Bài tập lớn môn thông tin quang WDM (kèm source + slide thuyết trình)

BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

LỜI NĨI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một nền kinh tế hết sức năng động và sáng tạo, địi
hỏi con người phải ln ln tìm tịi học hỏi và phát huy hết khả năng của mình. Chính
vì vậy nhu cầu trao đổi thơng tin ngày càng lớn, với chất lượng dịch vụ ngày càng cao.
Nhu cầu con người ngày càng tăng cao, đòi hỏi phải có một cơng nghệ mạng viễn
thơng tiến tiến. u cầu tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa phương tiện, đáp
ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của con người.
Đáp ứng những nhu cầu này, công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang
(WDM) là một giải pháp hồn hảo cho phép tận dụng hiệu quả băng thơng cực lớn của
sợi quang, nâng cao được dung lượng truyền dẫn và làm giảm giá thành sản phẩm. Sự
phát triển này sẽ mang lại những ưu điểm vượt trội về chất lượng truyền dẫn cao, đặc
biệt là băng thông rộng.

1


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.
Viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

ADM
AG
AN
AOTF

APD
AWGM

Add/drop multiplexer
Auxiliary Graph
Acces Node
Acousto Optic Turnable Filter
Avalanche Photodiode
Arrayed - Wavelength
Grating Multiplexer
Asynchronous Transfer Mode

Bộ ghép kênh xen kẽ
Dựng một đồ thị phụ
Nút truy nhập
Bộ lọc thanh quang có điều chỉnh
Điốt quang thác
Bộ ghép kênh lưới quang dẫn
sóng kiểu dàn
Phương thức truyền khơng đồng
bộ
Điốt quang thác
Bước sóng khả dụng
Đường trục
Gán kênh riêng biệt
Bộ giải ghép kênh
Sợi dịch tán sắc
Nối chéo số
Thiết lập luồng quang

ATM
ADP
AW
C
DCA
DEMUX
DSF
DXC
DLE
DWDM
FBG
EDFA
FDM
FFWF
GMPLS
GW
IP
ISDN
LAN
LC
LCP
LCG
LF
LEC
LL
LSP
ADM
AG
AN
AOTF

APD
AWGM
ATM
ADP
AW
C

Avalanche Photo Diode
Available Wavelength
Core
Distinct Channel Assignment
Demultiplexer
Dispersion Shifted Fiber
Digital Cross Connect
Dynamic Lightpath Establishment
Differential Wavelength
Division Multiplexer
Fibre Grating
Erbium doped fiber amplifer
Division Multiplexer
Fibre Grating
Erbium doped fiber amplifer
Frequency Division Multiplexing
First Fit Wavelength First
Generalized Multiple Protocol
Label Swithching
Gateway
Internet Protocol
Integrated service digital network
Local Area Network

Logical Connection
Least Congested Path
Logical Connection Graph
Largest First
Least Converter First
Least Loaded
Label Swithched Path
Add/drop multiplexer
Auxiliary Graph
Acces Node
Acousto Optic
Turnable Filter
Avalanche Photodiode

2


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG
DCA
DEMUX

Arrayed - Wavelength
Grating Multiplexer

3


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

MỤC LỤC

...................................................................................................................................................3
MỤC LỤC...................................................................................................................................4
PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM.......................................5
1.Định nghĩa............................................................................................................................5
2.Các dải băng tần hoạt động trong WDM.............................................................................5
3.Sơ đồ khối và chức năng của các khối.................................................................................5
4.Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM........................................................................8
5.Ưu nhược điểm của hệ thống WDM..................................................................................10
PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA ERBIUM (EDFA)........................11
1.Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA..............................................11
a.Cấu trúc..........................................................................................................................11
b.Nguyên lý hoạt động của EDFA....................................................................................11
2.Tính tốn các thơng số về bộ khuếch đại EDFA ...............................................................13
a)Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi....................................13
b)Tính tốn nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA..................................14
c)Tính tốn nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA:.................................15
d)Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau:...............16
e)Bài tốn mơ phỏng.........................................................................................................17
f)Ưu khuyết điểm của EDFA............................................................................................21
PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652.......................................................22
1.Cấu tạo...............................................................................................................................22
2.Các yếu tố ảnh hưởng.........................................................................................................23
a)Suy hao .........................................................................................................................23
b)Tán sắc...........................................................................................................................23
PHẦN IV: GIỚI THIỆU VÀ TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM OPTISYSTEM...........................25
1.Giới thiệu chung về phần mềm OPTISYSTEM................................................................25
a)Các ứng dụng của phần mềm Optisystem......................................................................25
b)Yêu cầu về phần cứng và phần mềm.............................................................................25
c)Cài đặt............................................................................................................................26
d)Các đặc điểm chính của phần mềm Optisystem............................................................26

2.Tóm tắt hướng dẫn sử dụng một số chức năng cơ bản của OPTISYSTEM......................30
a)Mở một dự án có sẵn:....................................................................................................30
b)Tạo một dự án mới........................................................................................................30
c)Thiết lập các tham số toàn cục (global parameters) của dự án......................................31
d) Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án............................................32
e)Chạy mô phỏng..............................................................................................................33
f)Hiển thị kết quả mô phỏng.............................................................................................34
g)Thực hiện quét tham số (Parameter Sweep)..................................................................35
h)Đưa kết quả mô phỏng vào báo cáo..............................................................................39
Phần V: THIẾT KẾ MƠ PHỎNG THỰC TẾ...........................................................................40
1.Đề bài.................................................................................................................................40
2.Mơ phỏng theo phương án thiết kế ...................................................................................40
3.Sơ đồ thiết kế.....................................................................................................................48
4.Cách chọn thông số ber phù hợp với đề bài.......................................................................49

4


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

PHẦN I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN
QUANG WDM
1. Định nghĩa
Một hệ thống truyền dẫn thơng tin quang mà ở đó nhiều kênh bước sóng được
ghép lại và truyền chung trên nột đường truyền quang được gọi là hệ thống thông tin
quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)
Trong điều kiện các dịch vụ truyền số liệu ngày càng tăng nhanh đặc biệt là
Internet, truyền hình số, vệ tinh… và khi mà IP nổi lên như là nền tảng cho các dịch vụ
ứng dụng trong tương lai, các nhà quản lý cung cấp dịch vụ truyền dẫn lúc này sẽ phải
suy nghĩ lại về hệ thống truyền dẫn truyền thống TDM (time division multiplexing), hệ

thống vốn tối ưu cho truyền thoại nhưng lại kém hiệu quả trong sử dụng băng thông.

2. Các dải băng tần hoạt động trong WDM
− O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 1360 nm.
− E-band (Extended band): Dải băng tần từ 1360 nm ÷ 1460 nm.
− S-band (Short wavelength band)Dải băng tần từ 1460 nm ÷ 1530 nm.
− C-band (Conventional band):Dải băng tần từ 1530 nm ÷ 1565 nm
− L-band (Long wavelength band):Dải băng tần từ 1565 nm ÷ 1625 nm
− U-band (Ultra-long wavelength band):Dải băng tần từ 1625 nm ÷ 1675 nm

3. Sơ đồ khối và chức năng của các khối
a. Sơ đồ khối tổng quát

5


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

b. Chức năng các khối
 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 cơng 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 mơi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, bộ
lọc Fabry-Perot... Khi xét đến các bộ tách/ghép WDM, 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:
Q 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 (ErbiumDoped 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:
 Thu tín hiệu:
Thu tín hiệu trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như
trong hệ thống thơng tin quang thông thường: PIN, APD.

6


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

c. Phân loại hệ thống WDM
 Gồm 2 loại: đơn hướng và song hướng.

− Về dung lượng: WDM song hướng < WDM đơn hướng, tuy vậy thì WDM đơn
hướng lại địi hỏi số lượng sợi quang gấp đôi so với WDM song hướng
− Về Thiết kế: rõ ràng hệ thống WDM song hướng đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều

với những vấn đề như sự chống xuyên nhiễu(do có nhiều bước sóng trên 1 sợi
quang), đảm bảo định tuyến và phân bố bước sóng sao cho 2 chiều trên sợi
quang không dùng chung 1 bước sóng (bước sóng chẵn lẽ, bước sóng theo
băng…)
− Về việc giải quyết vấn đề khi có sự cố xảy ra ở hệ thống: với WDM song hướng
thì khi có bất kì sự cố gì xảy ra trên hệ thống, nó khơng cần đến cơ chế APS
7


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

(automatic protection switching) để chuyển mạch bảo vệ mà nó có thể tự hiểu
đồng thời ở cả 2 đầu hệ thống
− Bộ khuếch đại quang EDFA ở hệ thống song hướng đơn giản hơn so với hệ
thống đơn hướng, nhưng do số bước sóng ở WDM song hướng =1/2 WDM đơn
hướng nên công suất khuếch đại ở đầu ra của hệ thống song hướng sẽ cao hơn
hệ thống đơn hướng
 Tính về độ tối ưu thì WDM song hướng hơn hẳn WDM đơn hướng. Tuy nhiên
trong 1 số trường hợp ta vẫn chỉ có thể áp dụng hệ thống đơn hương vì 1 số đặc
điểm tối ưu trong điều kiện hiện tại. Ví dụ: Trong điều kiện khả năng xuyên nhiễu
giữa các bước sóng là rất cao, mà hệ thống địi hỏi phải có dung lượng truyền dẫn
lớn. Lúc này ta chỉ có thể dùng WDM đơn hướng.

4. Các thành phần cơ bản của hệ thống WDM
a. Bộ phát
Phần phát quan trọng nhất là laser diode. Yêu cầu nguồn quang trong hệ thống
WDM là phải có độ rộng phổ hẹp, ổn định tần số. Tuy nhiên laser diode có khoang
cộng hưởng Fabry Perot có nhiều ưu điểm hẳn so với LED nhưng chưa thật sự là các
nguồn đơn mode. Vẫn còn các mode khác ngoài mode cơ bản trong nguồn này. Trong
hệ thống WDM nhất là hệ thống ghép bước sóng có mật độ cao DWDM cần có những

laser đơn mode tạo ra một mode dọc chính, cịn lại các mode bên cần được loại bỏ.
Laser đơn mode có nhiều loại, điển hình là laser hồi tiếp phân tán (DFB )và laser phản
xạ Bragg phân tán (DBR)
b. Bộ thu
Bộ thu quang của hệ thống WDM cũng tương tự như bộ thu quang ở hệ thống
đơn kênh. Chúng thực chất là các photodiode (PD), thực hiện chức năng cơ bản là biến
đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện. Bộ thu quang phải đảm bảo yêu cầu về
tốc độ lớn, độ nhạy thu cao và bước sóng hoạt động thích hợp. Hai loại photodiode
được sử dụng rộng rãi trong bộ thu quang là photodiode PIN và photodiode thác APD.
c. Sợi quang
Các mạng quang đều sử dụng môi trường truyền dẫn là các sợi quang. Sợi quang
có đặc tính là suy hao và tán sắc thấp và là môi trường phi dẫn. Sợi quang đơn mode
chuẩn cũng như sợi dịch tán sắc, hoặc sợi tán sắc phẳng đã được ITU-T chuẩn hoá.
8


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

d. Trạm lặp
Trạm lặp là bộ chuyển đổi tần số quang điện cơ bản bao gồm một bộ thu quang và
bộ phát quang. Bộ thu quang chuyển đổi tín hiệu quang đầu vào thành tín hiệu điện và
được khuếch đại, sửa dạng xung, định thời lại. Tín hiệu này sau đó được chuyển thành
tín hiệu quang nhờ laser phát.
e. Bù tán sắc
Bên cạnh suy hao của sợi là một hiệu ứng tán sắc mà giới hạn chính của khoảng
cách các trạm lặp trong tuyến thơng tin quang. Trễ nhóm là một hiệu ứng chính gây ra
bởi tán sắc. Trong truyền dẫn quang hiệu ứng tán sắc tăng tuyến tính với độ dài và độ
rộng phổ nguồn quang và là nguyên nhân làm méo xung và nhiễu giữa các kí tự.
f. Khuếch đại quang OA (EDFA)
Khuếch đại quang sợi pha Erbium là chìa khố xây dựng nên hệ thống WDM. Hệ

thống này có đặc tính: tính tăng ích cao, băng tần rộng, tạp âm thấp. Đặc tính tăng ích
khơng có quan hệ với phân cực, trong suốt với tốc độ số và khuôn dạng. Đây là các
đặc tính rất có lợi trong thơng tin quang nói chung và WDM nói riêng. Tăng ích được
tính tốn như là tỷ số công suất ra trên công suất vào bộ khuếch đại. Giá trị này xác
định trực tiếp suy hao tối đa cho phép giữa hai bộ EDFA liên tiếp. Nó phụ thuộc vào
số kênh và độ dài của tuyến. Trong các tuyến thực tế giá trị này biến đổi từ dưới 20 dB
đến 30dB. Công suất đầu ra của bộ khuếch đại khi đầu vào công suất cao. Hiện nay đã
được thương mại hóa các bộ khuếch đại EDFA với dải đầu vào từ 13 – 17 dB cho đầu
ra công suất tới 30 dBm
g. Bộ lọc quang
Trong kỹ thuật WDM có nhiều loại bộ lọc quang được sử dụng, nhưng phổ biến
nhất là bộ lọc màng mỏng điện môi (TFF). TFF làm việc theo nguyên tắc phản xạ tín
hiệu ở một dải phổ nào đó và cho phần dải phổ còn lại đi qua. Bộ lọc này thuộc loại bộ
lọc bước sóng cố định. Cấu trúc của nó gồm một khoang cộng hưởng bằng điện mơi
trong suốt, hai đầu khoang có các gương phản xạ được chiết suất thấp (MgF2 có n =
1,35 hoặc SiO2 có n = 1,46) xen kẽ nhau. Mỗi lớp có bề dày ne = λ0/4 (đối với bộ lọc
bậc 0) hoặc ne = 3λ0/4 (đối với bộ lọc bậc 1), với λ0 là bước sóng trung tâm.
h. Bộ xen rẽ quang OADM
Thiết bị ODAM thực hiện chức năng thêm vào và tách ra một kênh tín hiệu từ tín
hiệu WDM mà không gây ra nhiễu với những kênh khác trong sợi.
9


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

i. Bộ nối chéo quang OXC
OXC có hai chức năng chính :
•

Chức năng nối chéo của kênh quang

•

Chức năng ghép tách đường tại chỗ

j. Chuyển mạch không gian
Các ma trận chuyển mạch không gian được sử dụng trong các thiết bị OADM và
OXC. Các thiết bị này dựa vào hoạt động cơ học bao gồm motor, điện tử tĩnh hoặc áp
điện làm lệch các vi gương cho chuyển mạch các tín hiệu quang. Do yêu cầu chuyển
động cơ học của phần tử chuyển mạch thời gian đạt được dải khá rộng từ 30ms đến
500ms. Thiết bị dẫn sóng tạo tác dụng của nhiệt năng hoặc hiệu ứng quang- điện là có
thời gian chuyển mạch tương đối nhanh, bảng 1.1 bao gồm các đặc tính của các ma
trận chuyển mạch khác nhau.

5. 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 khơng 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

10

BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

PHẦN II: KHUẾCH ĐẠI QUANG SỬ DỤNG SỢI PHA
ERBIUM (EDFA)
1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại EDFA
a. Cấu trúc

Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA
Trong đó bao gồm:
− Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium EDF (Erbium-Doped Fiber): là nơi xảy ra quá
trình khuếch đại (vùng tích cực) của EDFA.
− Laser bơm (pumping laser): cung cấp năng lượng ánh sáng để tạo ra trạng thái
− nghịch đảo nồng độ trong vùng tích cực. Laser bơm phát ra ánh sáng có bước sóng
980nm hoặc 1480nm
− WDM Coupler: Ghép tín hiệu quang cần khuếch đại và ánh sáng từ laser bơm vào
− trong sợi quang. Loại coupler được sử dụng là WDM coupler cho phép ghép các
tín hiệu có bước sóng 980/1550nm hoặc 1480/1550nm.
− Bộ cách ly quang (Optical isolator): ngăn khơng cho tín hiệu quang được khuếch
đại phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền
phản xạ ngược về EDFA.
b. Nguyên lý hoạt động của EDFA
Nguyên lý khuếch đại của EDFA được dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích
Q trình khuếch đại tín hiệu quang trong EDFA có thể được thực hiện theo các bước
như hình dưới đây.

11


BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

Q trình khuếch đại tín hiệu xảy ra EDFA
với hai bước sóng bơm 980 nm và 1480 nm
- Khi sử dụng nguồn bơm laser 980nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng
lượng tử từ các photon (có năng lượng E photon = 1.27eV) và chuyển sang trạng thái
năng lượng cao hơn ở vùng bơm (pumping band) (1)
- Tại vùng bơm các Er3+ phân rã không bức xạ rất nhanh (khoảng 1micro s) và
chuyển xuống vùng giả bền (2)
- Khi sử dụng nguồn bơm laser 1480 nm, các ion Er 3+ ở vùng nền sẽ hấp thụ năng
lượng từ các photon (có năng lượng Ephoton = 0.841 eV) và chuyển sang trạng thái
năng lượng cao hơn ở đỉnh của vùng giả bền (3)
- Các ion Er trong vùng giả bền luôn có khuynh hướng chuyển xuống vùng năng
lượng thấp (vùng có mật độ điện tử cao) (4)
- Sau khoảng thời gian sống (khoảng 10ms), nếu khơng được kích thích bởi các
photon có năng lượng thích hợp (phát xạ kích thích) các ion Er 3+ sẽ chuyển sang
trạng thái năng lượng thấp hơn ở vùng nền và phát xạ ra photon (phát xạ tự phát)
(5).
Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:
- Các photon tín hiệu bị hấp thụ bởi các ion Er ở vùng nền (6). Tín hiệu ánh sáng bị
suy hao
- Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền (7) . Hiện tượng phát xạ
kích thích xảy ra. Khi đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái năng
lượng từ mức năng lượng cao ở vùng giả bền xuống mức năng lượng thấp ở vùng
nền và phát xạ photon mới có cùng hướng truyền, cùng phân cực, cùng pha và
cùng bước sóng. Tín hiệu ánh sáng được khuếch đại.
Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra trong
khoảng bước sóng 1530 nm – 1565nm. Đây cũng là vùng bước sóng hoạt động của
EDFA. Độ lợi khuếch đại giảm nhanh chóng tại các bước sóng lớn hơn 1565 nm và
bằng 0 dB tại bước sóng 1616 nm.
12

BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

2. Tính tốn các thông số về bộ khuếch đại EDFA
Khi sử dụng EDFA để thay thế bộ lặp trong hệ thống thông tin sợi quang, vấn
đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các nhiễu giao thoa tại đầu ra của bộ khuếch đại
đến đầu vào của máy thu. Nếu thiết kế tuyến truyền dẫn có độ dài lớn thì cần phải sử
dụng nhiều EDFA, nhiễu tạo bởi các EDFA này sẽ hợp thành nhiễu tích lũy có giá trị
lớn. Nhiễu tích lũy có ảnh hưởng lớn đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR và đặc tính
BER của tín hiệu tại đầu vào máy thu.
a) Tuyến thông tin sợi quang sử dụng hệ thống EDFA mắc chuỗi
Về mặt lý thuyết, thì cự ly truyền dẫn rất dài có thể thực hiện được bằng cách
xen nhiều bộ khuếch đại quang theo phương pháp LA. Tuy nhiên, khi có nhiều bộ
khuếch đại được mắc chuỗi trên tuyến, đặc tính hệ thống sẽ bị giảm do có sự xuất hiện
nhiễu tích lũy từ các EDFA và các hiệu ứng phi tuyến.
EDFA 1
n0,l0

EDFA 2

EDFA k

n1,l1

nk,lk

TX

RX

Cấu hình các bộ khuếch đại EDFA mắc chuỗi
Khuếch đại tổng G và suy hao tổng L của hệ thống được xác định như sau:
k

G =∏
Gi
i=
1

k

L =∏
Li
i=
1

Ở đây Gi và Li là bộ khuếch đại EDFA thứ i và suy hao quang của phân đoạn thứ i. Do
có tích lũy nhiễu, cơng suất phát xạ tự phát tổng được xác định như sau:
k

Psp =∑
Pspi
i=
1

k

k

G ∏

L
∏
j

j=
i+
1

i

i=
1

Với Pspi như ta đã biết là công suất phát xạ tự phát của EDFA thứ i nó được tính
bằng cơng thức:
Pspi = mthvnspi(Gi - 1)B0
(*)
Với mt, hv, nspi lần lượt là số mode truyền dẫn, năng lượng photon và hệ số bức
xạ tự phát của EDFA.
13


BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

b) Tính tốn nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng một EDFA
EDFA

α,d0
Ptx

Pin

α,d1
Pout

Ps

Cấu trúc một hệ thống LA (EDFA dùng làm khuếch đại
đường truyền)

Gọi:
− Ptx là công suất của nguồn phát.
− Pin là công suất ngõ vào của EDFA.
− Pout là công suất ngõ vào của EDFA.
− Ps là công suất của bộ tách sóng.
− α là hệ số suy hao sợi quang.
− d Chiều dài của tuyến truyền dẫn.
− d0 là chiều dài của đoạn phía trước bộ EDFA.
− d1 là chiều dài của đoạn phía sau bộ EDFA.
Ở đây tất cả nhiễu và tín hiệu được tính theo pA 2 nên trong cơng thức tính tốn có
nhân thêm 1012.
 Nhiễu lượng tử:
Nhiễu lượng tử còn gọi là nhiễu bắn (shot) do dòng tín hiệu vào và dịng phát
xạ tự phát sinh ra. Nhiễu lượng tử sinhVới:
ra trong trường hợp LA số
là: lần suy hao trên đoạn d0.

m n hυ(G −1) B0  12(pA
 GP
số2)lần suy(1)hao trên đoạn d1.

σ sh2 = 2eBeℜ tx + t sp
10

n1
 n0 n1


n1 = 10

αd1
10

n0 = 10

αd 0
10

ℜ =eη/hv là hệ số chuyển đổi quang điện.
η là hiệu suất lượng tử.
υ là tần số tín hiệu quang.
h= 6,625.10-34Js là hằng số Plank.
e= 1,6.10-19 C là điện tích eclectron.
mt là số mode của tín hiệu quang.

14


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

 Nhiễu nhiệt:

Nhiễu nhiệt được tính như sau:
 Nhiễu phách:

σ th2 =

4 KTBe 12 (pA2)
10
RL

(2)

+ Mật độ công suất tương đương của nhiễu phách tín hiệu - tự phát là:

σ

2
s − sp

σ

2
s − sp

2
4ℜ 2 N 0 GPtx Be 4ℜ n sp hυG (G − 1) Ptx Be
=
=
n1 n 22
n1 n 22

=

4ℜ 2 n sp hυG (G − 1) Ptx Be
2
1 2

nn

2

1012 (pA )

(3)

+ Thành phần nhiễu phách tự phát - tự phát là:

σ

2
sp −sp

=

2mt ℜ2 nsp2 (hυ ) 2 (G − 1) 2 B0 Be
n

2
2

1012(pA

2)

 Nhiễu tổng tại ngõ ra của bộ tách sóng là:

(4)

(5)

σ2tot = σ2th + σ2sh + σ2s-sp +σ2sp-sp

c) Tính toán nhiễu trong trường hợp hệ thống sử dụng k bộ EDFA:
 Nhiễu phách tín hiệu - tự phát:

σ

2
s − sp

Psp1Gk Gk −1 ...G2 12 2 (6)
4 Be ℜ 2 Gk Gk −1 ...G1 Ptx Pspk Psp ( k −1) Gk
=
.
.(
+
+ ...
)10 ( pA )
mt B0 n0 n1n2 ...nk
nk
nk −1nk

n1n2 ...nk
 Nhiễu lượng tử:

Pspk Psp ( k −1) Gk
Psp1G2 G3 ...Gk  12
 G G ...G P
2 (7)
σ sh2 = 2eBe ℜ  1 2 k tx + (
+
+ ...
10 ( pA )
nk
nk −1nk
n1n2 ...nk 
 n0 n1n2 ...nk
 Nhiễu phách tự phát - tự phát:

σ

2
sp − sp

2 Be ℜ 2
=
B0 mt

2

Psp1G2 G3 ...Gk  12
 Pspk Psp ( k −1)

2
+
+
...
+

 10 ( pA )
n1n2 ...nk 
 nk nk −1nk

(8)

15


BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

Để tiện tính tốn, giả thiết rằng có k EDFA giống nhau tức là: G=G j, nsp=nspj,
Psp=Pspj; lúc này ta có cơng thức tính các nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA
(4.6), (4.7) và (4.8) được rút gọn như sau:

σ

2
s − sp

4 Be ℜ 2 Ptx kPsp 12
=
. .
10 ( pA 2 )

mt B0 n0 nk

 P kPsp  12
2
σ sh2 = 2eBe ℜ  tx +
10 ( pA )
 n0 n k 

(9)

(10)
(11)

2

σ sp2 − sp

2 Be ℜ 2  kPsp  12
2
=

 10 ( pA )
B0 mt  nk 

(12)

d) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong trường hợp sử dụng k bộ EDFA giống nhau:

σth2 =

4 KTBe
1012 ( pA 2 )
R1

Cơng thức trên được dùng để tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (điện) trong trường
hợp tổng quát, đối với hệ thống thông tin sợi quang sử dụng k bộ EDFA mắc chuỗi và
bộ lọc quang

(ℜ Ptx / n0 )
nhau. Như đã SNR =
(dB)
2
kP
P


4
B
ℜ
P
P
sp
sp
e
một quá trình
. tx .
+ 2eBeℜ  tx + 
mt B0 n0 nk
 n0 nk 
tạp.

Trong
2

này,

công

hiệu

trên

+

2

2 Beℜ  kPsp  4 KTBe

 +
B0 mt  nk 
R1
2

đặt sau nó khác
nói ở trên, đây là
(13)
tính

tốn

phức

khn khổ bài tập
thức tính tỷ số tín
nhiễu

ở

trường

hợp này là:

Ta có cơng thức tính BER khi biết eSNR như sau:
2

1 e −x
BER =
2 π .x

(14)
16


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

Với

x = 0,354. SNR

e) Bài tốn mơ phỏng
Tìm số bộ khuếch đại cần thiết khi cho trước:

- Khoảng cách truyền dẫn AB.
- Công suất phát Ptx.
- Tốc độ bit của hệ thống Rb.
- Tỷ lệ lỗi bit BER.
- Suy hao trung bình tồn tuyến α.
- Hệ số khuếch đại G của các bộ khuếch đại EDFA.
- Các thơng số khác có liên quan.
Cơng suất phát tối đa của máy phát là 9dBm, công suất dự phịng 6dBm. Vậy cơng
suất phát Ptx là: 9 - 6=3dBm.
Độ nhạy thu là một hàm của tỷ lệ lỗi bit BER và tốc độ R b. Nếu ta chọn Be = 2,5Ghz,
yêu cầu BER=10-12 thì độ nhạy thu bằng -27,5dBm theo (6).
Gọi l0 là khoảng truyền dẫn mà hệ thống làm việc tốt (máy thu vẫn thu tốt tín hiệu từ
máy phát) mà khơng cần EDFA.
Ta có:
Pr = Ptx - ∑Ploss= Ptx- l0α
⇒ l0 = (Ptx - Pr)/α

Như vậy khoảng cách truyền dẫn cần bù lượng tổn hao do nó gây ra là: AB - l0
Suy hao do khoảng cách này gây ra: (AB - l0)α
Như vậy số EDFA cần sử dụng là:
(AB - l0)α
k =
G
Nếu ta chọn độ nhạy máy thu Pr = -27,5 dBm. Công suất tới bộ tách sóng P s phải lớn
hơn độ nhạy thu này. Ta chọn Ps = -25dBm. Ta có Ptx = 3 dBm. Vậy:
3 - (-25)
l0 =  = 130km
0,21
Chọn l0 = 100km. Ở phần trước ta đã rút ra công thức như sau:

17


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

(ℜ Ptx / n0 ) 2
eSNR =
(dB)
 Ptx Psp 
4 Be ℜ 2 Ptx kPsp
. .
+ 2eBe ℜ  +

mt B0 n0 nk
 n0 n k 
2

2 Be ℜ 2  kPsp  4 KTBe
+

 +
B0 mt  nk 
R1
Tính tỷ số eSNR khi biết các thông số khác:
Các thông số được cho như sau:
− Cơng suất phát

Ptx = 3dBm

− Tốc độ bít

Rb = 2,5Ghz

− Tỷ lệ lỗi bit

BER = 10-12

− Băng tần điện

Be = Rb = 2,5 (5 và 7,5) Ghz

− Suy hao trung bình tồn tuyến α = 0,21dB/km
− Băng tần quang.
Thơng thường khi khơng có bộ lọc thì Bo phụ thuộc vào ∆λ của bộ khuếch đại
(∆λ=40÷50nm). Tuy nhiên do dùng nhiều bộ lọc nên B 0 phụ thuộc vào ∆λ của bộ lọc
∆λ = 0,1 ÷ 0,5nm.
c
dƒ
c
∆ƒ c
ƒ=  ⇒  = - ⇒  =
λ
dλ
λ2
∆λ λ2
c
⇒B0 = ∆ƒ =  ∆λ
λ2

Chọn ∆λ = 0,4nm ta có B0 = 50Ghz

Các thông số khác:
− Hiệu suất lượng tử η = 0,9

− Bước sóng của tín hiệu quang λ = 1550nm
− Số mode phân cực: do dùng sợi đơn mode nên chỉ có một mode phân cực ngang
mt = 1.
− Trở kháng tải của bộ tách sóng Rl = 50Ω.
− Tốc độ ánh sáng c = 3.108 m/s.
− Nhiệt độ tuyệt đối T = 3000K.
Với các thông số đã cho ở trên thế vào (*) tính được:

0,8984.10 3 Ptx
=
+ 7,2575.10 −6 k ( pA 2 )
n0

σ

2
sh

σ

2
s − sp

2,035.10 3 Ptx
=
k ( pA 2 )
n0

18


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

σ2sp-sp = 8,22.10-6k2(pA2)
σ2th = 0,828(pA2)
S = 1,26.1012(Ptx/n0)2
Thế vào cơng thức ta có:
Ta có cơng thức tính BER khi biết eSNR như sau:

1,26.1012 ( Ptx2 n0 ) 2
eSNR =
2,035.10 3 Ptx
0,8984.10 3 Ptx
−6 2
k + 8,22.10 k + 0,828 +
+ 7,2575.10 − 6 k
n0
n0
−x 2

BER =

x = 0,354. eSNR

Với

Vậy

1 e
2 π .x

1
BER =
2
BER =

e −( 0,354 eSNR )
π 0,354 eSNR
1

1,255 eSNR .e

−( 0 , 354

eSNR )

Tính ra rằng với eSNR = 1,98.102 thì BER ≈ 10-12.
Đây là giá trị BER đạt u cầu tính tốn trong phần thiết kế của bài.
Như vậy khi BER chưa đạt yêu cầu ta chỉ cần tăng công suất phát P tx sao cho eSNR
đạt giá trị 1,98.102.
Từ bài toán mơ phỏng này ta xây dựng được thuật tốn như dưới đây.

19


BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

Lưu đồ thuật tốn
Bắt đầu
Nhập khoảng cách, công
suất phát P và độ khuếch
đại. Chọn tốt độ bit

thế cơng suất
Thay phát P=Pđạt

Tính số bộ EDFA
cần thiết
Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu eSNR,
tỷ lệ lỗi bit BER

Tính cơng suất phát Pđạt để BER = 10-12
Hiển thị các thơng số tính
được
Y

BER ≤10-

12

Thiết kế thành
cơng. Bạn muốn
thử lại không

N
Thiết kế chưa thành
công. Bạn muốn

thử lại không

N

Thử lại
Y
Hiện thị hình vẽ
Kết thúc

20


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

f) Ưu khuyết điểm của EDFA
−
−
−
−
−
−
−
−
−

1. Ưu điểm:
Nguồn laser bơm bán dẫn có độ tin cậy cao, gọn và cơng 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 và thay thế.

Công suất nguồn nuôi nhỏ: thuận lợi khi áp dụng cho các tuyến thông tin quang
vượt biển.
Khơng có nhiễu xun kênh khi khuếch đại các tín hiệu WDM như bộ khuếch
đại quang bán dẫn.
Hầu như không phụ thuộc vào phân cực của tín hiệu.
2. Khuyết 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.

21


BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN QUANG

PHẦN III: TÌM HIỂU SỢI QUANG ĐƠN MODE G652
Khuyến nghị ITU-T G.652 mô tả các thuộc tính hình học, cơ khí và một chế độ cáp
quang và cáp, có bước sóng khơng phân tán xung quanh 1310 nm. Sợi ITU-T G.652
đã được tối ưu hóa cho sử dụng trong khu vực bước sóng 1310 nm, nhưng cũng có thể
được sử dụng trong khu vực 1550nm.
1. Cấu tạo
Sợi quang sử dụng là loại đơn mode. Lõi của sợi quang làm bằng SiO2 và các
chất phụ gia khác, đảm bảo có các chỉ số chiếc suất của lõi sợi quang lớn hơn chỉ số
chiếc suất của lớp vỏ phản xạ. Lớp vỏ phản xạ của sợi quang làm bằng SiO2. Lớp bảo
vệ sơ cấp làm bằng vật liệu chống được tia cực tím, đảm bảo sợi quang không bị suy
hao do uốn cong và trầy xước. Lớp bảo vệ sơ cấp dễ dàng được bóc ra bằng dụng cụ
cơ khícầm tay (khơng dùng đến hố chất) mà không gây ảnh hưởng đến sợi quang.
Sợi quang được mã hoá màu dễ dàng được phân biệt nhau bằng mắt thường,
không được phai màu trong suốt thời gian sử dụng của cáp.
Vỏ sợi

Lõi sợi

Tải bản FULL (55 trang): />Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

Cấu trúc tổng thể của sợi.
- Lớp trong cùng có dạng hình trụ trịn ,làm bằng thủy tinh ,được gọi la lõi ( core ) sợi
- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao xung quanh lõi lên được gọi là lớp bọc ,làm
bằng thủy tinh hoặc plastic
22


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

2. Các yếu tố ảnh hưởng
Có ba yếu tố cơ bản của sợi quang ảnh hưởng đến khả năng của các hệ thống thông
tin quang ,bao gồm :
a) Suy hao
Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan trọng nhất của sợi
quang vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu. Mặt khác, do
việc khó lắp đăt, chế tạo và bảo dưỡng các bộ lặp nên suy hao tín hiệu trong sợi quang
có ảnh hưởng rất lớn trong việc quyết định giá thành của hệ thống.Suy hao tín hiệu
trong sợi quang có thể do ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi
quang với sợi quang và giữa sợi quang với đầu thu quang, bên cạnh đó q trình sợi bị
uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy hao. Các suy hao này là suy hao ngoài
bản chất của sợi, do đó có thể làm giảm chúng bằng nhiều biện pháp khác nhau. Tuy
nhiên,vấn đề chính ở đây ta xét đến suy hao do bản chất bên trong của sợi quang.
− Suy hao tín hiệu
Suy hao tín hiệu được định nghĩa là tỷ số công suất quang lối ra Pout của sợi có
chiều dài L và cơng suất quang đầu vào Pin

− Suy hao do tán xạ
Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính khơng đồng đều rất nhỏ của lõi sợi
gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ trong vật liệu, tính khơng đồng đều về cấu trúc
hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi.
-

Suy hao do uốn cong sợi

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi dẫn
quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sáng
ra ngồi vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao

Tải bản FULL (55 trang): />Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net

b) Tán sắc
Trong một sợi quang ,những tần số ánh sáng khác nhau và những mối khác
nhau cần những thời gian khác nhau để truyền một đoạn tư A đến B .hiện tượng này
gọi là tán sắc và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau ,tán sắc dẫn đến sự co giãn xung
trong truyền dẫn quang và gây ra giao thoa giữa các ký tự tăng lỗi bít ở máy thu và dẫn
đến giảm khoảng cách truyền dẫn
23


BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN QUANG

 Ảnh hưởng của tán sắc đến dung lượng truyền dẫn
Tán sắc gây ra méo tín hiệu và điều này làm cho các xung ánh sáng bị giãn rộng ra
khi được truyền dọc theo sợi dẫn quang. Khi xung bị giãn ra nó sẽ phủ lên các xung
bên cạnh. Khi sự phủ này vượt q một giá trị giới hạn nào đó thì thiết bị phía thu sẽ
khơng phân biệt được các xung kề nhau nữa, lúc này lỗi bít xuất hiện. Như vậy, đặc

tính tán sắc làm giới hạn dung lượng truyền dẫn của sợi quang.
Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
này cũng khác nhau ,ví dụ :
• Đối với các cự ly ngắn ,dung lượng thấp thì yếu tố quan trọng nhất mà ta
cần quan tâm là đó là suy hao.
• Đối với các hệ thống có tốc độ cao ,cư ly tương đối lớn thì yếu tố cần chú
ý là suy hao và tán sắc.
• Đối với các cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngồi hai yếu tố trên thì ta
cần xem xét đến hiệu ứng phi tuyến.
Sợi quang đang được sử rộng rãi nhất hiện nay là sợi đơn mode SMF, G.652, suy
hao nhỏ nhất của các sợi này ở vùng bức sóng 1500nm nhưng tán sắc có giá tri thấp
nhất ( bằng khơng ) lại ở bức sóng 1300nm
Các hệ thống thơng tin sợi quang hiện nay, nhất là các hệ thống tốc độ bít cao,
phần lớn hoạt động ở vùng bước sóng 1550nm nhằm sử dụng các bộ khuếch đại quang
sợi pha tạp Erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn. Tuy vậy, sợi quang đơn mode
tiêu chuẩn (sợi G.652) có hệ số tán sắc tại vùng bước sóng này là rất lớn. Tán sắc lớn
sẽ làm méo tín hiệu và tạo ra hiện tượng giao thoa giữa các ký tự (ISI-Intersymbol
Interference) do sự dãn xung tại các khe thời gian, làm xuống cấp chất lượng truyền
dẫn và hậu quả thậm chí có thể khơng chấp nhận được. Nhìn chung, ảnh hưởng của tán
sắc đến năng truyền dẫn của hệ thống là rất phức tạp
Sự giãn xung quanh đã làm cho năng lượng phổ tín hiệu tại các khe thời gian, đã
bị phuur chờm xang khe lân cận và năng lượng này tạo ra cơng xuất bị mất mát đi làm
xâu đặc tính BER ,do đó phải bù BER

3558466

24