Thiết kế hệ thống thông tin cáp sợi quang

Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Lời nói đầu Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang đợc truyền dới dạng ánh sáng Môi trờng truyền dẫn sợi quang (cáp quang đợc chế tạo từ sợi thuỷ tinh) Cáp quang trở thành phơng tiện truyền dẫn hiệu mạng thuê bao Do u điểm hản phơng tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày đợc nhiều nớc giới sử dụng làm phơng tiện truyền dẫn thông tin mình, có phơng tiện truyền dẫn tốt hẳn so víi hƯ thèng trun dÉn qua vƯ tinh – phơng tiện truyền dân an toàn môi điều kiện kể thời bình nh thời chiến tranh điện tử Nó đóng vai trò đa truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lợng cao, đồng đại nh truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập liệu từ xa Cáp quang thay đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh tốt Bằng nhiều phơng pháp chôn dới đất, treo mắc theo cột điện lực xâm nhập đến gia đình, đến thôn, xÃ, phố, phờng Nó xuyên trái đất vợt đại dơng kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài ngời hội nhập đờng phát triển kinh tế thơng mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống phục vụ yêu cầu cho ngời thời đại thông tin hện yếu tố chủ yếu cho phát triển kỹ thuật kỷ Trong phạm vi đồ án em sâu tìm hiểu hệ thốn thông tin quang bớc triển khai moọt hệ thống thông tin quang Đồ ¸n gåm hai phÇn nh sau: PhÇn I: Tỉng quan hệ thống quang Chơng I: Hệ thống thông tin quang Chơng II: Cấu tạo sợi quang Chơng III: Đặc tính truyền dẫn sợi quang Chơng IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện quang quang điện Chơng V: Kỹ thuật ghép kênh quang Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Chơng VI: Những vấn đề trình thiết kế hệ thống thông tin quang Chơng VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao ThiÕt kÕ tuyÕn dÉn c¸p quang l¸ng - trung tâm thể thao Mục đích đồ án nêu bật đợc nhứng điều quan trọng hệ thống thông tin quang yếu tố cần thiết ®Ĩ thiÕt kÕ mét hƯ thèng th«ng tin quang Tuy nhiên, để có đợc kiến thức sâu rộng công nghệ truyền dẫn phải có thời gian nghiên cứu tích luỹ kiến thức Đồ án đợc thực trông khoảng thời gian ngắn, đó, không tránh khổi hạn chế thiếu sót Em mong nhận đợc ý kiến đóng góp thầy cô giáo nh bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thớcvề công nghệ Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Phần I Tổng quan thông tin quang Chơng I Hệ thống thông tin quang I.1 Thông tin sợi gì? Sự truyền dẫn thông tin qua sợi quang đợc gọi thông tin sợi quang Có nghĩa thông tin đợc chuyển thành tín hiệu ánh sáng sau đợc truyền sợi bên thu nhận đợc tín hiệu quang biến đổi trở thành thông tin ban đầu Nh vậy: - Môi trờng truyền dẫn thông tin quang sợi quang - Dạng tín hiệu truyền dẫn sợi tín hiệu ánh sáng I.2 Sơ đồ khối hƯ thèng trun dÉn quang Bé xư lÝ BiÕn ®ỉi E/O Sợi quang (OF) Biến đổi O/E Nguồn Bộ xử lí Thu O/E Hình I.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn quang - Nguồn tín hiệu dạng thông tin thông thờng thuộc tiếng nói, hình ảnh, sè liƯu - Bé xư lÝ: Xư lÝ ngn tin tạo tín hiệu đa vào hệ truyền dẫn, tín hiệu tơng tự tín hiƯu sè - Bé biÕn ®ỉi ®iƯn quang (E/O): biÕn đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu cờng độ quang để phát - Sợi quang (OF) : có vai trò nh kênh truyền dẫn, đợc dùng để truyền dẫn ánh sáng nguồn xạ (E/O) đà ®iỊu biÕn - Bé biÕn ®ỉi quang ®iƯn (O/E): lµ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang ®a vµo vµ biÕn ®ỉi thµnh tÝn hiƯu ®iƯn - Bé xư lÝ : xư lÝ tÝn hiƯu ®iƯn, biÕn đổi thông tin điện dạng ban đầu Nếu cự ly truyền dẫn dài hai trạm đầu cuối có thêm hai trạm tiếp vận đợc gọi trạm lặp (Repeater) có sơ đồ khối nh sau: KĐ Thu quang Sợi quang Sửa dạng Phát quang Sợi quang Repeater Tín hiệu quangHình I.2: Sơ đồ khối trạm lặp Tín hiệu quang Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Trạm tiếp vận hay trạm lặp có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang lên sửa lại dạng tín hiệu sau lại phát (tất trình làm dạng tín hiệu điện) Trạm lặp giúp cho bên thu thu tốt tín hiệu tránh lỗi tán sắc Các phần tử tuyến thông tin quang Máy phát Tín hiệu điện đầu vào Sợi dẫn Bộ chia quang Mạch điều khiển Nguồn sáng Bộ nối Sợi quang Bộ ghép chia Tín hiệu điện Bộ lặp Máy thu quang Tín hiệu quang Mạch điện Tới thiết bị khác Máy phát quang Máy thu Khuyếch đại quang Bộ tách sóng quang Khôi phục tín Tín hiệu hiệu điện đầu Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Bộ khuyếch đại Hình I.3: phần tử tuyến thông tin quang Phần phát quang: Đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện liên kết với Nguồn phát quang thiết bị sử dụng điốt phát quang (LED) hặc điốt lazer (LD) Cả hai loại nguồn phát phù hợp cho hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu có tham số biến đổi tơng ứng với thay đổi dòng điều biến Tín hiệu điện đầu vào thiết bị phát dạng số có dạng tơng tự Thiết bị phát thực biến đổi tín hiệu thành tín hiệu quang tơng ứng công suất quang đầu phụ thuộc vào thay đổi cờng độ dòng điều biến cờng độ ánh sáng Bớc sóng làm việc nguồn phát quang phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo Đoạn sợi quang nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc khai thác tuyến Cáp sợi quang: Gồm có sợi dẫn quang lớp vỏ xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại môi trờng bên Tơng tự nh cáp đồng, cáp sợi quang đợc khai thác, láp đặt với điều kiện khác Chúng đợc treo trời, chôn trực tiếp dới đất, kéo cống, thả dới biển Tuỳ thuộc vào điều kiện lắp đặt khác mà độ dài chế tạo cáp khác nhau, dài từ vài trăm mét đến vài km Tuy nhiên thi công kích cỡ cáp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể Cáp có độ dài lớn thờng đợc dùng cho cáp treo cáp trôn trực tiếp Các mối hàn kết nối độ dài cáp thành độ dài tổng cộng tuyến cáp đợc lắp đặt Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang Tham số quan trọng cáp sợi quang tham gia định độ dài tuyến suy hao sợi quang theo bớc sóng Đặc tuyến suy hao sợi quang theo bớc sóng tồn ba vùng mà suy hao thấp vùng bớc sóng 850nm, 1310nm, 1550nm Ba vùng bớc sóng đợc sử dụng cho hệ thống thông tin quang đợc gọi vïng cưa sỉ thø nhÊt, thø hai, thø ba t¬ng ứng Giá trị suy hao tối thiểu củae sợi quang đặc biệt đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/Km Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Phần thu quang: Do tách quang mạch tạo khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành Tín hiệu ánh sáng đà đợc điều chế nguồn phát quang lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang Khi truyền sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thờng bị suy hao bị méo yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang phần thu thực tiếp nhận ánh sáng tách lấy tín hiệu từ hớng phát tới Tín hiệu quang đợc biến đổi lại thành tín hệu điện Các điốt quang kiểu thác(APD) điốt quang (PIN) sử dụng làm tách sóng quang hệ thống thông tin quang Cả hai loại có hiệu suất làm việc có tốc độ truyển đổi nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên tách sóng quang định nên bớc sóng làm việc chúng đuôi sợi quang đầu vào tách song quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc sử dụng tuyến lắp đặt Đặc tính quan trọng thiết bị thu quang độ nhạy thu quang, mô tả công suất thu quang nhỏ thu đợc tốc độ truyền dẫn ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép hệ thống; điều tơng tự nh tỷ lệ tín hiệu tạp âm hệ thống truyền dẫn tơng tự I.3 Ưu điểm kÜ tht trun dÉn quang : HƯ thèng th«ng tin quang có nhiều u điểm trội hẳn so với hệ thống thông tin cáp kim loại : - Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh nên môi trêng trung tÝnh víi ¶nh hëng cđa: níc, axÝt, kiỊm sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện lớp vỏ bọc bị h hỏng th× nã vÉn trun tin tèt - Suy hao trun dẫn thấp truyền nên truyền đợc tốc độ cao Nó cho phép truyền dẫn băng rộng tần số lớn Nh vậy, cho dung lợng thông tin cao mà phải tăng số lợng cáp cho phép đặt trạm lặp với khoảng cách lớn - Không gây nhiễu bên không gây xuyên âm sợi quang không bị ảnh hởng nhiễm điện từ nên cho chất lợng thông tin cao - Có độ tin cậy cao nên đảm bảo yêu cầu bảo mật thông tin - Sợi đợc chế tạo từ vật liệu có sẵn thiên nhiên giá thành hệ thống thấp Sợi có đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ nên có u điểm lớn lắp đặt I.4 Cơ sở thông tin sợi quang: I.4.1 Đặc tính ¸nh s¸ng : ThiÕt kÕ tuyÕn dÉn c¸p quang láng - trung tâm thể thao Chúng ta nghiên cứu tới đặc tính ánh sáng giúp ta hiểu đợc lan truyền ánh sáng sợi quang phụ thuộc vào môi trờng trun Nh ta ®· biÕt, sãng ®iƯn tõ cã thĨ đợc xem nh sóng hạt photon tính chất bật vùng Ngời ta phân chia c¸c vïng  f c E  h hc sóng theo thông số:Tần số : f (Hz), Bớc sóng : (m), Năng lợng photon: E (eV) Các thông số có mối quan hệ sau : c : Vận tốc ánh sáng chân không (m/s ) h : H»ng sè Planck (6,625.10-34J.s) - Phỉ cđa sóng điện từ : đợc phân chia theo hai thông số : tần số, bớc sóng ánh sáng dùng thông tin quang nằm vùng cận hồng ngoại có bớc sóng : 800 nm 1600 nm + Đặc biƯt cã bíc sãng th«ng dơng:1300nm, 1550nm - ChiÕt suất môi trờng đợc suốt đợc xác định tỷ số vận tốc ánh sáng chân không vận tốc ánh sáng môi trờng Êy n c v n: ChiÕt st cđa m«i trêng, đơn vị n(không khí) = 1,00029; n(nớc)= 1,333; n(thủ tinh) = 1,5 c: VËn tèc ¸nh s¸ng chân không ( 3.108 m/s) v: vận tốc sáng môi trờng truyền đơn vị m/s v c nên n Chiết suất môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng truyền nã VÝ dơ chiÕt st cđa thủ tinh 100% SiO2 thay ®ỉi theo bíc sãng: n 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 1,43 n g n   dn d n 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 (m) Hình I.4: Sự thay đổi chiết suất n vµ chiÕt st nhãm ng theo bíc sãng ThiÕt kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Do nguồn quang dùng thông tin quang phát ánh sáng khoảng hẹp bớc sóng có bớc sóng Do vận tốc truyền nhóm ánh sáng gọi vận tốc nhóm chiết suất môi trờng đợc đánh giá theo chiết suất nhóm ng dn - Hiện tợng phản xạ khúc xạ:d n g n Khi tia sáng truyền từ môi trờng I chiÕt suÊt n1 sang m«i trêng II cã chiÕt suÊt n2 (n1 n2) mặt phân cách tia sáng phân tách thành tia mới: + Một tia phản xạ lại môi trờng I (Tia phản xạ) + Một tia khúc xạ sang môi trờng II (Tia khúc xạ) Phản xạ Tới I(n1) Mặt phân cách hai môi trờng II(n2) Khúc xạ Quantợng hệ gócphản tới, phản xạ,tiakhúc chiết pháp suất ntuyến 1,n2 Hình I.5: Hiện khúccác xạ xạ, khúcxạxạvới gÃycác vè phía theo định luËt SNELL : n1.Sin  = n2.Sin   : Gãc tíi Tõ c«ng thøc SNELL ta thÊy :  : Góc khúc xạ + Nếu n1 : tia khúc xạ gÃy phía pháp tuyến giống hình + Nếu n1>n2 < : tia khúc xạ gÃy phía xa pháp tuyến Tới Tới Phản xạ I(n1) II(n2) T Khúc xạ Hình I.6: Hiện tợng phản xạ khúc xạ tia khúc xạ gÃy phía pháp tuyến Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao Nếu n1 > n2 tăng , tăng theo, = 90 ta cã: sin   n2 sin  t n1 T: gọi góc tới hạn Điều có nghĩa là: tia khúc xạ là với mặt phân cách hai môi trờng Nếu tăng tiếp > T với n1 > n2 không tia khúc xạ mà có tia phản xạ Hiện tợng gọi tợng phản xạ toàn phần t Phản xạ I(n1) Tới I(n2) Hình I.7: Hiện tợng phản xạ toàn phần * Muốn có phản xạ toàn phần: ánh sáng từ môi trờng chiết quang sang môi trờng chiết quang (n1 > n2) góc tới lớn góc tới hạn I.4.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang dựa vào tợng phản xạ toàn phần tia sáng mặt phân cách hai môi trờng tõ m«i trêng cã chiÕt st lín sang m«i trêng có chiết suất nhỏ Vì thế, cấu trúc sợi quang bao gồm môi trờng điện môi gọi lõi, lõi đợc bao quanh vật liệu khác gọi vỏ,vỏ có chiết suất khúc xạ thấp h¬n so víi lâi n2 n1 Líp bäc Lâi Hình I.8: Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang ThiÕt kÕ tuyÕn dÉn c¸p quang l¸ng - trung t©m thĨ thao