Đồ án Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang WDM sử dụng phần mềm Optisystem

Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1 Danh mục hình vẽ ............................................................................................................... 4 LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 7 CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG WDM ............ 8 1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 8 1.2. Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................................. 8 1.3 Phân loại hệ thống WDM ..................................................................................... 9 1.4 Các phần tử cơ bản trong hệ thống WDM ....................................................... 10 1.4.1 Bộ phát quang ................................................................................................ 10 1.4.2 Bộ thu quang .................................................................................................. 12 1.4.3 Sợi quang ........................................................................................................... 13 1.4.4. Bộ tách / ghép bước song: ( OMUX/ODEMUX) ............................................. 14 1.4.5. Bộ xen / rẽ bước sóng: ( OADM) ...................................................................... 15 1.4.6. Bộ nối chéo quang: (OXC) ............................................................................ 17 1.4.7. Bộ khuếch đại quang: (OA - Optical Amplifier): ......................................... 18 1.4.8. Bộ chuyển đổi bước song ............................................................................... 19 1.5. Các tham số cơ bản của gép kênh quang theo bƣớc sóng ............................... 20 1.5.1 Suy hao xen ......................................................................................................... 20 1.5.2. Xuyên kênh .................................................................................................... 20 1.5.3. Độ rộng kênh .................................................................................................. 22 1.5.4. Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến .......................................................... 23 1.6. Cấu trúc mạng truyền tải quang ......................................................................... 24 1.6.1. Cấu trúc mạng Ring ........................................................................................... 24 1.6.2. Cấu trúc mạng Mesh .......................................................................................... 24 1.6.3. Cấu trúc mạng hình sao ..................................................................................... 25 1.6.4. Cấu trúc mạng Mesh và Ring hai lớp ................................................................ 26 1.7 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WDM ................................................................. 27 1.8 Bộ khuếch đại quang EDFA .............................................................................. 27 1.8.1 Các cấu trúc EDFA ............................................................................................. 27 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 2 1.8.2 Lý thuyết khuếch đại trong EDFA...................................................................... 29 1.8.3 Yêu cầu đối với nguồn bơm................................................................................ 31 1.8.4 Phổ khuếch đại ................................................................................................... 33 1.8.5. Các tính chất của EDFA .................................................................................... 34 1.8.6. Nhiễu trong bộ khuếch đại ................................................................................. 36 1.8.7 Ưu khuyết điểm của EDFA ................................................................................ 38 CHƢƠNG II – MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN QUANG WDM BẰNG PHẦN MỀM OPTISYSTEM ....................................................................................................... 39 2.1. Tổng quan về phần mềm Optisystem ................................................................... 39 2.1.1. Lợi ích ................................................................................................................ 39 2.1.2. Ứng dụng ........................................................................................................... 40 2.2. Đặc điểm và chức năng .......................................................................................... 40 2.2.1. Cấu tạo thư viện (Component Library) .............................................................. 40 2.2.2. Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave ................................................ 41 2.2.3. Các công cụ hiển thị .......................................................................................... 42 2.3. Tóm tắt hƣớng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ........................................... 42 2.3.1. Yêu cầu chung ................................................................................................... 42 2.3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm optisystem ...................................................... 45 2.3.3 Tạo một dự án mới .............................................................................................. 50 2.3.4. Hiển thị và thay đổi tham số của các phần tử trong dự án................................. 52 2.3.5. Chạy mô phỏng .................................................................................................. 58 2.4. Mô hình mô phỏng ................................................................................................. 66 2.4.1 Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 66 2.4.2 Mô phỏng theo phương án thiết kế ..................................................................... 68 2.4.2.1 Tuyến phát quang: chọn cửa sổ truyền 1550nm EDFA ở băng C ............... 68 2.4.2.2 Tuyến truyền dẫn quang ............................................................................... 71 2.4.4.3 Tuyến thu của hệ thống WDM ...................................................................... 74 2.4.3 Kết quả mô phỏng theo yêu cầu thiết kế ............................................................ 75 2.4.4. Kết quả mô phỏng thay đổi các tham số để đạt BER=10-12 .............................. 79 Tài Liệu Tham Khảo .......................................................................................... 83 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 3 THU T NG V TỪ VIẾT T T GVD Group velocity dispersion Nhóm hệ số tán sắc OADM Optical add/drop multiplexer Bộ xen rớt quang BER Bit error rate Tốc độ lỗi bit OTN Optical transport network Mạng truyền tải quang DCF Dispersion sompensating fiber Sợi bù tán sắc DEMUX Demultipplexer Bộ tách kênh SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi quang trộn Erbium FWM Four wave mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng LASER Light amplication by stimulated emission of radiation Khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ kích thích MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NF Noise figure Nền nhiễu SBS Stimulated brillouin scattering Tán xạ do kích thích Brillouin CATV Cable television Cáp tivi OLT Optical line terminal Bộ đầu cuối đường quang OSC Optical supervisory channel Kênh giám sát đường quang EDF Erbium doped fiber Sợi quang pha ion đất hiếm Erbium OXC Optical cross connector Bộ kết nối chéo quang PMD Polarisation mode dispersion Hệ số tán sắc phân cực mode APS Automatic protection switching Chuyển mạch bảo vệ tự động PON Pass optical network Mạng quang thụ động WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng SMF Single mode fiber Sợi đơn mode TDM Time division multiplexing Bộ ghép kênh phân chia theo thời gian SPM Self phase modulation Hiệu ứng tự điều chế dịch pha Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 4 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ chức năng hệ thống WDM ............................................................ 6 Hình 1.2: Hệ thống ghép bước sóng đơn hướng và song hướng ...................................... 6 Hình 1.3 : Sơ đồ bộ điều chế ngoài ................................................................................... 8 Hình 1.4 : Sơ đồ khối bên thu ............................................................................................ 9 Hình 1.5 : Cấu trúc tổng quát sợi quang ........................................................................... 10 Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ ghép/ tách kênh bước sóng ......................................................... 11 Hình 1.7 Cấu trúc song song ............................................................................................. 12 Hình 1.8 : Cấu trúc song song theo băng .......................................................................... 12 Hình 1.9 : Cấu trúc nối tiếp ............................................................................................... 13 Hình 1.10 : Cấu trúc xen rớt theo băng sóng .................................................................... 13 Hình 1.11 : Sơ đồ kết nối OXC .......................................................................................... 14 Hình 1.12 : Khuếch đại quang OLA .................................................................................. 15 Hình 1.13: Xuyên kênh ở bộ giải ghép .............................................................................. 18 Hình 1.14: Xuyên kênh ở bộ ghép hỗn hợp ....................................................................... 18 Hình 1.15 : Cấu trúc mạng Ring ....................................................................................... 21 Hình 1.16 : Cấu trúc mạng Mesh ...................................................................................... 21 Hình 1.17 : Cấu trúc mạng hình sao đơn .......................................................................... 22 Hình 1.18: Cấu trúc mạng hình sao kép ........................................................................... 22 Hình 1.19 : Cấu trúc mạng hình Ring hai lớp ................................................................... 23 Hình 1.20: Cấu trúc tổng quát của một bộ khuếch đại EDFA .......................................... 24 Hình 1.21: Mặt cắt ngang của một loại sợi quang pha ion Erbium ................................. 25 Hình 1.22: Giản đồ phân bố năng lượng của ion Er3+ trong sợi silica .......................... 26 Hình 1.23 Phổ hấp thụ ...................................................................................................... 27 Hình 1.24: Quá trình khuếch đại tín hiệu ......................................................................... 28 Hình 1.25: Cấu hình bộ khuếch đại EDFA được bơm kép [11]. ...................................... 30 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 5 Hình 1.26 Cấu hình của một bộ khuếch băng L ................................................................ 31 Hình 1.27: Đồ thị biểu diễn công suất ra bão hoà. .......................................................... 33 Hình 1.28 (a) Hệ số nhiễu FN và (b) Độ lợi của EDFA ................................................... 34 Hình 2.1: Thành phần trình diễn ....................................................................................... 42 Hình 2.2: Thư viện các phần tử ......................................................................................... 42 Hình 2.3: Giao diện thư viện ............................................................................................. 44 Hình 2.4. Giao diện người sử dụng ................................................................................... 44 Hình 2.5: Project Browser ................................................................................................. 45 Hình 2.6: Description ........................................................................................................ 45 Hình 2.7: Status bar ........................................................................................................... 46 Hình 2.8: Menu bar ........................................................................................................... 46 Hình 2.9: Pan window ....................................................................................................... 46 Hình 2.10: Tool bars ......................................................................................................... 47 Hình2.11. Cửa số Project layout ....................................................................................... 47 Hình 2.12. Đặt phần tử vào Main layout ........................................................................... 48 Hình 2.13: Kích hoạt kết nối tự động ................................................................................ 48 Hình 2.14:Hủy bỏ chế độ kết nối tự động ......................................................................... 48 Hình 2.15 :màn hình Parameters ..................................................................................... 49 Hình 2.16 :Chọn trường thay đổi tốc độ bít ...................................................................... 50 Hình 2.17 : Nhập tốc độ bít muốn thay đổi ...................................................................... 51 Hình2.18 : Thiết lập cửa sổ thời gian thực ....................................................................... 52 Hình 2.19 : Thay đổi công suất phát quang ...................................................................... 53 Hình 2.20: Giao diện màn hình chạy mô phỏng ........................................................... 55 Hình 2.21 : Chạy chương trình ........................................................................................ 56 Hình 2.22: Đo tỉ số BER của kênh .................................................................................... 57 Hình 2.23 : Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 58 Hình 2.24: Thiết lập tham số quyét ................................................................................... 59 Hình 2.25: Chuyển đổi số lần quét. ................................................................................. 60 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 6 Hình 2.26: Hộp thoại chuyển sang chế độ quét cho tham số ........................................... 61 Hình 2.27: Chọn chế độ của tham số ............................................................................... 61 Hình 2.28:. Các bước để hiển thị kết quả mô phỏng quét tham số ................................... 63 Hình 2.29: Thiết lập tham số toàn cục .............................................................................. 65 Hình 2.30: Nguồn Laser phát CW Laser ........................................................................... 66 Hình 2.31: Bộ tạo xung RZ ................................................................................................ 66 Hình 2.32. Bộ tạo chuỗi bít ............................................................................................... 66 Hình 2.33: Bộ điều chế Mach-Zehnder ............................................................................. 67 Hình 2.34: Bộ ghép kênh MUX 4×1. ............................................................................... 67 Hình 2.35: Tuyến phát quang ............................................................................................ 68 Hình 2.36. Tuyến truyền dẫn quang .................................................................................. 68 Hình 2.37. Bộ lặp .............................................................................................................. 69 Hình 2.38. Thông số sợi bù tán sắc DCF .......................................................................... 70 Hình 2.39. Tuyến thu WDM ............................................................................................... 71 Hình 2.40. Thiết bị đo BER ............................................................................................... 71 Hình 2.41. Tuyến WDM thiết kế theo yêu cầu .................................................................. 72 Hình 2.42. Quang phổ tín hiệu phát .................................................................................. 73 Hình 2.43. Quang phổ tín hiệu đầu thu kênh thứ 3. ..................................................... 73 Hình 2.44. Tổng công suất phát ........................................................................................ 74 Hình 2.45. Công suất thu của kênh 4. ......................................................................... 74 Hình 2.46. Hiển thị mắt quang ......................................................................................... 75 Hình 2.47. BER của kênh thứ nhất là 10-13 ........................................................................................................... 75 Hình 2.48. Thay đổi công suất Laser phát ........................................................................ 76 Hình 2.49. Hệ số suy hao sợi quang thay đổi .................................................................... 76 Hình 2.50. BER của kênh thứ nhất đạt 10-12 ........................................................................................................ 77 Hình 2.51. BER đạt 10-12 khi thay đổi một số tham số ...................................................... 77 Bộ môn Thông tin quang 2 Th.s Cao Hồng Sơn Thiết kế và mô phỏng hệ thống thông tin quang Nhóm 2 WDM sử dụng phần mềm Optisystem 7 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. Ta có thể thấy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số hạn chế về chất lượng truyền dẫn do băng thông còn hẹp, khoảng cách truyền dẫn ngắn, vì thế yêu cầu đặt ra là phải tăng chất lượng cũng như cự ly đường truyền cho chế độ thông tin quang hiện nay. Giải pháp được đưa ra ở đây là công nghệ ghép kênh theo bước