Ky thuat va mang thong tin quang

Giới thiệu Mạng quang thụ động PONs - Passive Optical Networks Slide 3 Giới thiệu tổng quan Lịch sử phát triển Các thành phần của tuyến truyền dẫn sợi quang Các ưu nhược điểm của thôn

Trang 1

KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG

& ỨNG DỤNG

Gv: Trần Nhựt Khải Hoà

Khoa Công nghệ Trường Đại học Cần Thơ Email: tnkhoan@ctu.edu.vn

Slide 2

NỘI DUNG

1 Giới thiệu Tổng quan

2 Cấu trúc cơ bản hệ thông tin quang

3 Phân loại sợi quang

4 Các kỹ thuật điều chế quang tiên tiến (Advanced Modulation Formats)

5 Mã đường truyền, hay mã dòng (Line coding)

6 Giới thiệu Mạng quang thụ động PONs - Passive Optical Networks

Slide 3

Giới thiệu tổng quan

) Lịch sử phát triển

) Các thành phần của tuyến truyền dẫn sợi quang

) Các ưu nhược điểm của thông tin sợi quang

) Các ứng dụng của sợi quang

) Quá trình phát triển mạng quang

Slide 4

Trang 2

Slide 5

9 1992: Mạng quang đầu tiên được thương mại hoá, tốc độ 2.5Gb/s

9 1996: Hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing) triển khai, tốc

độ 40Gb/s

9 2001: Dung lượng hệ thống WDM đạt 1.6Gb/s, 3.2Gb/s và lớn hơn

9 2 năm sau, các hệ thống TT quang tốc độ cao được triển khai trên diện

rộng, các hệ thống vượt đại dương không ngừng được triển khai

9 Ngày nay, hệ thống quang toàn cầu hơn 250.000km, dung lượng 2.56Tb/s

(64channel 10Gb/s trên 4 đôi sợi quang), sử dụng 2002

9 IEEE 802.3z Gigabit Ethernet 1Gb/s; IEEE 802.3ae 2003 10Gb/s Ethernet;

và 100Gb/s Ethernet dự kiến chuẩn hoá vào năm 2010

Tham khảo: Govind P.Agrawal, “Fiber Optics Communication Systems”, Third Edition, 2002 Slide 6

Trang 4

Slide 13

Nguồn: Lê Quốc Cường - Bài giảng Cáp sợi quang MLM: MultiMode semiconductor lasers Slide 14

Nguồn: Lê Quốc Cường - Bài giảng Cáp sợi quang SLM: SIngle Longitudinal Mode lasers

Slide 15

Slide 16

Hệ thống WDM đơn hướng và song hướng

Trang 5

Slide 17

NỘI DUNG

2 Cấu trúc cơ bản hệ thông tin quang

4 Các kỹ thuật điều chế quang tiên tiến (Advanced

Modulation Formats)

6 Giới thiệu Mạng quang thụ động PONs - Passive

Optical Networks

Slide 18

 Chia làm 2 loại: hữu hướng (guided) và vô hướng (unguided).

) Các hệ thông tin hữu hướng truyền trên kênh truyền là sợi quang,) Hệ vô hướng lan truyền tia sáng trong không gian

Hầu hết các ứng dụng trên mặt đều sử dụng sợi quang

Các ứng dụng quang vô hướng trong không gian đang được nghiên cứu

Các thành phần cơ bản của hệ thông tin quang

Chức năng: Chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang

) Optical source: Thường là lasers

) Channel coupler: Thành phần chính là vi thấu kính

Có 2 phương pháp điều chế:

) Điều chế trực tiếp DM (Direct Modulation)

) Điều chế ngoài: sử dụng ở tốc độ cao, trên 10Gb/s

Thiết bị phát

Sơ đồ khối thiết bị phát - điều chế ngoài

Cấu trúc bộ điều chế ngoài MZM

(Mach-Zehnder Modulator)

Cấu trúc MZM

Nguồn: G P.Agrawal, “Fiber Optics

Communication Systems”, Third Edition, 2002

2 phương pháp điều chế ngoài:

Trang 6

Slide 21

Phân cực cho MZM: 2 Phương pháp

Trong đó, Ein là cường độ ánh sáng ngõ vào MZM,

) EOutlà cường độ ánh sáng ngõ ra

) Vπlà điện thế phân cực để pha của nhánh tương ứng dịch 180o

) Vinlà điện thế phân cực cho MZM

) là một nửa công suất vào, chia đều cho mỗi nhánh

MZM khi phân cực đơn

Nguồn: L.N Binh, T.L Huynh and H.S Tiong,

“DPSK RZ Modulation Formats Generated From Dual Drive Electro-photonic Modulators”,

2006, Technical Reports, Monash University

=+

= π π πV π

V j in V V j in

in

Out

in in

e12

Ee

eπ

Hình 2: MZM phân cực đôi

2 1 V U j V U j in

Nguồn Hình 1: Werner Rosenkranz - Optical Communications - chapter 8 page 8.17 Hình 2, 3: Uri Cummings - Linearized And High Frequency Electrooptic Modulators - Thesis - page 12

Slide 23

 Chức năng: chuyển đổi năng lượng của tín hiệu quang thu

được thành tín hiệu điện; gồm 3 thành phần:

Thiết bị thu

Sơ đồ khối thiết bị thu

làvi thấu kính dùng hội

tụ năng lượng quang thu

được vào photodiode

Chuyển dòng điện thu được từphotodiode thành

tn hiệu nhịphân

in

P P

I = ℜ

Photodetector: là photodiode dùng để chuyển năng lượng quang thành dòng điện

Dòng ngỏ ra: Trong đó, ℜ gọi là đáp ứng (Responsivity) của

photodiode, giá trị khoảng 0.5 đến 0.8 (A/W)Pin là công suất quang chiếu vào photodiode

Slide 24

Sơ đồ nguyên tắc thiết bị thu

Trang 7

Slide 25

Đánh giá chất lượng bộ thu

2 thông số đánh giá chất lượng bộ thu:

 BER (Bit Rate Error): Tỉ lệ bit lỗi, thường phải nhỏ hơn 10-9

 Độ nhạy bộ thu (Receiver sensitivity):

Receiver sensitivity = BER theo công suất trung bình ngỏ vào bộ

thu (everage received Power) (dBm)

Slide 26

Xác định BER - Bit Error Rate

Nguồn: Chi Wi Chow - Lecture9 - National Chiao Tung University

Slide 27

Xác định BER - Bit Error Rate

Slide 28

Tính BER - Gaussian noise

Tính BER theo hàm phân bố xác suất Gaussian

(Gaussian probability distribution function)

2

x1n1

∑

=

= n

1 i i

x n

1 x

0 1

0 I 1 I Q

σ + σ

1 BER

erfc: Complementary error function Tham khảo: Govind P.Agrawal, “Fiber Optics Communication

Trang 8

Slide 29

Nguồn: http://www.chipsat.com/products/receivers/datasheet.php Slide 30

Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang

) Suy hao (Fiber losses) ) Tán sắc (Dispersion) ) Các ảnh hưởng phi tuyến khác

Trang 9

Slide 33

Công suất lan truyền trên sợi quang giảm dần theo qui luật hàm mũ

Nguyên nhân: sự hấp thu do chất liệu bên trong sợi quang, suy hao do tán xạ, do

uốn cong, các chỗ hàn nối, …

Độ suy hao khoảng 0,2dB/km; tức cứ 15km thì công suất suy hao 1/2

Độ trải xung trong thực tế thường có đơn vị là ps/ km, hoặc (ps/nm.km) để

chỉ mức độ tán sắc chất liệu trên mỗi km chiều dài sợi quang ứng với độ

Trang 10

Slide 37

Tán sắc Mode

Nguyên nhân do nguồn sáng phân tán thành nhiều tia sáng (mode)

truyền trong sợi quang với quãng đường khác nhau, nên thời gian

truyền khác nhau.

Các tia sáng phản xạ mặt

trong sợi quang Nguồn ảnh:

Govind P.Agrawal, “Fiber Optics

Communication Systems”, Third Edition, 2002

Các Mode truyền

Nguồn ảnh: Lê Quốc Cường - Bài giảng Cáp sợi quang

Slide 38

Tán sắc thể (Chromatic dispersion)

Nguồn ảnh: Lê Quốc Cường - Bài giảng Cáp sợi quang

Nguyên nhân: Do tín hiệu quang truyền không phải là đơn sắc Được phân làm 2 loại:

) Tán sắc chất liệu (Material dispersion) ) Tán sắc ống dẫn (Waveguide dispersion)→ Có thể điều chỉnh khi chế tạo

Slide 39

Tán sắc chất liệu

Các bước sóng khác nhau truyền với vận tốc khác nhau

Slide 40

Kết hợp Material dispersion & Waveguide dispersion

Có thể điều chỉnh Waveguide dispersion để di chuyển điểm Zero

dispersion đến vị trí bất kỳ!

Nguồn ảnh: Govind P.Agrawal, “Fiber Optics Communication Systems”, Third Edition, 2002

Trang 11

Slide 41

Tán sắc Mode phân cực

9 Trong các sợi đơn mode, tín hiệu truyền thường phân cực theo 2 hướng trực giao

9 Sự không hoàn hoả của sợi quang làm cho vận tốc truyền trên 2 hướng phân cực

là khác nhau

) Kết quả là các xung quang ở ngõ ra bị trải rộng

Tóm tắt các ảnh hưởng tán sắc

Nguồn: Lê Quốc Cường - Bài giảng Cáp sợi quang

Các ảnh hưởng phi tuyến

) Tán xạ Raman, tán xạ Brillouin; hiện tượng tự điều pha SPM

(self-phase modulation), biến điệu chéo pha XPM

(cross-phase modulation); hiện tượng trộn 4 bước sóng FWM (four

wave mixing), …

) Tuỳ ứng dụng mà các hiện tượng phi tuyến trong sợi quang

đôi khi tác động tích cực

) Các ảnh hưởng phi tuyến gắn liền với công suất phát

) Có thể bỏ qua trong hệ thống có công suất phát vừa phải (vài

mW) và tốc độ thấp (dưới 2.5Gb/s)

NỘI DUNG

3 Phân loại sợi quang

4 Các kỹ thuật điều chế quang tiên tiến (Advanced Modulation Formats)

Trang 12

Slide 45

Phân loại sợi quang

Sợi quang được phân làm 2 loại: Đa mode (Multi Mode) và đơn

mode (Single Mode)

 Step-index Fibers được ứng dụng đầu tiên, có đặc điểm là bị ảnh

hưởng bởi MultiMode dispersion;

 Graded-index Fibers khắc phục nhược điểm của Step-index Fibers

→ cho phép truyền xa hơn và tốc độ cao hơn;

Các sợi Multi Mode nói chung có độ suy hao lớn;

 Các sợi Single Mode Fibers ra đời sau, khắc phục nhược điểm của

sợi Multi Mode: MultiMode Dispersion, độ suy hao

 Hiện nay, suy hao của SMFs trung bình khoảng 0.2dB/km

Nguồn ảnh: www.fiber-optics.info

Slide 47

Kích thước sợi quang

Slide 48

3 loại sợi đơn mode (SMFs)

) NDSF (Non-Dispersion Shift Fiber) ) DSF (Dispersion Shift Fiber)

) NZ DSF (Non Zero Dispersion Shift Fiber)

Trang 13

Slide 49

NDSF (Non-Dispersion Shift Fiber)

9 Ra đời trước tiên

9 Triển khai rộng rãi

9 Sử dụng cho vùng 1310nm

9 Điểm không tán xạ (zero

dispersion) ứng với bước

sóng 1310nm.

9 Tán xạ cao ở vùng 1550nm Đồ thị tán xạ của NDSF

Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org

Slide 50

9 DSF: Điểm không tán xạ (zero dispersion) được dời đến bước sóng

1550nm.

9 Sử dụng cho các hệ thống thông tin ở vùng 1550nm

Đồ thị tán xạ của DSF

Nguồn: Web ProForum Tutorials - www.iec.org

NZ-DSF (Non Zero-Dispersion Shift Fiber)

9 Ra đời để khắc phục nhược điểm của

DSF (chỉ sử dụng tốt ở bước sóng

1550nm)

9 Sử dụng cho các hệ thống DWDM

(Dense Wavelength Division Multiplexing),

nhiều bước sóng trên cùng sợi quang

9 Hoạt động theo nguyên tắc bù tán xạ

) Cứ một đoạn toán xạ dương thì theo

20km (+D) và (-D)

Nguồn: www.fiber-optics.info

) Corning SMF 28 và SMF 28e ) Corning MetroCor

) Corning LEAF

Trang 14

Slide 53

Corning SMF 28 và SMF 28e

) Đây là 2 chuẩn được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện

thoại, truyền hình, cáp ngầm biển và nhiều ứng dụng khác;

) Chỉ khác nhau tại điểm suy hao ở 1440nm

Suy hao theo bước sóng của SMF 28 (trái) và SMF 28e (phải)

Corning MetroCor

) Thích hợp để truyền tốc độ cao trong khu vực đô thị hoặc khoảng cách tầm trung;

) Suy hao vào khoảng 0.2dB/km;

) MetroCor được chế tạo với độ tán sắc âm;

) Độ tán sắc từ -10 đến -1 (ps/nm.km) ứng với dải tần từ

1530 đến 1605 nm, và được tính theo công thức:

Nguồn: Corning - Product information

Slide 55

Corning Leaf

) LEAF (Large Effective Area Fiber) có vùng hiệu dụng lớn → giảm

các ảnh hưởng phi tuyến, dễ ghép nối với SMF 28 chuẩn

) Dùng cho các hệ thống DWDM tốc độ cao và khoảng cách xa

Trang 15

Slide 57

Trang 16

Slide 61

Slide 63

Cáp quang kim loại 8 sợi - Pirelli

Slide 64

NỘI DUNG

4 Các kỹ thuật điều chế quang tiên tiến

(Advanced Modulation Formats)

5 Mã đường truyền, hay mã dòng (Line coding)

Trang 17

Slide 65

(Advanced Modulation Formats)

Tóm tắt các kỹ thuật điều chế quang

Nguồn: Peter J Winzer - Rene-Jean Essiambre, “Advanced Optical Modulation Formats”

Thường sử dụng: NRZ-OOK (NonReturn to Zero On Off Keying), RZ-OOK (Return to

Zero OOK), CSRZ (Carrier Suppressed Return to Zero), DPSK (Differential Phase Shift

Keying), DQPSK (Differential Quadrature PSK)

Slide 66

Sơ lược về mã đường truyền (line coding)

Nguồn: VNPT

Slide 67

Sơ lược về mã đường truyền (line coding)

Được lựa chọn tuỳ mục đích sử dụng:

) Giảm nhiễu

) Tăng hiệu suất

) Khả năng phục hồi xung clock tại bộ thu

)

3 loại line coding thường gặp: NRZ (Non Return to Zero) ,

RZ (Return to Zero) và AMI (Alternate Mark Inversion)

Slide 68

Điều chế biên độ-Intensity Modulation

NRZ-OOK & RZ-OOK

RZ-OOK chuyển mức từ cao xuống thấp ở giữa bit → Băng thông tín hiệu tăng đôi

NRZ-OOK bị ảnh hưởng bởi nhiễu liên ký tự ISI, làm giảm BER

RZ OOK tăng độ nhạy bộ thu

Hiện tượng ISI -InterSymbol Interference Nguồn: L.N Binh, A Chua and G Alagaratnam, “Monash Optical Communication System Simulator for Optically Amplified DWDM Advanced Modulation Formats”

Phổ của NRZ & RZ ở cùng tốc độ bit

Nguồn: Peter J Winzer - Rene-Jean Essiambre, “Advanced

Trang 18

Slide 69

CSRZ-OOK (Carrier suppressed Return to Zero OOK)

Do RZ và NRZ có nhược điểm:

) Chứa thành phần DC → năng lượng tập

trung nhiều vào sóng mang → Hiệu suất

) RZ có nhiều ưu điểm so với NRZ nhưng

có phổ tăng gấp đôi Phổ của NRZ & RZ ở cùng tốc độ bit

Optical Modulation Formats”

Nguyên tắc tạo CSRZ OOK

Các xung quang luân phiên đảo pha

2 1 V U j V U j in

Slide 71

Trong CSRZ, các xung quang luân phiên đảo pha:

) Cường độ quang trung bình bằng 0 → carrier suppressed

) Băng thông tín hiệu CSRZ giảm phân nửa

Có thể nói CSRZ là cải tiến của RZ: có các ưu điểm của RZ

nhưng có băng thông tín hiệu tương đương NRZ

Slide 72

Thiết bị thu OOK

Trang 19

Slide 73

Điều chế pha -Phase Modulation

) BPSK - Binary Phase Shift Keying

) DPSK - Differential PSK

) QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

) DQPSK - Differential QPSK

Slide 74

Ưu điểm của điều chế pha

Các kiểu điều chế PSK có ưu điểm sau (so với OOK):

 Ở cùng BER (Bit Error Rate) thì OSNR (Optical Signal to Noise Ratio)

thấp hơn ít nhất 3dB (1);

Ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu phi tuyến như SPM (self phase modulation)và XPM (cross phase modulaion);

Có thể tăng hiệu quả sử dụng phổ bằng cách tăng số pha điều chế.

(1) Advanced Optical Modulation Formats - Page 17- Table 4

BPSK - Binary Phase Shift Keying

Là dạng đơn giản nhất của PM

Pha truyền là 0 hoặc π tuỳ theo dữ liệu nhị

phân vào là 1 hoặc 0

Biên độ sóng mang không thay đổi

Hạn chế: Nơi thu phải biết thông tin về pha đầu

của sóng mang → BPSK vi phân, hay DPSK

Q

I 1 0

Đồ thị điểm của BPSK

(Constellation diagram) Nguồn: en.wikipedia.org

DPSK - Differential Phase Shift Keying

Mã hoá dữ liệu vào thay vì phải gởi thông tin về pha gốc của sóng mang tại nơi thu;

Nguyên tắc: dịch pha sóng mang giữa các bit liền kề

Góc dịch pha là 0 hay π tuỳ theo dữ liệu nhị phân vào là 0 hay 1

⇒ Pha sóng mang DPSK phụ thuộc vào bit hiện tại và bit trước đó

Trang 20

Slide 77

Nguyên tắc điều chế DPSK

Chính là bộ điều chế BPSK có thêm bộ phận tiền mã hoá

(Precoder) hay mã hoá vi phân (Differential Encoder) phía trước

Từ sơ đồ điều chế:

Sơ đồ nguyên tắc điều chế DPSK

Nguồn: en.wikipedia.org

k1kek

Bộ giao thoa trì hoãn MZDI (Mach Zehnder Delay Interferometer)

chuyển sai lệch pha giữa 2 bít liền kề IM (Intensity Modulation)

Balanced Receiver được sử dụng để tăng độ lên 3dB

DPSK Balanced Receiver

Nguồn: Werner Rosenkranz, “Optical Communications”, chapter 8

QPSK - Quadrature Phase Shift Keying

Với 4 góc pha, QPSK mã hoá mỗi lần 2 bits

(thứ tự IQ) → symbol

) Cùng băng thông, QPSK tăng tốc độ (data

rate) gấp đôi so với BPSK;

) Cùng tốc độ thì QPSK chỉ cần một nửa băng

thông so với BPSK

Hạn chế: Nơi thu phải biết thông tin về pha

ban đầu của sóng mang góc → DQPSK

Đồ thị điểm của QPSK

(Constellation diagram) Nguồn: en.wikipedia.org

DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying

Không truyền 4 góc pha cố định ứng với từng dibits như QPSK

Dựa trên từng dibits chuỗi dữ liệu vào, dịch pha symbol hiện tại so với symbol trước đó

Trang 21

Slide 81

Sơ đồ điều chế DQPSK

Bộ precoder là hàm 4 bits: 2 bits nhị phân vào aIaQcủa symbol hiện tại và 2 bits trạng

thái pha I0Q0của symbol trước đó (2 bits ngỏ ra trước đó của bộ precoder)

Tuỳ cấu trúc của khối điều chế QPSK mà bộ precoder được thiết kế khác nhau

Line coding trong điều chế pha

Phân biệt: NRZ-DPSK và RZ-DPSK, NRZ-DQPSK và RZ-DQPSK → sự liên tục

của tín hiệu quang sau khi điều chế: dạng liên tục, dạng xung

NRZ-DQPSK & RZ-DQPSK

Băng thông: NRZ DQPSK chiếm ưu thế (trong cùng điều kiện)

Sự chuyển pha nhanh giữa các symbols liền kề trong NRZ DQPSK tạo nên ISI

RZ-DQPSK → tăng độ nhạy bộ thu (Receiver sensitivity)

Phổ của NRZ & RZ ở cùng tốc độ bit

Hiện tượng ISI -InterSymbol Interference Nguồn: L.N Binh, A Chua and G Alagaratnam, “Monash Optical Communication System Simulator for Optically Amplified DWDM Advanced Modulation Formats”

Phương pháp tạo RZ-DQPSK

Đối với pháp trực tiếp (a), lasers được phân cực cố định để phát quang liên tục

Đối với phương pháp gián tiếp (b), NRZ-DQPSK được tạo ra trước rồi mới đưa đến bộ khắc xung để tạo RZ-DQPSK

(a) Tạo RZ DQPSK trực tiếp dùng bộ

phận khắc xung

(b) Tạo RZ DQPSK gián tiếp từ

NRZ-DQPSK

Định dạng
Số trang	24
Dung lượng	1,83 MB