Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp sợi quang WNM và ứng dụng cho đường trục viễn thông Bắc Nam

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP




TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG WDM
VÀ ỨNG DỤNG CHO
ĐƢỜNG TRỤC VIỄN THƠNG BẮC NAM


Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: PHẠM THU HIẾU
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI




THÁI NGUN – 2012



2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU 11
LỜI NĨI ĐẦU 12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG TIN WDM 14
1.1 Cấu trúc tổng qt của hệ thống thơng tin quang 14
1.2 Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thơng tin quang 16
1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang 16
1.2.2 Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang 17
1.3 18
1.4 Các phƣơng pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bƣớc sóng 23
1.4.1 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng 23
1.4.2 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng 23
1.5 Ngun lý hoạt động của hệ thống WDM 25
1.6 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM 26
1.6.1 Suy hao xen 27
1.6.2 Suy hao xun kênh 27
1.6.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh 29
1.6.4 Số lƣợng kênh 29
1.6.5 Ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến 31
1.6.6 Tán sắc – bù tán sắc 31
1.6.7 Đặc điểm của hệ thống WDM 33
CHƢƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG WDM 34
2.1 Các loại cáp quang đƣợc khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM 35
3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.1.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652 35
2.1.2 Sợi DSF hay sợi G.653 36
2.1.3 Sợi CSF hay sợi G.654 37
2.1.4 Sợi NZ-DSF hay sợi G.655 37
2.2 Nguồn quang WDM 39
2.3 Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) 40
2.4 (Coupler) 41
2.4.1 42
2.4.2 43
2.5 Bộ định tuyến bƣớc sóng 43
2.6 Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) 44
2.6.1 44
2.6.2 45
2.7 Bộ biến đổi bƣớc sóng 46
2.8 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 47
2.8.1 Cấu trúc của EDFA 48
2.8.2 Nhiệm vụ của EDFA 49
2.9 Bộ lọc 50
2.9.1 50
2.9.2 Bộ lọc điều chỉnh đƣợc 51
2.10 Thiết bị đầu cuối OLT 52
2.11 Chuyển mạch quang 54
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ THỐNG WDM 56
3.1 Tơpơ dạng hình vòng 56
3.2 Mạng WDM hình vòng 57
4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.2.1 Kết cấu vòng hai sợi một chiều 58
3.2.2 Kết cấu vòng hai chiều hai sợi 59
3.2.3 Vòng nhiều sợi 60
3.2.4 Bảo vệ mạng hình vòng 61
3.3 Thiết kế hệ thống WDM cơ bản 61
3.3.1 Thiết kế vòng Ring 62
3.3.2 Thiết kế OSNR 63
3.3.3 Bù tán sắc và hiện tƣợng dịch tần 63
3.3.4 Cân bằng tăng ích và tỉ lệ lỗi bit ( BER) 64
3.3.5 Thực hiện hệ thống 64
3.4 Sơ đồ liên kết nút 65
3.5 Hệ thống điểm-điểm dung lƣợng lớn 66
3.6 Mạng phân bố và quảng bá 68
3.7 Mạng WDM đa truy nhập 69
CHƢƠNG 4:HỆ THỐNG WDM TRONG TRỤC BẮC NAM 71
4.1 Các giai đoạn phát triển 71
4.2 Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam 73
4.2.1 Cấu hình tuyến. 73
4.2.2 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WDM 76
4.3 Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam. 77
4.4 Đề xuất lựa chọn phƣơng án tăng dung lƣợng 81
4.5 Xây dựng cấu hình tuyến và tính tốn hiệu quả kinh tế. 85
4.6 Hƣớng phát triển của WDM 90
4.7 Hệ thống cáp quang Bắc - Nam DWDM 40Gbps Nortel 91

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CÁC TỪ

ADM
Add/Drop Multiplexer
Bộ ghép kênh xen/rẽ
AN
Access Network
Mạng truy nhập
AM
guihiuhiu Amplitude Modulation

APD
Avalanche Photodiode
Diode quang thác
ASE
Amplifier Spontaneous
Emission
Bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại
BER
Bit Error Ratio
Tỷ lệ lỗi bit
CATV
Cable Television

CWDM
Coarse Wavelength Division
Multiplexing

CPM
Cross Phase Modulation
Điều chế chéo pha
DBF

Distributed Feedback laser

DCF
Dispersion Compensating Fiber

DEMUX
Demultiplexing
Phân kênh
DST
Dispersion Shifted Fiber

DST
Dispersion Supported
Transsmision

DWDM
Dense Wavelength Division
Multiplexing
cao
EDFA
Erbium Doped Fiber Amplifier

E/O
Electric-Optical Converter
/quang
EMI
Electromagnetic Interference
Nhiễu điện từ
ESI
External Synchronous Interface

Giao tiếp đồng bộ ngồi
FBG
Fiber Bragg Grating
Cách tử sợi Bragg
FEC
Forward Error Correction
Khối sửa lỗi trƣớc
FR
Frame Relay
Chuyển tiếp khung
FM
Frequency Modulation

6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

FSR
Spectrum

FTTX
Fiber To The
Home/Building/Premises/Office
/Curb/Node

FWHM
Full Width at Half Maximum

FWM
Four-Wave Mixing

FXC
Fiber XC

GVD
Group Velocity Dispersion

IDTV
Integrated Digital Television

IM-DD
Intensity Modulation- Direct
Detection

ITU_T
International
Telecommunication Union -
Telecommunication
Standardization Sector

LAN
Local Area Network

LA
Line Amplifier
Bộ khuếch đại đƣờng truyền
LASER
Light Amplication by Stimulate
Emission of Radiation

LD
Laser Diode
Diode laser
LED
Light Emitting Diode

LTE
Line Terminal Equipment
Thiết bị đầu cuối đƣờng dây
MAN
Metropolitan Area Network

MUX
Multiplexing

OADM
Optical Add/DropMultiplexer

OLT
Optical Line Terminator

OMUX
Optical Multiplexing

7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

OC
Optical Channel

Kênh quang
OPC
Optical Phase Combiner




OTDM
Optical Time Division
Multiplexing

O/E
Optical - Electric Converter

OPM
Optical Performance Monitor
Thiết bị giám sát mạng quang
OSC
Optical Supervisor/Service
Channel
Kênh giám sát quang
OTN
Optical Transport Network
Mạng truyền tải quang
OTPM
Optical Translator Port Module
Module cổng chuyển đổi quang
OUT
Optical Translator Unit
Đơn vị chuyển đổi quang

OXC
Optical Cross Connect
Bộ nối chéo quang
PCH
Pre-chirp

PDC
Passive Dispersion Compensator

PIN
Positive Intrinsic Negative

PON
Passive Optical Networks

SBS
Stimulated Brillouin Scattering

SC-
OADM
Single Channel OADM
OADM đơn kênh
SDH
Synchronous Digital Hierachy

SLA
Semiconductor Laser Amplifier

SOA
Signal Optical Amplifier

SONET
Synchronous Optical Network

SPM
Self-Phase Modulation

SRS
Stimulated Raman Scattering

S/N
Signal to Noise ratio

TDM
Time Division Multiplexing
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

gian
VNPT
Vietnam Posts and
Telecommunication Group

WAN
Wide Area Network

WDM
Wavelength Division
Multiplexing

WDMA
Wavelength Division
Multiplexing Access
Đa truy

WIXC
Wavelength Interchange XC

WSXC
Wavelength Selected XC

9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống thơng tin quang ……………………………….14
lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM. 19
Hình 1.3: Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM. 23
Hình 1.4: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng. 23
Hình 1.5: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng. 24
Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống WDM………………………………………………….24
Hình 1.7. Xun âm trong hệ thống 28
H×nh 1.8. Kho¶ng c¸ch kªnh vµ ®é réng kªnh 29
Hình 2.1. Phân loại sợi quang theo tán sắc 38
. 40
42
44
. 46
. 46
H×nh 2.7. Bơm cïng chiều 48
H×nh 2.8. Bơm ngƣợc chiều 48
Hình 2.9. Bơm hai chiều 49
Hình 2.10. Vị trí của EDFA trên tuyến thơng tin quang 49
51
c Fabry-Perot. 51
-Parot. 52
Hình 2.14. Thiết bị OLT 53
Hình 3.1: Tơpơ dạng hình vòng 57
10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.2. Kết cấu chức năng của OADM 58
Hình 3.3. Cấu hình vòng một chiều hai sợi 59
Hình 3.4. Cấu hình vòng hai chiều hai sợi 60
Hình 3.5 Cấu hình tuyến cáp quang AA- BB-CC 62
Hình 3.6 Cấu hình liên kết giữa các Ring với backbone 65
Hình 3.7 Cấu hình liên kết giữa AA-BB với BB-CC ( 32 bƣớc sóng) 65
Hình 3.8 Cấu hình liên kết giữa Ring của AA với Backbone ( 32 bƣớc sóng) 66
Hình 3.9 Cấu hình liên kết giữa Ring của CC với backbone ( 32 bƣớc sóng) 66
- . 67
. 69
. 70
Hình 4.1. Mạng cáp quang đƣờng trục Bắc Nam 73
Hình 4.2. Bốn vòng ring mạng cáp quang đƣờng trục Bắc Nam 74
Hình 4.3. Sơ đồ tuyến cáp quang trục Bắc - Nam 78
H×nh 4.4. C¬ chÕ b¶o vƯ vµ kÕt nèi gi÷a các Ring 79
Hình 4.5 Sơ đồ xếp các bƣớc sóng trên các nút 20Gb/s 85
Hình 4.6. Mơ hình thiết bị WADM………………………………………………85
Hình 4.7. Bố trí các thiết bị giữa hai nút RING 86
Hình 4.8. Phân bố cự ly và suy hao đoạn HNI- VIN 87
Hình 4.9. Sơ đồ ngun lý đấu nối tại nút VIN 88
Hình 4.10. Cấu hình Ring 2 88
Hình 4.11. Phân bố cự ly và suy hao trên đƣờng dây 500KV 89
Hình 4.12. Sơ đồ mạng lƣới hệ thống Long Haul 92

11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
. 21
Bảng 1.2: Sự phân chia các băng sóng trong WDM. 22
Bảng 1.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi khơng có trạm lặp 32
Bảng 4.1 : Mã các tỉnh thành của Việt Nam 75


12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI NĨI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại
tạo ra một sự bùng nổ về dung lƣợng. Hệ thống thơng tin quang đơn mode đã là
một mạng thơng tin tiên tiến, nhƣng nó chƣa tận dụng đƣợc băng thơng lớn của sợi
quang một cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền đƣợc 1 kênh. Vì vậy cần
phải cải thiện các hệ thống thơng tin quang có sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với
chi phí thấp bằng cách ghép nhiều bƣớc sóng cùng truyền trên một sợi quang. Kỹ
thuật ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer)
ra đời, cho phép nâng cao dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà
khơng cần phải tăng thêm sợi quang và tận dụng đƣợc băng tần lớn của sợi quang
do có thể ghép nhiều kênh bƣớc sóng trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh
quang theo bƣớc sóng đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các mạng viễn thơng. Sự
phát triển của cơng nghệ WDM cùng với cơng nghệ khuếch đại quang và chuyển
mạch quang sẽ tạo nên một mạng thơng tin thế hệ mới: mạng thơng tin tồn quang.
Cơng nghệ WDM là cơng nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng đã tận dụng hữu
hiệu nguồn tài ngun băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn
mode. Cơng nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống

mà khơng cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bƣớc sóng.
Cơng nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thơng tin quang,
đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền dẫn của hệ thống.
Vì vậy “ Nghiên cứu hệ thống thơng tin cáp sợi quang WDM và ứng dụng
trong đƣờng trục viễn thơng Bắc Nam”là một u cầu quan trọng nhằm tăng dung
lƣợng truyền dẫn của mạng, đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong
tƣơng lai.
Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thơng tin quang sử dụng kỹ thuật
WDM và đƣợc sự đồng ý của Thầy hƣớng dẫn, em đã thực hiện luận văn tốt
nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống thơng tin cáp sợi quang trong
đường trục viễn thơng Bắc Nam”. Luận văn gồm 4 chƣơng đƣợc khái qt nhƣ sau:

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống thơng tin cáp sợi quang WDM
tin quang,
quang. Từ đó nêu bật những ƣu điểm khi hệ thống WDM ra đời.
Trình bày ngun lý cơ bản, phân loại, đặc điểm và các kỹ thuật cần quan
tâm của hệ thống WDM
Chƣơng 2: Các phần tử trong hệ thống WDM
N WDM, các phần tử
trong hệ thống ghép kênh quang theo bƣớc sóng.
Chƣơng 3: Phân tích hệ thống WDM
Đƣa ra
-
phâ
Chƣơng 4: Hệ thống WDM trong mạng đƣờng trục Bắc - Nam.
Ứng dụng lý thuyết của ba chƣơng trƣớc vào bài tốn cụ thể để giải quyết

vấn đề cho tuyến đƣờng trục Bắc – Nam. Đƣa ra các vòng Ring trong mạng Back-
Bone Việt Nam, cách liên kết và bảo vệ các vòng ring. Xây dựng cấu hình tuyến và
tính tốn hiệu quả kinh tế và phƣơng án tăng dung lƣợng mạng











14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG TIN
CÁP SỢI QUANG WDM
Trong kỹ thuật thơng tin quang mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang
từ một nguồn phát tới một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu, Các tín hiệu
từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định và riêng biệt. Trong thực tế
thì nguồn quang có độ rộng phổ tƣơng đối hẹp, do vậy phƣơng pháp này chỉ sử
dụng một phần băng tần vốn rất lớn của sợi quang. Về mặt lý thuyết có thể làm
tăng đáng kể dung lƣợng tuyến truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời
nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một
cách hợp lý và ở đầu thu có thể thu đƣợc các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu
có các bộ tách bƣớc sóng. Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc
sóng WDM.

1.1 Cấu trúc tổng qt của hệ thống thơng tin quang
Tuyến thơng tin quang bao gồm: Bộ phát quang, sợi quang, khuếch đại
quang và bộ thu quang. Mơ hình chung của tuyến thơng tin quang nhƣ sau:






Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống thơng tin quang
Tín hiệu cần truyền đi sẽ đƣợc phát vào mơi trƣờng truyền dẫn tƣơng ứng
và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Nhƣ vậy, tín hiệu đã đƣợc thơng tin từ
nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến. Mơi trƣờng truyền dẫn ở đây chính là
sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thơng tin từ phía phát
tới phía thu.
Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bƣớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó
có suy hao thấp là các vùng xung quanh bƣớc sóng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm.

Mã
hố

Giải
mã
Phát
Thu
Sợi
quang
Thiết
bị
phát

quang
Sợi
quang

Bộ
lặp

Thiết
bị thu
quang
15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ba vùng bƣớc sóng này đƣợc sử dụng cho các hệ thống thơng tin quang và gọi là
các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tƣơng ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật
thơng tin quang, cửa sổ thứ nhất đƣợc sử dụng. Nhƣng sau này do cơng nghệ chế
tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống
thơng tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba.
Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED)
hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống
thơng tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tƣơng ứng với sự
thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc
đơi khi có dạng tƣơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín
hiệu quang tƣơng ứng và cơng suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của
cƣờng độ dòng điều biến. Bƣớc sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ
thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp
với sợi dẫn quang đƣợc khai thác trên tuyến.
Tín hiệu ánh sáng đã đƣợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền
dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín

hiệu ánh sáng thƣờng bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây
nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu
từ hƣớng phát đƣa tới. Tín hiệu quang đƣợc biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các
photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách
sóng quang trong các hệ thống thơng tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm
việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách
sóng quang sẽ quyết định bƣớc sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào
các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang đƣợc sử dụng trên
tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang,
nó mơ tả cơng suất quang nhỏ nhất có thể thu đƣợc ở một tốc độ truyền dẫn số nào
đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống.
Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang
trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến.
16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép. Thiết
bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu
điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đƣa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát
quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào
đƣờng truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã đƣợc sử dụng để
thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang.
Trong các tuyến thơng tin quang điểm nối điểm thơng thƣờng, mỗi một
sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở
phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín
hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tƣơng
ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Nhƣ vậy muốn tăng dung lƣợng của hệ thống thì
phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang nhƣ vậy, dải phổ của tín hiệu
quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thơng mà các sợi truyền dẫn quang

có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ.
Vì vậy, đã dẫn đến một ý tƣởng hợp lý khi cho rằng có thể truyền dẫn
đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bƣớc sóng phát khác nhau
trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM sẽ thực
hiện ý tƣởng này.
1.2 Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thơng tin quang
1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang
Ngồi những nhƣợc điểm của hệ thống quang đƣợc nêu ở trên thì trong hệ
thống thơng tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có
những tồn tại sau: Các hệ thống quang thƣờng có dung lƣợng thấp (<10 Gb/s) do
ảnh hƣởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó băng tần của sợi quang
là rất lớn (> 1 Thz). Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly truyền
dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạ /s thì làm cho cự ly truyền dẫn ngắn
lại, bản thân các mạch điện tử khơng đáp ứng đƣợc xung tín hiệu cực hẹp.
17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Việc khắc phục những nhƣợc điểm trên đòi hỏi phải có cơng nghệ cao và rất
tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thơng tin quang nhiều kênh
sẽ giải quyết các tồn tại trên nhƣ sau:
: Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng
đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục đƣợc nhƣợc
điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên.
: Các phần tử quang tận dụng đƣợc phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng sử
dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng
dụng tốc độ cao hiện tại và tƣơng lai.
, khi sử dụ
lƣợng của hệ thống mà khơng cần tăng thêm sợi quang, tận dụng đƣợc băng tần
khơng hạn chế của sợi.

1.2.2 Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang
Với sự phát triển khơng ngừng của thơng tin viễn thơng hiện nay thì hệ
thống thơng tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới.
Do có nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với các hình thức thơng tin khác về băng thơng,
suy hao và an tồn tín hiệu mà hệ thống thơng tin quang hiện nay giữ vai trò chính
trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đƣờng trục và các tuyến xun lục địa, xun
đại dƣơng, mạng nội hạt, mạng trung kế. Cơng nghệ quang phát triển nhƣ ngày nay
đã là tiền đề cho hệ thống thơng tin quang phát triển theo xu hƣớng hiện đại và kinh
tế nhất.
Hệ thống thơng tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ƣu điểm là khơng
có trễ, khơng có can nhiễu, suy hao trên đƣờng truyền nhỏ, qng đƣờng truyền là
ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng đƣợc khoảng cách của tuyến truyền dẫn
quang và tạm thời đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của con ngƣời.
Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thơng tin của con ngƣời và các loại hình dịch
vụ băng rộng nhƣ internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building
/Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung
lƣợng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode khơng thể đáp ứng đƣợc, mặt
18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền đƣợc một mode tín hiệu nên khơng tận dụng
đƣợc băng thơng lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lƣợng của hệ thống
thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên ngƣời ta lại nghĩ đến phƣơng thức cải thiện
nhƣợc điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang nhiều kênh
ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM (Wavelength
Division Multiplexing).
Hệ thống thơng tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng ra đời đã làm tăng đáng
kể dung lƣợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các cơng
nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hƣởng đến hệ thống truyền dẫn quang nhƣ suy

hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các cơng nghệ khuếch đại quang EDFA,
chuyển mạch gói quang.
Các cơng nghệ khác nhƣ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM
(Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lƣợng đƣợc đáp
ứng rất tốt nhƣng lại q phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành vấn đề
đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
trong các hệ thống thơng tin quang hiện nay. Ngồi ra, ngƣời ta còn cải tiến cơng
nghệ WDM bằng các cơng nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao DWDM
(Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bƣớ
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing).
. Ở nƣớc ta, thơng
tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp quang
đƣợc hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí Minh
chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thơng tin tồn quốc.
1.3
Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đƣợc điều chế với
các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng đƣợc ghép lại và truyền trên cùng
một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện q trình tách tín hiệu quang thành
19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

các kênh quang riêng biệt có bƣớc sóng khác nhau. Mỗi kênh này đƣợc đƣa đến
một máy thu riêng. Ngun lý ghép kênh quang theo bƣớc sóngđƣợc thể hiện nhƣ
sau:


lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM.
Cơng nghệ WDM cho phép khai thác đƣợc tiềm năng băng thơng to lớn của
sợi quang. Chỉ riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bƣớc sóng có thể sử dụng là

1500 nm – 1600 nm tƣơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz. Hệ thống gồm các
phần sau:
Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các
Laser có độ rộng phổ hẹp, phát ra các bƣớc sóng ổn định, mức cơng suất đỉnh, bƣớc
sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép.
Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bƣớc sóng quang MUX có nhiệm vụ ghép các
bƣớc sóng khác nhau λ
1
, λ
2
, λ
3
,…, λ
N
từ các nguồn quang khác nhau thành một
luồng ánh sáng chung để truyền qua sợi quang. Bộ ghép kênh quang này phải có
suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các
kênh phải có khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau. Bộ tách tín hiệu
quang DEMUX có nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu đƣợc thành các kênh có bƣớc
sóng khác nhau và đi đến đầu thu riêng.



MUX


DEMUX
T
x1

T
x2

T
xN

R
x1

R
x2

R
xN






20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh
hƣởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ
ảnh hƣởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi đƣợc sử dụng trong hệ thống.
Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại
quang là các bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc
bộ khuếch đại Raman.

Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN
(Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo-Diode)
để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tƣơng thích với bộ phát cả về
bƣớc sóng và đặc tính điều chế.
Khi N kênh tại tốc độ bit B
1
, B
2
, …, B
N
đƣợc truyền đồng thời qua sợi có độ
dài L, thì B.L = (B
1
+ B
2
+…+ B
N
)L . Khi tốc độ bit đồng đều, tức B
1
=B
2
=…=B
N
thì
dung lƣợng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N.
Dung lƣợng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho
phép giữa các kênh. Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo đƣợc khả
năng chống nhiễu xun kênh giữa các kênh.
Các kênh tần số (hay bƣớc sóng) của các hệ thống WDM đã đƣợc chuẩn hố bởi
ITU_T thì khoảng cách giữa các kênh bƣớc sóng là 100 Ghz, hệ thống WDM hiện

tại hoạt động trong băng C và L thì sẽ có 32 kênh bƣớc sóng hoạt động trên mỗi
băng. Nhƣ vậy, nếu giữ ngun tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng cơng
nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thơng truyền trên một sợi quang lên 64 lần.
(Dense Wavelength Division Multiplexing).
21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

.
.

CWDM
DWDM

≈20 nm
≈0,8nm

2500 Ghz
100 Ghz

Khơng


)
)
/ kênh
2,5 Gbit/s
10 Gbit/s

40 Gbit/s

320 Gbit/s


Cao

, ngƣờ ợ
. Việ
giữ 1.1
Trong hệ thống thơng tin quang thì tồn tại 3 cửa sổ truyền sóng là 3 vùng
bƣớc sóng có suy hao nhỏ nhất đó là:
 α
min
= 2 ÷ 3 dB/km,
là vùng dành cho sợ
ệ thống có cự ly truyền dẫn ngắn với
tốc độ truyền khoảng vài chục Mb/s.
22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

 λ = 1÷1.3 nm: có α
min
= 0,35 dB/km, lúc này tán xạ
vật liệu khơng còn, đƣợc sử dụng cho các sợi đa mode GI, các sợi đơn mode và
dùng cho các hệ thống truyền dẫn cự ly xa khoảng mấy chục km với tốc độ hàng
Gb/s.
 ng
1,5 1,7nm



suy hao α
min
ủ yếu cho sợi đơn mode, dùng cho các hệ
thống có cự ly truyền dẫn hàng trăm km với tốc độ lên đến hàng ngàn Gb/s.
Ghép kênh quang phân chia theo bƣớc sóng WDM có thể ghép nhiều bƣớc sóng
truyền trên một sợi quang mà khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bƣớc sóng.
Cơng nghệ WDM tăng băng thơng bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi
quang trong khoảng bƣớc sóng 1260 nm đến 1675 nm. Khoảng bƣớc sóng này
đƣợc chia ra làm các băng hoạt động nhƣ trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2: Sự phân chia các băng sóng trong WDM.
Băng sóng
Mơ tả:
Phạm vi bƣớc sóng(nm)
Băng O
Ban đầu: Original
1260÷1360
Băng E
Mở rộng: Extended
1360÷1460
Băng S
Ngắn: Short
1460÷1530
Băng C
Tiêu chuẩn: Conventional
1530÷1565
Băng L
Dài: Long
1565÷1625
Băng U
Cực dài: Untra-long

1625÷1675

Trong hệ thố
vùng có suy hao thấ trong Hình 1.3.

23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.3: Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM.
1.4 Các phƣơng pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bƣớc sóng
Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tƣơng tác, tại mỗi đầu sẽ thực hiện
chức năng phát tín hiệu đi và nhận tín hiệu về. Có hai phƣơng pháp thiết lập hệ
thống truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM, đó là truyền dẫ
ền dẫn WDM song hƣớng.
1.4.1 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng
Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng là: tất cả kênh quang trên cùng
một sợi quang đƣợc ghép lại thành một luồng tín hiệu và đƣợc truyền theo cùng
một hƣớng. Ở hƣớng đi, các kênh quang tƣơng ứng với các bƣớc sóng
1

,
2

, ,
λ
N
qua bộ ghép kênh đƣợc ghép lại với nhau thành một luồng tín hiệu và truyền dẫn
theo một chiều trên một sợi quang đến đầu thu. Ở đầu thu, bộ giải ghép bƣớc sóng
quang tách các tín hiệu có bƣớc sóng khác nhau trong luồng tín hiệu thu đƣợc để

đến các đầu thu riêng rẽ ớng ngƣợc lạ
ớng đi nhƣng truyền trên một sợi quang riêng biệ
1.4

Hình 1.4: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng.
1.4.2 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng
Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng là: ở hƣớng đi, các kênh quang
tƣơng ứng với các bƣớc sóng 
1
, 
2
, , 
i
qua bộ ghép/tách kênh đƣợc ghép lại với
nhau thành một luồng tín hiệu truyền dẫn theo một chiều trên một sợi. Cũng sợi


DEMUX/
MUX
λ
1

λ
2

T
x2

λ
N

T
xN



MUX/
DEMUX
λ
1

R
x1

λ
2

R
x2

λ
N

R
xN

λ
1
, λ
2

,…, λ
N

EDFA
λ
1
, λ
2
,…, λ
N

EDFA
24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

quang đó, ở hƣớng về các bƣớc sóng 
i+1,

i+2
, , 
N
1.5

Hình 1.5: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng.
.
:
.
.
.

λ
1


λ
2


λ
i




DEMUX
/ MUX


MUX/
DEMUX
λ
1


λ
2


λ
N

N

λ
1
, λ
2
,…, λ
i

λ
i+1
, λ
i+2
,…, λ
N

25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

.
1.5 Ngun lý hoạt động của hệ thống WDM
Hệ thống WDM bao gồm một hoặc nhiều nguồn phát (laser), một bộ ghép
kênh, một hoặc nhiều bộ khuếch đại quang (ví dụ EDFA), khối xen/rẽ (OADM),
sợi quang, một bộ tách kênh và các bộ thu tƣơng ứng với phía phát, kênh tín hiệu
điều khiển giám sát quang và hệ thống xử lý. Mỗi phần tử trên hệ thống đều thực
hiện những chức năng xác định một cách chính xác.
Sơ đồ ngun lý của hệ thống đƣợc minh họa ở hình 1.6
–

.65
.65
.

,…

.