Tài liệu Bài báo cáo-thiết kế hệ thống thông tin quang

Thiết kế hệ thống thông tin quang NỘI DUNG 1. Bài toán............................................................................................................................ 2 2. Yêu cầu............................................................................................................................ 2 3. Phương án thiết kế.......................................................................................................... 2 4.Thiết kế mạng DWDM..................................................................................................... 3 4.1.Thiết kế phía phát:.............................................................................................. 3 4.2.Thiết kế bộ thu quang:........................................................................................ 4 4.3 Thiết kế môi trường truyền dẫn:......................................................................... 5 4.4 Lắp đặt các thiết bị đo ..................................................................................... 11 . 4.5. Mô hình mô phỏng toàn hệ thống.................................................................... 11 4.6 .Thiết lập thông số toàn cục.............................................................................. 12 5. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………….............. 16 5.1. Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu....................................... 17 5.2. Thay đổi của các tham số để đạt được BER = 10-12:....................................... 24 1. Bài toán. Edit by : Uy , Đức 1 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Xây dựng phương án thiết kế hệ thống thông tin quang WDM có sử dụng khuếch đại quang EDFA, với các yêu cầu thiết kế như sau: • Tốc độ bit: • Cự ly truyền dẫn • Số lượng kênh bước sóng: 4 kênh 10 Gbit/s 600Km 2. Yêu cầu a. Sử dụng phần mềm Optisystem xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM theo phương án đã thiết kế. Lưu ý: các tham số toàn cục (global parameters để mô phỏng) được thiết lập như sau • Tốc độ bit: 10 Gbit/s • Chiều dài chuỗi: 128 bits • Số mẫu trong 1 bit: 64 b. Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Các thiết bị đo trên tuyến được đặt tại các vị trí phù hợp để xác định được chất lượng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến. Các thiết bị đo cơ bản: - Thiết bị đo công suất quang - Thiết bị phân tích phổ quang - Thiết bị đo BER d. Hiển thị kết quả mô phỏng bằng các thiết bị đo đặt trên tuyến e. Thay đổi các tham số của các phần tử trên tuyến để đạt được BER = 10-12 3. Phương án thiết kế • Loại sợi: Sợi quang dịch tán sắc khác không (G.655) • Nguồn phát: - Loại nguồn: Laser. -Phương thức điều chế: điều chế ngoài • Bộ thu: Sử dụng PIN kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel 4.Thiết kế mạng DWDM Edit by : Uy , Đức 2 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang 4.1.Thiết kế phía phát: • Nguồn phát quang lazer CW lazer • Bộ phát xung NRZ pulse genarator • Bộ phát bít điện pseudom-Radom Bit sequence Genarator, điều chế Mach-zehnder Modulator. • Để lấy các thiết bị này ta lần lượt kích chuột vào kéo ra màn hình Layout. - Máy phát điện Pseudom –Radom bit sẽ phát tín hiệu điện tới bộ NRZ (hoặc RZ) để phát các bộ NRZ (hoặc RZ ) phát các xung điện. - Tín hiệu tại đầu ra của bộ NRZ (RZ) là các xung điện được đưa vào một đầu vào của bộ điều chế Mach-Zehnder . - Bộ phát CW lazer phát tín hiệu quang được đưa vào đầu vào ( cổng các nhà cung cấp) của bộ điều chế Mach-Zehnder. Do hệ thống WDM ghép 4 kênh tín hiệu nên phía đầu phát sẽ bao gồm có 4 bộ phát. Thiết bị được xắp xếp như trên được gọi là phương pháp điều chế ngoài. Do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1 • Bộ phát điện (bit) (pseudo- random): Default->Transmitter -> Bit sequency. • Máy phát xung : Default-> transmiter-> Pulse generator-> electrical • Máy phát quang lazer : Default->Transmitter->optical sources • Bộ điều chế quang (Modulators optical): Default-> Transmitter-> Optical Modulators. • Bộ ghép kênh: Mux do ghép 4 kênh tín hiệu nên bộ WDM Mux sử dụng là Mux 4x1. Default-> WDM multiplexers Library-> Multiplexers. Edit by : Uy , Đức 3 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang - Nguyên lý hoạt động của phía phát: các nguồn tín hiệu quang phát ra các tín hiệu quang có tần số khác nhau : f1,f2,f3,f4. Được đưa tới bộ điều chế Mach-Zehnder Modulator để thực hiện điều chế ngoài. Như vậy tại đầu ra của 4 bộ này là bốn bước sóng của các nguồn phát quang đưa tới. Do hệ thống 4 kênh nên tín hiệu quang tại đầu ra của 4 bộ điều chế này sẽ được đưa tới bộ ghép kênh Mux 4x1 nhằm ghép các kênh có bước sóng tương ứng với các tần số mà bộ phát quang đưa tới. Các kênh bước sóng này được ghép lại để truyền trên cùng một đường truyền vật lý đó là hệ thống cáp quang ( sử dụng sợi G655 và bộ khuếch đại EDFA). 4.2.Thiết kế bộ thu quang: Bộ thu quang bao gồm các thiết bị thu như: Bộ tách kênh Demux 1x4, PIN, APD .. nhưng trong nội dung thiết kế hệ thống WDM sử dụng chủ yếu là PIN, kết hợp với bộ lọc thông thấp Bessel. Ngoài ra để quan sát chất lượng tín hiệu đầu thu còn có thiết bị đo Ber, Osilo, genarator 3R .. được đặt ở vị trí thích hợp. Edit by : Uy , Đức 4 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Bộ tách kênh Demultyplexers. • Bộ thu quang (PIN): Defaults-> receiverw Library-> Photodetectors. • Bộ lọc thông thấp (fiters Lybrary): Default-> Filters Library-> Electrical-> Lowpass Besel Fiter. • Các bộ Genarator 3R: Default-> Receiver Library-> genarator 3R. • Các máy đo Ber: Default-> Visualzer-> Electrical-> Ber. demux 4x1: Defaults-> WDM multiplexrs lybrary-> 4.3 Thiết kế môi trường truyền dẫn: • Do môi trường truyền dẫn trong đề bài yêu cầu sử dụng sợi quang G655(sợi quang dịch tán sắc khác không) như vậy cần phải thiết kế sợi quang G655 với các thông số đặc trưng. Các tham số đặc trưng của sợi quang G 655. Chi tiết trong bảng sau. Edit by : Uy , Đức 5 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang  Tiêu chuẩn ITU –T G.655: NZ – DSF là loại cáp quang truyền tốc độ cao cự ly xa. Đặc biệt thích hợp cho hệ thống ghép bước sóng mật độ cao. Giá Trị ĐẶC ĐIỂM CHI TIẾT Dung sai Đường kính lớp vỏ Danh định Edit by : Uy , Đức Đvt A B C ± 0,7 ± 0,7 ± 0,7 mm 125 125 125 mm 6 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang phản xạ Dung sai ± 0,1 ± 0,1 ± 0,1 mm 0,8 0,8 0,8 mm 2,0 2,0 2,0 % 1450 1450 1450 Nm Bán kính uốn 30 30 30 mm Suy hao do uốn Số vòng cong uốn cong 100 100 100 Cực đại ở 1550nm 0,50 0,50 0,50 dB Nhỏ nhất 0,69 0,69 0,69 GPa Sai số đồng tâm Cực đại của sợi quang Độ không tròn đều của vỏ phản xạ Cực đại Bước sóng cắt đã Cực đại bọc thành cáp Ứng suất thử lmin vàlmax 1530 và 1625 Dmin Hệ số tán sắc Chromatic trong Dmax vùng bước sóng 1530 và 1565 Dấu Dmax Dmin Hệ số tán sắc lomin Edit by : Uy , Đức - 1530 và 1530 và 1625 1625 nm 0,1 1,0 1,0 Ps/nm*km 6,0 10,0 10,0 Ps/nm*km + or - + or - + or - - £ 5,0 £ 5,0 Ps/nm*km - TBD TBD - 7 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang Chromatic trong vàlomax vùng bước sóng Dmin 1565 và 1625 Dmax Bước Đường kính trường sóng mốt Danh định Dấu Hệ số tán sắc mốt phân cực của sợi Max quang không bọc - TBD TBD - - TBD TBD - 1550 1550 1550 nm 8 - 11 8 - 11 8 - 11 mm + or - + or - + or - Chú ý:1 Chú ý:1 Chú ý:1 Giá trị cáp quang ĐẶC ĐIỂM Hệ số tán sắc mốt phân cực của cáp quang. Hệ số suy hao Chú ý:1 Đvt CHI TIẾT A B C M 20 20 20 cables Q 0,01 0,01 0,01 % Cực đại PMDQ 0,5 0,5 0,2 Ps/km1/2 Max ở 1550 nm 0.35 0,35 0,35 dB/km  Đặc điểm của sợi quang G655 (NZ-DSF): Edit by : Uy , Đức 8 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Các sợi quang này có tán sắc mầu khoảng từ 1 đến 6 ps/nm.km hoặc -1 đến -6 ps/nm.km ở cửa sổ 1550nm. Điều này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến trong khi vẫn giữ được ưu điểm của các sợi DSF. • Tất cả các sợi NZ-DSF được chế tạo có giá trị tán sắc khác 0 rất nhỏ ở dải C nhưng vẫn có giá trị không ngoài dải C, nằm trong dải L hoặc dải S. Trong những trường hợp này một phần lớn của dải băng xung quanh bước sóng sẽ không dùng cho hiện tượng trộn 4 bước sóng. Như vậy sợi G655 sẽ làm giảm hiệu ứng trộn bốn bước sóng trong hệ thống WDM. • Tán sắc mầu ngoài việc phải có giá trị nhỏ, còn phải có độ dốc nhỏ (đối với bước sóng ). Độ dốc nhỏ làm giảm độ trải rộng xung do tán sắc tích lũy giữa các kênh khác nhau trong một hệ thống WDM. Nếu độ trải rộng nhỏ , tức là tán sắc màu tích lũy trên các kênh khác nhau gần như là đồng chất , có thể bù tán sắc màu tích lũy trên tất cả các kênh bằng một bộ bằng một bộ bù tán sắc duy nhất (DCF). Phương pháp này rẻ hơn nhiều khi sử dụng bù tán sắc trên mỗi kênh. • Độ dốc tán sắc mầu của các sợi True Wave RS có giá trị độ dốc tán sắc nhỏ hơn khoảng 0.05ps/nm.km2 • Độ dốc tán sắc đối với các sợi NRZ khác có giá trị trong khoảng 0.07 đến 0,4 ps/nm.km2 • Hệ số tán sắc mode phân cực PMD <= 0.1ps/(km)1/2 • Hệ số suy hao tối đa tại bước sóng 1550nm là :0.22dB/km.  Các bước thiết kế sợi G655: • Bước 1: Truy nhập thư viện : Defaults-> optical fibers library-> optical fibers. • Bước 2: Kích đúp vào sợi cáp và thay đổi các thông số của sợi. Khi kích đúp vào sợi quang thì xuất hiện bảng:  Mục Main • Label : cho phép ta thay đổi tên của sợi quạng (Đặt là G655). • Length : cho phép thay đổi chiều dài của sợi quang. • Attenuation: cho phép thay đổi suy hao sợi quang : với sợi này tại cửa sổ 1550 có suy hao là 0.35dB/km.  Mục Disp cho thay đổi giá trị của tán sắc và độ dốc tán sắc . Edit by : Uy , Đức 9 Nhóm 4 Thiết kế hệ thống thông tin quang • Dispersion: Nhập giá trị 6 ps/nm/km • Dispersion Slope: Nhập giá trị độ dốc tán sắc chọn giá trị 0.09 ( hoặc 0.07, 0.05 tùy ta dùng sợi dịch tán săc nào) ps/nm2/km. Thường thì ta chọn giá trị là 0.09ps/nm2/km. Mục PMD hệ số tán sắc mode phân cực có giá trị lớn nhất là 0.1ps/km1/2 Nhập giá trị này và tích vào mục Disp, kết thúc bằng OK.  Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng chúng ta sử dụng bộ Sloop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp. Cấu trúc truy nhập Loop : Defaults-> Tools-> Sloop control. Việc thay đổi giá trị Loop cho phép ta thay đổi số vòng lặp tùy theo chiều dài của sợi sử dụng, và nếu như hệ thống truyền tốc độ cao có sự suy hao tán sắc thì cần dùng thêm bộ bù tán sắc DCF hợp lý. Giả sử cự ly truyền dẫn là 600km: Nếu ta chọn sợi G655 dài 100Km, sợi DCF dài 10km thì ta sẽ Loop= 600/100= 6 lần. Việc thay đổi Loop cũng được thực hiện bởi việc kích đúp Loop control và thay đổi thông số, kết thúc bằng OK.  Thiết kế sợi bù tán sắc: Do sợi G655 có độ tán sắc nhỏ nên việc giảm tán sắc được thực hiện bằng sợi bù tán sắc DCF. Theo tính toán tính chất của sợi bù tán sắc ta chọn sợi tán sắc có chiều dài 10km + Tính toán thông số của sợi bù tán sắc: • Sợi G655 có chiều dài là L1= 100km. • Độ tán sắc là : D1= 4.4 ps/nm.km. • Độ dốc tán sắc : 0.09ps/nm^2.km. • Chiều dài sợi bù tán sắc ( DCF) là L2 =10km • Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2.= -100×4.4/10=- 44 ps/nm.km. • Độ dốc tán sắc :- 0.72ps/nm^2.km. Để thiết kế sợi DCF chúng ta thực hiện truy nhập thư viện : Defaults-> cable optical. Để lấy sợi quang và kéo ra màn hình layout. Sau đó kích đúp và thay đổi các thông số và kết thúc bằng OK Edit by : Uy , Đức 4 10 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang  Khuếch đại tín hiệu (EDFA): Defaults-> Amplifiers otipcal-> EDFA -> Optical Amplifier. Do tín hiệu được truyền trên sợi quang với cự ly truyền dẫn dài , nên gây ra suy hao sợi quang, và suy giảm công suất phát tín hiệu. Để khắc phục hiện tượng suy giảm công suất và suy hao tín hiện đối với hệ thống WDM sử dụng bộ khuếc đại EDFA. Với hệ số khuếch đại G đúng bằng lượng suy hao trên tuyến. Trong hệ thống G = 100 * 0.35 = 35 dB Việc thay đổi và nhập giá trị của EDFA thực hiên kích đúp và thay đổi giá trị , kết thúc bằng OK. Lắp đặt bố trí các thiết bị đo: 4.4. Các thiết bị đo được lấy trong thư viện cung cấp thiết bị đo. Tùy thuộc vào yêu cầu đo tín hiệu quang hay tín hiệu điện mà chúng ta sẽ thực hiện chọn thiết bị đo và bố trí phù hợp. • Các thiết bị đo điện: quan tâm tới thiết bị đo công suất, thiết bị phân tích phổ điện, thiết bị đo Ber, thiết bị Osilo. • Thiết bị đo quang: quan tâm chủ yếu thiết bị công suất quang, thiết bị phân tích phổ quang theo miền tần số, theo miền thời gian. 4.5. Mô hình mô phỏng toàn hệ thống 4.6 .Thiết lập thông số toàn cục Các tham số toàn cục bao gồm có: • Tốc độ bít ( bít rate)= 10Gbit/s • Chiều dài chuỗi bít (Bít Sequence length)= 128 bít. Edit by : Uy , Đức 4 11 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang • Số lượng mẫu trên mỗi bít ( Number of samples per bit)= 64. Các thông số toàn cục này sẽ ảnh hưởng tới tất cả các thành phần trong thiết kế có sử dụng. Các tham số trên được sử dụng để tính toán : • Cửa sổ thời gian (Time Window)= chiều dài chuỗi bít × 1/ tốc độ bít= -> cửa sổ thời gian = 128×1/ 10000000000= 12.8*10-9(s). • Số lượng mẫu (Number of samples)= chiều dài chuỗi bít* số mẫu trên một bít Số lượng mẫu = 128×64=8192. • Tốc độ lấy mẫu (sample rate)= số lượng mẫu / cửa sổ thời gian. Tốc độ lấy mẫu = 8192/ 12.8*10^-9= 640000000000(Hz).  Cách Thiết lập thông số toàn cục - Để thiết lập thông số toàn cục thực hiện như sau: • Cách 1: Kích đúp vào màn hình Layout. • Cách 2:Layout -> Parameters từ công cụ Menu. Khi đó màn hình parameters xuất hiện: Edit by : Uy , Đức 4 12 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang Thay đổi các thông số của các phần tử trong dự án • Thực hiện kích đúp vào phần tử cần thay đổi tham số -> hộp thoại về các tham số của phần tử xuất hiện . • Di chuyển con trỏ đến các giá trị thích hơp. • Tiến hành nhập giá trị cần thay đổi. Quan tâm tới ba chế độ của tham số là Norman, Script và Sweep: + Trong đó chế độ Scrip được thực hiện khi tham số này là tham số toàn cục, nó có liên quan đến tất cả các phần tử khác trong hệ thống. + Chế độ Sweep được sử dụng khi thực hiện quét tham số. • Hệ thống sử dụng có băng tần:∆f= 100 Ghz. • Bước sóng trung tâm sử dụng: λ=1552.52 nm. • Vận tốc ánh sáng : C=3*10 8m/s. • Khoảng cách các bước sóng: ∆λ=( ∆f ˣλ2 )/ C= 0.8nm. Giả sử chọn frequency của CW lazer = 1552 nm. Thì các kênh tiếp theo có giá trị hơn kém nhau là 0.8nm. Edit by : Uy , Đức 4 13 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang Tại mục Power cho phép ta nhập công suất phát quang có giá trị phù hợp với từng kênh  Quy tắc thay đổi giá trị của các tham số hệ thống: Do hệ thống truyền với tốc độ cao trên một cự ly dài. Tuy sợi quang dịch tán sắc có độ tán sắc nhỏ và độ dốc tán sắc nhỏ. Điều này làm giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến tới mạch nhưng đồng thời khi truyền các kênh có bước sóng tăng thì độ tán sắc này cũng tăng theo. Như vậy việc bù tán sắc là cần thiết để đạt chất lượng tín hiệu đầu ra cao, và BER có giá trị nhỏ. Ngoài tán sắc trên sợi quang còn có tán sắc sắc thể do các nguồn lazer không phát ra ánh sáng đơn sắc mà phát ra các chùm ánh sắng có dải tần rộng. Do chiết suất của vật liệu chế tạo sợi quang là silicat n phụ thuộc vào bước sóng λ . Mà v=C/nλ , với C là vận tốc ánh sáng =3*10^8( m/s) nên khi f thay đổi thì v thay đổi. Quy tắc thay đổi giá trị của các tham số hệ thống Thông số quan tâm đó là : • Chiều dài sợi G655 L1(Km), độ tán sắc D1(Ps/nm.km), Độ dốc tán sắc S1(ps/nm2.km), và hệ số tán sắc mode phân cực (PMD ) <= 0,2 ps/km1/2 . • Chiều dài sợi DCF L2(Km), độ tán sắc D2(ps/nm2 .km), Độ dốc tán sắc S2 Edit by : Uy , Đức 4 14 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang Quy tắc : chọn L2 càng nhỏ càng tốt , và ǀD2ǀ có giá trị càng lớn càng tốt (D2 nhận giá trị âm) Để bù tán sắc cho một kênh thì yêu cầu là : D1×L1 + D2×L2=0 D2=-(L1×D1)/L2. Để bù tán sắc cho nhiều kênh thì yêu cầu là: D1( λn)L1 +D2(λ2)L2= 0. Trong đó : λ(n) là bước sóng của kênh n. Nếu dùng DCF cho tất cả các kênh thì đường bao tán sắc S2 nên có “ giá trị âm”. S2= -S1(L1/L2)=-S1(D2/D1) • Kênh 1 (CH1): + Suy hao sợi G655 tại 1550nn = 0.35dB/km + Suy hao sợi DCF : 0.5dB/km. + Chiều dài sợi G655 : 100km. + Chiều dài sợi DCF: 10km. + G là hệ số khuếch đại EDFA (dB) • Thiết lập tham số quét: Tùy thuộc vào giá trị của tốc độ bit và các thông số mà ta có thể điều chỉnh dải công suất làm việc của bộ phát để tối ưu hóa tham số BER của hệ thống. - Để tiến hành thiết lập tham số quét ta thực hiện như sau: + Cách 1: ấn tổ hợp phím Ctrl +Home + Cách 2: Bước 1: Kích chuột vào nút Set Total Sweep Iterarion trên Layout Bar hộp thoại Total Parameter Sweep Iterations trên Layout Tool Bar xuất hiện Bước 2: Nhập giá trị số lần quét . Bước 3: Click chuột OK. - Để thay đổi số lần quét sử dụng Previous Sweep Interarion hoặc Next Interation trên Layout Toolbal để chuyển đổi số lần quét. Edit by : Uy , Đức 4 15 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang Thay đổi giá trị tham số quét: Sau khi đã chọn số lần quét thì chúng ta thực hiện nhập giá trị cần quét của tham số. Trước khi nhập tham số cần quét phải chuyển sang chế độ quét Sweep Mode. - Để chuyển sang chế độ quét cho tham số thực hiện như sau: + Lựa chọn Layout -> Parameter Sweep trên Menu Toolbar . Hộp thoại về các tham số của các phần tử như hình vẽ. Chủ yếu thiết lập quét tham số cho nguồn lazer . - + Kích đúp vào nguồn CW lazer Properies tại Mode kích chuột chọn Sweep. Kết thúc bằng OK Sau đó tiến hành điền tham số quét bằng cách click chuột vào Parameter Sweep trong cột Value. Kết thúc bằng OK. 5.2. Kết quả mô phỏng Sau khi đã thay đổi xong các tham số quét tiến hành bước tiếp theo. Chạy mô phỏng và hiển thị: Ấn tổ hợp (Ctrl F5), hoặc click Colculatol trên thanh công cụ.  Thông số nguồn Laser  Thông số bộ ghép kênh quang WDM: Edit by : Uy , Đức 4 16 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang  Thông số sợi quang:  Thông số bộ khuếch đại EDFA: 5.2.1. Kết quả mô phỏng theo phương án thiết kế ban đầu  Quang phổ tín hiệu phát: Edit by : Uy , Đức 4 17 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang  Quang phổ tín hiệu thu: Edit by : Uy , Đức 4 18 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang  Công suất tín hiệu phát:  Công suất tín hiệu thu:  Tỉ lệ lỗi bit BER: • Kênh 1 Edit by : Uy , Đức 4 19 Nhóm Thiết kế hệ thống thông tin quang • Kênh 2 Edit by : Uy , Đức 4 20 Nhóm