Tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN TRONG HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG Lời nói đầu Ngày phát triển xã hội ngày nâng cao nhu cầu người trao đổi thông tin ngày cao Để đáp ứng nhu cầu đó, địi hỏi mạng lưới viễn thơng phải có tốc độ cao, dung lượng lớn Chính thế,em chọn đề tài “ Hệ thống thông tin sợi quang “ làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Đồ án gồm có phần: Phần Lý thuyết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHÁT VÀ THU QUANG CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN Phần Tính tốn Thiết kế CHƯƠNG5:TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Do thời gian kiến thức cịn hạn chế nên có nhiều thiếu sót cần bổ sung phát triển mong quý thầy cô, bạn đọc bảo Em Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện tử viễn thông, Thầy giáo T.s Tăng Tấn Chiến hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài Phần lý thuyết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1.1 Giới thiệu chương Trong chương nhằm trình bày cách chung hệ thống thông tin sợi quang Nguồn phát quang thiết bị phát LD hay LED, hai nguồn phù hợp với hệ thống thông tin quang Bên cạnh đó, tín hiệu ánh sáng sau điều chế nguồn phát lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để đến phần thu Sợi quang sợi đơn mode hay sợi đa mode Khi truyền ánh sáng sợi quang ánh sáng thường bị suy hao méo yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Phía thu, tách sóng quang thực việc tiếp nhận ánh sáng tách lấy tín hiệu từ bên phát đến thường dùng photodiode PIN hay APD Độ nhạy thu quang bên thu đóng vai trị quan trọng Khi khoảng cách truyền dẫn dài tới cự ly tín hiệu quang sợi quang bị suy hao nhiều lúc thiết phải có trạm lặp quang lắp đặt dọc theo tuyến 1.2 Tổng quan Cùng với phát triển xã hội nhu cầu người thơng tin ngày cao Để đáp ứng nhu cầu đó, địi hỏi mạng viễn thơng phải có dung lượng lớn, tốc độ cao Các mạng lưới bộc lộ yếu điểm tốc độ, dung lượng, băng thông Mặt khác, năm gần dịch vụ thông tin phát triển nhanh chóng, để thích ứng với phát triển khơng ngừng dung lượng truyền dẫn thơng tin, hệ thống thông tin quang đời tự khẳng định Như vậy, với việc phát minh Laser để làm nguồn phát quang mở thời kỳ có ý nghĩa to lớn vào năm 1960 khuyến nghị Kao Hockham năm 1966 việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp năm sau, Kapron chế tạo sợi quang suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km Cho tới đầu năm 1980, hệ thống thông tin sợi quang phổ biến rộng rãi với vùng bước sóng làm việc 1300nm 1500nm cho thấy phát triển mạnh mẽ thông tin sợi quang thập niên qua Ngày nay, cáp sợi quang tạo triển vọng cho công nghệ truyền thông tốc độ cao việc đại hóa mạng thơng tin nhu cầu kết nối thông tin Sự kết hợp sợi quang vào bên dây chống sét dây dẫn đem lại giải pháp tối ưu cho nhà thiết kế Với gia tăng dây chống sét dây dẫn điện kết hợp với sợi quang truyền dẫn phân phối điện mà cịn đem lại lợi ích to lớn thơng tin Điều làm giảm giá thành hệ thống lý mà cáp quang ứng dụng rộng rãi giới Với giá trị suy hao gần đạt giá trị suy hao 0.14dB/km sợi đơn mode, từ cho ta thấy hệ thống thơng tin quang có đặc điểm bật hệ thống cáp kim loại là:  Suy hao truyền dẫn nhỏ  Băng tần truyền dẫn lớn  Khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ  Có tính bảo mật tốt  Có kích thước trọng tải nhỏ  Sợi có tính cách điện tốt chế tạo từ vật liệu có sẵn Với ưu điểm mà hệ thống thông tin quang áp dụng rộng rãi mạng lưới Chúng xây dựng làm tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứng môi trường lắp đặt từ nhà, cấu hình thiết bị hệ thống truyền dẫn xuyên lục địa, vượt đại dương Các hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dạng ghép kênh nào, tiêu chuẩn Bắc Mỹ, Châu Âu hay Nhật Bản 1.3 Hệ thống truyền dẫn quang Tín hiệu điện từ thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu sau mã hóa đưa đến thiết bị phát quang Tại đây, tín hiệu điện chuyển đổi sang tín hiệu quang Tín hiệu suốt trình truyền sợi quang thi bị suy hao đường truyền người ta đặt trạm lặp nhằm khơi phục lại tín hiệu Hình 1.1: Sự phát triển hệ thống thơng tin quang tín hiệu quang ban đầu để tiếp tục truyền Khi đến thiết bị thu quang tín hiệu quang chuyển đổi thành tín hiệu điện, khơi phục lại tín hiệu ban đầu để đưa đến thiết bị đầu cuối Mã hóa Phát Thiết bị phát quang Bộ Lặp Sợi quang Sợi quang Thiết bị thu quang Giải Mã Thu Hình 1.2: Cấu hình hệ thống thông tin quang Hiện nay, hệ thống thông tin quang ứng dụng rộng rãi giới, chúng đáp ứng tín hiệu tương tự tín hiệu số, chúng cho phép truyền dẫn tất tín hiệu dịch vụ băng hẹp băng rộng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu mạng số hóa đa dịch vụ (ISDN) Số lượng cáp quang lắp đặt giới với số lượng ngày lớn, tốc độ truyền dẫn cự ly Nhiều nước lấy môi trường truyền dẫn cáp quang môi trường truyền dẫn mạng lưới viễn thơng họ 1.4 Kết luận chương Qua chương 1: tổng quan hệ thống thông tin quang Ta thấy hệ thông thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi với ưu bật mà hệ thống khác đặc tính kỹ thuật hiệu kinh tế Tuy nhiên, để đánh giá thành công hệ thống khơng thể khơng nói đến vai trò sợi quang cáp quang, vấn đề trình bày cụ thể chương sau CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.1 Giới thiệu chương Cùng với phát triển khoa hoc kỹ thuật cáp quang sợi quang ngày phát triển nhằm phù hợp với môi trường khác nước, đất liền, treo không, đặc biệt gần cáp quang treo đường dây điện cao thế, đâu cáp quang sợi quang thể tin cậy tuyệt đối 2.2 Sợi quang 2.2.1 Đặc tính ánh sáng Để hiểu lan truyền ánh sáng sợi quang trước hết ta phải tìm hiểu đặc tính ánh sáng Sự truyền thẳng, khúc xạ, phản xạ đặc tính ánh sáng (được trình bày hình 2.1) Như ta biết, ánh sáng truyền thẳng mơi trường chiết suất khúc xạ đồng Cịn tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng xem xét trường hợp có hai mơi trường khác số chiết suất, tia sáng truyền từ mơi trường có số chiết suất lớn vào mơi trường có số chiết suất nhỏ thay đổi hướng truyền chúng ranh giới phân cách hai môi trường Các tia sáng qua vùng ranh giới bị đổi hướng tiếp tục vào mơi trường chiết suất gọi tia khúc xạ cịn ngược lại, tia sáng trở lại môi trường ban đầu gọi tia phản xạ Theo định luật Snell ta có quan hệ: n1 Sin1  n2 Sin (2.1) với 1 góc tới  góc khúc xạ 2.2.2 Đặc tính học sợi dẫn quang Sợi dẫn quang nhỏ, vật liệu chế tạo chủ yếu thuỷ tinh cho ta cảm giác dễ vỡ Tuy nhiên, thực tế lại ngược lại hồn tồn, sợi quang lại chịu ứng suất lực căng trình bọc cáp Điều chứng tỏ rằng, ngồi đặc tính truyền dẫn sợi quang đặc tính học đóng vai trị quan trọng trình đưa sợi quang vào khai thác hệ thống thông tin quang Pháp tuyến Pháp tuyến Tia khúc xạ Tia khúc xạ n2 n1 2 Ө2 Ө1 1 a) Tia tới Tia phản xạ Tia tới Pháp tuyến Tia tới c) b Pháp tuyến Tia phản xạ Tia tới d) Hình 2.1: Mơ tả tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng 2.2.2.1 Sợi quang  exp  t   0,1    (5.10) t  t1  ln  . Từ (5.9) (5.10) ta có:  t  ln   RC  2,2 RC (5.11) H f   Từ (5.6) ta có: 1  jfRC (5.12) Do băng thơng B mạch: 2RC (5.13) Từ (5.11) (5.13) ta được: t 2,2 0,35  2B B (5.14) Băng thông tối thiểu lọc phải băng thơng tín hiệu ta thu tín hiệu, điều tương ứng với thời gian lên tối đa: t max  0,35 Brx (5.15) Với tín hiệu loại NRZ: t rx  max   0,7 R (5.16) Với loại tín hiệu RZ: (5.17) thời gian lên tuyến: t max  0,35 R N t tt  i 1 i (5.18) -Thời gian lên thiết bị thu Gọi B băng tần điện 3dB tính MHz thời gian lên thiết bị thu tính t n  350 B (5.19) -Thời gian lên tán sắc mode sợi quang q t mod e  440 L B0 [ns] (5.20) Trong q: tham số có giá trị từ 0,5 đến B0 : Băng tần Km cáp sợi quang [MHz] L: Chiều dài cáp -Thời gian lên tán sắc vật liệu dùng ống dẫn sóng tVL  D.L. (5.21) Trong D: Hệ số tán sắc  : Độ rộng nguồn phát (5.17) viết lại: t t  t   D.L.  tx (5.22) 5.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang 440Lq  350      B0  Brx  Nhĩễu khái niệm để mô tả thành phần tín hiệu điện khơng mong muốn Có chiều hướng gây rối q trình truyền dẫn xử lý tín hiệu hệ thống mà khơng kiểm sốt đầy đủ Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loại nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt 5.5.1 Nhiễu lượng tử Nhiễu lượng tử photodiode sinh số lượng hạt tải điện qua khe lượng hay vượt qua hàng rao có tính ngẫu nhiên theo thời gian gây Dòng chảy hạt electron qua tiếp giáp p-n riêng rẽ ngẩu nhiên Các hạt đến không đồng thời nên phát sinh nhiễu Giá trị nhiễu lượng tử phụ thuộc vào tham số: (5.23) Trong đó: B độ rộng băng thu I dịng trung bình đến tách sóng Giá trị dịng nhiễu lượng tử dòng nhiễu lượng tử tăng theo , từ biểu thức ta thấy 5.5.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt xuất phát từ điện trở tải tách sóng linh kiện điện tử khuyếch đại, có xu hướng chi phối trình khuyếch đại sử dụng photodiode PIN với tỷ số tín hiệu nhiểu thấp, đạt hệ số khuyếch đại tối ưu thiết kế cân nhiễu nhiệt nhiễu lương tử không phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại Cơng (5.24) thức tính tốn nhiễu nhiệt: Tong đó: K số Bozman, K=1,38.1023 T nhiệt độ đơn vị kenvin, T = t(0c) + 273 R điện trở tải 5.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 5.6.1 Đối với photodiode PIN Trong hệ thống tách sóng trực tiếp, sử dụng diode tách sóng PIN giá trị dịng cơng suất tới quan hệ sau: (5.25) Với: hiệu suất lượng tử h số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có cơng suất tải: S = i2.RL S= ( 5.26 -Cơng suất nhiễu lượng tử với dịng bao gồm dòng tối: 5.27 -Dòng nhiễu nhiệt: : Công suất nhiễu nhiệt: 5.28 4KTB.RL ps )2 RL Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: 5.29 5.6.2 Đối với photodiode APD Như biết APD bao gồm lớp chuyển đổi quang điện lớp nhân điện, nhiễu xuất lớp chuyển đổi quang điện i 2shot = 2.e.I.B nhân lên lớp nhân với hệ số nhân M 5.30 5.31 Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức Đây giá trị sinh hiệu ứng thác Với x hệ số tạp âm mức Giá trị x phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode APD Đối với photodiode si = 0.3 photodiode InGAs x = 0.7 photodiode Ge x = Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: (5.32) Tỷ lệ lỗi bit: BER  exp( q 2 ) q 2. (5.33) Với q=SN/2 Tỷ số BER nhỏ chất lượng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thường BER = 10 9 hay < 10 12 5.7 Các giá trị thành phần Thiết bị phát quang: [7] Tham số Giá trị Bước sóng làm việc 1300nm hay 1550nm Dải sóng làm việc  50nm Công suất LED: -32 đến 15dBm LD: -12 đến 7dBm Thời gian lên LED: 3ns(max) LD: