Tài liệu Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp sợi quang wnm và ứng dụng cho đường trục viễn thông bắc nam

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG WDM VÀ ỨNG DỤNG CHO ĐƢỜNG TRỤC VIỄN THÔNG BẮC NAM Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: PHẠM THU HIẾU Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUYÊN – 2012 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2 MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 9 DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 11 LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 12 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN WDM ............................. 14 1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang ............................................. 14 1.2 Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin quang ............... 16 1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang ................................................... 16 1.2.2 Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang .......................................... 17 1.3 ........................................ 18 1.4 Các phƣơng pháp truyền dẫn sử dụng ghép kênh quang theo bƣớc sóng ........ 23 1.4.1 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng ...................................... 23 1.4.2 Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng .................................... 23 1.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống WDM........................................................ 25 1.6 Một số tham số kỹ thuật trong hệ thống WDM................................................ 26 1.6.1 Suy hao xen.................................................................................... 27 1.6.2 Suy hao xuyên kênh........................................................................ 27 1.6.3 Độ rộng kênh và khoảng cách kênh ................................................. 29 1.6.4 Số lƣợng kênh ................................................................................ 29 1.6.5 Ảnh hƣởng của hiệu ứng phi tuyến .................................................. 31 1.6.6 Tán sắc – bù tán sắc ........................................................................ 31 1.6.7 Đặc điểm của hệ thống WDM ......................................................... 33 CHƢƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG WDM .................................. 34 2.1 Các loại cáp quang đƣợc khuyến nghị sử dụng trong hệ thống WDM ............ 35 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 3 2.1.1 Sợi SSMF (single-mode optical fibre cable) hay sợi G.652 ............... 35 2.1.2 Sợi DSF hay sợi G.653 ................................................................... 36 2.1.3 Sợi CSF hay sợi G.654 ................................................................... 37 2.1.4 Sợi NZ-DSF hay sợi G.655 ............................................................ 37 2.2 Nguồn quang WDM ......................................................................................... 39 2.3 Thiết bị xen /rẽ quang OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) ..................... 40 2.4 (Coupler) ............................................................................... 41 2.4.1 ....................................................................... 42 2.4.2 ....................................................................................... 43 2.5 Bộ định tuyến bƣớc sóng .................................................................................. 43 2.6 Thiết bị đấu nối chéo quang OXC (Optical Cross Connect) ............................ 44 2.6.1 .............................................. 44 2.6.2 .................................................. 45 2.7 Bộ biến đổi bƣớc sóng ...................................................................................... 46 2.8 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA ....................................................................... 47 2.8.1 Cấu trúc của EDFA ........................................................................ 48 2.8.2 Nhiệm vụ của EDFA ...................................................................... 49 2.9 Bộ lọc................................................................................................................ 50 2.9.1 .................................................................... 50 2.9.2 Bộ lọc điều chỉnh đƣợc ................................................................... 51 2.10 Thiết bị đầu cuối OLT ...................................................................................... 52 2.11 Chuyển mạch quang ......................................................................................... 54 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HỆ THỐNG WDM ......................... 56 3.1 Tôpô dạng hình vòng ........................................................................................ 56 3.2 Mạng WDM hình vòng .................................................................................... 57 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 4 3.2.1 Kết cấu vòng hai sợi một chiều ....................................................... 58 3.2.2 Kết cấu vòng hai chiều hai sợi ......................................................... 59 3.2.3 Vòng nhiều sợi ............................................................................... 60 3.2.4 Bảo vệ mạng hình vòng .................................................................. 61 3.3 Thiết kế hệ thống WDM cơ bản ....................................................................... 61 3.3.1 Thiết kế vòng Ring ......................................................................... 62 3.3.2 Thiết kế OSNR ............................................................................... 63 3.3.3 Bù tán sắc và hiện tƣợng dịch tần .................................................... 63 3.3.4 Cân bằng tăng ích và tỉ lệ lỗi bit ( BER) .......................................... 64 3.3.5 Thực hiện hệ thống ......................................................................... 64 3.4 Sơ đồ liên kết nút .............................................................................................. 65 3.5 Hệ thống điểm-điểm dung lƣợng lớn ............................................................... 66 3.6 Mạng phân bố và quảng bá............................................................................... 68 3.7 Mạng WDM đa truy nhập ................................................................................ 69 CHƢƠNG 4:HỆ THỐNG WDM TRONG TRỤC BẮC NAM................................ 71 4.1 Các giai đoạn phát triển .................................................................................... 71 4.2 Khảo sát cấu hình cáp quang trục Bắc Nam..................................................... 73 4.2.1 Cấu hình tuyến. .............................................................................. 73 4.2.2 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WDM ............................................ 76 4.3 Xây dựng cấu hình cụ thể tuyến truyền dẫn Bắc Nam. .................................... 77 4.4 Đề xuất lựa chọn phƣơng án tăng dung lƣợng ................................................. 81 4.5 Xây dựng cấu hình tuyến và tính toán hiệu quả kinh tế. .................................. 85 4.6 Hƣớng phát triển của WDM................................................................................ 90 4.7 Hệ thống cáp quang Bắc - Nam DWDM 40Gbps Nortel ................................... 91 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 5 CÁC TỪ ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ AN Access Network Mạng truy nhập guihiuhiu AM Amplitude Modulation APD Avalanche Photodiode ASE Amplifier Diode quang thác Spontaneous Bức xạ tự phát đƣợc khuếch đại Emission BER Bit Error Ratio CATV Cable Television CWDM Coarse Tỷ lệ lỗi bit Wavelength Division Multiplexing CPM Cross Phase Modulation DBF Distributed Feedback laser DCF Dispersion Compensating Fiber DEMUX Demultiplexing DST Dispersion Shifted Fiber DST Dispersion Điều chế chéo pha Phân kênh Supported Transsmision DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier E/O Electric-Optical Converter EMI Electromagnetic Interference Nhiễu điện từ ESI External Synchronous Interface Giao tiếp đồng bộ ngoài FBG Fiber Bragg Grating Cách tử sợi Bragg FEC Forward Error Correction Khối sửa lỗi trƣớc FR Frame Relay Chuyển tiếp khung FM Frequency Modulation Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu /quang http://lrc.tnu.edu.vn/ 6 FSR Spectrum FTTX Fiber To The Home/Building/Premises/Office /Curb/Node FWHM Full Width at Half Maximum FWM Four-Wave Mixing FXC Fiber XC GVD Group Velocity Dispersion IDTV Integrated Digital Television IM-DD Intensity Modulation- Direct Detection ITU_T International Telecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector LAN Local Area Network LA Line Amplifier LASER Light Amplication by Stimulate Bộ khuếch đại đƣờng truyền Emission of Radiation LD Laser Diode LED Light Emitting Diode LTE Line Terminal Equipment MAN Metropolitan Area Network MUX Multiplexing OADM Optical Add/DropMultiplexer OLT Optical Line Terminator OMUX Optical Multiplexing Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu Diode laser Thiết bị đầu cuối đƣờng dây http://lrc.tnu.edu.vn/ 7 OC Optical Channel OPC Optical Phase Combiner OTDM Optical Time Kênh quang Division Multiplexing O/E Optical - Electric Converter OPM Optical Performance Monitor OSC Optical Thiết bị giám sát mạng quang Supervisor/Service Kênh giám sát quang Channel OTN Optical Transport Network Mạng truyền tải quang OTPM Optical Translator Port Module Module cổng chuyển đổi quang OUT Optical Translator Unit Đơn vị chuyển đổi quang OXC Optical Cross Connect Bộ nối chéo quang PCH Pre-chirp PDC Passive Dispersion Compensator PIN Positive Intrinsic Negative PON Passive Optical Networks SBS Stimulated Brillouin Scattering SC- Single Channel OADM OADM đơn kênh OADM SDH Synchronous Digital Hierachy SLA Semiconductor Laser Amplifier SOA Signal Optical Amplifier SONET Synchronous Optical Network SPM Self-Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering S/N Signal to Noise ratio TDM Time Division Multiplexing Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 8 gian VNPT Vietnam Posts and Telecommunication Group WAN Wide Area Network WDM Wavelength Division Multiplexing WDMA Wavelength Division Đa truy Multiplexing Access WIXC Wavelength Interchange XC WSXC Wavelength Selected XC Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 9 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang ...……………………………….14 lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM................................ 19 Hình 1.3: Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM..................................... 23 Hình 1.4: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM đơn hƣớng.............................................. 23 Hình 1.5: Phƣơng pháp truyền dẫn WDM song hƣớng. ........................................... 24 Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống WDM………………………………………………….24 Hình 1.7. Xuyên âm trong hệ thống ......................................................................... 28 H×nh 1.8. Kho¶ng c¸ch kªnh vµ ®é réng kªnh ......................................................... 29 Hình 2.1. Phân loại sợi quang theo tán sắc ............................................................... 38 . .............................................................................. 40 ....................................................................................... 42 ................................................................. 44 . ........... 46 . ................................................................. 46 H×nh 2.7. Bơm cïng chiều ......................................................................................... 48 H×nh 2.8. Bơm ngƣợc chiều ...................................................................................... 48 Hình 2.9. Bơm hai chiều ........................................................................................... 49 Hình 2.10. Vị trí của EDFA trên tuyến thông tin quang ........................................... 49 ................................................................... 51 c Fabry-Perot. ........................................ 51 -Parot. ................................................. 52 Hình 2.14. Thiết bị OLT ........................................................................................... 53 Hình 3.1: Tôpô dạng hình vòng ................................................................................ 57 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 10 Hình 3.2. Kết cấu chức năng của OADM ................................................................. 58 Hình 3.3. Cấu hình vòng một chiều hai sợi............................................................... 59 Hình 3.4. Cấu hình vòng hai chiều hai sợi ................................................................ 60 Hình 3.5 Cấu hình tuyến cáp quang AA- BB-CC ..................................................... 62 Hình 3.6 Cấu hình liên kết giữa các Ring với backbone .......................................... 65 Hình 3.7 Cấu hình liên kết giữa AA-BB với BB-CC ( 32 bƣớc sóng) ..................... 65 Hình 3.8 Cấu hình liên kết giữa Ring của AA với Backbone ( 32 bƣớc sóng) ........ 66 Hình 3.9 Cấu hình liên kết giữa Ring của CC với backbone ( 32 bƣớc sóng).......... 66 - ............................................... 67 . ............................................................. 69 . ...................................................................... 70 Hình 4.1. Mạng cáp quang đƣờng trục Bắc Nam ..................................................... 73 Hình 4.2. Bốn vòng ring mạng cáp quang đƣờng trục Bắc Nam ............................. 74 Hình 4.3. Sơ đồ tuyến cáp quang trục Bắc - Nam..................................................... 78 H×nh 4.4. C¬ chÕ b¶o vÖ vµ kÕt nèi gi÷a các Ring..................................................... 79 Hình 4.5 Sơ đồ xếp các bƣớc sóng trên các nút 20Gb/s .......................................... 85 Hình 4.6. Mô hình thiết bị WADM………………………………………………85 Hình 4.7. Bố trí các thiết bị giữa hai nút RING ........................................................ 86 Hình 4.8. Phân bố cự ly và suy hao đoạn HNI- VIN ................................................ 87 Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý đấu nối tại nút VIN ........................................................ 88 Hình 4.10. Cấu hình Ring 2 ...................................................................................... 88 Hình 4.11. Phân bố cự ly và suy hao trên đƣờng dây 500KV .................................. 89 Hình 4.12. Sơ đồ mạng lƣới hệ thống Long Haul ..................................................... 92 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU . ................................................... 21 Bảng 1.2: Sự phân chia các băng sóng trong WDM. ................................................ 22 Bảng 1.3. Cự ly bị hạn chế bởi tán sắc khi không có trạm lặp ................................. 32 Bảng 4.1 : Mã các tỉnh thành của Việt Nam ............................................................. 75 Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 12 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển của các dịch vụ thoại và phi thoại tạo ra một sự bùng nổ về dung lƣợng. Hệ thống thông tin quang đơn mode đã là một mạng thông tin tiên tiến, nhƣng nó chƣa tận dụng đƣợc băng thông lớn của sợi quang một cách hữu hiệu, do mỗi sợi quang chỉ truyền đƣợc 1 kênh. Vì vậy cần phải cải thiện các hệ thống thông tin quang có sẵn bằng các kỹ thuật tiến tiến với chi phí thấp bằng cách ghép nhiều bƣớc sóng cùng truyền trên một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM (Wavelengh Division Multiplexer) ra đời, cho phép nâng cao dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống lên rất lớn mà không cần phải tăng thêm sợi quang và tận dụng đƣợc băng tần lớn của sợi quang do có thể ghép nhiều kênh bƣớc sóng trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bƣớc sóng đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông. Sự phát triển của công nghệ WDM cùng với công nghệ khuếch đại quang và chuyển mạch quang sẽ tạo nên một mạng thông tin thế hệ mới: mạng thông tin toàn quang. Công nghệ WDM là công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng đã tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode. Công nghệ ghép kênh WDM nâng cao dung lƣợng truyền dẫn của hệ thống mà không cần phải tăng tốc độ của từng kênh trên mỗi bƣớc sóng. Công nghệ WDM chính là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang, đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền dẫn của hệ thống. Vì vậy “ Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp sợi quang WDM và ứng dụng trong đƣờng trục viễn thông Bắc Nam”là một yêu cầu quan trọng nhằm tăng dung lƣợng truyền dẫn của mạng, đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển của các dịch vụ trong tƣơng lai. Xuất phát từ mong muốn tìm hiểu hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật WDM và đƣợc sự đồng ý của Thầy hƣớng dẫn, em đã thực hiện luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp sợi quang trong đường trục viễn thông Bắc Nam”. Luận văn gồm 4 chƣơng đƣợc khái quát nhƣ sau: Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 13 Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống thông tin cáp sợi quang WDM tin quang, quang. Từ đó nêu bật những ƣu điểm khi hệ thống WDM ra đời. Trình bày nguyên lý cơ bản, phân loại, đặc điểm và các kỹ thuật cần quan tâm của hệ thống WDM Chƣơng 2: Các phần tử trong hệ thống WDM WDM, các phần tử N trong hệ thống ghép kênh quang theo bƣớc sóng. Chƣơng 3: Phân tích hệ thống WDM Đƣa ra phâ Chƣơng 4: Hệ thống WDM trong mạng đƣờng trục Bắc - Nam. Ứng dụng lý thuyết của ba chƣơng trƣớc vào bài toán cụ thể để giải quyết vấn đề cho tuyến đƣờng trục Bắc – Nam. Đƣa ra các vòng Ring trong mạng BackBone Việt Nam, cách liên kết và bảo vệ các vòng ring. Xây dựng cấu hình tuyến và tính toán hiệu quả kinh tế và phƣơng án tăng dung lƣợng mạng Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 14 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG WDM Trong kỹ thuật thông tin quang mỗi sợi quang chỉ có thể truyền tín hiệu quang từ một nguồn phát tới một nguồn phát tới một bộ tách quang ở đầu thu, Các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi các sợi xác định và riêng biệt. Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tƣơng đối hẹp, do vậy phƣơng pháp này chỉ sử dụng một phần băng tần vốn rất lớn của sợi quang. Về mặt lý thuyết có thể làm tăng đáng kể dung lƣợng tuyến truyền dẫn của hệ thống bằng cách truyền đồng thời nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi nếu các nguồn phát có phổ cách nhau một cách hợp lý và ở đầu thu có thể thu đƣợc các tín hiệu quang riêng biệt nếu phần thu có các bộ tách bƣớc sóng. Đây chính là cơ sở của kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng WDM. 1.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang Tuyến thông tin quang bao gồm: Bộ phát quang, sợi quang, khuếch đại quang và bộ thu quang. Mô hình chung của tuyến thông tin quang nhƣ sau: Thiết Phát Mã bị hoá phát quang Bộ Sợi quang lặp Sợi quang Thiết Giải bị thu mã quang Thu Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống thông tin quang Tín hiệu cần truyền đi sẽ đƣợc phát vào môi trƣờng truyền dẫn tƣơng ứng và ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Nhƣ vậy, tín hiệu đã đƣợc thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi tới nơi nhận tín hiệu đến. Môi trƣờng truyền dẫn ở đây chính là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bƣớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng xung quanh bƣớc sóng 850 nm, 1310 nm và 1550 nm. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 15 Ba vùng bƣớc sóng này đƣợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tƣơng ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất đƣợc sử dụng. Nhƣng sau này do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở hai cửa sổ sau rất nhỏ cho nên các hệ thống thông tin quang ngày nay chủ yếu hoạt động ở vùng cửa sổ thứ hai và thứ ba. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng diode phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tƣơng ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tƣơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tƣơng ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cƣờng độ dòng điều biến. Bƣớc sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đƣợc khai thác trên tuyến. Tín hiệu ánh sáng đã đƣợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thƣờng bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở đầu thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hƣớng phát đƣa tới. Tín hiệu quang đƣợc biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiode PIN và photodiode thác APD đều có thể sử dụng để làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bƣớc sóng làm việc của chúng và đoạn sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang đƣợc sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu đƣợc ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự ly nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao khá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 16 Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đƣa vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đƣờng truyền. Những năm gần đây, các bộ khuếch đại quang đã đƣợc sử dụng để thay thế một phần các thiết bị trạm lặp quang. Trong các tuyến thông tin quang điểm nối điểm thông thƣờng, mỗi một sợi quang sẽ có một nguồn phát quang ở phía phát và một bộ tách sóng quang ở phía thu. Các nguồn phát quang khác nhau sẽ cho ra các luồng ánh sáng mang tín hiệu khác nhau và phát vào sợi dẫn quang khác nhau, bộ tách sóng quang tƣơng ứng sẽ nhận tín hiệu từ sợi này. Nhƣ vậy muốn tăng dung lƣợng của hệ thống thì phải sử dụng thêm sợi quang. Với hệ thống quang nhƣ vậy, dải phổ của tín hiệu quang truyền qua sợi thực tế rất hẹp so với dải thông mà các sợi truyền dẫn quang có thể truyền dẫn với suy hao nhỏ. Vì vậy, đã dẫn đến một ý tƣởng hợp lý khi cho rằng có thể truyền dẫn đồng thời nhiều tín hiệu quang từ các nguồn quang có bƣớc sóng phát khác nhau trên cùng một sợi quang. Kỹ thuật ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM sẽ thực hiện ý tƣởng này. 1.2 Những tồn tại và xu hƣớng phát triển của hệ thống thông tin quang 1.2.1 Những tồn tại của hệ thống quang Ngoài những nhƣợc điểm của hệ thống quang đƣợc nêu ở trên thì trong hệ thống thông tin quang hiện nay mà chủ yếu là hệ thống quang đơn kênh còn có những tồn tại sau: Các hệ thống quang thƣờng có dung lƣợng thấp (<10 Gb/s) do ảnh hƣởng của tán sắc, hiệu ứng phi tuyến sợi, trong khi đó băng tần của sợi quang là rất lớn (> 1 Thz). Mạch điện trong hệ thống làm hạn chế tốc độ và cự ly truyền dẫn. Khi tốc độ hệ thống đạ /s thì làm cho cự ly truyền dẫn ngắn lại, bản thân các mạch điện tử không đáp ứng đƣợc xung tín hiệu cực hẹp. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 17 Việc khắc phục những nhƣợc điểm trên đòi hỏi phải có công nghệ cao và rất tốn kém vì cấu trúc của hệ thống rất phức tạp. Hệ thống thông tin quang nhiều kênh sẽ giải quyết các tồn tại trên nhƣ sau: : Các phần tử quang thay thế các phần tử điện ở những vị trí quan trọng đòi hỏi tốc độ đáp ứng nhanh, tốc độ xử lý tín hiệu cao đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm về tốc độ đáp ứng xung của các mạch điện tử đã nêu ở trên. : Các phần tử quang tận dụng đƣợc phổ hẹp của Laser làm tăng khả năng sử dụng băng tần lớn của sợi đơn mode nên tạo ra khả năng truyền tải cho các ứng dụng tốc độ cao hiện tại và tƣơng lai. , khi sử dụ lƣợng của hệ thống mà không cần tăng thêm sợi quang, tận dụng đƣợc băng tần không hạn chế của sợi. 1.2.2 Xu hƣớng phát triển của hệ thống quang Với sự phát triển không ngừng của thông tin viễn thông hiện nay thì hệ thống thông tin quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Do có nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với các hình thức thông tin khác về băng thông, suy hao và an toàn tín hiệu mà hệ thống thông tin quang hiện nay giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến đƣờng trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại dƣơng, mạng nội hạt, mạng trung kế. Công nghệ quang phát triển nhƣ ngày nay đã là tiền đề cho hệ thống thông tin quang phát triển theo xu hƣớng hiện đại và kinh tế nhất. Hệ thống thông tin quang sử dụng sợi quang đơn mode có ƣu điểm là không có trễ, không có can nhiễu, suy hao trên đƣờng truyền nhỏ, quãng đƣờng truyền là ngắn nhất so với sợi đa mode đã làm tăng đƣợc khoảng cách của tuyến truyền dẫn quang và tạm thời đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng của con ngƣời. Tuy nhiên, do nhu cầu trao đổi thông tin của con ngƣời và các loại hình dịch vụ băng rộng nhƣ internet tốc độ cao, FTTX (Fiber To The Home /Building /Premises /Office /Curb/Node), IDTV (Integrated Digital Television) thì dung lƣợng và tốc độ của các hệ thống quang đơn mode không thể đáp ứng đƣợc, mặt Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 18 khác, sợi quang đơn mode chỉ truyền đƣợc một mode tín hiệu nên không tận dụng đƣợc băng thông lớn của sợi quang, mà muốn nâng cao dung lƣợng của hệ thống thì lại phải sử dụng thêm sợi quang nên ngƣời ta lại nghĩ đến phƣơng thức cải thiện nhƣợc điểm của hệ thống quang đơn mode. Kết quả là hệ thống quang nhiều kênh ra đời, tiêu biểu là hệ thống quang ghép kênh theo bƣớc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing). Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bƣớc sóng ra đời đã làm tăng đáng kể dung lƣợng và cự ly truyền dẫn của hệ thống, đặc biệt là khi sử dụng các công nghệ làm giảm các yếu tố chính ảnh hƣởng đến hệ thống truyền dẫn quang nhƣ suy hao, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến; các công nghệ khuếch đại quang EDFA, chuyển mạch gói quang. Các công nghệ khác nhƣ ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM (Optical Time Division Multiplexing), truyền dẫn Soliton thì dung lƣợng đƣợc đáp ứng rất tốt nhƣng lại quá phức tạp nên giá thành của hệ thống lại trở thành vấn đề đáng quan tâm, vì vậy, hệ thống WDM đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin quang hiện nay. Ngoài ra, ngƣời ta còn cải tiến công nghệ WDM bằng các công nghệ ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) và ghép kênh theo bƣớ CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). . Ở nƣớc ta, thông tin cáp sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng. Các tuyến cáp quang đƣợc hình thành đặc biệt là hệ thống cáp quang Hà Nội-Thành Phố Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong hệ thống thông tin toàn quốc. 1.3 Trong hệ thống WDM, tín hiệu điện của từng kênh quang đƣợc điều chế với các sóng mang quang khác nhau. Sau đó, chúng đƣợc ghép lại và truyền trên cùng một sợi quang đến đầu thu. Phía thu thực hiện quá trình tách tín hiệu quang thành Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 19 các kênh quang riêng biệt có bƣớc sóng khác nhau. Mỗi kênh này đƣợc đƣa đến một máy thu riêng. Nguyên lý ghép kênh quang theo bƣớc sóngđƣợc thể hiện nhƣ sau: Tx1 Rx1 Tx2 Rx2 MUX DEMUX TxN RxN lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM. Công nghệ WDM cho phép khai thác đƣợc tiềm năng băng thông to lớn của sợi quang. Chỉ riêng cửa sổ quang 1550 nm thì dải bƣớc sóng có thể sử dụng là 1500 nm – 1600 nm tƣơng ứng với dải tần rộng cỡ 12,5 THz. Hệ thống gồm các phần sau: Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser có độ rộng phổ hẹp, phát ra các bƣớc sóng ổn định, mức công suất đỉnh, bƣớc sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép. Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bƣớc sóng quang MUX có nhiệm vụ ghép các bƣớc sóng khác nhau λ1, λ2, λ3,…, λN từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sáng chung để truyền qua sợi quang. Bộ ghép kênh quang này phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh ít bị suy hao, giữa các kênh phải có khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau. Bộ tách tín hiệu quang DEMUX có nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu đƣợc thành các kênh có bƣớc sóng khác nhau và đi đến đầu thu riêng. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/ 20 Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ ảnh hƣởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi đƣợc sử dụng trong hệ thống. Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đại quang là các bộ khuếch đại quang sợi EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) hoặc bộ khuếch đại Raman. Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo-Diode) để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tƣơng thích với bộ phát cả về bƣớc sóng và đặc tính điều chế. Khi N kênh tại tốc độ bit B1, B2, …, BN đƣợc truyền đồng thời qua sợi có độ dài L, thì B.L = (B1+ B2+…+ BN)L . Khi tốc độ bit đồng đều, tức B1=B2=…=BN thì dung lƣợng của hệ thống sẽ tăng lên với hệ số N. Dung lƣợng cực đại của các tuyến WDM phụ thuộc vào khoảng cách cho phép giữa các kênh. Khoảng cách tối thiểu là khoảng cách mà đảm bảo đƣợc khả năng chống nhiễu xuyên kênh giữa các kênh. Các kênh tần số (hay bƣớc sóng) của các hệ thống WDM đã đƣợc chuẩn hoá bởi ITU_T thì khoảng cách giữa các kênh bƣớc sóng là 100 Ghz, hệ thống WDM hiện tại hoạt động trong băng C và L thì sẽ có 32 kênh bƣớc sóng hoạt động trên mỗi băng. Nhƣ vậy, nếu giữ nguyên tốc độ bit trên mỗi kênh truyền mà sử dụng công nghệ WDM thì cũng đủ làm tăng băng thông truyền trên một sợi quang lên 64 lần. (Dense Wavelength Division Multiplexing). Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/