Báo cáo hệ thống viễn thông đề tài xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang dwdm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ
----- š › & š › -----

BÁO CÁO:
HỆ THỐNG VIỄN THÔNG
Đề tài:
Xây dựng phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang DWDM

Sinh viên thực hiện:

Cao Tuấn Dũng 20198120

Đỗ Văn Duy 20198122

Mã lớp:

135073

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS Nguyễn Hoàng Hải

Hà nội, ngày 7 tháng 12 năm 2022


LỜI NĨI ĐẦU
Đi đơi với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế tri thức là nhu cầu trao đổi
thơng tin ngày càng tăng. Địi hỏi mạng truyền thơng cần phải có khả năng
linh hoạt cao, tốc dộ truyền dẫn lớn, băng thông rộng… Để đáp ứng nhu cầu
trên cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý tưởng cho việc

truyền tải lưu lượng cực lớn. Đối với hệ thống dung lượng thấp, công nghệ
TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một kênh cáp
đơn lên 10Gbps, thậm chí có thể 40Gbps. Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơn
nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao địi hỏi công nghệ điện tử
phức tạp và đắt tiền. Khi tốc độ hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử
sẽ khơng thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí
cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động phức tạp địi cơng
nghệ rất cao. Để nâng cao tốc độ truyền dẫn và khắc phục được những hạn
chế mà các mạch hiện tại chưa được khắc phục, công nghệ ghép quang phân
chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời. DWDM có thể ghép một số
lượng lớn bước sóng trong vung 1550nm để nâng dung lượng hệ thống lên
hàng trăm Gbps.
Do đó, việc sử dụng OptiSystem là một nhiệm vụ cần thiết cho các kỹ sư
thiết kế hệ thống thông tin quang. Để bắt kịp xu thế đó, bài tập “Xây dựng
phương án thiết kế và mô phỏng hệ thống thơng tin quang DWDM” giúp
nhóm có những hiểu biết về phần mềm OptiSystem, hệ thống DWDM, và
các kỹ năng thiết kế một hệ thống.
Bài tập này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Hoàng
Hải, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ của thầy. Tuy nhiên, do
lượng kiến thức và thời gian hoàn thành đề tài cịn hạn hẹp, do đó khơng thể
tránh khỏi những sai sót. Nhóm chúng em rất mong nhận được những đóng
góp, phê bình, chia sẻ của thầy để các sản phẩm tiếp theo của nhóm sẽ hồn
thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!


MỤC LỤC
PHẦN 1. Tổng quan...................................................................................................
1.1

Giới thiệu về DWDM..................................................................................

1.1.1.

Giới thiệu chung...................................................................................

1.1.2.

Chức năng DWDM...............................................................................

1.2. EDFA..............................................................................................................
1.3. Phần mềm Optisystem.....................................................................................
1.3.1. Giới thiệu chung.......................................................................................
1.3.2. Ứng dụng của phần mềm Optisystem......................................................
1.3.3. Các công cụ hiển thị.................................................................................
1.3.4. Mô phỏng phân cấp với hệ thống con......................................................
1.3.5. Quét tham số và tối ưu hóa......................................................................
PHẦN 2. Thiết kế.......................................................................................................
2.1. Xác định yêu cầu.............................................................................................
2.2. Các thông số thiết kế cơ bản...........................................................................
2.3. Mô phỏng theo phương án thiết kế.................................................................
2.3.1. Tuyến phát quang.....................................................................................
Phần 3. Kết luận.......................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................


PHẦN 1. Tổng quan
1.1 Giới thiệu về DWDM
1.1.1. Giới thiệu chung
Một hệ thống truyền dẫn thông tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng

được ghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ
thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght
Division Multiplexing).
Trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng nhanh đặc biệt là
Internet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lên như là nền tảng cho
các dịch vụ ứng dụng trong tương lai, các nhà quản lý cung cấp dịch vụ
truyền dẫn lúc này sẽ phải suy nghĩ lại về hệ thống truyền dẫn truyền thống
TDM (time division multiplexing), hệ thống vốn tối ưu cho truyền thoại
nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thơng.

Hình 1- 1 sơ đồ tổng quan WDM

Hình 1- 2 Phổ tín hiệu ghép WDM


1.1.2. Chức năng DWDM
DWDM là một công nghệ ghép kênh theo bước sóng với số bước sóng lớn
trong một băng tần hạn chế. Ghép kênh quang theo bước sóng DWDM
(Dense Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi
quang 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), khơi phục các tín hiệu gốc rồi đưa vào đầu cuối khác nhau.
Để đảm bảo việc truyền nhận nhiều bước sóng trên 1 sợi quang, hệ thống
WDM phải thực hiện các chức năng:
Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang được dùng là laser.
Hiện tại đã có 1 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 cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ phải nằm trong

giới hạn cho phép.
Ghép/tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM là sự kết hợp 1 số nguồn sáng khác
nhau thành 1 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 lẻ tại mỗi cổng đầu ra bộ tách. Hiện tại đã có các bộ
ghép/tách tín hiệu WDM như bộ lọc màng mỏng điện mơi, 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 phải xét đến 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: Q trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự
ảnh hưởng của nhiều yếu tố nhu 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 như 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 Ranma hiện nay cũng đã được sử dụng khá nhiều trên thực tế. Có 2 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:


Hệ số tăng ích đồng đều với tất cả các kênh bước sóng (mức chênh lệch
khơng q 1dB)
Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc khơng được gây ảnh hưởng
đến mức cơng 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 tăng ích nhằm đảm bảo đặc tính khuếch đại là đồng đều 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 hệ thống thông tin quang thông thường như PIN, APD.

1.2. EDFA
EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier) là một thiết bị khuếch đại cáp quang.
EDFA hoạt động trên nguyên tắc kích thích sự phát xạ của photon. Với
EDFA, một sợi quang erbi pha tạp ở lõi được bơm với ánh sáng từ diode
laser. Bộ khuếch đại này được sử dụng thường xuyên do cửa sổ quang suy
hao thấp của sợi dựa trên silica.

Hình 1- 3 Tín hiệu quang khi đi qua bộ khuếch đại EDFA

- Lợi ích:
 Thay thế các bộ lặp đắt tiền trong hệ thống bị giới
hạn bởi suy hao


 Tăng độ nhạy của máy 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, bảo trì đơn giản
- Đặc tính của 1 số bộ khuếch đại 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 nhiễu xuyên kênh giữa các tín hiệu
WDM
 Suy hao ghép nối với sợi quang thấp

1.3. Phần mềm Optisystem
1.3.1. Giới thiệu chung
Optisystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang được tạo ra bới
công ty Optiware nhắm đáp ứng nhu cầu của các nhà thiết kế, kỹ sư thông tin
quang dễ dàng mô phỏng hoạt động của nó thơng qua phần mềm. Phần mềm
tích hợp các tính năng thiết kế, thử nghiệm và tối ưu hóa tất cả các loại chức
năng vật lý, thông số của thiết bị. Bao gồm một cơ sở dữ liệu khổng lồ về các
linh kiện thụ động, chủ dộng, nguồn điện và các thông số liên quan khác. Các
thông số này cho phép người dùng quét và tối ưu hóa các thơng số kỹ thuật
cụ thể. Hệ thống tối ưu có mơi trường mơ phỏng mạnh mẽ. Mơ hình hệ thống
thơng tin liên lạc sợi quan dựa trên mức hệ thống thực tế.
1.3.2. Ứng dụng của phần mềm Optisystem
Phần mềm OptiSystem cho phép thiết kế tự động hầu hết các loại tuyến
thông tin quang ở lớp vật lý, từ hệ thống đường trục cho đến các mạng LAN,
MAN quang.
Các ứng dụng cụ thể bao gồm:
- Thiết kế hệ thống thông tin quang từ mức phần tử đến mức hệ thống ở lớp
vật lý.
- Thiết kế mạng TDM/WDM và CATV


- Thiết kế mạng FTTx dựa trên mạng quang thụ động (PON).
- Thiết kế hệ thống ROF (radio over fiber).
- Thiết kế bộ thu, bộ phát, bộ khuếch đại quang.
- Thiết kế sơ đồ tán sắc.
- Đánh giá BER và penalty của hệ thơng với các mơ hình bộ thu khác nhau.

- Tính tốn BER và quỹ cơng suất tuyến của các hệ thống có sử dụng khuếch
đại quang.
1.3.3. Các cơng 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:
- Phân tích phổ (Spectrum Analyzer).
- Thiết bị đo công suất (Optical Power Meter).
- Thiết bị đo miền thời gian quang (Optical Time Domain Visualizer).
- Thiết bị phân tích WDM (WDM Analyzer).
- Thiết bị phân tích phân cực (Polarization Analyzer).
- Thiết bị đo phân cực (Polarization Meter).
➢ Thiết bị đo điện:
- Oscilloscope.
- Thiết bị phân tích phổ RF (RF Spectrum Analyzer).
- Thiết bị phân tích biểu đồ hình mắt (Eye Diagram Analyzer).
- Thiết bị phân tích lỗi bit (BER Analyzer).
- Thiết bị đo công suất (Electrical Power Meter).
- Thiết bị phân tích sóng mang điện (Electrical Carrier Analyzer).
1.3.4. Mô phỏng phân cấp với hệ thống con
Để việc mô phỏng phân cấp với các hệ thống con (SubSystem) được thực
hiện một cách linh hoạt và hiệu quả, Optisystem cung cấp mơ hình mơ phỏng
tại các mức khác nhau, bao gồm mức hệ thống, mức hệ thống con và mức
phần tử.


1.3.5. Qt tham số và tối ưu hóa
Q trình mơ phỏng có thể thực hiện lặp lại một cách tự động với các giá trị
khác nhau của tham số để đưa ra các phương án khác nhau của thiết kế.
Người sử dụng cũng có thể sử dụng phần tối uu hóa của Optisystem để thay

đổi giá trị của một tham số nào đó để đạt được kết quả tốt nhất, xấu nhât
hoặc một giá mục tiêu nào đó của thiết kế.

PHẦN 2. Thiết kế
2.1. Xác định yêu cầu
Xây dựng một hệ thống thông tin quang DWDM sử dụng phần mềm mô
phỏng Optisystem. Thiết kế mô phỏng rõ ràng, đầy đủ các u cầu, chính xác
về thơng số đã cho, đưa ra kết quả BER xấp xỉ 10-12 .
Hệ thống thông tin quang DWDM bao gồm ba phần chính: phần phát, phần
thu, và đường truyền dẫn. Một bộ tạo xung NRZ có tác dụng điều chỉnh băng
thơng là do đặc tính của bộ tạo tín hiệu trả về 0 giữa các bit. Bộ tạo chuỗi bit
giả ngẫu nhiên (PRBS-Pseudo random bit sequence) được sử dụng để xáo
trộn tín hiệu dữ liệu về tốc độ bit. Bộ điều chế Mach Zehnder có hai đầu vào
là tín hiệu quang và tín hiệu điện, có đầu ra tín hiệu quang. Sau đó tín hiệu
được điều chế bằng laser bán dẫn trong bộ CW Laser Array 16 cổng.

2.2. Các thông số thiết kế cơ bản
- Đề bài với yêu cầu thiết kế như sau:
+ Tốc độ bit: 40Gbit/s
+ Cự ly truyền dẫn: 217km
+ Số lượng kênh bước sóng: 16 kênh
+ Loại sợi: G655
+ Connector loss: 0,35dB
+ Fiber loss/km: 0,32dB
+ Fiber loss margin: 5dB for each span
+ OSNR margin: 3dB for end to end channel, apply for all channels.
- Một số gợi ý khi thiết kế:
+ Loại sợi: Sợi quang đơn mode chuẩn(G.652/17ps/nm/km hoặc
G.655/gps/nm/km.
+ Nguồn phát: Loại nguồn: Laser

Phương thức điều chế: Điều chế ngoài
+ Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel.

2.3. Mô phỏng theo phương án thiết kế
2.3.1. Tuyến phát quang
Tuyến phát quang gồm 16 kênh quang được tích hợp thơng quang bộ ghép
kênh quang MUX. -Thiết lập thơng số tồn cục + Tốc độ bít 40GBps + Chiều
dài chuỗi: 128bits + Số mẫu trong một bít: 64 Số mẫu =Chiều dài chuỗi×Số
mẫu trong một trong một bit=128×64=8192

Hình 2- 1. Thiết lập tham số toàn cục


Hình 2- 2. Hệ thống con gồm PRBS, tạo xung RZ và điều chế MachZehnder

Hình 2- 3 Tuyến truyền dẫn quang

-Sợi quang sử dụng G.655 có các tham số: tại cửa sổ truyền 1550nm thì: +
Suy hao sợi: 0.32dB/km + Độ tán sắc: 6 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 mơ phỏng chúng ta sử dụng bộ loop đóng vai trò như một
bộ nhân các vòng lặp.Chọn chiều dài sợi G.655 là 36.16666667km, số bộ lặp
là: 217km÷36.16666667km=6 bộ.
- Do sợi quang có suy hao tán sắc nên trong tuyến truyền dẫn sẽ sử dụng bộ


bù tán sắc DCF. Thông số của bộ bù tán sắc: Giả sử sợi G655 có chiều dài là
L1=30km. +Độ tán sắc là : D1= 6 ps/nm.km.

+Độ dốc tán sắc : 0.075ps/nm^4.km.
+Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) là L2=36.16666667km-30km=6.16666667
km
=>Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2= -29.18918917341 ps/nm.km.
Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng bộ khuếch
đại EDFA để bù suy hao sợi.
+ L1=30km thì suy hao sợi là: 30×0.32=9.6dB Độ lợi của bộ khuếch đại
EDFA là 9.6dB.
+ L2=6.16666667 km thì suy hao sợi là: 6.16666667 ×0.32=1.973333334dB
Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 1.973333334dB.
 Quang phổ tín hiệu phát

Hình 2- 4 quang phổ tín hiệu phát

Quang phổ tín hiệu thu


Hình 2- 5 Quang phổ tín hiệu thu

Tỉ lệ lỗi bít BER

Hình 2- 6 Tỉ lệ lỗi bit BER


Nhận xét: Tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống xấp xỉ 0.063 là q lớn. Ngồi ra hệ
thống cịn bị nhiễu phi tuyến gây ra nên một số kênh có thể cho ra BER=1.

Phần 3. Kết luận
DWDM với những ưu thế về mặt công nghệ đã trở thành một phương tiện tối
ưu về kỹ thuật cũng như kinh tế để mở rộng dung lượng sợi quang một cách

nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống. DWDM đã đáp ứng được hoàn
toàn các dịch vụ băng rộng trên mạng và là tiền đề để xây dựng mạng toàn
quang trong tương lai. Các cơ chế bảo vệ và khôi phục dữ liệu trên hệ thống
DWDM chủ yếu dựa trên nền tảng WDM. Nhưng trong thực tế không phải
thiết bị trên hệ thống DWDM cũng giống hoàn toàn với thiết bị trên hệ thống
WDM, do vậy ta phải chú ý trong q trình xây dựng các cơ chế bảo vệ và
khơi phục dữ liệu trên hệ thống WDM. Khi áp dụng các cơ chế bảo vệ và
khôi phục dữ liệu cho tuyến quang trục dựa trên nền tảng hệ thống DWDM
ta phải chú ý đến đặc điểm của tuyến quang trục truyền với cự ly rất xa và
khả năng xảy ra các sự cố như sự cố đứt cáp và hỏng hồn tồn một nút nào
đó, cho nên khi xây dựng các cơ chế bảo vệ và khơi phục tín hiệu trên tuyến
phải chú ý tới hiệu quả kinh tế và khả năng phục hồi ở bất cứ trường hợp sự
cố nào vì chi phí đầu tư là rất lớn và độ tin cậy của hệ thống. Hy vọng trong
tương lai gần chúng ta có thể xây dựng các cơ chế bảo vệ và khơi phục dữ
liệu có độ tin cậy cao đồng thời chi phí đầu tư thiết bị ở mức hợp lý. Sau khi
thực hiện xong đề tài chúng em đã tiếp thu được kinh nghiệm làm việc theo
nhóm, cùng với những kiến thức vơ cùng bổ ích về hệ thống thông tin quang
cũng như cách thức mô phỏng hệ thống băng phần mềm optisystem.
Tuy đã rất cố gắng nhưng do kiến thức hiểu biết còn hạn hẹp nên còn nhiều
vấn đề chưa được giải quyết và còn một số lỗi. Chúng em rất mong nhận
được sự trợ giúp của các thầy để giúp mình hồn thiện kiến thức hơn nữa.
Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy.
Chúng em xin chân thanh cảm ơn!


TÀI LIỆU THAM KHẢO
/>346751428_Analysis_of_Video_Signal_Transmission_Through_DW
DM_Network_Based_on_a_Quality_Check_Algorithm/figures?
lo=1&utm_source=bing&utm_medium=organic
16 Channel WDM System Design (optiwave.com)