Đo lường thông tin cáp sợi quang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: ĐÀO THỊ HẰNG Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUN – 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Nơi công tác Cơ sở đào tạo Chuyên ngành Khóa học : : : : : : : Đào Thị Hằng Ngày 05 tháng 08 năm 1980 Ninh Bình Trƣờng Đại Học SPKT Nam Định Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Kỹ thuật điện tử K13 - KTĐT TÊN ĐỀ TÀI: ĐO LƢỜNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên Ngày giao đề tài: / / Ngày hoàn thành: ./ / GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Lại Khắc Lãi Đào Thị Hằng BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đào Thị Hằng Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật điện tử - Trƣờng ĐHKTCN Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài: “Đo lƣờng thông tin cáp sợi quang” thực với hƣớng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi Đây chép cá nhân, tổ chức Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung mà tơi trình bày luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Học viên Đào Thị Hằng Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập làm luận văn tốt nghiệp, em nhận đƣợc giúp đỡ tận tình thầy giáo, giáo môn Điện tử viễn thông - Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, cô giáo khoa Sau đại học, đặc biệt thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em thời gian thực đề tài này, xin cảm ơn giúp đỡ, động viên gia đình, bạn bè, đồng nghiệp suốt thời gian qua Mặc dù cố gắng thân, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế nên tránh đƣợc thiếu sót Vì vậy, em mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Đào Thị Hằng Soá hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 1.1 Sự suy hao sợi quang 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Các nguyên nhân gây suy hao sợi quang 1.1.3 Đặc tuyến suy hao sợi quang: 1.2 Tán xạ sợi quang 10 1.2.1 Hiện tƣợng, nguyên nhân ảnh hƣởng tán xạ 10 1.2.2 Mối quan hệ tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn tốc độ truyền dẫn 11 1.2.3 Các loại tán xạ 13 1.2.4 Ảnh hƣởng trộn mode vào tán xạ mode sợi đa mode: 27 1.2.5 Nhận xét: 29 1.3 Đƣờng kính trƣờng mode 30 1.3.1 Sự phân bố công suất trƣờng gần (near – field): 31 1.3.2 Sự phân bố trƣờng trƣờng xa ( Far – field ): 32 1.4 Bƣớc sóng cắt 33 33 1.4.2 C¸c phơ thc cđa b-íc sãng c¾t 37 1.5 Các thông số hình học .36 1.6 Các yêu cầu kỹ thuật cáp quang .37 1.7 Kết luận chƣơng .38 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRÊN SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 39 2.1 Đo suy hao sợi quang 39 2.1.1 Đo suy hao theo phƣơng pháp hai điểm: 39 2.1.2 Đo suy hao theo phƣơng pháp đo tán xạ ngƣợc (Backscattering) 41 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ iv 2.2 Quy trình đo thử hệ thống cáp quang 45 2.2.1 Mục đính đo thử: 45 2.2.2 Các loại công tác đo thử: 46 2.2.3 Các phép đo: 46 2.3 Kết luận chƣơng .51 CHƢƠNG 3: ĐO SUY HAO BẰNG THIẾT BỊ OTDR 53 3.1 Thiết bị OTDR 53 3.1.1 Nguyên lý hoạt động sơ đồ tổng quát máy đo OTDR 53 3.1.2 Các thông số chính: 58 3.1.3 Các ứng dụng máy đo quang dội OTDR: 60 3.2 Định giá sai số đo lƣờng .65 3.2.1 Nguyên nhân phân loại sai số đo lƣờng 65 3.2.2 Sai số tuyệt đối sai số tƣơng đối 67 3.2.3 Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số 68 3.2.4 Tiêu chuẩn đánh giá độ xác kết đo lƣờng 70 3.3 Các nguyên nhân gây sai số đo cự ly sợi quang 73 3.3.1 Ảnh hƣởng số chiết quang đến phép đo 73 3.3.2 Ảnh hƣởng độ rộng xung phát dải động OTDR 73 3.3.3 Ảnh hƣởng đặt vị trí trỏ hình thiết bị OTDR 74 3.3.4 Ảnh hƣởng xếp sợi quang cáp 75 3.3.5 Ảnh hƣởng sơ đồ hồn cơng xác định khoảng cách cáp 76 3.4 Đo thực nghiệm thiết bị OTDR 77 3.4.1 Kết thực nghiệm đo đạc thiết bị OTDR MW910C 77 3.4.2 Đánh giá kết 100 3.5 Kết luận chƣơng .100 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 Soá hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Suy hao hấp thụ vùng cực tím hồng ngoại Hình.1.2: Độ hấp thụ ion OH( với nồng độ 10-6 ) Hình 1.3 Suy hao tán xạ Rayleigh Hình 1.4 Suy hao ảnh hƣởng uốn cong vi uốn cong sợi quang Hình 1.5 Suy hao uốn cog thay đổi theo bán kính R Hình 1.6 Suy hao mối hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi Hình 1.7 Suy hao hàn nối yếu tố Hình 1.8 Suy hao hàn nối chênh lệch thông số sợi Hình 1.9 Độ suy hao chênh lệch đƣờng kính chiết suất Hình 1.10 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất ghép quang Hình 1.11 Đặc tuyến suy hao sợi đơn mode 10 Hình 1.12 Ảnh hƣởng tán xạ lên tín hiệu digital (a) analog (b) 11 Hình 1.13 Hàm truyền đạt biên độ sợi quang 12 Hình 1.14 Phổ xạ LED LD 13 Hình 1.15 Hệ số tán xạ vật liệu vật liệu 15 Hình 1.16 Sự phân bố lƣợng ánh sáng bƣớc sóng khác 18 Hình 1.17 So sánh tia dài tia ngắn sợi SI 19 Hình 1.18 Sự phụ thuộc tham số mặt cắt vào bƣớc sóng .22 23 Hình 1.20 Tán sắc tổng cộng sợi quang đơn mode 24 Hình 1.21 Tán sắc sắc thể số loại sợi 26 Hình 1.22 Sự thay đổi đƣờng tia sáng .27 Hình 1.23 Sự phụ thuộc tán xạ mode vào trộn mode 28 Hình 1.24 Quan hệ Bm độ dài L .29 Hình 1.25 Sự phân bố trƣờng mode 30 Hình 1.26 Sự phân bố trƣờng mode .31 Hình 1.27 Phân bố công suất trƣờng gần .32 Hình 1.28 Phân bố cơng suất trƣờng xa .32 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ vi Hình 1.29 Bƣớc sóng cắt hàm độ dài sợi 35 Hình 1.30 B-ớc sóng cắt C tùy thuộc vào: (a) bán kính uốn cong; (b) chiều dài sợi 35 Hỡnh 1.31 Dạng hình học sợi quang 36 Hình 2.1 Đo suy hao theo phƣơng pháp cắt sợi 39 Hình 2.2 Đo suy hao theo phƣơng pháp xen thêm suy hao 40 Hình 2.3 Phản xạ cuối sợi 42 Hình 2.4 Sự truyền tia tán xạ ngƣợc 43 Hình 2.5 Nguyên lý đo phản xạ tán xạ ngƣợc 44 Hình 2.6 Sự thay đổi công suất quang theo chiều dài 45 Hình 2.7 Phản xạ khớp nối 47 Hình 2.8 Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn giá ODF 47 Hình 2.9 Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn măng xông 48 Hình 2.10 Sơ đồ đo suy hao tuyến cáp 50 Hình 2.11 Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao tồn trình 50 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát máy đo OTDR 54 Hình 3.2 Cơng suất phản xạ sợi đồng .55 Hình 3.3 Sự biến thiên công suất phản xạ qua chƣớng ngại vật khác .55 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố công suất quang máy OTDR .60 Hình 3.5 Đồ thị phân bố suy hao tuyến 61 Hình 3.6 Xác định chỗ bị đứt cách dùng OTDR đo từ hai phía 62 Hình 3.7 Suy hao mối hàn khớp nối 63 Hình 3.8 Suy hao mối hàn đo theo hai chiều 63 Hình 3.9 Dùng OTDR để đo suy hao mối hàn theo hai chiều 64 Hình 3.10 Kiểm tra thứ tự mối hàn OTDR 64 Hình 3.11 Biểu đồ phân bố tần suất .69 Hình 3.12 Giản đồ v theo x 69 Hình 3.13 Giản đồ phân bố cung sin hay quy luật phân bố tam giác 69 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Ngày hệ thống thông tin phát triển mạnh hũ bão, để đáp ứng phần bùng nổ thơng tin tồn giới Các mạng thơng tin đại có cấu trúc điển hình gồm nút mạng tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn khác cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh… Nhu cầu thơng tin ngày tăng, địi hỏi số lượng kênh truyền dẫn lớn, song hệ thống truyền dẫn kể không tổ chức nguồn kênh cực lớn Một số nước giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang chiếm đa số toàn hệ thống truyền dẫn Xu hướng ngành Viễn thơng giới cáp quang hóa hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, đường truyền dẫn quốc tế Đối với Việt Nam chúng ta, với sách thẳng vào cơng nghệ đại, năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam hồn thành số hóa mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang Quốc Gia 2,5Gb/s với cấu hình ring Trong giai đoạn nay, Ngành chủ trương cáp quang hóa mạng thơng tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… ưu điểm siêu việt cáp sợi quang Thành phần hệ thống truyền dẫn quang sợi dẫn quang chế tạo thành cáp sợi quang Sợi quang với thơng số định đặc tính truyền dẫn tuyến Do đó, địi hỏi phải xác định xác thơng số Thơng thường, thơng số sợi quang xác định nhà sản xuất Tuy nhiên sử dụng nó, thi cơng, lắp đặt, sử dụng… ta cần đo đạc lại thông số cần thiết cho tuyến cáp sợi quang như: Suy hao tồn tuyến, suy hao trung bình, suy hao hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách cuộn cáp sử dụng, khoảng cách tồn tuyến, … Trong đó, quan trọng phải xác định cách tương đối xác cố sảy tuyến Một phương pháp để xác định thông số sử dụng rộng rãi sử dụng thiết bị OTDR để đo Trong luận văn này, nêu phương pháp đo, giới thiệu phương thức đo OTDR, đồng thời nêu yếu tố ảnh hưởng đến sai số phép đo Với thời gian có hạn, kiến thức cịn hạn hẹp, luận văn cịn có nhiều thiếu sót, mong đóng góp thày giáo Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 1.1 SỰ SUY HAO CỦA SỢI QUANG 1.1.1 Định nghĩa Công suất quang truyền sợi giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ tƣơng tự nhƣ tín hiệu điện Biểu thức tổng quát hàm số truyền cơng suất có dạng: P L P x10 L 10 (1.1) Trong : P(0): Cơng suất đầu sợi (L = 0) P(L): Công suất cự ly L (Km) tính từ đầu sợi : Hệ số suy hao Công suất quang truyền sợi quang Độ suy hao sợi đƣợc tính bởi: A(dB) =10lg Trong : P1 P2 (1.2) P1 = P(0) : Công suất đƣa vào đầu sợi P2 P( L) : Công suất cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: ( dB / Km ) Trong : A(dB) L( Km ) (1.3) A: suy hao sợi L: chiều dài sợi 1.1.2 Các nguyên nhân gây suy hao sợi quang Các kết nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền sợi bị thất thoát hấp thụ, tán xạ ánh sáng khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong Ngồi ra, cịn kể thêm suy hao hàn nối hiệu suất ghép quang Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 88 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 89 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 90 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 91 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 92 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 93 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 94 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 95 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 96 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 97 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 98 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 99 Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 100 3.4.2 Đánh giá kết Phân tích kết đo: - Thông số đặt cho máy đo: Wavelength (nm): 1310, khoảng cách 20km, Pusle (ns): 100, thời gian đo 20s - Sợi Total loss 3.766 dB -> suy hao tổng tuyến 3.766dB - Chiều dài tuyến cáp: 11.632 km - Viettel cho phép suy hao km 0.3dB, suy hao mối hàn 0,22dB - Vậy sợi cáp đo đƣợc suy hao tổng 3.766dB nằm giới hạn cho phép nên sợi số đạt yêu cầu Tƣơng tự sợi từ 2-22 (trừ sợi 23, 24 sử dụng) Sợi số 5, không đạt suy hao tổng tuyến vƣợt ngƣỡng cho phép, sợi khác đạt yêu cầu 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Máy đo OTDT công cụ đo thiếu đƣợc hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang Nguyên lý hoạt động máy dựa nguyên lý đo phản xạ tán xạ ngƣợc Các ứng dụng máy là: Đo suy hao mối hàn, khớp nối suy hao toàn tuyến, xác định thứ tự mối hàn, chỗ sợi bị đứt đo chiều dài sợi… Hiện giới có nhiều hãng sản xuất máy đo đại, nhƣng sử dụng máy để đo có sai số Các sai số chủ yếu cài đặt thông số máy kỹ đo đạc ngƣời sử dụng Khi sử dụng máy cần ý đến độ rộng xung phát, dải động “vùng chết” cảu máy Sử dụng máy thục, có nhiều kinh nghiệm đo đạc giúp ta tốn thời gian để khắc phục cố, giảm bớt thiệt hại thông tin liên lạc Trong chƣơng khảo sát đo thực nghiệm OTDR tuyến cáp quang Nho Quan – Ninh Bình đánh giá kết đo đƣợc Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 101 KẾT LUẬN Hiện nay, thơng tin quang trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lƣới viễn thông Một lần nữa, khẳng định đƣợc vai trị khơng thể thiếu đƣợc sợi quang, đƣợc ứng dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống xã hội nhƣ: Trong dân dụng (dùng trang trí ánh sáng…), điện tử cơng nghiệp, y tế (Máy nội soi sợi quang…), viễn thông, truyền hình… Trong ngành Bƣu điện Việt Nam sử dụng sợi quang hệ thống truyền dẫn cáp quang hóa mạng lƣới truyền dẫn tồn quốc Cáp sợi quang đời làm thay đổi hẳn hệ thống truyền dẫn viễn thơng có nhiều ƣu điểm: Một hệ thống truyền dẫn sử dụng cáp sợi quang có cự ly xa, dung lƣợng lớn đáp ứng nhu cầu sử dụng mạng viễn thông đại Toàn nội dung luận văn nêu thông số sợi quang, số phƣơng pháp đo thông số thi công lắp đặt, kiểm tra, nghiệm thu, đánh giá… dễ dàng bảo dƣỡng, sửa chữa có cố hỏng hóc xảy Một phƣơng tiện kiểm tra, thiết bị OTDR Do q trình đo OTDR thực đƣợc đầu sợi mà không cần phải cắt sợi nên đƣợc sử dụng rộng rãi tuyến cáp sợi quang đƣợc lắp đặt để đo suy hao tuyến cáp, suy hao trung bình, suy hao mối hàn xác định hỏng hóc sợi Để tránh sai số đo OTDR, cần phải nắm vững đƣợc phép đo nguyên nhân sảy số đo, nhằm loại trừ sai số Cuối lần nữa, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lại Khắc Lãi, ngƣời tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thày giáo Khoa Sau đại học, thày cô trực tiếp giảng dạy, anh chị trung tâm Viễn Thơng Ninh Bình giúp em có thêm kiến thức để hồn thành đƣợc luận văn Với thời gian nghiên cứu tìm hiểu có hạn, luận văn nhiều hạn chế nhiều vấn đề chƣa đề cập đến Em mong nhận đƣợc quan tâm bảo thầy cô bạn khác quan tâm đến đề tài để đƣợc hoàn thiện Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trần Đức Hân, PGS.TS Nguyễn Minh Hiến, "Cơ sở kỹ thuật Laser", NXB GD, 1999 [2] Trần Tuấn, Lê Văn Hiếu, "Hiệu ứng quang học phi tuyến ', NXB đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2004 [3] Vũ Văn San, "Kỹ thuật thông tin quang", NXB khoa học kỹ thuật, 1997 [4] Tổng cơng ty Bƣu Viễn thơng Việt Nam “Kỹ thuật thông tin quang” [5] Phùng Văn Vận, “Hệ thống thông tin sợi quang”, 2002 [6] Bùi Đức Tiến, “ Sai số đo đạc”,1975 [7] TCN 68 – 160:1996 TCBĐ, “ Cáp sợi quang – yêu cầu kỹ thuật” [8] Gerd Keiser, “ Optical Fiber Communication”, 1991 [9] Frerd C.Allard, “Fiber Optíc Handbook”, 1990 [10] Một số tài liệu tạp chí khác Số hóa Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/