Hệ thống thông tin quang

Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đề tài: Hệ thống thông tin quang SV Phm ỡnh Khỏnh -1- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp lời mở đầu Trong năm gần đây, hệ thống thông tin đợc phát triển mạnh mẽ hết, đáp ứng đợc phần bùng nổ thông tin toàn giới Các mạng thông tin điện đại có cấu trúc điển hình gồm nút mạng đợc tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn khác nh cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi số lợng kênh truyền dẫn lớn, song hệ thống truyền dẫn kể không tổ chức đợc luồng kênh cực lớn Đối với kỹ thuật thông tin quang, ngời ta đà tạo đợc hệ thèng trun dÉn tíi vµi chơc Gb/s Mét sè níc giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đà chiếm 50%-60% toàn hệ thống truyền dẫn Xu hớng ngành Viễn thông giới có Việt Nam cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, đờng trun dÉn qc tÕ §èi víi ViƯt Nam chóng ta, với sách tắt, đón đầu tiếp thu công nghệ đại, năm qua, Tập đoàn VNPT đà hoàn thành hoá mạng lới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng đa vào sử dụng hệ thống truyền dÉn quang qc gia 2,5 Gb/s víi cÊu h×nh Ring Và giai đoạn ngành chủ trơng cáp quang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi u điểm siêu việt cáp sợi quang nh tốc độ,khả nâng cấp đặc biệt giá thành rẻ thay cho thiết bị khác có cáp đồng giá thành đắt Do thêi gian cã h¹n víi lÜnh vùc cã khèi lợng kiến thức lớn, khả hạn chế kiến thức thực tế ỏi, nên đồ án không tránh khỏi sai sót khiếm khuyết định Vậy em mong muốn nhận đợc góp ý thầy cô bạn bè để hoàn thiện kiến thức Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Hữu Thanh suốt trình hon thiện đồ án.n thiện đồ án Sinh viên Phạm Đình Khánh SV Phm ỡnh Khỏnh -2- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Phần I Công nghệ thông tin sợi quang chơng I tìm hiểu hệ thống thông tin sợi quang I Hệ thống thông tin sợi quang Lịch sử phát triển Trải quan thời gian dài từ ngời sử dụng ánh sáng lửa để làm phơng tiện thông tin đến nay, lịch sử thông tin quang đà trải qua bớc phát triển hoàn thiện đợc nghi nhận qua mốc thời gian sau: - Năm 1790 claude chappe kỹ s ngời pháp đà xây dựng hệ thống điện báo quang hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo tín hiệu di động đó, hệ thống vợt chặng đờng 200km vòng 15 phút - Năm 1880 alaxanaer gramam bell ngêi mü, giíi thiƯu hƯ thèng photo phone, qua tiếng nói truyền ánh sáng môi trờng SV Phm ỡnh Khỏnh -3- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp không khí mà không cần dây, nhiên hệ thống cha đợc áp dụng thực tế có nhiều nguồn nhiễu làm giảm tín hiệu đờng truyền - Năm 1934 norman r.french kü s ngêi mü, nhËn b»ng s¸ng chÕ vỊ hƯ thống thông tin quang, phơng tiện truyền dẫn ông ống thuỷ tinh - Năm 1958 arthur sehawlow charlesh townes xây dựng phát triển laer - Năm 1960 thecdor h.maman đa lazer vào hoạt động thành công - Năm 1962 lazer bán dẫn photodiode bán dẫn đợc thừ nhận - Năm 1966 charles h.kao georgea hockam hai kü s phßng thÝ nghiƯm Standard telecom munication nớc anh đề xuất việc dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng Nhng công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời kỳ hạn chế nên suy hao lớn - Năm 1970 hÃng glass work chế tạo thành công loại sợi có suy hao nhỏ 20dB bớc sang 633 nm - Năm 1972 loại sợi gi đợc chế tạo với độ suy hao 4db/km - Năm 1983 sợi đơn mode đợc xuất xởng mỹ Ngày loại sợi đơn mode đợc sử dụng rộng rÃi độ suy hao loại sợi khoàng 0,2db/km bớc sóng 1550nm Thông tin quang cã tỉ chøc hƯ thèng cịng t¬ng tù nh hệ thống thông tin khác Thành phần hệ thống thông tin quang tuân thđ theo mét hƯ thèng th«ng tin chung HƯ thèng loài ngời đà sử dụng từ thời kỳ khai sinh hình thức thông tin Nơi tín hiệu Thiết bị phát Môi trờng truyền dẫn Thiết bị phát Nơi tín hiệu đến Phía thu tín hiệu Phía phát tín hiệu Hình 1.1 Các thành phần SV Phm ỡnh Khỏnh -4- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Trong sơ đồ tín hiệu cần truyền đợc phát vào môi trờng truyền dẫn tơng ứng, đầu thu thu lại tín hiệu cần truyền Nh tín hiệu đà đợc thông tin từ nơi giữ tín hiệu, tới nơi nhận tín hiệu đến §èi víi hƯ thèng th«ng tin quang m«i trêng trun dẫn sợi quang, thực truyền sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát tới phía thu Cùng với công nghệ chế tạo nguồn phát thu quang, sợi dẫn quang đà tạo hệ thống thông tin quang với nhiều u điểm trội hẳn hệ thống thông tin cáp kim loại Sợi cáp quang có đặc điểm sau: Suy hao cáp quang thấp so với cáp song hành kim loại cáp đồng trục Độ rộng băng: Cáp sợi quang truyền tải tín hiệu có tần số cao nhiều so với cáp đồng trục hình 1.2 mức độ khác tuỳ thuộc vào loại sợi quang Đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ: cáp sợi quang nhỏ kích thớc, nhẹ trọng lợng so với cáp đồng Một sợi cáp quang có đờng kính với cáp kim loại chứa số lợng lớn lõi sợi quang số lợng lõi kim loại kích cỡ Các đặc điểm có u điểm lớn lắp đặt cáp Đặc tính cách điện: thuỷ tinh không cách điện không dẫn điện, cáp sợi quang không chịu ảnh hởng điện từ trờng bên (cáp điện cao thế, sóng vô tuyến truyền hình v.v Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi) đặc tính có u lớn mét sè øng dơng thĨ TiÕt kiƯm tài nguyên: thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu dồi nữa, số lợng nhỏ nguyên liệu sản xuất đoạn cáp quang dài Có tính bảo mật ín hiệu thông tin Từ u điểm mà hệ thống thông tin quang đợc áp dung rộng rÃi mạng lới Có thể xây dựng làm tuyến đờng trục chính, trung kế, liên tỉnh, thuê bao khoảng cách xa mà cáp đồng bị suy hao không đáp ứng đợc, hệ thống thông tin quang phù hợp cho hệ thống truyền dẫn số Hiện hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất dịch vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu mạng số liên kết đa dich vụ SV Phm ỡnh Khỏnh -5- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Các hệ thống thông tin quang mũi đột phá tốc độ cự ly truyền dẫn cấu hình linh hoạt cho dịch vụ viễn thông cấp cao Cấu trúc hệ thống thông tin Tổng đài EX Sợi quang PDH E/ O Trạm lặp O/E O/E > E/O SDH Tổng đài Sợi quang PDH EX SDH Hệ thống thông tin truyền dẫn cáp sợi quang Trạm lặp Bộ chia * Các thành phần tuyến truyền dẫnquang cáp sợi quang: Thu quang Sợi dẫn quang Hình tín 1.2hiệu : Cấu hình thống sợi quang Nói chung, điện từ hệ máy điệnthông thoại, tin từ thiết bị đầu cuối số liệu Fax, số liệu data Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi đa đến đợc biến đổi tõ tÝn hiƯu ®iƯn sang tÝn hiƯu quang qua mét biến đổi quang (invecter quang) Và sau đợc gửi vào cáp quang để thực truyền dẫn đầu bên thu biến đổi ngợc lại, từ tín Tín hiệuhiệu quang chuyển lại sang tín hiệu điện để đa tới thiết bị đầu cuối Bộ điện biếnvào đổi quang điện thực chất linh kiện phát quang nh Laser diodes Mối hàn sợi biến đổi quangMạch điện Photodiode Khi khoảng cách truyền dẫn lớn(quá Nguồn điều phát xa) cần thiết cần có trạm lặp Các trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu khiển quang đợc thành tín hiệu điện để khuyếch đại phát chuyển tiếp Các thành phần tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang phần thu quang Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát gồm có bị khác sợi dẫn quang lớp bọc xung quanhCác thiết tách sóng quang mạch Mạch điện khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Ngoài thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang có phận nối quang Connector, mối hàn, nối quang, chia quang trạm lặp; tất tạo nên tuyến thông tin Phát quang quang hoàn chỉnh Hình 1.3: Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Bộ thu quang SV Khuyếch đại quang Phm ỡnh Khỏnh Đầu thu quang -6- Chuyển ®ỉi tÝn hiƯu®iƯn Khoa Khuch ®¹i TÝn hiƯu ®iƯn tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Đặc điểm thông tin quang Hệ thống thông tin quang có số u điểm so với hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển cho sử dụng đặc tính sợi quang, linh kiện thu quang, phát quang Sợi cáp quang có đặc điểm chủ yếu sau: + Sợi quang nhỏ nhẹ cáp song hành kim loại cáp đồng trục, đờng kính mẫu sợi quang 100m nhỏ sợi cáp đồng tục (cáp đồng trục có đờng kính 10 mm) + Suy hao thấp so với cáp song hành kim loại cáp đồng trục + Độ rộng băng tần cáp sợi quang truyền tải tín hiệu tần số cao nhiều so với cáp đồng trục Mức độ khác tùy thuộc vào loại sợi cáp quang + Đặc tính cách điện: Bởi thủy tinh không dẫn điện, cáp quang không chịu ảnh hởng điện trờng bên (cáp điện cao sóng vô tuyến cáp truyền hình v.v ) đặc tính có u điểm lín mét sè c¸c øng dơng thĨ SV Phm ỡnh Khỏnh -7- Khoa điện tử Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp + Tiết kiệm tài nguyên: Thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang, so với kim loại, nguồn nguyên liệu dồi Hơn nữa, số lợng nhỏ nguyên liệu sản xuất đợc đoạn cáp quang dài + Vì có suy hao nhỏ cho phép đạt cự ly khoảng cách lớn cáp kim loại nhiều + Có giá thành rẻ so với cáp đồng Suy hao (dB/Km) Cáp song hành 50 Cáp kim loại Cáp đồng trục 20 10 1 Sợi quang đa Mode chiết suất bậc (2,6,6,5mm) Cáp sợi quang (Bớc sóng 1,3m) Sợi quang đa Mode chiết suất biến đổi (50/125m) 10 20 50 100 200 500 100 (MHZ) H×nh Các đặc tính truyền dẫn cáp quang cáp0 kim loại Ưu điểm linh kiện thu phát quang: + Có khả điều chế tốc độ cao nªn sư dơng trun dÉn tÝn hiƯu tèc độ cao băng rộng + Kích thớc nhỏ, hiệu st biÕn ®ỉi quang ®iƯn cao + Cho phÐp suy hao máy phát máy thu lớn linh kiện có khả phát xạ công suất quang lớn độ nhạy thu cao mà đảm bảo chất lợng truyền dẫn Trong hệ thống thông tin sợi quang, khoảng cách trạm lặp lên tới vài chục Km kết hợp đặc điểm suy hao thấp, băng rộng, linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao Số lợng trạm lắp đờng dây giảm đáng kể so với số lợng trạm lặp cáp kim loại cỉ SV Phạm Đình Khánh -8- Khoa ®iƯn tư – Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp điển Hệ thống thông tin quang sợi kinh tế, độ tin cậy cao dễ dàng lắp đặt bảo dỡng Hơn nữa, truyền dẫn kênh dung lợng lớn (rất nhiều tín hiệu đợc ghép lại với thành đờng đờng tuyến truyền qua tuyến truyền dẫn) cho phép thực dịch vụ truyền Video, multimedia, data Nhu cầu thông tin ngày tăng, đòi hỏi có nhu cầu phát triển lớn Điều làm cho giá trị dịch vụ giảm thấp Thông tin quang cho phép truyền dẫn đồng thêi c¸c tÝn hiƯu cã bíc sãng trun dÉn kh¸c (ghép tần số) Đặc tính có khả truyền dẫn băng rộng sợi quang sẵn có làm cho dung lợng truyền dẫn tuyến lớn Đờng kính nhỏ, trọng lợng bé sợi quang làm giảm khoảng không việc lắp đặt (treo) cáp hạ ngầm Điều cho thấy lần cải thiện tính kinh tế mạng lới viễn thông làm thuận tiện, dễ dàng lắp đặt bảo dỡng mạng lới Một u điểm sợi quang không dẫn điện, nh không cần thiết tách thông tin khỏi thiết bị gây cảm ứng điện từ trờng bảo vệ an toàn cho công nhân nh ổn định chất lợng thông tin II Các đặc điểm ánh sáng Trong hệ thống thông tin quang, thông tin đợc truyền tải ánh sáng cần thiết để hiểu đợc lan truyền ánh sáng sợi quang nguyên lý cđa dao ®éng laser Phỉ cđa sãng ®iƯn từ Các xạ điện từ nói chung có chất tự nhiên xem nh sóng hạt (proton) tính chất sóng hạt bật vùng Ngời ta phân chia vùng sóng điện từ theo thông số khác nh: - Tần số: Ký hiệu F, đơn vị (HZ) chu kỳ giây (CPS) - Bớc song: Ký hiệu đơn vị mét (m) - Năng lợng photon: Ký hiệu E, đơn vị electronvolt (ev) Các thông số đợc sử dụng rộng rÃi vùng chúng chuyển đổi theo công thức sau: C = .f (m/s) (m) (HZ) E = h.f (eV) Trong ®ã: SV Phạm Đình Khánh -9- Khoa ®iƯn tư – Thông tin Trờng ĐH Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp C: Vận tốc ánh sáng chân không C = 300.000 km/s = 3.108 m/s h: h»ng sè plank , h = 6,625.10-34 J/s * ¸nh s¸ng thÊy đợc chiếm vùng hẹp thang sóng điện từ với bớc sóng từ 380 mm (mầu tím) đến 780 mm (mầu đỏ) * ánh sáng dùng thông tin quang vïng cËn hång ngo¹i víi bíc sãng từ 800 nm đến 1600nm Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng là: 850, 1300 1550 nm ChiÕt st cđa m«i trêng ChiÕt st cđa m«i trêng suốt đợc xác định tỷ số vận tốc ánh sáng chân không vận tốc ánh sáng môi trờng ấy: C n= V n Chiết suất môi trờng đơn vị C Vận tốc ánh sáng chân không (m/s) V: Vận tốc ánh sáng môi trờng đơn vị (m/s) Vì V C nên n Chiết suất môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng truyền Giá trị chiết suất n không khí 1,00, nớc 1,33, thủy tinh 1,50 kim cơng 2,42 Ví dụ: ChiÕt st cđa thđy tinh 100% SiO2 thay ®ỉi theo bíc sãng  nh h×nh A 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 SV 1,43Phạm ng n   ỡnh Khỏnh dn d Khoa điện tử Thông -10- tin 0,6 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 (m)