Bài tập lớn xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

Tuy nhiên trong khuôn khổ bài tập lớn này chúng em sẽ chỉtập trung đi sâu vào một trong hai kỹ thuật ghép kênh ở trên vì vậy chúng em đãchọn đề tài “xây dựng phương án thiết kế hệ thống

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thông

======o0o======

BÀI TẬP LỚNTHÔNG TIN QUANG

LỜI NÓI ĐẦU

Bước sang thế kỉ 21 chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ thông điện tử viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông đó thực sự là cuộc cáchmạng lớn thay đổi cuộc sống của toàn nhân loại Cùng với sự phát triển của kĩthuật chuyển mạch , kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng phát triển đạt đượcnhững thành tựu vô cùng to lớn,và tất nhiên chúng ta phải kể đến kỹ thuật truyềndẫn cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sẽ được coi là một môi trường truyềndẫn lý tưởng mà không một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế nổi Các hệthống thông tin quang có những ưu điểm nổi bật như: băng thông rộng, cự ly xa ,không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, phù hợp với các tuyến thôngtin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chứcnăng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụhiện tại và tương lai Tuy nhiên băng thông quang rất lớn nên sẽ rất hao phí nếuchỉ dùng cho các ứng dụng đơn lẻ Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênhtrên một đường truyền quang Những kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiệnnay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theobước sóng (WDM) Tuy nhiên trong khuôn khổ bài tập lớn này chúng em sẽ chỉtập trung đi sâu vào một trong hai kỹ thuật ghép kênh ở trên vì vậy chúng em đãchọn đề tài “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sửdụng bộ khuếch đại quang EDFA”

tin-Nhóm em xin được trình bày tổng quan về hệ thống cũng như kết quả mô phỏngđạt được sử dụng topology để thiết kế hệ thống

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ts.Nguyễn Hoàng Hải đã tận tình chỉ bào và giúp đỡ chúng em trong thời gian qua để hoàn thiện đề tài này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

WDM1.1 Giới thiệu tổng quan

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 nhiềuvào 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:

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

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướngnhư hình minh hoạ trên hình 1.2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiềutrên sợi quang Do đó, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệthống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉcần 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 hiệntại 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 caogấp 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 chuyểnmạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liênkết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

 Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sángkhi lan truyền trong Laser

 Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứngvới

 biến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặctương tự

Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quangtương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước sóng ánhsáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví

dụ GaalAs phát ra bứcxạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát rabức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm

 Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo cácđịnh dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảmbảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêuchuẩn

 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

tốkhác nhau như nhiệt độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, đểtránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bướcsóng thì nhất thiết độổn 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 tầncho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổcàng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăngcao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều này thì nguồn phátlaser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser haikhoang 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 tránhcho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn)

- 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 kênhđộng càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng

- Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồnquang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa cáckênh

- 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 truyềnthông 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 đổithành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng cácphotodiode PIN hoặc APD

Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độnhạy 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

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 cóhai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằngthủy 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 lớpbọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, cóchiết suất n2 < n1

 Sợi quang G652

Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiềunước 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 suyhao tương đối lớn

- Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắctương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km)

1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX)

 Định nghĩa :Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéoquang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùngkết hợp với bộ kết nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tảiquang, có khả năng truyền tải đồng

thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ, mà công nghệ hiện nay đang hướngtới.Bộ tách/ ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khácnhau

 Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông

- Độ suy hao chen giữa các kênh

 Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:

 Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

 Ghép một tầng

 Ghép tầng theo từng băng sóng

 Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

1.4.5.Bộ chuyển đổi bước sóng

 Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóngnày ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệthống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khácnhau

 Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khitruyền 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

1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng

1.5.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang docác điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bịghép gây ra Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suyhao xen được biểu diễn qua công thức sau

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng đi khi thiết bị được ghép xen vào tuyếntruyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênhquang của thiết bị

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 củakênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế côngsuất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kếcận

- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của cácbộlọc

- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơnmode

Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm chocông suấtquang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong cácbước sóng khác cũng như vậy

1.5.3 Độ rộng kênh

Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống việc phân chia bước sóng như thế nào

Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFABăng EDFA khoản 30nm Nếu ta muốn xếp khoảrộng giữa các kênh là 30nm/16kênh hay 1,8 tần số hơn là bước sóng

1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a.Ưu điểm

- Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thốngTDM

- Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyềndẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bướcsóng riêng (kênh quang)

- WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắpđặt thêm sợi quang

b Nhược điểm:

- Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớncủa sợi quang

- Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA

1.7.1 Các cấu trúc EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped

FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9 Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra

Quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.

 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Quá

trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện:

Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng tháinăng lượng cao hơn ởvùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, các ion Er3+phân rã không bức xạrất nhanh (khoảng 1μs) và chuyểnxuống vùng giả bền (2).s) và chuyểnxuống vùng giả bền (2).Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ nănglượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng tháinăng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3)

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM

BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C

Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung

RZ pulsegenarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộđiều chế Mach-zehnder

Tuyến phát quang gồm 4 kênh quang được tích hợp thông quang bộ ghépkênh quang MUX

-Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s

- Chiều dài chuỗi: 128 bits

- Số mẫu trong 1 bit: 64

Số mẫu =chiều dài mỗi chuỗi * số mẫu trong 1 bit=128x64=8192

Nguồn phát: sử dụng nguồn CW laser(continuos wave laser) :nhằm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi

Bộ tạo xung:RZ

Bộ tạo chuỗi bit

Bộ điều chế ngoài

Bộ ghép kênh quang (ghép 4 kênh)

Toàn tuyến phát 4 kênh quang

Tuyến truyền dẫn quang

Tuyến thu 4 kênh quang

2.1 Kết quả mô phỏng thu được: Toàn bộ hệ thống thông tin quang

Quang phổ của tín hiệu phát

Quang phổ của tín hiệu thu

Công suất tín hiệu phát:

Tổng công suất phát

Công suất tín hiệu thu:

Công suất tín hiệu thu của kênh 4

Đồ thị mắt

2.3 Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt được BER=10 −12

Thay đổi công suất phát của laser