đồ-án-5tuyến-quangWDM-and-DWDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
_________________________________________________________________________________

ĐỒ ÁN 5
Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
TUYẾN QUANG WDM & DWDM 32 20 GB/S
SỬ DỤNG CÁC ĐIỀU CHẾ NRZ VÀ RZ

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã số sinh viên:
Lớp:

PGS.TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA
TRẦN VĂN QUÂN
135D5202070059
54K2 - KT ĐTTT

Nghệ An, 1/2018


MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ.........................................................................................2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................3
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................5

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................6
1.1. Tổng quan về bộ ghép kênh DWDM ........................................................6
1.1.1.Giới thiệu về hệ thống thông tin quang ............................................ 6
1.1.2. Định nghĩa hệ thống thông tin DWDM ........................................... 7
1.1.3. Cấu trúc............................................................................................ 8
1.2. Các tham số chính trong DWDM............................................................10
1.2.1. Suy hao........................................................................................... 11
1.2.2. Tán sắc ........................................................................................... 12
1.2.3. Dải bước sóng làm việc ................................................................. 14
1.2.4. Số kênh bước sóng......................................................................... 15
1.2.5. Độ rộng phổ nguồn phát ............................................................... 17
1.2.5. Suy hao- quỹcông suất................................................................... 18
1.2.6. Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................ 20
1.2.7. Ưu, nhược điểm của DWDM......................................................... 20
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG
DWDM.................................................................................................................22
2.1. Thiết kế tuyến truyền dẫn quang sử dụng công nghệ DWDM...............22
2.1.1. Thiết kế sơ đồ hệ thống.................................................................. 23
2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER và Q- factor với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ.................................................... 29
2.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER và Q- factor
với các phương pháp điều chế RZ và NRZ. ............................................ 36
2.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ Bit lên BER và Q_fator với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ.......................................................... 42
KẾT LUẬN ..........................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................48


LỜI MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn này, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa từng có về

nhu cầu sử dụng băng thơng truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ra một lượng
thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mới cho mạng hiện tại.
Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết. Để đáp ứng
yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý tưởng cho
việc truyền tải lưu lượng cực lớn. Khi tốc độ đạt tới 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 q phức tạp địi
hỏi cơng nghệ rất cao. Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn
chế mà các mạch điện hiện tại chưa khắc phục được, cơng nghệ ghép kênh quang
phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM ra đời. DWDM có thể ghép một số
lượng lớn bước sóng trong vùng bước sóng 1550nm để nâng dung lượng hệ thống
lên hàng trăm Gbps. Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng
mật đơ cao DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và 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 yêu cầu phát triển các dịch vụ băng
rộng trên mạng và ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.
Với nhiều ưng dụng của công nghệ DWDM chúng em chọn công nghệ ghép kênh
quang phân chia theo bươc sóng DWDM để thực hiện đề tài:ʺThiết kế và đánh
giá chất lượng tuyến quang WDM & DWDM 32× 20 Gb/s sử dụng các điều chế
NRZ và RZ”.Bằng việc tìm hiểu về tuyến thơng tin quang DWDM và cách sữ
dụng phần mềm mô phỏng Otisystem đi thiết kế và khảo sát tuyến nhằm thực
hiện yêu cầu được đề ra.
Bên cạnh đó nhóm vẫn cịn nhiều thiếu sót do hạn chế về kiến thức. Nhóm
thực hiện đề tài mong nhận được sự đóng góp của q thấy cơ cùng các bạn sinh
viên.


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hệ thống DWDM...................................................................................8
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM...................................................8

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng .........................................9
Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng..................................... 10
Hình 1.5:Suy hao trong sợi quang....................................................................... 11
Hình 1.6: Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng................................................ 12
Hình 1.7: Các loại tán sắc trong thơng tin quang................................................ 13
Hình 1.8: Các bước sóng làm việc của hệ thống DWDM .................................. 15
Hình 2.1: Sơ đồ khối tồn hệ thống .................................................................... 23
Hình 2.2: Mơ hình quang hệ thống con của máy phát ngồi .............................. 24
Hình 2.3: Mơ hình bộ phát quang 8 kênh Laser ngồi........................................ 24
Hình 2.4: Khối phát............................................................................................. 25
Hình 2.5: Sơ đồ khối truyền dẫn ......................................................................... 26
Hình 2.6: Khối thu............................................................................................... 26
Hình 2.7: Đồ thị mắt của một số kênh mã NRZ ................................................. 27
Hình 2.8: Đồ thị mắt của một số kênh mã RZ .................................................... 27
Hình 2.9: Đồ thị BER theo công suất phát của một số kênh .............................. 33
Hình 2.10: Đồ thị Q- factor theo cơng suất phát của một số kênh...................... 36
Hình 2.1.1 Đồ thị BER theo khoảng cách kênh của một số kênh....................... 39
Hình 2.13: Đồ thị BER theo tốc độ Bit của một số kênh.................................... 44
Hình 2.14: Đồ thị Q- factor theo tốc độ Bit của một số kênh ............................. 46

2


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân chia băng tần quang ................................................................... 14
Bảng 1.2: Độ rộng phổ của kênh......................................................................... 17
Bảng 2.1 Bảng thơng số cài đặt chung của tồn hệ thống .................................. 22
Bảng 2.2:Thông số cục bộ BER và Q-factor của toàn hệ thống ......................... 28
Bảng 2.3a: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 1 đến 4. ........................................... 29

Bảng 2.3b: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 5 đến 8. ........................................... 30
Bảng 2.3c: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 9 đến 12. ......................................... 30
Bảng 2.3d: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 13 đến 16. ....................................... 31
Bảng 2.3e: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 17 đến 20. ....................................... 31
Bảng 2.3f: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 21 đến 24. ....................................... 32
Bảng 2.3g: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 25 đến 28. ....................................... 32
Bảng 2.3h: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 29 đến 32 ........................................ 33
Hình 2.9: Đồ thị BER theo công suất phát của một số kênh .............................. 33
Bảng 2.4b: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên hệ số Q của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 9 đến 16. ................................... 34
Bảng 2.4c: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên hệ số Q của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 17 đến 24. ................................. 35
Bảng 2.4d: Khảo sát ảnh hưởng của công suất phát lên hệ số Q của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 25 đến 32. ................................. 35
Bảng 2.5a: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 1 đến 4. ..................................... 36
Bảng 2.5b: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 5 đến 8. ..................................... 37
Bảng 2.5c: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 9 đến 12. ................................... 37
Bảng 2.5d: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 13 đến 16. ................................. 37

3


Bảng 2.5e: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 17 đến 20. ................................. 38
Bảng 2.5f: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 21 đến 24. ................................. 38
Bảng 2.5g: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 25 đến 28. ................................. 38
Bảng 2.5f: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên BER của hệ thống với
các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 29 đến 32. ................................. 39
Bảng 2.6a: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên hệ số Q của hệ thống
với các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 1 đến 8................................ 40
Bảng 2.6b: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên hệ số Q của hệ thống
với các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 9đến 16............................... 40
Bảng 2.6c: Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách kênh lên hệ số Q của hệ thống
với các phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 17 đến 24............................ 40
Bảng 2.7a: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 1 đến 4............................................ 42
Bảng 2.7c: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 9đếnkênh 12. .................................. 42
Bảng 2.7d: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 13đếnkênh 16.................................. 43
Bảng 2.7e: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 17đếnkênh 20.................................. 43
Bảng 2.7f: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 21đếnkênh 24.................................. 43
Bảng 2.7g: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các
phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 25đếnkênh 28.................................. 44
Bảng 2.7h: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên BER của hệ thống với các

phương pháp điều chế RZ và NRZ - Kênh 29đếnkênh 32.................................. 44
Bảng 2.8a: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên Q của hệ thống với các phương
pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 1 đến 8. ........................................................ 45
Bảng 2.8b: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên Q của hệ thống với các phương
pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 9đến 16. ....................................................... 45
Bảng 2.8c: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên Q của hệ thống với các phương
pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 17 đến 24. .................................................... 45
Bảng 2.8d: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ bit lên Q của hệ thống với các phương
pháp điều chế RZ và NRZ – Kênh 25 đến 32. .................................................... 45

4


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
WDM
DWDM

Từ đầy đủ

Tiếng việt

Wavelenght DivisionMultiplexing

Ghép kênh quang theo bước sóng

Dense Wavelenght Division

Ghép kênh quang theo bước sóng

Multiplexing

với mật độ dày

Optical Time Division
OTDM

Ghép kênh quang theo thời gian

Multiplexing
Optical Frequency

OFDM

Ghép kênh quang theo tần số

DivisionMultiplexing
Multiplexer

Thiết bị ghép kênh

Demultiplexer

Thiết bị tách kênh

Automatic Protection- Switching
Self Phase Modulation

chuyển mạch bảo vệ tự động
Hiệu ứng tự điều pha

Dispersion Compensated Fiber

Sợi quang bù tán sắc

Single Mode Fiber

Sợi đơn mode

SDH

Synchronous Digital Hierarchy

Phân cấp số đồng bộ

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier

MUX
DEMUX
APS
SPM
DCF
SMF

International Telecommunication
ITU - T

Union

Khuếch đại quang sợi có pha tạp
Erbium
Ủy ban viễn thông quốc tế

SRS
SBS
XPM
FWM

Stiumulatted Raman Scattering
Stimulatted Brilouin Scattering
Cross- Phase Modulation
Four – Wave Mixing

NRZ

Non- return to zero

RZ
PIN

Return to zero
Positive Intrinsic Negative

tán xạ do kích thích Raman
tán xạ do kích thích Brillouin
Điều chế pha chéo
Trộn bốn bước sóng
Mã đường dây khơng trở lại bằng

không
Mã đường dây trở lại không
Cấu trúc PIN

BER

Bit Error Ratio

Tỷ số lỗi bit

5


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.Tổng quan về bộ ghép kênh DWDM
1.1.1. Giới thiệu về hệ thống thơng tin quang
Ngồi các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn tương ứng là
dây dẫn và không gian (gọi là thông tin hữu tuyến hay vơ tuyến) thì cịn có một
loại thông tin được truyền thông qua sợi quang (được gọi là thơng tin quang).
Điều đó có nghĩa là thơng tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng
được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi thành thông tin ban
đầu.
a. Lịch sử phát tiển của ngành thông tin quang
- 1960: T.H.Maiman phát minh ra lasser.
- 1966: K.C.Kao và G.A.Hockham phát mih ra sợi quang.
- 1970: K.P.Kapron chế tạo sợi quang suy hao 20dB/km ở bước sóng 1µm.
GaAs larser: được chế tạo thành cơng.
- 1980- 1990: hệ thống thông tin quang được sử dụng rộng rãi. WDM băng
rộng 2 kênh 1310nm và 1550nm.

- Từ năm 1990 trở đi:
+ WDM thụ động từ 2- 8 kênh, khoảng cách kênh 100-200 GHz.
+ DWDM 16- 40 kênh, khoảng cách kênh 100- 200 GHz.
+ DWDM 64- 160 kênh khoảng cách kênh 25- 50 GHz.
b. Các ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin cáp sợi quang
- Ưu điểm
 Suy hao truyền dẫn thấp và băng thông rộng
 Không chịu ảnh hưởng của sóng điện từ
 Xuyên âm giữa các sợi dây không đáng kể
 Trách được sự chập mạch điện hay bị nối đất, sấm sét
 Độ an toàn và bảo mật thông tin cao, tuổi thọ dài và khả năng đề kháng
với môi trường
 Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ
6


 Vật liệu chế tạo có nhiều trong thiên nhiên và có giá thành rẻ.
- Nhược điểm
 Đầu nối khó và khơng trun tải được năng lượng điện do kích thước sợi
nhỏ nên việc hàn mối gặp nhiều khó khăn, mối hàn cần có thiết bị chun dụng.
 Dịn, dễ gãy do sợi quang sử dụng trong viễn thông được chế tạo từ thủy
tinh
 Công tác sửa chữa phức tạp.
1.1.2.Định nghĩa hệ thống thơng tin DWDM
Kỹ thuật ghép bước sóng quang ghép kênh quang ra đời nhằm mục đích tận
dụng triệt để băng tần rất lớn của sợi quang, tăng dung lượng kênh, đồng thời xây
dựng các tuyến truyền dẫn tốc độ cao mà các hệ thống ghép kênh điện không thể
đáp ứng được. Các kỹ thuật ghép kênh quang cơ bản được sử dụng là: Ghép kênh
quang theo bước sóng WDM, ghép kênh quang theo thời gian OTDM và ghép
kênh quang theo tần số OFDM.

Tuy nhiên phương pháp ghép kênh quang theo bước sóng WDM đã và
đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Khi cần tăng dung lượng của hệ thống
chỉ cần thay đổi thiết bị đầu cuối mà không cần tăng tốc độ bit đường truyền và
không thêm sợi quang, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế mạng, làm cơ sở
cho việc phát triển nhiều loại hình dịch vụ viễn thơng trong tương lai.
Qua q trình phát triển của cơng nghệ, khái niệm WDM được thay thế
bằng khái niệm DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing). Về ngun
lý khơng có sự khác biệt nào giữa hai khái niệm nói trên. Ghép kênh theo bước
sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) là công
nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang
độc lập riêng rẻ”. Mỗi bước sóng biểu thị cho một kênh quang trong sợi, sử dụng
các bước sóng ánh sáng để truyền dẫn số liệu song song theo bit hoặc nối tiếp
theo ký tự. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường nằm ở trong một
cửa sổ bước sóng chủ yếu là 1550nm vì mơi trường ứng dụng hệ thống này là
mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và dung lượng lớn. Công nghệ này cho
phép chế tạo phần tử và hệ thống DWDM 80 kênh với khoảng cách rất nhỏ
7


0,5nm. Ở đầu thu tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách kênh), khơi phục lại
các tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.

Hình 1.1: Hệ thống DWDM
1.1.3.Cấu trúc
Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM gồm 3 thành phần chính sau: Khối
phát đáp quang, khối thu quang, phần truyền dẫn quang.

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của hệ thống DWDM
Trong đó:
+ Khối phát đáp quang: gồm N bộ phát quang tương ứng với N bước sóng:

nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được tổ hợp lại (ghép kênh) để
truyền đi trên một sợi
+ Khối thu quang: gồm 1 bộ tách kênh bước sóng và N bộ thu quang để thu
được N kênh bước sóng riêng biệt: tín hiệu tổ hợp đó được phân giải ra (tách
kênh) khơi phục lại các tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau.
+ Phần truyền dẫn quang: gồm các đoạn sợi quang và các bộ khuếch đại,
sợi quang dùng trong hệ thống này thường là sợi đơn mode tiêu chuẩn.
Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn sử dụng ghép bước sóng
quangDWDM.
a. Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng

8


Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang đơn hướng là tất cả các
kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo một chiều, ở đầu phát mang
các tính hiệu có bước sóng khác nhau đã được điều chế λ1,λ2,…,λn thông qua các
bộ ghép kênh đã tổ hợp lại với nhau và truyền dẫn một chiều trên một sợi quang.
Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách những tín hiệu có bước sóng khác nhau, hồn
thành truyền dẫn tín hiệu quang, ở hướng ngược lại truyền dẫn qua một sợi quang
khác.

Hình 1.3: Hệ thống ghép bước sóng quang đơn hướng
b. Phương pháp truyền dẫn ghép bước sóng quang song hướng
Nghĩa là có thể phát thơng tin theo một hướng theo bước sóng 1 và đồng
thời cũng phát thơng tin theo hướng ngược lại tại bước sóng 2. Hệ thống DWDM
song hướng yêu cầu phát triển và ứng dụng cao hơn, có cơ cấu phức tạp hơn địi
hỏi u cầu kỹ thuật cực kỳ nghiêm ngặt. Có rất nhiều vấn đề cần lưu ý như phản
xạ quang, xuyên âm giữa các kênh, mức điện của công suất truyền dẫn. Ở phía
phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn quang tới đầu ra

của bộ ghép kênh. Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của
các bước sóng quang. Khi thực hiện tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật
tốt với các bước sóng khác bằng cách thiết kế các bộ tách kênh thật chính xác, dải
làm việc ổn định. Do sử dụng bộ khuếch đại quang hai chiều nên hệ thống song
hướng giảm được số lượng bộ khuếch đại và tiết kiệm được sợi quang.

9


Hình 1.4: Hệ thống ghép bước sóng quang song hướng
Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng. Giả sử rằng công nghệ
hiện đại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai công
nghệ này ta thấy:
- Xét về mặt dung lượng, hệ thống đơn hướng có khả năng cung cấp dung
lượng cao 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 hai đầu
của liên kết đều có khả năng nhận biết sự cố một cách tức thời.
- Đứng về khía cạnh thiết kế mạng, hệ thống song hướng khó thiết kế hơn,
vì cịn phải xét thêm nhiều yếu tố: 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 2 chiều
trên sợi quang khơng dùng chung một bước sóng.
- Các bộ khuếch đại trên 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 1/2 theo mỗi chiều nên ở hệ thống song hướng, các bộ
khuếch đại sẽ cho công suất quang ngõ ra lớn hơn so với hệ thống đơn hướng.
1.2. Các tham số chính trong DWDM
DWDM thực hiện ghép một số lượng lớn các bước sóng quang đã được
điều chế trên một sợi quang. Những kênh quang trong hệ thống DWDM thường
nằm trong một cửa sổ bước sóng, chủ yếu là 1550 nm vì mơi trường ứng dụng hệ

thống này thường là mạng đường trục, cự ly truyền dẫn dài và có dung lượng

10


truyền dẫn lớn. Bên cạnh đó DWDM cũng tồn tại những giới hạn và những vấn
đề kỹ thuật. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một số tham số như:
+ Suy hao
+ Số kênh bước sóng.
+ Độ rộng phổ của nguồn phát.
+ Quỹ công suất.
+ Tán sắc.
+ Hiệu ứng phi tuyến.
+Dải bước sóng làm việc của hệ thống.
1.2.1.Suy hao
Suy hao trong sợi quang đóng một vai trị rất quan trọng trong việc thiết kế
hệ thống. là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu. Trên một
tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn quang.
Công thức tổng quát về sự thay đổi công suất ánh sáng P truyền trong sợi
quang đưa ra bởi luật Beer:
dP
   .P
dZ

(1.1)

Trong đó:

P 
10

 dB/ km  Log out 
L
 Pin 
Với:
α là hệ số suy hao;
Pin là cơng suất phát vào sợi quang có chiều dài là L
Poutcơng suất đầu ra.

Hình 1.5:Suy hao trong sợi quang
11

(1.2)


Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang
a. Suy hao do hấp thụ vật liệu trong sợi quang
- Hấp thụ do tạp chất (ion OH và kim loại chuyển tiếp): đỉnh hấp thụ tại
1400, 950, 750nm nên giữa các các đỉnh này có các vùng suy hao thấp,cửa sổ
truyền dẫn thông tin quang 850, 1300, 1500nm.
- Hấp thụ vật liệu: các liên kết guyên tử có liên quan đến vật liệu hấp thụ
các bước sóng dài dẫn đến đi hấp thụ vẫn ảnh hưởng đến vùng 1500nm.
- Hấp thụ tia cực tím (điện từ): ánh sang bị hấp thụ do các photon kích thích
điện từ từ trạng thái năng lượng cao hơn.
b. Suy hao do tán xạ
Do sự không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây ra như tính khơng đồng đều
về cấu trúc hoặc khiếm khuyết trong quá trình tạo sợi, sự thaay đổi chiết suất do
sự sai khác thành phần gây ra tán xạ Rayleigh.
c. Suy hao do uốn cong sợi quang
- Uốn cong vĩ mô: bán kính uốn cong lớn hơn đường kính của sợi
- Uốn cong vi mô: sợi bị cong ngẫu nhiên trong lúc sợi được bọc thành cáp

do vậy mức độ uốn cong nhỏ. Tại các góc uốn cong xảy ra hiên tượng khúc xạ
làm cho ánh sáng truyền ra ngoài làm mất thông tin và gây ra tổn hao.
1.2.2.Tán sắc
Trong sợi quang những tần số ánh sáng khác nhau và những mốt khác nhau
cần thời gian khác nhau để truyền một đoạn từ A đến B. Hiện tượng này gọi là tán
sắc. Tán sắc dẫn đến sự co dãn xung trong truyền dẫn, gây ra giao thoa giữa các
ký tự, tăng lỗi bit ở máy thu và dẫn đến giảm khoảng cách truyền dẫn.

Hình 1.6: Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng
12


Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu là Dt, được xác định bằng tổng
tất cả các tán sắc dưới đây:
a. Tán sắc mode
Tán sắc sợi đa mode: phụ thuộc vào đường kính lõi của sợi, tồn tại trên các
sợi đa mode do con đường lan truyền khác nhau làm cho cự ly đường của các
mode đi, thời gian lan truyền khác nhau. Nó làm khoảng trống thời gian giữa các
xung cạnh nhau trở nên ngắn hơn và tăng theo khẩu độ số của sợi. Do đó, độ rộng
băng truyền dẫn của nó bị giới hạn chủ yếu do tán sắc mode.
Sợi đơn mode không tồn tại tán sắc mode.
b. Tán sắc dẫn sóng
Tán sắc dẫn sóng: do sợi đơn mode chỉ giữ được 80% năng lượng trong lõi
và 20% năng lượng lan truyền nhanh trong vỏ, điều này phụ thuộc vào thiết kế
cảu dợi quang.
c. Tán sắc chất liệu
Tán sắc chất liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của
vật liệu lõi. Nó làm cho bước sóng ln phụ thuộc vào vân tốc nhóm của bất kì
mode nào.

Hình 1.7: Các loại tán sắc trong thông tin quang
Việc truyền thông tin tốc độ cao và truyền dẫn cự ly dài không thể thực
hiện được nếu giải quyết các vấn đề về bù tán sắc. Do đó chúng ta phải tìm các
13


biện pháp để khắc phục. Các phương pháp chính có thể sử dụng để giảm bớt ảnh
hưởng của tán sắc là làm hẹp độ rộng phổ nguồn phát hoặc sử dụng một số
phương pháp bù tán sắc như:
- Sử dụng sợi G.653 (sợi có mức tán sắc nhỏ tại cửa sổ truyền dẫn
1550nm)
- Bù tán sắc bằng phương pháp điều chế tự dịch pha SPM
- Sử dụng các phần tử bù tán sắc thụ động.
- Bù tán sắc bằng sợi DCF (Dispersion Compensated Fiber) Việc sử dụng
kỹ thuật WDM là một phương pháp không làm tăng mức độ tán sắc của hệ thống
vì kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng của hệ thống mà không phải tăng tốc
độ truyền dẫn của kênh tín hiệu.
1.2.3. Dải bước sóng làm việc
Bảng 1.1. Phân chia băng tần quang
Tên băng tần

Dải bước sóng(nm)

Ý nghĩa

Băng O (Original)

1260- 1360

Băng gốc

Băng E (Extended)

1360- 1460

Băng mở rộng

Băng S (Short)

1460- 1530

Băng ngắn

Băng C (Conventional)

1530- 1565

Băng thông thường

Băng L (Long)

1565- 1625

Băng dài

Băng U (Ultra- long)

1625- 1675

Băng cực dài

Sợi quang thạch anh có 3 cửa sổ suy hao thấp 860 nm, 1310 nm và 1550
nm, trong đó tại cửa sổ 1550 nm đặc tính suy hao của sợi quang là nhỏ nhất, cửa
sổ này được áp dụng để truyền dẫn tín hiệu SDH với khoảng cách ngắn và dài.
Hơn thế nữa, các bộ khuếch đại quang EDFA sử dụng hiện nay có đặc tính độ lợi
14


khá bằng phẳng trong cửa sổ này, bởi vậy đây là cửa sổ hoạt động rất tốt của hệ
thống DWDM. Các bước sóng làm việc trong cửa sổ 1460- 1550nm được chia
thành 3 dải: băng S, băng C và băng L.

Hình 1.8:Các bước sóng làm việc của hệ thống DWDM
Hệ thống ghép kênh DWDM hiện tại hoạt động ở băng tần C hoặc là băng
tần L, dung lượng 32 hoặc 40 kênh, khoảng kênh 0,4nm và tốc độ tới 10G.
Hiện tại, hệ thống DWDM đã nghiên cứu thử nghiệm với dung lượng kênh
được nâng lên đến 40G, số lượng kênh được nâng lên đến 80 kênh.
1.2.4. Số kênh bước sóng
Một trong những vấn đề quan trọng là hệ thống sử dụng bao nhiêu kênh
bước sóng và số kênh cực đại hệ thống có thể sử dụng được. Số kênh bước sóng
sử dụng phụ thuộc vào:
- Khả năng của cơng nghệ đối với các thành phần quang như:
+ Khả năng băng tần của sợi quang.
+ Khả năng tách/ghép các kênh bước sóng.
- Khoảng cách giữa các kênh gồm các yếu tố sau:ư
+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.
+ Quỹ công suất quang.
+ Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến.
+ Độ rộng phổ của nguồn phát.
+ Khả năng tách/ghép của hệ thống DWDM.

15


Mặc dù cửa sổ truyền dẫn tại vùng bước sóng 1550 nm có độ rộng khoảng
100 nm, nhưng do dải khuếch đại của các bộ khuếch đại quang chỉ có độ rộng
khoảng 35 nm (theo quy định của ITU - T thì dải khuếch đại này là từ bước sóng
1530 nm đến 1565 nm đối với băng C hoặc băng L từ 1570 nm đến 1603 nm) nên
trong thực tế, các hệ thống DWDM không thể tận dụng hết băng tần của sợi
quang.
Mối quan hệ giữa tần số và bước sóng:



=>



c


(1.3)

df
c

d 
2

(1.4)

Gọi ∆λ là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta có:

=>

f
c


2

(1.5)

Trong đó: c là vận tốc ánh sáng 3.108 m/s. là bước sóng hoạt động
Như vậy, tại bước sóng λ= 1550 nm, với ∆λ= 35 nm thì ∆f =4,37.1012Hz.
Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5Gbps thì theo định nghĩa
Nyquist:
Phổ cơ sở của tín hiệu là: 2 x 2.5 = 5Gbps Số kênh bước sóng cực đại có
thể đạt được: N = ∆f /5 = 874 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đây là
số kênh tính theo lý thuyết tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn thì địi hỏi các
thành phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm
giữa các kênh này cần có bộ phát ổn định và một bộ lọc quang có khả năng chọn
lọc bước sóng cao. Bất kỳ sự dịch tần nào của nguồn phát cũng có thể làm dãn
phổ sang kênh lân cận.
Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, theo khuyến nghị ITU- T đưa ra
quy định về khoảng cách giữa các kênh bước sóng là 100 GHz (0,8 nm) hoặc 50
GHz (0,4 nm) với chuẩn tần số là 193,1 THz.
16

Với công nghệ hiện nay, DWDM chủ yếu sử dụng dải băng tần C (1530 1560) nm và băng L (1560 - 1600) nm.
1.2.5. Độ rộng phổ nguồn phát
Độ rộng phổ của kênh là dải bước sóng dành cho mỗi kênh. Độ rộng này
phải đảm bảo để tránh nhiễu giữa các kênh. Độ rộng phổ giữa các kênh tùy thuộc
vào từng nguồn phát. Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ có độ rộng phổ
mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau.
Bảng 1.2: Độ rộng phổ của kênh
Độ rộng kênh(GHz)

Độ dịch tần

25

±5

50

±10

100

±20

200

±50

Hiện nay trong hệ thống viễn thơng 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.
Việc chọn độ rộng phổ của nguồn phát nhằm đảm bảo cho các kênh bước
sóng hoạt động một cách độc lập nhau, nói khác đi là tránh hiện tượng chồng phổ
ở phía thu giữa các kênh lân cận. Khoảng cách giữa những kênh này phụ thuộc
vào đặc tính của các thiết bị như MUX/DEMUX, bộ lọc, độ dung sai cũng như
mức độ ổn định của các thiết bị này.
Về bản chất, việc ghép các bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang
là dựa trên nguyên tắc ghép kênh theo tần số. Các kênh khác nhau làm việc ở các
kênh tần số khác nhau trong cùng băng thông của sợi quang. Theo lý thuyết, băng
thông của sợi quang rất rộng nên số lượng kênh bước sóng ghép được rất lớn (ở
17


cả 2 cửa sổ truyền dẫn). Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống DWDM thường đi
liền với các bộ khuếch đại quang sợi và làm việc chỉ ở cửa sổ bước sóng 1550
nm. Vì vậy, băng tần của sợi quang bị giới hạn bởi băng tần của bộ khuếch đại.
Như vậy, một vấn đề đặt ra khi ghép là khoảng cách giữa các bước sóng phải thỏa
mãn được yêu cầu tránh cộng phổ của các kênh lân cận ở phía thu. Khoảng cách
này phụ thuộc vào đặc tính phổ của nguồn phát và các ảnh hưởng khác nhau trên
đường truyền như tán sắc sợi, hiệu ứng phi tuyến…Nếu xét ở điều kiện lý tưởng,
có thể xem hệ thống DWDM như là sự xếp chồng của các hệ thống truyền dẫn
đơn kênh khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng đủ lớn và công suất phát hợp
lý.
Mối quan hệ giữa phổ cơng suất phía thu với phổ cơng suất nguồn phát
được thể hiện bởi tham số đặc trưng cho giãn phổ, kí hiệu ∆, băng tần tín hiệu B
và bù tán sắc D. Nếu gọi ε là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa nguồn phát và
sợi quang, ta có biểu thức:

  B . D . R M S

Trong đó:

(1.6)

B là độ rộng băng tần tín hiệu truyền dẫn;
D là độ tán sắc tương ứng khoảng cách truyền dẫn;
∆RMS là độ dải rộng phổ.

1.2.5.Suy hao- quỹcông suất
Trong môi trường truyền dẫn cáp sợi quang, quỹ công suất là một yếu tố rất
quan trọng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường. Mục đích của quỹ
cơng suất là bảo đảm công suất đến máy thu đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy
trong suốt thời gian sống của hệ thống.
Suy hao cơng suất trên tồn tuyến bao gồm: suy hao trên sợi dẫn quang,
suy hao giácvà tại các mối hàn.
- Suy hao sợi quang:

sq   dB km
/  *L km
( Trong đó: L là cự ly tuyến thông tin quang)
- Suy hao giác:
18

(1.7)




 

gi

*N

1gi

(1.8)

- Suy hao mối hàn:



mh

  1m h

M



M*

(1.9)

Trong đó:

L

D

1

(1.10)

( D là độ dài mỗi cuộn cáp)
Công suất suy hao tối thiểu trên tồn tuyến nhận được tính là tổng các suy
hao trên tuyến là:

P

m in

 

sq



gi



mh

dB 

(1.11)

Ngoài các suy hao do các phần tử trên tuyến quang gây ra như đã nêu ở
trên, ta cịn phải có một lượng cơng suất quang dự phịng cho tuổi thọ của các

thành phần, sự thay đổi nhiệt độ và các suy hao tăng lên ở các thành phần. Dự
phòng cho tuyến thường thường từ 6 - 8 dB.Do vậy công suất suy hao tối đa trên
tồn tuyến là:

P

m ax

P



m in

 

du phịng

dB 

(1.12)

Chính vì vậy mà quỹ cơng suất của tuyến có thể xem như là công suất
tổngPαmax nằm giữa nguồn phát quang và bộ tách sóng quang.
Suy hao tổng này bao gồm suy hao sợi, suy hao giắc, suy hao mối hàn và
dự phịng cho hệ thống.
Nếu gọi PS là cơng suất quang của nguồn phát được đưa vào đầu ghép sợi
và PR là cơng suất thu quang thì:
- Cơng suất thu quang tối đa:

PS m a x  P 

PR m a x 

m in

dBm 

(1.12)

m ax

dBm 

(1.13)

- Công suất thu quang tối đa:

PR m in 

PS m in  P 

- Băng tần hệ thống:
19


B sys 
B

sys

0 .3 5
với điều chế RZ
T sys



0 .7
T sys

với điều chế RZ

(1.14)

(1.15)

Trong đó: Tsys: thời gian lên của hệ thống được xác định:
Tsys=

+

+

(1.16)

( Ttra, Trec là thời gian lên của thiết bị phát và thiết bị thu)
Topt là thời gian lên của sợi quang

Topt  L  D  F

(1.17)

với D là hệ số tán sắc sợi quang, ∆/ λ là độ rộng phổ của thiêt bị phát quang.
1.2.6.Hiệu ứng phi tuyến
Đối với hệ thống thông tin sợi quang, cơng suất quang khơng lớn, sợi
quang có tính năng truyền dẫn tuyến tính. Sau khi dùng EDFA, cơng suất quang
tăng lên, trong điều kiện nhất định sợi quang sẽ thể hiện đặc tính truyền dẫn phi
tuyến,hạnchếrấtlớn tính năng của bộ khuếch đại EDFA và cự ly truyền dẫn
dàikhơngcóchuyểntiếp.
Nhìn chung, có thể chia hiệu ứng phi tuyến thành 2 loại:
- Hiệu ứng tán xạ: bao gồm tán xạ do kích thích Raman (SRS) và tán xạ do
kích thích Brillouin (SBS).
- Hiệu ứng liên quan đến chiết suất phụ thuộc vào công suất quang: bao
gồm hiệu ứng tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo(XPM) và trộn bốn bước
sóng (FWM).

1.2.7. Ưu, nhược điểm của DWDM
a. Ưu điểm
- Dung lượng cực lớn
Thực tế băng thông truyền dẫn sợi quang thông thường được sử dụng rất
lớn, nhưng tỷ lệ sử dụng của hệ thống đơn bước sóng vấn thấp, tuy nhiên khi sử

20


dụng cơng nghệ DWDM thì dung lượng truyền dẫn trên mỗi sợi quang được tăng
lên rất nhiều mà không cần phải tăng tốc độ bit.
- Trong suốt đối với tốc độ bit và khuôn dạng dữ liệu
Các hệ thống DWDM được xây dựng trên cơ sở ghếp và tách các tín hiệu
quang theo bước sóng mà việc này độc lập với tốc độ truyền dẫn và phương thức

điều chế. Do đó hệ thống này trong suốt đối với tốc độ dữ liệu.
- Khả năng nâng cấp và mở rộng dễ dàng
Trong q trình mở rộng và phát triển mạng, có thể mở rộng dung lượng
mà không cần phải xây dựng lại hệ thống cáp quang, ta chỉ việc thây thế các bộ
thu phát quang. Ngoài ra việc tăng thêm các dịch vụ mới được thực hiệu đơn giản
bằng cách tăng thêm bước sóng.
- Khả năng linh hoạt, tiết kiệm và độ tin cậy cao
- So với các mạng truyền thống, hệ thống DWDM có cấu trúc đơn giản và
các lớp mạng phân tách rõ ràng. Lớp thấp nhất của mạng là lớp tồn quang tính từ
đầu vào bộ ghép đến bộ ra bộ tách kênh buớ sóng bao gồm các bộ khuếch đại, bù
tán sắc và các thành phần ở trên đoạn đường truyền. Lớp này được xây dựng cố
định với từng mạng và có chi phí rất thấp. Lớp dịch vụ ở mức cao hơn bao gồm
các bộ phát đáp quang. Các bộ phát đáp quang gom dữ liệu cần truyền và phát
đáp tai bước sóng chuẩn hóa của hệ thống. Việc thay đổi dung lượng, thêm bớt
dịch vụ được thực hiện bằng cách thay đổi hoặc thêm bớt bộ phát đáp. Do vậy nó
đáp tốt về khả năng linh hoạt và tiết kiêm chi phí.
- Tương thích với chuyển mạch quang hồn tồn
Việc xử lí xen kẽ và kết nối tất cả tất cả các dịch vụ viễn thơng có thể thực
hiên bằng cách thây đổi và điều chỉnh các bước sóng tín hiêu quang, nên hồn
tồn có thể thực hiện mạng quang trong suốt và có độ tin cậy cao trên cơ sở hệ
thoongs DWDM
b. Nhược điểm
- Chi phí khai thác và bảo dưỡng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động.
- Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn
của sợi quang.
21


CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG DWDM
2.1. Thiết kế tuyến truyền dẫn quang sử dụng công nghệ DWDM

Thiết kế tuyến thông tin quang DWDM với 32x20Gb/s, cự ly 100km với
yêu cầu BER=10
cho tất cả các kênh. Để đạt được yêu cầu thiết kế trên ta sử
dụng bộ khuếch đại quang EDFA, kỹ thuật bù tán sắc bằng sợi quang DCF.
Các tham số thiết lập ban đầu của hệ thống được cho như (bảng 2.1).
Bảng 2.1 Bảng thông số cài đặt chung của toàn hệ thống
TT

Thamsố

Ký hiệu

Giá trị thiết lập

1
2
3
4
5
6

Công suất
Độ rộng băng tần
Dạng điều chế
Tốc độ bit
Diện tích ảnh hưởng (SMF)
Tán sắc (SMF)

P

B
Aeff
D1

0(dBm)
3.2(THz)
NRZ
20(Gbit/s)
80 (µm2))
18 (ps/nm/km)

7

Suy hao (SMF)

α1

0.18 (dB/km)

8

Tán sắc tại khơng

9
10
11

Độ dài (SMF)
Diện tích ảnh hưởng (DCF)
Tán sắc (DCF)

L
Aeff
D2

33 (km)
27 (µm2)
-34 (ps/nm/km)

12

Suy hao (DCF)

α2

0.26 (dB/km)

13

Tán sắc tại không

14
15
16
17
18
19

Độ dài (DCF)
Độ lợi (EDFA 1)
Độ lợi (EDFA 2)
Nhiễu ( EDFA)
Đáp ứng diode PIN
Tốc độ bit lỗi chấp nhận được

R
BER

17 (km)
6 (dB)
5 (dB)
4 (dB)
1 (A/W)
10-12

20

Băng tần DWDM

BandC

191.7 THz ÷ 194.8 THz

21

Độ rộng kênh

0.075 (ps²/nm/km)

-0.1 (ps²/nm/km)
L
G1
G2

80 (GHz)

Để đánh giá hệ thống cần thiết kế chúng tôi sử dụng phần mềm mô phỏng
thông tin quang Optisystem.

22


2.1.1. Thiết kế sơ đồ hệ thống
Tuyến truyền dẫn 32 kênh sữ dụng công nghệ DWDM được chia làm 3 khối
như sau:

Khối phát

Khối tuyền dẫn

Khối thu

Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống
23