Kỹ thuật thông tin quang 1

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2009 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Biên soạn: TS LÊ QUỐC CƯỜNG THS ĐỖ VĂN VIỆT EM THS PHẠM QUỐC HỢP Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thông, truyền số liệu, truyền hình cáp, … Trong chương tìm hiểu đời phát triển thơng tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang, ưu điểm nhược điểm cáp sợi quang, lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Việc thơng tin liên lạc ánh sáng sớm xuất phát triển lồi người người trước liên lạc với cách dấu (Hand signal) Liên lạc cách dấu dạng thông tin quang: khơng thể dấu bóng tối Ban ngày, mặt trời nguồn ánh sáng cho hệ thống (hệ thống “Hand signal”) Thông tin mang từ người gởi đến người nhận dựa vào xạ mặt trời Mắt thiết bị thu thông điệp này, não xử lý thông điệp Thông tin truyền theo kiểu chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, lỗi lớn Một hệ thống quang sau đó, có đường truyền dài hơn, tín hiệu khói (Smoke signal) Thơng điệp gởi cách thay đổi dạng khói phát từ lửa Mẫu khói lần mang đến phía thu ánh sáng mặt trời Hệ thống địi hỏi phương pháp mã hóa phải đặt ra, mà người gởi người thu thông điệp phải học Điều có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) sử dụng hệ thống số (digital system) đại Trải qua thời gian dài từ người sử dụng ánh sáng mặt trời lửa để làm thông tin liên lạc đến lịch sử thông tin quang qua bước phát triển hoàn thiện tóm tắt mốc sau đây: − Năm 1775: Paul Revere sử dụng ánh sáng để báo hiệu quân đội Anh từ Boston kéo tới − Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu Thời tin tức truyền với tín hiệu vượt chặng đường 200 Km vòng 15 phút − Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên người Anh, thực thành cơng thí nghiệm đáng ý ánh sáng truyền qua mơi trường điện môi suốt − Năm 1870: John Tyndall chứng minh ánh sáng dẫn theo vòi nước uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần − Năm 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ, phát minh hệ thống thơng tin ánh sáng, hệ thống photophone Ơng ta sử dụng ánh sáng mặt trời từ gương phẳng mỏng điều chế tiếng nói để mang tiếng nói Ở máy thu, ánh sáng mặt trời điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, biến đổi thơng điệp thành dịng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống Hệ thống photophone chưa đạt thành công Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang thương mại, làm việc tốt hơn, nguồn nhiễu lớn làm giảm chất lượng đường truyền − Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang Phương tiện truyền dẫn ông thủy tinh − Vào năm 1950: Brian O’Brien, Harry Hopkins Nariorger Kapany phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên (ánh sáng lan truyền lớp này) lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng lõi Sợi sau nhà khoa học phát triển thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi sợi quang), thiết bị có khả truyền hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong fiberscope cho phép ta quan sát vùng mà ta xem cách bình thường Đến nay, hệ thống fiberscope sử dụng rộng rải, đặc biệt ngành y dùng để soi bên thể người − Vào năm 1958: Charles H.Townes phát minh Laser cho phép tăng cường tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi Năm 1960: Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lượng hệ thống thông tin quang cao − − Năm 1966: Charles K.Kao George Hockham thuộc phịng thí nghiệm Standard Telecommunication Anh thực nhiều thí nghiệm để chứng minh thủy tinh chế tạo suốt cách giảm tạp chất thủy tinh suy hao ánh sáng đượ giảm tối thiểu Và họ cho sợi quang chế tạo đủ tinh khiết ánh sáng truyền xa nhiều Km − − Năm 1967: suy hao sợi quang báo cáo α ≈ 1000 dB/Km Năm 1970: hãng Corning Glass Works chế tạo thành cơng sợi SI có suy hao α < 20 dB/Km bước sóng λ = 633 nm − Năm 1972: loại sợi GI chế tạo với suy hao α ≈ dB/Km − Năm 1983: sợi SM (Single Mode) sản xuất Mỹ − Năm 1988: Công ty NEC thiết lập mạng đường dài có tốc độ 10 Gbit/s chiều dài 80,1 Km dùng sợi dịch tán sắc Laser hồi tếp phân bố − Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/Km bước sóng 1550 nm, có loại sợi đặc biệt có suy hao thấp giá trị nhiều 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang Điện thoại Điện thoại Fax Fax E/O O/E E/O O/E Số liệu Số liệu Tivi Tivi Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thơng tin quang Hình 1.1 biểu thị cấu hình hệ thống thơng tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối, số liệu Fax đưa đến E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau gởi vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, cơng suất tín hiệu (ánh sáng) bị suy yếu dần dạng sóng bị rộng Khi truyền tới đầu bên sợi quang, tín hiệu đưa vào O/E để tạo lại tín hiệu điện, khơi phục lại ngun dạng ban đầu mà máy điện thoại, số liệu Fax gởi Như vậy, cấu trúc hệ thống thơng tin quang mơ tả đơn giản hình 1.2, gồm: Š Bộ phát quang Š Bộ thu quang Š Môi trường truyền dẫn cáp sợi quang Tín hiệu quang Tín hiệu điện ngõ vào Tín hiệu điện ngõ E/O Bộ phát quang O/E Cáp sợi quang Bộ thu quang Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Trên hình 1.2 minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hướng Hình 1.3 minh họa tuyến truyền dẫn quang liện lạc theo hai hướng Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hướng Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang Như vậy, để thực truyền dẫn hai điểm cần có hai sợi quang Nếu cự ly thơng tin q dài tuyến có nhiều trạm lặp (Repeater) Cấu trúc đơn giản trạm lặp (cho hướng truyền dẫn) minh họa hình 1.4 Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản trạm lặp quang − Khối E/O: phát quang có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện đưa đến, biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang, đưa tín hiệu quang lên đường truyền (sợi quang) Đó chức khối E/O phát quang Thường người ta gọi khối E/O nguồn quang Hiện linh kiện sử dụng làm nguồn quang LED LASER − Khối O/E: tín hiệu quang truyền đến đầu thu, tín hiệu quang thu nhận biến trở lại thành tín hiệu điện đầu phát Đó chức khối O/E thu quang Các linh kiện sử dụng để làm chức PIN APD, chúng thường gọi linh kiện tách sóng quang (photo-detector) − Trạm lặp: truyền sợi quang, cơng suất tín hiệu quang bị suy yếu dần (do sợi quang có độ suy hao) Nếu cự ly thơng tin q dài tín hiệu quang khơng đến đầu thu đến đầu thu với cơng suất cịn thấp đầu thu không nhận biết được, lúc ta phải sử dụng trạm lặp (hay gọi trạm tiếp vận) Chức trạm lặp thu nhận tín hiệu quang suy yếu, tái tạo chúng trở lại thành tín hiệu điện Sau sửa dạng tín hiệu điện này, khuếch đại tín hiệu sửa dạng, chuyển đổi tín hiệu khuếch đại thành tín hiệu quang Và cuối đưa tín hiệu quang lên đường truyền để truyền tiếp đến đầu thu Như vậy, tín hiệu ngõ vào ngõ trạm lặp dạng quang, trạm lặp có khối O/E E/O 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang a) Ưu điểm − Suy hao thấp Suy hao thấp cho phép khoảng cách lan truyền dài Nếu so sánh với cáp đồng mạng, khoảng cách lớn cáp đồng khuyến cáo 100 m, cáp quang khoảng cách 2000 m Một nhược điểm cáp đồng suy hao tăng theo tần số tín hiệu Điều có nghĩa tốc độ liệu cao dẫn đến tăng suy hao công suất giảm khoảng cách lan truyền thực tế Đối với cáp quang suy hao khơng thay đổi theo tần số tín hệu − Dải thơng rộng Sợi quang có băng thơng rộng cho phép thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao Hiện nay, băng tần sợi quang lên đến hàng THz − Trọng lượng nhẹ Trọng lượng cáp quang nhỏ so với cáp đồng Một cáp quang có sợi quang nhẹ 20% đến 50% cáp Category có đơi Cáp quang có trọng lượng nhẹ nên cho phép lắp đặt dễ dàng − Kích thước nhỏ Cápsợi quang có kích thước nhỏ dễ dàng cho việc thiết kế mạng chật hẹp không gian lắp đặt cáp − Không bị can nhiễu sóng điện từ điện cơng nghiệp Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thơng Tin Quang − Tính an tồn Vì sợi quang chất điện mơi nên khơng dẫn điện Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng Đặc tính Dải thơng Cáp đồng Cáp quang Sợi đa mode Sợi đơn mode 100 MHz GHz > 100 GHz 100 m 2000 m 40.000 m Cự ly truyền dẫn Xun kênh Có Khơng Trọng lượng Nặng Nhẹ Kích thước Lớn Nhỏ − Tính bảo mật Sợi quang khó trích tín hiệu Vì khơng xạ lượng điện từ nên khơng thể bị trích để lấy trộm thơng tin phương tiện điện thông thường dẫn điện bề mặt hay cảm ứng điện từ, khó trích lấy thơng tin dạng tín hiệu quang − Tính linh hoạt Các hệ thống thơng tin quang khả dụng cho hầu hết dạng thông tin số liệu, thoại video b) Nhược điểm − Vấn đề biến đổi Điện-Quang Trước đưa tín hiệu thơng tin điện vào sợi quang, tín hiệu điện phải biến đổi thành sóng ánh sáng − Dịn, dễ gẫy Sợi quang sử dụng viễn thơng chế tạo từ thủy tinh nên dòn dễ gẫy Hơn kích thước sợi nhỏ nên việc hàn nối gặp nhiều khó khăn Muốn hàn nối cần có thiết bị chuyên dụng − Vấn đề sửa chữa Các quy trình sửa chữa địi hỏi phải có nhóm kỹ thuật viên có kỹ tốt thiết bị thích hợp − Vấn đề an tồn lao động Khi hàn nối sợi quang cần để mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, khơng có phương tiện phát mảnh thủy tinh thể Ngồi ra, khơng nhìn trực diện đầu sợi quang hay khớp nối để hở phịng ngừa có ánh sáng truyền sợi chiếu trực tiếp vào mắt Ánh sáng sử dụng hệ thống thông tin quang ánh sáng hồng ngoại, mắt người không cảm nhận nên điều tiết có nguồn lượng này, gây nguy hại cho mắt 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN 1.3.1.Ứng dụng Viễn thông − Mạng đường trục quốc gia − Đường trung kế − Đường cáp thả biển liên quốc gia 1.3.2.Ứng dụng dịch vụ tổng hợp − Truyền số liệu Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thơng Tin Quang − Truyền hình cáp Dưới minh họa vài ứng dụng sử dụng cáp sợi quang Cáp sợi quang sử dụng cho nhiều ứng dụng khác Chẳng hạn, nhiều công ty điện thoại sử dụng tuyến cáp quang để truyền thông tổng đài, qua thành phố, qua nước khác qua tuyến dài biển (xem hình 1.5) Hiện số nước có kế hoạch mở rộng cáp quang đến hộ gia đình để cung cấp dịch vụ videophone chất lượng cao Hình 1.5 Kết nối tổng đài cáp sợi quang Các công ty truyền hình cáp triển khai đường cáp quang để truyền tải tín hiệu chất lượng cao từ trung tâm đến vị trí trung chuyển phân bố xung quanh thành phố (hình 1.6) Sợi quang nâng cao chất lượng tín hiệu truyền hình làm tăng số kênh khả dụng Trong tương lai cáp quang nối trực tiếp đến hộ gia đình cung cấp nhiều dịch vụ cho người sử dụng Những dịch vụ dựa cáp quang truyền hình tương tác, giao dịch ngân hàng gia, hay làm việc từ hệ thống văn phòng gia đưa vào kế hoạch sử dụng tương lai Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang Trung tâm phân phối Trung tâm truyền hình Trung tâm phân phối Trung tâm phân phối Cáp quang Hình 1.6 Cáp đồng trục (hiện tại), tương lai cáp quang Mạng truyền hình cáp quang Sợi quang phương tiện lý tưởng cho truyền số liệu tốc độ cao Tín hiệu khơng bị méo nhiễu từ mơi trường xung quanh Tính cách điện sợi quang tạo giao tiếp an toàn máy tính, thiết bị đầu cuối, trạm làm việc Rất nhiều trung tâm máy tính sử dụng cáp sợi quang để cung cấp đường truyền số liệu tốc độ cao mạng LAN TÓM TẮT Với đặc tính suy hao thấp, băng thơng rộng, kích thước nhỏ, nhẹ, khơng bị cang nhiễu sóng điện từ điện công nghiệp làm cho sợi quang sử dụng nhiều lĩnh vực lĩnh vực viễn thông: viễn thông đường dài, viễn thông quốc tế sử dụng cáp quang vượt đại dương, mạng trung kế, mạng nội hạt th bao; lĩnh vực cơng nghiệp: đường truyền tín hiệu điều khiển tự động hệ thống tự động, công nghiệp dệt; lĩnh vực y học; lĩnh vực quân Sợi quang truyền tín hiệu dạng ánh sáng nên nguồn tín hiệu điện chuyển thành ánh sáng cách sử dụng LED LASER Quá trình xử lý diễn đầu phát, gọi phát quang Tín hiệu quang ghép vào sợi truyền đến thu quang Sau đến đầu thu, tín hiệu chuyển trở lại thành tín hiệu điện thông qua linh kiện PIN APD Mặc dù sợi quang có suy hao thấp tín hiệu bị suy yếu, đơi lúc hệ thống cần lặp quang, gọi trạm tiếp vận Với tiềm băng thông nên hệ thống truyền dẫn sợi quang phát triển hệ thống truyền dẫn số đường dài, tốc độ cao từ hàng trăm Mega bit/s đến hàng Tera bit/s nhờ sử dụng cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM Chương 1:Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP 1.1 Trình bày cấu trúc tổng quát hệ thống thôngtin quang 1.2 Mô tả chức thành phần hệ thống thông tin quang 1.3 Nêu ưu điểm sợi quang 1.4 Nêu nhược điểm sợi quang 1.5 Trình bày ứng dụng thơng tin sợi quang CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1.6 Cấu trúc hệ thống thông tin quang bao gồm: a Máy phát, máy thu môi trường truyền dẫn b Máy phát quang, máy thu quang cáp đồng trục c Máy phát quang, máy thu quang cáp sợi quang d Cả a, b, c 1.7 1.8 Tín hiệu truyền sợi quang là: a Dịng điện b .Điện áp c Ánh sáng d .Cả a, b, c Linh kiện tách sóng quang có nhiệm vụ: a Khuếch đại ánh sáng b Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện c Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang d Sửa dạng tín hiệu quang 1.9 Nguồn quang có nhiệm vụ: a Biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang b Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện c Khuếch đại ánh sáng d Sửa dạng tín hiệu quang 1.10 1.11 1.12 Một tuyến truyền dẫn quang cần sử dụng sợi quang? a sợi quang b sợi quang c sợi quang d sợi quang Sợi quang có ưu điểm ? a Dễ gẫy b Suy hao thấp c Băng thông hẹp d Dễ bị nhiễu Bộ E/O có chức gì? a Chuyển đổi tín hiệu điện thành ánh sáng b Chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện c Khuếch đại ánh sáng ... KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Biên soạn: TS LÊ QUỐC CƯỜNG THS ĐỖ VĂN VIỆT EM THS PHẠM QUỐC HỢP Chương 1: Tổng Quan Kỹ Thuật Thông Tin Quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ. .. WDM Chương 1: Tổng Quan Kỹ Thuật Thơng Tin Quang CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP 1. 1 Trình bày cấu trúc tổng quát hệ thống thôngtin quang 1. 2 Mô tả chức thành phần hệ thống thông tin quang 1. 3 Nêu ưu... hiệu quang b Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện c Khuếch đại ánh sáng d Sửa dạng tín hiệu quang 1. 10 1. 11 1 .12 Một tuyến truyền dẫn quang cần sử dụng sợi quang? a sợi quang b sợi quang