thông tin quang , bài tập, thông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpvvthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpvthông tin quang , bài tậpthông tin quang , bài tậpv
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ KÊNH
QUANG WDM 4 KÊNH
Giáo viên hướng dẫn: Lê Thị Cẩm Hà
Sinh viên thực hiện: Bùi Lê Công Hải
Mai Trung Đức Phạm Đức Thái Bình Sinh viên lớp: ĐTVT-k38a
Khoa: Kỹ thuật và công nghệ
Trang 2MỤC LỤC
THIẾT KẾ KÊNH QUANG WDM 4 KÊNH BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM
I PHẦN MỞ ĐẦU
Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp Để phân tích và thiết kế các hệ thống này bắt buộc chúng ta phải sử dụng các công cụ mô phỏng Và Optisystem là một phần mềm rất hữu ích
để chúng ta mô phỏng hệ thống thông tin quang
Phần mềm Optisystem có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều các hệ thống thông tin quang dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế Bên cạnh đó, phần mềm này cũng có thể dễ dàng mở rộng cho người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử do mình tự định nghĩa vào Phần mềm này rất thân thiện và khả năng hiển thị trực quan
Trong bài báo cáo này, nhóm chúng em sẽ thực hiện “Thiết kế kênh quang wdm
4 kênh bằng phần mềm Optisystem” Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài tập, nhưng
do thời gian có hạn và thiếu kinh nghiệm cũng như kỹ năng chưa cao nên việc
Trang 3phân tích và thiết kế còn nhiều thiết sót, mong cô góp ý , bổ sung để chúng em hoàn thiện bài tốt hơn nữa Chúng em xin chân thành cảm ơn!
II Tổng quan hệ thống WDM
1 Định nghĩa:
Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được ghép lại và truyền chung trên một đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)
2 Các dải băng tần hoạt động trong WDM:
O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 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
3 Phân loại hệ thống WDM:
Gồm 2 loại:
Hệ thống đơn hướng
Trang 4Đặc điểm:
- Khi có sự cố, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ
tự động APS
- Thiết kế hệ thống song hướng khó hơn
- Các hệ thống khuếch đại trong hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp hơn
so với hệ thống đơn hướng nhưng có công suất đầu ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng
4 Ưu nhược điểm hệ thống WDM:
* Ưu điểm
Tăng băng thông truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để truyền trên 1 sợi quang
- Tính trong suốt
- Khả năng mở rộng
Hiện tại chỉ duy nhất công nghệ WDM cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network)
* Nhược điểm:
Chưa khai thác hết băng tần hoạt động có thể của sợi quang
Trang 5Quá trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp hơn gấp nhiều lần.
Nếu hệ thộng sợi quang đang sử dụng là sợi DSF theo chuẩn G.653 thì rất khó triển khai WDM vì xuất hiện hiện tượng trộn 4 bước sóng khá gay gắt
5 Các thành phần cơ bản trong hệ thống WDM:
- Bộ phát quang
- Bộ thu quang
- OMUX / ODEMUX
- Sợi quang
- Bộ khuếch đại quang (OA)
- Bộ xen rẽ bước sóng (OADM)…
6 Các vấn đề cần quan tâm trong hệ thống WDM:
Khoảng cách giữa các kênh: Khoảng cách kênh là độ rộng tần số tiêu chuẩn giữa các kênh gần nhau Việc phân bổ kênh một cách hợp lý trong dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần và giảm ảnh hưởng phi tuyến tính giữa các kênh gần nhau Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này:
• Tốc độ truyền dẫn của từng kênh
• Quỹ công suất quang
• Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến
• Độ rộng phổ của nguồn phát
Trang 6• Khả năng tách/ghép của các thiết bị WDM
Suy hao quỹ công suất của hệ thống WDM:
Trong bất kỳ hệ thống số nào thì vấn đề quan trọng là phải đảm bảo được tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) sao cho đầu thu có thể thu được tín hiệu với một mức BER cho phép
Để máy thu thu được thông tin thì công suất tín hiệu đến máy thu phải nằm trong dải công suất của máy thu
Pmáy phát = Pphát + Pdự trữ
Pthu min < P phát - Ptổng suy hao < Pthu max
- Như vậy để đảm bảo được thông tin thì công suất phát phải càng lớn khi cự ly truyền dẫn càng lớn Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống WDM:
- Trong hệ thống thông tin quang, các hiệu ứng phi tuyến sẽ xảy ra khi công suất của tín hiệu trong sợi quang vượt quá một mức nào đó Đối với các hệ thống WDM thì mức công suất này cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn kênh Các hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM chủ yếu gồm: Hiệu ứng SPM, XPM, FWM, SBS và SBR Các hiệu ứng này có thể chia thành hai loại:
- Hiệu ứng tán xạ: Bao gồm các hiệu ứng SBS và SBR
- Các hiệu ứng liên quan đến hiệu ứng Kerr: Bao gồm hiệu ứng SPM, XPM và FWM
Trang 7III Bộ khuếch đại quang EDFA
1 Cấu tạo:
- EDFA có thành phần chình gồm một đoạn ngắn cáp quang có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium
- Ngoài ra EDFA còn có một laser bơm để cung cấp năng lượng cho đoạn EDF, một bộ ghép bước sóng WDM để ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh sáng bơm vào đoạn EDF và bộ phân cách để hạn chế ánh sáng phản
xạ từ hệ thống
2 EDFA trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng:
Để nâng cao chất lượng của hệ thống truyền dẫn WDM, kỹ thuật khuếch đại quang sự dụng trong hệ thống WDM cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Băng tần đủ tăng ích bằng phẳng, hệ số tạp âm thấp và công suất đưa ra cao Đặc biệt là tăng ích bằng phẳng vì đây là yêu cầu đặc biệt của hệ thống truyền dẫn WDM đối với EDFA
Phổ khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng
Trang 8Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh
EDFA phải có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào và điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại đối với tất cả các kênh
3 Các vị trí đặt EDFA trong tuyến cáp sợi quang:
Trang 9- Trường hợp BA (đặt ngay sau máy phát): Cho tỷ số SNR lớn hơn trong trường hợp khoảng cách truyền dẫn ngắn, dễ giám sát và điều khiển Tuy nhiên, công suất ngõ ra không được cao quá 15dBm do điều kiện kết nối với sợi quang Điều này giới hạn độ khuếch đại của EDFA và công suất phát
- Trường hợp PA (đặt ngay trước máy thu): Có thể cho công suất đến máy thu lớn Tuy nhiên, nhiễu tại đầu ra của EDFA sẽ có giá trị lớn tại đầu vào máy thu
do ít bị suy giảm Điều này giới hạn tỷ số SNR
- Trường hợp PA (đặt giữa đường truyền): Ở trường hợp này, ta có thể tăng công suất phát và hệ số khuếch đại EDFA một cách hợp lý để đạt được công suất tín hiệu và SNR thích hợp
IV Sợi quang đơn mode chuẩn G.652
Cấu tạo sợi quang:
Sợi quang sử dụng là loại đơn mode Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và các chất phụ gia khác, đảm bảo có chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ số chiếc suất của lớp vỏ phản xạ Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2 Lớp bảo vệ sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không
bị suy hao do uốn cong và trầy xước
Các yếu tố ảnh hưởng:
Trang 10- Có 3 yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông tin quang, bao gồm : Tán sắc, suy hao, hiệu ứng phi tuyến Đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này cũng khác nhau:
+ Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao
+ Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc
+ Đối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài hai yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến
- Sợi quang đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống là sợi đơn mode SMF-28, G.652 Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang này theo chuẩn của sợi quang đơn mode chuẩn Các đường cong mô tả tán sắc và suy hao của sợi đơn mode cho thấy rằng suy hao của sợi đạt giá trị nhỏ nhất ở vùng bước sóng 1550 nm nhưng tán sắc có giá trị thấp nhất lại ở bước song 1300 nm
V Thiết kế hệ thống WDM bằng Optisystem
1 Bài toán:
Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA với các yêu cầu thiết kế như sau:
Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s
Trang 11Chiều dài chuỗi: 128 bits.
Số mẫu trong 1 bit: 64
Cự ly truyền dẫn: 50 km
Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh Sử dụng
Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn(G.652)
Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser
Phương thức điều chế: điều chế ngoài
Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel Sử dụng các thiết bị
đo cơ bản:
- Thiết bị đo công suất quang
- Thiết bị phân tích phổ quang
- Thiết bị đo BER
2 Thiết kế hệ thống:
• Phía phát
Nguồn phát quang lazer CW lazer array
Bộ phát xung RZ pulse genarator
Bộ phát bít điện User Defined Bit
Điều chế Mach-zehnder Modulator
Trang 12Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát Thiết bị được sắp xếp như trên được goi là phương pháp điều chế ngoài
Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1
• Phía thu
Bộ tách kênh Demux 1x4
PIN kết hợp bộ lọc thông thấp Bessel
Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, genarator 3R được đặt ở vị trí thích hợp
Trang 13• Môi trường truyền dẫn
Chúng ta sử dụng sợi quang G652 với các thông số đặc trưng theo chuẩn
ITU-T G.652:
+ Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm: 0.2 dB/km
+ Hệ số tán sắc tại bước sóng 1550nm: 16.75 ps/nm.km
+ Độ dốc tán sắc không:0.075ps/nm2.km
+ Hệ số tán sắc mode phân cực PMD: 0.2 ps/km1/2
Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng sợi
bù tán sắc DCF Như vậy việc bù tán sắc là cần thiết để đạt chất lượng tín hiệu đầu
ra cao, và BER có giá trị nhỏ
- Thông số sợi bù tán sắc DCF:
Trang 14Biết D1(hệ số tán sắc G.652)=16.75 ps/nm/km, 1(hệ số suy hao G.652)=0.2 dB/km, S1(độ dốc tán sắc G.652)=0.075ps/nm2/km
D2(hệ số tán sắc DCF)= -85 ps/nm/km, 2(hệ số suy hao DCF)=0.5, dB/km
Mà: S2 = - S1*(L1/L2) = - S1*(D2/D1)
=> S2= -0.075ps/nm2/km (-85 ps/nm/km : 16.75 ps/nm/km)= 0.38ps/nm2/km
=> L2= | -(L1*D1)/D2 | Chọn L1=50 km => L2=9.8 km Để đáp ứng yêu cầu
đề bài với cự ly truyền dẫn là 300 km thì phải chọn L2= 10 km
=> Số vòng Loop cần dùng là: 300/(50+10) = 5
- Vòng lặp (hạn chế sự cồng kềnh cho hệ thống mà vẫn đảm bảo cự ly truyền dẫn)
Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây ra suy hao sợi quang, và làm suy giảm công suất phát tín hiệu Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện nên khi thiết kế hệ thống WDM sử dụng thêm bộ khuếch đại EDFA Với hệ số khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên tuyến
+ Gọi G1 là hệ số khuếch đại của EDFA1 G2 là hệ số khuếch đại của EDFA 2
Công thức: G2 = |G1 – α1 × L1 – L2 × α2|
=> Chọn G1= 10 dB thì G2 = |10 – 0.2 ×50 - 0.2 × 4 |= 0.8 dB
Trang 15Các tham số toàn cục bao gồm có:
-Tốc độ bit (Bit rate)= 10 Gbit/s
-Chiều dài chuỗi bit (Bit Sequence length)= 128 bit
-Số lượng mẫu trên mỗi bit (Number of samples per bit)= 64
Các tham số trên được sử dụng để tính toán:
Cửa sổ thời gian (Time Window)= chiều dài chuỗi bit * 1/ tốc độ bit
- Cửa sổ thời gian = 128*1/ 10000000000= 1.28* 10^-8(s)
Số lượng mẫu (Number of samples)= chiều dài chuỗi bít* số mẫu trên một bit:
- Số lượng mẫu = 128* 64=8192
Trang 16Tốc độ lấy mẫu (sample rate)= số lượng mẫu / cửa sổ thời gian.
- Tốc độ lấy mẫu = 8192/ 1.28*10^- 8=640000000000 (Hz)
Thay đổi thông số để đạt Ber bằng 10^-12 theo yêu cầu.
- Có rất nhiều cách thay đổi chỉ số BER của hệ thống:
+ Thay đổi tốc độ bit
+ Thay đổi công suất phát
+ Thay đổi hệ số khuếch đại
+ Thay đổi cự ly truyền dẫn
Trong phần mô phỏng theo yêu cầu đề bài, để chuyển Ber = 10-12 ta chọn phương pháp thay đổi công suất nguồn phát
Đối tượng chủ yếu cần thay đổi thông số trong mạch đó công suất phát quang laser
- Do hệ thống WDM thực hiện tốc độ 10Gbit/s có dải tần 100Ghz Nên khoảng
cách của các băng tần này là 0.8nm (Băng C)
- Giả sử chọn frequency của CW lazer = 1552.52nm thì các kênh tiếp theo có giá trị hơn kém nhau là 0.8nm
Tương đương dải tần của laser ở đơn vị THz cho 4 laser đầu vào lần lượt là: + Kênh 1 chọn tần số 193, THz
+ Kênh 2 chọn tần số 193,2 THz
Trang 17+ Kênh 3 chọn tần số 193,5 THz
+ Kênh 4 chọn tần số 193,7 THz
Thiết lập tham số quét: Mục đích của việc này là tìm ra mức công suất phát
phù hợp để đo được chỉ số BER hợp lý trên đường truyền Với 14 lần quét các mức công suất khác nhau sẽ thu được các giá trị BER khác nhau và từ đó tìm ra mối liên hệ giữa công suất phát và BER
Xem các thông số qua các thiết bị đo:
- Đo công suât đầu vào máy thu
Trang 18- Đo công suất đầu ra máy phát.
Trang 19VI Kết Luận
Do nhu cầu ngày càng gia tăng về dung lượng truyền dẫn, hệ thống WDM sẽ đáp ứng được nhu cầu hiện nay Tuy nhiên, nếu sử dụng các bộ khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM thì số lượng kênh của WDM lại bị hạn chế.Trong hệ thống thông tin quang WDM cự ly dài cần phải có bộ khuếch đại chuyển tiếp đối với tín hiệu quang Yêu cầu quan trọng đối với bộ khuếch đại trong
hệ thống WDM là bộ khuếch đại quang phải sử dụng công nghệ tăng ích bằng phẳng Hiện nay người ta thường sử dụng bộ khuếch đại quang pha trộn Erbium (EDFA) vì nó có cùng một tăng ích như nhau đối với tín hiệu quang có bước sóng khác nhau.Bộ khuếch đại EDFA khắc phục được nhiều hạn chế của trạm lặp như: hạn chế về băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp…thể hiện rõ tính ưu việt của kỹ thuật dẫn trên cáp sợi quang
Qua quá trình thực hiện bài tập lớn của môn học “ Thông tin quang” chúng em thấy mình đã thu được các kết quả như sau: Hiểu biết thêm về phương pháp phân tích và thiết kế một hệ thống quang Từ đó đã áp dụng để phân tích thiết kế bài “ Thiết kế kênh quang wdm 4 kênh” với sự giúp đỡ của phần mềm Optisystem Có được những kinh nghiệm thực tế, đồng thời thu nhận được rất nhiều những kiến thức khác từ quá trình làm bài tập Thử nghiệm được công cụ Optisystem để thiết
kế hệ thống quang Tiến hành phân tích, thiết kế hệ thống kênh quang wdm 4 kênh bằng phương pháp mô phỏng một cách hoàn thiện, đầy đủ