Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Tổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM
trờng Đại Học Bách Khoa Hà NộiKhoa Điện Tử Viễn ThôngTổng quan về hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Giáo Viên Hớng Dẫn : Sinh Viên Thực Hiện : Lớp : Hà Nội. Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMMục lụcTrang Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM1.1. Giới thiệu chung về thông tin quang:Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin đợc chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng đợc truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận nó lại đợc biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu.2 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMTrong thời kì hiện nay, lợng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin tăng lên rất nhanh. Thế giới đang chứng kiến sự phát triển nhảy vọt cha từng thấy của mạng máy tính toàn cầu Internet, kéo theo đó là sự ra đời của các ứng dụng và dịch vụ mới trên nền tảng Internet. Số ngời sử dụng Internet ngày càng đông, nhu cầu truyền tải dữ liệu cũng theo đó tăng lên. Do đó yêu cầu đặt ra là phải tạo ra đợc mạng lới có băng thông lớn, có tốc độ đờng truyền cao, tin cậy và có chi phí hợp lý.Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng đợc nhu cầu trên. Mạng thông tin quang với các u điểm nổi bật nh dung lợng truyền dẫn lớn, tốc độ truyền tải nhanh, hoạt động ổn định và kinh tế, đã dần thay thế cho các mạng l ới thông tin truyền thống. Tuy nhiên băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) sẽ rất hao phí nếu chỉ dùng cho ứng dụng đơn lẻ. Vì vậy một yêu cầu đặt ra là phải ghép nhiều kênh trên một đờng truyền quang. Những kĩ thuật ghép kênh đợc quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia bớc sóng (WDM). Trong tong lai, ghép kênh theo bớc sóng sẽ đợc a chuộng hơn vì chi phí kĩ thuật và các thiết bị để lắp đặt hệ thống TDM tơng đối cao. 1.2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống WDM:1.2.1. Định nghĩa:WDM (Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh theo bớc sóng) là công nghệ trong một sợi quang truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang với nhiều bớc sóng khác nhau. ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bớc sóng khác nhau đợc tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang. ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp đó đợc phân giải ra (tách kênh), khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đa vào các đầu cuối khác nhau.1.2.2. Mục đích:3 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMDo băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-Km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí. Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bớc sóng trên cùng một sợi quang. Tuy nhiên để tránh nhiễu xuyên kênh, giữa các kênh phải có khoảng cách nhất định. Qua nghiên cứu ITU-T đã đa ra cụ thể các kênh bớc sóng và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz.1.2.3. Phân loại hệ thống truyền dẫn WDM:Hệ thống truyền dẫn là những hệ thống tơng tác, nghĩa là tại mỗi đầu sẽ thực hiện chức năng phát tín hiệu đi (hớng đi) và nhận tín hiệu về (hớng về). Trong hệ thống WDM, tính năng tơng tác đợc thực hiện qua môi trờng sợi quang. Về cơ bản ngời ta chia hệ thống WDM thành hai kiểu: Hệ thống ghép bớc sóng đơn hớng và hệ thống ghép bớc sóng song hớng.1.2.3.1. Hệ thống ghép b ớc sóng đơn h ớng: Chỉ thực hiện truyền theo một chiều trên sợi quang. Do vậy để truyền thông tin giữa hai điểm cần hai sợi quang.4MUXTx1Tx2TxnDE-MUXRx1Rx2Rxn Phát tín hiệuGhép tín hiệuEDFAEDFATách tín hiệu Thu tín hiệu1, 2, 3,, n1, 2, 3,, n Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMHình 1.2 : Hệ thống WDM đơn hớng1.2.3.2. Hệ thống ghép b ớc sóng song h ớng: Có thể truyền theo hai chiều trên một sợi quang nên chỉ cần một sợi quang để có thể trao đổi thông tin giữa hai điểm.Hình 1.3 : Hệ thống WDM song hớng.1.2.4. Ưu và nh ợc điểm của công nghệ WDM: Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng nh mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những u điểm nổi trội :* Dung lợng truyền dẫn lớnSử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang (có bớc sóng khác nhau) để truyền đi, mỗi kênh quang lại ứng với một tốc độ bit nào đó (TDM). Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bớc sóng với mỗi bớc sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5 Gbit/s, tổng dung lợng hệ thống sẽ là 200 Gbit/s. Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM-256 (dung lợng 40 Gbit/s).* Tính trong suốt của mạng WDM5MUXTx1Tx2TxnDE -MUXRx1Rx2Rxn Phát tín hiệuGhép tín hiệuEDFAEDFATách tín hiệu Thu tín hiệu1, 2, 3,, n1, 2, 3,, n Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMDo công nghệ WDM thuộc kiến trúc lớp mạng vật lý nên nó có thể hỗ trợ các định dạng số liệu và thoại nh chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IPMạng trong suốt : trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kỳ tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào. Nh vậy nhà cung cấp dịch vụ có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất. Nh vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dịch vụ mới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hởng gì đến các dịch vụ trớc đó.* Việc nâng cấp dung lợng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạtKỹ thuật WDM cho phép tăng dung lợng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trờng mới, đó là thuê kênh quang (hay bớc sóng quang) ngoài việc sợi hay cáp quang. Việc nâng cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các Card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug-and-play).* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻoBằng cách thay đổi phơng thức định tuyến và phân bổ bớc sóng trong mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế. Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt.* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trớc đó, giảm đợc chi phí đầu t mới. Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn.Chơng II Truyền tín hiệu trong sợi quang6 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM2.1. Các đặc tính của thông tin quang:Sợi quang là một môi trờng truyền dẫn đặc biệt so với các môi trờng khác nh không gian tự do hay cáp đồng. Không phải ngẫu nhiên mà sợi quang trở thành ph-ơng tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. So với các phơng thức truyền dẫn thông tin khác sợi quang có những u điểm nổi bật nh có băng thông lớn, độ suy hao truyền dẫn thấp. Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đờng truyền dẫn nhẹ, không có hiện tợng xuyên âm giữa các sợi quang với nhau và không chịu các tác động của sóng điện từ.Trớc hết vì sợi quang có băng thông lớn nên có thể truyền một khối lợng thông tin lớn nh cấc tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly dến 100Ghz-Km.Thứ hai, sợi quang nhỏ, nhẹ và không có xuyên âm. Do vậy chúng có thể đợc lắp đặt dễ dàng ở các địa điểm mà không cần lắp thêm các đờng ống và cống cáp.Thứ ba, do sợi quang đợc chế tạo từ các chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và các xung điện tử. Do đó chúng có thể đ-ợc lắp đặt cùng với cáp điện lực (điều này có ý nghĩa kinh tế rất lớn) và dùng trong các môi trờng có điện từ trờng cao.Thứ t, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát (silicat-SiO2) và chất dẻo nên có giá thành thấp. Thêm vào đó sợi quang còn có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và khả năng đề kháng với môi trờng tốt.2.2. Cáp sợi quang:Sợi quang là những dây nhỏ, dẻo truyền ánh sáng nhìn thấy đợc và các tia hồng ngoại. Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ đợc bao quanh bởi một lớp vỏ. Cả phần lõi và vỏ có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1,45. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ một chút. Do 7 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMvậy trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất đợc đa vào trong lõi hoặc vỏ, các nguyên liệu nh Germani hoặc Photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của SiO2 đợc dùng làm chất cho thêm vào phần lõi, trong khi Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của SiO2 nên đợc dùng làm tạp chất cho lớp vỏ.Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh.Hình 2.1 : Cấu trúc sợi quangNgoài ra sợi quang còn đợc phân loại thành các loại sợi quang đơn mode và đa mode tơng ứng với số lợng mode của ánh sáng truyền qua sợi quang.2.3. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang:2.3.1. Định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang:ánh sáng có thể đợc xem nh một chùm tia truyền theo những đờng thẳng trong một môi trờng và bị phản xạ hay khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau. Hình 2.2 chỉ ra giao diện giữa hai môi trờng có chỉ số khúc xạ là n1 và n2. Một tia sáng từ môi trờng 1 tới mặt phân cách của môi trờng 1 với môi trờng 2. Góc tới giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung của hai môi trờng đợc biểu thị là 1. Phần năng lợng bị phản xạ vào môi trờng 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trờng 2 là một tia khúc xạ. Góc phản xạ 1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện. Tơng tự, góc khúc xạ 2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến. 1r = 1.8Sợi quangLớp bọc đầu tiên (Silicon đặc biệt)Tầng cản bit lỗi (Silicon)Lớp bọc thứ 2 (Nilon)Lớp bọc thứ 2 (Nilon)Tầng cản bit lỗiLớp bọc đầu tiênPhần cốt lõiSợi quang Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMTheo định luật Snell : n1.sin 1 = n2.sin 2.Khi góc tới 1 tăng lên, góc khúc xạ 2 cũng tăng. Nếu 2 = 90 , thì sin 1 = n2/n1.Lúc đó 1 đợc gọi là góc tới hạn có giá trị c = sin(n2/n1) ; với n1 > n2.Với những giá trị 1 > c , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lợng từ tia tới đợc phản xạ hết. Hiện tợng này đợc gọi là phản xạ toàn phần.Hình 2.2 : Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách của hai môi tr-ờng* Nh vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:- Các tia sáng phải đi từ môi trờng chiết quang hơn (có chiết suất lớn hơn) sang môi trờng kém chiết quang hơn (có chiết suất nhỏ hơn).- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.Các định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng ở trên là nguyên lý cơ bản áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi dẫn quang, ở sợi dẫn quang, các tín hiệu ánh sáng đợc truyền dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần bên trong. 2.3.2. Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang:Để dễ tiếp cận với nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang, ta hãy xét về cơ cấu lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đa mode có chỉ số chiết suất phân bậc, 9n1n211r2 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMvì kích thớc của lõi loại sợi này lớn hơn nhiều so với bớc sóng ánh sáng chúng ta đang xét tới. Để đơn giản ta chỉ xét 1 tia sáng đặc trng.Có 2 loại tia có thể truyền trong sợi dẫn quang là các tia kinh tuyến và các tia nghiêng (minh hoạ hình vẽ ). Tia kinh tuyến là các tia xác định các mặt phẳng kinh tuyến với trục sợi. Nh vậy có 2 loại tia kinh tuyến : tia biên là tia tồn tại trong lõi sợi và truyền theo hớng dọc theo trục lõi sợi, tia ngoài biên là tia bị khúc xạ ra ngoài lõi sợi. Các tia nghiêng có số lợng nhiều gấp bội lần tia kinh tuyến, nó không xác định một mặt phẳng đơn thuần nào, mà các tia này truyền theo từng đoạn xoắn ốc dọc theo sợi. Các tia này có đờng đi dài hơn và thờng bị suy hao nhiều hơn tia kinh tuyến. Tuy nhiên ta không quan tâm lắm tới các tia nghiêng này vì nó không phản ánh có ý nghĩa về các tia lan truyền trong sợi.Hình 2.3a : Tia kinh tuyếnHình 2.3b : Tia kinh tuyến trong quá trình tiếp nhận và lan truyền ánh sáng trong sợi đa mode chiết suất phân bậcCác tia kinh tuyến đợc thể hiện ở hình trên là xét cho loại sợi có chỉ số chiết suất phân bậc. Các tia sáng đi vào sợi dẫn quang từ môi trờng có chiết suất n và hợp 10Góc tiếp nhận 0Trục sợiTia khúc xạTia phản xạLõi n1Vỏ n2 [...]... bản về truyền dẫn: 2.4.1 Suy hao trong sợi quang: Trong thực tế, cự ly truyền dẫn của các tuyến thông tin cáp quang thờng là dài hoặc rất dài Do đó việc tính toán đến suy hao sợi đóng một vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế hệ thống Trên một tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối 11 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang với sợi quang, ... tơng xứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang Chơng IV Chuyển mạch quang 4.1 Chuyển mạch quang là nhu cầu cấp thiết của hệ thống thông tin quang: Mạng thông tin quang từ khi sử dụng công nghệ WDM đã có sự phát triển bùng nổ về dung lợng và tốc độ Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bớc sóng với tổng dung lợng hệ thống lên đến 200 Gbps, trong tơng lai có thể là hàng chục... Radiation) Một trong những đóng góp quan trọng của các thiết bị phát quang giúp cho việc thơng mại hoá các hệ thống WDM là việc chế tạo thành công các LASER phổ hẹp 17 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Các LASER phổ hẹp có tác dụng giảm thiểu tối đa ảnh hởng lẫn nhau của các bớc sóng khi lan truyền trên cùng một sợi quang Để xây dựng đợc các hệ thống thông tin quang Các nguồn phát qaung phải... 23 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Hình 4.6 : Cấu trúc bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) 3.2.4 Các phần tử kết nối chéo sợi: Cùng với nhu cầu ngày càng tăng của ngời sử dụng về tốc độ, dung lợng mạng thông tin, mạng quang cần phải đợc quang hoá toàn diện Song mấu chốt của vấn đề là chuyển mạch hoàn toàn quang phải đợc hoàn thiện Một trong những ứng dụng của chuyển mạch hoàn toàn quang. .. CủA Hệ THốNG WDM 3.1 Chức năng của hệ thống WDM: Tx1 Tx2 MUX Txn Rx1 Truyền tín hiệu trên sợi quang Khuếch đại tín hiệu DEMUX Khuếch đại tín hiệu Phát tín hiệuGhép tín hiệu Tách tín hiệu Hình 4.1 : Sơ đồ chức năng hệ thống WDM 15 Rx2 Rxn Thu tín hiệu Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Nh minh họa ở hình trên, để đảm nhiệm việc truyền và nhận nhiều bớc sóng trên sợi quang, hệ thống WDM. .. sẽ khôi phục lại cờng độ tín hiệu Trong hệ thống WDM hiện tại chủ yếu sử dụng bộ khuếch đại quang sợi 16 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM EDFA Có 3 ứng dụng chính của EDFA, đó là : khuếch đại công suất (Booster Amplifier BA), tiền khuếch đại (Pre Amplifier - PA), và khuếch đại đờng truyền (Line Amplifier LA) Khi dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo đợc các yêu cầu sau :... SNR, phải tăng mức công suất trung 13 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM bình bộ thu Đây chính là nguyên nhân gây ra sự suy hao về công suất do tán sắc gây ra 2.4.3 Bớc sóng, tần số và khoảng cách kênh: Trong hệ thống WDM, phơng tiện mang thông tin đi là ánh sáng, do đó điều cần quan tâm là bớc sóng, tần số của các tín hiệu này Bớc sóng và tần số f đợc liên hệ với nhau qua công thức : = c... băng tần của một bộ khuếch đại quang, đây là số kênh cực đại tính theo lý thuyết đối với băng C 14 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM Dựa trên khả năng của công nghệ hiện nay, ITU-T đã đa ra qui định về khoảng cách tối thiểu giữa các kênh bớc sóng là 0,8 nm tơng ứng một khoảng cách tần số 100 GHz với tần số chuẩn là 193,1 THz Hiện nay đã xuất hiện hệ thống WDM sử dụng khoang cách kênh 25 GHz,... đến mức công suất đầu ra của các kênh - Có khả năng phát hiện sự chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại các hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại bằng phẳng đối với tất cả các kênh * Thu tín hiệu : để thu tín hiệu, các hệ thống WDM cũng sử dụng các loại bộ tách sóng quang nh trong hệ thống thông tin quang thông thờng : PIN, APD 3.2 Các thành phần trong hệ thống thông tin quang: ... nghiên cứu bắt đầu đa kỹ thuật quang tử vào hệ thống chuyển mạch, thực hiện chuyển mạch quang Ưu điểm của chuyển mạch quang là tính trong suốt về tốc độ bit Có đợc điều đó là do khi đi qua phần tử chuyển mạch quang, không cần pghải biến đổi quang iện (điện -quang) , do đó nó không bị các thiết bị quang điện tử nh máy đo kiểm, bộ điều chế,hạn chế tốc độ đáp ứng Hệ thống quang sử dụng 3 phơng thức ghép kênh . Nội. Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDMMục lụcTrang Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin quang WDM1 .1. Giới thiệu chung về thông tin quang :Thông. Truyền tín hiệu trong sợi quang6 Hệ thống thông tin quang sử dụng công nghệ WDM2 .1. Các đặc tính của thông tin quang: Sợi quang là một môi trờng truyền
