TÀI LIỆU HƯỚNG dẫn THÍ NGHIỆM môn THÔNG TIN QUANG

Tùy vào loại tín hiệu đầu vào mà ta có bộ hiển thi điện hoặc quang Để quan sát tín hiệu điện tạo ra từ bộ tạo xung NRZ trong miên thời gian, ta có thể chọn bộ hiển thị Oscilloscope Visua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM

MÔN: THÔNG TIN QUANG

Nhóm biên soạn:

PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải

TS Hoàng Phương Chi

KS Ngọ Thị Phượng

Họ tên SV:………

Mã lớp TN:………

Mã số SV:………

Lớp:………

Hà Nội: 2016

BÀI 1: MÁY PHÁT – LASER ĐIỀU CHẾ NGOÀI

1.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài học này hướng dẫn cách tạo một máy phátsử dụng Laser điều chế ngoài Giúp bạn làm quen với thư viện, các tham số, trình biên tập layout, các công cụ quan sát Từ đó làm nền tảng để thực hiên các bài thí nghiệm tiếp theo

1.2 CÁC BƯỚC THÍ NGHIỆM

Mở đầu OptiSys_Design

Để bắt đầu OptiSys_Design, từ Taskbar :

Start  Programs  OptiSys_Design 1.0  OptiSys_Design

Khi đã tải xong, giao diện đồ họa người dùng của OptiSys_Design sẽ xuất hiện

Tổng quan về Giao diện

Những phần chính của giao diện OptiSys_Design gồm Layout Editor, Project Browser

và Component Library Layout Editor dùng để định vị các thành phần khác nhau, biên tập và tạo kết nối giữa chúng Project Browserđể tìm vị trí thông qua Dự án hiện tại,

và cơ cấu một Dự án sao cho các kết quả đạt được một cách hiệu quả Component

Librarygiúp truy xuất các phần tử để dùng cho thiết kế

Project Overviewdùng để thu phóng các thành phần trênLayout Parameter Groupstổ

chức các tham sốcủa các phần tửtheo cách ,à giúp cho người sử dụng không cần thay

đổi cách tham số như Bước sóng Lasers trong mỗi phần tử Output Windowhiển thị

các thông báo sinh ra trong quá trình mô phỏng

Hình 1.2 - Các thành phần chính của giao diện đồ họa người dùng

Sử dụng Component Library

Ở ví dụ dưới đây chúng ta sẽ thiết kế máy phát điều chế ngoài Đưa tất cả các phần tử cần thiết ra từ Component Library OptiSys_Design cung cấp 1 bộ các phần tử mặc định

• Tạo Dự án mới, từ menu chính, vào File  New

• Từ thư viện, vào mụcDefault  Transmitters  Optical Sources

• ChọnCW Laser 1.0 và đặt nó vào vùng làm việcbằng cách kéo thả biểu tượng

Hình1.3 –Thêm một CW Laser vào layout

• Từ thư viện, vào mục Default  Transmitters  Optical Modulators

• ChọnMach-Zehnder Modulator 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc bằng cách kéo thả

biểu tượng

• Từ thư viện, vào mục Default  Transmitters  Bit Sequence Generators

• Chọn Pseudo-Random Bit Sequence Generator 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc

bằng cách kéo thả biểu tượng

• Từ thư viện, vào mục Default  Transmitters  Pulse Generators  Electrical

• Chọn NRZ Pulse Generator 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc bằng cách kéo thả

Khi kết nối các phần tử, không thể nối nhiều đầu vào tới cùng 1 đầu ra Nghĩa là:

• Kết nối các phần tử bằng cách clickvào cổngcủa phần tử thứ nhấtvà kéo đến cổng của phần tử tiếp theo:

• Bộ tạo dãy bit giả ngẫu nhiên đến cổng đầu vào bộ tạo xung NRZ

• Cổng ra bộ tạo xung NRZ đến cổng đầu vào bộ điều chế Mach-Zehnder

• Đầu ra CW laser đến đầu vào bộ tạo sóng mang the Mach- Zehnder

Hình1.6 –Kết nối các phần tử

Quan sát kết quả

Có nhiều cách để quan sát kết quả trong OptiSys_Design, thư mụcVisualizers trong Component Library cho phép người dung hiển thị kết quả mô phỏng Tùy vào loại tín hiệu đầu vào mà ta có bộ hiển thi điện hoặc quang

Để quan sát tín hiệu điện tạo ra từ bộ tạo xung NRZ trong miên thời gian, ta có thể chọn bộ hiển thị Oscilloscope Visualizer:

• Từ thư viện, vào mụcDefault  Visualizers  Electrical

• Chọnt Oscilloscope Visualizer 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc bằng cách kéo thả

biểu tượng

Hình 1.7 – Thêm máy quan sát Oscilloscope Visualizer vào layout

Tín hiệu quang có thể biểu diễn bằng cách chọn các máy quan sát từ thư viện Để quan sát tín hiệu quang đã điều chế trong miền thời gian ta sẽ dùng Máy phân tích phổ và Máy quan sát tín hiệu quang trong miền thời gian:

• Từ thư viện, vàoDefault  Visualizers  Optical

• Chọn Optical Spectrum Analyzer 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc bằng cách kéo

thả biểu tượng

• Chọn Optical Time Domain Visualizer 1.0 và đặt nó vào vùng làm việc bằng cách

kéo thả biểu tượng

Hình 1.8 – Thêm máy quan sát quang optical Visualizers vào layout

Kết nối các máy quan sát

Để quan sát tín hiệu từ một phần tử, ta phải nối đầu ra của phần tử tới cổng đầu vào của máy quan sát

Khi nối các phần tử với máy quan sát, có thể nối nhiều máy quan sát tới cùng 1 cổng

ra của phần tử

• Nối phần tử và máy quan sát bằng cách click vào cổng đầu ra của phần tử và kéo thả tới cổng đầu vào của máy quan sát:

Hình1.9 –Nối các máy quan sát

Các máy quan sát vàgiám sát dữ liệu

Khi nối 1 máy quan sát tới đầu ra của 1 phần tử, OptiSys_Design đầu tiên sẽ chèn một Data Monitor mặc định vào cổng ra của phần tử, sau đó máy quan sát sẽ được kết nối Các máy quan sát luôn được kết nối tới giám sát, lý do nhiều máy quan sát có thể cùng gắn vào 1 cổng là do chúng cúng gắn vào cùng 1 giám sát Giám sát dữ liệu được đại diện bởi hình chữ nhật xung quanh cổng đầu ra của phần tử

Hình1.10 –Các giám sát và máy quan sát

Các máy quan sát xử lý dữ liệu lưu từ giám sát dữ liệu, ta có thể chèn thêm giám sát vào 1 cổng mà không cần nối tới 1 máy quan sát nào, giám sát đó sẽ luôn lưu dữ liệu sau khi quá trình mô phỏng kết thúc Nghĩa là nếu bạn chèn một giám sát vào một cổng trước khi quá trình mô phỏng bắt đầu, sau khi mô phỏng xong bạn có thể nối máy quan sát vào giám sát này mà không cần chạy lại mô phỏng từ đầu

• Từ thanh công cụ Layout, chọn công cụ Monitor, con trỏ chuột sẽ chuyển sang mode

giám sát

• Click vào đầu ra của phần tử CW laser

• Click vào thanh công cụLayoutđể tắt mode giám sát

Các tham số của phần tử

Click đúp chuột vào bất cứ phần tử nào, sẽ xuất hiện 1 hộp thoại cho phép chỉnh sửa các thuộc tính của phần tử đó

•Trong phần biên tập layout, click đúp vào biểu tượng CW Laser Các tham số của

phần tử được sắp xếp theo mục Có 5 mục tham số: Main, Polarization, Simulation,

Noise và Random numbers Mục “Main” bao gồm các tham số thường truy nhập bởi

người sử dụng như tần số và công suất

Hình1.12 – Các tham số của phần tử

Với mỗi mục, có 1 danh sách các tham số Các tham số có các thuộc tính: Disp, Name,

Value, Units và Mode

Hiển thị các tham số trong layout

Thuộc tính đầu tiên là “Disp” Khi thuộc tính này là tên của tham số, giá trị và đơn vị

sẽ được hiển thị trong layout Chú ý rằng Tần số và Công suất có Disp đã được kiểm tra và các tham số này được hiển thị ngay trong layout

Hình1.13 – Hiển thị các tham số trong layout

Thay đổi đơn vị của tham số

Một số tham số có nhiều đơn vị khác nhau, như Tần số có thể là Hz, THz và Công suất có thể là W, mW hay dBm Quá trình chuyển đổi sẽ diễn ra tự động

Nhấn Enter hoặc click sang ô khác để cập nhật giá trị vừa nhập

Hình1.14 – Thay đổi đơn vị của tham số

•Tại CW Laser, click vào thuộc tính Mode

• Từ menu danh sách, chọn modeScript

• Trong mụcValue, nhập biểu thức ‘193.1+0.1’

• Click vào nútVerify Script

Bạn sẽ thấy giá trị của biểu diễn dạng kịch bản bên trong danh sách thông báo trong hộp thoại và kết quả bằng 193.2

Hình1.15 – Sử dụng biểu thức số học

Các tham số của máy quan sát

Để truy nhập đến tham số của máy quan sát, bạn phải chọn biểu tượng và click đúp vào đó Sẽ xuất hiện hộp thoại dùng để quan sát các đồ thị và kết quả được tạo ra trong quá trình mô phỏng

• Trong trình biên tập layout, chọn biểu tượng máy phân tích quang

• Bấm chuột phải vào nó, xuất hiện một thực đơn

• Từ thực đơn File chọnCalculate :

Hình1.17 – Chạy mô phỏng

• Từ hộp thoại tính toán, chon PLAY để bắt đầu quá trình mô phỏng

Hiển thị kết quả từ các máy quan sát

Đúp chuột vào bất cứ máy quan sát nào cũng đều xuất hiện hộp thoại để quan sát các

đồ thị và kết quả tạo ra từ quá trình mô phỏng Click đúp lần nữa để đóng hộp thoại

Oscilloscope

Tín hiệu điện được quan sát trong miền thời gian sử dụng oscilloscope

• Click đúp vào máy quan sát Oscilloscope Visualizer

Vì OptiSys_Design có thể truyền tín hiệu và nhiễu tách biệt, người dùng có thể quan sát kết quả tách biệt Trong oscilloscope, người dùng có thể truy nhập tín hiệu không

có nhiễu, chỉ nhiễu, cả tín hiệu cùng nhiễu, hoặc tất cả mọi thứ trong cùng đồ thị

Hình1.18 –Oscilloscope

Máy phân tích quang phổ

Tín hiệu quang được quan sát trong miền tần số sử dụng OSA (Máy phân tích quang phổ)

• Click đúp vào máy phân tích quang phổ

Vì OptiSys_Design sử dụng tín hiệu trộn tượng trưng, người dùng có thể quan sát tín hiệu tùy vào tín hiệu tượng trưng Mỗi thẻ tương ứng cho 1 tín hiệu tượng trưng như: tín hiệu lấy mẫu, tín hiệu biểu diễn bằng tham sốvà các bao nhiễu, hoặc biểu diễn tất

cả trên cùng đồ thị

Sự phân cực tín hiệu quang có thể truy nhập sử dụng các thẻ ở bên dưới: Công suất tổng cộng (Total power), Công suất của phân cực X và của phân cực Y

Hình1.19 – Máy phân tích quang phổ (OSA)

Máy quan sát tín hiệu quang trong miền thời gian

Tín hiệu quang được quan sát trong miền thời gian sử dụng máy này

• Click đúp vào Máy quan sát tín hiệu quang trong miền thời gian

Trong miền thời gian, OptiSys_Design sẽ biên dịch tín hiệu quang và mật độ phổ công suất của nhiễu sang nhiễu số học trong miền thời gian

Sự phân cực tín hiệu quang có thể truy nhập sử dụng các thẻ ở bên dưới: Công suất tổng cộng (Total power), Công suất của phân cực X và của phân cực Y Khi chọn phân cực X hoặc Y người dùng cũng có thể chọn pha hoặc Chirp của tín hiệu của phân cực riêng đó

Hình1.20 - Máy quan sát tín hiệu quang trong miền thời gian

Thu phóng và lần vết

Có nhiều công cụ đểu giúp bạn phân tích và xuất thông tin từ đồ thị

• Nếu máy phân tích quang phổ hiển thị quá gần, click đúp vào nó

• Chuột phải vào phía trên đồ thị chọn biểu tượng Zoom, hoặc click vào nút và

chọn công cụ Zoom

Công cụ này giúp cho việc thu phóng các vùng trên đồ thị

Hình1.21 – Công cụ Zoom

Bạn có thể lần vết để tìm ra giá trị cho mỗi điểm trên đồ thị

• Click vào nút Menu góc trên bên trái chọn cửa sổ Info

• Click vào nút Menu góc trên bên trái chọn Tracer

Công cụ lần vết cho phép bạn quan sát giá trị của mỗi điểm trên đồ thị trong cửa sổ thông tin

Hình1.22 –Công cụ lần vết Tracer

Lưu lại đồ thị

Bạn có thể tạo bảng gồm các điểm với giá trị mỗi điểm thuộc đồ thị và lưu vào 1 file, copy đồ thị vào clipboard dưới dạng ảnh bitmap hoặc xuất ra nhiều định dạng file chẳng hạn meta file hoặc bitmap

• Click vào nút Menu góc trên bên trái chọn Table of Points

• Để lưu dữ liệu dưới dạng file text, trong hộp thoại bảng lưu giá trị các điểm click vào

nút Export to file

Hình1.23 –Bảng tập hợp các điểm

Lưu kết quả mô phỏng

OptiSys_Design cho phép người dùng lưu dữ liệu từ các giám sát Có nghĩa là bạn có thể lưu file project với các tín hiệu từ các giám sát, lần tiếp theo khi bạn tải file project vào, các máy quan sát sẽ tính toán lại đồ thị và giá trị từ các giám sát đó

• Sau khi quá trình tính toán kết thúc, vào thực đơn File chọn “Save As…”

• Trong hộp thoại Save as tích vào ô Save monitor data

Như vậy tất cả kết quả sẽ được lưu lại

Hình1.24 – Lưu lại dự án và các kết quả mô phỏng

Câu 1: Chỉnh tham số như hình vẽ và chạy kết quả

Câu 2: Thay đổi công suất Lazer ở chế độ sweep chạy tử 0dBm đến 10dBm với 10 bước nhảy và chạy kết quả (lấy 2 kết quả công suất lazer là 0 và -10dBm) Quan sát đồ thị của các máy phân tích Nhận xét

-BÀI 2: HỆ THỐNG CON - MÔ PHỎNG CÓ PHÂNCẤP 2.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Mỗi hệ thống con giống như một phần tử, có biểu tượng, tham số, các cổng đầu vào đầu ra, tuy nhiên chúng được xây dựng từ một nhóm các phần tử hoặc nhóm các hệ thống con khác Bạn có thể dễ dàng tạo một hệ thống con bằng cách nhóm các phần

tử trênlayout

Các hệ thống con sẽ giúp bạn tạo ra các phần tử riêng dựa trên thư viện mà không cần phải lập trình, hay tổ chức layout theo phân cấp khi lượng phần tử ở các mức khác nhau khálớn

Hình 2.1 –Mô phỏng sự phân cấp

2.2 CÁC BƯỚC THÍ NGHIỆM

Tạo một hệ thống con

• Chọn tất cả các phần tử tronglayout (có thể sử dụng luôn bài 1 đã thiết kế)

• Bấm chuột phải lên vùng đã chọn,

• Xuất hiện thực đơn, chọn Create subsystem

Xuất hiện một biểu tượng mới thay thế cho các thành phần trước đó

Ta thấy cacsv máy quan sát không thuộc vùng được chọn sẽ bị ngắt kết nối Bởi vì các hệ thống con không thêm các cổng bổ sung để nối tới các máy quan sát

Hình 2.2– Tạo một hệ thống con

Xem bên tron hệ thống con

• Chọn biểu tượng của hệ thốngcon,

• Chuột phải vàođó,

• Từ thực đơn, chọn Lookinside

Ta quan sát thấy 1 thẻ mới được thêm vào thẻ layout, từ giờ ta có thể thay đổi các tham số và tạo ra các cổng để truy nhập dữ liệu từ hệ thống con này

Hình 2.3 Bên trong modun hệ thống con

Để quay lại hệ thống chính, kích chuột phải chọn close subsystem

Tạo các cổng đầu ra

• Trong thanh công cụ layout, chọn công cụ Draw Output Port,

• Định vị con trỏ gần với đường biên tài liệu, click vào đó ,

• Nối đầu ra bộ điều chế Mach-Zehnder Với cổng của hệ thống con

Cổng được tạo ra, nếu quay lại Main layout ta sẽ thấy biểu tượng đầu ra của hệ

thống con Để tạo các cổng đầu vào ta thực hiện thủ tục tương tự Vì đây là một máy phát nên trong ví dụ này không có phần tạo cổng đầu vào

Hình 2.4 Tạo cổng kết nối cho hệ thống con

Bạn có thể thay đổi vị trí cổng bằng cách click đúp vào cổng đó trên hệ thống con

Các thuộc tính của hệ thống con: tên và biểu tượng

Bạn có thể thay đổi tên và biểu tượng của hệ thống con bằng cách thay đổi các tham

số của nó

• Trong layout chính, click đúp vào biểu tượng hệ thống con

• Trong hộp thoại thuộc tính của hệ thống con, thay đổi Label thành “External

Modulated Transmitter”

• Bấm vào nút OK

Tên của phần tử và thẻ được cập nhật

Hình 2.6 Thay đổi biểu tượng cho phần tử

Thêm các tham số toàn cục vào hệ thống con

Trong ví dụ này chúng ta có 1 hệ thống con có tên External Modulated Transmitter,

nếu ta cần truy nhập bất kì tham số nào bên trong máy phát này ta phải xem bên trong của hệ thống con này

Để thay đổi giá trị tham số phần tử của hệ thống con mà không cần xem kiến trúc bên trong mỗi lần truy nhập, ta có thể tạo các tham số toàn cục

Trong các bước tiếp theo ta sẽ xuất các tham số Công suất và Tần số ra để truy nhập

mà không cần xem cấu trúc bên trong của External Modulated Transmitter

• Trong Main layout, click đúp vào the External Modulated Transmitter,

• Trong hộp thoại thuộc tính click chọn nút Add Param…,

• Trong hộp thoại tham số nhập các giá trị sau:

Tham số Tần số sẽ được thêm vào External Modulated Transmitter

• Trong hộp thoại thuộc tính click chọn nút Add Param…,

• Trong hộp thoại tham số nhập các giá trị sau:

Chọn Môđun phát ngoại vi và chiếu vào trong nó

Nhấn đúp vào thành phần CW Laser

Trong hộp thoại properties, chọn tham số Frequency

Thay đổi chế độ tham số thành Script

Thiết lập đơn vị thành THz

Trong khung giá trị tham số, nhập “Frequency”

Lặp lại tiến trình trên với tham số năng lượng, nhập “Power” và khung giá trị tham

Thêm thành phần vào Thư viện

Trong thư viện của OptiSys_Design có 2 thư mục chính: Mặc định và Tùy chỉnh Thành phần mặc định của thư viện tức là chỉ đọc, nghĩa là bạn không thể thêm hay thay đổi các tham số của thành phần này Thư viện tùy chỉnh cho phép người dùng phát triển thư viện và thêm vào đó các thành phần Các thành phần mới có thể dựa tên các thành phần của thư viện mặc định, tuy nhiên cần phải mang một cái nên mới Người dùng cũng có thể tạo hệ thống phụ trong thư viện Tùy chỉnh

Hình 2.11 Thư viện thành phần

Chuột phải vào nền của thư viện tùy chỉnh

Trong menu vừa mở ra, chọn “Add Folder…”

Trong hộp thoại New Folder, nhập “Transmitters” vào khung chỉnh sửa

Nhấn nút OK

Trong thư mục Tùy chọn ở thư viện Thành phần, một thư mục mới có tên

“Transmitter” xuất hiện

Hình 2.12 Tạo thư mục trong thư viện thành phần

Thêm thành phần vào thư viện

Bạn có thể kéo thả các thành phần vào bất kì tập tin nào trong thư viện Tùy chỉnh Chúng ta sẽ thêm môđun phát ngoại vi vào thư viện Tùy chỉnh/Truyền dẫn

Chọn thư mục Truyền dẫn từ thư viên Tùy chỉnh

Trong trình chỉnh sửa thiết kế, chọn thành phần Môđun phát ngoại vi

Kéo Môđun phát ngoại vi và thả vào thư mục Truyền dẫn

Biểu tượng hệ thống phụ sẽ được tạo cùng với thành phần có tên: Môđun phát ngoại

vi

Hình 2.13 Thêm thành phần vào thư viện tùy chỉnh

Tạo thêm các cổng

Để lấy tín hiệu điện từ Bộ tạo xung NRZ bên trong Môđun phát ngoại vi, chúng ta

có thể tạo thêm một cổng ra trong hệ thống phụ

Nhìn vào bên trong Môđun phát ngoại vi

Tạo mới một cổng ra trong hệ thống phụ

Hình 2.14 Thêm cổng vào hệ thống phụ

Tuy nhiên chúng ta không thể kết nối đầu ra của bộ tạo xung với cổng này vì nó đang nối với đầu vào của Môđun Mach-Zehnder Để giải quyết vấn đề này chúng ta

thiết kế Bạn có thể thay đổi kích thước của bản thiết kế bằng cách nhấn Ctrl+Shift

và kéo tren nền của bản thiết kế để thay đổi kích thước cho phù hợp

Hình 2.15 Thêm bộ chia nhánh

Chọn và xóa kết nối màu xanh giữa Bộ tạo xung và Môđun

Kết nối đầu ra Bộ tạo xung với đầu vào của bộ chia nhánh

Kết nối đầu ra thứ nhất của bộ chia nhánh với đầu ra của của hệ thống phụ

Kết nối đầu ra còn lại của bộ chia nhánh với đầu vào của Môđun

Hình 2.16 Moodun phát ngoại vi với 2 đầu ra

2.3 Kết luận

Bài học này sẽ chỉ ra cách tạo một hệ thống con sử dụng lại Laser điều chế ngoài ở phần trước của bài 1 Bạn sẽ thấy quen thuộc với các hệ thống con và thư viện phần tử

Yêu cầu:

Câu 1: Tương tự Bài tập ở câu 1, tạo hệ thống con như hình trên, chạy mô phỏng và so sánh kết quả ở câu 1 và câu 2 tại các đồ thị

Câu 2: Từ hệ thống con ở câu 1,xây dựng hệ thống thông tin quang đơn kênh với tham số :

- Tốc độ bit: 2.5 Gbit

- Khoảng cách truyền dẫn 150 km

Tham số toàn cục :

Chiều dài chuỗi 128 bits

Số mẫu trong 1 bit 64