BÁO cáo TIỂU LUẬN tên đề tài THÔNG TIN QUANG

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN TÊN ĐỀ TÀI: THƠNG TIN QUANG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH HỒNG DUY SINH VIÊN: LÊ KHÁNH DUY MSSV: 1853020009 LỚP: 18ĐHĐT01 Thành phố Hồ Chí Minh – 12/2021 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TIỂU LUẬN TÊN ĐỀ TÀI: THÔNG TIN QUANG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH HOÀNG DUY SINH VIÊN: LÊ KHÁNH DUY MSSV: 1853020009 LỚP: 18ĐTĐT01 Thành phố Hồ Chí Minh - 12/2021 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIẸT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ BÁO CÁO TIỂU LUẬN Họ tên sinh viên: Lê Khánh Duy MSSV: 1853020009 Lớp: 18ĐHĐT01 Nhiệm vụ tiểu luận: Làm Bài Tập Lớn Thông Tin Quang Ngày giao tiểu luận: 10/12/2021 Ngày hoàn thành tiểu luận: 24/12/2021 Họ tên người hướng dẫn: TS Trịnh Hồng Duy T/p Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:  Nội dụng thực hiện:  Hình thức trình bày:  Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: (Quy định thang điểm lấy điểm tròn theo quy định Học viện) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) TS TRỊNH HOÀNG DUY CHƯƠNG II : Sợi Quang Bài 1: Độ tán sắc vật liệucáp thủy tinh cho a Xác định thông số tán sắc vật liệu bước sóng 0,85 độ dãn xung hiệu dụng Kilomet nguồn LED có độ rơng hiệu dụng 20 b Cho độ rộng xung tương đối 0,0012 bước sóng 0,85 định dãn xung hiệu dụng Giải Câu a) Thơng số tán sắc vật liệu bước sóng 0,85 | | | | 2 λ d n1 d n M= = λ c d λ2 cλ dλ  M= 0.025 =98,1 (ps/nm.km) 2.998 ×10 ×850 Độ trải rộng xung rms đưa : | | σ L d n1 σm≅ λ λ c dλ Do σ m ≅ σ λ × L ×M Độ dãn xung hiệu dụng km là: σ m ≈ σ λ LM ns −12 =1.96 ( )  σ m(1 ´´ km) =20 ×1 ×98,1 ×10 km Câu b) Ta có độ rộng xung tương đối: là: Xác 10 = 0,0012 với λ = 0,85 −6 => σ λ =0.0012 × λ=0.0012 ×0,85 10−6 =1.02(nm) Độ dãn xung hiệu dụng km là: σ m ≈ σ λ LM  σ m=1.02 ×10 −12 ×1× 98,1=0,10( ns ) km Bài 2: a Xây dựng biểu thức độ tán sắc mode b Áp dụng cho tuyến cáp quang Km chiết suất bước đa mode với chiết suât lõi 1,5 tủ số chiết suất tương đối 1% Tính: (i) Thời gian trễ mode nhanh mode chậm đầu cáp quang (ii) Độ dãn xung hiệu dụng tán sắc mode tuyến cáp quang (iii) Tốc độ bit tối đa mà đạt (giả sử có tán sắc mode) c So sánh với độ dãn xung hiệu dụng cho cáp quang chiết suất cong parabole với chiết suất lõi tỷ số tương đối Giải Câu a) Nguyên nhân xuất tán sắc mode phóng ánh sáng vào sợi đa mode, lượng ánh sáng phân thành nhiều mode Mỗi mode lan truyền với vận tốc nhóm khác nên thời gian lan truyền chúng sợi khác Chính khác thời gian lan truyền mode nên gây tán sắc mode Xây dựng biểu thức độ tán sắc mode: Trong sợi đa mode SI tia sáng với vận tốc: v= c n1 Để xác định độ tán sắc mode sợi đa mode SI, ta xét độ chênh lệch thời gian lan truyền hai mode ngắn dài sợi quang dài L(km) Đó tia tia hình r  Tia 1( tia ngắn nhất) trùng với trục sợi quang + Độ dài lan truyền: d 1=L + Thời gian lan truyền: T 1= d1 L n1 L = = =T v c c ( ) n1  Tia 2( tia dài nhất) tia ứng với góc tới (bằng góc tới hạnθc L + Độ dài lan truyền: d 2= cosθ L d cosθ L n1 + Thời gian lan truyền: T 1= v = c = c cosθ =T max n1 ( ) Áp dụng đinh luật khúc xạ điểm A ta có: sin θc = n2 =cosθ n1 Ln  T 2=T max= c n2 Do thời gian chênh lệch tia là: L n21 L n1 L n1 (n1−n2) ∆ T mode (SI)=T max −T = − = × c n2 c c n2 Độ chênh lệch tán sắc mode: D mode (SI )=∆ T mode (SI ) ≈ với : n 21−n22 2n ≈ L n1 × ∆(Khi ∆ ≪1) c n1−n (Vì ∆≪ 1) n2 Bên cạnh tính độ tán sắc mode theo độ số: NA =n1 √ ∆ ¿> ∆=¿¿ L ( NA ) D mode (SI )=T mode (SI ) ≈ c n1 Do đó:  Với sợi quang sợi đa mode GI: D GI mod ≈ Ln ∆ 8c Câu b) Chọn sợi quang sợi SI I Thời gian chênh lệch mode nhanh mode chậm là: ∆ T mode ( SI )= L n1 ∆ × 103 × 1.5 ×0.01 = c 2.998× 108 ¿ 300(ns ) II Độ dãn xung hiệu dụng tán sắc mode tuyến cáp quang là: σ mode(SI ) = III L n1 ∆ √3 c = 6.103 ×1.5 × 0.01 =86,603(ns) √ ×3 ×108 Tốc độ bit tối đa mà đạt (giả sử có tán sắc mode) là: Bt ( max )= 1 = = =1,667( Mps) τ δT s 300 10−9 Câu c) Độ dãn xung hiệu dụng tán sắc mode tuyến cáp quang với chiết suất cong Parabol là: σ s ( 1km) 86 ,603 ns = =14 , 433 L Km Độ dãn xung hiệu dụng km sợi suất bước đa mode: L n1 ∆2 103 1, , 012 ρs σ g ( 1km ) = = =14 , 44367 Km 20 √ c 20 √ 3 10 CHƯƠNG III: Bài 1: Một tuyến cáp quang DIM chiều dài Km sử dụng đèn LED có cơng suấtt quang trung bình -10dBm phóng vào cáp quang đa mode Cáp quang suy hao 3,5dB/Km suy hao đầu chia 0,7dB/Km Suy hao đầu nối đầu thu 1,6 dB Đầu thu Diode quang loại PIN có độ nhạy -25dBm SNR 50dB với hệ số điều chế 0,5 Cho độ dự trữ an toàn 4dB a Thực quỹ công suất quang cho hệ thống mà bảo đảm độ tồn b Xác định chiều dài tuyến tăng thêm trường hợp tăng độ dự trữ an toàn cáp quang lên thành 7dB Giải Câu a) Ta có: + LED có cơng suất quang trung bình: −10dBm + Cơng suất trung bình cần thiết diode quang PIN có độ nhạy: − 25dBm + Tỷ lệ tín hiệu – nhiễu SNR: 50dB + Hệ số điều chế: 0,5 + Tổng biên độ hệ thống: 15 dB + Suy hao đầu nối đầu thu: 1,6dB + Độ dự trữ an toàn: 4dB + Tổng cộng tổn hao hệ thống: 14dB + Công suất biên vượt mức: 1dB + Suy hao tổng cáp quang 3,5 = 7dB + Suy hao mối nối 0,7 = 1,4dB Vậy thực quỹ công suất quang cho hệ thống với kiện mà đảm bảo độ tồn Câu b) 10 Theo giả thuyết đề thì: + Cơng suất trung bình cần thiết diode quang PIN có độ nhạy: Po =¿− 25dBm + Suy hao đầu nối đầu thu: α cr =¿ 1,6dB + Suy hao tổng cáp quang M a=¿ 3,5 = 7dB + Suy hao đầu chia α j =¿0,7dB/Km + Suy hao cáp quang α fc =¿3,5dB/Km Trường hợp tăng độ dự trữ an toàn cáp quang lên thành 7dB, ta có: Pi=P o+ ( α fc +α j ) L+α cr + M a Pi−P o=( α fc + α j ) L+ α cr + M a (dB) dBm − (−25 dBm) = ( 3,5+0,7 ) L + 1.6 + 7.0 25 = 4,2 L + 8,6 L = (25 – 8,6) ÷ 4,2 ≅ 3,904 km Vậy trường hợp tăng độ dự trữ an toàn cáp quang lên thành 7dB chiều dài tuyến tăng thêm ∆ L=¿3,904 – = 1,904 km 11 Bài 2: Đường truyền cáp quang đơn mode đường dài hoạt đông bước sóng Có cơng suất trung bình từ phát -3dBm.; Suy hao sợi cáp 0,4dB/Km Suy hao mối nối 0,1 dB/Km Suy hao so kết nối đầu thu nhận 1dB/đầu Cơng suất trung bình đầu thu APD hoạt động tốc độ 35Mbits/s ( ) -55dBm tốc độ 400Mbits/s ( ) -44dBm Độ dự trữ an toàn 7dB Xác định: (a) Chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dung lập tốc độ 35MBits/s (b) Chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dùng lập tốc độ 400MBits/s Giải Câu a) Tỷ số chiết suất tương đối %= 100 =0.03 Độ chênh lệch chiết suất tương đối: ∆= n21−n 22 n21 n22 =n21−2 ∆ n 21 n22 =1,52−2 0,03 1,52 n22 =2,115 Vậy bán kính cong tới hạn cáp quang đa mode là: n21 λ Rc ≅ 2 π (n¿ ¿1 −n2) ¿ Rc ≅ 1,52 0,82 10−6 π (2,25−2,115) Rc ≅ 8,879 10−6 μm Câu b) Tỷ số chiết suất tương đối 0,3 %= 100 =0,003 Độ chênh lệch chiết suất tương đối: ∆= 12 n1−n 2 n1 n22 =n21−2 ∆ n 21 n22 =1,52−2 0,003 1,52 n22 =2,2365 Vậy n2 =√2,2365 ≅1,495 πa n Bước sóng cắt sợi quang đơn mode là: λ c = V (2 ∆) (I) c Trong đó, số bước sóng: V c =2,405 (II) πa n1 (2 ∆) Thay (II) vào công thức (I), ta có: λ c = 2,405 λ c = −6 π 10 1,5 (2 0,003)2 2,405 λ c ≅ 1,214 μm Vậy bán kính cong tới hạn cáp quang đơn mode là: Rcs ≅ 20 λ ( n 1−n2 ) Rcs ≅ ( λ 2,748−0,996 λc 20 1,55 10−6 ( 1,5−1,495 ) ( ) −3 1,55 10−6 2,748−0,996 −6 1,214 10 Rcs ≅ 0,027 m=27 mm 13 ) −3 CHƯƠNG IV: Bài 1: Tuyến cáp quang số có tổng chiều dài 7Km hoạt động 20 Mbits/s sử dụng mã RZ Đèn LED hoạt động 0,85 có khả cho cơng suất quang trung bình 100 (bao gồm suy hao đầu mối) phóng vào cáp quang chiết suất bước GI với đường kính 50 Các suy hao mối nối quang có độ suy hao 2,6dB/Km suy hao chẻ nhánh 0,5dB/Km cho đầu chẻ Suy hao đầu nối nơi thu 1,5dB Công suất quang tới đầu thu -41dBm với BER Độ dự trữ an toàn 6dB Hãy xác định độ tồn hệ thống Giải Ta có: Cơng suất quang trung bình từ máy phát: Pi=100 μW =10 log ( 10 10−6 1000 ) =−10 dBm Công suất quang tới đầu thu 20 Mbit/s (BER 10−10 ) : Po =−41 dBm  Tổng chênh lệch hệ thống: Pi−P o=−10 dBm−(−41 dBm)=31 dB dB Suy hao sợi quang: 2,6 km =18,2 dB Suy hao mối nối: 0,5 dB=3 dB Suy hao máy thu: 1,5 dB=1,5 dB Đô dự trữ: 6dB  Tổng suy hao kênh hệ thống: 18,2dB + 3dB + 1,5dB + 6dB = 28,7dB  Năng lượng tồn sử dụng hệ thống: 31dB - 28,7dB = 2,3dB  Dựa số liệu đưa ra, hệ thống khả thi cung cấp lượng công suất vượt 2,3 dB Điều cung cấp thêm lượng an toàn phép mối nối xảy tương lai chúng khơng tính đến biên độ an tồn ban đầu 14 Bài 2: Đường truyền cáp quang đơn mode đường dài hoạt đơng bước sóng Có cơng suất trung bình từ phát -3dBm.; Suy hao sợi cáp 0,4dB/Km Suy hao mối nối 0,1 dB/Km Suy hao so kết nối đầu thu nhận 1dB/đầu Cơng suất trung bình đầu thu APD hoạt động tốc độ 35Mbits/s ( ) -55dBm tốc độ 400Mbits/s ( Độ dự trữ an toàn 7dB Xác định: ) -44dBm a Chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dung lập tốc độ 35MBits/s b Chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dùng lập tốc độ 400MBits/s Giải Ta có: + Cơng suất trung bình từ phát Pi=¿ –3dBm + Suy hao sợi cáp α fc =¿ 0,4dB/Km + Suy hao mối nối α j =¿0,1dB/Km + Suy hao kết nối đầu thu nhận 1dB/đầu nên α cr =2 dB=2 dB + Độ dự trữ an toàn M a=¿ 7dB Câu a) Ở tốc độ 35MBits/s, ta có: Pi=P o1 + ( α fc +α j ) L+ α cr + M a Pi−P o1 =( α fc + α j ) L+α cr + M a (dB) (I) Thay Pi=¿ –3dBm ; Po 1=¿ –55dBm vào phương trình (I), có: –3dBm – (–55dBm) = ( α fc + α j ) L+ α cr + M a 52dB = ( α fc + α j ) L+ α cr + M a ( α fc + α j ) L=¿52 – (α ¿ ¿ cr + M a )¿ ( 0,4+ 0,1 ) L=52−(2+ 7) 0,5 L=43 L=43 ÷0,5=86 (km) Vậy chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dung lập tốc độ 35MBits/s 86 km 15 Câu b) Ở tốc độ 400MBits/s, ta có: Pi=P o2 + ( α fc +α j ) L+ α cr + M a Pi−P o2 =( α fc + α j ) L+α cr + M a (dB) (II) Thay Pi=¿ –3dBm ; Po 2=¿ – 44dBm vào phương trình (I), có: –3dBm – (–44dBm) = ( α fc + α j ) L+ α cr + M a 41dB = ( α fc + α j ) L+ α cr + M a ( α fc + α j ) L=¿41 – (α ¿ ¿ cr + M a )¿ ( 0,4+ 0,1 ) L=41−(2+7) 0,5 L=32 L=32 ÷ 0,5=64 (km) Vậy chiều dài tuyến cáp tối đa mà không dung lập tốc độ 400MBits/s 64 km 16 CHƯƠNG V: BÀI TẬP LỚN Một tuyến quang dài L=15km, dùng sợi quang SI (50/125 m) có độ chênh lệch chiết suất tương đối =1%, chiết suất lõi n1=1,48, Sợi quang có suy hao trung bình =4dB/km (tại =850nm) =2,4dB/km (tại =1300nm), hệ số tán sắc chất liệu M=130ps/nm.km (tại =850nm) M=10ps/nm.km (tại =1300nm) Nguồn quang sử dụng LED phát ánh sáng có bước sóng 850nm có cơng suất phát quang 4mW, độ rộng phổ A=35nm Bộ thu quang sử dụng PIN có độ nhạy -45dBm Biết 2km có mối hàn có suy hao 0,1dB/mối hàn Suy hao ghép quang đầu phát 13dB, đầu thu 10dB a Tính cơng suất quang điểm 1km, 7km 12km kể từ đầu phát b Tuyến quang có cần trạm lập hay khơng? Nếu có tín số trạm lập cần sử dụng, khoảng cách trạm lập Vẽ hình minh hoạ thích c Với chiều dài trên, tốc bit cực đại truyền tuyến quang bao nhiêu? Bỏ qua ảnh hưởng tán sắc ống dẫn sóng Mã đường truyền NRZ d Thay nguồn quang LED phát ánh sáng có bước sóng 1300nm, công suất phát quang 1mW, An=35nm, Hỏi tuyến quang hoạt động khơng? Tại sao? e Nhận xét kết hai câu b d Giải o Tóm tắt : o L=15km o sợi quang SI (50/125m) o độ chênh lệch chiết suất tương đối =1% o chiết suất lõi n1=1.48 o hệ số tán sắc chất liệu  M=130ps/nm.km (tại =850nm)  M=10ps/nm.km (tại =1300nm) o suy hao trung bình  =4dB/km (tại =850nm)  =2,4dB/km (tại =1300nm) o Nguồn quang sử dụng LED phát ánh sáng có :  bước sóng 850nm 17 o o o o  công suất phát quang 4mW  Đơ ä rộng phổ =35nm Bộ thu quang sử dụng PIN có độ nhạy -45dBm Cứ km có mối hàn  Suy hao mối hàn : 0,1dB/mối hàn Suy hao ghép quang đầu phát 13dB Suy hao ghép quang đầu thu 10dB Câu a) Ta có : Suy hao điểm có chiều dài L : Suy hao = Suy hao ghép quang đầu phát + α.L + Suy hao mối hàn = 10.log Công suất phát quang ban đầu P1 α hệ số suy hao trung bình L khoảng cách  Độ suy hao khoảng cách 1km : SH1km= Suy hao ghép quang đầu phát + α.L + Suy hao mối hàn =13+4.1+0=17dB Ta xét : Suy hao = 10.log Công suất phát quang ban đầu P1 →P1 = 17=10.log P 1,7 10 =0,08 mW  Độ suy hao khoảng cách 7km : SH7km= Suy hao ghép quang đầu phát + α.L + Suy hao mối hàn =13 + 4.7 + 0,1.3 = 41,3 dB Ta xét : Suy hao = 10.log 41,3=10.log P Công suất phát quang ban đầu P1 →P1 = 104,13 =0,3 μ W  Độ suy hao khoảng cách 12km : SH12km= Suy hao ghép quang đầu phát + α.L + Suy hao mối hàn = 13 +4.12 + 0,1.5 = 61,5 dB 18 Ta xét : Suy hao = 10.log 61,5=10.log P Công suất phát quang ban đầu P1 →P1 = 106,15 =2,8 n W Câu b) Ta có cơng thức sau : Trong :     Ps Cơng suất phát quang ban đầu Pr : Độ nhạy Lm : Suy hao dự phòng cho thiết bị Lc : Suy hao ghép nối Đề cấp cho ta liệu : Ps=4mW=6 dBm Vậy nên : Pb= =28 dB Ta có cơng thức suy hao trung bình sợi quang : Trong :  α m : Suy hao dự phòng cho cáp  α f : Độ suy hao trung bình sợi quang  α s : Suy hao trung bình mối hàn Km ( dB/Km) Thay số vào công thức : Cự ly giới hạn công suất : L= Pb 28 dB = =6,9 km α c 4.05 dB /km Với khoảng cách 15km khoảng cách giới hạn cho trạm lặp 6,9km cần sử dụng trạm lặp  Hình ảnh minh họa: 19 Câu c) Bỏ qua ảnh hưởng tán sắc ống dẫn sóng nên Dwg=0 Tán sắc vật liệu: −3 Dmat =M L ∆ λ=15 35.130 10 =68,25 ns D chr =Dmat +0=¿ 68,25 ns Tán sắc mode sợi SI: d mod = SI L n1 ∆ 15 1,48 0,01 −10 ns = =7,4.10 ( ) c km 10 Độ tán sắc tổng cộng: Dt =√ D2chr + D2mod ¿ √ (68,25)2 +(7,4.10−10)2=68,25 ns Tốc độ bit cực đại: => Brmax= D t ¿ =3,663.10 s −9 68,25 10 Câu d) Ta xét:  Quỹ cơng suất tồn tuyến thay đổi công suất đầu vào:  Suy hao trung bình sợi quang là: 20 ac = 4,05 dB/km  Cự ly giới hạn quỹ công suất: L = P b / ac = 22/4,05 = 5,43 km < 15 km Ta kết luận tuyến quang hoạt động có thêm trạm lặp đầu thu nhận Câu e) Dựa vào kết câu b d thấy cơng suất đầu phát giảm ta cần phải tăng số trạm lặp để khuếch đại truyền tín hiệu Điều giống với việc truyền tín hiệu theo tuyến viba tuyến truyền song truyền thống khác 21 ... VỤ BÁO CÁO TIỂU LUẬN Họ tên sinh viên: Lê Khánh Duy MSSV: 1853020009 Lớp: 18ĐHĐT01 Nhiệm vụ tiểu luận: Làm Bài Tập Lớn Thông Tin Quang Ngày giao tiểu luận: 10/12/2021 Ngày hoàn thành tiểu luận: ...HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TIỂU LUẬN TÊN ĐỀ TÀI: THÔNG TIN QUANG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS TRỊNH HOÀNG DUY SINH VIÊN: LÊ KHÁNH DUY MSSV:... √ 3 10 CHƯƠNG III: Bài 1: Một tuyến cáp quang DIM chiều dài Km sử dụng đèn LED có cơng suấtt quang trung bình -10dBm phóng vào cáp quang đa mode Cáp quang suy hao 3,5dB/Km suy hao đầu chia 0,7dB/Km