Bài tập lớn xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Khoa Điện Tử Viễn Thông
======o0o======

BÀI TẬP LỚN
THÔNG TIN QUANG
Đề tài:2
“Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang
WDM có sử dụng bộ khuếch đại quang EDFA”.
Nhóm thực hiện : Trần Văn Đô

Đt 11-K54 20090751

Nguyễn Văn Bình

Đt 11-K54 20090243

Dương Văn Sinh

Đt 11-K54 20092219

Nguyễn Bá Nguyên Đt 11-K54 20091932


LỜI NÓI ĐẦU

Bước sang thế kỉ 21 chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của công nghệ thông tinđiện tử viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông đó thực sự là cuộc cách
mạng lớn thay đổi cuộc sống của toàn nhân loại. Cùng với sự phát triển của kĩ
thuật chuyển mạch , kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng phát triển đạt được
những thành tựu vô cùng to lớn,và tất nhiên chúng ta phải kể đến kỹ thuật truyền
dẫn cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang sẽ được coi là một môi trường truyền

dẫn lý tưởng mà không một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế nổi . Các hệ
thống thông tin quang có những ưu điểm nổi bật như: 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 . Tuy nhiên băng thông quang rất lớn nên sẽ rất hao phí nếu
chỉ dùng cho các ứng dụng đơn lẻ. Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênh
trên một đường truyền quang. Những kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện
nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM). Tuy nhiên trong khuôn khổ bài tập lớn này chúng em sẽ chỉ
tập trung đi sâu vào một trong hai kỹ thuật ghép kênh ở trên vì vậy chúng em đã
chọn đề tài “xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử
dụng bộ khuếch đại quang EDFA”.
Nhóm em xin được trình bày tổng quan về hệ thống cũng như kết quả mô phỏng
đạt được sử dụng topology để thiết kế hệ thống.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Ts.Nguyễn Hoàng Hải đã tận
tình chỉ bào và giúp đỡ chúng em trong thời gian qua để hoàn thiện đề tài này.


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
WDM
1.1 Giới thiệu tổng quan
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:
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.

1.3 Phân loại hệ thống WDM


Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng
như hình minh hoạ trên hình 1.2. Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều
trên sợi quang. Do đó, 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 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.
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 bứcxạ 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.



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
tốkhác 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 độổn 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).
- 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

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.
 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)
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




Ghép tầng để tạo bộ ghép kênh dung lượng cao:
 Ghép tầng nối tiếp đơn kênh
 Ghép một tầng
 Ghép tầng theo từng băng sóng
 Ghép tầng đan xen chẵn lẻ

1.4.5.Bộ chuyển đổi bước sóng


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

1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bước 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

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng đi 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.
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
bộlọc.
- 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 suấtquang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các
bước sóng khác cũng như vậy.
1.5.3 Độ rộng kênh
Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống việc phân chia bước sóng như thế nào.
Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng 1550nm và các bộ khuếch đại EDFA
Băng EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảrộng giữa các kênh là 30nm/16
kênh hay 1,8 tần số hơn là bước sóng.
1.6 Ưu nhược điểm của hệ thống WDM
a.Ưu điểm
-

Hệ thống WDM có dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống

-

TDM
Không giống như TDM phải tăng tốc độ số liệu khi lưu lượng truyền
dẫn tăng, WDM chỉ cần mang vài tín hiệu, mỗi tín hiệu ứng với mỗi bước

-

sóng riêng (kênh quang)
WDM cho phép tăng dung lượng của mạng hiện có mà không cần phải lắp
đặt thêm sợi quang


b. Nhược điểm:
-

Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn

-

của sợi quang.
Chi phí cho khai thác, bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt động
1.7 Bộ khuếch đại quang EDFA
1.7.1 Các cấu trúc EDFA

Cấu trúc của một bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium EDFA (Erbium-Doped
FiberAmplifier) được minh họa trên hình 2.9. Trong đó bao gồm:
Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra
Quátrình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.


Nguyên lý hoạt động của EDFA

Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Quá
trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện:


Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng
lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =1.27eV) và chuyển lên trạng thái
năng lượng cao hơn ởvùng bơm (pumping band) (1). Tại vùng bơm, các ion Er3+
phân rã không bức xạrất nhanh (khoảng 1μs) và chuyểnxuống vùng giả bền (2).
Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480nm, các ion Er3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng
lượng từcác photon (có năng lượng Ephoton =0.841eV) và chuyển sang trạng thái
năng lượng cao hơn ởđỉnh của vùng giả bền (3)

CHƯƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM
BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM
2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C
Mỗi kênh quang bao gồm nguồn phát quang lazer CW lazer, bộ phát xung
RZ pulsegenarator, bộ phát bit điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, bộ


điều chế Mach-zehnder.
Tuyến phát quang gồm 4 kênh quang được tích hợp thông quang bộ ghép
kênh quang MUX.
-Tốc độ bit: 2.5 Gbit/s
- Chiều dài chuỗi: 128 bits
- Số mẫu trong 1 bit: 64
Số mẫu =chiều dài mỗi chuỗi * số mẫu trong 1 bit=128x64=8192


Nguồn phát: sử dụng nguồn CW laser(continuos wave laser) :nhằm giảm
ảnh hưởng của tán sắc sợi

Bộ tạo xung:RZ

Bộ tạo chuỗi bit


Bộ điều chế ngoài

Bộ ghép kênh quang (ghép 4 kênh)


Toàn tuyến phát 4 kênh quang

Tuyến truyền dẫn quang


Tuyến thu 4 kênh quang


2.1 Kết quả mô phỏng thu được:
Toàn bộ hệ thống thông tin quang


Quang phổ của tín hiệu phát


Quang phổ của tín hiệu thu


Công suất tín hiệu phát:

Tổng công suất phát

Công suất tín hiệu thu:

Công suất tín hiệu thu của kênh 4