Tài liệu Sử dụng phần mềm optisystem để khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến hệ thống thông tin quang

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG --------------------------------------- BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Bài mô phỏng số 1: Sử dụng phần mềm Optisystem để khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến hệ thống thông tin quang. Giảng viên: Tô Thị Tuyết Nhung Hà Nội, tháng 9, năm 2020 MỤC LỤC PHẦN I. LÝ THUYẾT VỀ THÔNG TIN QUANG.............................................1 1. Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn thông tin quang......................................1 2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang....................................................2 PHẦN II. THỰC HÀNH.........................................................................................4 1.Sơ đồ hệ thống...................................................................................................4 2. Xây dựng hệ thống thông và kết quả..............................................................4 2.1 Yêu cầu thiết kế..........................................................................................4 2.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế...........................................................5 2.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế................................................11 3, Tổng kết..........................................................................................................27 NHẬN XÉT.............................................................................................................28 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2-1: Thiết lập tham số toàn cục.........................................................................5 Hình 2-2: Nguồn Laser phát CW Laser.....................................................................6 Hình 2-3: Bộ tạo xung NRZ.......................................................................................7 Hình 2-4: Bộ tạo chuỗi bít..........................................................................................7 Hình 2-5: Bộ điều chế Mach-Zehnder.......................................................................8 Hình 2-6: Tuyến truyền dẫn quang............................................................................8 Hình 2-7: Bộ lặp.........................................................................................................9 Hình 2-8: Thông số sợi bù tán sắc DCF...................................................................10 Hình 2-9: Độ lợi của bộ khuếch đại.........................................................................10 Hình 2-10: Tuyến thu của hệ thống..........................................................................11 Hình 2-11: BER Analyzer........................................................................................11 Hình 2-12: Hệ thống quang đơn kênh theo yêu cầu.................................................12 Hình 2-13: Đặt các thiết bị đo vào vị trí phù hợp....................................................12 Hình 2-14: Tổng công suất phát...............................................................................13 Hình 2-15: Công suất thu của kênh..........................................................................13 Hình 2-16: Quang phổ tín hiệu phát.........................................................................13 Hình 2-17: Quang phổ tín hiệu đầu thu....................................................................14 Hình 2-18: Phổ miền thời gian quang phía phát......................................................14 Hình 2-19: Phổ miền thời gian quang phía thu........................................................15 Hình 2-20: BER của kênh là 0.09............................................................................15 Hình 2-21: Hiển thị mắt quang.................................................................................16 Hình 2-22: Thay đổi công suất phát quang..............................................................16 Hình 2-23: Đo tỉ số BER của kênh...........................................................................17 Hình 2-24: Thay đổi bước sóng sợi quang...............................................................17 Hình 2-25: Đo tỉ số BER của kênh..........................................................................18 Hình 2-26: Điều chỉnh số vòng lặp..........................................................................18 Hình 2-27: Giữ bước sóng 1550nm.........................................................................19 Hình 2-28: Đồ thị BER............................................................................................19 Hình 2-29: Q Factor + Eye Diagram........................................................................20 Hình 2-30: Thực hiện nhập số lần quét....................................................................20 Hình 2-31: Chuyển chế độ cho Power để nhập giá trị quét.....................................21 Hình 2-32: Chọn Linear để nhập tham số quét tự động...........................................21 Hình 2-33: Đồ thị BER............................................................................................22 Hình 2-34: Mắt quang..............................................................................................22 Hình 2-35: Power.....................................................................................................23 Hình 2-36: Min log of BER.....................................................................................24 Hình 2-37: Q Factor at User define decision Instant................................................24 Hình 2-38: Nhập lại giá trị công suất phát...............................................................25 Hình 2-39: Hiển thị BER.........................................................................................25 Hình 2-40: Hiển thị mắt quang.................................................................................26 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật viễn thông nói riêng. Nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực ngày càng cao đối với tăng dung lượng thông tin. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật chuyển mạch, kỹ thuật truyền dẫn cũng không ngừng đạt được những thành tựu to lớn, đặc biệt là kỹ thuật truyền dẫn trên môi trường cáp sợi quang. Tương lai cáp sợi quang được sử dụng rộng rãi trên mạng viễn thông và được coi như là một môi trường truyền dẫn lý tưởng mà không có một môi trường truyền dẫn nào có thể thay thế được. Các hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng thông rộng, cự ly xa, không ảnh hưởng của nhiễu và khả năng bảo mật cao, phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa đường trục và có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với các cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Cùng với sự bùng nổ về nhu cầu thông tin, các hệ thống thông tin quang ngày càng trở nên phức tạp. Để phân tích, thiết kế các hệ thống này bắt buộc phải sử dụng các công cụ mô phỏng. OptiSystem là phần mềm mô phỏng hệ thống thông tin quang. Phần mềm này có khả năng thiết kế, đo kiểm tra và thực hiện tối ưu hóa rất nhiều loại tuyến thông tin quang, dựa trên khả năng mô hình hóa các hệ thống thông tin quang trong thực tế. Với bài toán: “Khảo sát ảnh hưởng của sợi quang đến thông tin quang”, em xin trình bày về một hệ thống thông tin quang đơn kênh đơn giản để làm rõ sự ảnh hưởng của sợi quang đến chất lượng của hệ thống thông tin quang sử dụng phần mền OptiSystem. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do trình độ còn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của cô, các bạn để bài tập của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! 1 PHẦN I. LÝ THUYẾT VỀ THÔNG TIN QUANG 1. Ưu điểm của hệ thống truyền dẫn thông tin quang - Độ rộng băng thông lớn (khoảng 15THz ở bước sóng nm) cho phép các hệ thống WDM dung lượng lớn phát triển. - Dung lượng tải cao hơn bởi vì sợi quang mỏng hơn cáp đồng, nhiều sợi quang có thể được bó vào với đường kính đã cho hơn cáp đồng. Điều này cho phép nhiều kênh đi qua cáp hơn. - Suy giảm tín hiệu ít nên tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng. Suy hao khi truyền dẫ sợi quang nhỏ đặc biệt ở vùng bước song 1300nm và 1500nm. - Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng cáp. Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn. Ví dụ BER của sóng viba từ 10 -3 ÷ 10-5 và BER của sợi quang thấp hơn từ 10-9 ÷ 10-11 - Tốc độ truyền tín hiệu cao với tốc độ truyền ánh ánh sáng 3.10 8 m/s. - Đường kính nhỏ, trọng lượng bé của sợi quang làm giảm khoảng không trong quá trình lắp đặt cáp. - Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao và băng rộng. - Cho phép suy hao giữ máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả năng phản xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Thông tin quang còn cho phép truyền dẫn các tín hiệu có bước sóng khác nhau. - Độ tin cậy cao vì tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, không gây nhiễu ra ngoài, sự xuyên âm giữa các sợi quang và 2 cũng không chịu sự ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài như sóng điện từ, gió, sấm sét, … do sợi bằng thủy tinh. - Môi trường truyền dẫn là điện môi nên không gây các hiện tượng đánh lửa, có tính cách điện cao, nên không có nguy cơ hỏa hoạn xảy ra. - An toàn thông tin cao hơn vì việc lấy cắp thoogn tin từ tín hiệu quang trên đường truyền là vô cùng khó khăn. - Chức năng xen/rẽ kênh đơn giản, vật liệu chế tạo sợi quang có sẵn trong tự nhiên, có băng thông lớn, tổn hao nhỏ, kích thước rọng lượng nhỏ nhẹ, nên chi phí của một hệ thống quang có chi phí thấp. - Làm nền tảng của nhiều dịch vụ tương lai. - Kết nối dễ dàng với các hệ thống khác. - Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng DWDM sẵn sàng được sử dụng thay thế cho SDH. - Từ một mạng LAN trong văn phòng có thể trở thành mạng LAN quy mô nhà máy, khu công nghiệp, cao ốc… - Không lo sét đánh lan truyền hay trực tiếp tác động đến hệ thống. - Không suy hao theo thời gian, công việc bảo hành, khắc phục sự cố gọn nhẹ, nhanh chóng. 2. Nhược điểm của hệ thống thông tin quang - Công nghệ chế tạo khó, hàn nối phức tạp, yêu cầu cáp phải càng thẳng càng tốt, không gập. - Không thể truyền mã lưỡng cực - Cáp nhanh hỏng khi bị nước hay hơi lọt vào, các mối hàn có thể nhanh chóng lão hóa làm tổn hao quá trình truyền dẫn. - Chi phí hàn nối và thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng. - Dễ gãy dứt và khó khan trong việc thi công ở các địa hình phức tạp. 3 - Không truyền dẫn được nguồn năng lượng có công suất lớn, chỉ hạn chế ở mức công suất cỡ vài miliwat. - Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li của hệ thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dung cap kim loại. - Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối nhất là trong vệc hàn nối. - Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian khó vì không lợi dụng luôn được đường truyền như ở trong hệ thống thông tin điện. 4 PHẦN II. THỰC HÀNH 1.Sơ đồ hệ thống Bộ phát quang Sợi SMF Bộ khuếch đại Bộ thu quang BER Sơ đồ của hệ thống được mô tả như hình trên, bao gồm:  Bộ phát quang.  Một chặng (span) bao gồm sợi SMF và bộ khuếch đại.  Bộ thu quang.  Thiết bị hiển thị BER. 2. Xây dựng hệ thống thông và kết quả. 2.1 Yêu cầu thiết kế Bài toán: Sử dụng phần mềm optisystem mô phỏng hệ thống thông tin quang đơn kênh với các thông số như sau: Tham số toàn cục:  Tốc độ bít 2,5Gbps  Chiều dài chuỗi 128bits  Số mẫu trong một bít 64 Đưa 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 và dạng tín hiệu tại các điểm cần thiết trên tuyến.  Thiết bị phân tích phổ quang  Thiết bị đo công suất quang  Thiết bị đo BER Chạy mô phỏng trên phần mềm OptiSystem 5 Hiển thị các kết quả mô phỏng bằng thiết bị đo đặt trên tuyến Thay đổi các tham số  Bước sóng sợi quang  Công suất nguồn phát  Chiều dài sợi quang 2.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế Kênh quang bao gồm nguồn phát quang Lazer CW lazer, bộ phát xung NRZ Pulse Genarator, bộ phát bit điện Pseudom-Radom Bit Sequence Genarator, bộ điều chế Machzehnder. Thiết lập tham số toàn cục Bit rate = 2.5e + 009 bit/s = 2,5Gbps Bit sequence length = 128 bits Samples per bit = 64 Số mẫu = Chiều dài chuỗi × Số mẫu trong một trong một bit = 128×64=8192 6 Hình 2-1: Thiết lập tham số toàn cục Nguồn phát Sử dụng nguồn CW Laser (continous Wave Laser): nhằm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi. Laser “Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation” Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ kích thích.Hoạt động của Laser dựa trên hai hiện tượng chính là: Hiện tượng bức xạ kích thích và hiện tượng cộng hưởng của sóng ánh sáng khi lan truyền trong Laser. 7 Hình 2-2: Nguồn Laser phát CW Laser Bộ tạo xung NRZ Hình 2-3: Bộ tạo xung NRZ 8 Bộ tạo chuỗi bit Hình 2-4: Bộ tạo chuỗi bít Bộ điều chế ngoài Hình 2-5: Bộ điều chế Mach-Zehnder Tuyến truyền dẫn quang 9 Hình 2-6: Tuyến truyền dẫn quang Sợi quang sử dụng sợi quang đơn mode chuẩn có các tham số tại cửa sổ truyền 1550nm thì:  Suy hao sợi: 0.2dB/km  Độ tán sắc: 16.75ps/nm/km  Độ dốc tán sắc: 0.075ps/nm^2/km Do khoảng cách đường truyền lớn để thuận tiện cho việc mô phỏng em sử dụng bộ Loop đóng vai trò như một bộ nhân các vòng lặp. Chọn chiều dài sợi là 50km, số bộ lặp là: 400km÷50km=8 bộ. 10 Hình 2-7: Bộ lặp Do sợi quang có suy hao tán sắc nên trong tuyến truyền dẫn sẽ sử dụng bộ bù tán sắc DCF. Thông số của bộ bù tán sắc:  Giả sử sợi có chiều dài là L1=40km.  Độ tán sắc là: D1= 16.75 ps/nm/km.  Độ dốc tán sắc: S1 = 0.075ps/nm^2.km.  Chiều dài sợi bù tán sắc (DC) là L2= 50km - 40km=10km  Thì độ bù tán sắc D2= -D1×L1/L2= -40×16.75/10= -67 ps/nm/km.  Độ dốc tán sắc: S2 = -S1 * (D2/D1) =0.3ps/nm^2.km. 11 Hình 2-8: Thông số sợi bù tán sắc DCF Khuếch đại quang EDFA: Do suy hao sợi quang nên cần sử dụng bộ khuếch đại EDFA để bù suy hao sợi. +L1=40km thì suy hao sợi là: 40×0.2=8dB Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 8dB + L2=10km thì suy hao sợi là: 10×0.2=5dB Độ lợi của bộ khuếch đại EDFA là 5dB Hình 2-9: Độ lợi của bộ khuếch đại 12 Tuyến thu của hệ thống Hình 2-10: Tuyến thu của hệ thống Thiết bị đo BER Hình 2-11: BER Analyzer 2.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế 13 Hình 2-12: Hệ thống quang đơn kênh theo yêu cầu Đưa các thiết bị đo vào mô hình mô phỏng. Hình 2-13: Đặt các thiết bị đo vào vị trí phù hợp Kết quả mô phỏng  Công suất tín hiệu phát 14 Hình 2-14: Tổng công suất phát  Công suất tín hiệu thu Hình 2-15: Công suất thu của kênh  Quang phổ tín hiệu phát Hình 2-16: Quang phổ tín hiệu phát