Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 I Mục lục Mục lục................................................................................................................................ I Thuật ngữ viết tắt .............................................................................................................. IV Danh mục hình vẽ ............................................................................................................. VI Danh mục bảng biểu ...................................................................................................... VIII Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang ..................................................... 1 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang ................................................................................ 1 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang .................................... 2 1.2.1. Suy hao ............................................................................................................. 3 1.2.2. Tán sắc .............................................................................................................. 4 1.2.3. Hiệu ứng phi tuyến ........................................................................................... 7 1.2.3.1. Tự điều chế pha SPM ................................................................................ 7 1.2.3.2. Điều chế chéo pha (XPM) ......................................................................... 9 1.2.3.3. Hiệu ứng trộn 4 sóng (FWM: four-wave mixing) .................................. 10 1.3. Tổng quan về các phương pháp thiết kế ................................................................ 12 1.3.1. Thiết kế theo phương pháp giải tích ............................................................... 12 1.3.1.1. Quỹ công suất .......................................................................................... 12 1.3.1.2. Quỹ thời gian lên ..................................................................................... 13 1.3.2. Thiết kế theo cách tiếp cận tiêu chuẩn ........................................................... 16 1.3.2.1. Tính tương thích ...................................................................................... 16 1.3.2.2. Phương pháp thiết kế với giá trị trong trường hợp xấu nhất ................... 18 1.3.2.3. Phương pháp thiết kế với giá trị thống kê ............................................... 18 Chương 2 Một số phương pháp tính toán trong thiết kế tuyến thông tin quang tốc độ cao ........................................................................................................................................... 21 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 II 2.1. Tính toán theo các giá trị giới hạn (worst case) của các tham số .......................... 21 2.1.1. Tính toán với tán sắc ...................................................................................... 21 2.1.1.1. Giới hạn tốc độ bit do tán sắc màu .......................................................... 21 2.1.1.2. Bù công suất do tán sắc màu ................................................................... 27 2.1.1.3. Thiết kế sử dụng bù tán sắc ..................................................................... 27 2.1.1.4. Dung sai theo tán sắc màu dư của hệ thống ............................................ 31 2.1.1.5. Ví dụ về hệ thống 4x40Gbps trên sợi G.652 với DCF............................ 33 2.1.2. Thiết kế tuyến điểm điểm dựa trên hệ số Q và OSNR ................................... 34 2.1.3. Tính toán OSNR cho tuyến điểm điểm .......................................................... 37 2.1.4. Tính toán với xuyên âm quang ....................................................................... 42 2.1.4.1. Khái niệm các thuật ngữ ......................................................................... 42 2.1.4.2. Xuyên âm liên kênh ................................................................................ 43 2.1.4.3. Xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa ........................................................ 47 2.1.5. Ví dụ ............................................................................................................... 50 2.2. Tính toán theo số liệu thống kê ............................................................................. 57 2.2.1. Phương pháp chung ........................................................................................ 57 2.2.1.1. Xác suất ngừng hoạt động của hệ thống ................................................. 57 2.2.1.2. Ngưỡng xác suất hoạt động trong hệ thống ............................................ 57 2.2.1.3. Thiết kề biểu đồ dòng .............................................................................. 58 2.2.2. Thiết kế suy hao thống kê ............................................................................... 60 2.2.3. Thiết kế thống kê tán sắc màu ........................................................................ 62 2.2.3.1. Cơ sở ....................................................................................................... 62 2.2.3.2. Các thống kê hệ số tán sắc màu .............................................................. 62 2.2.3.3. Các thống kê dạng chuỗi đối với các sợi quang ...................................... 65 Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 III 2.2.3.4. Ghép nối thống kê ................................................................................... 66 2.2.4. Thiết kế thống kê tán sắc mode phân cực ...................................................... 71 2.3. So sánh hai phương pháp ....................................................................................... 71 Kết luận ............................................................................................................................. 73 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 74 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IV Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bít CD Chromatic Dispersion Tán sắc màu DCF Dispersion Compensating Fiber Sợi bù tán sắc DCU Dispersion Compensate Unit Khối bù tán sắc DGD Diffirential Group Delay Trễ nhóm phân biệt DWDM Density Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại pha tạp Erbium EOL End Of Life Hết thời gian sử dụng FBG Fiber Bragg Grared Cách tử sợi Bragg FWHM Full Wide Half Maximum Độ rộng toàn phần tại nửa lớn nhất FWM Four Wave Mixing Hiệu ứng trộn bốn sóng GVD Group Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm LD Laser Diode Laze diode LED Light Emitting Diode Diode phát xạ quang Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 V MLM Muti Longitudinal Mode Laser đa mode MPI Multi Path Interference Nhiễu đa đường MPN Mode Partition Noise Tạp âm cạnh tranh mode NF Noise Factor Hệ số tạp âm NRZ Non Return to Zero Không trở về không OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu quang trên tạp âm pdf Probability density function Hàm mật độ xác suất p-i-n Positive Intrinsic Negative Cấu trúc PIN PMD Polarization Mode Dispersion Tán sắc phân cực mode rms Root mean square Trung bình quân phương RZ Return to Zero Trở về không SC Single Channel Đơn kênh SLM Single Longitudinal Mode Laser đơn mode SMF Single Mode Fiber Sợi đơn mode SMP Self Modulation Phase Tự điều chế pha WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng XMP Cross Modulation Phase Điều chế chéo pha Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VI Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. ............................. 1 Hình 1-2 Sự thay đổi của vận tốc nhóm theo bước sóng trong sợi quang ............... 6 Hình 1-3 Ảnh hưởng của tán sắc đến xung truyền .................................................. 6 Hình 1-4 Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung ................................................. 9 Hình 1-5 Hiệu năng trộn sóng với các mức khoảng cách khác ............................. 11 Hình 1-6 Tính tương thích ngang với hệ thống đơn nhịp ..................................... 16 Hình 1-7 Tính tương thích ngang với hệ thống đa nhịp ........................................ 17 Hình 1-8 Tính tương thích dọc của hệ thống đơn nhịp .......................................... 17 Hình 1-9 Tính tương thích chiều dọc lớp vật lý đa nhịp ........................................ 18 Hình 2-1 Tán sắc màu cực đại và độ rộng phổ nguồn tại bước sóng 1550nm ...... 25 Hình 2-2 Sự thay đổi của tán sắc cùng với bù công suất ....................................... 29 Hình 2-3 Vị trí của DCU trong hệ thống nhiều chặng và biều đồ tán sắc ............. 30 Hình 2-4 Sơ đồ tán sắc khi sử dụng kĩ thuật bù sau .............................................. 30 Hình 2-5 Đồ thị bù dạng mắt ................................................................................. 32 Hình 2-6 Sự khác nhau giữa tán sắc tích lũy của mỗi kênh và kênh thứ 3 ............ 34 Hình 2-7 Mối quan hệ giữa hệ số Q và tỉ số lỗi bít BER ....................................... 35 Hình 2-8 Bù hệ số Q do các hiệu ứng phi tuyến bởi tăng công suất đầu vào ........ 35 Hình 2-9 Hệ thống DWDM khuếch đại nhiểu tầng trong cấu hình điểm điểm ..... 38 Hình 2-10 Ví dụ bộ phân kênh đơn giản ................................................................ 44 Hình 2-11 Ví dụ bộ phân kênh ............................................................................... 45 Hình 2-12 Đồ thị điểm bù quang để chống lại xuyên âm liên kênh ...................... 46 Hình 2-13 Lược đồ điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa . 49 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VII Hình 2-14 Sơ đồ của điểm bù quang và nhiễu xuyên âm do dụng cụ đo giao thoa (mô hình Gausse) .............................................................................................................. 50 Hình 2-15 Biều đồ dòng chung và ví dụ tán sắc màu cực đại ............................... 60 Hình 2-16 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1560nm ....................................... 63 Hình 2-17 Biểu đồ hệ số tán sắc tại bước sóng 1530nm ....................................... 63 Hình 2-18 Hệ số tán sắc trung bình và bước sóng ................................................. 64 Hình 2-19 Hệ số độ lệch chuẩn tán sắc và bước sóng ........................................... 64 Hình 2-20 Hệ số tán sắc màu trung bình của sợi G.652 ........................................ 67 Hình 2-21 Độ lệch chuẩn của hệ số tán sắc màu đối với sợi G.652 ...................... 68 Hình 2-22 Giá trị bù tán sắc trung bình ................................................................. 69 Hình 2-23 Các giá trị độ lệch của cơ cấu bù tán sắc .............................................. 69 Hình 2-24 Giới hạn 3 σ khi kết hợp các cơ cấu bù và sợi G.652 ........................... 70 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 VIII Danh mục bảng biểu Bảng 1-1Quan hệ giữa tham số hệ thống và tham số phần tử ............................... 19 Bảng 2-1 Bù công suất cho một số giá trị epsilon ................................................. 23 Bảng 2-3 Tán sắc màu cực đại ............................................................................... 26 Bảng 2-4 Các giới hạn chiều dài tại bước sóng 1565nm ....................................... 26 Bảng 2-5 Tán sắc màu cực đại tại bước sóng 1550nm với bù công suất 2dB ....... 27 Bảng 2-7 Các giá trị của tán sắc màu [ps/nm] ....................................................... 34 Bảng 2-8 Suy hao xen do các phần tử hệ thống gây nên ....................................... 41 Bảng 2-9 Các thuật ngữ sử dụng ............................................................................ 43 Bảng 2-10 Giới hạn xác suất của hệ thống ............................................................ 58 Bảng 2-11 Một số giá trị ........................................................................................ 66 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 IX Lời nói đầu Hiện nay thông tin quang được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong lĩnh vực viễn thông. Ngay từ giai đoạn đầu, khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện các khả năng to lớn trong việc truyền tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của thế giới. Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn hẳn hệ thống cáp đồng truyền thống và hệ thống vô tuyến như : băng tần rộng, có cự ly thông tin lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ và khả năng bảo mật thông tin cao. Các hệ thống này không chỉ phụ hợp với các tuyến thông tin lớn như tuyến đường trục, tuyến xuyên đại dương... mà còn có tiềm năng trong các hệ thông thông tin nội hạt với cấu trúc linh hoạt và khả năng đáp ứng các loại hình dịch vụ trong hiện đại và cả tương lai. Tuy nhiên để tạo ra được một tuyến thông tin quang có hiệu quả cao thì không phải đơn giản. Đó chính là công việc của thiết kết tuyến thông tin quang. Thiết kế tuyến thông tin quang bao gồm nhiều giai đoạn như khảo sát địa hình, chọn băng sóng, chọn các thiết bị… Trong đó việc tính toán các tham số quang là giai đoạn đặc biệt quan trọng. Nó quyết định và ảnh hưởng đến các giai đoạn khác. Vì vậy, việc tính toán các tham số quang một cách đúng đắn để có các dự trữ phù hợp là một công việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế tuyến thông tin quang. Với nhận thức trên về tầm quan trọng của việc tính toán các tham số thông tin quang, cùng với sự hướng dẫn của TS. Bùi Trung Hiếu, Ths. Vũ Hoàng Sơn, đồ án của em trình bày về một số phương pháp tính toán trong hệ thống thông tin quang tốc độ cao. Các phương pháp tính toán tham số quang dựa theo cách tiếp cận tiêu chuẩn được ITU – T quy định. Bố cục đồ án gồm 2 chương: Chương 1: Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang: Khái quát về một số phương pháp thiết kế thông tin quang. Giới thiệu các phương pháp tính toán trong thiết kế xấu nhất và theo thống kê. Chương 2: Trình bày: “Một số phương pháp tính toán tham số thông tin quang tốc độ cao”. Trong chương này nêu ra cách tính các tham số trong theo phương pháp thiết kế xấu nhất và thống kê. Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 X Do vấn đề tìm hiểu rất rộng và trình độ chưa cho phép nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Em mong được sự chỉ bảo và góp ý tù phía các thầy, cô giáo cùng các bạn để đồ án hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Trung Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này và các thầy cô trong bộ môn Thông tin quang – khoa Viễn thông I đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian thực tập đồ án. Em cũng chân thành cảm ơn Ths Vũ Hoàng Sơn – Viện khoa học Bưu Điện đã hướng dẫn em trong thời gian thực tập tốt nghiệp và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội ngày 17 tháng 10 năm 2008 Sinh viên Lê Đức Vượng Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 1 Chương 1 Tổng quan về thiết kế tuyến thông tin quang 1.1. Mô hình tuyến thông tin quang Một hệ thống thông tin quang bao gồm các thành phần cơ bản: Phần phát quang, sợi quang, và phần thu quang. Hình 1-1 là mô hình tổng quát của hệ thống thông tin quang. Hình 1-1 Mô hình truyền thông tin với các thành phần cơ bản. Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển. Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tùy thuộc vào các kỹ thuật điều biến. Nguồn phát quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin. Có hai loại nguồn sáng được dùng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting Diode) và LD (Laser Diode). Sợi quang là môi trường truyền dẫn trong thông tin quang. So với môi trường truyền dẫn khác như môi trường không khí trong thông tin vô tuyến và môi trường cáp kim loại thì truyền dẫn bằng sợi quang có nhièu ưu điểm nổi bật đó là : hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường ngoài, băng tần truyền dẫn lớn, và suy hao thấp. Với những ưu điểm đó, cùng với nhiều tiến bộ trong lĩnh vực thông tin quang, sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống vượt đại dương. Chúng vừa đáp ứng được khoảng cách vừa đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao. Sợi quang có 3 loại chính là : sợi quang đa mode chiết suất nhảy bậc, sợi đa mode chiết suất biến đổi và sợi quang đơn mode. Tùy thuộc vào hệ thống mà loại sợi quang nào được sử dụng, tuy nhiên hiện nay các hệ thống thường sử dụng sợi đơn mode để truyền dẫn vì ưu điểm của loại sợi này. Nơi phát tín hiệu Thiết bị phát Môi trường truyền dẫn Thiết bị thu Nơi thu tín hiệu đến Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 2 Phần thu quang có chức năng để chuyển tín hiệu quang thu được thành tín hiệu băng tần cơ sở ban đầu. Nó bao gồm bộ tách sóng quang và các mạch xử lý điện. Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD. Các mạch xử lý tín hiệu điện này có thể bao gồm các mạch khuếch đại, lọc và mạch tái sinh. 1.2. Các tham số ảnh hưởng đến thiết kế tuyến thông tin quang Khi thiết kế tuyến thông thông quang, cần phải xét đến ảnh hưởng của các tham số. Các tham số ảnh hưởng đến khả năng của hệ thống thông tin quang, bao gồm:  Suy hao.  Tán sắc.  Các hiện tượng phi tuyến xảy ra trong sợi quang.  Quỹ thời gian  Nhiễu Tuy nhiên đối với các hệ thống khác nhau thì mức độ ảnh hưởng của các tham số này cũng khác nhau. Với các hệ thống có cự ly không quá dài thì tham số quỹ thời gian luôn được đảm bảo. Còn đối với nhiễu thì chủ yếu là do thiết bị quyết định, vấn đề này lại phụ thuộc vào nhà sản xuất thiết bị. Do đó, ở đây chủ yếu xét đến các tham số ảnh hưởng là suy hao, tán sắc, và hiệu ứng phi tuyến. Các tham số này cũng ảnh hưởng khác nhau với các hệ thống khác nhau.  Đối với các hệ thống cự ly ngắn, dung lượng thấp thì tham số chủ yếu cần quan tâm là suy hao.  Đối với các hệ thống tốc độ cao, cự ly tương đối lớn thì tham số quan tâm gồm có suy hao và tán sắc.  Đối với các hệ thống WDM cự ly dài và dung lượng rất lớn thì ngoài 2 tham số trên cần phải xem xét đến cả các hiệu ứng phi tuyến. Các tham số trong hiệu ứng phi tuyến thì có các hiệu ứng Kerr và hiệu ứng tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và hiệu ứng tán xạ do kích thích Raman (SRS). Trong hiệu ứng Kerr thì lại bao gồm hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và hiệu ứng điều chế pha chéo. Tuy nhiên trong phần hiệu ứng phi tuyến này, chỉ Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Tổng quan về thiết kế Sinh viên: Lê Đức Vượng Lớp D04VT2 3 xét ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng, hiệu ứng tự điều chế pha, và điều chế pha chéo. Dưới đây xét đến ảnh hưởng của các tham số này 1.2.1. Suy hao Việc truyền dẫn tín hiệu ánh sáng từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó có tác động vào quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ của một hệ thống truyền dẫn cũng như xác định cấu hình