Bài tập lớn xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”. Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thông

======o0o======

BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG

Đề tài:2

“Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA”.

Nhóm thực hiện : Trần Văn Đô Đt 11-K54 20090751

Nguyễn Văn Bình Đt 11-K54 20090243 Dương Văn Sinh Đt 11-K54 20092219 Nguyễn Bá Nguyên Đt 11-K54 20091932

LỜI NÓI ĐẦU

Bước sang thế kỉ 21 chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ thông tin-điện tử viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông đó thực sự là cuộc cách mạng lớn thay đổi cuộc sống của toàn nhân loại Cùng với sự phát triển của kĩ thuật chuyển mạch , kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng phát triển đạt được những thành tựu vô cùng to lớn,và tất nhiên chúng ta phải kể đến kỹ thuật truyền dẫn cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sẽ được coi là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế nổi Các hệ thống thông tin quang có những ưu điểm nổi bật như: 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 Tuy nhiên băng thông quang rất lớn nên sẽ rất hao phí nếu chỉ dùng cho các ứng dụng đơn lẻ Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênh trên một đường truyền quang Những kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Tuy nhiên trong khuôn khổ bài tập lớn này chúng em sẽ chỉ tập trung đi sâu vào một trong hai kỹ thuật ghép kênh ở trên vì vậy chúng em đã chọn đề tài “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA”

Nhóm em xin được trình bày tổng quan về hệ thống cũng như kết quả mô phỏng đạt được sử dụng topology để thiết kế hệ thống

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ts.Nguyễn Hoàng Hải đã tận tình chỉ bào và giúp đỡ chúng em trong thời gian qua để hoàn thiện đề tài này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

WDM

1.1 Giới thiệu tổng quan

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang”

Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó được phân giải

ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau

1.2 Sơ đồ khối tổng quát

Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser

Hiện tại đã có một số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh được bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu đối với nguồn phát laser là phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ra ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp một số nguồn sáng khác nhau thành một luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM là sự phân chia luồng ánh sáng tổng hợp đó thành các tín hiệu ánh sáng riêng rẽ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách Hiện tại đã có các bộ tách/ghép tín

hiệu WDM như: bộ lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ lọc Fabry-Perot Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như: khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ Bragg, xuyên âm đầu gần đầu xa

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi )

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên bộ khuếch đại Raman hiện nay cũng đã được sử dụng trên thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường và tiền khuếch đại Khi dùng bộ khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Ðộ lợi khuếch đại đồng đều đối với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch không quá 1 dB)

- Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không được gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu ra của các kênh

- Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại là bằng phẳng đối với tất cả các kênh

Thu tín hiệu: Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thông tin quang thông thường: PIN, APD

1.3 Phân loại hệ thống WDM

Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như hình minh hoạ trên hình 1.2 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do đó, để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa 2 điểm

Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng công nghệ hiện tại cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy:

- Xét về dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng Ngược lại, số sợi quang cần dùng gấp đôi

so với hệ thống song hướng

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra, hệ thống song hướng không cần đến cơ chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS (Automatic Protection-Switching) vì cả hai đầu của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời

1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM

1.4.1 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 “ Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” 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 bứcxạ 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 tốkhác 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 độổn 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)

- 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

1.4.2 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

Bộ thu quang trong hệ thống WDM

1.4.3 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.

 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:

- Ở cửa sổ 1310nm: G652 có tán sắc nhỏ nhất (xấp xỉ 0 ps/nm.km) và suy hao tương đối lớn

- 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)

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:

 Ghép tầng nối tiếp đơn kênh

 Ghép một tầng

 Ghép tầng theo từng băng sóng

 Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

1.4.5.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 sóng hiệu quả hơn, linh động hơn

 Có 4 phương pháp chế tạo bộ chuyển đổi bước sóng:

 Phương pháp quang điện

 Phương pháp cửa quang

 Phương pháp giao thoa

 Phương pháp trộn bước sóng

1.5 Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước sóng

1.5.1 Suy hao xen

Được xác định là lượng công suất tổn hao trong tuyến truyền dẫn quang do các điểm ghép nối các thiết bị WDM với sợi và suy hao do bản thân các thiết bị ghép gây ra Vì vậy, trong thực tế thiết kế phải tính cho vài dB ở mỗi đầu Suy hao xen được biểu diễn qua công thức sau

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng đi khi thiết bị được ghép xen vào tuyến truyền dẫn Các tham số này được các nhà chế tạo cho biết đối với từng kênh quang của thiết bị

1.5.2 Xuyên kênh

Xuyên kênh là sự có mặt của một kênh này trong kênh kế cận làm tăng nền nhiễu

và giảm t số tín hiệu nhiễu của kênh đang xét

Trong hệ thống ghép kênh quang, xuyên kênh xuất hiện do:

- Các viền phổ của một kênh đi vào băng thông của bộ tách kênh và bộ lọc của kênh khác Khi sóng mang quang được điều chế bởi một tín hiệu, sự điều chế công

suất trong các viền phổ của nó như là điều chế công suất trong băng bởi kênh kế cận

- Xuất phát từ những giá trị hữu hạn thực tế về độ chọn lọc và độ cách ly của các bộlọc

- Tính phi tuyến trong sợi quang ở mức công suất cao trong các hệ thống đơn mode

Cơ chế của nó là tán xạ Raman, là hiệu ứng tán xạ kích thích phi tuyến làm cho công suấtquang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác cũng như vậy

1.5.3 Độ rộng kênh

Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống việc phân chia bước sóng như thế nào Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA Băng EDFA khoản 30nm Nếu ta muốn xếp khoảrộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,8 tần số hơn là bước sóng

1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM

a.Ưu điểm

- Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

- Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước sóng riêng (kênh quang)

- WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp đặt thêm sợi quang

Tải bản FULL (30 trang): https://bit.ly/2Xy7diN

Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

b Nhược điểm:

- Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn của sợi quang

- Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động

1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA

1.7.1 Các cấu trúc EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9 Trong đó bao gồm:

Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra Quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA

 Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích Quá trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện:

Tải bản FULL (30 trang): https://bit.ly/2Xy7diN

Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn ởvùng bơm (pumping band) (1) Tại vùng bơm, các ion Er3+ phân rã không bức xạrất nhanh (khoảng 1μs) và chuyểnxuống vùng giả bền (2) Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3)

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM

BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM

2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C

Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung

RZ pulsegenarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ

3558379