Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là: • Diode Laser LD hoặc Diode phát quang LED.. Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào
Trang 1Đại học bách khoa hà nội
Khoa ĐTVT
…o0o…
Báo cáo Bài Tập Lớn
Đề tài: Thiết kế hệ thống WDM bằng Opticsystem v7.0
Sinh viên báo cáo:
Nguyễn Thị Thùy Giang 20093807
Giáo viên hướng dẫn:
TS.Nguyễn Hoàng Hải
Hà nội, 01/05/2012
Trang 2Báo cáo Bài tập lớn môn Thông tin Quang 1: Các phần tử trong một hệ thống WDM
1.1: Bộ phát quang.
Các nguồn quang cơ bản sử dụng trong hệ thống thông tin cáp sợi quang có thể là:
• Diode Laser (LD) hoặc Diode phát quang (LED)
• Laser Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là : Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser.
• Tín hiệu quang phát ra từ LD hoặc LED có các tham số biến đổi tương ứng với biến đổi của tín hiệu điện vào Tín hiệu điện vào có thể phát ở dạng số hoặc tương tự Thiết bị phát quang sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện vào thành tín hiệu quang tương ứng bằng cách biến đổi dòng vào qua các nguồn phát quang Bước sóng ánh sáng của nguồn phát quang phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu chế tạo phần tử phát Ví dụ GaalAs phát ra bức xạ vùng bước sóng 800 nm đến 900 nm, InGaAsP phát ra bức xạ ở vùng 1100 nm đến 1600 nm
• Sử dụng bộ điều biến ngoài để giảm chirp, tốc độ điều biến cao và tạo các định dạng tín hiệu quang khác nhau (NRZ, RZ, CS-RZ, DPSK …) và đảm bảo tín hiệu quang có độ rộng phổ hẹp tại bớc sóng chính xác theo tiêu chuẩn.
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 tố khác nhau như nhiệt
độ, dòng định thiên, độ già hoá linh kiện Ngoài ra, để tránh xuyên nhiễu cũng như tạo điều kiện cho phía thu dễ dàng tách đúng bước sóng thì nhất thiết độ ổn 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 tần cho trước, cộng với yêu cầu khoảng cách các kênh nhỏ cho nên độ rộng đường phổ càng hẹp càng tốt, nếu không, xuyên nhiễu kênh lân cận xảy ra khiến lỗi bít tăng cao, hệ thống không đảm bảo chất lượng Muốn đạt được điều này thì nguồn phát laser phải là nguồn đơn mode (như các loại laser hồi tiếp phân bố, laser hai khoang 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 tránh cho máy thu chịu ảnh hưởng của nhiễu nền (phát sinh do có công suất nền lớn).
Trang 3• 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 kênh động càng cần khả năng có thể điều chỉnh được bước sóng.
• Tính tuyến tính: Đối với truyền thông quang, sự không tuyến tính của nguồn quang sẽ dẫn việc phát sinh các sóng hài cao hơn, tạo ra các xuyên nhiễu giữa các kênh.
• 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 truyền thông số, đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt.
1.2 : 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 đổi thành tín hiệu điện theo yêu cầu cụ thể Trong phần này thường sử dụng các photodiode PIN hoặc APD Yêu cầu quan trọng nhất đối với bộ thu quang là công suất quang phải nhỏ nhất (độ nhạy quang) có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với t lệ lỗi bít (BER) cho phép.
1.3 : Sợi quang.
Cấu tạo sợi quang :
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:
• Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy 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 lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2 < n1.
(Hình vẽ) Phân loại sợi quang :
Phân loại theo chiết suất:
• Sợi quang chiết suất bậc SI (Step-Index)
• Sợi quang chiết suất biến đổi GI (Graded-Index)
Phân loại theo mode
• Sợi đơn mode (Single-Mode)
• Sợi đa mode (Multi-Mode)
Xét một số sợi quang cơ bản :
Trang 4• Sợi quang G652 : Là sợi đơn mode được sử dụng phổ biến trên mạng lưới viễn thông nhiều nước hiện nay Nó có thể làm việc ở 2 cửa sổ:
o Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn.
o Ở cửa sổ 1550nm: G652 có suy hao truyền dẫn nhỏ nhất và hệ số tán sắc tương đối lớn (xấp xỉ 20ps/nm.km).
• Sợi quang G655 : Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau:
o Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn.
o Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao.
o Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang.
o Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến.
o Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) khuếch đại các tín hiệu quang trong cửa sổ
C, điều này lý tưởng cho loại sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).
1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX)
Định nghĩa : Bộ ghép/ tách kênh bước sóng, cùng với vộ kết nối chéo quang, là thiết bị quan trọng nhất cấu thành nên hệ thống WDM Khi dùng kết hợp với bộ kết nối chéo quang OXC sẽ hình thành nên mạng truyền tải quang, có khả năng truyền tải đồng thời và trong suốt mọi loại hình dịch vụ,
mà công nghệ hiện nay đang hướng tới.Bộ tách /ghép kênh thực hiện ghép tách tín hiệu ở các bước sóng khác nhau
Bộ ghép/ tách kênh bước sóng thường được mô tả theo những thông số sau:
• Suy hao xen.
• Số lượng kênh xử lý.
• Bước sóng trung tâm.
• Băng thông.
• Giá trị lớn nhất của suy hao xen.
• Độ suy hao chen giữa các kênh.
Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:
Trang 5• OADM ( Optical Add/Drop Multiplexer) thường được dùng trong các mạng quang đô thị
và các mạng quang đường dài vì nó cho hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt đối với cấu hình mạng tuyến tính, cấu hình mạng vòng.
• OADM được cấu hình để xen/ rớt một số kênh bước sóng,các kênh bước song còn lại được
cấu hình cho đi xuyên qua.
Các cấu trúc cho OADM :
• Cấu trúc song song : tất cả các kênh tín hiệu đều được giải ghép kênh Sau đó một số kênh tùy ý được cấu hình rớt, các kênh còn lại cấu hình cho đi xuyên qua một cách thích hợp.
• Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo từng modun cho cấu trúc song song.
• Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi vào OADM.
Cấu trúc xen rớt theo băng sóng : trong cấu trúc này một nhóm cố định kênh bước sóng thực hiện xen/ rớt tại mỗi nút mạng OADM Các kênh được thiết lập thực hiện xen/rớt là các kênh liên tiếp nhau trong một băng sóng, sẽ được lọc bởi một bộ lọc có băng thông là dải bước sóng Sau đó chúng được đưa lên mức ghép kênh cao hơn và từ đó giải ghép kênh thành các kênh bước sóng riêng lẻ.
1.4.6 Bộ nối chéo quang: (OXC)
Định nghĩa : OXC là thiết bị đáp ứng yêu cầu về khả năng linh động trong việc cung ứng dịch vụ,
hay đáp ứng khả năng đáp ứng được sự tăng băng thông đột biến của các dịch vụ đa phương tiện.
Các yêu cầu đối với OXC :
• Cung cấp dịch vụ.
• Bảo vệ.
• Trong suốt đối với tốc độ truyền dẫn bit.
• Giám sát chất lượng truyền dẫn.
• Chuyển đổi bước sóng.
• Ghép và nhóm tín hiệu.
1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier)
Trên thực tế hiện nay các tuyến thông tin tốc độ cao người ta sử dụng bộ khuếch đại quang làm các trạm lặp, chủ yếu là các bộ khuếch đại đường dây pha tạp Eribum (EDFA) Các bộ khuếch đại này có ưu điểm là không cần quá trình chuyển đổi O/E và E/O mà thực hiện khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang.
Lợi ích:
Trang 6• Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới hạn bởi suy hao.
• Tăng độ nhạy của bộ thu.
• Nâng cao mức công suất phát.
• Độc lập về tốc độ và định dạng tín hiệu, khuếch đại tín hiệu đa kênh WDM đồng thời.
• Nâng cấp đơn giản.
Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại quang lý tưởng
• Hệ số khuếch đại và mức công suất đầu ra cao với hiệu suất chuyển đổi cao.
• Độ rộng băng tần khuếch đại lớn với hệ số khuếch đại không đổi.
• Không nhạy cảm với phân cực.
• Nhiễu thấp.
• Không gây xuyên kênh giữa các tín hiệu WDM.
• Suy hao ghép nối với sợi quang thấp.
Phân loại :
• Vào : giống như laser bán dẫn nhưng được phân cực dưới ngưỡng.
• Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm: khuếch đại xảy ra trong sợi quang pha tạp đất hiếm, phổ biến là bộ EDFA.
• Ra : khuếch đại xảy ra trong sợi quang nhờ mức công suất bơm cao.
1.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng
Bộ chuyển đổi bước sóng là thiết bị chuyển đổi tín hiệu có bước sóng này ở đầu vào ra thành tín hiệu có bước sóng khác ở đầu ra Đối với hệ thống WDM, bộ chuyển đổi bước sóng cho nhiều ứng dụng hữu ích khác nhau :
• Tín hiệu có thể đi vào mạng với bước sóng không thích hợp khi truyền trong WDM
• Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử dụng tài nguyên bước óng hiệu quả hơn, linh động hơn.
• Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:
o Phương pháp quang điện.
o Phương pháp cửa quang.
o Phương pháp giao thoa.
Trang 7• Kết nối này thuận lợi cho việc bảo dưỡng, hiệu năng cao ,chi phí thấp, sử dụng phần tử mạng một cách hiệu quả.
2.2 : Cấu trúc mạng Mesh
(hình vẽ )
• Các node liên kết vật lý trực tiếp với tất cả node gần nó
• Cung cấp nhiều khả năng định tuyến
• Cấu trúc có độ tin cậy cao nhưng kết cấu phức tạp
2.3 Cấu trúc mạng hình sao
2.3.1 : Cấu trúc mạng hình sao đơn.
(hình vẽ)
• Chọn một node làm trung tâm tín hiệu sẽ được truyền đến các node như hình trên
• Cấu trúc mạng đơn giản, cho phép truyền dung lượng lớn
• Node trung tâm phải có khả năng truyền và sử lý với dung lượng lớn
2.3.2 : Cấu trúc mạng hình sao kép.
(Hình vẽ)
• Cấu trúc kép cho phép sư dụng hiệu quả vì mỗi nhánh có thể có nhiều node con.
• Cấu trúc này có nhược điểm do sử dụng thiết bị đấu cuối nên tăng chi phí lắp đặt.
• Cấu hình phức tạp cũng làm giảm độ tin cậy Khó phát triên dịch vụ băng thông rộng.
2.3.3 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp.
• Ứng dụng cấu trúc mạng ring hai lớp được sử dụng trên thực tế để kết nối giữa các cấu trúc ring riêng biệt tao thành một mang liên kết lớn.
• Tốc độ giữa các node trong mang ring thì cao, ngược lại tốc độ giữa các mang ring tương đối chậm.
2.4: Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp
Tương tự như mạng ring hai lớp mạng mesh và mang ring hai lớp tạo kết nối giữa mang nội bộ với các mang nội bộ khác
Trang 82: Mô phỏng tuyến thông tin quang WDM bằng phần mềm Optisystem
2.1: Tổng quan về phần mềm Optisystem
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 Bên cạnh đó, phần mềm này cũng có thể
dễ dàng mở rộng do người sử dụng có thể đưa thêm các phần tử tự định nghĩa vào.
Phần mềm có giao diện thân thiện, khả năng hiển thị trực quan, dễ sử dụng, có tính ứng dụng cao.
2.2: Đặc điểm và chức năng
2.2.1: Cấu tạo thư viện (Component Library)
Thư viện OptiSytem bao gồm hàng trăm các thành phần cho phép bạn có thể nhập các thông số được đo từ các thiết bị thực sự Nó tích hợp với các thử nghiệm và thiết bị đo lường từ các nhà cung cấp khác nhau Người sử dụng có thể kết hợp các thành phần mới dựa trên hệ thống con và người sử dụng và định nghĩa là thư viện, hoặc sử dụng mô phỏng cùng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc SPICE.
Cụ thể bao gồm:
o Thư viện nguồn quang
o Thư viện các bộ thu quang
o Thư viện sợi quang
o Thư viện các bộ khuếch đại (quang, điện)
o Thư viện các bộ MUX, DEMUX
o Thư viên các bộ lọc (quang, điện)
o Thư viện các phần tử FSO
o Thư viện các phần tử truy nhập
o Thư viện các phần tử thụ động (quang, điện)
o Thư viện các phần tử xử lý tín hiệu (quang, điện)
o Thư viện các phần tử mạng quang
o Thư viện các thiết bị đo quang, đo điện
2.2.2: Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave
Optisystem cho phép người dùng sử dụng kết hợp với các công cụ phần mềm khác của Optiwave như OptiAmplifier, OptiBPM, OptiGrating, WDM_Phasar và OptiFiber để thiết kế ở
Trang 9mức phần tử.
• Miêu tả được tín hiệu pha trộn
OptiSystem xử lý các định dạng tín hiệu hỗn hợp cho tín hiệu quang và điện trong Hợp phần Thư viện OptiSystem tính toán các tín hiệu đang sử dụng thích hợp các thuật toán có liên quan đến các yêu cầu mô phỏng chính xác và hiệu quả.
• Chất lượng và thực hiện các thuật toán
Để dự đoán hiệu suất hệ thống, OptiSystem tính toán các thông số chẳng hạn như BER và Q-Factor bằng cách sử dụng phân tích số hoặc bán phân tích kỹ thuật của hệ thống giới hạn bởi biểu tượng nhiễu và tiếng ồn.
• Các công cụ trực quan nâng cao
Các công cụ trực quan tiên tiến tạo ra phổ OSA ,xung tín hiệu,biểu đồ mắt,phân cực trạng thái,các sơ đồ hợp thành và nhiều hơn nữa.Ngoài ra,bao gồm các công cụ nghiên cứu WDM các danh sách tín hiệu nguồn,hình ảnh tiếng ồn và OSNR cho mỗi kênh.
• Theo dõi, giám sát dữ liệu
Bạn có thể chọn các cổng thành phần lưu dữ liệu và gắn màn hình sau khi mô phỏng kết thúc Điều này cho phép bạn xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng mà không cần tính toán lại , Bạn có thể tùy ý đính kèm một số hiện hình tới màn hình tại cùng một cổng.
2.2.3: Các công cụ hiển thị
Optisystem có đầy đủ các thiết bị đo quang, đo điện Cho phép hiển thị tham số, dạng, chất lượng tín hiệu tại mọi điểm trên hệ thống.
Thiết bị đo quang:
o Phân tích phổ (Spectrum Analyzer)
o Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter)
o Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer)
o Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer)
Trang 10o Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer)
o Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter)
Thiết bị đo điện:
o Oscilloscope
o Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer)
o Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer)
o Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer)
o Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter)
o Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer)
2.3: Tóm tắt hướng dẫn sử dụng phần mềm Optisystem
2.3.1: Yêu cầu chung
Trước khi cài đặt Optisystem, chắc chắn rằng các yêu cầu đối với hệ thống là phù hợp với các mô
tả dưới đây.
Yêu cầu phần cứng và phần mềm
Optisystem yêu cầu cấu hình hệ thống thấp nhất là:
o PC bộ vi xử lý pentium 3 hoặc tương đương.
o Hệ điều hành microsoft windows XP hoặc Vista,32 hoặc 64 bit.
o 400MB ổ cứng còn trống
o Độ phân giải đồ họa 1024x768,nhỏ nhất 65536 màu.
o Ram 128MB( gợi ý).
o Internet explorer 5.5 hoặc cao hơn.
o DirectX 8.1 hoặc cao hơn.
Key bảo vệ: Một key bảo vệ phần cứng được cung cấp kèm theo phần mềm Chú ý: Xin hãy chắc rằng key bảo vệ phần cứng không được kết nối trong suốt quá trình cài đặt Optisystem.
Để chắc chắn Optisystem vận hành một cách đúng đắn, kiểm chứng lại theo các bước sau:
o Key bảo vệ kết nối đúng vào cổng song song /USB của máy tính.
o Nếu bạn sử dụng nhiều hơn một key bảo vệ, chắc rằng không có sự xung đột giữa key bảo vệ Optisystem và các key kia.
Chú ý: Dùng một hộp chuyển đổi để ngăn chặn sự xung đột key bảo vệ Chắc rằng cáp giữa hộp chuyển đổi và máy tính là lớn nhất của dụng cụ đo.
• Thư mục Optisystem
Thông thường, bộ cài Optisystem sẽ tạo ra một thư mục Optisystem trong ổ cứng của bạn Thư mục Optisystem gồm một số thư mục con sau:
Trang 11o \bin – các tệp thực thi được,thư viện đường dẫn động, và tệp trợ giúp.
o \components – tham số các phần tử của Optisystem từ nhà cung cấp.
o \doc – tài liệu hỗ trợ Optisystem.
o \libraries – thư viện phần tử Optisystem.
1 Đăng nhập vào với vai trò người quản trị hoặc đăng
nhập vào tài khoản với đặc quyền quản trị.
2 Cho CD Optisystem vào ổ CD ROM.
3
Trên thanh công cụ,vào Start và chọn Run
Hộp thoại Run hiện ra.
4 Trong hộp thoại Run, gõ F:\setup.exe, F ở đây là ổ CD ROM
của bạn.
5 Bấm OK và theo các hướng dẫn và dấu nhắc trên màn
hình
6 Khi cài đặt xong, khởi động lại máy tính.
Trình diễn Optisystem bao gồm nhiều nhất là 15 kịch bản Với cùng một tệp trình diễn như nhau bạn có thể có nhiều kịch bản với các phần tử khác nhau và tùy chọn các phần tử.
• Khâu quét
Mỗi kịch bản có thể có các tham số được gán sẵn trong chế độ quét Bạn có thể tự gán số lần quét bằng cách thay đổi tham số lựa chọn Giá trị tham số thay đổi theo mỗi lần
Trang 12quét lặp; tạo lên một loạt các kết quả tính toán khác nhau căn cứ trên sự thay đổi giá trị tham số.
Quét tham số phụ thuộc vào yếu tố của một kịch bản: tham số và kết quả.
• Tối ưu hóa
Mỗi kịch bản có sự tối ưu hóa Sử dụng tối ưu hóa để thay đổi giá trị của các tham
số đã biết trong suốt quá trình tính toán vì vậy hệ thống của bạn cần đạt được nhiều điều kiện yêu cầu Quá trình tối ưu hóa là độc lập với các lần quét tham số, nhưng có thể được sử dụng cho mỗi lần quét lặp tham số riêng biệt.
Hình 2.1: Thành phần trình diễn
2.3.2: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Optisystem
Thư viện các phần tử ( component library ) :
Người dùng truy cập vào lấy các phần tử để thiết kế (Hình 1)