BÁO CÁO THỰC HÀNH Kỹ Thuật Thông Tin Quang Nâng Cao Đề Tài: Xây dựng hệ thống thông tin quang sử dụng khuếch đại quang EDFA Giảng viên hướng dẫn: Lê Thanh Thủy Sinh viên thực hiện: Nhóm – L10CQ VT03 B Danh sách sinh viên nhóm 2: Nguyễn Anh Sơn Trần Trung Vinh Nguyễn Bá Việt Nguyễn Thị Nga Đỗ Thành Huân Vũ Đăng Trường Dương Thanh Tú Nguyễn Quang Vinh Trần Huyền Trang 10 Phạm Văn Công 11 Vũ Văn Quyền 12 Nguyễn Văn Vĩ I Tổng quan hệ thống WDM Định nghĩa  Một hệ thống truyền dẫn thơng tin quang mà nhiều kênh bước sóng ghép lại truyền chung đường truyền quang gọi hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bước sóng (WDM – Wavelenght Division Multiplexing) Các dải băng tần hoạt động WDM O-band (Original band):Dải băng tần từ 1260 nm ÷ 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 Phân loại hệ thống WDM Theo hướng truyền dẫn: Gồm loại Hệ thống đơn hướng • Đặc điểm : Chỉ truyền theo chiều sợi quang Khả cung cấp dung lượng cao gấp đôi so với hệ thống song hướng - Số sợi quang cần dùng gấp đôi so với hệ thống song hướng  Hệ thống song hướng • Đặc điểm: - Khi có cố, hệ thống song hướng không cần đến chế chuyển mạch bảo vệ tự động APS - Thiết kế hệ thống song hướng khó - Các hệ thống khuếch đại hệ thống song hướng có cấu trúc phức tạp so với hệ thống đơn hướng có cơng suất quang đầu lớn so với hệ thống đơn hướng Ưu nhược điểm hệ thống WDM * Ưu điểm - Tăng băng thông truyền sợi quang số lần tương ứng số bước sóng ghép vào để truyền sợi quang - Tính suốt - Khả mở rộng Hiện cơng nghệ WDM cho phép xây dựng mơ hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) * Nhược điểm - Chưa khai thác hết băng tần hoạt động sợi quang - Q trình khai thác, bảo dưỡng phức tạp gấp nhiều lần - Nếu hệ thộng sợi quang sử dụng sợi DSF theo chuẩn G.653 khó triển khai WDM xuất hiện tượng trộn bước sóng gay gắt Các thành phần hệ thống WDM Sơ đồ khối chức khối Chức khối: • Phát tín hiệu: Trong hệ thống WDM, nguồn phát quang dùng Laser với yêu cầu có độ rộng phổ hẹp, bước sóng phát ổn định, mức cơng suất phát đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng chip phải nằm giới hạn cho phép • Ghép / tách tín hiệu: Ghép tín hiệu WDM kết hợp số nguồn sáng khác thành luồng tín hiệu ánh sáng tổng hợp để truyền qua sợi quang Tách tín hiệu WDM phân chia luồng ánh sáng tổng hợp thành tín hiệu ánh sáng riêng rẽ cổng đầu tách Hiện có tách/ghép tín hiệu WDM như: lọc màng mỏng điện môi, cách tử Bragg sợi, cách tử nhiễu xạ, linh kiện quang tổ hợp AWG, lọc Fabry-Perot • Truyền dẫn tín hiệu: Q trình truyền dẫn tín hiệu sợi quang chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên quan đến khuếch đại tín hiệu Mỗi vấn đề kể phụ thuộc nhiều vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi ) • Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Tuy nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại cơng suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại • Thu tín hiệu: Sử dụng tách sóng quang hệ thống thông tin quang thông thường : PIN, APD Các thành phần hệ thống WDM - Bộ phát quang - Bộ thu quang - OMUX / ODEMUX - Sợi quang - Bộ khuếch đại quang (OA) - Bộ xen rẽ bước sóng (OADM)… Các vấn đề cần quan tâm hệ thống WDM  Khoảng cách kênh: Khoảng cách kênh độ rộng tần số tiêu chuẩn kênh gần Việc phân bổ kênh cách hợp lý dải băng tần có hạn giúp cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên dải tần giảm ảnh hưởng phi tuyến tính kênh gần Một số yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách này: • Tốc độ truyền dẫn kênh • Quỹ cơng suất quang • Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến • Độ rộng phổ nguồn phát • Khả tách/ghép thiết bị WDM  Suy hao quỹ công suất hệ thống WDM Trong hệ thống số vấn đề quan trọng phải đảm bảo tỷ số tín hiệu tạp âm (S/N) cho đầu thu thu tín hiệu với mức BER cho phép Thiết kế hệ thống Phía phát - Nguồn phát quang lazer CW lazer array - Bộ phát xung RZ pulse genarator - Bộ phát bít điện User Defined Bit - Điều chế Mach-zehnder Modulator Do hệ thống WDM ghép kênh tín hiệu nên phía đầu phát bao gồm có phát Thiết bị xếp goi phương pháp điều chế Do ghép kênh tín hiệu nên WDM Mux sử dụng Mux 4x1  Phía thu - Bộ tách kênh Demux 1x4 - PIN kết hợp bộ lọc thông thấp Bessel - Ngồi để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu cịn có thiết bị đo Ber, genarator 3R đặt vị trí thích hợp  Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc thực sợi bù tán sắc DCF Như việc bù tán sắc cần thiết để đạt chất lượng tín hiệu đầu cao, BER có giá trị nhỏ - Thơng số sợi bù tán sắc DCF: Biết D1(hệ số tán sắc G.652)=16.75 ps/nm/km, 1(hệ số suy hao G.652)=0.2 dB/km, S1(độ dốc tán sắc G.652)=0.075ps/nm2/km D2(hệ số tán sắc DCF)= -85 ps/nm/km, 2(hệ số suy hao DCF)=0.5, dB/km Mà: S2 = - S1*(L1/L2) = - S1*(D2/D1) => S2= -0.075ps/nm2/km (-85 ps/nm/km : 16.75 ps/nm/km)= 0.38ps/nm2/km => L2= | -(L1*D1)/D2 | Chọn L1=50 km => L2=9.8 km Để đáp ứng yêu cầu đề với cự ly truyền dẫn 300 km phải chọn L2= 10 km => Số vòng Loop cần dùng là: 300/(50+10) = - Vòng lặp (hạn chế cồng kềnh cho hệ thống mà đảm bảo cự ly truyền dẫn)  Do tín hiệu truyền sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây suy hao sợi quang, làm suy giảm cơng suất phát tín hiệu Để khắc phục tượng suy giảm cơng suất suy hao tín nên thiết kế hệ thống WDM sử dụng thêm khuếch đại EDFA Với hệ số khuếch đại G lượng suy hao tuyến + Gọi G1 hệ số khuếch đại EDFA1 G2 hệ số khuếch đại EDFA Công thức: G2 = |G1 – α1 × L1 – L2 × α2| => Chọn G1= 10 dB G2 = |10 – 0.2 ×50 - 0.5 × 10 |= dB  Sơ đồ hệ thống hoàn chỉnh  Các tham số toàn cục bao gồm có: -Tốc độ bit (Bit rate)= 10Gbit/s -Chiều dài chuỗi bit (Bit Sequence length)= 128 bit -Số lượng mẫu bit (Number of samples per bit)= 64  Các tham số sử dụng để tính tốn: - Cửa sổ thời gian (Time Window)= chiều dài chuỗi bit * 1/ tốc độ bit - Cửa sổ thời gian = 128*1/ 10000000000= 1.28* 10^-8(s) - Số lượng mẫu (Number of samples)= chiều dài chuỗi bít* số mẫu bit - Số lượng mẫu = 128* 64=8192 - Tốc độ lấy mẫu (sample rate)= số lượng mẫu / cửa sổ thời gian - Tốc độ lấy mẫu = 8192/ 1.28*10^8=640000000000 (Hz)  Thay đổi thông số để đạt Ber 10^-12 theo yêu cầu - Có nhiều cách thay đổi số BER hệ thống: + Thay đổi tốc độ bit + Thay đổi công suất phát + Thay đổi hệ số khuếch đại + Thay đổi cự ly truyền dẫn - Trong phần mô theo yêu cầu đề bài, để chuyển Ber = 10-12 ta chọn phương pháp thay đổi công suất nguồn phát - Đối tượng chủ yếu cần thay đổi thơng số mạch cơng suất phát quang laser - Do hệ thống WDM thực tốc độ 10Gbit/s có dải tần 100Ghz Nên khoảng cách băng tần 0.8nm (Băng C)  Giả sử chọn frequency CW lazer = 1552.52nm kênh có giá trị 0.8nm Tương đương dải tần laser đơn vị THz cho laser đầu vào là: + Kênh chọn tần số 193,1 THz + Kênh chọn tần số 193,2 THz + Kênh chọn tần số 193,3 THz + Kênh chọn tần số 193,4 THz Thiết lập tham số quét: Mục đích việc tìm mức cơng suất phát phù hợp để đo số BER hợp lý đường truyền Với 14 lần quét mức công suất khác thu giá trị BER khác từ tìm mối liên hệ cơng suất phát BER - Chọn dải quét từ -10  Sau chạy xong ta vào phần REPORT để xem,chọn thông số Ber công suất phù hợp - Vào CW Laser array>Parameter>Power kéo thả vào trục X đồ thị - Vào BER Analyzer>Result> Min log of BER Kéo thả vào trục Y đồ thị, ta kết : - Ta chọn thông số công suất phát :-7.89dBm cho Ber theo yêu cầu toán :10^-12  Chúng ta lấy công suất phát :-7.89 dBm chạy lại chương trình lần - Ber sau trình chạy kênh : - Tiến hành tương tự cho kênh lại  Xem thông số qua thiết bị đo: - Đo công suất đầu máy phát - Đo công suất đầu vào máy thu - Phổ tín hiệu vào - Phổ tín hiệu  Thơng số kênh ( CH1,CH2,CH3,CH4) G.652 DCF Kết Luận  Do nhu cầu ngày gia tăng dung lượng truyền dẫn, hệ thống WDM đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, sử dụng khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM số lượng kênh WDM lại bị hạn chế.Trong hệ thống thông tin quang WDM cự ly dài cần phải có khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu quang Yêu cầu quan trọng khuếch đại hệ thống WDM khuếch đại quang phải sử dụng công nghệ tăng ích phẳng Hiện người ta thường sử dụng khuếch đại quang pha trộn Erbium (EDFA) có tăng ích tín hiệu quang có bước sóng khác nhau.Bộ khuếch đại EDFA khắc phục nhiều hạn chế trạm lặp như: hạn chế băng tần truyền dẫn, cấu trúc phức tạp…thể rõ tính ưu việt kỹ thuật dẫn cáp sợi quang  Trong trình làm báo cáo, nhóm em cố gắng khơng tránh khỏi sai sót mong nhận góp ý, từ giáo bạn để báo cáo chúng em tốt ... nhiên khuếch đại Raman sử dụng thực tế Có ba chế độ khuếch đại: khuếch đại công suất, khuếch đại đường tiền khuếch đại • Thu tín hiệu: Sử dụng tách sóng quang hệ thống thơng tin quang thông thường... phải có khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu quang Yêu cầu quan trọng khuếch đại hệ thống WDM khuếch đại quang phải sử dụng cơng nghệ tăng ích phẳng Hiện người ta thường sử dụng khuếch đại quang pha trộn... dẫn, hệ thống WDM đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, sử dụng khuếch đại EDFA thông thường vào hệ thống WDM số lượng kênh WDM lại bị hạn chế.Trong hệ thống thông tin quang WDM cự ly dài cần phải có khuếch