Ứng dụng công nghệ thông tin quang vào mạng hà nội

Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ viễn thông đà có bớc nhảy vọt kỳ diệu đa toàn xà hội loài ngời bớc sang kỷ nguyên kỷ nguyên thông tin Trong đó, phát triển mạnh mẽ công nghệ quang- điện tử, đà đa hệ thống thông tin cáp sợi quang chiếm u mạng thông tin quốc gia toàn cầu Hệ thống thông tin quang có u điểm bật độ linh hoạt băng tần lớn hơn, kinh tế v.v Mà linh kiện hệ thống truyền dẫn trớc đáp ứng đợc Để khai thác hết khả truyền dẫn cáp quang tốc độ cao băng tần rộng nên hệ thống thông tin quang sư dơng kü tht trun dÉn SDH thay cho kü thuËt PDH Nhê cã kü thuËt truyÒn dÉn SDH nên nhu cầu dịch vụ nh: truy cập từ xa, hội nghị truyền hình từ xa, đa dịch vụ (ISDN) v.v đợc đáp ứng cách dễ dàng Với mong muốn tìm hiểu vài khía cạnh kỹ thuật truyền thông tin cáp sợi quang sử dụng công nghệ SDH Đặc biệt chuyển đổi mạng quang Hà Nội từ mạng PDH sang mạng SDH, giới hạn đồ án em xin trình bày vấn đề sau đây: - TổNG QUAN Về MộT Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG - MạNG QUANG Hà NộI - THIếT Kế TUYếN THôNG TIN QUANG NộI HạT Em xin trân thành cám ơn thầy cô giáo trờng đặc biệt thầy giáo Nguyễn Quốc Trung đà tận tình hớng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Trong đồ án không tránh đợc sai sót, mong nhận đợc góp ý thầy cô bạn Xin chân thành cám ơn ! Giới thiệu tổng quát i.giới thiệu lịch sư ph¸t triĨn KĨ tõ ngêi biÕt sư dụng lửa để làm phơng tiện truyền thông tin xa đến nay, thông tin quang đà trải qua trình phát triển nh sau: Năm 1790: Claude Chope kỹ s ngời Pháp đà xây dựng hệ thống điện báo quang Thông tin truyền qua chặng đờng 15 phút đợc 200km Năm 1870: John Tyndall nhà Vật lý häc ngêi Anh, chøng tá ¸nh s¸ng cã thĨ truyền theo vòi nớc uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Năm 1880: Alexander Graham Bell ngêi Mü giíi thiƯu hƯ thèng photo phone tiÕng nãi, truyền ánh sáng môi trờng mà không khí không cần dây Năm 1934: Norman R.French, kỹ s ngời Mỹ phát môi trờng truyền dẫn hệ thống thông tin quang thuỷ tinh Năm 1958: Charles H Cao Geogge A.Hockhan hai kỹ s ngời Anh đà đề xuất dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng Năm 1970: Corning Glass Worlks chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao dới 20dB/km bớc sóng 653nm Năm 1972 : Sợi SI đợc chế tạo với độ suy hao 4dB/km Năm 1983: Sợi đơn mode SM đợc xuất xởng Mỹ Ngày sợi SM đợc sử dụng rộng rÃi, độ suy hao sợi khoảng 0,2dB/km bớc sóng 1550 II.sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn quang Sơ đồ khối hƯ thèng trun dÉn quang nh h×nh TÝn hiƯu Analog Digital, nhng dạng Digital ngày đợc dùng phổ biến Hình 1: Sơ đồ khèi cđa hƯ thèng trun dÉn quang TÝn hiƯu ®iƯn Mạch kích thích Nguồn quang Sợi quang L K thu quang KĐ Phục hồi tín hiệu Tín hiệu điện Thiết bị thu Th iết bị phát Nếu cự ly hai trạm đầu cuối xa thêm vài trạm lặp (tiếp vận) với sơ đồ hình Tín hiệu Thu quang điện KĐ Sửa dạng Phát quang Tín hiệu điện Hình 2: Sơ đồ khối trạm lắp Phần I Hệ thống thông tin quang Chơng Cơ sở quang học Trong hệ thống thông tin quang, thông tin đợc truyền tải ánh sáng Trong phần này, nghiên cứu tới đặc tính ánh sáng cần thiết để hiểu đợc lan truyền ánh sáng sợi quang nguyên lý dao động laser Ba vấn đề sau sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thông tin quang 1.Phổ sóng điện từ Chiết suất môi trờng 3.Hiện tợng phản xạ toàn phần I phổ sóng điện từ Các xạ điện từ nói chung có chất tự nhiên xem nh sóng hạt (photon) Tính chất sóng hạt bật vùng Đặc trng nguồn xạ điện từ dải phổ xạ nó, tức dải tần số dao động điện từ hay gọi sóng điện từ đợc sinh ra, dải bớc sóng tơng ứng Hai đại lợng tần số bớc sóng tỷ lệ với theo công thức: C(m/s)=(m).f(HZ) E(ev) = h.f Trong : C vận tốc ánh sáng chân không [ C=3.108 m/s ] H lµ h»ng sè Planck [ h=6,25.10-34J/s ] ánh sáng dùng thông tin quang vùng cận hồng ngoại với bớc sóng từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng 850nm, 1300nm 1550nm Hình 1-1: Các bớc sóng th«ng tin quang Tia v« tuyÕ n 1,6 1,4 1,5 Tia Rơnghe n Tia tử ngoại T ia hồng ngoại 1,3 1,2 1,1 900 800 700 600 Tia Tia Gamma Vũ trụ 500 400m ánh sáng nhìn thấy đ ợc ánh sánh thông tin quang Tím Đỏ Ta biết bớc sóng nhỏ tần số lớn mà tần số lớn độ suy hao lớn Song qua đặc tuyến suy hao sợi quang (hình 2-7) đặc biệt bớc sóng 1550nm độ suy hao dới 0,2dB/km Nh vấn đề suy hao đợc giải nên ba bớc sóng đợc dùng rộng rÃi mà đặc biệt bớc sóng 1550nm Cùng ta đà khai thác thêm đợc vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác đợc u điểm cáp sợi quang ii chiÕt st cđa m«i trêng ChiÕt st cđa m«i trờng đợc xác định tỷ số vận tốc ánh sáng chân không vận tốc ánh sáng môi trờng n= C V : n : ChiÕt st cđa m«i trêng V : VËn tốc ánh sáng môi trờng Mà C V nên n Chiết suất môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng truyền cho III Hiện tợng phản xạ ánh sáng toàn phần: Cho tia sáng đơn sắc từ môi trờng có chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng thø hai cã chiÕt suÊt n2 (n1t tia phản xạ mặt phân cách trở lại môi trờng Vậy muốn có phản xạ toàn phần cần cã hai ®iỊu kiƯn sau : - ChiÕt st n1 > n2 Góc tới lớn góc tới hạn Kết luận Từ ba vấn đề mà vừa nghiên cứu sở cho hệ thống thông tin quang từ việc chế tạo sợi quang nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang Từ đó, ta nhận thấy thông tin quang sở quang học tiền đề quan trọng Chơng Sợi quang i cấu tạo phân loại sợi quang 1.1Cấu tạo: Sợi quang đợc sản xuất vật liệu để truyền đợc ánh sáng nh: Sợi thuỷ tinh Sợi nhựa flour Vỏ Lõi dK dm Hình 2.1: Cấu tạo sợi quang Sợi quang cấu tạo gồm phần chính: - Một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính a, đờng kính dk lớp vỏ cịng lµ vËt liƯu dÉn quang bao xung quanh rt có chiết suất n (n1>n2) đờng kính dm Ngoài độ lệch chiết suất sợi quang: n = n1- n2 Và độ lệch tơng đối: 2 nn n1 −n2 n1 −n = = n1 n1 n1 = Hai tham số định đặc tuyến truyền dẫn sợi quang 1.2 Phân loại sợi quang: Các loại sợi quang phân chia theo nhiều cách khác nhng có hai loại phân loại sau chủ yếu: a Phân loại vào phơng pháp truyền sóng: * Sợi Đa - mode (Multi - Modes): MM Trong lõi sợi cáp có nhiều tia sáng đợc đồng thời truyền dẫn tới đờng khác gọi mode Loại MM có đờng kính dk = (25 100) mm * Sợi đơn mode (Single - Modes): SM b Phân loại theo số chiết suất: * Sợi có chiết suất phân bậc (Step - Index): SI Sợi có chiết suất lõi n1 luôn số đột biến bề mặt tiếp giáp lõi vỏ: n2 dm dK n1 Hình 2-2 * Sợi có chiết suất liên tục (Gradien - Index): GI Chiết suất lõi giảm từ tâm lõi vỏ lõi đột biến rại bề mặt tiếp xúc lõi vỏ n2 dm dK n1 Hình - Song trªn thùc tÕ ngêi ta thêng phân làm loại: Sợi đa mode có số khúc xạ phân bậc SI - MM (Stepindex MultiMode) Sợi đa mode có số khúc xạ liên tục GI - MM (GradienIndex Multimode) Sợi đơn mode có số khúc xạ phân bậc SI - SM (StepIndex SingleMode) S I - MM Xung vµo Xung GI - MM H×nh 2Xung – 4: 4: MM(a), GI – 4: MM(b), SI 4: vào Các loại sợi quang SI 4:Xung SM(c) biến thiên số khúc xạ theo bán kính sợi Sự biến thiên chiết suất sợi biểu thị qua công thức sau: SI - SM r Δn( )g [ 1−2 vµo n(r )=¿ [nXung a [n √ [|r|a Víi Trong trờng hợp nhỏ công thức cho sợi GI, g 10 đà đợc coi sợi SI n(r) n1 tức ta có sợi SI Trong thực tế g Trong thông tin đờng dài sợi GI có g có đặc tính truyền dẫn tốt nên thờng đợc chọn sử dụng g3 Thông thờng tiêu chuẩn kích thớc loại sợi quang đợc quốc gia qui định đợc tiêu chuẩn hoá quốc tế - Sợi SI - MM: Là loại sợi có chiết suất lõi không đổi Đờng kính lõi 50 μmm ( ±3μmm ) §êng kinh vá dm = 125 mm ( 3mm ) - Sơi GI -MM: Là loại sợi có chiết suât lõi giảm dần Đờng kính lõi 50 mm ( 3mm ) Đờng kinh vỏ dm = 125 mm ( 3mm ) - Sợi đơn mode: Cã dm = 125 μmm §êng kÝnh lâi dk = ( 8ữ10 ) mm , sợi SI -MM thực tế loại dùng suy hao lớn, sợi GI - MM đợc dùng tuyến cự li ngắn trung bình với tốc độ số liệu khoảng vài trục Mbit/s, sợi mode thờng đợc dùng tuyến đờng trục tốc độ cao III Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang: Nguyên lí truyền sóng ánh sáng sợi cáp để ánh sáng truyền từ đầu sợi đến cuối sợi quang không bị lớp vỏ phải dựa vào tợng phản xạ ánh sáng toàn phần Nh phần nói tợng phản xạ toàn phần (III, Chơng I) đà trình bày điều kiện để xảy tợng phản xạ toàn phần là: + n1 > n2 + Gãc tíi lín h¬n gãc tíi hạn Do đặc điểm cấu tạo sợi quang ®· cã ®iỊu kiƯn lµ n1 > n2 VËy chØ điều kiện góc tới t phải lớn góc tới hạn th (t >th) Nên ngời ta đa khái niệm gọi độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa khả ghép luồng xạ quang vào sợi áp dụng công thức : Snelious để tính N: n2 t n0 th n1 H×nh - n0Sinth=n1.Sin (n0=1 : chiÕt st cđa kh«ng khÝ)  1.Sinth=n1.Sin=n1Cos1 (Sin=Sin(900-t)=Cost) √ Cos α t =√ 1−Sin α t = 1− √√ Δn= n21 = n22 −n21 n1 n22 −n12=n Δn ⇒ Sin α th =n1 1− ⇒ NA =Sin α th = n22 n22 √ √ n21 −n22 2 n1 Víi gäi độ lệch chiết suất tơng đối Vậy điều kiện để đạt đợc tợng phản xạ toàn phần lõi đa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm hình nón có góc mở th=arcsin n1 √ Δn IV sù lan truyền mode sợi quang Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết đợc chất thực trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phơng trình sóng Một mode đợc hiểu trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm phơng trình sóng số lợng mode có quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mÃn phơng trình Maxwell điều kiện bờ từ sợi quang Các mode sóng điện từ có thĨ chia mode víi tỉn hao thÊp Mode vá với tổn hao cao mode rò có đặc tính hai loại mode Dĩ nhiên đa ánh sáng vào sợi quang phần lớn lợng tập trung ruột sợi, phần lợng rò vỏ tạo mode vỏ mode rò bị dập tắt Ngời ta ý đến mode đợc truyền dẫn ruột sợi mode lan truyền có đặc tính sau : Các mode hoàn toàn độc lập với Mỗi mode có tốc độ lan truyền rộng Mỗi mode tồn cho bớc sóng xác định nguồn sáng Thực tế phải tồn bớc sóng giới hạn g cho bớc sóng mode phải tuân theo điều kiện > g Số lợng mode lan truyền sợi quang phụ thuộc vào tỷ số d k/ nên dk lớn nhiều sợi cho vô số mode truyền qua, d k nhỏ có mode đợc truyền qua (sợi đơn mode) Ngời ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay gọi tần sè chuÈn ho¸: V= π d k n1 √ Δn α Víi sỵi SI, nÕu V