THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ WDM TỐC ĐỘ 40Gb/s

Đồ án tốt nghiệp



Sự đánh giá của BER và hình phạt hệ thống khác nhau mô hình

Khuyếch đại hệ thống BER và tính toán ngân sách liên kết

“As optical systems become more and more complex, scientists and engineers

must increasingly adopt advanced software simulation techniques for vital assistance

with design issues. OptiSystem’s power & flexibility facilitates efficient & effective

photonic designs.”

"Khi hệ thống quang học trở nên nhiều hơn và phức tạp hơn, các nhà khoa học

và kỹ sư ngày càng phải thông qua tiên tiến phần mềm mô phỏng kỹ thuật quan trọng

hỗ trợ với các vấn đề thiết kế, khả năng OptiSystem và tính linh hoạt tạo điều kiện

thuận lợi hiệu quả và hiệu quả quang tử thiết kế.”

Dr. Govind P. Agrawal,

Professor,

Institute of Optics, University of Rochester and author

of Fiber-Optics Communications Systems

3.1.4. Các đặc điểm và chức năng

Thư viện thành phần

Thư viện OptiSystem bao gồm hàng trăm của các thành phần cho phép bạn

nhập thông số có thể được đo từ các thiết bị thực sự. Nó tích hợp với các thử nghiệm

thiết bị đo lường từ các nhà cung cấp khác nhau. Người sử dụng có thể kết hợp các

thành phần mới dựa trên hệ thống con và người sử dụng định nghĩa thư viện, hoặc sử

dụng hợp mô phỏng với một công cụ của bên thứ ba chẳng hạn như MATLAB hoặc

SPICE.

Tích hợp với các công cụ phần mềm Optiwave

OptiSystem cho phép bạn sử dụng phần mềm Optiwave công cụ đến sự tích

hợp và sợi quang học tới sự hợp thành và mạch cấp độ: OptiSPICE, OptiBPM,

OptiGrating và OptiFiber.

Sự trình bày tín hiệu hỗn tạp

OptiSystem xử lý các định dạng tín hiệu hỗn tạp cho tín hiệu quang học và điện

tử trong hợp phầnthư viện, OptiSystem tính toán tín hiệu bằng cách sử dụng thích hợp

các thuật toán liên quan đến các yêu cầu mô phỏng chính xác và hiệu quả.

Chất lượng và Các thuật toán hiệu suất

Dự đoán hiệu suất hệ thống, OptiSyste tính toán các thông số như BER và QFactor bằng cách sử dụng phân tích số hoặc bán-phân tích kỹ thuật hệ thống giới hạn

bởi nhập vào ký hiệu sự giao thoa và tiếng ồn.

Công cụ trực quan nângcao

Công cụ trực quan nâng cao sản xuất OSA Spectra, chirp tín hiệu, sơ đồ mắt,

trạng thái phân cực, chòm sao sơ đồ và nhiều hơn nữa, cũng bao gồm WDM công cụ



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



phân tích danh sách tín hiệu điện, sự tăng thêm, con số tiếng ồn, và OSNR cho mỗi

kênh.

Dữ liệu giám sát

Chúng ta có thể chọn cổng thành phần để lưu dữ liệu và gắn màn hình sau khi

mô phỏng kết thúc. Điều này cho phép bạn xử lý dữ liệu sau khi mô phỏng mà không

cần tính toán lại, chúng ta có thể đính kèm một số tùy ý khi nhìn tới màn hình ở cùng

một cổng.

Cấu trúc mô phỏng với hệ thống con

Để thực hiện một công cụ mô phỏng linh hoạt và hiệu quả, cần thiết để cung

cấp các mô hình trừu tượng khác nhau cấp, bao gồm cả hệ thống, hệ thống con và

thành phần cấp, OptiSystem tính năng một định nghĩa thật sự phân cấp các thành phần

và hệ thống, cho phép bạn sử dụng các công cụ phần mềm cụ thể cho quang học tích

hợp và chất xơ mức độ thành phần và cho phép mô phỏng như chi tiết như các mệnh

lệnh chính xác mong muốn.

Ngôn ngữ kịch bản mạnh mẽ

Bạn có thể nhập biểu thức số học đối với các thông số và tạo ra các thông số

toàn cầu có thể được chia sẻ giữa thành phần và các hệ thống con bằng cách sử dụng

tiêu chuẩn VB ngôn ngữ kịch bản. Ngôn ngữ kịch bản cũng có thể thao tác và Kiểm

soát OptiSystem, bao gồm cả tính toán, bố trí sáng tạo và chế biến sau khi sử dụng các

trang kịch bản.

State-of-the-art tính toán data-flow

Người lập chương trình tính toán điều khiển mô phỏng xác định thứ tự thực

hiện các module thành phần theo mô hình dòng chảy dữ liệu đã chọn. Các chính dữ

liệu mô hình dòng chảy địa chỉ mô phỏng một sự chuyển giao lớp là các lặp lại phần

dữ liệu lưu lượng (CIDF), các CIDF miền sử dụng lập lịch trình thời gian chạy, hỗ trợ

điều kiện, lặp đi lặp lại phụ thuộc vào dữ liệu, và đệ quy đúng.

Trang báo cáo

Một trang báo cáo hoàn toàn tùy biến cho phép bạn để hiển thị bất kỳ thiết lập

các thông số và kết quả có sẵn trong thiết kế, các báo cáo được tổ chức thành bảng tính

có thể thay đổi kích thước và di chuyển, văn bản, 2D và 3D đồ thị, nó cũng bao gồm

xuất khẩu và các mẫu HTML bố trí báo cáo trước khi định dạng.

Bill of materials

OptiSystem cung cấp một bảng phân tích chi phí của hệ thống được thiết kế,

sắp xếp bố trí, hệ thống hoặc một thành phần, dữ liệu chi phí có thể được xuất khẩu

sang khác ứng dụng hoặc bảng tính.

Nhiều cách trình bày

Bạn có thể tạo ra nhiều mẫu thiết kế bằng cách sử dụng cùng một dự án tập tin,

cho phép bạn tạo và sửa đổi thiết kế của bạn một cách nhanh chóng và hiệu quả. Mỗi

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



dự án OptiSystem tập tin có thể chứa nhiều phiên bản thiết kế, phiên bản thiết kế tính

toán và sửa đổi một cách độc lập, nhưng tính kết quả có thể được kết hợp trên các

phiên bản khác nhau, cho phép để so sánh các mẫu thiết kế.

3.1.5. Các đặc tính mới trong Optisystem

Các thiết kế truyền thông quang học toàn diện nhất bộ phần mềm cho các kỹ sư

thiết kế hệ thống quang học bây giờ, ngay tốt hơn cả với việc phát hành của

OptiSystem phiên bản 8.0 cũng có sẵn trong các phiên bản 32-bit và 64-bit TRUE.

Phiên bản mới nhất của OptiSystem tính năng một số tính năng mới và cải tiến

để giải quyết các thiết kế mạng quang thụ động (PON) kiến trúc bằng cách sử dụng

phân chia tần số trực giao ghép (OFDM) tín hiệu, hệ thống phát hiện quang học mạch

lạc và tiêm khóa Fabry-Perot tia laser điốt (FP LD).

API OptiSystem đã được mở rộng để hỗ trợ OptiSPICE, phần mềm thiết kế

mạch đầu tiên để phân tích mạch tích hợp bao gồm cả sự tương tác của quang học và

các linh kiện điện tử, OptiSystem là mặc định dạng sóng người xem và phân tích toàn

vẹn tín hiệu OptiSPICE.

Các đặc tính mới như:

-



Fabry-Perot Laser

Duobinary, CSRZ and DPSK Transmitters

Bộ điều chế và bộ giải điều chếOFDM

Yb Doped Fiber Dynamic

Bi-Darectional AWG

Microwave componenst

MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimate: tối đa khả năng xảy ra

trình tự ước tính)

Optical Fibers and Amplifiers (Sợi quang và bộ khuếch đại)

Free Space Optics (FSO: Quang học không gian miễn phí)

Constellation and Polar Diagrams (Chòm sao và các biểu đồ cực)

Advanced Analysis Toolsets (Phân tích bộ công cụ nâng cao)

S-Parameter Extractor



3.1.6. OptiPerformer

Optiwave giới thiệu OptiPerformer, quang học miễn phí hệ thống truyền thông

công cụ trực quan mà khai thác toàn bộ sức mạnh của OptiSystem.

OptiPerformer sử dụng để tạo ra thiết kế năng động cụ thể kịch bản mà có thể

được sử dụng bởi các đồng nghiệp không R & D tăng cường sự hiểu biết của họ về

quang tử thành phần & thiết kế hệ thống thương mại-off, người sử dụng OptiPerformer

cần không có phần mềm OptiSystem, cũng không phải là kỹ thuật thiết lập kỹ năng

cần thiết để hoạt động nó trong một cách thúc đẩy đầy đủ khả năng.



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



3.2.



Hướng dẫn sử dụng OptiSystem



3.2.1. Thư mục OptiSystem

Theo mặc định, người cài đặt OptiSystem tạo ra một thư mục OptiSystem trên ổ

đĩa cứng của các bạn. Thư mục OptiSystem chứa đựng những thư mục sau đây:

•

•

•

•

•

•



/bin — executable files, dynamic linked libraries, and help files

/components — OptiSystem component parameters from vendors

/doc — OptiSystem support documentation

/libraries — OptiSystem component libraries

/samples — OptiSystem example files

/toolbox — MATLAB related files



3.2.2. Qúa trình cài đặt

OptiSystem có thể cài đặt trên Windows XP hoăc Vista, Windows 7, chúng tôi

khuyến cáo bạn thoát ra khỏi tất cả các chương trình Windows trước đây chạy chương

trình cài đặt. Để thực hiện cài đặt chương trình mô phỏng OptiSystem ta thực hiện các

bước sau đây:

1.

2.

3.

4.



Mở thư mục chứa phần mềm cài đặt OptiSystem

Click chuột phải và Setup chọn Run us adminstrator

Quá trình cài đặt đang được thực hiện

Khi cài đặt xong yêu cầu khởi động lại máy tính



3.2.3. Optiwave System GUI

Khi bạn mở OptiSystem, thì ứng dụng trông như hình 3.1



Hình 3.1: Giao diện sử dụng của OptitSystem



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



3.2.4. Những phần chính của GUI

OptiSystem GUI chứa những phần chính sau đây:

• Project layout

• Dockers

-



Component Library



-



Project Browser



-



Description



• Status bar

1) Project Layout

Khu vực làm việc chính nơi bạn chèn những thành phần vào trong cách trình

bày, soạn thảo những thành phần, và tạo ra những kết nối giữa những thành phần (như

ở hình 3.2).



Hình 3.2: Cựa sổ Project Layout

1) Dockers

Sử dụng Dockers, cách trình bày được định vị nói chung, thông tin tích cực về

màn hình chiếu hiện thời:

-



Component Library



-



Project Browser



-



Description



• Component Library: là nơi chứa các linh kiện dùng để tạo mới một hệ thống

thông tin quang (được trình bày như hình 3.3).

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



Hình 3.3: Cựa sổ thư viện thành phần

• Project Browser: Là nơi hiện thị những thiết bị có trong hệ thống giúp cho

việc tìm kiếm thiết bị dễ dàng và hiệu quả hơn, và định hướng thông qua dự

án hiện thời (như hình 3.4).



Hình 3.4: Cựa sổ Project Browser

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



• Description: Hiển thị thông tin chỉ tiết về màn hình của sơ đồ thiết kế hiện

thời (như hình 3.5).



Hình 3.5: Cựa sổ Deseription

2) Status bar

Trình bày những gợi ý hữu ích về việc cách sử dụng OptiSystem và được định

vị ở dưới cựa sổ Project layout.



Hình 3.6: Status bar

• Menu bar

Chứa đựng nhưng thực đơn sẵn có ở Optisystem (như ở hình 3.7).nhiều ứng

dụng, chi tiết của các thực đơn sắn có trên thanh công cụ

Hình 3.7: Menu bar

• Tools bars

Chúng ta có thể lựa chọn những thanh công cụ mà bạn muốn có sẵn có trong

cửa sổ cách trình bày chính, những tùy chọn thanh công cụ bao gồm:

Standard

Chứa đựng những nút để thực hiện mọi thứ những hoạt động ứng dụng

Windows tiêu biểu, ngoài ra để chiếu những tùy chọn tính toán.

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



Layout

Thêm, xoá, tạo thêm một bản sao trong project, tập hợp quét những sự

lặp đi lặp lại, và tuỳ biến layout

Docker



Cho phép hoặc vô hiệu hoá những linh kiện trong

layout chính



Layout

Tools



Di chuyển, nối và sửa đổi những thành phần,

thêm và loại bỏ kết nối tới những thành phần,

sự kéo vào và ra của cổng trong những thành

phần, và kéo một đường dẫn



Draw

Objects



Kéo những hình chữ nhật, những hình tròn,

những hàng và văn bản hoặc nhập vào những

mẩu hình ảnh trong layout



Layout

Operations



Phóng to thêm và thu nhỏ, cho

phép hay vô hiệu hoá các đặc tính

trong outoconnect và điều khiển

cách trình bày



Script



3.3.



Chạy, phát sinh,lưu trữ, và tải lên



Bài toán đặt ra và khảo sát truyền dẫn

a) Bài toán đặt ra



Thiết kế hệ thống thông tin quang WDM trên phần mềm mô phỏng Optiwave,

sử dụng 4 bước sóng ở băng tần C tốc độ 40 Gb/s, khoảng cách giữa các bước sóng là

100 GHz. Có khoảng cách truyền giữa hai điểm là (vd: 300km).

b) Khảo sát truyền dẫn

Chúng ta thiết kế hệ thống thông tin quang cho đường truyền dẫn có khoảng

cách khoảng 300km.

Với chiều dài này trong mô hình thiết kế ta dùng 2 loại sợi quang là:

3.4.



SMF có Length = 50 km

DCF có Length = 10 km

Và sử dụng Loop Control có Number of loops = 6



Cấu hình hệ thống



Mô hình tổng quát hệ thống WDM được trình bày ở hình 3.2, trong mô hình

này biểu diễn một hệ thống WDM mở, đơn hướng gồm đầu phát, trạm khuếch đại và

bù tán sắc trung gian và đầu thu. Hệ thống ghép kênh cho 4 bước sóng, từ λ1 đến λ4:

Gồm 4 phần chính:

-



Đầu phát



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



-



Sợi quang

Khuếch đại

Đầu thu

Đầu phát



k1



Khuếch đại



λ1



λ1



OUT1



DCF

BA



LA



DCF



OUT1



k1



PA

ODU



OMU

k4



Đầu thu



OUT4



OUT4



λ4



k4



λ4

Sợi quang



Hình 3.8:Mô hình tổng quát của hệ thống WDM

Trong đó ta có:

OSC (Optical Supervision Channel): Kênh BA (Boost Amplifier): Bộ khuếch đại

giám sát quang.

tăng.

OMU (Optical Multilexing Unit): Bộ ghép PA (Pre-Amplifier): Bộ tiền khuếch đại.

kênh quang.

OUT (Optical Transponder Unit): Bộ pháp LA (Line Amplifier): Bộ khuếch đại

đáp quang.

đường.

ODU (Optical Demultilexing Unit): Bộ tách DCF (Dispersion Compensate Fiber):

kênh quang.

Sợi bù tán sắc.

Tại đầu phát, các luồng tín hiệu đầu vào được đưa đến các bộ phát đáp (OTU)

khác nhau, từ OTU1 đến OUT4, giao diện đầu vào OUT là các giao diện dịch vụ

truyền dẫn như SHD, PDH, FE,… nhiệm vụ của các bộ phát đáp là nhận và gom tín

hiệu cần truyền từ đầu vào và phát lại trên các bước sóng chuẩn hóa của hệ thống

DWDM, từ λ1 đến λ4.

Đầu ra từ các OUT được đưa đến bộ ghép kênh theo bước sóng OMU. OMU

làm nhiệm vụ ghép các tín hiệu tại các bước sóng khác nhau thành một luồng tín hiệu

ghép tổng WDM, tín hiệu ghép này được đưa đến bộ khuếch đại tăng cường (BA) để

khuếch đại tới công xuất thích hợp để phát vào sợi quang.

Nhìn vào hình 3.9 ta có sơ đồ cấu tạo của bộ khuếch đại bơm đơn hướng, Trên

đường truyền có đặt các bộ khuếch đại đường (LA) để đảm bảo công suất và trên

đường truyền cũng có đặc các sợi bù tán sắc (DCF) để hạn chế tán sắc, bộ phận bù tán

SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



sắc thường được chèn vào giữa các tần khuếch đại hoặc chèn vào giữa hai bộ khuếch

đại liên tiếp.



Cách ly



WDM



EDF



t/h vào



Cách ly



t/h ra



LD bơm



Hình 3.9: Sơ đồ khối bộ khuếch đại

Tại đầu thu, vì tín hiệu có công suất rất nhỏ nên được đưa vào bộ tiền khuếch

đại (PA) để khuếch đại công suất với tạp âm thấp để đảm bảo chất lượng tín hiệu. Bộ

bù tán sắc (DCF) được chèn vào giữa các tầng khuếch đại để bù tán sắc, tín hiệu sau

khi khuếch đại và bù tán sắc được đưa đến bộ tách kênh (ODU) để tách thành các kênh

bước sóng đơn từ λ1 đến λ4. Tín hiệu bước sóng đơn được đưa đến các bộ phát đáp

tương ứng để chuyển giao đầu ra của hệ thống (SDH, FE …).

3.5.



Dung lượng truyền dẫn và số lượng kênh



Theo yêu cầu bài toán chúng ta cần thiết kế hệ thống thông tin quang có dung

lượng một kênh 40 Gbit/s.



• Số lượng kênh: N = 4 (kênh) từ λ1 đến λ4.

• Tốc độ truyền tín hiệu trên mỗi kênh: B = 40 Gbit/s.

 Dung lượng của hệ thống = 4 x 40 = 160 Gbit/s.

3.6.



Lựa chọn bước sóng công tác và khoảng cách kênh

-



Bước sóng công tác: λc = 193.1 Hz.

Khoảng cách kênh: Dl = 100 Gbit/s.



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5



Đồ án tốt nghiệp



Ta có: ∆λ =



∆f .λ2

= 0,8 nm

c



Trong đó: λ = 1550 nm (là bước sóng trung tâm của băng C)

 Tổng băng thông sử dụng = 4 x 0,8 = 3,2 nm

Vậy ta có:

 λ1 = 1550 nm

 λ2 = 1550,8 nm



λ2 = 193.2 Hz



 λ3 = 1551,6 nm



λ3 = 193.3 Hz



 λ4 = 1552,4 nm



3.7.



λ1 = 193.1 Hz



λ4 = 193.4 Hz



Các loại sợi quang được sử dụng



3.7.1. Sợi bù tán sắc (DCF)

Có length = (10 x6) km = 60 km, dùng để hạn chế tán sắc, là loài sợi đơn mode

theo chuẩn G653.D.

Có:

-



Reference wavelength (Bước sóng tham khảo) = 1550 nm.

Length (Chiều dài sợi) = 10 km.

Attenuation (Sự suy hao) = 0.5 dB/km.



Vậy ta có chiều dài của mỗi sợi là 10km, suy ra độ duy hao của mỗi sợi là:

0.5x10 = 5dB/km

Độ suy hao của cả hệ thống do sợ bù tán sắc gây ra là:

5x6 = 30dB/km

-



Dispersion (Sự tán sắc) = -85 ps/nm/km.

Dispersion Slope (Sự tán sắc làm nghiêng) = -0.3 ps/nm/km.



3.7.2. Sợi quang truyền dẫ (SMF)

Có length = (50x6) km = 300 km, là sời quan truyền dẫn tốc độ cao sử dụng

theo chuẩn G652.D.

-



Reference wavelength (Bước sóng tham khảo) = 1550 nm.

Length (Chiều dài sợi) = 50 km.

Attenuation (Sự suy hao) = 0.2 dB/km.



Vậy ta có chiều dài của mỗi sợi là 50km, suy ra độ duy hao của mỗi sợi là:

0.2x50 = 10dB/km

Độ suy hao của cả hệ thống do sợ bù tán sắc gây ra là:

10x6 = 60dB/km

-



Dispersion (Sự tán sắc) = 17 ps/nm/km.

Dispersion Slope (Sự tán sắc làm nghiêng) = 0.075 ps/nm/km.



3.7.3. Triệt tiêu tán sắc trên hệ thống

-



DispersionDCF = -85x60 = -5100 ps/nm/km.



SVTH: Nguyễn Thạc Hùng, lớp D08-VT5