Luận văn thạc sĩ: Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong mạng cáp sợi quang

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu mạng cáp sợi quang, giúp tối ưu hiệu suất và độ ổn định hệ thống.

• Tác giả: Đinh Phú Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Công Tú
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong mạng cáp sợi quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Bố cục luận văn
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
• 2.1. Hệ thống thông tin quang điển hình
• 2.2. Cấu tạo sợi quang
• 2.3. Phân loại sợi quang
• 2.3.1. Sợi đơn mode chiết suất bậc
• 2.3.2. Sợi đa mode chiết suất bậc
• 2.3.3. Sợi chiết suất giảm dần
• 2.4. Suy hao trên sợi quang
• 2.5. Tán sắc trên sợi quang
• 2.6. Nguồn phát quang
• 2.7. Bộ tách sóng quang
• 2.8. Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng
• 2.9. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng
• 2.10. Ưu nhược điểm của công nghệ WDM
• 2.11. Bộ khuếch đại sợi quang
• 2.12. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA
• 2.13. Khuếch đại quang sợi EDFA trong hệ thống WDM
• 2.14. Kết luận chương
• 3. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DWDM
• 3.1. Giới thiệu hệ thống thông tin quang DWDM
• 3.2. Các thành phần của hệ thống thông tin quang DWDM
• 3.3. Bộ phát đáp quang OTU
• 3.4. Bộ ghép kênh quang OMU
• 3.5. Bộ tách kênh quang ODU
• 3.6. Bộ ghép kênh xen rẽ quang OADM
• 3.7. Bộ khuếch đại OA
• 3.8. Khối giám sát kênh quang OSC
• 3.9. Khối bù tán sắc
• 3.10. Các vấn đề kỹ thuật cần quan tâm trong hệ thống DWDM
• 3.11. Tổng kết chương 2
• 4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG DWDM
• 4.1. Vấn đề quan tâm khi thiết kế tuyến DWDM
• 4.2. Số kênh theo bước sóng
• 4.3. Băng thông và lọc tín hiệu
• 4.4. Độ rộng phổ của nguồn phát
• 4.5. Quỹ công suất
• 4.6. Đánh giá lỗi đường truyền
• 4.7. Tỉ lệ lỗi bit
• 4.8. Xác suất bị lỗi của các bit nhận
• 4.9. Giám sát tỉ lệ lỗi bit
• 4.10. Sơ đồ mắt, BER và SNR
• 4.11. Ảnh hưởng của các tham số phía máy thu đến hệ thống DWDM
• 4.12. Suy hao của sợi quang
• 4.13. Nhiễu xuyên kênh
• 4.14. Cân bằng bù tán sắc các kênh quang
• 4.15. Các hiệu ứng quang phi tuyến
• 4.16. Nhiễu gây ra bởi bộ khuếch đại EDFA
• 4.17. Kết luận chương
• 5. MÔ PHỎNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG QUANG
• 5.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu của sợi quang
• 5.2. Xác định các tham số
• 5.3. Kết quả mô phỏng
• 5.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu trong hệ thống DWDM
• 5.5. Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến
• 5.6. Nghiên cứu thông số hoạt động của hệ thống DWDM 80 kênh
• 5.7. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong mạng cáp sợi quang

Chất lượng truyền dẫn tín hiệu là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của hệ thống mạng cáp sợi quang. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn, bao gồm suy hao, tán sắc, và các hiệu ứng phi tuyến. Mạng cáp sợi quang đóng vai trò trung tâm trong việc truyền tải dữ liệu tốc độ cao, đặc biệt trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Các yếu tố kỹ thuật như truyền dẫn tín hiệu quang, tín hiệu mạng, và chất lượng tín hiệu được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.1. Suy hao và tán sắc trong sợi quang

Suy hao và tán sắc là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu. Suy hao xảy ra do sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng trong sợi quang, làm giảm công suất tín hiệu. Tán sắc, bao gồm tán sắc mode và tán sắc màu, gây ra sự phân tán tín hiệu, dẫn đến méo dạng xung. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng sợi quang đơn mode và các kỹ thuật bù tán sắc có thể giảm thiểu đáng kể các vấn đề này.

1.2. Hiệu ứng phi tuyến trong truyền dẫn quang học

Các hiệu ứng phi tuyến như tự điều chế pha (SPM), tán xạ Brillouin kích thích (SBS), và trộn bốn sóng (FWM) gây ra sự biến dạng tín hiệu, đặc biệt trong hệ thống mạng quang học sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM). Những hiệu ứng này trở nên nghiêm trọng hơn khi công suất tín hiệu tăng, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật để kiểm soát và giảm thiểu tác động.

II. Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống DWDM

Hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) là công nghệ tiên tiến được sử dụng để tăng dung lượng truyền tải trong mạng viễn thông. Nghiên cứu này phân tích các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống DWDM, bao gồm số kênh bước sóng, băng thông, và quỹ công suất. Các vấn đề như nhiễu xuyên kênh và nhiễu gây ra bởi bộ khuếch đại EDFA cũng được xem xét để đảm bảo chất lượng tín hiệu.

2.1. Nhiễu xuyên kênh và cân bằng bù tán sắc

Nhiễu xuyên kênh là một trong những thách thức lớn trong hệ thống DWDM, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng hẹp. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng các bộ lọc tín hiệu và kỹ thuật cân bằng bù tán sắc có thể giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, cải thiện chất lượng tín hiệu quang học và tăng hiệu suất truyền dẫn.

2.2. Ảnh hưởng của bộ khuếch đại EDFA

Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium (EDFA) được sử dụng rộng rãi trong hệ thống DWDM để tăng cường công suất tín hiệu. Tuy nhiên, EDFA cũng gây ra nhiễu phát xạ tự phát (ASE), ảnh hưởng đến tỷ số tín hiệu trên tạp âm (OSNR). Nghiên cứu này đề xuất các giải pháp tối ưu hóa vị trí và công suất của EDFA để giảm thiểu nhiễu và cải thiện hiệu suất hệ thống.

III. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất hệ thống

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng Optisystem để đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền dẫn quang học dưới ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật. Các thông số như tỷ lệ lỗi bit (BER), sơ đồ mắt, và tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) được phân tích để đánh giá chất lượng tín hiệu. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) và nhiễu ASE đến hiệu suất hệ thống.

3.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng trộn bốn sóng

Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) là một trong những hiệu ứng phi tuyến quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống DWDM. Nghiên cứu chỉ ra rằng FWM gây ra sự méo dạng tín hiệu và tăng tỷ lệ lỗi bit, đặc biệt khi khoảng cách giữa các kênh bước sóng hẹp. Các giải pháp như điều chỉnh công suất phát và sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc thấp được đề xuất để giảm thiểu tác động của FWM.

3.2. Đánh giá nhiễu ASE trong hệ thống DWDM

Nhiễu phát xạ tự phát (ASE) tích lũy qua các bộ khuếch đại EDFA là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu quang học. Nghiên cứu này sử dụng mô phỏng để đánh giá sự ảnh hưởng của ASE đến tỷ số tín hiệu trên tạp âm (OSNR) và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa vị trí và công suất của EDFA để giảm thiểu nhiễu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ băng rộng như video chất lượng cao, điện toán đám mây và mạng di động 3G, 4G, 5G, nhu cầu về dung lượng và tốc độ truyền dẫn thông tin ngày càng tăng cao. Mạng truyền dẫn cáp sợi quang trở thành hạ tầng lõi quan trọng, đáp ứng yêu cầu băng thông lớn và tốc độ cao. Tuy nhiên, băng thông hữu hạn của sợi quang và sự cạn kiệt nguồn bước sóng trong các hệ thống truyền dẫn hiện nay gây ra tình trạng nghẽn mạch, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng mật độ dày đặc (DWDM) được xem là giải pháp tối ưu để nâng cao dung lượng truyền dẫn, tận dụng hiệu quả phổ băng tần của sợi quang.

Luận văn tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong mạng cáp sợi quang, đặc biệt trong hệ thống DWDM với 80 kênh, mỗi kênh truyền dữ liệu 10 Gbps trên băng tần 1555 nm, chiều dài tuyến truyền 300 km. Mục tiêu chính là phân tích, mô phỏng và đánh giá các yếu tố như suy hao sợi, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến và nhiễu phát xạ tự phát (ASE) ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa chất lượng truyền dẫn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống truyền dẫn quang WDM và DWDM, sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng Optisystem để khảo sát các tham số kỹ thuật và hiệu suất truyền dẫn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành các mạng truyền dẫn quang thế hệ mới, góp phần nâng cao dung lượng, độ ổn định và chất lượng dịch vụ mạng viễn thông hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết truyền dẫn quang: Mô tả cấu trúc sợi quang đơn mode, đa mode, và sợi chiết suất giảm dần; các hiện tượng suy hao, tán sắc (mode và màu), và ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến như tự điều chế pha (SPM), điều chế pha chéo (XPM), trộn bốn sóng (FWM), tán xạ Brillouin kích thích (SBS) và tán xạ Raman kích thích (SRS).

• Mô hình hệ thống DWDM: Phân tích cấu trúc hệ thống gồm các thành phần OTU (Optical Transponder Unit), OMU (Optical Multiplexer Unit), ODU (Optical Demultiplexer Unit), OADM (Optical Add/Drop Multiplexer), bộ khuếch đại EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) và các khối giám sát kênh quang OSC.

• Khái niệm chất lượng tín hiệu: Sử dụng các chỉ số kỹ thuật như tỷ số lỗi bit (BER), tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang (OSNR), hệ số Q (Q factor), sơ đồ mắt (eye diagram) để đánh giá hiệu năng truyền dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập và phân tích các thông số kỹ thuật của hệ thống truyền dẫn quang DWDM, các đặc tính của sợi quang đơn mode, bộ khuếch đại EDFA, nguồn phát laser, và các thiết bị ghép tách kênh quang.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng bằng phần mềm Optisystem để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như suy hao sợi, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, nhiễu ASE đến chất lượng tín hiệu truyền dẫn. Phân tích các tham số như công suất phát, khoảng cách kênh, số lượng bộ khuếch đại, và các loại mã điều chế NRZ, NZR.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng hệ thống DWDM với 80 kênh, mỗi kênh truyền 10 Gbps, trên tuyến truyền dài 300 km. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, với các bước từ tổng quan lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến đến chất lượng truyền dẫn: Hiệu ứng trộn bốn sóng (FWM) gây biến dạng tín hiệu rõ rệt khi công suất phát tăng và khoảng cách giữa các kênh giảm. Mô phỏng cho thấy phổ tín hiệu bị biến dạng nhiều hơn khi công suất phát tăng từ 10 dBm lên 20 dBm, làm giảm hệ số Q và tăng tỷ lệ lỗi bit (BER).

2. Tác động của tán sắc và suy hao sợi quang: Sự kết hợp giữa sợi đơn mode và sợi bù tán sắc (DCF) giúp giảm thiểu tán sắc màu, cải thiện chất lượng tín hiệu. Tuy nhiên, suy hao trên sợi DCF cao hơn (khoảng 0,6 dB/km) so với sợi SMF, ảnh hưởng đến công suất tín hiệu cuối tuyến.

3. Ảnh hưởng của số lượng bộ khuếch đại EDFA: Khi sử dụng 10 bộ EDFA trên tuyến truyền dài 300 km, hệ thống duy trì được mức công suất và OSNR ổn định hơn so với chỉ 2 bộ EDFA, giúp giảm tỷ lệ lỗi bit xuống dưới ngưỡng 10^-9, đảm bảo chất lượng truyền dẫn.

4. So sánh khoảng cách kênh 50 GHz và 100 GHz: Khoảng cách kênh 50 GHz cho phép tăng số lượng kênh lên 80, nhưng làm tăng hiệu ứng xuyên kênh và giảm Q factor khoảng 15% so với khoảng cách 100 GHz, đòi hỏi cân bằng giữa mật độ kênh và chất lượng tín hiệu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu ứng phi tuyến là yếu tố hạn chế chính trong việc tăng công suất phát và mật độ kênh trong hệ thống DWDM. Việc sử dụng sợi NZ-DSF với tán sắc không bằng 0 giúp giảm thiểu hiệu ứng FWM, đồng thời kết hợp với bộ bù tán sắc DCF để kiểm soát tán sắc màu. Số lượng bộ khuếch đại EDFA và vị trí lắp đặt ảnh hưởng lớn đến OSNR và BER, từ đó quyết định khoảng cách truyền dẫn tối ưu.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã mô phỏng chi tiết hệ thống 80 kênh với tốc độ 10 Gbps/kênh trên tuyến 300 km, cung cấp số liệu cụ thể về Q factor và BER cho từng kênh, giúp đánh giá chính xác hiệu năng hệ thống. Các biểu đồ sơ đồ mắt và phổ tín hiệu minh họa rõ ràng sự biến đổi chất lượng tín hiệu dưới các điều kiện khác nhau, hỗ trợ việc thiết kế và tối ưu hệ thống truyền dẫn quang.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu công suất phát và khoảng cách kênh: Điều chỉnh công suất phát EDFA ở mức khoảng 14 dBm và duy trì khoảng cách kênh tối thiểu 50 GHz để cân bằng giữa dung lượng và chất lượng tín hiệu, giảm thiểu hiệu ứng phi tuyến.

2. Sử dụng sợi NZ-DSF kết hợp với DCF: Áp dụng sợi NZ-DSF để hạn chế hiệu ứng phi tuyến và kết hợp với sợi bù tán sắc DCF nhằm kiểm soát tán sắc màu, nâng cao độ ổn định và khoảng cách truyền dẫn.

3. Tăng số lượng bộ khuếch đại EDFA hợp lý: Lắp đặt khoảng 8-10 bộ EDFA trên tuyến truyền dài 300 km để duy trì OSNR và giảm tỷ lệ lỗi bit, đảm bảo chất lượng truyền dẫn ổn định.

4. Giám sát và điều khiển công suất quang tự động: Triển khai hệ thống giám sát công suất quang tích hợp trong các bộ ghép tách kênh và bộ khuếch đại để điều chỉnh công suất từng kênh, tránh hiện tượng quá tải hoặc suy giảm tín hiệu.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 12-18 tháng, phối hợp giữa các nhà thiết kế mạng, kỹ sư vận hành và nhà cung cấp thiết bị để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà thiết kế mạng viễn thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn quang DWDM, nâng cao hiệu suất và độ ổn định mạng.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Tham khảo các lý thuyết, mô hình và phương pháp mô phỏng chuyên sâu về truyền dẫn quang và công nghệ DWDM.

3. Nhà cung cấp thiết bị viễn thông: Áp dụng các phân tích về hiệu ứng phi tuyến, tán sắc và nhiễu để phát triển sản phẩm bộ khuếch đại, bộ ghép tách kênh quang phù hợp với yêu cầu thực tế.

4. Quản lý và vận hành mạng viễn thông: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn để xây dựng kế hoạch bảo trì, nâng cấp và giám sát mạng hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống DWDM?
   Hiệu ứng phi tuyến như trộn bốn sóng (FWM) gây biến dạng tín hiệu, làm giảm hệ số Q và tăng tỷ lệ lỗi bit, đặc biệt khi công suất phát cao và khoảng cách kênh nhỏ. Ví dụ, khi công suất tăng từ 10 dBm lên 20 dBm, phổ tín hiệu bị biến dạng rõ rệt.

2. Tại sao cần sử dụng sợi bù tán sắc DCF trong hệ thống?
   DCF giúp bù lại tán sắc màu phát sinh trong sợi đơn mode, giảm méo xung và nhiễu liên ký tự, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu. Tuy nhiên, DCF có suy hao cao hơn nên cần cân nhắc khi thiết kế.

3. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ASE trong hệ thống?
   Nhiễu ASE tích lũy qua các bộ khuếch đại EDFA có thể giảm bằng cách sử dụng bộ lọc quang băng hẹp, điều chỉnh công suất đầu vào và số lượng bộ khuếch đại phù hợp.

4. Khoảng cách kênh 50 GHz và 100 GHz khác nhau thế nào về hiệu năng?
   Khoảng cách 50 GHz cho phép nhiều kênh hơn (tăng dung lượng) nhưng làm tăng hiệu ứng xuyên kênh và giảm Q factor khoảng 15% so với 100 GHz, đòi hỏi cân bằng giữa mật độ kênh và chất lượng.

5. Số lượng bộ khuếch đại EDFA ảnh hưởng ra sao đến chất lượng truyền dẫn?
   Số lượng bộ EDFA nhiều giúp duy trì công suất và OSNR ổn định trên tuyến dài, giảm tỷ lệ lỗi bit. Ví dụ, 10 bộ EDFA trên tuyến 300 km cho hiệu năng tốt hơn nhiều so với 2 bộ EDFA.

Kết luận

• Luận văn đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng chính đến chất lượng truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống mạng cáp sợi quang DWDM, bao gồm suy hao, tán sắc, hiệu ứng phi tuyến và nhiễu ASE.
• Mô phỏng hệ thống 80 kênh, 10 Gbps/kênh trên tuyến 300 km cung cấp số liệu cụ thể về Q factor, BER và OSNR, hỗ trợ thiết kế tối ưu.
• Đề xuất sử dụng sợi NZ-DSF kết hợp DCF, điều chỉnh công suất phát và khoảng cách kênh, tăng số lượng bộ khuếch đại EDFA để nâng cao hiệu năng hệ thống.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp các nhà thiết kế và vận hành mạng viễn thông nâng cao chất lượng dịch vụ truyền dẫn quang.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, phát triển hệ thống giám sát tự động và mở rộng nghiên cứu sang các công nghệ truyền dẫn quang mới.

Hãy áp dụng các giải pháp nghiên cứu để tối ưu hóa hệ thống truyền dẫn quang, nâng cao hiệu quả mạng lưới viễn thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu: Tập trung làm rõ những lý do cơ bản để lựa chọn đề tài, tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài, xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang Chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin quang. Trong đó, trình bày mô hình thông tin quang, các ưu điểm nhược điểm của hệ thống. Công nghệ truyền dẫn DWDM Trình bày chi tiết các thành phần cấu tạo nên hệ thống thông tin sợi quang DWDM.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống DWDM Phân tích các thông số ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu hệ thống thông tin quang DWDM Chương 4. Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong hệ thống quang Kết luận và kiến nghị e 5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận văn đã góp phần làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DWDM, đặc biệt là các yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống. Sự ảnh hưởng của hiệu ứng cộng bốn sóng đến hệ thống DWDM phụ thuộc vào các yếu tố công suất phát, diện tích vệt mode lazer, hệ số tán sắc màu, khoảng cách giữa các kênh.

Bên cạnh đó luận văn cũng đánh giá sự ảnh hưởng của nhiễu ASE tích lũy qua các bộ khuếch đại. Từ cơ sở nghiên cứu này kết hợp với các công trình nghiên cứu khác, ta có thể lựa chọn các thông số để thiết kế một hệ thống DWDM tối ưu. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1. Hệ thống thông tin quang điển hình Xã hội ngày càng phát triển, kèm theo đó là nhu cầu thông tin liên lạc là không thể thiếu.

Các dịch vụ như thoại, video call, truyền hình, trò chơi trực tuyến…ngày càng phổ biến. Nhu cầu về truyền dẫn tốc độ cao và lưu lượng lớn cho hệ thống để đáp ứng sự gia tăng của các dịch vụ là cần thiết. Sợi quang và các kỹ thuật trên sợi quang đã đáp ứng được vấn đề này. Cấu trúc của một mô hình hệ thống thông tin quang có thể mô tả đơn giản như hình 1.1, gồm 3 phần chính là: bộ phát quang, bộ thu quang và môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang.

Cấu trúc đơn giản của hệ thống thông tin quang - Bộ phát quang E/O: có vai trò chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và phát và sợi quang. Người ta thường gọi khối E/O này là nguồn quang. Hiện nay, linh kiện điện tử được sử dụng làm nguồn quang là LED và LASER. - Bộ thu quang O/E: có vai trò chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện gốc giống với tín hiệu ở phía phát.

Các link kiện điện tử hiện nay thường được sử dụng để làm chức năng này là PIN và APD và chúng thường được gọi là linh kiện tách sóng quang. - Môi trường truyền tin: là cáp sợi quang Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì trên tuyến có thể lắp thêm một hoặc nhiều các bộ lặp tín hiệu. Cấu trúc đơn giản của một bộ lặp tín hiệu được minh họa ở hình 1. Cấu trúc đơn giản của bộ lặp tín hiệu Trạm lặp: khi truyền trên sợi quang, công suất của tín hiệu quang bị suy yếu dần (do có suy hao trên sợi quang).

Nếu cự ly truyền thông tin quá dài thì tín hiệu quang này có thể không đến được đầu thu hoặc đến đầu thu với công suất rất thấp và đầu thu không nhận dạng được tín hiệu, lúc này ta phải sử dụng các trạm lặp ở trên đường truyền. Chức năng chính của trạm lặp là thu nhận tín hiệu quang đã bị suy giảm, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện. Sau đó sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu đã sửa dạng, chuyển đổi thành tín hiệu đã khuếch đại thành tín hiệu quang. Và cuối cùng đưa tín hiệu quang này lên đường truyền để truyền tải tiếp tới đầu thu.

Như vậy tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra của trạm lặp đều là tín hiệu quang và trong trạm lặp có cả khối chuyển đổi quang-điện và điện-quang. Cấu tạo sợi quang Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:  Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi.  Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n2< n1. Cấu trúc tổng quát này được minh họa ở hình 1.

Cấu trúc sợi quang Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữa lõi-lớp bọc, và được định hướng trong lõi.4 Minh họa cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Ánh sáng truyền trong sợi quang 1. Phân loại sợi quang Có 3 loại cáp sợi quang cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin quang: a) Sợi đơn mode chiết suất bậc Hình 1. Mô tả sợi quang đơn mode chiết suất bậc Sợi đơn mode chiết suất bậc cho phép chỉ một đường, hoặc mode cho ánh sáng đi qua sợi quang, được minh họa trong hình 1.

Các sợi đơn mode được sử dụng trong các ứng dụng mà trong đó yêu cầu suy hao tín hiệu thấp và yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, như là trong các tuyến đường dài mà ở đó khoảng cách lặp hay là khuếch đại đạt được tối đa. Bởi vì sợi đơn mode cho phép chỉ một mode hay tia sáng để truyền (mode bậc thấp nhất), nó không bị tán sắc mode giống như sợi đa mode và vì thế có thể được sử dụng cho các ứng dụng băng rộng cao hơn. Tuy nhiên, thông thường sợi đơn mode không e 9 bị ảnh hưởng bởi sự tán sắc mode, ở tốc độ dữ liệu cao hơn sự tán sắc màu có thể giới hạn hiệu năng của đường truyền. Hạn chế chính của sợi đơn mode là tương đối khó khăn để làm việc vì kích thước lõi của nó nhỏ.

Sợi đơn mode được sử dụng chỉ với nguồn phát laser. b) Sợi đa mode chiết suất bậc Hình 1. Mô tả sợi đa mode chiết suất bậc Sợi đa mode chiết suất bậc có chiết suất khúc xạ biến đổi từ thấp- cao- thấp khi được tính từ lớp vỏ(cladding) – lõi(core) – vỏ(cladding). Thuật ngữ “đa mode” nói lên thực tế rằng có nhiều mode làm việc trong sợi quang.

Sợi đa mode chiết suất bậc được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit thấp và băng rộng (< 1GHz) trên khoảng cách ngắn (<3 km) như là mạng nội bộ (LAN) hoặc 1 mạng đường trục cỡ nhỏ. Trong sợi đa mode chiết suất bậc, số mode 𝑀𝑛 truyền có thể được tính xấp xỉ là: 𝑀𝑛= 𝑉22 (1.3) Ở đây V được hiểu là tần số, hay V-number, liên quan đến kích thước sợi quang, chỉ số khúc xạ, và bước sóng. V-number được cho bởi phương trình sau: 𝑉= [2𝜋𝑎𝜆].5) Trong phương trình trên, a là bán kính lõi sợi quang, λ là bước sóng làm việc, N.A là khẩu độ số, 𝑛1 là chiết suất lõi, 𝑛2 là chiết suất lớp vỏ và Δ là chênh lệch chỉ số khúc xạ giữa lõi và vỏ. c) Sợi chiết suất giảm dần e 10 Hình 1.

Miêu tả sợi quang chiết suất giảm dần Sợi chiết suất giảm dần là một sự ràng buộc giữa thông số độ rộng lõi và khẩu độ số N.A của sợi đa mode và băng rộng cao hơn của sợi đơn mode. Với sự tạo thành của lõi mà chiết suất khúc xạ giảm xuống theo hình parabol từ trung tâm lõi đến vỏ, ánh sáng truyền qua trung tâm của sợi có chỉ số chiết suất cao hơn ánh sáng truyền trong các mode cao. Điều này nghĩa là các mode cao truyền nhanh hơn các mode thấp hơn, nó cho phép “rượt theo” tới các mode thấp, vì thế làm giảm số lượng của sự tán sắc mode, tức là làm tăng băng thông của sợi quang. Suy hao trên sợi quang Suy hao sợi quang thường được biểu diễn dưới dạng decibels (dB) và được tính tính bằng tỷ số giữa công suất cuối sợi quang P2 của sợi dẫn quang dài L (km) với công suất đưa vào sợi quang P1 như sau: P1 A(dB)  10 log (1.6) P2 Suy hao trong sợi quang cũng được biểu diễn là (dB/km), tức là suy hao trung bình trong sợi quang dài 1 kilomet.

Công suất quang trong các hệ thống sợi quang thường được biểu diễn là dBm, đó là do decibel được quy vào 1mW. Với công suất quang được biểu diễn là dBm, công suất lối ra mọi nơi trong hệ thống có thể được xác định đơn giản bởi biểu diễn công suất lối vào là dBm và trừ đi các thành phần suy hao riêng lẻ cũng được biểu diễn là dBm. Các nguyên nhân chính gây ra suy hao trong sợi quang là: - Do hấp thụ bởi vật liệu hay tạp chất cấu tạo nên sợi quang e 11 - Do tán xạ tuyến tính - Do bị uốn cong 1. Tán sắc trên sợi quang Trong quang học, sự tán sắc là hiện tượng mà vận tốc pha của sóng ánh sáng phụ thuộc vào tần số của nó hoặc là khi vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số.

Phương tiện truyền thông tin có một thuộc tính là thông số tán sắc, và gây ra nhiều ảnh hưởng khác nhau. Sự tán sắc đôi khi được gọi là sự tán sắc màu để nhấn mạnh tính chất phụ thuộc bước sóng của nó hoặc sự tán sắc vận tốc nhóm của nó để ám chỉ quy luật vận tốc nhóm. Sự tán sắc hầu như thường được miêu tả cho các sóng ánh sáng, nhưng nó có thể xảy ra cho nhiều loại sóng mà tương tác với môi trường hay truyền xuyên qua một môi trường từ tính không đồng đều, như là các sóng âm thanh. Sự tán sắc vật liệu được đo bởi số Abbe của nó V, với các số Abbe thấp tương ứng với sự tán sắc mạnh.

Sự tán sắc, được biểu thị bởi số hạng Δt, được định nghĩa như dải rộng xung trong sợi quang. Khi một xung ánh sáng truyền qua sợi quang, các yếu tố như là khẩu độ số, đường kính lõi, chỉ số khúc xa, bước sóng và độ rộng tia laser là nguyên nhân gây ra xung bị rộng ra. Sự tán sắc ảnh hưởng tới năng lực của hệ thống thông tin sợi quang được hiểu như là “nhiễu liên ký tự – intersymbol interference”, hình 1. Sự tán sắc làm xung bị rộng ra.