Đề tài: ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

Chia sẻ: Hoang Vu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

198
lượt xem 55
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp, trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đường dài cũng như mạng đô thị và khu vực. Với những ưu điểm nổi bật như tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƯỜNG TRỤC VNPT

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NIÊN KHÓA: 2008-2013 Đề tài: ĐIỀU CHẾ DP-QPSK, GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Mã số đề tài: 12408160107 NỘI DUNG: - CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM - CHƢƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM - CHƢƠNG III: GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN CƢỜNG MSSV: 408160107 Lớp: Đ08VTA3 Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. ĐỖ VĂN VIỆT EM TPHCM - 12/2012
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................v LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM .............................................3 1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng ......................................................................3 1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM .......................................................4 1.2.1 Bộ phát và thu quang.........................................................................................4 1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang ..................................................................................7 1.2.3 Bộ khuếch đại quang .........................................................................................7 1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM .......................................................9 1.2.5 Bộ kết nối chéo quang .....................................................................................10 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM .......................................11 1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode ..........................................................11 1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD).............................................11 1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) ...........13 1.3.2 Các hiệu ứng phi tuyến ...................................................................................15 1.3.3 Nhiễu trong bộ thu quang ................................................................................18 1.4 Xu hƣớng nâng cao năng lực truyền dẫn trong các hệ thống DWDM ...................19 1.4.1 Hạn chế về năng lực truyền dẫn ......................................................................19 1.4.2 Nâng cao năng lực truyền dẫn của hệ thống ...................................................19 1.4.2.1 Mở rộng băng tần sử dụng .......................................................................20 1.4.2.2 Giảm khoảng cách kênh ...........................................................................21 1.4.2.3 Tăng tốc độ bit trên một kênh ..................................................................21 CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM ...................23 2.1 Điều chế trong các hệ thống WDM ........................................................................23 2.1.1 Khái niệm về điều chế .....................................................................................23 2.1.2 Điều chế trực tiếp và điều chế ngoài ...............................................................24 2.1.2.1 Kỹ thuật điều chế trực tiếp .......................................................................24 SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang i
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT 2.1.2.2 Kỹ thuật điều chế ngoài ...........................................................................25 2.1.3 Kỹ thuật điều chế On-Off Keying (OOK) ......................................................28 2.2 Điều chế trong hệ thống Coherent ..........................................................................32 2.2.1 Cơ bản về thông tin quang Coherent ...............................................................32 2.2.2 Máy thu trong hệ thống Coherent hiện đại: ....................................................34 2.2.3 Một số dạng điều chế trong Coherent .............................................................36 2.3 Kỹ thuật điều chế DP-QPSK ..................................................................................39 2.3.1 Điều chế pha 2 trạng thái BPSK .....................................................................39 2.3.2 Điều chế pha 4 trạng thái QPSK .....................................................................40 2.3.3 Điều chế pha kết hợp ghép phân cực DP-QPSK.............................................41 2.3.4 Chức năng của DSP và FEC trong hệ thống mạng 100 Gb/s .........................47 CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT ...........50 3.1 Tình hình thƣơng mại hóa các sản phẩm cho ứng dụng 100 Gb/s .........................50 3.2 Giải pháp 100 Gb/s DP-QPSK của hãng Ciena .....................................................53 3.2.1 Giới thiệu chung về mạng quang Ciena ..........................................................53 3.2.2 Giải pháp mạng đƣờng dài 100 Gb/s ..............................................................54 3.3 Hệ thống mạng đƣờng trục Bắc-Nam Ciena 240G ................................................58 3.3.1 Giới thiệu về hệ thống Ciena 240G .................................................................58 3.3.2 Những vấn đề cơ bản khi nâng cấp hệ thống ..................................................63 3.3.2.1 Quy hoạch sử dụng bƣớc sóng: ...............................................................63 3.3.2.2 Các module cần thiết cho việc nâng cấp mạng lƣới: ...............................64 3.3.2.3 Nâng cấp phần mềm quản lý mạng: ........................................................65 3.3.3 Mô phỏng và thử nghiệm hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ................................66 3.3.3.1 Mô hình 1 .................................................................................................66 3.3.3.2 Mô hình 2 .................................................................................................69 KẾT LUẬN ...................................................................................................................72 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................................................73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................75 SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang ii
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM .................................................................3 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng ....................................................3 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM ............................................................4 Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang .........................................................................5 Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang ...........................................................................6 Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính...........................................................................7 Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA ..................................................8 Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman .................................................................9 Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator ..............................................................10 Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hƣớng ........................................................10 Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang ...............................................................................11 Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang .................................................12 Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode ...............................................................................14 Hình 1.14 Bù PMD bằng phƣơng pháp quang và điện ................................................15 Hình 1.15 Sự phân chia các băng sóng.........................................................................20 Hình 1.16 Chồng lấn giữa các kênh .............................................................................21 Hình 2.1 Dạng sóng của ASK, FSK và PSK ................................................................23 Hình 2.2 Mạch phát quang sử dụng Laser Diode .........................................................24 Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài ..........................................................25 Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực .............................................26 Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực ...............................................27 Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption.......................................................................28 Hình 2.7 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu OOK ........................................................28 Hình 2.8 Sơ đồ máy thu OOK ......................................................................................29 Hình 2.9 Mật độ phân bố xác suất Gaussian và χ.........................................................30 Hình 2.10 Xung 66%-RZ và xung 33%-RZ .................................................................31 Hình 2.11 Sơ đồ khối máy thu quang Coherent ...........................................................32 Hình 2.12 Máy thu quang Coherent hiện đại ...............................................................34 Hình 2.13 Máy thu đa dạng pha kết hợp đa dạng phân cực .........................................35 Hình 2.14 Kỹ thuật đánh giá pha Feed-forward ...........................................................36 Hình 2.15 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu BPSK .....................................................39 Hình 2.16 Điều chế và giải điều chế BPSK .................................................................39 Hình 2.17 Giản đồ và dạng phổ của tín hiệu QPSK .....................................................40 SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iii
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT Hình 2.18 Mã hóa hai bit dữ liệu vào ký tự quang .......................................................41 Hình 2.19 Điều chế và giải điều chế QPSK .................................................................41 Hình 2.20 Sự phân cực của ánh sáng............................................................................41 Hình 2.21a Sơ đồ khối máy phát DP-QPSK ................................................................42 Hình 2.21b Sơ đồ khối máy thu DP-QPSK ..................................................................42 Hình 2.22a Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy phát .............44 Hình 2.22b Thay đổi pha và trạng thái phân cực của tín hiệu trong máy thu ..............44 Hình 2.23 Khuyến nghị công suất LO tối đa cho phép ................................................46 Hình 2.24 Các chức năng cơ bản của DSP ...................................................................47 Hình 2.25 Biểu đồ chòm sao sau mỗi bƣớc xử lý tín hiệu ...........................................47 Hình 2.26 Khối thu phát 100 Gb/s DP-QPSK sử dụng FEC ........................................49 Hình 3.1 Xu hƣớng phát triển tốc độ bit trên một kênh DWDM .................................51 Hình 3.2 Kiến trúc mạng quang của Ciena...................................................................53 Hình 3.3 Một số thiết bị quan trọng trong mạng Ciena ................................................54 Hình 3.4 Kiến trúc mạng đƣờng dài 100 Gb/s .............................................................55 Hình 3.5 Cấu trúc khung dữ liệu trong G.709 ..............................................................56 Hình 3.6 Sơ đồ khối ghép tín hiệu trong ITU-T G.709 ................................................57 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối các Ring Ciena 240G ..............................................................59 Hình 3.8 Cấu hình một node mạng trong hệ thống Ciena ............................................61 Hình 3.9 Card 100G-OCLD và 100G-OCI ..................................................................64 Hình 3.10 Mô hình mô phỏng hệ thống 100 Gb/s DP-QPSK ......................................66 Hình 3.11 Phổ của tín hiệu sau máy phát .....................................................................67 Hình 3.12 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 10 Gb/s và 100 Gb/s .........................................67 Hình 3.13 Biểu đồ chòm sao tín hiệu 100 Gb/s DP-QPSK sau 100 km ......................68 Hình 3.14 Tín hiệu trong miền thời gian ......................................................................68 Hình 3.15 Mô hình hệ thống ghép bƣớc sóng 10 Gb/s và 100 Gb/s ............................69 Hình 3.16 Phổ của tín tín hiệu WDM sau bộ MUX và trƣớc bộ DEMUX ..................69 Hình 3.17 Phân tích tỉ lệ lỗi bit của 3 kênh bƣớc sóng 10 Gb/s ...................................70 Hình 3.18 Phổ của tín hiệu với kênh 10 Gb/s và 100 Gb/s liền kề nhau ......................71 Hình 3.19 Phổ của tín hiệu sau khi gỡ bỏ 3 kênh 10 Gb/s liền kề ...............................71 SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang iv
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu ..........................................................................13 Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode ..................................................14 Bảng 1.3 Những thách thức khi tăng tốc độ bit ............................................................22 Bảng 2.1 DP-QPSK và DP-MQAM .............................................................................37 Bảng 2.2 Một số dạng điều tại 100 Gb/s ......................................................................37 Bảng 2.3 So sánh một số kỹ thuật điều chế tại 40 Gb/s ...............................................38 Bảng 2.4 Các kỹ thuật điều chế khác ...........................................................................38 Bảng 2.5 Một vài tham số trong máy phát 100 Gb/s DP-QPSK ..................................45 Bảng 2.6 Một vài tham số trong máy thu 100 Gb/s DP-QPSK ....................................45 Bảng 3.1 Chuẩn IEEE P802.3ba...................................................................................55 Bảng 3.2 Tải trọng khung dữ liệu trong ITU-T G.709 .................................................56 Bảng 3.3 Lƣới bƣớc sóng sử dụng trong hệ thống Ciena 240G ...................................61 SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang v
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn WDM đã và đang đƣợc triển khai rộng khắp, trở thành công nghệ chủ đạo trong các mạng truyền tải đƣờng dài cũng nhƣ mạng đô thị và khu vực. Với những ƣu điểm nổi bật nhƣ tốc độ truyền tải cao và giá thành hợp lý, công nghệ WDM vẫn sẽ là một công nghệ không thể thay thế trong nhiều năm nữa. Tuy nhiên những năm gần đây, lƣu lƣợng trên mạng lõi IP không ngừng tăng lên một cách nhanh chóng do những dịch vụ chiếm băng thông lớn ra đời: HD IPTV, IP VoD, lƣu trữ trực tuyến, điện toán đám mây, 3G, 4G… Và đã gây nên một áp lực ngày càng lớn lên các mạng WDM. Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phải nâng cao năng lực truyền tải của các hệ thống hiện tại đặc biệt là các tuyến đƣờng dài. Gần đây, các nhà sản xuất thiết bị lớn nhƣ Ciena, Alcatel-Lucent, Fujitsu… đã thử nghiệm thành công công nghệ truyền dẫn 100 Gb/s trên một bƣớc sóng, mở ra triển vọng mới trong việc nâng cấp các hệ thống 10 Gb/s và 40 Gb/s đang sử dụng lên 100 Gb/s. Những thách thức gặp phải khi chuyển đổi từ tốc độ 10 Gb/s và 40 Gb/s lên 100 Gb/s bao gồm: ảnh hƣởng tiêu cực của tán sắc màu (CD), tán sắc phân cực mode (PMD), hiệu ứng phi tuyến và tính tƣơng thích với hạ tầng quang đã đƣợc thiết kế cho các hệ thống 10 Gb/s. Trƣớc những thách thức nhƣ vậy, các kỹ thuật điều chế tín hiệu tiên tiến, kỹ thuật mã sửa lỗi trƣớc (FEC) có hiệu năng cao, kỹ thuật số xử lý tín hiệu điện (DSP) sẽ là những công nghệ chủ chốt cho tốc độ 100 Gb/s để sử dụng lại hạ tầng quang hiện đang dùng cho các tốc độ 10 Gb/s. Trong số các kỹ thuật điều chế tín hiệu quang tiên tiến nhƣ DBPSK, DQPSK, RZ-DQPSK, DP-QPSK, ITU-T thấy rằng DP-QPSK là kỹ thuật có khả năng miễn nhiễm cao đối với CD và PMD, và có phổ tín hiệu đủ hẹp để hỗ trợ cả hai tốc độ 130 Gb/s và 112 Gb/s trên các hạ tầng quang có khoảng cách kênh 50 GHz. Diễn đàn liên mạng quang (OIF) cũng lựa chọn DP-QPSK nhƣ là ứng cử viên sáng giá nhất cho các sản phẩm có tốc độ 100 Gb/s. Bằng việc hỗ trợ DP-QPSK, OIF muốn kích thích thị trƣờng cung cấp linh kiện quang và điện tử dùng cho tốc độ 100 Gb/s. Vào tháng 8 năm 2008, OIF đã công bố kế hoạch tiêu chuẩn hóa DP-QPSK nhƣ là phƣơng thức điều chế cho tốc độ 100 Gb/s trong mạng WAN, với mục tiêu là tạo đƣợc một sự hỗ trợ rộng lớn hơn từ các nhà cung cấp các module và linh kiện nhằm chế tạo các thiết bị 100 Gb/s với giá thành hợp lý. SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 1
Đồ án tốt nghiệp: Điều chế DP-QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT DP-QPSK (Dual Polarization – Quadrature Phase Shift Keying) hay còn gọi là PDM-QPSK (Polarization Division Multiplexing – QPSK) hoặc PM-QPSK (Polarization Multiplexing – QPSK), là một dạng điều chế pha 4 trạng thái kết hợp với ghép phân cực. Hai tín hiệu QPSK đƣợc truyền đi trên hai phân cực trực giao của sóng mang, do đó đã làm tăng gấp đôi tốc độ truyền dẫn so với dạng điều chế QPSK trong khi vẫn sử dụng cùng một băng tần. Giải điều chế DP-QPSK sử dụng máy thu quang Coherent (tách sóng Coherent), tín hiệu sau tách sóng đƣợc đƣa đến bộ xử lý tín hiệu số DSP và đƣợc khôi phục về dạng chuỗi bit ban đầu. Trong công nghệ truyền dẫn tốc độ 100 Gb/s, thƣờng sử dụng kết hợp giữa kỹ thuật điều chế DP-QPSK và mã sửa lỗi FEC để giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống [1]. Tại Việt Nam, vào tháng 2 năm 2011, VTN cùng với Ciena đã thử nghiệm thành công công nghệ 100 Gb/s trên hệ thống mạng Ciena 240G đoạn từ Vinh đến Đà Nẵng (dài khoảng 500 km). Điều đó cho thấy VTN hoàn toàn có thể triển khai hệ thống mạng 100 Gb/s trên đƣờng trục Bắc Nam. Do vậy em đã chọn đề tài “Điều chế DP- QPSK, giải pháp nâng cấp mạng đƣờng trục VNPT” với mục đích tìm hiểu về điều chế DP-QPSK cũng nhƣ ứng dụng của kỹ thuật điều chế này vào việc nâng cấp mạng lên tốc độ 100 Gb/s. Nội dung chính của đề tài đƣợc trình bày trong ba chƣơng: CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM CHƢƠNG II. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ DP-QPSK TRONG DWDM CHƢƠNG III. GIẢI PHÁP NÂNG CẤP MẠNG ĐƢỜNG TRỤC VNPT Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những sự bổ sung, góp ý của thầy cô cũng nhƣ bạn đọc quan tâm để đồ án này đƣợc hoàn thiện hơn. Nhân đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Văn Việt Em, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, bổ sung kiến thức cho em trong thời gian vừa qua. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Viễn thông 2 đã trang bị kiến thức cho em và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Sinh viên Nguyễn Văn Cƣờng SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 2
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DWDM 1.1 Nguyên lý ghép kênh theo bƣớc sóng Wavelength Division Multiplexing (WDM) – ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng, là một phƣơng thức ghép kênh tƣơng tự nhƣ ghép kênh phân chia theo tần số trong vô tuyến, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thông tin quang. Các hệ thống WDM sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng, trong khi các hệ thống SONET/SDH sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Sự khác nhau giữa hai phƣơng thức ghép kênh này đƣợc thể hiện trên hình dƣới đây [2]: (a) Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) 10110 11010 11010100101111100001 00110 10101 (b) Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) 10110 10110 11010 11010 00110 00110 10101 10101 Hình 1.1 Sự khác nhau giữa WDM và TDM WDM cho phép chúng ta tăng dung lƣợng truyền dẫn mà không cần tăng tốc độ bit của đƣờng truyền và cũng không cần dùng thêm sợi quang. Bằng cách ghép nhiều sóng quang có bƣớc sóng khác nhau nhờ vào bộ MUX (multiplexer) rồi truyền đi trên 1 sợi quang. Ở đầu thu ta dùng một bộ DEMUX (demultiplexer) để tách các sóng khác nhau ra. Sau đó các bộ tách sóng quang sẽ nhận lại các luồng tín hiệu từ các bƣớc sóng riêng rẽ. Nguyên lý của WDM nhƣ sau: λ1 λ1 Tx1 Rx1 λ2 D λ2 Tx2 M M E Rx2 U M …….. …….. X (λ1,……,λN) U X λN X λN TxN RxN λ1 λN Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo bước sóng SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 3
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Trong WDM có thể chia thành hai loại: ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao (Dense Wavelength Division Mutiplexing – DWDM) và ghép kênh theo bƣớc sóng thô (Coarse Wavelength Division Mutiplexing – CWDM). Khi khoảng cách giữa các bƣớc sóng nhỏ hơn 1 nm thì ta gọi là ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao. DWDM chỉ những tín hiệu quang đƣợc ghép trong dải 1550 nm, tận dụng đƣợc khả năng khuếch đại của EDFA (hiệu quả lớn nhất với các bƣớc sóng từ 1530-1560 nm). Một hệ thống DWDM cơ bản có những thành phần chủ yếu sau: bộ phát/thu quang, bộ ghép/tách kênh, các bộ khuếch đại, bộ ghép xen/rớt quang, bộ kết nối chéo quang…(hình 1.3). Ƣu điểm của công nghệ DWDM so với công nghệ SONET/SDH:  Dung lƣợng truyền dẫn rất lớn (một hệ thống 40 Gb/s, sử dụng 40 kênh thì đã có thể truyền dẫn một dung lƣợng 1,6 Tbit/s).  Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp dung lƣợng hệ thống, ngay cả khi hệ thống vẫn còn đang hoạt động.  Quản lý băng tần hiệu quả, tái cấu hình mềm dẻo và linh hoạt.  Giảm chi phí vận hành bảo dƣỡng. Tx1 Rx1 OADM Tx2 Rx2 ……….. ……….. TxN OLA OLA RxN MUX DEMUX Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát của hệ thống DWDM 1.2 Các thành phần cơ bản trong hệ thống DWDM 1.2.1 Bộ phát và thu quang  Bộ phát quang Bộ phát quang là thiết bị tích cực phía phát. Các bộ phát quang sử dụng trong hệ thống DWDM hiện nay thƣờng sử dụng nguồn quang là laser hồi tiếp phân bố DFB (Distributed Feedback Laser) và laser phản xạ Bragg phân bố DBR (Distributed Bragg Reflector Laser). Laser sợi quang pha tạp chất hiếm cũng đang đƣợc nghiên cứu, ƣu điểm của nguồn quang loại này là phổ hẹp và độ ổn định tần số cao. Nói chung các nguồn quang phải đảm bảo một số yêu cầu nhƣ: độ chính xác của bƣớc sóng phát, độ rộng phổ hẹp, dòng ngƣỡng thấp, có khả năng điều chỉnh đƣợc bƣớc sóng, tính tuyến tính và nhiễu thấp. Các yêu cầu trên đối với nguồn quang nhằm tránh các loại nhiễu, đảm bảo tính ổn định, giảm ảnh hƣởng của các hiệu ứng phi tuyến, tỉ lệ lỗi bit thấp và đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn của hệ thống. SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 4
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Các loại laser trên có độ rộng phổ rất hẹp (0,1 – 0,3 nm) và hoạt động ổn định. Chúng thƣờng đƣợc ổn định nhiệt độ bằng các bộ làm lạnh Peltier có điều khiển. Tuy nhiên cần lƣu ý là trong laser DFB phải có ống dẫn sóng suy hao thấp để đạt đƣợc độ phản xạ cao, tính chọn lọc mode tốt. Hiệu suất ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động là yếu tố chủ yếu quyết định đến chất lƣợng của laser. Nhìn chung, trong laser DFB không có yêu cầu ghép công suất giữa vùng tích cực và thụ động nên vật liệu chế tạo dễ dàng hơn laser DBR. Do cấu trúc DFB và DBR khác nhau nên chúng có một số đặc tính khác nhau. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai loại laser này là đặc tính phụ thuộc nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng trong laser DBR có sự chuyển đổi từ mode này sang mode khác, còn DFB thể hiện đặc tính ổn định trong một dải nhiệt độ rộng. Giám sát phân cực Dữ liệu Đơn vị biến Kích thích đổi dữ liệu laser Xung kích Transmitter Mạch điều Điều khiển điều khiển laser chế và phân cực Quang Điều khiển nhiệt độ PD LD Làm lạnh Cảnh báo vào giám Cảnh báo và giám Giám sát sát công suất ra sát nhiệt độ mặt sau Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ phát quang Một bộ phát của một kênh (một bƣớc sóng) thƣờng bao gồm: nguồn quang, bộ ghép tín hiệu quang, mạch điều chế tín hiệu và mạch điều khiển công suất (hình 1.4). Dữ liệu từ nguồn phát bên ngoài đƣợc đƣa vào bộ phát quang thông qua đơn vị biến đổi dữ liệu nhờ tín hiệu xung kích (clock). Tại đây, dữ liệu đƣợc biến đổi về dạng phù hợp cung cấp cho mạch kích thích điều khiển dòng phân cực cho laser. Trong trƣờng hợp tổng quát, bộ phát quang sử dụng LED cũng bao gồm các thành phần nhƣ trên. Nếu tín hiệu cần phát là tín hiệu tƣơng tự thì mạch điều chế tín hiệu sẽ đơn giản hơn. Sự phát triển của các mạch quang tích hợp gần đây đã giảm giá thành của các máy phát, trong đó chip laser, bộ khuếch đại quang đƣợc tích hợp trong một gói. Các gói này có thể cho công suất đầu ra là 40 dBm với dòng kích thích khoảng 40 mA [3]. Ánh sáng từ nguồn quang phải đƣợc điều chế với dòng bit mang thông tin cần truyền bằng phƣơng pháp điều biến cƣờng độ. Quá trình điều biến phải có độ tuyến tính cao để tránh sự phát sinh các hài không cần thiết và sự méo dạng tín hiệu do sự điều biến SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 5
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM qua lại, gây nhiễu cho quá trình giải điều chế ở phía thu. Các gói DFB kết hợp với các bộ điều chế trên một chip làm cho cả khối có độ di tần thấp, tốc độ điều chế cao. Tuy nhiên cũng có một số hạn chế nhƣ độ rộng phổ hẹp làm cho chúng dễ bị ảnh hƣởng bởi nhiễu do sự phản hồi từ các liên kết.  Bộ thu quang Bộ thu quang thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bộ thu phải thích hợp với bộ phát cả về bƣớc sóng sử dụng và phƣơng thức điều chế, đồng thời phải đƣợc thiết kế để đƣa ra mức tín hiệu phù hợp. Cấu trúc bộ thu quang gồm có: bộ tách sóng quang, các bộ khuếch đại tín hiệu, bộ cân bằng (Equalizer), bộ lọc, mạch khôi phục xung đông hồ, mạch quyết định bit và các bộ xử lý tín hiệu số (hình 1.5). Toàn bộ cấu trúc này thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu quang ở phía phát thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này tới mức đủ lớn để nó có thể tạo thuận lợi cho các bƣớc xử lý tiếp theo nhƣ quá trình tái tạo tín hiệu. Độ phức tạp của mạch giải điều chế phụ thuộc vào phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng. Tín hiệu quang vào Bộ tách sóng Bộ tiền KĐ Equalizer Bộ KĐ Bộ Mạch quyết Dữ liệu đƣợc lọc định bit khôi phục Mạch khôi phục xung đồng hồ Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ thu quang Bộ tách sóng quang thực hiện chức năng chuyển đổi tín hiệu quang ngõ vào thành tín hiệu điện, do tín hiệu quang ngõ vào đã bị suy yếu trên đƣờng truyền nên tín hiệu ở ngõ ra bộ tách sóng quang cần đƣợc đƣa đến bộ tiền khuếch đại. Yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là phải có nhiễu thấp. Equalizer có vai trò cân bằng lại băng thông và giảm bớt sự chồng lấp xung do trải rộng xung. Bộ lọc đặt sau bộ khuếch đại có chức năng loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn sinh ra do quá trình xử lý tín hiệu. Bộ thu quang thƣờng sử dụng photodiode làm phần tử tách sóng quang. Có hai loại photodiode là PIN và APD. Photodiode PIN yêu cầu công suất thấp nhƣng kém nhạy cảm, chỉ hoạt động trên một dải tần số hẹp và cần có bộ khuếch đại phía trƣớc. APD do có hiệu ứng nhân thác lũ nên dòng quang điện đƣợc khuếch đại ngay trong diode, cho tín hiệu lớn nên không cần bộ tiền khuếch đại và thƣờng đƣợc sử dụng trong các tuyến thông tin quang đƣờng dài. Xét về độ ổn định thì APD kém hơn PIN nhiều vì hệ số nhân thác lũ của APD phụ thuộc vào nhiệt độ và điện áp phân cực. SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 6
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Cấu tạo của một photodiode thông thƣờng bao gồm một lớp tiếp giáp P-N hoạt động ở chế độ dòng phân cực ngƣợc, tạo ra một vùng nghèo hấp thụ photon. Ánh sáng tới lọt vào vùng nghèo này và bị hấp thụ và sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống. Điện trƣờng phân cực ngƣợc trên lớp tiếp giáp P-N sẽ làm cho cặp điện tử – lỗ trống này di chuyển ra khỏi vùng nghèo và ra mạch ngoài tạo thành dòng điện. Photodiode PIN có thêm một lớp bán dẫn I (nguyên chất) giữa hai lớp P-N, chiều rộng của lớp bán dẫn I đƣợc xác định sao cho tất cả photon đi vào đều đƣợc hấp thụ tại lớp bán dẫn I. APD có cấu tạo gồm bốn lớp P+-I-P-N+. Lớp I hấp thụ photon đi vào, lớp P-N+ có điện trở suất lớn nhất hình thành vùng nhân điện tử để xảy ra hiệu ứng nhân thác lũ, cho phép khuếch đại dòng quang điện ngay trong APD. Trong bộ thu có một số tham số quan trọng nhƣ đáp ứng phổ, thời gian lên, độ rộng băng tần nguồn thu, các loại nhiễu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ nhạy máy thu. Đáp ứng phổ là một hàm của bƣớc sóng, liên quan mật thiết đến bộ tách sóng đƣợc dùng. Các loại nhiễu gồm có nhiễu nhiệt, nhiễu lƣợng tử và nhiễu dòng tối. Độ nhạy máy thu là mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu tới mà máy thu vẫn thu đƣợc tín hiệu với tỉ số lỗi bit BER định trƣớc. 1.2.2 Bộ tách/ghép kênh quang Bộ tách kênh quang có nhiệm vụ tách tín hiệu nhận đƣợc (tín hiệu quang đa bƣớc sóng) thành các tín hiệu có tần số khác nhau. Nhiệm vụ của bộ ghép kênh quang thì ngƣợc lại: nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và kết hợp chúng vào trong một tia sáng để truyền vào sợi quang. Có hai loại thiết bị tách/ghép kênh là thiết bị tách/ghép kênh thụ động và thiết bị tách/ghép kênh tích cực. Thiết bị tách/ghép kênh thụ động hoạt động dựa trên nguyên lý của lăng kính, cách tử nhiễu xạ và các bộ lọc. Các thiết bị tách/ghép kênh tích cực hoạt động dựa trên nguyên tắc kết hợp các thiết bị thụ động với các bộ lọc điều hƣởng, trong đó mỗi bộ lọc cộng hƣởng với một tần số nhất định. Sau đây là một ví dụ đơn giản về tách kênh sử dụng lăng kính: n2  n1 n1 1 1 , 2 ,...n 2 n2 n Sợi Thấu Thấu Các sợi Lăng kính kính quang quang kính Hình 1.6 Tách kênh sử dụng lăng kính 1.2.3 Bộ khuếch đại quang Suy hao đã giới hạn khoảng cách truyền dẫn của tuyến quang, muốn khắc phục điều này cần phải sử dụng các bộ khuếch đại. Trƣớc khi có các bộ khuếch đại quang SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 7
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM ngƣời ta đã sử dụng các bộ lặp quang – điện. Bộ khuếch đại quang có khả năng khuếch đại các bƣớc sóng cùng lúc mà không cần chuyển đổi quang – điện – quang. Ngày nay trong các hệ thống WDM thƣờng sử dụng bộ khuếch đại EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier: bộ khuếch đại quang sợi pha tạp Erbium) và khuếch đại Raman. Cấu trúc của một bộ khuếch đại EDFA đƣợc minh họa trên hình 1.7. Erbium (Er) là một nguyên tố đất hiếm. Các ion Er3+ khi đƣợc kích thích sẽ phát ra ánh sáng có bƣớc sóng khoảng 1.55 m – là bƣớc sóng có suy hao thấp đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM. Khi cho tín hiệu ánh sáng đi vào EDFA, sẽ xảy ra hiện tƣợng: Các photon tín hiệu kích thích các ion Er3+ ở vùng giả bền, hiện tƣợng phát xạ kích thích xảy ra. Lúc đó, các ion Er3+ bị kích thích sẽ chuyển trạng thái năng lƣợng từ mức năng lƣợng cao xuống mức năng lƣợng thấp ở vùng nền. Và phát xạ ra photon mới có cùng hƣớng truyền, cùng phân cực, cùng pha và cùng bƣớc sóng. Nhƣ vậy tín hiệu ánh sáng đã đƣợc khuếch đại. Độ rộng giữa vùng giả bền và vùng nền cho phép sự phát xạ kích thích xảy ra trong khoảng bƣớc sóng 1530 – 1565 nm, đây cũng là vùng bƣớc sóng hoạt động tốt nhất của EDFA. Trong EDFA, điều kiện để có khuếch đại tín hiệu là đạt đƣợc sự nghịch đảo nồng độ bằng cách sử dụng nguồn bơm để bơm các ion Er3+ lên trạng thái kích thích. Có hai cách thực hiện quá trình này: bơm trực tiếp (bơm ngƣợc) tại bƣớc sóng 1480 nm hoặc bơm gián tiếp (bơm xuôi) ở bƣớc sóng 980 nm. Có thể kết hợp cả bơm xuôi và bơm ngƣợc để đạt đƣợc độ lợi lớn hơn. Độ lợi của EDFA thƣờng vào khoảng 20 dB đến 40 dB, tùy vào ứng dụng của nó. Hiện nay, ngƣời ta có thể chế tạo đƣợc bộ khuếch đại hoạt động trong băng L. Về nguyên lý hoạt động thì EDFA băng L cũng giống EDFA băng C, nhƣng cấu tạo thì có những điểm khác biệt, ngƣời ta thƣờng thiết kế nhiều tầng và kết hợp nhiều nguồn bơm cùng lúc. Độ lợi của EDFA băng L nhỏ hơn EDFA băng C khoảng 3 lần nhƣng phổ độ lợi bằng phẳng hơn [4]. Sợi pha ion Erbium Bơm xuôi Bơm ngƣợc 980 nm 1480 nm Phổ tín hiệu quang vào Phổ tín hiệu quang ra Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của bộ khuếch đại EDFA SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 8
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Trong những tuyến truyền dẫn có cự ly dài, ngƣời ta thƣờng sử dụng thêm bộ khuếch đại Raman. Bộ khuếch đại Raman đƣợc chế tạo dựa trên hiệu ứng Raman do Chandrasekhara Venkata Raman, nhà bác học ngƣời Ấn độ phát hiện vào năm 1928. Cấu trúc của một bộ khuếch đại Raman đƣợc minh họa trên hình 1.8. Trong khuếch đại Raman, tín hiệu quang đƣợc khuếch đại dọc theo toàn bộ chiều dài của sợi quang silic bình thƣờng. Sợi quang là nơi xảy ra quá trình khuếch đại. Bộ ghép Coupler dùng để ghép các bƣớc sóng tín hiệu vào sóng bơm. Bộ cách ly Isolator đặt ở hai đầu của bộ khuếch đại quang để ngăn chặn tín hiệu phản xạ ở hai đầu bộ khuếch đại. Đồng thời nó cũng giúp loại trừ nhiễu ASE theo hƣớng ngƣợc về phía đầu vào có thể gây ảnh hƣởng đến tín hiệu đầu vào. Laser bơm (Pump Laser) dùng để cung cấp năng lƣợng cho các nguyên tử của sợi quang chuyển lên trạng thái kích thích giúp tạo ra sự nghịch đảo nồng độ. Sợi quang thƣờng Coupler Pump Laser Tín hiệu Tín hiệu vào nhỏ ra lớn Hình 1.8 Cấu trúc của bộ khuếch đại Raman So với khuếch đại EDFA, khuếch đại Raman có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản, nhiễu thấp, dễ chọn băng tần, độ lợi lớn và phổ độ lợi bằng phẳng. Tuy nhiên khuếch đại Raman có hiệu suất khuếch đại thấp hơn và có hiện tƣợng xuyên âm tín hiệu do hiện tƣợng tán xạ Raman kích thích. 1.2.4 Bộ ghép xen/rớt bƣớc sóng quang OADM Việc xen hoặc rớt một hoặc nhiều bƣớc sóng tại một số điểm trên đƣờng truyền là rất cần thiết. Do đó cần có các bộ ghép xen/rớt để thực hiện chức năng này. Ngoài các chức năng kết hợp hoặc phân chia các bƣớc sóng, các OADM còn có khả năng chặn một số kênh trong khi chuyển tiếp các kênh còn lại. OADM là một phần quan trọng để tiến đến mục tiêu của mạng toàn quang. Có hai loại thiết bị OADM. Thế hệ đầu tiên là một thiết bị cố định đƣợc cấu hình vật lý để rớt một số bƣớc sóng cụ thể đã định trƣớc trong khi xen thêm các bƣớc sóng khác. Thế hệ thứ hai có khả năng cấu hình lại và có thể chọn lựa linh hoạt các bƣớc sóng để xen/rớt (ROADM). Các công nghệ để chế tạo nên thiệt bị OADM thƣờng là: SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 9
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM công nghệ cách tử Bragg, công nghệ điện môi màng mỏng và cách tử ống dẫn sóng dạng mảng. Circulator 1 Circulator 2 Vào Ra FBG A1 B1 λG λ1, λ2, λ3,... A2 B2 λG λG Rớt Xen Hình 1.9 OADM sử dụng FBG và Circulator Trên hình 1.9 miêu tả cấu tạo của một OADM đơn giản sử dụng cách tử Bragg sợi quang (FBG) và Circulator. Nguyên lý hoạt động của OADM dạng này nhƣ sau: ánh sáng đƣợc đƣa vào cổng A1 và đƣợc định hƣớng tới FBG có bƣớc sóng phản xạ là λG, ánh sáng có bƣớc sóng này bị cách tử phản xạ trở lại Circulator 1 và tách ra ở cổng A2, các phần ánh sáng còn lại sẽ chuyển qua cách tử và đƣa tới Circulator 2. Ở Circulator 2, một tín hiệu khác có bƣớc sóng λG đƣợc đƣa vào cổng B2, tín hiệu này bị cách tử phản xạ trở lại và đi ra cổng B1. ROADM – Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer – OADM cấu hình lại đƣợc, hình sau đây mô tả một WSS ROADM (WSS: Wavelength Selectable Switch: chuyển mạch có khả năng lựa chọn bƣớc sóng): Khuếch đại Khuếch đại WSS 1x9 WSS 1x9 MUX/DEMUX MUX/DEMUX Xen Xen Rớt Rớt Hình 1.10 Cấu trúc của một ROADM hai hướng 1.2.5 Bộ kết nối chéo quang Đối với các mô hình mạng đơn giản nhƣ mô hình mạng vòng hoặc tuyến tính thì OADM là sự lựa chọn tối ƣu xét về khía cạnh kinh tế, công nghệ chế tạo và khả năng đáp ứng yêu cầu của mạng. Nhƣng trong tƣơng lai, khi yêu cầu về khả năng linh động trong việc cung ứng dịch vụ, đồng thời các dịch vụ đa phƣơng tiện đòi hỏi phải đáp SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 10
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM ứng đƣợc sự tăng băng thông đột biến thì mô hình mạng hiện tại không đáp ứng đƣợc. Khi đó cần phải triển khai mạng mắt lƣới với phần tử trung tâm là các bộ kết nối chéo quang OXC. λ1... λN λ1... λN λ1... λN λ1... λN M sợi M sợi đầu vào đầu ra λ1... λN λ1... λN Hình 1.11 Thiết bị nối chéo quang Thiết bị nối chéo quang (OXC) có M sợi đầu vào, M sợi đầu ra và các cổng xen/rẽ. Mỗi sợi đầu vào và đầu ra mang một tín hiệu ghép kênh N bƣớc sóng. Các cổng xen/rẽ cho phép chèn và tách một số bƣớc sóng. OXC thực hiện các chức năng sau đây: ghép và tách kênh, xen/rớt kênh quang, chuyển mạch không gian và có thể cả chuyển đổi bƣớc sóng. Điều này cho phép thực hiện nối xuyên các tín hiệu quang giữa các sợi đầu vào và các sợi đầu ra (và có thể nối xuyên giữa bƣớc sóng vào và bƣớc sóng ra). Yêu cầu cơ bản đối với OXC là:  Có khả năng tự động cung cấp thêm các kênh bƣớc sóng nếu nhu cầu băng thông tăng lên.  Bảo vệ đƣờng quang với các sự cố nhƣ đứt cáp, sự cố nút mạng.  Giám sát chất lƣợng truyền dẫn: cho phép khả năng trích tín hiệu thực hiện chức năng đo đạc, giám sát chất lƣợng truyền dẫn.  Chuyển đổi bƣớc sóng.  Tách, chèn và xử lý các thông tin mào đầu của truyền dẫn phân đoạn quang.  Ghép và nhóm tín hiệu: cho phép hoạt động với các tín hiệu có tốc độ bit không tƣơng ứng với tốc độ bit của tín hiệu truyền trong lớp kênh quang. 1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống DWDM 1.3.1 Tán sắc màu và tán sắc phân cực mode 1.3.1.1 Tán sắc màu (Chromatic Dispersion – CD) Tán sắc là hiện tƣợng trải rộng xung ở ngõ ra so với ngõ vào, gây nên sự chồng lấn xung và giao thoa giữa các ký tự. Làm tăng tỉ lệ lỗi bit dẫn đến giảm cự ly truyền dẫn hoặc hạn chế tốc độ bit trên một kênh. Tán sắc chính là một trong những yếu tố gây khó khăn khi tăng tốc độ bit trên 1 kênh lên 40 Gb/s và hơn nữa. SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 11
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Nhƣ chúng ta đã biết, vận tốc ánh sáng truyền trong sợi quang phụ thuộc vào chiết suất của sợi quang, mà chiết suất của sợi quang đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là không giống nhau. Các nguồn laser sử dụng trong hệ thống DWDM có độ rộng phổ rất hẹp nhƣng ánh sáng do chúng phát ra không phải là đơn sắc, do đó lúc truyền đi trên sợi quang sẽ có những thành phần ánh sáng di chuyển với vận tốc khác nhau và gây ra hiện tƣợng tán sắc màu. Mỗi loại sợi quang có độ tán sắc riêng và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số tán sắc, đơn vị: ps/(nm.km). Nói chung hệ số tán sắc phụ thuộc vào vật liệu chế tạo sợi quang và bƣớc sóng của ánh sáng truyền qua. Hình 1.12 thể hiện đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang đơn mode [5].  ITU G.652: Single Mode Fiber – SMF: Sợi SMF là sợi quang đang đƣợc sử dụng phổ biến nhất hiện nay, hệ số tán sắc của sợi SMF bằng 0 tại bƣớc sóng 1310 nm và khoảng 17 ps/(nm.km) tại bƣớc sóng 1550 nm. Các hệ thống DWDM sử dụng bƣớc sóng trong cửa sổ 1550 nm, tuy nhiên tán sắc tại cửa sổ này là khá lớn và đây chính là một nhƣợc điểm của sợi G.652. Do vậy ngƣời ta đã chế tạo ra sợi G.653 – sợi dịch tán sắc.  ITU G.653: Dispersion-Shifted Fiber – DSF: Sợi này đã dịch tán sắc bằng 0 từ cửa sổ 1310 nm lên cửa sổ 1550 nm. Tuy nhiên vấn đề gặp phải khi dịch tán sắc bằng 0 lên cửa sổ 1550 nm là ảnh hƣởng nặng nề của hiệu ứng phi tuyến và tán sắc phân cực mode. Nên trong thực tế sợi DSF không đƣợc sử dụng nữa, và ngƣời ta đã phát triển một loại sợi quang mới G.655 – sợi dịch tán sắc khác 0.  ITU G.655: Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber – NZDSF: Đặc điểm của sợi này là có hệ số tán sắc khác 0 trong cửa sổ 1550 nm (khoảng 3 ps/(nm.km) tại 1550 nm), đã khắc phục đƣợc những hạn chế của sợi DSF, và là sợi quang tối ƣu cho các hệ thống DWDM. Tuy nhiên do chi phí cao và do lịch sử lắp đặt cáp quang nên hiện nay sợi SMF vẫn là sợi đƣợc sử dụng phổ biến nhất. Hình 1.12 Đặc tính tán sắc của một số loại sợi quang SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 12
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM Ảnh hưởng của tán sắc màu đến cự ly truyền dẫn: Tán sắc màu làm tăng tỉ lệ lỗi bit và do đó hạn chế khoảng cách truyền dẫn trƣớc khi tái tạo tín hiệu và bù tán sắc. Trong hệ thống DWDM sử sụng laser DFB, cự ly truyền dẫn tối đa trƣớc khi bù tán sắc và tái tạo thƣờng đƣợc tính theo công thức sau đây [5]: , (1.1) với CD (ps/(nm.km)) là hệ số tán sắc, B (Gb/s) là tốc độ bit của một kênh. Dựa vào hình 1.12 và công thức (1.1), ta đƣa ra bảng so sánh sau: Bảng 1.1 Ảnh hƣởng của tán sắc màu Bit rate G.652 (λ = 1550 nm) G.655 (λ = 1550 nm) 10 Gb/s 61,2 km 346,7 km 40 Gb/s 3,8 km 21,7 km 100 Gb/s 0,6 km 3,47 km Từ bảng trên ta nhận thấy rằng khi tốc độ bit tăng lên thì khoảng cách truyền dẫn tối đa giảm một cách nhanh chóng, và gần nhƣ bằng 0 tại tốc độ 100 Gb/s (G.652). Tán sắc màu là tƣơng đối ổn định và có thể đo đƣợc bằng các dụng cụ đo tán sắc, vì vậy có thể sử dụng các phƣơng pháp bù tán sắc để loại bỏ ảnh hƣởng của chúng. Các kỹ thuật bù tán sắc bao gồm: bù trƣớc, bù sau, sử dụng sợi DCF, cách tử Bragg sợi quang… Các kỹ thuật bù tán sắc hiện nay có chi phí tƣơng đối cao và làm tăng thêm suy hao cũng nhƣ tán sắc phân cực mode của tuyến quang. Nên người ta đang nghiên cứu những kỹ thuật điều chế mới có sự miễn nhiễm cao đối với CD cũng như PMD ! 1.3.1.2 Tán sắc phân cực mode (Polarization Mode Dispersion – PMD) Ánh sáng truyền trong sợi quang gồm 2 thành phần phân cực vuông góc với nhau mà ta gọi là 2 mode trực giao. Nếu chiết suất của sợi quang là không đồng nhất trên phƣơng truyền của 2 mode này thì hiện tƣợng tán sắc phân cực mode xảy ra. Khác với tán sắc màu, tán sắc phân cực mode có tính ngẫu nhiên, thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng. Tán sắc phân cực mode tỷ lệ tuyến tính với căn bậc hai chiều dài của sợi quang. Tại một điểm bất kỳ dọc theo sợi quang, một xung ánh sáng đã đƣợc phân cực có thể bị phân chia thành các thành phần đƣợc sắp xếp theo hai trục trực giao của sợi quang: một trục nhanh và một trục chậm. Cần chú ý là các trục này không nhất thiết phải tƣơng ứng với một trạng thái phân cực tuyến tính. Trong cáp quang thực tế, tính định hƣớng của các trục này và sự khác nhau tƣơng đối về tốc độ truyền tƣơng ứng với mỗi trục (liên quan trực tiếp đến độ lớn của sự lƣỡng chiết bên trong) thay đổi dọc SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 13
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống DWDM theo đƣờng dẫn quang. Trong mỗi đoạn của sợi quang, hƣớng của các trục lƣỡng chiết thay đổi. Trong mỗi đoạn xuất hiện thời gian trễ giữa các phần của ánh sáng theo trục nhanh và ánh sáng theo trục chậm. Vì tính hƣớng tƣơng đối của các trục này trong các phần là khác nhau nên xung tín hiệu trải rộng theo thời gian. Với những bƣớc sóng cụ thể, trạng thái phân cực của ánh sáng đƣợc đƣa vào sợi quang có thể chỉnh sửa để xung không trải rộng. Trong thực tế, có hai trạng thái phân cực trực giao tồn tại. Chúng là các trạng thái phân cực cơ bản, một tƣơng ứng với thời gian truyền xung nhanh nhất và một ứng với thời gian lan truyền xung chậm nhất. Sự khác biệt giữa hai thời gian truyền xung này đƣợc gọi là trễ nhóm vi sai (DGD) tƣơng ứng với bƣớc sóng đó và PMD đƣợc xác định là giá trị trung bình theo bƣớc sóng của DGD (hình 1.13). PMD tỉ lệ với căn bậc 2 chiều dài sợi quang: √ , với DPMD là hệ số PMD, đơn vị √ . Ví dụ: sợi G.652 có DPMD = 0,5 √ . Polarization Mode Dispersion - PMD Xung quang Differential Group Delay - DGD Hình 1.13 Tán sắc phân cực mode Ảnh hưởng của tán sắc phân cực mode: Ảnh hƣởng của tán sắc phân cực mode tăng lên khi tăng tốc độ bit trên một kênh cũng nhƣ tăng cự ly truyền dẫn. Tuy nhiên có thể cho phép tối đa một lƣợng tán sắc phân cực mode bằng khoảng 10% chu kỳ của một bit [5]. Bảng dƣới đây sẽ cho ta thấy ảnh hƣởng của PMD khi tăng tốc độ bit: Bảng 1.2 Ảnh hƣởng của của tán sắc phân cực mode Tốc độ bit Chu kỳ bit Giới hạn PMD 10 Gb/s 100 ps 10 ps 40 Gb/s 25 ps 2,5 ps 100 Gb/s 10 ps 1 ps Ngƣời ta đã phát triển các khối bù tán sắc màu DCM để thực hiện việc bù tán sắc phân cực mode (DCMs). Hình 1.14 là một ví dụ về bù PMD bằng phƣơng pháp quang và điện, phƣơng pháp này thƣờng sử dụng cho các tuyến cáp cũ, cự ly dài và có chỉ số PMD cao. Tuy nhiên giá thành khá cao và không bù đƣợc triệt để. SVTH: Nguyễn Văn Cƣờng Lớp: Đ08VTA3 Trang 14