Tài liệu Bài tiểu luận thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang wdm sử dụng phần mềm optisystem

Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1 Danh mục hình vẽ ............................................................................................................... 4 LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 7 CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ............ 8 1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 8 1.2. Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................................. 8 1.3 Phân loại hệ thống WDM ..................................................................................... 9 1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM ....................................................... 10 1.4.1 Bộ phát quang ................................................................................................ 10 1.4.2 Bộ thu quang .................................................................................................. 12 1.4.3 Sợi quang ........................................................................................................... 13 1.4.4. Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) ............................................. 14 1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) ...................................................................... 15 1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC) ............................................................................ 17 1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): ......................................... 18 1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song ............................................................................... 19 1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc sóng ............................... 20 1.5.1 Suy hao xen ......................................................................................................... 20 1.5.2. Xuyên kênh .................................................................................................... 20 1.5.3. Độ rộng kênh .................................................................................................. 22 1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến.......................................................... 23 1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang ......................................................................... 24 1.6.1. Cấu trúc mạng Ring ........................................................................................... 24 1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh .......................................................................................... 24 1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao ..................................................................................... 25 1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp ................................................................ 26 1.7 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WDM ................................................................. 27 1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA .............................................................................. 27 1.8.1 Các cấu trúc EDFA ............................................................................................. 27 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 1 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn 1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA...................................................................... 29 1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm................................................................................ 31 1.8.4 Phổ khuếch đại ................................................................................................... 33 1.8.5. Các tính chất của EDFA .................................................................................... 34 1.8.6. Nhiễu trong bộ khuếch đại ................................................................................. 36 1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA ................................................................................ 38 CHƢƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ....................................................................................................... 39 2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem ................................................................... 39 2.1.1. Lợi ích ................................................................................................................ 39 2.1.2. Ứng dụng ........................................................................................................... 40 2.2. Đặc điểm và chức năng .......................................................................................... 40 2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library) .............................................................. 40 2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ................................................ 41 2.2.3. Các công cụ hiển thị .......................................................................................... 42 2.3. Tóm tắt hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ........................................... 42 2.3.1. Yêu cầu chung ................................................................................................... 42 2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ...................................................... 45 2.3.3 Tạo một dự án mới.............................................................................................. 50 2.3.4. Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án................................. 52 2.3.5. Chạy mô phỏng .................................................................................................. 58 2.4. Mô hình mô phỏng ................................................................................................. 66 2.4.1 Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 66 2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế ..................................................................... 68 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C ............... 68 2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang ............................................................................... 71 2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM ...................................................................... 74 2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế ............................................................ 75 2.4.4. Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12 .............................. 79 Tài Liệu Tham Khảo .......................................................................................... 83 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 2 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 THU T NG V TỪ VIẾT T T GVD Group velocity dispersion Nhóm hệ số tán sắc OADM Optical add/drop multiplexer Bộ xen rớt quang BER Bit error rate Tốc độ lỗi bit OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang DCF Dispersion sompensating fiber Sợi bù tán sắc DEMUX Demultipplexer Bộ tách kênh SNR Signal to noise ratio EDFA Erbium doped fiber amplifier Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Khuếch đại quang sợi quang trộn Erbium FWM LASER Four wave mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng Light amplication by stimulated Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ emission of radiation kích thích MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NF Noise figure Nền nhiễu SBS Stimulated brillouin scattering Tán xạ do kích thích Brillouin CATV Cable television Cáp tivi OLT Optical line terminal Bộ đầu cuối đường quang OSC Optical supervisory channel EDF Erbium doped fiber Kênh giám sát đường quang Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium OXC Optical cross connector Bộ kết nối chéo quang PMD Polarisation mode dispersion Hệ số tán sắc phân cực mode APS Automatic protection switching Chuyển mạch bảo vệ tự động PON Pass optical network Mạng quang thụ động WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng SMF Single mode fiber TDM Time division multiplexing Sợi đơn mode Bộ ghép kênh phân chia theo thời gian SPM Self phase modulation Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 3 Hiệu ứng tự điều chế dịch pha Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM ............................................................ 6 Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng ...................................... 6 Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài ................................................................................... 8 Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu ............................................................................................ 9 Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang........................................................................... 10 Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng ......................................................... 11 Hình 1.7 Cấu trúc song song ............................................................................................. 12 Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng .......................................................................... 12 Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp............................................................................................... 13 Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng .................................................................... 13 Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC .......................................................................................... 14 Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA .................................................................................. 15 Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép .............................................................................. 18 Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp ....................................................................... 18 Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring ....................................................................................... 21 Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh ...................................................................................... 21 Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn .......................................................................... 22 Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép ........................................................................... 22 Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp ................................................................... 23 Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA .......................................... 24 Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium ................................. 25 Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica .......................... 26 Hình 1.23 Phổ hấp thụ ...................................................................................................... 27 Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu ......................................................................... 28 Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11]. ...................................... 30 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 4 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L ................................................................ 31 Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà. .......................................................... 33 Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA ................................................... 34 Hình 2.1: Thành phần trình diễn ....................................................................................... 42 Hình 2.2: Thư viện các phần tử ......................................................................................... 42 Hình 2.3: Giao diện thư viện ............................................................................................. 44 Hình 2.4. Giao diện người sử dụng ................................................................................... 44 Hình 2.5: Project Browser ................................................................................................. 45 Hình 2.6: Description ........................................................................................................ 45 Hình 2.7: Status bar........................................................................................................... 46 Hình 2.8: Menu bar ........................................................................................................... 46 Hình 2.9: Pan window ....................................................................................................... 46 Hình 2.10: Tool bars ......................................................................................................... 47 Hình2.11. Cửa số Project layout ....................................................................................... 47 Hình 2.12. Đặt phần tử vào Main layout........................................................................... 48 Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động ................................................................................ 48 Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động ......................................................................... 48 Hình 2.15 :màn hình Parameters ..................................................................................... 49 Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít ...................................................................... 50 Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi ...................................................................... 51 Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực ....................................................................... 52 Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang ...................................................................... 53 Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng ........................................................... 55 Hình 2.21 : Chạy chương trình ........................................................................................ 56 Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh .................................................................................... 57 Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 58 Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét ................................................................................... 59 Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét. ................................................................................. 60 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 5 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 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 của tham số ............................................................................... 61 Hình 2.28:. Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng 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 3. ..................................................... 73 Hình 2.44. Tổng công suất phát ........................................................................................ 74 Hình 2.45. Công suất thu của kênh 4. ......................................................................... 74 Hình 2.46. Hiển thị mắt quang ......................................................................................... 75 Hình 2.47. BER của kênh thứ nhất là 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 của kênh thứ nhất đạt 10-12 ........................................................................................................ 77 Hình 2.51. BER đạt 10-12 khi thay đổi một số tham số ...................................................... 77 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 6 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 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. Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất lượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầu đặt ra là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang hiện nay. Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM, nó cho phép ghép nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang do đó có thể tăng dung lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang. Với bài 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 về hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại EDFA , xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế. Chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.s Cao Hồng Sơn, đã hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong thời gian qua. 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 thầy, các bạn để bài tập của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng Em xin chân thành cảm ơn! Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 7 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 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) 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: Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 8 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn 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. Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 1.3 Phân loại hệ thống WDM Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 9 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh hoạ trên hình 1.2. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy, 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 chỉ 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. -Ðứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn vì còn phải xét thêm các yếu tố như: vấn đề xuyên nhiễu do có nhiều bước sóng hơn trên một sợi quang, đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho hai chiều trên sợi quang không dùng chung một bước sóng. -Các bộ khuếch đại trong hệ thống song hướng thường có cấu trúc phức tạp hơn trong hệ thống đơn hướng. Tuy nhiên, do số bước sóng khuếch đại trong hệ thống song hướng giảm ½ theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ khuyếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng. 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 bức Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 10 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn 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.  Mô hình điều chế ngoài Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài  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). Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 11 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn - 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 Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 12 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn 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. Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang  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)  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)  Sợi quang G655 Là một chuẩn về sợi quang được đưa ra bởi ITU-T có các ưu điểm sau: - Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống DWDM, làm tăng dung lượng truyền dẫn. Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 13 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 - Th.s Cao Hồng Sơn Sợi quang G655 thích hợp cho hệ thống truyền dẫn đường dài WDM dung lượng cao. Độ tán sắc dương của sợi G655 tránh việc trộn lẫn 4 bước sóng quang. Vùng hiệu dụng cao của sợi G655 (vẫn nhỏ hơn sợi SMF) làm giảm thiểu các hiệu ứng phi tuyến. 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 bƣớc 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 (a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh bước sóng (MUX) (b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX) (c) Các tham số đặc trưng của bộ MUX/ DEMUX Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng  Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao: - Ghép tầng nối tiếp đơn kênh - Ghép một tầng Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 14 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 - Ghép tầng theo từng băng sóng - Ghép tầng đan xen chẵn lẻ 1.4.5. Bộ xen / rẽ bƣớc sóng: ( OADM)  Khái niệm : - 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 sóng 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. Hình 1.7 Cấu trúc song song - Cấu trúc song song theo băng ( theo modun) :tạo thành bằng cách thiết kế theo từng modun cho cấu trúc song song Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 15 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng - Cấu trúc nối tiếp : Một kênh đơn được thực hiện rớt và xen từ tập hợp các kênh đi vào OADM. Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp - 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 Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 16 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 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 Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC  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 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 17 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): Bộ bù tán sắc λ1 ,λ2 ,…,λW OADM Laser Bơm Rama n λO λO SC SC Máy thu Chặng độ lợi Chặng độ lợi Laser Hình 1.12: Khuếch đại quang OLA  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: + 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 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 18 Nhóm 2 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn + 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 bƣớc song  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 Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 19 Nhóm 2 Th.s Cao Hồng Sơn Bộ môn Thông tin quang 2 1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc 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 (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7). Li  10 log O (i ) dBMUX I i i (2.1) Li  10 log O (i ) dBDEMUX I i i (2.2) Trong đó Li là suy hao tại bước sóng i 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. - Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ ghép. - Ii(i), Oi(i) tương ứng là tín hiệu có bước sóng i đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ tách. 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 bộ lọc. -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 suất Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem 20 Nhóm 2