ứng dụng phần mềm optisystem mô phỏng bộ khuếch đại quang
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.25 MB, 45 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
Hệ đại học - Ngành kỹ thuật điện tử viễn thông
ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ THIẾT KẾ
BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
Mã số đề tài: 08
Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thị Bảo Trân
• MSSV 3118500057
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hồ Văn Cừu
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
1
ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ĐỂ THIẾT KẾ
BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
NỘI DUNG
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG
BĂNG RỘNG
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
EDFA
CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU PHẦN MỀM
OPTISYSTEM
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI
EDFA TRONG PHẦN MỀM OPTISIM
KẾT LUẬN
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
2
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đối với hầu hết các tuyến thông tin quang truyền thống, khi cự ly truyền dẫn trung
bình dài tới một mức nhất định nào đó mà suy hao vượt q cơng suất dự phịng, mức
phân bổ suy hao không đủ để thỏa mãn yêu cầu phía thu, cần phải sử dụng các trạm lặp.
Các trạm lặp này có nhiệm vụ khuếch đại quang trên đường truyền.
Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ
thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một
hệ thống thơng tin quang tồn cầu. Để phân tích, thiết kế hệ thống này bắt buộc phải sử
dụng các công cụ mô phỏng OptiSystem là phần mềm mơ phỏng thơng tin quang.
Vì vậy, em quyết định chọn đề tài “Ứng dụng phần mền Optisystem để thiết kế bộ
khuếch đại quang sợi EDFA” làm báo cáo môn học “Chuyên đề viễn thông tiên tiến”.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
3
MỞ ĐẦU
2. BỐ CỤC VÀ NỘI DUNG
Nội dung đồ án gồm 4 chương:
Mở đầu
Chương 1 Tổng quan về truyền dẫn quang băng rộng
Chương 2 Tìm hiểu bộ khuếch đại quang sợi EDFA
Chương 3 Giới thiệu và tìm hiểu phần mềm OPTISYSTEM
Chương 4 Thiết kế bộ khuếch đại quang sợi EDFA trong phần mềm OptiSystem.
Kết luận
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
4
MỞ ĐẦU
3.Ý NGHĨA
Phần mềm mô phỏng Optisystem giúp giải quyết việc mô phỏng tuyến truyền dẫn
quang, đo kiểm các thông số, thiết kế hệ thống một cách tối ưu nhất.
Nội dung đề tài giúp sinh viên có thêm những kiến thức mới và bổ ích trong việc tìm
hiểu phần mềm mô phỏng OptiSystem. Nắm rõ hơn về hệ thống mạng viễn thông, hiểu
rõ hơn về nguyên lý khuếch đại và các tham số ảnh hưởng đến EDFA.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1.1 Giới thiệu
Truyền dẫn quang là phương pháp truyền dẫn tín hiệu dùng bằng cáp quang, có thể
hoạt động ở tốc độ cao, vượt xa tốc độ cáp xoắn và cáp đồng trục. Vì số liệu được
truyền thơng bằng luồng ánh sáng nên không bị ảnh hưởng bởi các xuyên nhiễu điện từ.
Do đó hệ thống truyền dẫn quang thích hợp để sử dụng cho các ứng dụng truyền tốc độ
cao, có khả năng loại bỏ nhiễu cao, phù hợp với các hoạt động cơng sở có các thiết bị
hoạt động với cơng suất lớn, khơng gây ra bức xạ sóng điện từ.
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1.2 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang cơ bản
Mạng truyền dẫn quang được thiết lập để truyền dẫn các luồng dữ liệu số tốc độ
cao và các ứng dụng dịch vụ của người dùng trong mạng viễn thông, tuyến
truyền dẫn quang cơ bản từ nốt A đến nốt B và các nốt chuyển tiếp trên một cự
ly L(km)
Cấu trúc tuyến thông tin quang có trạm chuyển tiếp quang
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THƠNG TIÊN TIẾN
7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.1.2 Cấu trúc tuyến truyền dẫn quang cơ bản
Thiết bị ghép kênh đầu cuối quang TRM (Terminal Multiplexer Station): bao gồm
thành phần thiết bị ghép/phân kênh đầu cuối, và các thành phần thiết bị thu phát quang.
+ Bao gồm thành phần thiết bị ghép/phân kênh đầu cuối, để ghép các kênh đầu cuối
quang thành phần thành kênh dữ liệu số truyền dẫn và xử lý kênh tín hiệu số thu thành
các kênh đầu cuối quang thành phần, thiết bị phát tín hiệu quang, thiết bị thu tín hiệu
quang.
Thiết bị trạm lặp quang (REG – Regenerator Station): là thiết bị thu phát quang
chuyển tiếp tín hiệu quang, có 2 loại trạm lặp quang là khuếch đại trực tiếp và khuếch
đại có rớt và xen kênh ADM
Sợi quang:
+ Sợi quang là sợi thủy tinh SiO2, để kết nối trực tiếp giữa thiết bị phát quang và thiết
bị thu quang, độ dài cự ly tuyến cáp là L(km).
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.1 Mạng truyền dẫn quang điểm - điểm (Point to Point)
Mạng truyền dẫn quang điểm – điểm, được thiết lập để truyền tính hiệu quang giữa hai
trạm đầu cuối quang, thiết bị đầu cuối quang TRM (Transmiter and Receiver Module
terminal) tại hai trạm đầu cuối quang được nối trực tiếp với nhau bằng một đôi cáp
quang.
Mạng truyền dẫn điểm – điểm.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
9
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.2 Mạng truyền dẫn quang tuyến tính (Liner Network)
Ký hiệu TRM: là trạm đầu cuối quang;
REG: là trạm khuếch đại chuyển tiếp trực tiếp;
ADM: là trạm khuếch đại chuyển tiếp có xen và rớt kênh;
L(km) là chiều dài toàn tuyến truyền dẫn quang.
Cấu hình mạng truyền dẫn quang tuyến tính
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
10
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.3 Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng và song hướng
Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng là hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang giữa hai trạm
đầu cuối, sử dụng ít nhất hai sợi quang, một sợi truyền tín hiệu phát, một sợi để thu tín
hiệu quang, tín hiệu quang trên mỗi sợi có cùng bước sóng hoặc sử dụng hai bước sóng
khác nhau.
Cấu trúc một tuyến thơng tin quang đơn hướng
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.3 Tuyến truyền dẫn quang đơn hướng và song hướng
Tuyến truyền dẫn quang song hướng là hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang giữa hai
trạm đầu cuối, chỉ sử dụng một sợi quang, để truyền tín hiệu phát, và nhận tín hiệu thu,
tín hiệu phát quang và tín hiệu thu quang truyền theo hai hướng trên cùng một sợi
quang, theo hai bước sóng khác nhau và sử dụng bộ lọc bước sống để phân chia tín hiệu
quang cho máy phát và máy thu quang.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
12
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.4 Mạng truyền dẫn quang vịng (Ring Network)
Cấu hình mạng truyền dẫn quang kết nối thàng vịng kín, thường gọi là mạng vòng
RING mạng vòng ring được thiết kế khi trong địa hình mạng có từ 3 điểm truyền dẫn
trở lên, từ một điểm có hai hướng truyền đến điểm đối diện. Dữ liệu được truyền được
thiết kế truyền theo hai hướng truyền khác nhau bằng các đôi cáp sợi quang khác nhau
và được nối lại thành vịng kín.
Cấu hình mạng truyền dẫn vịng ring
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THƠNG TIÊN TIẾN
13
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.5 Mạng truyền dẫn quang hình sao
Mạng hình sao được thiết kế ứng dụng cho các thành phố, khu vực đô thị là trung tâm
chính và kết nối với các khu vực ngoại vi. Ưu điểm của cấu hình mạng hình sao là trạm
trung tâm đóng vai trị trạm chính, trạm chủ, có chức năng quản lý, phân chia lưu
lượng, giám sát và vận hành tự động tập trung chung cho các nút mạng. Nhược điểm là
không bảo vệ cáp trên từng nút.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
14
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.5 Mạng truyền dẫn quang hình sao
Sơ đồ mạng hình sao
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
15
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.6 Mạng truyền dẫn quang mắc lưới
Trong mạng viễn thơng có N nút truy cập mạng phân bố trên khu vực rộng, đa tuyến và
đa hướng truyền, và có yêu cầu kết nối giữa các nút mạng, vì vậy mạng truyền dẫn mắc
lưới ra đời là sự kết hơp giữa cấu hình mạng hình sao và mạng vịng ring, tại mỗi nút sẽ
có các tuyến truyền dẫn đến các nút cịn lại.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
16
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2 CẤU HÌNH CÁC LOẠI MẠNG TRUYỀN DẪN QUANG BĂNG RỘNG
1.2.6 Mạng truyền dẫn quang mắc lưới
Sơ đồ mạng hình mắc lưới 6 nút mạng
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
17
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
Bộ khuếch đại quang đóng vai trị là một phần tích hợp của truyền dữ liệu đường
dài. Tính năng nổi bật nhất của bộ khuếch đại quang là thiết bị có thể khuếch đại tín
hiệu quang trực tiếp mà khơng cần phải chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện trước
khi khuếch đại. EDFA (Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium) là một loại của nhiều bộ
khuếch đại quang khác nhau có thể đạt được khuếch đại tín hiệu qua giao tiếp quang
dài.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
18
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
Khi thiết kế hệ thống thông tin quang đường dài, đặc biệt là hệ thống cáp quang
biển với khoảng cách vài trăm tới vài chục ngàn km, người ta thường mắc các bộ
khuếch đại EDFA cách đều nhau theo kiểu mắc xen kẽ (dạng mắc chuỗi). Cần xác định
số bộ EDFA tối thiểu sao cho vẫn thỏa mãn số tín hiệu trên nhiễu điện eSNR cho phép
tại máy thu tương ứng với tốc độ bít và tỉ số bít BER theo yêu cầu.
Hiện nay sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) có ưu
điểm như độ tăng ích đầu ra là cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích khơng
có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số…
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
19
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA EDFA
Laser bơm (pumping laser): Cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái nghịch
đảo nồng độ trong vùng tích cự. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng 980nm hoặc
1480nm.
WDM coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào trong
sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các tín hiệu có
bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1500nm.
Bộ cách ly quang (Optical isolator): Ngăn khơng cho tín hiệu quang được khuếch đại
phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền phản xạ
ngược về EDFA.
Sợi quang pha đất hiếm Erbium EDF là nơi xảy ra quá trình khuếch đại của EDFA.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
20
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA EDFA
Cấu tạo của một EDFA
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
21
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.2 CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA EDFA
Cấu tạo của sợi pha tạp Erbium
Vùng lõi trung tâm của EDFA (đường kính từ 3-6μm) được pha trộn ion Er3+ là nơi có
cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+ trong vùng này cung
cấp sự chồng lặp của năng lượng bơm và tín hiệu tới các ion Erbium lớn nhất dẫn đến
khuếch đại tốt hơn.
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
22
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.3 NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA EDFA
Hai bước sóng điển hình để bơm EDFA là 980 hoặc 1480nm.
Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng lượng
từ các photon và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn ở vùng bơm.
Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ - năng
lượng từ các photo và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn.
Giản đồ năng lượng Erbium
5/15/22
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
23
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.4 YÊU CẦU NGUỒN BƠM
2.4.1 Bước sóng bơm
Điều kiện để khuếch đại tín hiệu đạt được sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng
nguồn bơm trực tiếp tại bước sóng 1480nm bước sóng 1480nm được sử dụng rộng rãi
hơn vì chúng sẵn có và độ tin cậy cao hơn. Độ tin cậy là đặc điểm quan trọng đối với
laser bơm vì nó dùng để bơm cho khoảng cách dài và để tránh làm nhiễu tín hiệu hoặc
bơm gián tiếp ở bước sóng 980nm.
5/15/22
Bước sóng bơm
980nm
1480nm
Tính chất:
Độ lợi
Cao hơn
Thấp hơn
Độ lợi công suất bơm
Thấp hơn
Cao hơn
Suy hao công suất bơm
Cao hơn
Thấp hơn
Hệ số nhiễu
Thấp hơn
Cao hơn
Ứng dụng
Tiền khuếch đại
Khuếch đại công suất
CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
24
CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA
2.4 YÊU CẦU NGUỒN BƠM
2.4.2 Công suất bơm
Công suất bơm càng lớn thì sẽ có nhiều ion erbium bị kích thích để trao đổi năng lượng
với tín hiệu cần khuếch đại và sẽ làm cho hệ số khuếch đại tăng lên.
Tuy nhiên, hệ số khuếch đại không thể tăng mãi theo cơng suất bơm vì số lượng các ion
erbium được cấy vào sợi dây là có giới hạn. Ngồi ra, khi cơng suất bơm tăng lên thì hệ
số nhiễu sẽ giảm.
5/15/22
CHUN ĐỀ VIỄN THÔNG TIÊN TIẾN
25
