Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án :một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ caoCác phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương:Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê.Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê.Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án.Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp.
Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Mục lục Mục lục I Chương 1 Thuật ngữ viết tắt III Chương 2 Danh mục hình vẽ V Danh mục bảng biểu VII Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 10 Mô hình tuyến thông tin quang 10 Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang 11 3.2. Tổng quan về các phương pháp thiết kế 21 Chương 4 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao 29 Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 29 4.2. Tính toán theo số liệu thống kê 64 4.3. So sánh hai phương pháp 78 Kết luận 80 Chương 5 Tài liệu tham khảo 81 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Chương 1 Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt DWDM Density Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LD Laser Diode Laze diode LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt NF Noise Factor Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về không OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode rms Root mean square Trung bình quân phương RZ Return to Zero Trở về không SC Single Channel Đơn kênh SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Chương 2 Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản 10 Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang 15 Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền 15 Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung 18 Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác 20 Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp 25 Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp 25 Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp 26 Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp 26 Hình 2-10 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm 32 Hình 2-11 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất 37 Hình 2-12 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc 38 Hình 2-13 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau 38 Hình 2-14 Đồ thị bù dạng mắt 40 Hình 2-15 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 42 Hình 2-16 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER 43 Hình 2-17 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào 43 Hình 2-18 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm 46 Hình 2-19 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản 51 Hình 2-20 Ví dụ bộ phân kênh 52 Hình 2-21 Đồ thị bù lại xuyên âm liên kênh 54 Hình 2-22 Lược đồ bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa 56 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Hình 2-23 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô hình Gausse) 57 Hình 2-24 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại 67 Hình 2-25 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm 70 Hình 2-26 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm 70 Hình 2-27 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng 71 Hình 2-28 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng 71 Hình 2-29 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 74 Hình 2-30 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 75 Hình 2-31 Giá trị bù tán sắc trung bình 76 Hình 2-32 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc 76 Hình 2-33 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 77 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng Danh mục bảng biểu Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử 28 Bảng 2-2 Bù công suất cho một số giá trị epsilon 31 Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại 34 Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm 34 Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB 35 Bảng 2-6 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] 42 Bảng 2-7 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên 48 Bảng 2-8 Các thuật ngữ sử dụng 51 Bảng 2-9 Giới hạn xác suất của hệ thống 65 Bảng 2-10 Giá trị tán sắc màu thống kê 73 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VII Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Lời nói đầu Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai. Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang. Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê. Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án. Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008 Sinh viên Lê Đức Vượng Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang Mô hình tuyến thông tin quang Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang. Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode). Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này. Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 10 Nơi phát tín hiệu Thiết bị phát Môi trường truyền dẫn Thiết bị thu Nơi thu tín hiệu đến Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham số. Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm: Suy hao. Tán sắc. Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang. Quỹ thời gian Nhiễu Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác nhau với các hệ thống khác nhau. Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần quan tâm là suy hao. Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm có suy hao và tán sắc. Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 11 [...]... Một số phương pháp tính toán Chương 4 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số 4.1.1 Tính toán với tán sắc 4.1.1.1 Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu Phần này xác định “mô hình epsilon” của khuyến nghị ITU-T G.957 để tính toán hiệu ứng tán sắc của độ rộng trong cả phổ nguồn và điều chế máy phát, trong. .. hao, hệ số tán sắc màu của sợi quang) Các thông số Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 27 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế của hệ thống được xác định bằng cách thiết kế hệ thống trong các thuộc tính thống kê của các thông số phần tử Các ví dụ về quan hệ giữa các tham số phần tử và tham số hệ thống được cho trong bảng 1-1: Tham số hệ thống Tham số phần tử Suy hao cực đại Hệ số suy... hệ thống ánh sáng được hạn chế tán sắc Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 20 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế 3.2 Tổng quan về các phương pháp thiết kế Có nhiều phương pháp thiết kế một tuyến thông tin quang Đối với các hệ thống đơn giản ta có thể sử dụng phương pháp dùng các công thức tính toán, việc sử dụng các công thức để tính toán các tham số khi thiết kế hệ thống quang được... giữa tham số hệ thống và tham số phần tử Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế thống kê ở đây chỉ một tham số hệ thống trong bất kì hệ thống cụ thể nào được xét thống kê Ví dụ, trong các hệ thống giới hạn tán sắc, tán sắc màu cực là được xét thống kê, trong khi tất cả các tham số khác được xem như sử dụng phương pháp thiết kế trường hợp xấu nhất Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 28 Đồ án tốt nghiệp... Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán (trong đó tán sắc có thể xem là nhân tố chính ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống) thì chúng ta nên sử dụng bản đồ tán sắc để thiết kế hệ thống được hiệu quả Bản đồ tán sắc là bản đồ hai chiều mà đồ thị là tán sắc tích lũy với chiều dài truyền dẫn Bản đồ này đặc biệt có ích, nó giúp cho người thiết kế biết được vị nào nên đặt bộ bù tán... và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò 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 phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, giữa sợi quang với đầu thu quang hay giữa các... cụ thể hệ thống, hoặc thiết kế tương thích ngang không thể đạt được, thì các hệ thống quang tốc bít cao cự ly dài có thể có chi phí thấp hơn thông qua việc giảm số lượng các connector Khi sử dụng phương pháp thống kê, các tham số hệ thống phụ được biểu diễn bằng phân bố thống kê, mà phân bố này được lấy từ nhà sản xuất Các phân bố như thế có thể được tính toán hoặc bằng số (chẳng hạn phương pháp Monte... 1 Trong sợi quang dài L km, tốc độ B Gbps với hệ số tán sắc là D ps/km nm tại bước sóng λ μm thì tán sắc màu ps/nm tối đa cho phép kết nối là: DL = 1.819.650 ε 1.932 B 2 2 + Γν λ B f 2 Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 0.5 (2-1) 29 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Một số phương pháp tính toán Ở đây Γv được tính theo GHz là độ rộng -20 dB của phổ nguồn trong tần số quang. .. hạn độ lệch chuẩn và trung bình Gausse) Trong phương pháp thiết kế thống kê có hai tham số cần được phân biệt Đó là tham số của hệ thống và tham số của phần tử (linh kiện) Các thông số của hệ thống là các tham số của cả tuyến quang (chẳng hạn suy hao cực đại hoặc tán sắc màu lớn nhất của tuyến …), còn tham số của phần tử thì là tham số cụ thể của một phần tử linh kiện nào đó (chẳng hạn như hệ số suy... không trong bản đồ tán sắc, giá trị của đường cong cao hơn giới hạn tán sắc cho phép Chú ý rằng các tham số tán sắc phụ thuộc vào nhiều yếu tố Các yếu tốc chính là tốc độ bít (điều này được thể hiện bởi độ rộng xung), chiều dài sợi, các tham số tán sắc cơ bản và độ rộng phổ của laser Một nghiên cứu đáng chú ý là sự thay đổi của bù công suất đối với hệ thống giới hạn tán sắc như một hàm của tham số tán . Tổng quan về thiết kế Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang Mô hình tuyến thông tin quang Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang,. 2 Danh mục hình vẽ V Danh mục bảng biểu VII Chương 3 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 10 Mô hình tuyến thông tin quang 10 Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang. quan về thiết kế Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang