Sử dụng phần mềm optisystem để khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến hệ thống thông tin quang

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Bài mô phỏng số 1: Sử dụng phần mềm Optisystem để khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến hệ thống thông tin quang. Giảng viên: Tô Thị Tuyết Nhung Hà Nội, tháng 9, năm 2020 MỤC LỤC PHẦN I. LÝ THUYẾT VỀ THÔNG TIN QUANG 1 1. Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn thông tin quang 1 2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang 2 PHẦN II. THỰC HÀNH 4 1.Sơ đồ hệ thống 4 2. Xây dựng hệ thống thông và kết quả. 4 2.1 Yêu cầu thiết kế 4 2.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế 5 2.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế 11 3, Tổng kết 27 NHẬN XÉT 28   DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2 1: Thiết lập tham số toàn cục 5 Hình 2 2: Nguồn Laser phát CW Laser 6 Hình 2 3: Bộ tạo xung NRZ 7 Hình 2 4: Bộ tạo chuỗi bít 7 Hình 2 5: Bộ điều chế MachZehnder 8 Hình 2 6: Tuyến truyền dẫn quang 8 Hình 2 7: Bộ lặp 9 Hình 28: Thông số sợi bù tán sắc DCF 10 Hình 2 9: Độ lợi của bộ khuếch đại 10 Hình 2 10: Tuyến thu của hệ thống 11 Hình 2 11: BER Analyzer 11 Hình 2 12: Hệ thống quang đơn kênh theo yêu cầu 12 Hình 213: Đặt các thiết bị đo vào vị trí phù hợp 12 Hình 2 14: Tổng công suất phát 13 Hình 215: Công suất thu của kênh 13 Hình 2 16: Quang phổ tín hiệu phát 13 Hình 2 17: Quang phổ tín hiệu đầu thu 14 Hình 2 18: Phổ miền thời gian quang phía phát 14 Hình 219: Phổ miền thời gian quang phía thu 15 Hình 2 20: BER của kênh là 0.09 15 Hình 2 21: Hiển thị mắt quang 16 Hình 2 22: Thay đổi công suất phát quang 16 Hình 2 23: Đo tỉ số BER của kênh 17 Hình 2 24: Thay đổi bước sóng sợi quang 17 Hình 225: Đo tỉ số BER của kênh 18 Hình 2 26: Điều chỉnh số vòng lặp 18 Hình 2 27: Giữ bước sóng 1550nm 19 Hình 2 28: Đồ thị BER 19 Hình 2 29: Q Factor + Eye Diagram 20 Hình 2 30: Thực hiện nhập số lần quét 20 Hình 2 31: Chuyển chế độ cho Power để nhập giá trị quét 21 Hình 2 32: Chọn Linear để nhập tham số quét tự động 21 Hình 2 33: Đồ thị BER 22 Hình 2 34: Mắt quang 22 Hình 2 35: Power 23 Hình 236: Min log of BER 24 Hình 2 37: Q Factor at User define decision Instant 24 Hình 2 38: Nhập lại giá trị công suất phát 25 Hình 2 39: Hiển thị BER 25 Hình 240: Hiển thị mắt quang 26   LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. 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, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng. OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Với bài toán: “Khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến thông tin quang”, em xin trình bày về một hệ thống thông tin quang đơn kênh đơn giản để làm rõ sự ảnh hưởng của sợi quang đến chất lượng của hệ thống thông tin quang sử dụng phần mền OptiSystem. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của cô, các bạn để bài tập của em được hoàn thiện hơn.

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

-BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Bài mô phỏng số 1: Sử dụng phần mềm Optisystem để khảo sát ảnh

hưởng của sợi quang đến hệ thống thông tin quang.

Giảng viên: Tô Thị Tuyết Nhung

Hà Nội, tháng 9, năm 2020

MỤC LỤC

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuậtviễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lựcngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin Cùng với sự phát triển của kỹthuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thànhtựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang Tương laicáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là mộtmôi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thểthay thế được Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly

xa, không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, phù hợp với các tuyếnthông tin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện cácchức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hìnhdịch vụ hiện tại và tương lai

Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càngtrở nên phức tạp Để phân tích, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng cáccông cụ mô phỏng

OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang Phần mềm này cókhả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tinquang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế.Với bài toán: “Khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến thông tin quang”, em xintrình bày về một hệ thống thông tin quang đơn kênh đơn giản để làm rõ sự ảnhhưởng của sợi quang đến chất lượng của hệ thống thông tin quang sử dụng phầnmền OptiSystem

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránhkhỏi những thiếu xót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của cô, các bạn

để bài tập của em được hoàn thiện hơn

PHẦN I LÝ THUYẾT VỀ THÔNG TIN QUANG

1 Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn thông tin quang

- Độ rộng băng thông lớn (khoảng 15THz ở bước sóng nm) cho phép các hệ thốngWDM dung lượng lớn phát triển

- Dung lượng tải cao hơn bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang cóthể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng Điều này cho phép nhiềukênh đi qua cáp hơn

- Suy giảm tín hiệu ít nên tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng.Suy hao khi truyền dẫ sợi quang nhỏ đặc biệt ở vùng bước song 1300nm và1500nm

- Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không

bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp Điều này làm cho chất lượng tín hiệutốt hơn Ví dụ BER của sóng viba từ 10-3 10-5 và BER của sợi quang thấp hơn từ

10-9 10-11

- Tốc độ truyền tín hiệu cao với tốc độ truyền ánh ánh sáng 3.10 8 m/s

- Đường kính nhỏ, trọng lượng bé của sợi quang làm giảm khoảng không trong quátrình lắp đặt cáp

- Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao

và băng rộng

- Cho phép suy hao giữ máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả năng phản

xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyềndẫn

Thông tin quang còn cho phép truyền dẫn các tín hiệu có bước sóng khác nhau

- Độ tin cậy cao vì tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của môitrường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài, sự xuyên âm giữa các sợi quang và

cũng không chịu sự ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài như sóng điện từ, gió, sấmsét, … do sợi bằng thủy tinh.

- Môi trường truyền dẫn là điện môi nên không gây các hiện tượng đánh lửa, cótính cách điện cao, nên không có nguy cơ hỏa hoạn xảy ra

- An toàn thông tin cao hơn vì việc lấy cắp thoogn tin từ tín hiệu quang trên đườngtruyền là vô cùng khó khăn

- Chức năng xen/rẽ kênh đơn giản, vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên,

có băng thông lớn, tổn hao nhỏ, kích thước rọng lượng nhỏ nhẹ, nên chi phí củamột hệ thống quang có chi phí thấp

- Làm nền tảng của nhiều dịch vụ tương lai

- Không lo sét đánh lan truyền hay trực tiếp tác động đến hệ thống

- Không suy hao theo thời gian, công việc bảo hành, khắc phục sự cố gọn nhẹ,nhanh chóng

2 Nhược điểm của hệ thống thông tin quang

- Công nghệ chế tạo khó, hàn nối phức tạp, yêu cầu cáp phải càng thẳng càng tốt,không gập

- Không thể truyền mã lưỡng cực

- Cáp nhanh hỏng khi bị nước hay hơi lọt vào, các mối hàn có thể nhanh chóng lão hóa làm tổn hao quá trình truyền dẫn

- Chi phí hàn nối và thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng

- Dễ gãy dứt và khó khan trong việc thi công ở các địa hình phức tạp

- Không truyền dẫn được nguồn năng lượng có công suất lớn, chỉ hạn chế ở mứccông suất cỡ vài miliwat.

- Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li của hệ thốngtruyền dẫn Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dungcap kim loại

- Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chínhxác tuyệt đối nhất là trong vệc hàn nối

- Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian khó vì không lợi dụng luôn đượcđường truyền như ở trong hệ thống thông tin điện

 Thiết bị hiển thị BER.

2 Xây dựng hệ thống thông và kết quả.

2.1 Yêu cầu thiết kế

Bài toán: Sử dụng phần mềm optisystem mô phỏng hệ thống thông tin quang đơn

kênh với các thông số như sau:

Tham số toàn cục:

• Tốc độ bít 2,5Gbps

• Chiều dài chuỗi 128bits

• Số mẫu trong một bít 64

Đưa thiết bị đo vào mô hình mô phỏng Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các

vị trí phù hợp để xác định được chất lượng và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiếttrên tuyến

• Thiết bị phân tích phổ quang

• Thiết bị đo công suất quang

• Thiết bị đo BER

Chạy mô phỏng trên phần mềm OptiSystem

Hiển thị các kết quả mô phỏng bằng thiết bị đo đặt trên tuyến

Thay đổi các tham số

• Bước sóng sợi quang

Bộ khuếchđại

Bộ phát

Bộ thuquangSợi SMF

• Công suất nguồn phát

• Chiều dài sợi quang

2.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế

Kênh quang bao gồm nguồn phát quang Lazer CW lazer, bộ phát xung NRZ PulseGenarator, bộ phát bit điện Pseudom-Radom Bit Sequence Genarator, bộ điều chếMachzehnder

Thiết lập tham số toàn cục

Bit rate = 2.5e + 009 bit/s = 2,5Gbps

Bit sequence length = 128 bits

Samples per bit = 64

Số mẫu = Chiều dài chuỗi × Số mẫu trong một trong một bit = 128×64=8192

Hình 2-1: Thiết lập tham số toàn cục

Hình 2-2: Nguồn Laser phát CW Laser

Bộ tạo xung NRZ

Hình 2-3: Bộ tạo xung NRZ

Bộ tạo chuỗi bit

Hình 2-4: Bộ tạo chuỗi bít

Bộ điều chế ngoài

Hình 2-5: Bộ điều chế Mach-Zehnder

Tuyến truyền dẫn quang

Hình 2-6: Tuyến truyền dẫn quang

Sợi quang sử dụng sợi quang đơn mode chuẩn có các tham số tại cửa sổ truyền 1550nm thì:

 Suy hao sợi: 0.2dB/km

Hình 2-8: Thông số sợi bù tán sắc DCF

Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng bộ khuếch đại

EDFA để bù suy hao sợi

+L1=40km thì suy hao sợi là: 40×0.2=8dB

Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 8dB

+ L2=10km thì suy hao sợi là: 10×0.2=5dB

Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 5dB

Hình 2-9: Độ lợi của bộ khuếch đại

Tuyến thu của hệ thống

Hình 2-10: Tuyến thu của hệ thống

Thiết bị đo BER

Hình 2-11: BER Analyzer

2.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế

Hình 2-12: Hệ thống quang đơn kênh theo yêu cầu

Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng.

Hình 2-13: Đặt các thiết bị đo vào vị trí phù hợp

Kết quả mô phỏng

 Công suất tín hiệu phát

Hình 2-14: Tổng công suất phát

 Công suất tín hiệu thu

Hình 2-15: Công suất thu của kênh

 Quang phổ tín hiệu phát

Hình 2-16: Quang phổ tín hiệu phát

 Quang phổ tín hiệu thu

Hình 2-17: Quang phổ tín hiệu đầu thu

 Phổ miền thời gian quang

Hình 2-18: Phổ miền thời gian quang phía phát

Hình 2-19: Phổ miền thời gian quang phía thu

Tỉ lệ lỗi bit BER

 BER của kênh

Hình 2-20: BER của kênh là 0.09

BER của kênh quá lớn nên không hiển thị đồ thị của BER

 Mắt quang

Hình 2-21: Hiển thị mắt quang

Khi thay đổi một trong các tham số hệ thống thì tỉ số lỗi bít BER sẽ thay đổi theo

Thay đổi tham số

 Công suất phát

Hình 2-22: Thay đổi công suất phát quang

Hình 2-23: Đo tỉ số BER của kênh

 Bước sóng sợi quang

Với các tham số về công suất, tần số nguồn phát, tốc độ bit như trên, thay đổi bướcsong sợi quang từ 1550nm xuống 1330nm

Hình 2-24: Thay đổi bước sóng sợi quang

Hình 2-25: Đo tỉ số BER của kênh

 Chiều dài sợi quang

Hình 2-26: Điều chỉnh số vòng lặp

Hình 2-27: Giữ bước sóng 1550nm

Hình 2-28: Đồ thị BER

Hình 2-29: Q Factor + Eye Diagram

Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER như mong muốn

Thực hiện quét tham số để hệ thống có BER = 10 -12

Lựa chọn tham số quét là Power, để có được đồ thị quan hệ giữa công suất và BER

Sử dụng quét 10 lần, quét từ 0.17 tới 0.172 (dBm)

Hình 2-30: Thực hiện nhập số lần quét

Hình 2-31: Chuyển chế độ cho Power để nhập giá trị quét

Hình 2-32: Chọn Linear để nhập tham số quét tự động

Hình 2-33: Đồ thị BER

Hình 2-34: Mắt quang

Report quan hệ giữa Công suất (P) và Min log of BER, P và Q-Factor

Hình 2-35: Power

Hình 2-36: Min log of BER

Hình 2-37: Q Factor at User define decision Instant

Từ đó tìm được giá trị công suất tương ứng đạt được BER = 10 -12là P= 0.1708dBm

Kiểm tra lại

Hình 2-38: Nhập lại giá trị công suất phát

Hình 2-39: Hiển thị BER

 Khi công suất tăng thì trong một khoảng Min log of BER giảm, và ngược lạivới Q-Factor Đúng với những khảo sát trên lý thuyết Sự thay đổi công suấtđầu vào và đầu ra của sợi quang, do ảnh hưởng của các yếu tố tán sắc và phituyến (SPM,…)

 Sự ảnh hưởng của công suất đầu vào với đồ thị BER có thể thấy rõ hơn nếutăng khoảng giá trị quét của tham số công suất rộng hơn Có thể thấy, ở mộtgiá trị nào đó của công suất, Min log of BER sẽ tăng lên mà không giảm đi.

 Có thể dựa vào đồ thị ở phần report tìm ra được mức công suất phù hợp để

hệ thống thiết kế đạt được BER như yêu cầu

3, Tổng kết

Sau bài thực hành, những kiến thức em nhận được là:

 Biết thêm về ưu điểm và nhược điểm của thông tin quang, từ đó thấy đượclợi ích và tầm quan trọng của thông tin quang

 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống quang và nguồn gốc củachúng

 Sử dụng và tìm hiểu được nhiều tính năng có ích của phần mềm OptiSystem,

từ đó ứng dụng với kiến thức để có cái nhìn rõ hơn về hệ thống quang và các yếu tố tác động

NHẬN XÉT

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………