Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Lời nói đầu Ngày nay, hệ thống thông tin quang hệ thống thông tin mà tín hiệu đợc truyền dẫn dới dạng ánh sáng Môi trờng truyền dẫn sợi quang (các sợi mảnh) Cáp quang đà trở thành phơng tiện truyền dẫn hiệu mạng thuê bao Do u điểm hẳn phơng tiện truyền dẫn khác Cáp quang ngày đợc nhiều nớc sử dụng làm phơng tiện truyền dẫn thông tin có chất lợng truyền dẫn tốt hẳn so hệ thống truyền dẫn khác - phơng tiện truyền dẫn an toàn điều kiện Nó đóng vai trò đa truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lợng cao đòng đại nh: Truyền số liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập liệu từ xa, dẫn tạp thông tin đa phơng tiện Cùng với u điểm nh: Độ suy hao thấp, độ rộng băng tần cao, đờng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhẹ, đặc tính cách điện cao, tiết kiệm tài nguyên Trong phần báo cáo thực tập em xin nghiên cứu vấn đề sau: Hệ thống thông tin quang Cáp sợi quang vấn đề liên quan Đợc hớng dẫn giúp đỡ nhiệt tình thầy Vũ Đức Thọ -trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Nay báo cáo tực tập em đà hoàn thành, em kính mong thầy cô giáo xem xét bổ khuyết, em xin trân thành cảm ơn Phần I: Hệ Thống thông tin quang Chơng I: Khái niệm chung thông tin quang Định nghĩa: Thông tin quang hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều có nghĩa thông tin đợc chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng đợc truyền qua sợi quang Tại nơi nhận lại đợc biến đổi thành thông tin ban đầu 1.1 Sự phát triển thông tin quang: Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Khởi đầu thông tin quang khả nhận biết ngời chuyển động hình dáng màu sắc thông qua đôi mắt Tiếp hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất cách sử dụng đèn hải đăng đèn tín hiệu Kế tiếp đời máy điện báo quang Thiết bị sử dụng khí nh môi trờng truyền dẫn chịu ảnh hởng điều kiện thời tiết để giải vấn đề ngời ta đà chế tạo máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc hai ngời cách xa 1960 nhà nghiên cứu đà chế tạo thành công laze đến năm 1966 đà chế tạo sỵi quang cã dé tỉn thÊt thÊp ( 1000dB/Km) Bốn năm sau Karpon đà chế tạo cáp sợi quang suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km Từ thành công rực rỡ nhà nghiên cứu khắp giới đà bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển kết công nghệ giảm suy hao truyền dẫn, tăng dải thông laze bán dẫn đà đợc phát triển thành công vào năm 70 Sau dó giảm độ tổn hao xuống 0,18 db/Km laze bán dẫn có khả thực giao động liên tục nhiệt độ khai thác đà đợc chế tạo, tuổi thọ kéo dài 100 năm Dựa công nghệ sợi quang laze bán dẫn gửi khối lợng lớn tín hiệu âm liệu đến địa cách xa hàng trăm Km sợi quang có độ dày nh sợi tóc, không cần tái tạo Hiện hoạt động nghiên cứu đợc tiến hành mét lÜnh vùc gäi lµ photon häc lµ mét lÜnh vực tối quan trọng thông tin quang, có khả phát sử lý trao đổi truyền dẫn thông tin phơng tiện ánh sáng Photon học có khả đợc ứng dụng rộng rÃi lĩnh vực điện tử viễn thông kû 21 1.2 CÊu tróc hƯ thèng th«ng tin quang: Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình hệ thống thông tin quang Bộ biến đổi điện quang Nguồn thu thông tin O/E E/O Cáp quang < TÝn hiƯu quang > Bé biÕn ®ỉi quang điện Lặp đờng dây E/O O/E Nguồn phát thông tin Cáp quang < Tín hiệu quang > Hình 1.1: Cấu hình hệ thống thông tin quang Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Chức phận hệ thống thông tin quang: Bộ biến đổi điện quang ( E/O): quang ( E/O): Dïng ®Ĩ biÕn ®ỉi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền môi trờng cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang) Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực ( ánh sáng bị điều biến theo qui luật tín hiệu điện) Cáp quang: Là môi trờng dùng để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng, đợc chế tạo chất điện môi có khả truyền đợc ánh sáng nh sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa Yêu cầu: Tổn hao lợng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hởng nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu tín hiệu quang bị suy hao méo dạng đờng truyền bị tán xạ, tán sắc, suy hao cự ly để biến đổi thành tín hiệu điện trở thành nguồn tin ban đầu Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ lợng điện Các trạm lặp: Đợc sử dụng khoảng cách truyền dẫn lớn Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu đợc thành tín hiệu điện để khuyếch đại Tín hiệu đà đợc khuyếch đại đợc biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền tuyến cáp sợi quang 1.3 Ưu, nhợc điểm øng dơng cđa th«ng tin quang: Th«ng tin quang cịng nh nhiều loại thông tin khác có u nhợc điểm riêng: 1.3.1 Ưu điểm : Sợi quang không bị nhiễu tia điện từ không gian ngợc lại không phát tia điện từ gây ảnh hởng tới thiết bị xung quanh Nh tín hiệu tryuền qua sợi quang bị nghe đợc Tin tức đợc đảm bảo bí mật Giá thành hệ thống dẫn tín hiệu cáp kim loại đắt so với cáp sợi quang Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt trạm phát trạm nhận tín hiệu Trong kênh thông tin trọng lợng kích thớc phận nhỏ nhẹ Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Tín hiệu hệ thống truyền tin sợi quang thích hợp với linh kiện, IC lozic TTC vµ CMOS  Trun tÝn hiƯu qua cáp quang không bị nhiễu hiệu ứng thêi gian trƠ nh ë th«ng tin vƯ tinh  Độ rộng băng tần đến 3000GHz Đến với cách truyền tin AM hay TimeMultiplex độ rộng băng tần bị hạn chế khoảng 10GHz 1.3.2 Nhợc điểm Hàn, nối sợi khó khăn cáp kim loại Muốn cấp nguồn từ xa cho trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên sợi quang Khi có nớc, ẩm lọt vào cáp cáp nhanh chống bị hỏng mối hàn mau lÃo hoá làm tăng tổn hao Do sợi có kích thíc nhá nªn hiƯu st cđa ngn quang thÊp  Vì đặc tính xạ không tuyến tính laze diode nên hạn chế truyền analog Không thể truyền mà lỡng cực 1.3.3 ứng dụng Nhờ u điểm mà sợi quang đợc ứng dụng mạng lới điện thoại, số liệu, máy tính phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) đ ợc sử dụng ISDN ( mạng kết hợp kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), điện lực ứng dụng y tế quận nh thiết bị đo Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Chơng II: cáp sợi quang vấn đề liên quan 2.1 Bản chất ánh sáng: Trong hệ thống thông tin quang, thông tin đợc truyền dới dạng ánh sáng, cách chung nhất, coi ánh sáng chùm phần tử hạt nhỏ bé đợc phát từ nguồn sáng Các phần tử đợc hình dung nh theo đờng thẳng thâm nhập vào môi trờng suốt nhng lại bị phản xạ gặp môi trờng đục Quan điểm mô tả đợc đầy đủ hiệu ứng quang học phạm vi riêng ví dụ nh tợng phản xạ khúc xạ ánh sáng, nhng lại không dùng thuyết để giải thích tợng nhiễu xạ giao thoa, nhiên tợng nhiễu xạ giao thoa hÃn hữu Năm 1986, Maxwell đà chứng minh lý thuyết chất sóng ánh sáng sóng điện từ Hơn quan sát hiệu ứng phân cùc, ngêi ta nhËn thÊy sù chun ®éng cđa sãng ánh sáng vuông góc với hớng mà sóng đi, điều sóng ánh sáng sóng ngang Theo quan ®iĨm sãng quang hay vËt lý quang sóng điện từ đợc phát từ nguồn nhỏ đợc đặc trng loại mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt trung tâm mặt cầu Mặt sóng đợc xác định quĩ tích tất điểm loại sóng pha 2.1.1 Các định luật ánh sáng: Các định luật ánh sáng có liên qua đến truyền ánh sáng sợi quang tợng khúc xạ phản xạ ánh sáng vận tốc ánh sáng là: c = v. v: Tần số ánh sáng : Bớc sóng Trong không gian tự c = 3.10 m/s, môi trờng suốt khác vân tốc ánh sáng v < c Khi số chiết suất n vật liệu là: n = c/v Hiện tợng phản xạ khúc xạ ánh sáng xem xét trờng hợp có hai môi trờng khác số chiết suất Nh ta đà biết, tia sóng đợc truyền từ môi trờng có chiết suất lớn vào môi trờng có chiết suất nhỏ thay đổi hớng truyền chúng danh giới phân cách hai môi trờng Các tia sáng qua vùng ranh giới bị thay đổi hớng tiếp tục vào môi trờng có chiÕt st míi Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ gọi tia khúc xạ, tia qua ranh giới quay trở lại môi trờng ban đầu gọi tia phản xạ Hình dới minh hoạ trình phản xạ khúc xạ ánh sáng ứng với môi trờng thứ có chiết suất n1 lớn chiết suất n2 môi trờng thứ hai Pháp tuyến Pháp tuyến Tia khúc xạ Tia khúc xạ n2 n1 n2 Tán sắc mode: Tán sắc mode tồn tất sợi quang đa mode , đơn mode Tán sắc mdoe gọi tán sắc mode Tán sắc mode mode truyền sợi với tỷ lệ khác đến cuối đầu thu thời điểm khác nhau, nghĩa truyền tốc độ nh nhng đến đầu thu không đồng thời Trong sợi đa mode có khác tốc độ nhóm dạng sóng Tuy dạng sóng xuất phát từ đầu sợi thời điểm nhng đến cuối sợi không đồng thời Giữa dạng sóng (các tia sóng ) nhanh chậm gây độ lệch thời gian đặc trng cho tán sắc mode b> Tán sắc sắc thể sợi đa mode: Tán sắc sắc thể có sợi đa mode sợi đơn mode: Tán sắc sắc thể gây phụ thuộc tốc độ nhóm vào bớc sóng tín hiệu làm cho thời gian tới thành phần có bớc sóng khác không nh Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng: + Tán sắc vật liệu: Là bớc sóng khác từ nguồn quang truyền với tốc độ khác thay đổi số khúc xạ theo bớc sóng Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ + Tán sắc ống dẫn sóng: Là phơ thc kh«ng tun tÝnh cđa h»ng sè chun lan vào tần số bớc sóng ống dẫn quang 2.2 Cấu tạo cáp sợi quang: 2.2.1 Lõi cáp sợi quang: Bao gồm sợi quang đặt ống đệm chặt ống đệm lỏng đợc liên kết với cách xoắn quanh phần tử trung tâm gọi phần tử gia cờng Bớc xoắn phải đủ dài sợi quang không bị cong mức qui định đủ ngắn để đủ độ giÃn dài bị kéo căng cáp Phần tử trung tâm làm plastic có rÃnh vừa chức gia cờng vừa để đặt sợi theo hình xoắn ốc Các ống đệm plastic Các đặc tính plastic đợc dùng để sản xuất ống đệm phần tử gia cờng (làm lõi cáp quang) theo bảng sau: Vật liệu Sợi quang Nylon PE mật độ cao PE mật ®é thÊp Polypropylene Polyvinilchlo Ride(PVC) Fluorocthlenepro pylene(FEP) Polybuthylene Terephthalate Søc chịu lực Độ giÃn dài căng điểm % Kg/mm2 500 5,6-6,5 300 2,1-3,8 1,5-100 0.7-1,4 90-650 3.3-4.2 200-700 0.7-0.24 200-400 2-3,2 ~6 250-330 200 Modul đàn hồi Kg/mm2.102 71 1,3-2,4 0,4-0,7 0,1-0,24 1,1-1,4 0,1 §é d·n nhiƯt 10-5/0C 0,05 20 11-13 10-22 8-9,5 7-21 0,35 8,3-10,5 2,5 6-9 Bảng 2.1: Các đặc tính học phần tử làm lõi cáp quang 2.2.2 Vỏ cáp quang Để bảo vệ lõi cáp khỏi bị ảnh hởng từ bên Các vỏ plastic (một nhiều vỏ) để bao bọc lõi cáp Tổng quan hệ thống thông tin quang a> b> c> GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Vỏ làm từ PVC, Polyethyleen Polymethame-loại có đặc tính học tốt, chống cháy có độ ẩm cho phép cao PE có tính hoá tốt, chống cháy kém, hệ số ma sát thấp thuận lợi cho kéo cáp vào cống Vỏ thờng dùng Polymêthame mềm dẻo Lớp chắn ẩm thờng nhôm mỏng quấn kín lõi cáp phía vỏ lớp cùng: Khi vỏ bị phồng lên lớp nhôm ôm chặt lớp phía nh ngăn đợc nớc n»m líp vá ngoµi thÊm vµo d> Vá bảo vệ kim loại ( Armuor) sợi thép thép có múi đợc dùng cho cáp chôn trực tiếp để bảo vệ ứng suất xuyên tâm chống gậm nhấm 2.2.3 Phần tử gia cờng Phần tử gia cờng đợc đặt lõi cáp quang để tạo sức chịu lực căng sức chống co để đảm bảo cho cáp đợc ổn định lắp đặt cáp, nhiệt độ môi trờng thay đổi Phần tử gia cờng phải vật liệu nhẹ, mềm dẻo có modul đàn hồi cao Phần tử gia cờng là: + Kim loại: thờng loại dây thép đợc đặt tâm vỏ cáp dùng thép phải ý chống ăn mòn chống điện áp cao sét đánh + Phi kim loại: Thờng dây thuỷ tinh Plastic tăng cờng(G-FRP) sợi amid Thờng đặt tâm cáp có độ mềm dẻo cao(hoặc đặt phân tán vỏ cáp) a> Các cách đặt phần tư gia cêng lâi c¸p quang: 1 32 3 Hình 2.3: Cách đặt phÇn tư gia cêng 1.PhÇn tư gia cêng Lâi cáp ống đệm b> Các đặc tính phần tư gia cêng: Tỉng quan vỊ hƯ thèng th«ng tin quang Vật liệu Trọng Lợng riêng Modul đàn hồi kg/mm2 GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ ứng suất điểm uốn kg/mm2 Độ co dÃn điểm uốn % ứng suất điểm gẫy Độ giÃn điểm gÃy % kg/mm2 Dây thép 7,86 20.103 40-150 0,2-1,0 50-300 20-25 Sỵi Cacbon 1,5 1020.103 150-200 1,0-1,5 150-250 1,5 D©y thủ tinh Plastic 2,48 9.103 300 300 2,4 Sợi tơ (kevlar) 49 1,44 13.103 300 300 6.103 70 1,2 300 Sỵi tơ (Kevlar) 29 1,44 Bảng 2.2: Các đặc tính phần tử gia cờng 2.2.4 Các thành phần khác lõi cáp a> Các dây dẫn có cách điện: Các dây thành phần lõi cáp dùng để truyền kênh nghiệp vụ để phát thấm nớc vào cáp cấp nguồn từ xa nhng có mặt dây gây nhợc điểm cho cáp tựơng cảm ứng điện từ dây cao áp sét b> Các lớp đệm lót đợc sử dụng để bảo vệ lõi cáp từ lực nén xuyên tâm: vật liệu Plastic quấn hình trôn ốc quanh lõi cáp c> Các băng quấn quanh lõi cáp : Các băng có hai chức năng: - Liên kết thành phần lõi cáp với - Tạo lớp ngăn nhiệt bị nóng phồng d> Một số phận để bơm không khí khô để chống ẩm vào chống nớc e> Chất độn làm đầy để bảo vệ lõi cáp không bị ẩm thấm vào chống nớc ngấm dọc cáp vỏ cáp bị thủng Nó có tác dụng ổn định hoá học không tạo khí Hyđrôgen.Chất độn chủ yếu nằm vỏ cáp có lõi cáp 2.3 Phân loại sợi quang Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Cáp cống phải chụi lực kéo chống vặn cáp kéo vào cống Cáp phải nhẹ để lắp đặt tuyến có cự ly dài mềm mại tránh dủi lắp đặt Vỏ cáp chọn cho tự có khả giảm ma sát đến mức tối thiểu để kéo đặt cống dễ dàng thờng vỏ PE 2.6.3 Cáp chôn trực tiếp: Là loại cáp đợc đặt dới đất độ sâu cách mặt đất từ 0,5m đến 0,9m Khi thi công phải đào rÃnh để đặt cáp sau phủ đất lên Loại cáp cần có lớp vỏ sắt để bảo vệ đề phòng bị đào bới vào cáp Lớp vỏ sắt gồm vỏ thép băng thép giống nh cáp đồng thông thờng Ngoài cïng cã líp vá PE phđ lªn líp vá thÐp 2.6.4 Cáp nhà vợt: Cáp nhà loại cáp có sợi có cấu trúc chặt đờng kính cáp nhỏ mềm mại chống va đập, dễ nối Có khả chống gậm nhấm chống xây xát Cáp vợt nhà cao tầng loại cáp nhà (có thể sử dụng loại cáp tự treo) Cáp nhà cáp vợt phải dính sát tờng nhà cao tầng vỏ cáp phải đợc chế tạo chất không bắt lửa không tạo độc khói đen TIGHT JACKETED FIBERARAMID FIBER STRENGTHMEMBER STRENGTH MEMBER Pvc sheath FIBERS PVC SHEATH 2,5mm FLAT UNDER CARPET CABLE SINGLE FIBER CABLE H×nh 2.8: Cáp nhà cáp vợt 2.6.5 Cáp thả dới nớc: a> Cáp thả dới nớc loại cáp thả qua ao, hồ, sông ngòi đồng ruộng hoang cã níc s©u Tỉng quan vỊ hƯ thèng thông tin quang b> GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Loại cáp phải đáp ứng đợc yêu cầu sau: Vỏ cáp phải đợc gia cờng chịu đợc sức kéo đứt dòng nớc chẩy, chống ăn mòn vỏ cáp kéo lắp đặt Chống ẩm chống thấm nớc vùng có áp xuất cực đại, chèng thÊm däc c¸p  Chơi lùc Ðp tÜnh cao, chịu đựng va chạm 2.6.6 Cáp thả biển: Cáp quang thả biển phải có suy hao bé, băng tần rộng để đạt đợc đoạn lặp cực đại Vì phải sử dụng sợi đơn mode Tuyến cáp quang thả biển phải có độ tin cậy cao, đặc tính học truyền dẫn phải ổn định thời gian không 25 năm Cáp quang thả biển phải có cấu trúc nh hình vẽ dới Hai lớp dây sắt gần tâm đóng vai trò phần tử gia cờng để chống lại lực kéo lực ép nớc Các ống kim loại đồng nhôm phía phía để ngăn nớc làm dây dẫn cấp nguồn cho cáp trạm lặp Điện trở chiều ống dÉn kho¶ng 0,7/Km ARMOURING PLASTIC SHEATH POLYETHYLENE INSULATING SHEATH SLOTTED CORE (METALLIC OR NOT) TIGHT FIBER CENTRAL WIRE FIBER METALLIC TUBE METALLIC TUBE STRENGTH MEMBER METAL RIBBON WATER BLOCKING COMPOUMD STEEL WIRES Hình 2.9:26mm Cáp thả biển.PLASTIC SHEATH Vỏ bọc bên PE phải vững để bảo vệ cáp có khả cách điện cao có cấp nguồn cao áp Đối với cáp cần bảo vệ đặc biệt sợi thép vỏ sắt phải có thêm lớp vỏ plastic Các sợi quang có tới 12 sợi đơn mode Hai giải pháp đợc sử dụng: sợi đợc bọc soắn xung quanh sợi gia cờng trung tâm đặt chất độn plastic cao su silicon, sợi lỏng đặt lõi có khe đợc làm đầy dầu thích hợp + Cáp thả biển phải đáp ứng đợc yêu cầu sau: Tổng quan hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Có đủ sức chụi đựng lực căng đảm bảo cho sợi bị kéo căng lắp đặt nằm dới đáy biển sâu bị cá mập công vùng nớc nóng Trong trờng hợp thứ hai cáp phải có vỏ sắt lực căng thông thờng cáp vỏ sắt 10.000 kg Chống lại áp suất nớc độ sâu đà quy định Hầu hết cáp thả biển đợc thiết kế để đặt độ sâu cực đại 8.000m Trọng lợng nớc: Tham số ảnh hởng đến độ căng cáp lắp đặt Cáp vỏ sắt trọng lợng khoảng 0,5 kg/m khoảng nửa trọng lợng không khí 2.7 Cấu tạo loại cáp quang 2.7.1 Cáp xoắn có sợi đệm chặt: Các loại cáPhòng có sợi đệm chặt hình 2.10 Hình 2.10: Cáp xoắn có sợi đệm chặt Các loại cáp có sợi đệm chặt: Ưu điểm lớn loại cáp đờng kính lõi cáp bé kể số lợng cáp nhiều dễ dàng phân biệt đợc sợi Trong loại cáp phải thiết kế phần tử gia cờng cẩn thận để bảo đảm cho sợi chịu lực kéo cáp đột ngột để lắp đặt Sợi bên cáp đợc mà mầu thích hợp để rễ nhận biết Thờng sợi trong khối có mà mầu khác mà mầu theo phơng pháp chØ