnplifior I’ow.nmplificr Clinin

Pon

(nL 1« m)

MnxlptiRl.il(lon)

1’oa

(ritùm)

Mnxlrnp;lh(kill)

Bci'inninr' poMÌI inn (k 111)