hệ thống thông tin sợi quang

ĐH CÔNG NGHIỆP TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ *** *** ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH SVTH : Lê Thành Hiếu 08902211 Lê Duy Đạo 08902191 Lớp: DHDT4TN Khoá: 2008 – 2012 Ngành học: Điện Tử - Viễn Thông Tên đề tài: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Ngày giao đồ án:……/ /2012 Ngày nộp đồ án: 2/7/2012 Ngày 2 tháng 7 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn LÊ VĂN HÙNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Điểm: (bằng chữ ……………… ) Ngày 2 tháng 7 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn Giảng Viên: LÊ VĂN HÙNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Điểm: (bằng chữ ……………… ) Ngày 2 tháng 7 năm 2012 Giáo viên phản biện Hệ Thống Thông Tin Quang LỜI NÓI ĐẦU Gắn liền với sự phát triển của nhân loại thông tin liên lạc đã trở nên hết sức quan trọng, nó không thể thiếu được trong đời sống của con người và phát triển của xã hội. Để đáp ứng được nhu cầu của con người ngày càng cao. Thông tin quang ra đời và phát triển với nhịp độ rất nhanh trở thành hệ thống có những tính năng ưu việt vượt bậc hơn hẳn những hệ thống thông tin hữu tuyến trước nó. Sự ra đời của thông tin quang cũng góp phần rất lớn vào sự hoàn thiện mạng lưới viễn thông. Với khả năng truyền dẫn lớn, tốc độ cao hàng chục (Gb/s), cự ly dài, suy hao nhỏ, không bị ảnh hưởng của sóng điện từ xuyên âm… thông tin quang đã giải thoát được những bế tắc trong quá trình nghiên cứu để tìm ra những giải pháp tối ưu cho mạng lưới viễn thông toàn cầu.Chính vì thế,em đã chọn đề tài “ Hệ thống thông tin sợi quang “ làm đề tài cho đồ án chuyên nghành . Đồ án gồm có 5 chương : CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHÁT VÀ THU QUANG CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN CHƯƠNG 5:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn có nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô chỉ bảo. Em Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử, bộ môn điện tử viễn thông, cùng Thầy giáo Lê Văn Hùng đã hướng dẫn cho em hoàn thành đề tài này. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 5 Hệ Thống Thông Tin Quang CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1 Khái niệm thông tin quang Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sángđược truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu. 1.2 Lịch sử phát triển của thông tin quang Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng màu săc thông qua đôi mắt. Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế thông tin đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đền hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền đẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết, để giải quyết vấn đề này người ta chế tạo ra máy điện báo vô tuyến để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau. Năm 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có độ tổn thất thấp (1000dB/km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có đọ suy hao truyền dẫn khooangr20dB/km. Từ 3 thành công rực rỡ này nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau đó giảm độ tổn thất xuống còn 0,18dB/kmcòn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm. Cụ thể lịch sử phát triển của thông tin quang như sau: • 1790 : claude chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang (optical telegraph). Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Thời ấy tin tức được truyền bằng hệ thống này vượt chặng đường 200 km trong vòng 15 phút. Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 6 Hệ Thống Thông Tin Quang • 1870 : John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong, thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay. • 1880 : Alexander Graham Bell, người Mỹ, giới thiệu hệ thống photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền được qua môi trường không khí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền. • 1934 : Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thủy tinh. • 1958 : Arthur Schawlow và Charles H.Townes, xây dựng và phát triển laser. • 1960 : Theodor H.Maiman đưa laser vào hoạt động thành công. • 1962 : Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận, vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp. • 1966 : Charles H.Kao và Gooeorge A.Hockham, hai kỹ sư phòng thí nghiệm Standard telecommunications của Anh, đề xuất việc dung thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thủy tinh thời ấy còn hạn chế nên suy hao của sợi quá lớn (suy hao xấp xỉ 1000 dB/km). • 1970 : Hãng Corning Glass works chế tạo thành công sợi quang loại si có suy hao nhỏ hơn 20dB/km ở bước sóng 633nm. • 1972 : Loại sợi Gi được chế tạo với độ suy hao 4dB/km. • 1983 : Sợi đơn mode (sm) được xuất xưởng ở Mỹ. • Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng lớn tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa nhau hàng trăm km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo. Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng phát hiện và xử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21. Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 7 Hệ Thống Thông Tin Quang 1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Dưới đây là cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang: Bộ biến đổi tín hiệu quang Điện quang lặp đường dây cáp quang cáp quang bộ biến đổi tín hiệu điện quang điện Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Bộ biến đổi điện – quang (E/O) biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền trong môi trường 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 quy luật của tín hiệu điện). Cáp quang: là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thủy tinh, sợi nhựa. Yêu cầu: tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ (không bị nhiễu). Bộ biến đổi quang – điện (O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu. Yêu cầu: Độ nhạy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ, tiêu thụ năng lượng điện ít. Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuếch đại. Tón hiệu đã được khuếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên cáp sợi quang. Đồ án chuyên nghành -ĐTVT Nguồn thu tín hiệu Nguồn phát tín hiệu O/E O/EE/OO/E 8 Hệ Thống Thông Tin Quang 1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng. Đặc biệt hiện nay sợi quang đã trở thành một phương tiện thông dụng cho nhiều yêu cầu truyền thông. Nó có những ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp truyền dẫn điện thông thường. Bên cạnh đó thì vẫn có một số nhược điểm. Cụ thể như sau: 1.4.1 Ưu điểm • Dung lượng lớn: Các sợi quang có khả năng truyền những lượng lớn thông tin. Với công nghệ hiện nay trên hai sợi quang có thể truyền được đồng thời khoảng 600 cuộc đàm thoại. Một cáp sợi quang có thể chứa được khoảng 200 sợi quang, sẽ tăng được dung lượng đường truyền lên 6000.000 cuộc đàm thoại. So với các phương tiện truyền dẫn bằng dây thông thường, một cáp gầm nhiều đôi dây có thể truyền được 500 cuộc đàm thoại, Một cáp đồng trục có khả năng với 10.000 cuộc đàm thoại và một tuyến viba có thể mang được 200 cuộc gọi đồng thời. • Kích thước và trọng lượng nhỏ: So với cáp đồng có cùng dung lượng, cáp sợi quang có đường kính nhỏ hơn và khối lượng nhẹ hơn nhiều. • Không bị nhiễm điện: Truyền dẫn bằng sợi quang không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ hay nhiễu tàn số vô tuyến và nó không tạo ra bất ký sựu nhiễu nội tại nào. Các công ty điện lực sử dụng cáp qaung dọc theo các đường dây điện cao thế để cung cấp đường thông tin rõ ràng giữa các trạm biến áp. Cáp sợi quang cũng không bị xuyên âm. Thậm chí ánh sáng bị bức xạ ra từ một sợi quang thì nó không thể xâm nhập vào sợi quang khác được. • Tính cách điện: sợi quang là một vật cách điện. Cáp sợi quang làm bằng chất điện môi thích hợp không chứa vật dẫn điện và cho phép cách điện hoàn toàn cho nhiều ứng dụng. Nó có thể loại bỏ được nhiễu gây bởi các dòng điện chạy vòng dưới đất hay những trường hợp nguy hiểm gây bởi sựu phóng điện trên các đường dây thông tin như sét đánh hay những trục trặc về điện. Đây thực sự là một phương tiện an toàn thường được dùng ở nơi cần cách điện. Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 9 Hệ Thống Thông Tin Quang • Tính bảo mật: Sợi quang cung cấp độ bảo mật thông tin cao. Một sợi quang không thể bị trích lấy trộm thông tin bằng các phươn tiện điện thông thường như sự dẫn điện trên bề mặt hay cảm ứng điện từ, và rất khó trích để lấy thông tin dưới dạng tín hiệu quang. Các tia sáng truyền ở tâm sợi quang và rất ít hoặc không có tia nào thoát khỏi sợi quang. Thậm chí nếu đã trích vào sợi quang được rồi thì nó có thể bị phát hiện nhờ kiểm tra công suất ánh sáng thu được tại đầu cuối. Trong khi các tín hiệu vệ tinh hay viba có thể dễ dàng thu và giải mã được. • Độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng: sợi quang là một phương tiện truyền dẫn đồng nhất và không gây ra hiện tượng phading. Những tuyến cáp quang được thiết kế thích hợp để có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và có thể hoạt động được ở dưới nước. Sợi quang có thời gian hoạt động lâu, ước tính trên 30 năm với một số cáp. Yêu cầu về bảo dưỡng đối với một hệ thống cáp quang là ít hơn so với yêu cầu của một hệ thống thông thường do cần ít bộ lặp điện hơn trong tuyến thông tin; trong cáp không có dây đồng(yếu tố có thể bị mòn dần và gây ra hện tượng lúc có lúc mất tín hiệu); cáp quang cũng không bị ảnh hưởng bởi sựu ngắn mạch, sựu tăng vọt về điện áp nguồn hay tĩnh điện. • Tính linh hoạt các hệ thống thông tin quang đề khả dụng cho hầu hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video. Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V35, Ethernet, ARCnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp và còn nhiều nữa. • Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát qaung còn hệ thống cáp sợi quang vẫn có thể giữ nguyên. • Sự tái tạo tín hiệu: công nghệ ngày nay cho phép thực hiện những đường truyền thông bằng cáp quang dài trên 70km trước khi cần tái tạo tín hiệu, khoảng cách này còn có thể tăng lên 150km nhờ sử dụng các bộ khuếch đại laze. Trong tương lai, công nghệ có thể mở rộng khoảng cách dài hơn nữa. chi phí tiết kiệm được sử dụng ít các bộ lọc trung gian và việc bảo dưỡng có thể là Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 10 [...]... việc ghép giữa các sợi dẫn quang và LED dễ dàng và cho công suất phát ra từ đầu sợi lớn Thời gian đầu, khi công nghệ thông tin quang chưa được phổ biến, điốt phát quang thường dùng cho các sợi quang đa mode Nhưng chỉ sau đó một thời gian ngắn, khi mà các hệ thống thông tin quang phát triển khá rộng rãi, các sợi dẫn quang đơn mode được đưa vào sử dụng trong các hệ thống thông tin quang thì LED cũng... vệ sợi quang từ những tác động va đập và độ cong quá mức • Vỏ ngoài: vỏ ngoài bao phủ lên sợi quang Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 14 Hệ Thống Thông Tin Quang 1 Phân loại sợi quang 2 2.1 Theo chiết suất của lõi Có 5 loại: • Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI • Sợi quang có chiết suất giảm dần GI • Sợi quang giảm chiết suất lớp bọc • Sợi quang dịch tán sắc DSF (Dispertion – Shifted fiber) • Sợi quang san... Các hệ thống thông tin quang thường là có tốc độ rất cao, hiện nay nhiều hệ thống thông tin quang có tốc độ 2.5Gbit/s đến 5Gbit/s đã được đưa vào khai thác Băng tần của hệ thống thông tin quang đòi hỏi khá lớn, như vậy các LD phun sẽ phù hợp hơn là các điốt phát quang LED Các LD thông thường có thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1ns, độ rộng phổ trung bình từ 1nm đến 2 nm và nhỏ hơn, công suất ghép vào sợi quang. .. nối sợi Có thể giảm được nhiễu phản xạ khi dùng các bộ cách ly quang giữa LD và sợi dẫn quang Kết luận: Nguồn phát quang đóng một vai trò rất quan trọng đối với hệ thống thông tin quang, ở phần này ta quan tâm chủ yếu đến LD, Laser đơn mode Từ đó, ta có thể lựa chọn nguồn phát sao cho phù hợp với hệ thống 3.3 Thiết bị thu quang Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 30 Hệ Thống Thông Tin Quang Thiết bị thu quang. . .Hệ Thống Thông Tin Quang khá lớn Ngược lại, các hệ thống cáp điện thông thường cứ vài km có thể đã cần một bộ lặp 1.4.2 Nhược điểm • Hàn nối khó khăn hơn cáp kim loại, muốn hàn cáp quang phải sử dụng máy hàn chuyên dụng Do cáp quang thẳng và láng bóng nên yêu cầu chất lượng mối hàn rất cao • Giòn, dễ gẫy: sợi quang sử dụng trong viễn thông được chết tạo từ thủy tinh • nên giòn và dễ gẫy Nếu hệ thống. .. anpha khác nhau  - Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang: Hình 3.4.1 Ánh sáng truyền trong sợi quang MM-GI n2 n2 Hình 3.4.2 Ánh sáng truyền trong sợi quang MM_SI n2 n2 n1 Hình 3.4.3 Ánh sáng truyền trong sợi quang SM n2 n2 n1 2.4 Tán sắc Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 20 Hệ Thống Thông Tin Quang Tán sắc là sự giãn rộng xung tín hiệu khi truyền dẫn trên sợi quang gây nên méo dạng tín hiệu làm bên thu khó... giúp ta hiểu thêm về những đặc tính kỹ thuật của sợi quang và cáp quang Để ứng dụng quang trong hệ thống thông tin thì sợi quang phải được bọc thành cáp Với các môi trường khác nhau thì cấu trúc của cáp quang cũng khác nhau để phù hợp với nhu cầu thưc tế Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng tốt của hệ thống thì các thiết bị phát quang cũng như các thiết bị thu quang cũng góp một phần rất quan trọng và phần... số và ánh sáng phát ra giảm đi 3.2.2 Điode LED Điốt phát quang LED là nguồn phát quang rất phù hợp cho các hệ thống thông tin quang tốc độ không quá 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode Để sử dụng tốt cho hệ thống thông tin quang, LED phải có công suất bức xạ cao, thời gian đáp ứng nhanh và hiệu suất lượng tử cao Sự bức xạ của nó là công suất quang phát xạ theo góc trên một đơn vị diện tích của bề... trên hệ thống thông tin quang hay bị lỗi tín hiệu khi chuyển đổi quang – điện và điện – quang • Thiết bị thu phát quang đắt đỏ • Vấn đề an toàn lao động khi hàn nối cáp quang cũng cần hết sức chú ý Vì khi hàn nối sợi quang cần để các mảnh cắt vào lọ kín để tránh đâm vào tay, vì không có phương tiện nào có thể phát hiện mảnh thủy tinh trong cơ thể Ngoài ra, không được nhìn trực diện vào đầu sợi quang. .. tốc dựa trên công nghệ cáp quang FTTH Với dịch vụ này, các nhu cầu về truyền tải dữ liệu, truy nhập tốc độ cao với băng thông rộng được đáp ứng một cách hoàn hảo và chi phí hợp lý Đây là công nghệ tiên tiến hiện nay và đang được các quốc gia trên thế giới tin dùng, như Hàn Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ,… Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 13 Hệ Thống Thông Tin Quang CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.1 Giới thiệu . Quang CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1 Khái niệm thông tin quang Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng. điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21. Đồ án chuyên nghành -ĐTVT 7 Hệ Thống Thông Tin Quang 1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin quang Dưới đây là cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang: Bộ biến. hiệu O/E O/EE/OO/E 8 Hệ Thống Thông Tin Quang 1.4 Ưu nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng. Đặc biệt hiện nay sợi