HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Tập PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS LÊ QUỐC CƯỜNG, THS ĐỖ VĂN VIỆT EM, THS PHẠM QUỐC HỢP, THS NGUYỄN HUỲNH MINH TÂM HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG (Tập 2) NHÀ XUẤT BẢN THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com LỜI GIỚI THIỆU Thế kỷ 21 kỷ cơng nghệ thơng tin Sự bùng nổ loại hình dịch vụ thơng tin, đặc biệt phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web làm gia tăng khơng ngừng nhu cầu dung lượng mạng Ðiều đòi hỏi phải xây dựng phát triển mạng quang dung lượng cao Cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang (DWDM) giải pháp hồn hảo cho phép tận dụng hữu hiệu băng thơng rộng lớn sợi quang, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn đồng thời hạ giá thành sản phẩm Sự phát triển hệ thống WDM với cơng nghệ chuyển mạch quang tạo nên mạng thơng tin hệ - mạng thơng tin tồn quang Trong mạng tồn quang này, giao thức IP - giao thức chuẩn cho mạng viễn thơng hệ sau (NGN) tích hợp với WDM Sự tích hợp tạo kết cấu mạng trực tiếp nhất, đơn giản nhất, kinh tế nhất, thích hợp sử dụng cho mạng đường trục mạng thị Nhằm đáp ứng nhu cầu học hỏi, nghiên cứu hệ thống thơng tin quang, nhóm tác giả TS Lê Quốc Cường, ThS Đỗ Văn Việt Em, ThS Phạm Quốc Hợp, ThS Nguyễn Huỳnh Minh Tâm, giảng dạy Học viện Bưu Viễn thơng Cơng nghệ thơng tin – Cơ sở TP Hồ Chí Minh phối hợp với Nhà xuất Thơng tin Truyền thơng xuất sách “Hệ thống thơng tin quang” – tập Cấu trúc sách bao gồm bốn chương: • Chương 1: Hệ thống thơng tin quang WDM Chương trình bày ngun lý DWDM, khảo sát chi tiết tượng phi tuyến ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống WDM, linh kiện sử dụng cho hệ thống WDM • Chương 2: Khuếch đại quang Chương tìm hiểu ngun lý hoạt động loại khuếch đại quang, tính ứng dụng chúng mạng truyền dẫn quang • Chương 3: Truyền tải IP/WDM Chương nghiên cứu xu hướng tích hợp IP WDM, đặc biệt quan tâm đến vấn đề định tuyến gán bước sóng mạng WDM • Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent Chương tìm hiểu ngun lý hệ thống Coherent, ưu điểm so với hệ thống IM/DD triển vọng cơng nghệ tương lai PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Cuốn sách biên soạn nhằm phục vụ cho sinh viên hệ đại học cao đẳng chun ngành Điện tử - Viễn thơng Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Ngồi sách sử dụng để làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư cơng tác lĩnh vực Viễn thơng Do khn khổ giới hạn tính ứng dụng thực tế tài liệu, mơ hình tốn học trình bày sách đơi kết qủa cuối giải thích, minh họa ý nghĩa vật lý cụ thể Ðể hiểu thêm việc dẫn xuất chứng minh kết này, bạn đọc đọc thêm tài liệu tham khảo Do tính chất phức tạp phát triển nhanh chóng cơng nghệ, sách “Hệ thống thơng tin quang” - tập khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi xin chân thành cám ơn tất ý kiến đóng góp bạn đọc để hồn thiện sách Xin trân trọng giới thiệu sách bạn đọc./ Hà Nội, tháng năm 2009 NHÀ XUẤT BẢN THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com MỤC LỤC CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM 11 GIỚI THIỆU 11 I NGUN LÝ GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SĨNG QUANG (WDM) .11 Giới thiệu chung .12 Sơ đồ khối tổng qt 14 Đặc điểm hệ thống WDM 16 Lưới ITU 17 II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG WDM 18 Tổng quan hiệu ứng phi tuyến 18 Tán xạ kích thích Brillouin .22 Tán xạ kích thích Raman 22 Lan truyền mơi trường phi tuyến 24 Hiệu ứng tự điều pha SPM 25 Hiệu ứng điều chế xun pha .26 Hiệu ứng trộn bốn bước sóng 26 III CÁC LINH KIỆN TRONG HỆ THỐNG WDM 28 Bộ ghép/tách tín hiệu .29 Bộ isolator/circulator 33 Bộ lọc quang 35 Bộ ghép/tách kênh bước sóng 35 Bộ chuyển mạch quang 58 Bộ chuyển đổi bước sóng 68 IV MẠNG WDM 72 Tổng quan 72 Tơpơ vật lý tơpơ logic .74 Các phần tử mạng (NE) WDM 77 Bảo vệ mạng WDM 94 TĨM TẮT 106 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Hệ thống thơng tin quang BÀI TẬP 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 CHƯƠNG 2: KHUẾCH ĐẠI QUANG 118 I TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 118 Giới thiệu khuếch đại quang 118 Ngun lý khuếch đại quang 119 Phân loại khuếch đại quang 121 Các thơng số kỹ thuật khuếch đại quang 122 Ứng dụng khuếch đại quang 124 II BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG BÁN DẪN (SOA) 125 Cấu trúc ngun lý hoạt động 125 Đặc tính khuếch đại FPA TWA 126 Nhiễu xun âm (Crosstalk) SOA 129 Ưu khuyết điểm ứng dụng SOA 130 III BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI PHA TRỘN ERBIUM (EDFA) 131 Các cấu trúc EDFA 131 Lý thuyết khuếch đại EDFA 132 u cầu nguồn bơm 136 Phổ khuếch đại 138 Các tính chất EDFA 140 Nhiễu khuếch đại 143 Ưu khuyết điểm EDFA 145 IV BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG RAMAN (RA) 145 Ngun lý hoạt động 145 Độ rộng băng tần hệ số khuếch đại 147 Ưu khuyết điểm khuếch đại Raman 148 V TÍCH LŨY NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG CỰ LY DÀI 149 CÂU HỎI ƠN TẬP 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 154 CHƯƠNG 3: TRUYỀN TẢI IP/WDM .155 I GIỚI THIỆU CHUNG 155 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Mục lục Xu hướng tích hợp IP qua WMD 155 Cấu trúc mạng IP/WDM 156 Các mơ hình liên mạng IP/WDM 157 II IP VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 159 IPv4 IPv6 159 Các giao thức định tuyến IP 160 III MPLS, GMPLS MPλS 163 MPLS 163 GMPLS MPλS 164 IV ĐỊNH TUYẾN MẠNG IP/WDM 164 Định tuyến gán bước sóng tĩnh IP/WDM 164 Định tuyến gán bước sóng động IP/WDM (D-RWA) 172 Dành bước sóng (WR) IP/WDM 188 V ĐIỂU KHIỂN TRONG MẠNG IP/WDM 191 Cơ chế điều khiển tập trung 191 Cơ chế điều khiển phân bố 192 VI THIẾT KẾ TỐI ƯU TƠPƠ LOGIC QUANG 192 Khái niệm tơpơ mạng 192 Tóm tắt tốn thiết kế tơpơ logic 193 Định tuyến cho lưu lượng tơpơ logic 195 Định tuyến cho đường quang tơpơ vật lý 195 CÂU HỎI ƠN TẬP 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO 199 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 201 I GIỚI THIỆU CHUNG 201 Khái niệm thơng tin quang Coherent 201 Cấu trúc hệ thống thơng tin quang Coherent 202 Các dạng điều chế quang Coherent 203 II MÁY THU QUANG COHERENT 208 Các ngun lý tách sóng: 208 Sơ đồ khối tổng qt thu quang Coherent 210 Tách sóng Heterodyne đồng 211 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 Hệ thống thơng tin quang Tách sóng Heterodyne khơng đồng 213 Tách sóng Homodyne 213 Vòng khố pha máy thu quang Coherent 214 III TỈ SỐ LỖI BIT (BER) TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG COHERENT 215 Nhiễu máy thu quang Coherent 215 Tách sóng heterodyne ASK 217 Tách sóng heterodyne FSK 220 Tách sóng heterodyne PSK 221 Tách sóng Homodyne ASK PSK 222 Hàm xác suất lỗi 223 So sánh độ nhạy hệ thống Coherent 227 IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHẠY MÁY THU 232 Nhiễu pha 232 Nhiễu cường độ 233 Khơng tương xứng phân cực 234 Tán sắc sợi quang 234 Các yếu tố hạn chế khác 234 V NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG COHERENT 235 Nâng cao độ nhạy thu 235 Nâng cao khả truyền dẫn 236 Khả kết hợp thu Coherent với kỹ thuật khuếch đại quang 236 TĨM TẮT 236 CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP 238 TÀI LIỆU THAM KHẢO 242 ĐÁP ÁN VÀ GI Ý TRẢ LỜI MỘT SỐ CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 243 CÁC CHỮ VIẾT TẮT 245 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CHƯƠNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM GIỚI THIỆU Bước vào thiên niên kỷ mới, chứng kiến nhiều thay đổi quan trọng cơng nghiệp viễn thơng có ảnh hưởng to lớn đến sống Có nhiều ngun nhân gây thay đổi này: • Trước hết gia tăng liên tục dung lượng mạng Nhân tố cho gia tăng phát triển nhanh chóng Internet World Wide Web Bên cạnh việc nhà kinh doanh ngày dựa vào mạng tốc độ cao để thực việc kinh doanh Những mạng dùng để kết nối văn phòng cơng ty cơng ty cho việc giao dịch thương mại Ngồi có tương quan lớn việc gia tăng nhu cầu giá thành băng thơng mạng Các cơng nghệ tiên tiến thành cơng việc giảm liên tục giá thành băng thơng Việc giảm giá thành băng thơng lại làm thúc đẩy phát triển nhiều ứng dụng sử dụng nhiều băng thơng mơ hình sử dụng hiệu Chu kỳ hồi tiếp dương cho thấy khơng có dấu hiệu giảm bớt tương lai gần • Bãi bỏ phá vỡ độc quyền lĩnh vực viễn thơng Sự bãi bỏ độc quyền kích thích cạnh tranh thị trường, điều dẫn đến kết giảm giá thành cho người sử dụng triển khai nhanh kỹ thuật dịch vụ • Sự thay đổi quan trọng thể loại lưu lượng chiếm ưu mạng Ngược lại với lưu lượng thoại truyền thống, nhiều nhu cầu dựa liệu ngày phát triển Tuy nhiên nhiều mạng xây dựng để hỗ trợ hiệu cho lưu lượng thoại, khơng phải liệu Việc thay đổi ngun nhân thúc đẩy nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra lại cách thức mà họ xây dựng nên mạng, kiểu dịch vụ phân phối nhiều trường hợp mơ hình kinh doanh tồn thể họ Những nhân tố dẫn đến phát triển mạng quang dung lượng cao Cơng nghệ để đáp ứng việc xây dựng mạng quang dung lượng cao cơng PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent 235 làm việc chế độ đa mode Như Isolator quang cần sử dụng để giảm hồi tiếp quang laser bán dẫn Có nhiều phản xạ hai bề mặt, phản xạ dọc theo cáp sợi quang biến nhiễu pha thành nhiễu cường độ ảnh hưởng đến đến đặc tính hệ thống quang Coherent Sự chuyển đổi chí xảy máy thu, nơi thường có đoạn sợi quang ngắn dùng để nối dao động nội đến thành phần khác máy thu, chẳng hạn coupler quang Các hiệu ứng phi tuyến sợi quang làm hạn chế hệ thống Coherent, tuỳ thuộc vào mức cơng suất phát đưa vào sợi quang Tán xạ Raman kích thích SRS khơng phải yếu tố hạn chế hệ thống kết hợp đơn kênh ngưỡng phi tuyến phát xạ cao (khoảng 500mW [4]) lại quan trọng hệ thống Coherent nhiều kênh Mặt khác, tán xạ Brillouin kích thích SBS có mức ngưỡng thấp ảnh hưởng đến hệ thống Coherent đơn kênh Ngưỡng SBS phụ thuộc vào dạng điều chế tốc độ bit Còn hiệu ứng trộn bốn sóng FWM yếu tố giới hạn hệ thống nhiều kênh quang V NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG COHERENT Nâng cao độ nhạy thu Hình 4.18 Sự phụ thuộc độ nhạy vào tốc độ bit truyền [8] -40 Thu trực tiếp -60 Thu Coherent Tốc độ truyền (Gbit/s) -80 0,1 10 Về mặt lý thuyết, hệ thống thơng tin quang Coherent có nhiều đặc điểm hấp dẫn mà mấu chốt cải thiện độ nhạy thu Do hệ thống quang Coherent sử dụng phương pháp tách sóng heterodyne hay homodyne cho phép kéo dài khoảng PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 236 Hệ thống thơng tin quang cách hai trạm lặp, tăng tốc độ truyền dẫn tuyến thơng tin đường trục tăng số kênh trong mạng nội hạt th bao Nâng cao khả truyền dẫn Với phương pháp ghép kênh theo tần số, hệ thống thơng tin quang Coherent có dung lượng truyền dẫn lớn Ví dụ, vùng bước sóng hoạt động 1550 nm chọn độ rộng phổ để truyền vùng truyền khoảng 109 kênh thoại tương đương Hình 4.19 Khoảng cách trạm lặp phụ thuộc vào tốc độ truyền [8] 400 Thu Coherent 300 200 Thu trực tiếp 100 Tốc độ truyền (Gbit/s) 0,01 0,1 10 Khả kết hợp thu Coherent với kỹ thuật khuếch đại quang Sự kết hợp thu Coherent kỹ thuật khuếch đại quang tạo nên tuyến thơng tin số có dung lượng truyền dẫn lớn kéo dài khoảng cách trạm lặp (có thể đạt tới 10.000 Km) Khả ứng dụng tuyến đường trục tuyến cáp quang thả biển [8] TĨM TẮT Trong hệ thống thơng tin quang Coherent, áp dụng kỹ thuật điều chế số quen thuộc ASK, FSK, PSK Trong thơng tin quang Coherent thường sử dụng tín hiệu nhị phân nên kỹ thuật điều chế khố dịch tần số khố dịch pha BFSK BPSK Tùy thuộc vào dao động nội tạo tín hiệu quang có tần số mà có kỹ thuật tách sóng khác Nếu tần số ánh sáng phát từ dao động nội ωL với tần số tín hiệu quang tới ωS có kỹ thuật tách sóng Homodyne tín hiệu sau tách sóng quang PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent 237 tín hiệu dải Còn tần số ánh sáng phát từ dao động nội ωL khác với tần số tín hiệu quang tới ωS có kỹ thuật tách sóng Heterodyne tín hiệu thu sau tách sóng quang tín hiệu IF Để khơi phục tín hiệu dải từ tín hiệu IF này, phải thực thêm bước giải điều chế kỹ thuật giải điều chế điện áp dụng Kỹ thuật tách sóng Homodyne áp dụng kiểu tách sóng đường bao áp dụng cho dạng tín hiệu ASK BPSK Với kỹ thuật tách sóng Heterodyne, sử dụng kiểu tách sóng Heterodyne đồng Heterodyne khơng đồng Kiểu tách sóng Heterodyne đồng áp dụng cho dạng tín hiệu ASK, FSK BPSK Còn kiểu tách sóng Heterodyne khơng đồng áp dụng lên dạng tín hiệu điều chế ASK, FSK DPSK Mỗi kiểu tách sóng khác cho chất lượng hệ thống khác đánh giá chất lượng hệ thống thơng qua xác suất lỗi P(e) với kiểu tách sóng sau: P(e) =  ηPS erfc  4hfR T P(e) ≈  µPS   (Heterodyne ASK khơng đồng bộ) exp −  4hfR T  P(e) =  ηPS erfc  2hfR T P(e) ≈  µPS   (Heterodyne FSK khơng đồng bộ) exp −  2hfR T  P(e) =  ηPS   erfc   hfR T  (Heterodyne BPSK đồng bộ) P(e) ≈  µPS   exp −  hfR T  (Heterodyne DPSK khơng đồng bộ) P(e) =  ηPS erfc  2hfR T P(e) =  2ηPS erfc  hfR T       (Heterodyne ASK đồng bộ)     (Heterodyne FSK đồng bộ)     (Homodyne ASK)   (Homodyne BPSK) Tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống tách sóng quang Coherent xác định sau: ηPS S =    N  Heterodyne hfR T PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 238 Hệ thống thơng tin quang 2ηPS S =    N  hom odyne hfR T Do thơng qua u cầu chất lượng hệ thống, xác định SNR tối thiểu cần thiết thu ứng với kiểu tách sóng Như kỹ thuật tách sóng quang Coherent cải thiện độ nhạy máy thu so với kỹ thuật sóng quang trực tiếp Tuy nhiên để đưa kỹ thuật vào hệ thống viễn thơng thực tế gặp khó khăn định phải có nguồn quang phát tín hiệu có độ ổn định tần số pha tốt Như khảo sát đặc tính laser “Hệ thống thơng tin quang" - tập 1, hoạt động nhiệt độ linh kiện có khuynh hướng tăng lên, điều làm cho tần số phát tăng lên độ rộng phổ laser rộng Mặc khác, thay đổi dòng kích laser làm pha tín hiệu phát dao động Đó trở ngại mặt kỹ thuật làm cho hệ thống thơng tin quang Coherent có ưu điểm đáng kể khơng phát triển mạnh kể từ đời Hiện nay, để tăng cự ly thực cách dễ dàng nhờ vào kỹ thuật khuếch đại quang Trong tương lai, kỹ thuật thơng tin quang tiếp tục nghiên cứu ứng dụng để tận dụng ưu điểm CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP 4.1 u cầu độ ổn định tần số laser dao động nội hệ thống tách sóng heterodyne ASK 10MHz Khi laser phát tần số trung tâm ứng với bước sóng 1,55µm thay đổi tần số ngõ theo nhiệt độ 14GHz/°C, xác định: a) Độ ổn định cần thiết cho thiết bị b) Sự thay đổi nhiệt độ lớn cho phép thiết bị khơng có dạng điều khiển tần số c) Băng thơng truyền dẫn lớn cho phép theo độ ổn định laser 4.2 Hãy phân tích máy thu Coherent có độ nhạy cao máy thu tách sóng trực tiếp? 4.3 Hãy cho biết kiểu tách sóng Coherent 4.4 Bộ thu OOK có băng thơng 250MHz sử dụng photodiode có đáp ứng 0,6A/W bước sóng hoạt động Thiết bị bị giới hạn nhiễu bắn tỉ số SNR cần thiết thu để có BER chấp nhận 11dB Hãy tính độ nhạy thu dòng photon nhận cơng suất ngõ laser dao động nội -3dBm độ lệch pha tín hiệu dao động nội tín hiệu tới thu 12° 4.5 Cơng suất tín hiệu tới thu quang heterodyne ASK hoạt động giới hạn nhiễu bắn 1,28nW SNR 9dB Hãy xác định bước sóng truyền PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent 239 dẫn hệ thống ASK hiệu suất lượng tử photodiode 75% bước sóng băng thơng truyền dẫn 400MHz 4.6 Hãy cho biết chức khối sơ đồ hình 4.9(a) 4.7 Để tách sóng heterodyne ASK khơng đồng độ rộng phổ tín hiệu dao động nội phải nhỏ 50% tốc độ bit truyền Hãy xác định độ rộng phổ cực đại cho phép (theo nm) nguồn ASK trường hợp sau: a) Nguồn ASK phát xạ bước sóng 1,30µm tốc độ truyền dẫn 140Mbit/s b) Nguồn ASK phát xạ bước sóng 1,55µm tốc độ truyền dẫn 2,4Gbit/s 4.8 Hệ thống thơng tin quang Coherent PSK sử dụng kỹ thuật tách sóng heterodyne đồng đòi hỏi mức cơng suất quang vào tối thiểu –58,2dBm để thu với BER = 10-9 Hệ thống hoạt động tốc độ truyền 600Mbit/s hiệu suất lượng tử photodiode 80% Giả sử thu hoạt động giới hạn nhiễu bắn, xác định bước sóng hoạt động hệ thống 4.9 Hãy chứng minh để đạt BER = 10-9: a) Hệ thống homodyne ASK lý tưởng cần số photon trung bình/bit 18 b) Tách sóng heterodyne FSK khơng đồng đòi hỏi số photon trung bình/bit 40 4.10 Hãy xác định mức cơng suất quang đỉnh tối thiểu tách sóng cho hai hệ thống tập 4.6 bước sóng truyền 1,31µm tốc độ hoạt động hệ thống 100Mbit/s 4.11 Hệ thống Coherent DPSK hoạt động bước sóng 1,54µm sử dụng photodiode có hiệu suất lượng tử 83% Chỉ tiêu giới hạn nhiễu bắn BER = 0,94.10-12 đạt thu quang Coherent với mức cơng suất tối thiểu 2,1nW Hãy tính số photon trung bình/bit tốc độ hoạt động hệ thống để trì BER 4.12 Hệ thống thơng tin quang Coherent OOK sử dụng tách sóng heterodyne khơng đồng có bước sóng truyền 1,55µm Hãy xác định số photon cần thiết cho bit để có BER = 10-10 tách sóng bị giới hạn nhiễu bắn đáp ứng photodiode bước sóng hoạt động 0,7 4.13 Hệ thống thơng tin quang Coherent FSK sử dụng tách sóng heterodyne đồng có bước sóng truyền 1,3µm với suy hao trung bình tuyến cáp 0,4dB/Km (bao gồm suy hao sợi, mối hàn khớp nối) Nếu 2mW cơng suất phóng vào sợi quang giả sử photodiode lý tưởng, xác định khoảng cách cực đại trạm lặp để trì BER = 10-9 tốc độ: a) 140Mbit/s; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 240 Hệ thống thơng tin quang b) 2,4Gbit/s 4.14 Hệ thống thơng tin quang Coherent DPSK hoạt động bước sóng 1,55µm tốc độ truyền 250Mbit/s có khoảng cách trạm lặp 300km Hãy tính hiệu suất lượng tử tối thiểu cần thiết photodiode để hệ thống hoạt động với BER = 10-10, giả sử tách sóng bị giới hạn nhiễu bắn suy hao trung bình tuyến cáp bước sóng hoạt động 0,2dB/km 4.15 Hãy lập bảng tóm tắt ưu điểm nhược điểm kỹ thuật tách sóng sử dụng máy thu quang Coherent CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 4.16 Kiểu tách sóng khơng quan tâm đến pha tần số sóng mang? a Tách sóng homodyne ASK b Tách sóng heterodyne ASK đồng c Tách sóng trực tiếp d Tách sóng DPSK 4.17 Kiểu tách sóng mà đầu thu cần tạo sóng mang tần số với tín hiệu vào? a Tách sóng trực tiếp b Tách sóng homodyne c Tách sóng heterodyne 4.18 Kiểu điều chế mà bit tin chứa đựng biên độ tín hiệu điều chế? a Điều chế ASK b Điều chế FSK c Điều chế PSK d Điều chế PolSK 4.19 Kiểu điều chế mà bit tin chứa đựng pha tín hiệu điều chế? a Điều chế ASK b Điều chế FSK c Điều chế PSK d Điều chế PolSK 4.20 Độ nhạy thu heterodyne PSK đồng tốt thu homodyne ASK dB? a 3dB b 6dB c 9dB d 12dB 4.21 Kiểu tách sóng cho độ nhạy cao hơn? a Tách sóng homodyne ASK b Tách sóng heterodyne ASK đồng c Tách sóng trực tiếp d Tách sóng PSK đồng 4.22 Trong kỹ thuật tách sóng Coherent, kiểu cho máy thu có độ nhạy cao nhất? a Tách sóng homodyne PSK b Tách sóng homodyne ASK PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Chương 4: Hệ thống thơng tin quang Coherent c Tách sóng trực tiếp 241 d Tách sóng PSK đồng 4.23 Kiểu tách sóng u cầu băng thơng thu hẹp hơn? a Tách sóng heterodyne PSK đồng b Tách sóng heterodyne DPSK khơng đồng c Tách sóng homodyne PSK d Tách sóng heterodyne FSK đồng 4.24 Nếu Q(x) = 10-9 x bao nhiêu? a 7,35 b 6,08 c 5,95 d 4,68 4.25 Nếu Q(x) = 10-10 x bao nhiêu? a 6,36 b 6,07 c 7,04 d 5,66 -11 4.26 Nếu Q(x) = 10 x bao nhiêu? a 5,08 b 6,16 c 7,22 d 6,71 -12 4.27 Nếu Q(x) = 10 x bao nhiêu? a 6,55 b 6,87 c 7,25 d 7,04 4.28 Nhiễu ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hệ thống thơng tin quang Coherent? a Nhiễu nhiệt b Nhiễu trắng c Nhiễu bắn d Nhiễu dòng tối 4.29 Khi cơng suất phát laser khơng ổn định gây nên nhiễu cho hệ thống quang Coherent? a Nhiễu pha b Nhiễu cường độ c Nhiễu bắn d Nhiễu dòng tối 4.30 Chúng ta áp dụng kiểu bù tán sắc ánh sáng thơng qua kỹ thuật cân điện miền IF với kiểu tách sóng nào? a Tách sóng Homodyne ASK b Tách sóng Homodyne PSK c Tách sóng Heterodyne d Tách sóng Homodyne 4.31 Hệ thống thơng tin quang Coherent sử dụng kiểu tách sóng có cự ly thơng tin dài hơn, giả sử cơng suất phát suy hao trung bình sợi quang nhau? a Tách sóng Homodyne ASK PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 242 Hệ thống thơng tin quang b Tách sóng Homodyne PSK c Tách sóng heterodyne FSK đồng d Tách sóng trực tiếp 4.32 u cầu laser sử dụng hệ thống thơng tin quang Coherent gì? a Phát cơng suất lớn b Tạo tín hiệu có phổ rộng c Hoạt động chế độ đơn mode dọc d Phát tần số điều chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO J M Senior Optical Fiber Communications: Principles and Practice Second edition, Prentice Hall, 1993 G Keiser Optical Fiber Communications Third edition, McGraw-Hill, 2000 J Gowar Optical Communication Systems Second edition, Prentice-Hall, 1993 G P Agrawal Fiber-Optic Communication Systems Second edition, John Wiley & Sons, 1997 Silvello Betti, Giancarlo De Marchis, Eugenio Iannoe Coherent Optical Communications Systems John Wiley & Sons, Inc, 1995 Max Ming – Kang Liu Principles and Applications of Optical Communications, 2001 Gerard Lachs Fiber Optic Communications – Systems, Analysis, and Enhancements McGraw-Hill, 1998 Vũ Văn San Hệ thống Thơng tin quang, tập Nhà xuất Bưu điện, 72003 John G Proakis Digital Communications Third edition, McGrawHill, 1995 10 Herbert Taub, Donald L Schilling Principles of Communications Systems McGraw-Hill, 1986 11 Fuqin Xiong Digital Modulation Techniques Artech House–Boston– London, 2000 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ĐÁP ÁN VÀ GI Ý TRẢ LỜI MỘT SỐ CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1.1 PthSBS=80.3mW, PthSRS=1.38W 1.2 λ=1.50µm, α=0.30dB/km 1.3 PthSRS=2.4µm 1.4 0.01o 1.5 (a) Λ=22.08µm fSAW=170.4 MHz, (b) ttun= 5.87µs 1.6 Gợi ý: Thiết bị sau gọi phản chiếu vòng (loop mirror) 1.14 c 1.15 a 1.16 b 1.17 c 1.18 d 1.19 e 1.20 e 1.21 a 1.22 c 1.23 a 1.24 d 1.25 a 1.26 b 1.27 c 1.28 d 1.29 e 1.30 b 1.31 a 1.32 b 1.33 c 1.34 d 1.35 e 1.36 a 1.37 b 1.38 f 1.39 e 1.40 g 1.41 c 1.42 b 1.43 c 1.44 d 1.45 a 1.46 c 1.47 a 1.48 b 1.49 g 1.50 f 1.51 a 1.52 d 1.53 a CHƯƠNG Hướng dẫn trả lời đáp án câu 28 – 39: 2.28 Cơng suất nhiễu ngõ khuếch đại tăng lên nhiễu ASE khuếch đại cộng vào cơng suất nhiễu phía trước khuếch đại đơn vị Watt PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 244 Hệ thống thơng tin quang 2.29 Khoảng cách lắp đặt tối đa Lmax = L.(Nmax+1) với Nmax số khuếch đại tối đa lắp đặt Nmax xác định cách xác định tỉ số SNR ngõ khuếch đại theo cách tính câu 28 Điều kiện để lắp đặt SNR ≥ SNRmin = 18dB 2.30 b 2.31 d 2.32 c 2.33 a 2.36 b 2.37 c 2.38 a 2.39 d 3.27 c 3.28 d 2.34 c 2.35 a 3.29 a 3.30 a CHƯƠNG 3.25 a 3.26 b 3.31 a CHƯƠNG 4.1 (a) 1,93 107; (b) 7×10-4 °C; (c) 50MHz 4.4 -59,2dBm; 0,76A 4.5 1,32µm 4.7 (a) 4×10-4nm; (b) 1×10-3nm 4.8 1,57µm 4.10 (a) 273pW; (b) 607pW 4.11 500MHz 4.12 164 4.13 (a) 771pW; (b) 13,2nW 4.14 74% 4.16 c 4.17 b 4.18 a 4.19 c 4.20 a 4.21 d 4.22 a 4.23 c 4.24 c 4.25 a 4.26 d 4.27 d 4.28 c 4.29 a 4.30 c 4.31 b 4.32 c PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADM Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh AOTF Acousto-Optic Tunable Filter Bộ lọc quang-âm điều chỉnh APD Avalanche Photo-Diode Photodiode thác lũ APS Automatic Protection Switching Chuyển mạch bảo vệ tự động ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát khuếch đại ASK Amplitude Shift Keying Khố dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền khơng đồng AWG Arrayed-Wavegiude Grating Cách tử ống dẫn sóng ma trận BLSR Bidirectional Line Switched Ring Vòng chuyển mạch đường dây song hướng BW BandWidth Ðộ rộng dải thơng CPFSK Continuous Phase Frequency ShiftKeying Khố dịch tần pha liên tục CPM Cross Phase Modulation Ðiều chế xun pha CR Coupler Ratio Tỉ số ghép CW Continuous Wave Sóng quang liên tục DC Directional Coupler Coupler định hướng DCN Data Communication Network Mạng truyền số liệu DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp DFA Doped-Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp chất DPRing Dedicated Protection Ring DPSK Differential Phase Shift Keying Vòng bảo vệ dành riêng Khố dịch pha vi sai PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 246 DRWA Hệ thống thơng tin quang Dynamic-Routing and Wavelength Assignment DWDM Dense Wavelength Division Multiplex Định tuyến gán bước sóng động Ghép kênh theo bước sóng quang dày đặc DXC Digital Cross Connect Bộ kết nối chéo số EDF Erbium Doped Fiber Sợi quang trộn Erbium EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi trộn Erbium F Fineness Ðộ mịn FM Frequency Modulation Điều chế tần số FO Figure Of Merit Hệ số phẩm chất FPA Fabry-Perot Amplifier Bộ khuếch đại Fabry-Perot FSK Frequency Shift Keying Khố dịch tần số FSR Free Spectral Range Dải phổ tự FWM Four Wave Mixing Trộn bốn bước sóng IF Intermediate Frequency Trung tần IL Insertion Loss Suy hao xen IM Intensity Modulation Điều chế cường độ IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet MPLS Multi-protocol label switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức MSK Minimum Shift-Keying Khố dịch tối thiểu MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MZF Mach-Zehnder Filter Bộ lọc Mach-Zehnder MZI Mach – Zehnder Interferometer Bộ giao thoa Mach – Zehnder NDFA Neodymium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Neodymium NE Network Element Phần tử mạng NF Noise Figure Hệ số tạp âm OADM Optical Add-Drop Multiplexer Bộ xen/rớt kênh quang OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch khối quang PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Các chữ viết tắt 247 OCh Optical Channel layer Lớp kênh quang OCh-P Optical Chanel-Path Ðường kênh quang OCh-S Optical Channel-Section Ðoạn kênh quang OChTS Optical Channel-Transparent Section Ðoạn kênh quang suốt OCS Optical Circuit Switching Chuyển mạch kênh quang OFA Optical Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi OLT Optical Line Terminal Bộ kết cuối đường quang OMS Optical Multiplex Section Lớp đoạn ghép kênh quang OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang OSC Optical Supervision Channel Kênh giám sát quang OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm quang OTDM Optical Time Division Multiplex Ghép kênh quang phân chia thời gian OTDR Optical Time Domain Reflectometer Máy đo quang dội miền thời gian OTS Optical Transmission Section Ðoạn truyền dẫn quang OTU Optical Transmit Unit Bộ chuyển phát quang OXC Optical Cross-Connect Bộ kết nối chéo quang PDFA Praseodymium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Praseodymium PDH Plesiochrounous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng PLL Phase - Locked Loop Vòng khố pha PolSK Polarization Shift Keying Khố dịch phân cực PSK Phase Shift Keying Khố dịch pha RA Raman Amplifier Bộ khuếch đại Raman REG Regenarator Trạm lặp RL Reflectance/Return Loss Suy hao phản hồi RWA Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 248 Hệ thống thơng tin quang SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt SBS Stimulated Brillouin Scattering Tán xạ kích thích Brillouin SCM SubCarrier Modulation Ðiều chế sóng mang phụ SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng SGL Sampled Grating Laser Bộ laser cách tử lấy mẫu SLE Static Lightpath Establishment Thiết lập lightpath tĩnh SMSR Sidemode Suppression Ratio Tỉ số triệt mode sóng phụ SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SOA Semiconductor Optical Amplifier Bộ khuếch đại quang bán dẫn SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SPM Self Phase Modulation Tự điều pha SPR Shared Protection Ring Vòng bảo vệ chia sẻ SRS Stimulated Ramam Scattering Tán xạ bị kích thích Raman SRWA Static-Routing and Wavelength Assignment Định tuyến gán bước sóng tĩnh STM-N Synchronous Transport Module-N Mơ đun truyền dẫn đồng cấp N TDFA Thulium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Thulium TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh theo thời gian TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TMN Telecommunication Management Network Mạng quản lý viễn thơng TWA Traveling Wave Amplifier Bộ khuếch đại sóng chạy ULSR Unidirectional Line Switched Ring Vòng chuyển mạch đường dây đơn hướng UPSR Unidirectional Path Switched Ring Vòng chuyển mạch đường dẫn đơn hướng WC Wavelength Converter Bộ chuyển đổi bước sóng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng XPC Cross Phase Modulation Ðiều chế xun pha PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... trong các hệ thống WDM cũng sử dụng các bộ tách sóng quang như trong hệ thống thơng tin quang thơng thường: PIN, APD c) Phân loại hệ thống WDM Hệ thống WDM về cơ bản chia làm hai loại: hệ thống đơn hướng và song hướng như minh họa trên hình 1.3 Hệ thống đơn hướng chỉ truyền theo một chiều trên sợi quang Do vậy, để truyền thơng tin giữa hai điểm cần hai sợi quang Hệ thống WDM song hướng, ngược lại, truyền. .. một sợi quang nên chỉ cần 1 sợi quang để có thể trao đổi thơng tin giữa 2 điểm Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm riêng Giả sử rằng cơng nghệ hiện tại chỉ cho phép truyền N bước sóng trên một sợi quang, so sánh hai hệ thống ta thấy: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 16 Hệ thống thơng tin quang Hình 1.3 Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng λ1, λ 2, λ3,... 12 Hệ thống thơng tin quang nghệ ghép kênh theo bước sóng DWDM Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thơng tin quang WDM, cụ thể sẽ nghiên cứu: • Ngun lý ghép kênh phân chia theo bước sóng quang (WDM) • Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống WDM do sự lan truyền của tín hiệu WDM trong sợi quang, trong đó tập trung vào việc tìm hiểu các hiệu ứng phi... tư ảnh hưởng đến ωi Ví dụ, cho khoảng cách tần số ∆ω với ω1, 2, ω3 là các tần số liên tiếp, nghĩa là 2 = ω1 + ∆ω và ω3 = ω1 + 2 ω sẽ có ω1- 2+ ω3 = 2 và 2 2- ω1 = ω3 Biểu thức (1 .22 ) cho thấy ảnh hưởng của SPM và CPM mà ta đã đề cập đến trong mục 5 Hiệu ứng tự điều pha SPM và 6 Hiệu ứng điều chế xun pha, các biểu thức (1 .23 ), (1 .24 ) và (1 .25 ) có thể bỏ qua do khơng có sự đồng pha Dưới các điều kiện... hệ thống song hướng, các bộ khuếch đại sẽ cho cơng suất quang ngõ ra lớn hơn so với ở hệ thống đơn hướng 3 Đặc điểm của hệ thống WDM Thực tế nghiên cứu và triển khai WDM đã rút ra được những ưu nhược điểm của cơng nghệ WDM như sau: Ưu điểm của cơng nghệ WDM • Tăng băng thơng truyền trên sợi quang số lần tương ứng số bước sóng được ghép vào để truyền trên một sợi quang • Tính trong suốt: Do cơng nghệ... z) j≠ i  2 i cos(3ωi t − 3β i z) n ∑∑E i =1 j ≠ i ∑∑ E i =1 j≠ i (1 .23 ) 2 E j cos(( 2 ω i − ω j ) t − ( 2 i − β j ) z ) (1 .24 ) 2 E j cos( (2 i + ω j ) t − (2 i + β j )z ) (1 .25 ) i n (1 .22 ) i n ∑∑∑ E E E i =1 j> i k > j i j k × × (cos((ωi + ω j + ω k ) t − (β i + β j + β k )z) (1 .26 ) + cos((ωi + ω j − ω k ) t − (β i + β j − β k )z) (1 .27 ) + cos((ωi − ω j + ω k ) t − (β i − β j + β k )z) (1 .28 ) + cos((ωi... những vào cường độ (cơng suất) của chính kênh đó mà còn phụ thuộc vào cường độ của những kênh còn lại Hiện tượng này gọi là điều chế xun pha CPM Ví dụ xem xét hệ thống ba kênh Khi đó Φ1 sẽ là: Φ1 = γNLLeff(P1+2P2+2P3) (1 .21 ) CMP ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn thơng qua cơ chế giống như SPM: tần số chirping và tán sắc màu CPM có thể ảnh hưởng đến hệ thống mạnh hơn SPM vì hệ số 2 trong cơng thức (1 .21 )... cos(κl )   Ei 2 ( f )   E 02 ( f )  (1. 32) Trong đó: - β là hệ số pha của sự truyền ánh sáng trong sợi quang - κ là Hệ số ghép κ phụ thuộc vào chiều rộng của sợi quang, chiết suất của lõi sợi và đến khoảng cách gần nhau của hai sợi quang khi thực hiện nung chảy Nếu chỉ cho ánh sáng vào ngõ 1 (cho Ei2 = 0), khi đó cơng thức (1. 32) được viết lại là: E01 ( f ) = e − iβl cos(κl ) Ei1 ( f ) E 02 ( f ) = e... phí sẽ tăng vọt do mỗi hệ thống lắp thêm đều cần một số lượng bộ lặp, bộ khuếch đại như hệ thống cũ • Truyền dẫn ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing): tăng tốc độ truyền dẫn lên trên sợi quang Khi tiếp tục dùng phương thức truyền thống này, ta phải xem xét đến hai vấn đề: trước và khi truyền trên sợi quang Trước khi chuyển thành tín hiệu quang để truyền đi, các linh kiện... các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao • Ðối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì yếu tố chủ yếu cần quan tâm là suy hao và tán sắc • Ðối với các hệ thống cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngồi 2 yếu tố trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến Hiện tượng suy hao và tán sắc đã được trình bày chi tiết trong Hệ thống thơng tin quang ... 4: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG COHERENT 20 1 I GIỚI THIỆU CHUNG 20 1 Khái niệm thơng tin quang Coherent 20 1 Cấu trúc hệ thống thơng tin quang Coherent 20 2 Các dạng điều chế quang. .. Hình 1 .28 Mẫu kết nối chéo tạo từ AWG λ 11,λ 12 , λ 13 , λ 14 λ 11,λ 22 , λ 33 , λ 44 λ 12 ,λ 22 , λ 32 , λ 24 λ14 , λ 12 , 23 , λ34 λ13 , λ 23 , λ33 , λ 34 λ13 , λ 24 , λ13 , 24 λ14 , λ 24 ,... 22 2 Hàm xác suất lỗi 22 3 So sánh độ nhạy hệ thống Coherent 22 7 IV CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHẠY MÁY THU 23 2 Nhiễu pha 23 2 Nhiễu cường độ 23 3 Khơng