TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN
QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DWDM

Sinh viên thực hiện
Lớp

: Nguyễn Hồng Quân
: 49K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Kim Thu

Nghệ An, 11-2012

i


§
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ................................... Số hiệu sinh viên: ...........................
Ngành: ...................

MỤC LỤC
§......................................................................................................................................i
MỤC LỤC..................................................................................................................iii
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.........................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................vii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................ix
CHƯƠNG 1:................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG.........................................1
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG ........................................................................1
CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG WDM. 22
Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật của GMD............................................................63
........................................................................................................74
2.13. Kết luận chương...............................................................................................76
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN QUANG

SỬ

DỤNG CÔNG NGHỆ DWDM.................................................................................77
..................................................................................................................82
3.4. Thiết kế tuyến thông tin quang DWDM sử dụng phần mềm Optiwave.......89
KẾT LUẬN..............................................................................................................108
PHỤ LỤC.................................................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................112

iii


LỜI NÓI ĐẦU


iv


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này đi vào tìm hiểu về công nghệ DWDM và các yêu cầu của công
nghệ DWDM tận dụng dải tần rất rộng lớn của sợi quang, thực hiện truyền dẫn
hai chiều trên một sợi, tiết kiệm đầu tư cho đường dây, tính linh hoạt, tính kinh tế
và độ tin cậy cao, kết cấu đấu chéo nhanh, tăng số bước sóng trên một sợi
quang….Với ưu thế về công nghệ đặc biệt, ghép kênh theo bước sóng mật đô cao
DWDM đã trở thành một phương tiện tối ưu về kỹ thuật và kinh tế để mở rộng
dung lượng sợi quang một cách nhanh chóng và quản lý hiệu quả hệ thống.
DWDM đã đáp ứng được hoàn toàn yêu cầu phát triển các dịch vụ băng rộng
trên mạng và là tiền đề để xây dựng và phát triển mạng toàn quang trong tương
lai. Trong đồ án này cũng đã trình bày thiết kế sử dung phần mềm OptiSystem
cho việc mô phỏng tính toán tuyến thông tin quang 80Gb/s.

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Chỉ số kĩ thuật của laser bơm 980 nm....................................................51
Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của DOSC..........................................................64
Bảng 2.4: Các thông số kỹ thuật của CMD4..........................................................65
Bảng 2.5: Các thông số kỹ thuật của WSS..............................................................67
Bảng 2.6: Các thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại.............................................69
Bảng 2.7: Các thông số kỹ thuật của WSS.............................................................71

vi


Hình 2.20: Bộ ghép kênh sử dụng chuỗi lọc MZI..................................................46
Hình 2.21: Bộ tách kênh sử dụng cách tử sợi quang.............................................46
Hình 2.23: Bộ tách kênh sử dụng bộ lọc màng mỏng điện môi............................48
Hình 2.25: Phổ khuếch đại EDFA..........................................................................53

vii


Hình 2.26: Khuếch đại EDFA với băng tần C sử dụng bộ lọc.............................54
Hình 2.27: Khuếch đại EDFA hai tầng..................................................................54
Hình 2.28: Bộ xen/rẽ quang OADM................................................55
Hình 2.29: OADM cố định....................................................56
Hình 2.30: OADM điều khiển...............................................56
Hình 2.31: Bộ nối chéo OXC kiểu chuyển mạch không gian..................58
Hình 2.32: Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PIN................................60
Hình 2.33: Cấu trúc và nguyên lí hoạt động PAD.................................................61
..............................................................................................................................64
Hình 2.34: Chức năng của môdun DOSC.............................................................64
.......................................................................................................................65
Hình 2.35: Chức năng của môdun CMD4...........................................65
Hình 2.36: Chức năng của môdun WSS..................................................................67
Hình 2.37: Chức năng của môdun khuyếch đại..........................................69
Hình 2.38: Mặt trước của môdu giám sát quang OPM.........................................71
Hình 2.39 : Sơ đồ chức năng mô tả của DRA.........................................................72
Hình 2.40: Cấu hình bảo vệ......................................................................................74
Hình 2.41: Cấu hình bảo vệ MSP...........................................................................74
...............................................................................................................................75
Hình 2.42: Cấu hình bảo vệ MS-SPING................................................................75
.......................................................................................................75
Hình 2.43: Cấu hình bảo vệ SNCP.........................................................................75

DST
DWDM

Chú giải tiếng anh
Re-Shap, Re-Time, Re-amplify
Avanlance Photodiode
Amplifier
Anti Reflection
Amplified Spontaneous Emision
Asynchronuos Transfer Mode
Arrayed Waveguide Grating
Booster Amplifier
Bit Error Rate
Broadband- Intergrated Service

Chú giải tiếng việt
Bù tán sắc, đồng bộ, khuếch đại
Đi ốt tách sóng quang thác
Bộ khuếch đại
Lớp chống phản xạ
Phát xạ tự phát được khuếch đại
Chế độ truyền không đồng bộ
Ma trận ống dẫn sóng kiểu lưới
Khuếch đại công suất
Tỉ số lỗi bít
Mạng số tích hợp đa dịch vụ

Digital Network
Cable Television
Cross Gain Saturation

F-B
FBG

Equalization
Enterprise Systems Connection
Extenal Synchorous Interface
Fabry-Perot
Fiber Bragg Grating
ix

Bộ phận bù tán sắc
Phản hồi phân bố
Dải rộng khuếch đại
Truyền hình độ phân giải cao
Bù tán sắc
Bộ khuyếch đại Raman phân bố
Sợi quang dịch tán sắc
Biến đổi rời rạc
Ghép kênh phân chia theo bước
sóng mật độ cao.
Kết nối chéo số
Khuếch đại sợi có pha tạp
Erbium
Bộ cân bằng
Mạng kết nối công ty
Khối giao tiếp đồng bộ ngoài
Khoang cộng hưởng
Cách tử Bragg sợi



Xuyên nhiễu đa kênh
Monitored Variable Otiacal
Bộ phận giám sát điều chỉnh suy
Attennuator
Mach Zehnder Interferometer
Noise Figure
Next Generation Network
None-Zezo Dispersion Shifted

hao quang.
Bộ giao thoa Mach Zehnder
Hệ số nhiễu
Mạng thế hệ sau
Sợi quang dịch chuyển tán sắc

OADM
ODMUX
OMUX
OOK
OSNR
OXC
PA
PDH

Fiber
Optical Add Drop Multiplexer
Optical Demultiplexer
Optical Mutltiplexer
On Off Key
Optical Signal-Noise Ratio


Equipment
Stimulated Brillouin Scatting
Synchronous Digital Hierachy
Single Mode Fiber
Self-phase Modulation
Stimulated Raman Scatting
Super Structure Grating
Synchronistation Supply Unit
Synchorous Transmision Mode
Time Division Multiplexing

chuẩn
Tán xạ Brillouin kích thích
Phân cấp đồng bộ số
Sợi quang đơn mode
Tự điều chế pha
Tán xạ Raman kích thích
Kết cấu lưới siêu chu kì
Thiết bị cung cấp đồng bộ
Chế độ chuyển giao đồng bộ
Ghép kênh phân chia theo thời

MZI
NF
NGN
NZDSF

SASE
SBS

Multiplexing
Wavelengh Tranponder
Cross Phase Modulation

song
Chuyển đổi bước sóng
Điều chế pha chéo

xi


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
GHÉP KÊNH THEO BƯỚC SÓNG
1.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển chưa
từng có về nhu cầu sử dụng băng thông truyền dẫn, chính điều này đã sản sinh ra
một lượng thông tin rất lớn truyền tải trên mạng tạo ra nhiều áp lực mớicho mạng
hiện tại. Băng tần truyền dẫn trở thành tài nguyên quý giá hơn bao giờ hết. Để
đáp ứng yêu cầu trên, cho đến nay sợi quang vẫn được xem là môi trường lý
tưởng cho việc truyền tải lưu lượng cực lớn. Đối với hệ thống dung lượng thấp,
công nghệ TDM thường được sử dụng để tăng dung lượng truyền dẫn của một
kênh cáp đơn lên 10Gbps, thậm chí là 40Gbps. Tuy nhiên, việc tăng tốc cao hơn
nữa là không dễ dàng vì các hệ thống tốc độ cao đòi hỏi công nghệ điện tử phức
tạp và đắt tiền. Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbps, bản thân các mạch điện tử sẽ
không thể đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các
giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ
rất cao. Để nâng cao tốc độ truyền dẫn, khắc phục được những hạn chế mà các
mạch điện hiện tại chưa khắc phục được, công nghệ ghép kênh quang phân chia
theo bước sóng WDM ra đời. Thế hệ sau của WDM là DWDM có thể ghép một

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng là tận dụng hữu
hiệu nguồn tài nguyên băng thông rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi
quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống, đồng thời
hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất. Hệ thống WDM dựa trên
cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để truyền đi nhiều bước sóng ánh sáng
khác nhau, điều thiết yếu lúc này là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng
cùng một lúc không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một
kênh quang trong sợi quang. Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự
riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1nm hay 10

-9

m,

điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao
2


DWDM. Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 - 16
kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2.5Gbps cho tín hiệu mạng
quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET). Các nhà cung cấp WDM đã sớm
phát triển các thiết bị nhằm cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang. Các hệ
thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung
cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbps và tiến tới đạt tốc độ Tbps
truyền trên một sợi đơn [14].
1.2.2. Nguyên lý cơ bản kỹ thuật WDM
Trong hệ thống thông tin quang điểm - điểm thông thường, mỗi sợi quang
chỉ có thể truyền tín hiệu từ một nguồn phát tới một bộ tách quang ở hướng thu.
Như vậy để truyền các tín hiệu từ các nguồn quang khác nhau đòi hỏi phải có
nhiều sợi quang khác nhau. Trong thực tế thì nguồn quang có độ rộng phổ tương


Máy phát λ1
quang

N

Máy phát λN
quang

λ1

1’

Máy thu
quang

N’

Máy thu λN
quang

Bộ
ghép
kênh

Bộ
khuếch
đại quang

Bộ


λ1

Máy thu
quang

1

Máy phát
quang

1’

λN

Máy thu
quang

N

λ’N

Máy phát
quang

N’

λ1, λ2,…, λN

Bộ


Máy phát λ1
quang

’

Bộ
ghép
kênh/
tách
kênh

λ1, λ2,…, λN
Bộ
khuếch
đại quang

Bộ
’
tách λ 1
kênh/
ghép
kênh

λ’1, λ’2,…, λ’N

Máy thu λ’N
quang
b)


thông thường, ở đây suy hao xen được xem xét đối với từng bước sóng:
Lk = -10log O(λk)/Ik(λk)

MUX

(1-1)

Li = -10log Oi(λi)/I(λi)

DEMUX

(1-2)

Trong đó:
I(λi), O(λk) là công suất tín hiệu được ghép ở trên đường chung. Ik(λk)
là công suất tín hiệu bước sóng λk đi vào cửa thứ k của bộ ghép, tín hiệu này

5


được phát từ nguồn phát quang thứ k.
Oi(λi) là công suất tín hiệu bước sóng λk đi khỏi cổng thứ i của bộ tách.
Suy hao này bao gồm suy hao sinh ra tại các điểm ghép nối của bộ
ghép bước sóng mà nguyên nhân chủ yếu là do hấp thụ hoặc do phản xạ. Mức
độ ảnh hưởng tương đối của hai nguồn suy hao trên hệ thống còn tùy thuộc
vào loại công nghệ được lựa chọn để chế tạo bộ ghép bước sóng.
1.3.2. Xuyên âm
Xuyên âm là sự dò tín hiệu từ kênh này sang kênh kia. Nó làm tăng nền
nhiễu, do vậy làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Hiện tượng này được
sinh ra do các yếu tố sau:

tùy thuộc vào từng nguồn phát. Ứng với các tốc độ truyền dẫn khác nhau sẽ
có độ rộng phổ mỗi kênh là khác nhau và độ chính xác khác nhau.
Độ rộng kênh

Độ dịch tần

25 GHz

5 GHz

50 GHz

10 GHz

100 GHz

20 GHz

200 GHz

50 GHz

Hình 1.3: Độ rộng phổ của kênh [15]
1.4. Ưu nhược điểm của hệ thống WDM
1.4.1. Ưu điểm
So với công nghệ truyền dẫn đơn kênh quang, hệ thống WDM cho thấy
những ưu điểm vượt trội sau:
+ Tận dụng tài nguyên dải tần rất rộng lớn của sợi quang
Công nghệ WDM tận dụng tài nguyên băng tần rộng lớn của sợi quang
(đoạn sóng tổn hao thấp), làm cho dung lượng truyền dẫn của một sợi quang so

thống thông tin sợi quang đã xây dựng, chỉ cần hệ thống cũ có độ dư công suất
tương đối lớn thì có thể tăng thêm dung lượng mà không cần phải thay đổi nhiều
đối với hệ thống cũ. Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới đó là thuê
kênh quang, ngoài việc thuê sợi hoặc thuê cáp.
+ Giảm yêu cầu siêu cao tốc đối với linh kiện
Tốc độ truyền dẫn tăng lên không ngừng, khi đó tốc độ tương ứng của
nhiều linh kiện quang điện tất nhiên là không đủ. Việc sử dụng công nghệ WDM
có thể giảm yêu cầu rất cao đối với tính năng của một số linh kiện, đồng thời lại
có thể truyền dẫn dung lượng lớn.
+ Tính linh hoạt, tính kinh tế và độ tin cậy cao của cấu hình mạng
Ghép kênh bước sóng cũng là biện pháp mở rộng và phát triển mạng lý
tưởng, cách thuận tiện để đưa vào dịch vụ băng rộng mới (ví dụ IP). Thông qua

8


việc tăng thêm một bước sóng phụ để đưa vào mọi dịch vụ mới hoặc dung lượng
mới mong muốn, (ví dụ hiện nay thực hiện công nghệ IP trên WDM). Sử dụng
công nghệ WDM trong việc chọn đường, chuyển mạch và khôi phục mạng, từ đó
có một mạng trong suốt, linh hoạt, kinh tế và có sức sống trong tương lai.
1.4.2. Nhược điểm
+ Dung lượng hệ thống còn nhỏ, chưa khai thác triệt để băng tần rộng lớn
của sợi quang.
+ Chi phí cho khai thác, bảo dượng tăng do có nhiều hệ thống cùng hoạt
động.
1.5. Thiết kế mạng DWDM và các giải pháp công nghệ
Để thấy được vai trò quan trọng của công nghệ này đối với viêc phát triển
hệ thống mạng, trong chương này chúng ta sẽ xem xét những nét chung nhất về
công nghệ DWDM so với các công nghệ truyền dẫn khác.
Để giải quyết vấn đề băng thông và phát triển hệ thống đa dịch vụ trên

sử dụng phụ thuộc vào:
+ Khả năng băng tần của sợi quang.
+ Khả năng tách / ghép các kênh bước sóng.
+ Tốc độ truyền dẫn của từng kênh.
+ Quĩ công suất quang.
+ Ảnh hưởng của các hiệu ứng phi tuyến.
+ Độ rộng phổ của nguồn phát.
+ Khả năng tách ghép của hệ thống WDM.
Mặc dù hệ thống DWDM hoạt động tại vùng cửa sổ truyền dẫn 1550 nm
có khoảng cách giữa các kênh khoảng 100 nm, nhưng do dải khuếch đại của các
thiết bị khuếch đại quang chỉ có độ rộng khoảng 35 nm (Theo qui định của ITUT thì dải khuếch đại này nằm từ bước sóng 1530 nm - 1565 nm) nên trong thực
tế các hệ thống DWDM không tận dụng được hết băng tần của sợi quang. Gọi ∆λ
là khoảng cách giữa các kênh bước sóng thì tương ứng ta sẽ có:
∆f = c.∆λ /λ2

(1-4)

Như vậy tại bước sóng λ = 1550 nm, với ∆λ = 35 nm thì ∆f = 4,37.1012Hz.
Giả sử tốc độ truyền dẫn của mỗi kênh bước sóng là 2.5 Gbps thì theo tiêu chuẩn
Nyquisst với phổ cơ sở của tín hiệu là 2x2.5 = 5GHz, thì số kênh bước sóng cực
đại có thể đạt được N = 847 kênh trong dải băng tần khuếch đại quang. Đây là số
kênh tính theo lí thuyết tuy nhiên với mật độ kênh càng lớn thì đòi hỏi các thành
phần quang trên tuyến phải có chất lượng càng cao. Để tránh xuyên âm giữa các

10


kênh này cần có bộ phát rất ổn định và một bộ lọc quang có khả năng chọn lọc
bước sóng cao.
Dựa vào khả năng công nghệ hiện nay, ITU- T đưa ra qui định về khoảng



D là độ tán sắc tương ứng với khoảng cách truyền dẫn.
ΔRMS là độ giãn phổ.
Từ công thức 1-5 có thể tính được độ rộng phổ của nguồn phát Δ RMS tương
ứng với tán D:
∆RMS = ε/B.D

(1-6)

Nếu tính độ rộng phổ tại -20 dB thì độ rộng phổ của nguồn phát là:
∆ -20dB= 6,07. ∆RMS

(1-7)

Như vậy từ độ rộng phổ này và chọn theo kênh bước sóng ở phụ lục 1, sẽ
tìm ra được độ rộng phổ yêu cầu của ngưỡng phát.
- Quỹ công suất
Trong DWDM khoảng cách truyền dẫn là rất lớn, khoảng cách giữa các
trạm khuếch đại đường quang cũng lớn. Do vậy công suất quang phải đủ lớn để
bù đắp phần công suất bị suy hao trên đường truyền, để máy thu đảm bảo tỉ số tín
hiệu trên tạp âm. Thông thường suy hao của sợi quang G.652 tại cửa sổ truyền
dẫn 1500nm là 0.25dB/km. Tín hiệu quang bị suy hao do nhiều nguyên nhân như
suy hao do sợi quang, do mối hàn nối, do các connector quang, do các thành
phần quang thụ động…. Như vậy, suy hao tổng cộng khoảng 0.275dB/km.

Hình 1.4: Sơ đồ tính toán quĩ công suất
Như chỉ ra hình vẽ 1.4, quĩ công suất quang được xác định như sau:
Quĩ công suất quang = (Pout - Pin)/a


truyền các mode là khác nhau. Tuy nhiên trong thông tin quang chỉ sử dụng sợi
quang đơn mode (SI) nên không tồn tại tán sắc mode.
Tán sắc vật liệu là một hàm của bước sóng do sự thay đổi chiết suất của
vật liệu làm nên lõi sợi, nên nó tạo ra sự phụ thuộc vận tốc nhóm vào bước sóng
ánh sáng.
Tán sác ống dẫn sóng do sợi đơn mode chỉ giữ được 80% năng lượng ánh
sáng truyền trong lõi sợi vì vậy còn 20% năng lượng truyền ngoài bề mặt sợi.
Các phương pháp để làm giảm thiểu sự ảnh hưởng của tán sắc đến hệ
thống DWDM tốc độ cao có dùng khuếch đại EDFA là:
+ Sử dụng sợi quang có hệ số tán sắc nhỏ.
+ Bù tán sắc bằng phương pháp tự dịch pha SPM.
+ Bù tán sắc bằng các thành phần bù tán sắc thụ động.
+ Bù tán sắc bằng các thiết bị dịch tầng trước.
+ Bù tán sắc bằng kĩ thuật DST.
+ Bù tán sắc bằng sợi DTF.
+ Bù tán sắc bằng sợi DCM sử dụng cách tử sợi Bragg.
+ Dùng FEC để sửa lỗi.

13


Đối với hệ thống DWDM hiện nay cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của
tán sắc mode phân cực (PMD).
Tán sắc mode phân cực PMD là thuộc tính cơ bản của sợi quang đơn
mode và các thành phần hợp thành. Trong đó năng lượng của bất kì bước sóng
nào cũng được phân tích thành hai mode phân cực trực giao có vận tốc truyền
khác nhau như trên hình 1.5. Do vận tốc truyền của hai mode chênh nhau đôi
chút nên thời gian truyền cùng khoảng cách là khác nhau gây ra trễ nhóm
(GVD). Vì vậy PMD gây nên hiện tượng giãn rộng xung tín hiệu làm giảm chất
lượng truyền dẫn. Về phương diện này ảnh hưởng của PMD cũng giống như ảnh