davt thiết kế tuyến quang hải phòng hà nội

Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

MỤC LỤC

1

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
GVD

Group velocity dispersion

Nhóm hệ số tán sắc

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

LASER

Light Ampication by Stimulated
emission of radiation L

Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ
kích thích

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

NF

Noise figure

Nền nhiễu

SBS

Stimulated brillouin scattering

Tán xạ do kích thích Brillouin

OLT

Optical line terminal

Bộ đầu cuối đường quang

EDF

Erbium doped fiber

Sợi quang pha ion đất hiếm
Erbium

PMD

Polarisation mode dispersion

Hệ số tán sắc phân cực mode

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

Hiệu ứng tự điều chế dịch pha

2

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

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 tuyến Hà
Nội – Hải Phòng sử dụng kỹ thuật WDM ”. 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 (tuyến Hà Nội – Hải Phòng).
Mặc dù đã cố gắng, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy để đề tài của chúng em
được hoàn thiện hơn.
Chúng Em xin chân thành cảm ơn!

3

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

CHƯƠNG 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: 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).

4

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

- 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
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

5

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

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
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.

6

Nhóm
5


Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

• 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).
- 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.
7

Nhóm
5

Môn : Đồ án viễn thông

GVHD: TS.Nguyễn Lê Cường & ThS.Đinh Văn Tuấn

- 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
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

8

Nhóm
5


 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.

-

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 loai sợi quang NZDS (non-zero dispersion-shifted).
1.4.4. Bộ tách / ghép bước sóng: ( 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
Ghép tầng theo từng băng sóng
Ghép tầng đan xen chẵn lẻ
1.4.5. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier):

Hình 1.7: 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
+ 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
1.4.6. 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 t r o n g W D M
• Bộ chuyển đổi khi được trang bị trong các cấu hình nút mạng WDM giúp sử dụng tài
nguyên bước sóng hiệu quả, 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 (xét bộ MUX-DEMUX mô tả ở hình 2.7).

Trong đó Li là suy hao tại bước sóng λi 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(λi), Oi(λi) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λi đi vào và đi ra cửa thứ i của bộ
ghép.
- Ii(λi), Oi(λi) tương ứng là tín hiệu có bước sóng λi 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 tỷ 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


quang ở một bước sóng tác động đến tán xạ và công suất quang, trong các bước sóng khác
cũng như vậy.
Trong một bộ tách kênh sẽ không có sự dò công suất tín hiệu từ kênh thứ i có bước
sóng λi sang kênh khác có bước sóng khác với bước sóng λi. Nhưng trong thực tế luôn
tồn tại một mức xuyên kênh nào đó, làm giảm chất lượng truyền dẫn của một thiết bị. Khả
năng để tách các kênh khác nhau được diễn giải bằng suy hao xuyên kênh và được tính
bằng dB như sau:

Trong bộ giải ghép thì Ui(λk) là lượng tín hiệu không mong muốn ở bước sóng λk
bị dò ở cửa ra thứ i mà đúng ra chỉ có tín hiệu ở bước sóng λi.

Hình 1.8: Xuyên kênh ở bộ giải ghép
Trong các thiết bị tách hỗn hợp có 2 loại xuyên âm kênh là xuyên âm đầu gần và
xuyên âm đầu xa.

Hình 1.9: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp
Xuyên kênh đầu gần là do các kênh khác ở đầu vào sinh ra, nó được ghép ở bên
trong thiết bị như Ui(λj).

- Xuyên kênh đầu xa là do các kênh khác được ghép đi vào đường truyền gây
ra, ví dụ Ii(λk) sinh ra Ui(λj).


1.5.3. Độ rộng kênh
Một vấn đề quan trọng đối với hệ thống WDM là có thể sử dụng bao nhiêu bước và
việc phân chia bước sóng như thế nào.
Hiện nay trong hệ thống viễn thông dùng sợi quang thường sử dụng bước sóng
1550nm và các bộ khuếch đại EDFA. Băng thông cực đại của bộ khuếch đại sợi pha tạp
EDFA khoản 30nm. Nếu ta muốn xếp khoảng 16 kênh trong dải bước sóng này thì độ
rộng giữa các kênh là 30nm/16 kênh hay 1,875nm. Độ rộng kênh là tiêu chuẩn trong
miền tần số hơn là bước sóng.
Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:

Vì vậy 1,875nm là tương đương với độ rộng của các kênh có tần số xấp xỉ 250GHz. Vậy
độ rộng kênh là dải bước sóng mà nó định ra cho từng nguồn phát quang. Nếu nguồn phát
thứ nhất phát xạ tại 1330, thì nguồn phát thứ hai phải phát xạ tại 1331,875nm và các nguồn
phát khác tương tự. Nếu nguồn phát quang là các diode laser thì độ rộng kênh yêu cầu
khoảng vài chục nm. Đối với nguồn phát quang là diode LED yêu cầu độ rộng kênh phải lớn
hơn từ 10 đến 20 lần LD vì độ rộng phổ của loại nguồn này rộng hơn.
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

Hình 1.10: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại 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.

Hình 1.11: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium


Trong đó, vùng lõi trung tâm (có đường kính từ 3 -6 μm) của EDF được pha trộn
ionEr3+ là nơi có cường độ sóng bơm và tín hiệu cao nhất. Việc pha các ion Er3+
trongvùng này cung cấp sự chồng lắp của năng lượng bơm và tín hiệu với các ion
erbiumlớn nhất dẫn đến sự khuếch đại tốt hơn. Lớp bọc (cladding) có chiết suất thấp
hơnbao quanh vùng lõi.Lớp phủ (coating) bảo vệ bao quanh sợi quang tạo bán kính
sợiquang tổng cộng là 250 μm. Lớp phủ này có chiết suất lớn hơn so với lớp bọc dùngđể
loại bỏ bất kỳ ánh sáng không mong muốn nào lan truyền trong sợi quang. Nếukhông kể
đến chất pha erbium, cấu trúc EDF giống như sợi đơn mode chuẩn trongviễn thông.
1.7.2. Các tính chất của EDFA
a) Độ lợi (Gain)
Độ lợi của một bộ EDFA có thể được tính theo phương trình sau:

Trong đó : N1(z), N2(z) : mật độ ion erbium ở trạng thái kích thích và ở trạng thái nền tại
vị trí trong đoạn sợi quang pha erbium.

L: chiều dài sợi pha erbium.
(e)s σ , (a)s σ : tiết diện ngang hấp thụ và phát xạ của ion erbium tại bước sóng
tín hiệu.
b) Công suất ra bão hoà (Output saturation power)
Sự bão hoà xảy ra khi công suất tín hiệu vào EDFA lớn gây ra sự giảm hệ số
khuếch đại. Sự bão hoà hệ số khuếch đại này xuất hiện khi công suất tín hiệu tăng cao
và gây ra sự phát xạ kích thích ở một t lệ cao và do đó làm giảm sựnghịch đảo nồng
độ. Điều đó có nghĩa là số các ion erbium ở trạng thái kích thích giảm một cách đáng
kể. Hệ quả là, công suất tín hiệu ở ngõ ra bị hạn chế bởi sự bão hoà công suất. Công
suất ra bão hòa Pout, được định nghĩa là tín hiệu ra mà ở đó hệ số khuếch đại bị giảm đi
3 dB so với khikhuếch đại tín hiệu nhỏ.


Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà.
1.7.3. Ưu khuyết điểm của EDFA
a) Ưu điểm:
- Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và công suất cao.
- Cấu hình đơn giản: hạ giá thành của hệ thống.
- Cấu trúc nhỏ gọn: có thể lắp đặt nhiều EDFA trong cùng một trạm, dễ vận chuyển
vàthay thế.
- Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang
vượtbiển.
- Không có nhiễu xuyên kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch đại
quangbán dẫn.
- Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.
b) nhược điểm:
- Phổ độ lợi của EDFA không bằng phẳng.
- Băng tần hiên nay bị giới hạn trong băng C và băng L.
- Nhiễu được tích lũy qua nhiều chặng khuếch đại gây hạn chế cự ly truyền dẫn.
1.7.4. Nhiễu trong bộ khuếch đại

Nhiễu trong bộ khuếch đại là một yếu tố giới hạn quan trọng đối với hệ thống truyền
dẫn.Đối với EDFA, ảnh hưởng của nhiễu ASE được tính thông qua thông số hệ số nhiễu
NF được chobởi công thức [2]:
NF = 2nsp
Trong đó, nsp = N2/(N2-N1) được gọi là hệ số phát xạ tự phát, N1, N2 là nồng độ ion
Erbium ở mứcnăng lượng nền và mức năng lượng kích thích.


N1, N2 thay đổi dọc theo chiều dài của sợi quang và phụ thuộc vào công suất của
nguồn bơm và công suất của tín hiệu. Do đó, hệ sốnhiễu NF của EDFA cũng phụ thuộc
vào chiều dài của sợi quang L và công suất bơm PP, giống như độ lợi tín hiệu của EDFA.


CHƯƠNG II – THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG
PHẦN MỀM OPTISYSTEM
2.1 . Bài toán:

Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang Hà Nội – Hải Phòng WDM có
sử dụng kỹ thuật WDM với các yêu cầu thiết kế như sau:
•
•
•

Tốc độ bit:
2.5 Gbit/s
Cự ly truyền dẫn:
100Km
Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh

2.2 . Yêu cầu

a. Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang
WDM theo phương án đã thiết kế.
Lưu ý: các tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) được thiết lập như sau :
Tốc độ bit:
2.5 Gbit/s
Chiều dài chuỗi: 128 bits
Số mẫu trong 1 bit: 64
Công suất đầu vào: 2 dBm
b. Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các
vị trí phù hợp để xác định được chất lượng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến. Các
thiết bị đo cơ bản:
•
•
•
•

•
•
•

Thiết bị đo công suất quang
Thiết bị phân tích phổ quang
Thiết bị đo BER

c. Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến
d. Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER = 10^-10
2.3 . Phương án thiết kế
•
•

Loại sợi: Sợi quang đơn mode chiết suất bậc SI(sợi G652)
Nguồn phát:
- Loại nguồn: Laser
- Phương thức điều chế: điều chế ngoài

•

Bộ thu: Sử dụng diode thu PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel


2.4 .Thiết kế tuyến quang sử dụng kỹ thuật WDM
2.4.1. Thiết kế bộ phát quang
 Thiết bị thực tế

Tên

Lasel DFB của hãng Lightsacpe của Isarel

Ký hiệu

XMD 1000 kiểu A

Công suất phát

2 dBm

Công suất dự trữ

6 dB

Bước sóng công tác

1330nm

Dung lượng

10 GHz

Phương pháp điều Sử dụng điều chế ngoài
chế


•
•
•
•

Hình 2.1: Thiết bị phát quang
Các thành phần phía phát gồm có :
Nguồn phát quang lazer CW lazer
Bộ phát xung NRZ pulse genarator
Bộ phát bít điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator
Bộ điều chế Mach-zehnder Modulator.


 Để lấy các thiết bị này ta lần lượt kích chuột vào kéo ra màn hình Layout.

Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1
 Bộ phát điện (bit pseudo- random): Default->Transmitter -> Bit Sequency

Generatos.
 Máy phát xung: Default-> Transmiter-> Pulse Generator-> electrical-> NRZ

Pulse Generators.
 Máy phát quang laser: Default-> Transmitter-> Optical sources-> CW Laser.
 Bộ điều chế quang (Modulators optical): Default-> Transmitter->Optical
Modulators-> Mach – Zehnder Modulator.
 Bộ ghép kênh: Mux do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là
Mux 4x1. Default-> WDM multiplexers Library-> Multiplexers-> WDM Mux
4×1.
- Máy phát điện Pseudom –Radom bit sẽ phát tín hiệu điện tới bộ NRZ (hoặc RZ) để
phát các bộ NRZ (hoặc RZ) phát các xung điện.
- Tín hiệu tại đầu ra của bộ NRZ (RZ) là các xung điện được đưa vào một đầu vào của
bộ điều chế Mach-Zehnder .
- Bộ phát CW lazer phát tín hiệu quang được đưa vào đầu vào (cổng các nhà cung cấp)
của bộ điều chế Mach-Zehnder.
- Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát.

Hình 2.2: Mô phỏng khối phát quang
 Nguyên lý hoạt động của phía phát:

Các nguồn tín hiệu quang phát ra các tín hiệu quang có tần số khác nhau : f1, f2, f3,
f4. Được đưa tới bộ điều chế Mach-Zehnder Modulator để thực hiện điều chế ngoài. Như
vậy tại đầu ra của 4 bộ này là bốn bước sóng của các nguồn phát quang đưa tới. Do hệ


thống 4 kênh nên tín hiệu quang tại đầu ra của 4 bộ điều chế này sẽ được đưa tới bộ ghép
kênh Mux 4x1 nhằm ghép các kênh có bước sóng tương ứng với các tần số mà bộ phát
quang đưa tới. Các kênh bước sóng này được ghép lại để truyền trên cùng một đường

truyền vật lý đó là hệ thống cáp quang ( sử dụng sợi quang đơn mode và bộ khuếch đại
EDFA).
2.4.2. Thiết kế bộ thu quang
 Thiết bị thực tế

Tên
Ký hiệu thiết bị
(Các thông số thiết
bị)
 Các thành phần phía thu gồm có :

Bộ thu quang bao gồm các thiết bị thu như: bộ tách kênh Demux 1x4, Diode thu PIN,
APD … nhưng trong nội dung thiết kế hệ thống WDM này sử dụng diode thu PIN, kết
hợp với bộ lọc thông thấp Bessel. Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có
thiết bị đo Ber, Osilo, Genarator 3R … được đặt ở vị trí thích hợp.
•
•
•
•
•

Bộ tách kênh demux 4x1: Defaults-> WDM Multiplexrs Lybrary->
Demultyplexers-> WDM Demux 1×4.
Bộ thu quang (PIN): Defaults-> Receivers Library-> Photodetectors->
Photodetector PIN.
Bộ lọc thông thấp (fiters Lybrary): Default-> Filters Library-> Electrical->
Low Pass Bessel Filter.
Các bộ Genarator 3R: Default-> Receiver Library-> Regenerators-> 3R
Regenerator.
Các máy đo Ber: Default-> Visualzer-> Electrical-> Ber Analyzer.

Hình 2.3: Mô phỏng khối thu quang
2.4.3. Thiết kế tuyến truyền dẫn quang

a. Sợi quang
Do môi trường truyền dẫn trong bài yêu cầu sử dụng sợi quang G652, chúng ta cần
thiết kế sợi quang G652 với các thông số đặc trưng sau.
 Thông số sợi G652:
• Việt Nam sản xuất
• Hãng sản xuất : VINACAP
• Giá : 25,500 VND/m
• gồm 24 sợi 18 sợi truyền và 6 để ghép kênh
• Chiều dài sợi cơ bản: L= 4km
• Suy hao sợi: 0,2 dB/km
 Cáp sợi quang :

- Số sợi: 24 sợi quang Single Mode (SMF)
- Bước sóng hoạt động của sợi quang: 1310nm và 1550nm
- Phần tử chịu lực phi kim loại trung tâm
- Ống đệm chứa và bảo vệ sợi quang làm theo công nghệ ống đệm lỏng
- Ống đệm có chứa sợi quang được bện theo phương pháp SZ chung quang phần tử
chịu lực trung tâm (bện 2 lớp)
- Các khoảng trống giữa sợi và bề mặt trong của lòng ống đệm được điền đầy bằng
một hợp chất đặc biệt chống sự thâm nhập của nước
- Dây treo cáp bằng thép bện 7x1mm
- Lớp nhựa PolyEthylene bảo vệ ngoài
- Được sử dụng như cáp treo hình số 8 (FE)
 Đặc tính kỹ thuật của cáp quang:

Cáp sợi quang loại treo hình số 8 cấu trúc được thiết kế nhằm đáp ứng một cách tốt
nhất các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn ITU-T G.652, các chỉ tiêu của IEC, EIA và
tiêu chuẩn ngành TCN68-160 1996
- Số sợi: 24 sợi quang Single Mode
- Đường kính cáp: 11.3 x 21.3 mm
- Trọng lượng cáp: 176 kg/km
- Bán kính uốn cong nhỏ nhất: Khi lắp đặt là 300mm và sau khi lắp đặt là 250mm
- Sức bền kéo: Khi lắp đặt là 3500N và sau khi lắp đặt là 2000N
- Sức bền nén (độ suy hao tăng đàn hồi): 4000N/10cm
- Sức chịu va đập (E=10Nm, r =150mm) - (Độ suy hao được trả về như ban đầu): 30 lần
va đập
- Khoảng nhiệt độ làm việc: -30 đến +70 độ C
- Khoảng nhiệt độ khi lắp đặt: -5 đến +50 độ C


 Công dụng :

- Cáp được treo bằng dây thép bện chịu lực ( dây treo gia cường)
- Loại cáp này đặc biệt thích hợp cho những tuyến cáp quang có dung lượng sợi ít
(<=30)
 Tiêu chuẩn ITU-T G652:

Bảng tiêu chuẩn kỹ thuật sợi quang đơn mode theo tiêu chuẩn ITU-T G652 :
1
2
3

11
12

Tiêu chuẩn áp dụng
Biên dạng chỉ số chiết suất
Đường kính trường mode tại bước
sóng l = 1310nm
Đường kính trường mode tại bước
sóng l = 1550nm
Đường kính trường mode tại bước
sóng l = 1550nm
Sai số đồng tâm của trường mode
Đường kính lớp vỏ phản xạ
Đường kính lớp vỏ bảo vệ
Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải
quang phổ Neff (bước sóng
1310nm)
Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của dải
quang phổ Neff (bước sóng
1550nm)
Bước sóng cắt
Bước sóng tán sắc không

≤ 1260 nm
1310 nm - 1324 nm

13

Độ mở số (NA)

0.14

14

Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng
1310nm
Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng
1550nm
Hệ số tán sắc trong vùng bước
sóng 1285nm đến 1330nm
Hệ số tán sắc tại bước sóng
1550nm
Độ dốc tán sắc không
Hệ số tán sắc mode phân cực
PMD

≤ 0.36 dB/km

4
5
6
7
8
9
10

15
16
17
18
19

ITU-T G.652 D

Single mode (SM)
9.2 mm ± 0.4 mm
10.4 mm ± 0.5 mm
≤ 0.5 mm
125 mm ± 0.7 mm
≤ 0.7 %
242 mm ± 5 mm
1.4676
1.4682

≤ 0.22 dB/km
≤ 3.5 ps/nm.km
≤ 18 ps/nm.km
≤ 0.092 ps/nm2.km
≤ 0.2 ps/km1/2


20

Điểm tăng suy hao đột biến

≤ 0.1 dB

 Để thiết lập các thông số sợi ta làm theo các bước sau:

Kích đúp vào sợi cáp và thay đổi các thông số của sợi. Khi kích đúp vào sợi quang thì
xuất hiện bảng:
- Mục Main :
+ Label : cho phép ta thay đổi tên của sợi quạng (Đặt là G652).
+ Length : cho phép thay đổi chiều dài của sợi quang.

+ Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang : với sợi này tại cửa sổ 1330
có suy hao là 0.2dB/km
- Mục Disp: cho thay đổi giá trị của tán sắc và độ dốc tán sắc .
+ Dispersion: Nhập giá trị 6 ps/nm/km
+ Dispersion Slope: Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.09 ( hoặc 0.07, 0.05
tùy ta dùng sợi dịch tán săc nào) ps/nm2/km.Thường thì ta chọn giá trị là
0.075ps/nm2/km.
- Mục PMD : hệ số tán sắc mode phân cực có giá trị lớn nhất là 0.2ps/km1/2. Nhập
giá trị này và tích vào mục Disp, kết thúc bằng OK.
Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng chúng ta sử dụng
bộ Loop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp.
Việc thay đổi giá trị Loop cho phép ta thay đổi số vòng lặp tùy theo chiều dài của sợi
sử dụng.
b. Bộ khuếch đại.
Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài, nên gây ra suy hao
sợi quang, và suy giảm công suất phát tín hiệu. Để khắc phục hiện tượng suy giảm công
suất và suy hao tín hiện đối với hệ thống WDM sử dụng bộ khuếc đại EDFA. Với hệ số
khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên tuyến.
Trong mô phỏng hệ thống G = 50 * 0.2 = 10 dB.
Việc thay đổi và nhập giá trị của EDFA thực hiên kích đúp và thay đổi giá trị, kết thúc
bằng OK.
 Tính toán độ dài khoảng lặp theo quỹ công suất :

Lmax

-

=

- PP công suất máy phát ghép vào sợi quang (bao gồm cả hệ số ghép tín hiệu vào sợi

quang) theo thông số máy phát ta có PP = 2 dBm .
- Pt : là độ nhạy máy thu ứng với tỷ số lỗi bit BER = 10 -12, theo thông số của thu ta
có độ nhạy máy thu Pt =
Ms : dự trữ công suất của tuyến( bao gồm suy hao dự phòng thiết bị, dự phòng cáp