Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục hình vẽ LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Sơ đồ khối tổng quát 1.3 Phân loại hệ thống WDM 1.4 Các phần tử hệ thống WDM 1.4.1 Bộ phát quang 1.4.2 Bộ thu quang 1.4.3 Sợi quang 1.4.4 Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) 1.4.5 Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) 1.4.6 Bộ nối chéo quang: (OXC) 1.4.7 Bộ khuếch đại quang: (OA 1.4.8 Bộ chuyển đổi bước song 1.5 Các tham số gép kênh quang theo bƣớc sóng 1.5.1 Suy hao xen 1.5.2 Xuyên kênh 1.5.3 Độ rộng kênh 1.5.4 Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến 1.6 Cấu trúc mạng truyền tải quang 1.6.1 Cấu trúc mạng Ring 1.6.2 Cấu trúc mạng Mesh 1.6.3 Cấu trúc mạng hình 1.6.4 Cấu trúc mạng Mesh Ring hai lớp 1.7 Ƣu nhƣợc điểm hệ thống WDM 1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA 1.8.1 Các cấu trúc EDFA Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Bộ môn Thông tin quang 1.8.2 Lý thuyết khuếch đại EDFA 1.8.3 Yêu cầu nguồn bơm 1.8.4 Phổ khuếch đại 1.8.5 Các tính chất EDFA 1.8.6 Nhiễu khuếch đại 1.8.7 Ưu khuyết điểm EDFA CHƢƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM 2.1 Tổng quan phần mềm Optisystem 2.1.1 Lợi ích 2.1.2 Ứng dụng 2.2.1 Cấu tạo thư viện (Component Library) 2.2.2 Tích hợp với công cụ phần mềm Optiwave 2.2.3 Các công cụ hiển thị 2.3 Tóm tắt hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 2.3.1 Yêu cầu chung 2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem 2.3.3 Tạo dự án 2.3.4 Hiển thị thay đổi tham số phần tử dự án 2.3.5 Chạy mô 2.4.1 Yêu cầu thiết kế 2.4.2 Mô theo phương án thiết kế 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C 2.4.3 Kết mô theo yêu cầu thiết kế 2.4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER=10 Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem -12 Bộ môn Thông tin quang GVD Group OADM Optica BER Bit err OTN Optica DCF Disper DEMUX Demu SNR Signal EDFA Erbium FWM Four w LASER Light emissi MUX Multip NF Noise SBS Stimul CATV Cable OLT Optica OSC Optica EDF Erbium OXC Optica PMD Polaris APS Autom PON Pass o WDM Wavel SMF Single TDM Time d SPM Self ph Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Bộ môn Thông tin quang Sơn Th.s Cao Hồng Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ chức hệ thống WDM Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng song hướng Hình 1.3 : Sơ đồ điều chế Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang Hình 1.6 Sơ đồ khối ghép/ tách kênh bước sóng Hình 1.7 Cấu trúc song song Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA Hình 1.13: Xuyên kênh giải ghép Hình 1.14: Xuyên kênh ghép hỗn hợp Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình đơn Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình kép Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát khuếch đại EDFA Hình 1.21: Mặt cắt ngang loại sợi quang pha ion Erbium Hình 1.22: Giản đồ phân bố lượng ion Er3+ sợi silica Hình 1.23 Phổ hấp thụ Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu Hình 1.25: Cấu hình khuếch đại EDFA bơm kép [11] Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Bộ môn Thông tin quang Hình 1.26 Cấu hình khuếch băng L Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất bão hoà Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN (b) Độ lợi EDFA Hình 2.1: Thành phần trình diễn Hình 2.2: Thư viện phần tử Hình 2.3: Giao diện thư viện Hình 2.4 Giao diện người sử dụng Hình 2.5: Project Browser Hình 2.6: Description Hình 2.7: Status bar Hình 2.8: Menu bar Hình 2.9: Pan window Hình 2.10: Tool bars Hình2.11 Cửa số Project layout Hình 2.12 Đặt phần tử vào Main layout Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động Hình 2.15 :màn hình Parameters Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang Hình 2.20: Giao diện hình chạy mô Hình 2.21 : Chạy chương trình Hình 2.22: Đo tỉ số BER kênh Hình 2.23 : Kết mô Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số .61 Hình 2.27: Chọn chế độ tham số 61 Hình 2.28: Các bước để hiển thị kết mô quét tham số 63 Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục 65 Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser .66 Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ 66 Hình 2.32 Bộ tạo chuỗi bít 66 Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder 67 Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1 67 Hình 2.35: Tuyến phát quang .68 Hình 2.36 Tuyến truyền dẫn quang 68 Hình 2.37 Bộ lặp 69 Hình 2.38 Thông số sợi bù tán sắc DCF 70 Hình 2.39 Tuyến thu WDM 71 Hình 2.40 Thiết bị đo BER 71 Hình 2.41 Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu 72 Hình 2.42 Quang phổ tín hiệu phát 73 Hình 2.43 Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 73 Hình 2.44 Tổng công suất phát 74 Hình 2.45 Công suất thu kênh 74 Hình 2.46 Hiển thị mắt quang 75 Hình 2.47 BER kênh thứ 10-13 75 Hình 2.48 Thay đổi công suất Laser phát 76 Hình 2.49 Hệ số suy hao sợi quang thay đổi 76 Hình 2.50 BER kênh thứ đạt 10-12 .77 Hình 2.51 BER đạt 10 -12 thay đổi số tham số 77 Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thông tin nói chung kỹ thuật viễn thông nói riêng Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao tăng dung lượng thông tin Cùng với phát triển kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn không ngừng đạt thành tựu to lớn, đặc biệt kỹ thuật truyền dẫn môi trường cáp sợi quang Tương lai cáp sợi quang sử dụng rộng rãi mạng viễn thông coi môi trường truyền dẫn lý tưởng mà môi trường truyền dẫn thay Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng nhiễu khả bảo mật cao ,phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Ta thấy mạng thông tin quang số hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thông hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, yêu cầu đặt phải tăng chất lượng cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang Giải pháp đưa công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, cho phép ghép nhiều bước sóng sợi quang tăng dung lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang Với toán: “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA.” Nhóm em xin trình bày tổng quan hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mô hình mô hệ thống thông tin quang WDM theo phương án thiết kế Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.s Cao Hồng Sơn, hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em thời gian qua Mặc dù cố gắng nhiều, trình độ hạn chế nên không tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy, bạn để tập chúng em hoàn thiện Chúng Em xin chân thành cảm ơn! Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 1.1 Giới thiệu chung Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) công nghệ “trong sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp phân giải (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc đưa vào đầu cuối khác 1.2 Sơ đồ khối tổng quát Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng laser Hiện có số loại nguồn phát như: Laser điều chỉnh bước sóng (Tunable Laser), Laser đa bước sóng (Multiwavelength Laser) Yêu cầu nguồn phát laser phải có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức công suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chirp phải nằm giới hạn cho phép Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền dẫn qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot Khi xét đến tách/ghép WDM, ta phải xét tham số như: khoảng cách kênh, độ rộng băng tần kênh bước sóng, bước sóng trung tâm kênh, mức xuyên âm kênh, tính đồng 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 sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem Nhóm Bộ môn Thông tin quang - Th.s Cao Hồng Sơn Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser - Phương thức điều chế: điều chế - Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với lọc thông thấp Bessel 2) Yêu cầu: a) Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô hệ thống thông tin quang WDM theo phương án thiết kế Lưu ý: tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) thiết lập sau - Tốc độ bit: - Chiều dài chuỗi: - Số mẫu bit: b) Đưa thiết bị đo vào mô hình mô Các thiết bị đo tuyến đặt vị trí phù hợp để xác định chất lượng dạng tín hiệu điểm cần thiết tuyến Các thiết bị đo bản: - Thiết bị đo công suất quang - Thiết bị phân tích phổ quang - Thiết bị đo BER c) Chạy mô d) Hiển thị kết mô thiết bị đo đặt tuyến e) Thay đổi tham số phần tử tuyến để đạt BER = 10 -12 3) Báo cáo kết thực hành - Mô hình mô - Các tham số mô chi tiết - Kết mô o Kết mô theo phương án thiết kế ban đầu hệ thống ban đầu o - Sự thay đổi tham số thiết kế để đạt BER = 10 -12 Nhận xét, phân tích kết mô Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 67 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn 2.4.2 Mô theo phƣơng án thiết kế 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA băng C Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, phát xung RZ pulse genarator, phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, điều chế Mach-zehnder Tuyến phát quang gồm kênh quang tích hợp thông quang ghép kênh quang MUX Thiết lập tham số toàn cục Tốc độ bít: 10GBps Chiều dài chuỗi: 128bits Số mẫu bít: 64 Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số mẫu trong bit=128×64=8192 Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục Nguồn phát: Sử dụng nguồn CW Laser ( continous Wave Laser ) : nhằm giảm ảnh hưởng tán sắc sợi Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 68 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser Bộ tạo xung RZ Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ Bộ tạo chuỗi bit Hình 2.32 Bộ tạo chuỗi bít Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 69 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Bộ điều chế Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder Bộ ghép kênh quang (ghép kênh) Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1 Toàn tuyến phát kênh quang Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 70 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Hình 2.35: Tuyến phát quang 2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang Hình 2.36 Tuyến truyền dẫn quang Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 71 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Sợi quang sử dụng G.652 có tham số: cửa sổ truyền 1550nm thì:  Suy hao sợi: 0.2dB  Độ tán sắc: 0.335 ps/nmkm  Độ dốc tán sắc (≤0.092ps/nm^2/k): 0.075ps/nm^2/k Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô sử dụng Sloop đóng vai trò nhân vòng lặp Chọn chiều dài sợi G.652 60km, số lặp là: 300km÷60km=5 Hình 2.37 Bộ lặp Do sợi quang có suy hao tán sắc nên tuyến truyền dẫn sử dụng bù tán sắc DCF Thông số bù tán sắc:  Giả sử sợi G652 có chiều dài L1=50km  Độ tán sắc : D1= 16.75 ps/nm.km  Độ dốc tán sắc : 0.075ps/nm^2.km  Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) L2=60km-50km=10km  Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2.= -50×16.75/10= -83 ps/nm.km  Độ dốc tán sắc : 0.375ps/nm^2.km Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 72 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Hình 2.38 Thông số sợi bù tán sắc DCF Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng khuếch đại EDFA để bù suy hao sợi + L1=50km suy hao sợi là: 50×0.2=10dB Độ lợi khuếch đại EDFA 10dB + L2=10km suy hao sợi là: 10×0.2=5dB Độ lợi khuếch đại EDFA 5dB Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 73 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn 2.4.4.3 Tuyến thu hệ thống WDM Hình 2.39 Tuyến thu WDM Thiết bị đo BER Hình 2.40 Thiết bị đo BER Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 74 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn 2.4.3 Kết mô theo yêu cầu thiết kế Tuyến WDM theo yêu cầu Hình 2.41 Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 75 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Quang phổ tín hiệu phát Hình 2.42 Quang phổ tín hiệu phát Quang phổ tín hiệu thu Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 76 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Hình 2.43 Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ Công suất tín hiệu phát Hình 2.44 Tổng công suất phát Công suất tín hiệu thu Hình 2.45 Công suất thu kênh Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 77 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn Tỉ lệ lỗi bit BER • Mắt quang Hình 2.46 Hiển thị mắt quang • BER kênh Hình 2.47 BER kênh thứ 10 Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 78 -13 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn -12 2.4.4 Kết mô thay đổi tham số để đạt BER=10 Khi thay đổi tham số hệ thống tỉ số lỗi bít BER se thay đổi theo • Thay đổi công suất Laser phát Hình 2.48 Thay đổi công suất Laser phát • Hoặc thay đổi hệ số suy hao sợi quang lên thành 0.2025dB Hình 2.49 Hệ số suy hao sợi quang thay đổi Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 79 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn BER thay đổi + BER kênh thứ thay đổi Hình 2.50 BER kênh thứ đạt 10 -12 + Mắt quang: Hình 2.51 BER đạt 10 -12 thay đổi số tham số Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 80 Nhóm Bộ môn Thông tin quang Th.s Cao Hồng Sơn TÀI LIỆU THAM KHẢO  TS Vũ Văn San, “Hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM”, tạp chí bưu viễn thông số 9-1999  Giáo trình “Kỹ thuật thông tin quang 2” (dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)_Ths Đỗ Văn Việt Em  Kevin H Liu, IP over WDM, John Wiley & Sons, Inc, 2002  Tài liệu:khuếch đại quang sợi khả ứng dụng vào mạng viễn thông- Dương Đức Tuệ  Hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang - Học viện công nghệ bưu viễn thông, NXB Bưu Điện, Hà Nội 5-2001 Thiết kế mô hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 81 Nhóm