Những u điểm chính của hệ thống thông tin cáp sợi quang
Hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang có các u điểm chính sau:
1 Độ rộng băng tần lớn ( khoảng 15 THz ở vùng cửa sổ 1550nm ) và suy hao nhỏ ( cỡ 0,2 dB/Km ở bớc sóng 1550nm ) cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li trạm lặp lớn, nên các hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang có tÝnh kinh tÕ cao.
2 Tính an toàn và bảo mật cao so với các hình thức thông tin khác, nh thông tin viba, thông tin vệ tinh, thông tin di động thông tin cáp đồng.v.v do không bị rò sóng điện từ và đợc chôn dới đất.
3 Sợi quang có kích thớc nhỏ, gọn, nhẹ và không bị ăn mòn trong môi trờng nớc, axit, kiềm.v.v do đó có độ bền cao.
4 Hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang còn có khả năng nâng cấp dễ dàng lên các tốc độ bít cao hơn bằng công nghệ ghép kênh theo bớc sóng ( WDM ), bằng khuếch đại sợi quang
Sợi thuỷ tinh đa phần TiO 2 , SiO 2 , GeO 2 , Al 2 O 3 , P 2 O 5 , B 2 O 3 geO 2 , Al 2
Suy hao của sợi quang[dB/Km]
Tuy vậy hệ thống thông tin cáp sợi quang cũng có một số hạn chế:
- Không truyền dẫn đợc nguồn năng lợng có công suất cao, chỉ hạn chế mức miliwatt.
- Tín hiệu khi truyền qua sợi quang sẽ bị suy hao và tán xạ làm méo dạng tín hiệu làm ảnh hởng đến độ tin cậy (BER) và cự ly truyền dẫn.
- Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại.
Khèi ghÐp kênh Trạm lặp
Các luồng tín hiệu điện
Các luồng tín hiệu điện
Bộ biến đổi E/O Bộ biến đổi O/E
Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến
Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn thông.10
Hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang điều chế cờng độ tách sóng trực tiếp IMDD 10 1.3.2 Hệ thống thông tin quang kết hợp ( Coherence )
Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang IMDD( Intensity Modulation_Direct Detection đợc biểu diễn trên hình 1.2.
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thông tin cáp sợi quang.
Trong hệ thống IM-DD, ngời ta dùng tín hiệu điện dạng số hoặc tơng tựđể điều chế cờng độ bức xạ của nguồn quang nhờ bộ biến đổi điện quang E/
O và ở đầu thu qua bộ biến đổi quang-điện O/E tín hiệu điện đợc tách ra trực tiếp từ công suất quang thu đợc.
Các hệ thống thông tin cáp sợi quang sử dụng hiện nay đều áp dụng công nghệ này Hệ thống IM-DD có u điểm là đơn giản về công nghệ do nguồn quang, sợi quang và bộ thu quang không yêu cầu quá cao về các thông số, về chế độ hoạt động, về độ rộng phổ, về ổn định tần số, về ổn định nhiệt độ, về phân cực ánh sáng v.v nhng khi truyền dẫn ở tốc độ bít cao( lớn hơn 2,5Gbps) thì hệ thống có nhiều hạn chế, nh độ nhạy thu bị giảm mạnh nên cự ly khoảng lặp nhỏ.
Các hệ thống thông tin cáp sợi quang hiện nay truyền dẫn tốc độ bit cao đều dùng tiêu chuẩn phân cấp số đồng bộ SDH ( Synchronous Digital Hierarchy ) tốc độ 155 Mbps, 622 Mbps, 2500Mbps và 10Gbps.
Nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi (EDFA) mà cự ly của các tuyến truyền dẫn quang với tốc độ 2,5Gbps trên đất liền đạt tới 120 150 Km Với hệ thống cáp quang biển, có thể thực hiện đợc tuyến 2,5Gbps với cự ly 10.000Km, trong đó đã sử dụng 199 bộ khuếch đại quang sợi EDFA.
Một hệ thống thông tin cáp sợi quang sẽ gồm các khối chính sau:
1 Khối ghép /tách kênh ( MUX/DEMUX ) nhằm ghép các nguồn tín hiệu có tốc độ thấp PDH( Plesiochronous Digital Hierarchy ), 2Mbps, 34Mbps,140Mbps thành luồng tín hiệu có tốc độ cao hơn ( cấp cơ sở của SDH là 155Mbps ) và ngợc lại.
2 Khối phát gồm có các mạch điều khiển, nguồn quang để biến tín hiệu điện thành tín hiệu quang và truyền vào sợi quang Các hệ thống thông tin
Sợi đa mode Sợi đơn mode 850nm
Hệ thống thông tin quang Coheren t
&khuếch đại quang WDM sợi
Sợi SDF quang ( Coherence ) kết hợp thì lại áp dụng nguyên lý điều pha, hoặc điều tần hoặc điều chế phân cực tín hiệu quang.
3 Cáp sợi quang để truyền tín hiệu quang.
4 Trạm lặp ( Repeater ), hoặc bộ khuếch đại quang đối với các tuyến có cù ly lín.
5 Khối thu quang gồm có photodiode để biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu.
6 Có thể hệ thống hoá quá trình phát triển các hệ thống thông tin cáp sợi quang qua bốn thế hệ sau:
- Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa mode chiết suất bậc (MM-SI- Multimodal-Step Index ), hoạt động ở vùng bớc sóng 850nm Linh kiện phát thu thờng đợc sử dụng là LED ( Light Emitting Diode ) và photodiode PIN, cự ly truyền ngắn, tốc độ thấp.
- Thế hệ 2: Sử dụng sợi quang đa mode loại GI, hoạt động ở bớc sóng 850nm và 1300nm Nhờ sử dụng diode Laser phát ở vùng bớc sóng này có độ rộng phổ nhỏ nên hệ thống làm việc ở tốc độ bit cao hơn và cự ly lớn hơn có thể đạt tới hàng vài chục kilomet.
- Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode ( Single mode-SI ) hoạt động ở bớc sóng 1300nm Do sợi quang đơn mode có băng tần lớn hơn nhiều so với sợi quang đa mode nên hệ thống TTCSQ thế hệ thứ 3 này có thể truyền với tốc độ hàng trăm Mbps qua cự ly không cần trạm lặp lên tới 100Km.
- Thế hệ 4: Sử dụng sợi quang đơn mode, hoạt động ở bớc sóng 1550nm ở hệ thống này ngời ta bắt đầu sử dụng diode Laser đơn mode có độ rộng phổ rất hẹp nh diode Laser hồi tiếp phân bố DFB ( Distributed Feed Back ) cho phép truyền dẫn tốc độ 2,5Gbps qua cự ly 120 150 Km không cần trạm lặp.Sự phân chia thế hệ trên đợc mô tả trên hình 1-3
Hình 1.3 Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang.
Khuếch đại và giải điều chÕ
Khèi thu quang §iÒu khiÓn ph©n cùc §iÒu chÕ ngoài
Diode laser Bộ khuếch đại quang Khối phát
Hiện nay để năng cao tốc độ bit và cự ly truyền dẫn ngời ta đang tận dụng khai thác thế hệ thứ 4 này bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang sợi EDFA và công nghệ ghép kênh theo bớc sóng (WDM) Hớng nghiên cứu này đang cạnh tranh mạnh mẽ với hớng nghiên cứu thông tin quang kết hợp ( Coherence ) do hệ thống này sử dụng công nghệ không phức tạp nhng lại đạt hiệu quả cao.
1.3.2 Hệ thống thông tin quang kết hợp ( Coherence ). Đã từ nhiều năm nay, ngời ta tiến hành nghiên cứu nhằm năng cao tốc độ và cự ly truyền dẫn theo hớng thông tin quang kết hợp, mà chủ yếu là nâng cao độ nhạy thu và ứng dụng công nghệ ghép kênh theo tần số( FDM- Frequency Division Multiplexing ) Các u điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang Coherence hình 1-4 so với hệ thống IM-DD là:
1 Cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 15 30dB Điều này cho phép tăng cự ly truyền dẫn không trạm lặp tới hơn 100Km ( Hình 1-5 ).
2 Nâng cao năng lựu truyền dẫn nhờ khả năng sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM Với kỹ thuật FDM, ta có thể sử dụng một băng thông tới 20.000GHz ở bớc sóng 1300 1600nm, tơng đơng với khả năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại trên một đôi sợi quang.
Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thông tin quang coherent.
Hình 1.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa độ nhạy thu và tốc độ bit theo các sơ đồ thu khác nhau.
Những xu hớng phát triển chính của thông tin cáp sợi quang
Các nghiên cứu về thông tin cáp sợi quang luôn tập trung vào hai mục tiêu chính là: Năng cao tốc độ truyền dẫn và tăng cự li khoảng lặp Các hớng phát triển chính của thông tin cáp sợi quang hiện nay có thể tóm lợc nh sau:
1 Sử dụng công nghệ ghép kênh theo bớc sóng Sơ đồ của một hệ thống ghép kênh theo bớc sóng đợc mô tả trên hình 1-6 Trong hệ thống WDM ng- ời ta thờng sử dụng diode Laser DFB hoặc DBR là nguồn quang vì nó có độ rộng phổ khá hẹp cỡ 0,1nm Khoảng cách giữa các kênh đợc chọn phụ thuộc vào độ ổn định nhiệt thờng vào khoảng 2nm Trong khoảng từ 1545.6nm đến 1570.6nm, ngời ta có thể ghép đợc 18 kênh Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2,5Gbps tơng đơng với 30240 kênh thoại thì hệ thống có thể truyền hơn 500.000 kênh thoại trên một đôi sợi quang Hiện nay trong thực tế ngời ta đã thực hiện đợc hệ thống WDM truyền tốc độ 40Gbps bằng cách ghép WDM 16 luồng tốc độ 2,5Gbps Về cự ly trạm lặp tùy thuộc vào độ khuếch đại của EDFA có thể đạt tới 120 Km, nếu độ khuếch đại 20dB 30dB.
ASK/2-PSK heterodyne ASK hom / PSk het PSK homodyne
Direct detection (no optical preamplification
Các nguồn quang víi các b ớc sóng khác nhau
Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bớc sóng.
Cũng cần nói thêm rằng EDFA đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống WDM này Do đó EDFA cũng rất đợc quan tâm nghiên cứu hoàn thiện mà h- ớng chủ yếu là làm bằng phổ khuếch đại và vấn đề tạp âm của EDFA.
2 Hệ thống thông tin quang ghép kênh theo tần số FDM đợc biểu diễn trên hình 1-7
Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo tần số.
Khả năng truyền dẫn của hệ thống FDM còn lớn hơn nhiều so với hệ thống WDM Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống FDM chỉ yêu cầu khoảng 5GHz, tơng đơng với 0,04nm ở bớc sóng 1550nm trong khi khoảng cách giữa các kênh ghép theo WDM yêu cầu khoảng 250GHz ở dải sóng( 1500-1600 nm) ta có thể sử dụng một băng tần 12500GHz để truyền Băng tần này có thể chia thành 2500 kênh, mỗi kênh cách nhau 5GHz Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2,5GHz thì ta có thể truyền đợc dung lợng tơng30x20x2500 u,6 triệu kênh thoại trên một đôi sợi quang.
Phát triển công nghệ TTCSQ ở Việt Nam
Với chủ trơng tiến thẳng vào công nghệ hiện đại, chúng ta đã sử dụng công nghệ số và đồng thời chủ trơng cáp quang hoá toàn quốc nên chỉ trong thời gian rất ngắn chúng ta đã hoà đợc vào mạng viễn thông quốc tế và đã phục vụ đắc lực cho công cuộc đổi mới của nớc ta Đó là chủ trơng rất sáng tạo, đúng đắn của ngành Bu điện Việt Nam.
Công nghệ truyền dẫn cáp sợi quang đợc bắt đầu bằng tuyến cáp quang
Hà Nội - Nội Bài 30km, tốc độ 34Mbps đợc thực hiện vào năm 1989 và đến năm 1994 chúng ta đã xây dựng tuyến cáp quang đờng trục Bắc - Nam dài 1700Km, tốc độ 34Mbps sử dụng công nghệ PDH Đến nay chúng ta đã sử dụng sang công nghệ SDH và nâng lên tốc độ 2,5 Gbps và dự kiến sẽ nâng lên
20 Gbps trong những năm tới Đến nay các tuyến nhánh chính nối từ Hà Nội tói các tỉnh phía Băc, từ Đà nẵng đi các tỉnh miền trung và thành phố Hồ Chí Minh đi các tỉnh phía Nam đã hoàn thành Kết hợp với tuyến cáp quang đờng điện 500Kv chúng ta đã nối thành bốn vòng Ring tốc độ 2,5Gbps Hệ thống các mạng nội hạt và ngoại vi các thành phố lớn nh Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, Thành phố Hồ Chí Minh và các thành phố khác đều đã cáp quang hoá và sử dụng công nghệ SDH Chúng ta đang từng bớc thực hiện cáp quang hoá toàn quốc Việc nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật các công trình thông tin sợi quang đòi hỏi phải nắm đợc bản chất các hiện tợng vật lý của các cấu kiện điện tử và quang học sử dụng trong các hệ thống, hiểu rõ các tính năng kỹ thuật của các thiết bị và vận hành của hệ thống Trên cơ sở đó phải xây dựng đợc phơng pháp tính toán thiết kế hệ thống thông tin cáp sợi quang một cách khoa học và tối u, và viết đợc phần mềm thiết kế hệ thống đó cũng là mục tiêu của luận án.
Nhiệm vụ đề ra của luận án là rất cụ thể và cũng rất thực tiễn nhằm góp phần làm chủ các công trình thông tin quang từ xây dựng dự án, thiết kế kỹ thuật, thi công và viết phần mềm khai thác và quản lý Đó cũng chính là mong muốn và là nguyện vọng thiết tha của chúng tôi góp phần xây dựng sự phát triển và lớn mạnh của ngành.
Cấu trúc và nội dung của luận án
Nội dung chính của luận án là nghiên cứu phơng pháp tính toán thiết kế hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang Luận án đợc bố cục thành 5 chơng.
Chơng 1: nêu tổng quan về những xu hớng phát triển chính của hệ thống thông tin cáp sợi quang.
Chơng 2: Nghiên cứu về sợi quang nhằm nêu đợc những ảnh hởng chủ yếu của môi trờng truyền dẫn đến tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi quang
Chơng 3: Nghiên cứu thiết kế tối u hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang và viÕt phÇn mÒm thiÕt kÕ.
Chơng 4: Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền dẫn mạng truy nhập thuê bao sử dụng cáp đồng và cáp sợi quang.
Chơng5: Nghiên cứu phơng pháp tính toán thiết kế hệ thống truyền dẫn quang đồng bộ SDH.
Và cuối cùng là phần kết luận chung của luận án, trong đó phân tích đánh giá những kết quả thu đợc và những vấn đề cần phát triển.
Nghiên cứu sự méo dạng tín hiệu ánh sáng truyền trong sợi quang 18
Những tham số cơ bản của sợi quang
2.1.1 Mode và tán xạ mode
2.1.1.1 Mode trong sợi quang tròn – Phơng pháp quang học sóng.
Theo quan điểm truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang, thì đại lợng đặc trng cho quá trình truyền dẫn ánh sáng là mode Thuật ngữ mode đợc hiểu là một trạng thái dao động điện từ trờng ứng với nghiệm của phơng trình sóng Số l- ợng các mode quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn phơng trình Maxwell và điều kiện bờ lấy từ sợi quang Các mode của sóng điện từ có thể chia ra mode lõi với tổn hao thấp, mode vỏ có tổn hao cao và mode rò có đặc tính cả hai loại mode trên Thực tế khi đa ánh sáng vào sợi quang, phần lớn năng lợng đ- ợc tập trung trong lõi sợi quang, còn phần năng lợng rò ra vỏ sẽ tạo ra mode rò và mode vỏ, chúng bị dập tắt rất nhanh.
Ngời ta cần quan tâm tới các mode truyền trong lõi sợi quang và chúng có các đặc điểm sau:
Mỗi mode có sự phân bố cờng độ điện trờng hoặc từ trờng đặc trng riêng trên mặt cắt ngang của sợi, và không đổi khi lan truyền.
Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
Mỗi mode có tốc độ lan truyền riêng.
Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bớc sóng xác định của nguồn sáng.
Thực tế phải tồn tại một bớc sóng cắt c, sao cho các bớc sóng của các mode đều phải tuân theo điều kiện < c.
Hãy xét phân bố trờng điện từ của các mode trong sợi quang tròn.
Muốn biết bản chất thực của các quá trình truyền lan các mode trong sợi quang cần giải hệ phơng trình Maxwell xét trong môi trờng không đồng nhất có nghĩa là n=f(r) Các nghiệm chính thu đợc sẽ là các mode hỗn hợp HE và
Hệ phơng trình Maxwell: rot ⃗ E=− j ωμ 0 ⃗ H
Trong đó ⃗ E và ⃗ H là những vectơ cờng độ điện trờng và từ trờng.
⃗D và ⃗ B là những vectơ cảm ứng điện và cảm ứng từ
Bốn vectơ trờng điện từ ⃗ E , ⃗ H , ⃗ D , ⃗ B quan hệ với nhau theo các biểu thức
Trong đó: là hệ số điện thẩm của môi trờng.
0 là hệ số điện thẩm của chân không.
là hệ số từ thẩm của môi trờng
0 là hệ số từ thẩm của chân không
- Vì trong sợi quang không có điện tích và dòng điện nên div⃗E=0 và div⃗H=0
- Do sợi quang có dạng đối xứng trụ nên ta dùng tọa độ trụ (r, , z).
Trong toạ độ trụ những vectơ ⃗ E và ⃗ H có thể viết chung dới dạng:
Trong đó: (r, , z) là hệ toạ độ trụ:
= 2f là tần số góc của dao động quang
là hằng số truyền lan theo phơng z.
Suy hao trong sợi quang đợc coi là nhỏ để và là số thực Để giải hệ ph- ơng trình này có nhiều công trình công bố [12], [33], [44] Với phơng pháp đ- ợc đề xuất dới đây bài toán phân bố trờng Mode sẽ đợc giải nhanh gọn hơn.
- Ta có thể thiết lập phơng trình đối với ⃗ E (loại trừ ⃗ H ) nh sau:
H⃗=− 1 j ωμ 0 rot {⃗E¿ Thay vào (2-2) ta có: rot { H=− ⃗ 1 j ωμ 0 rot rot { E ⃗ ¿= jωn 2 ε 0 ⃗ E ¿ rot { H=rot rot { ⃗ ⃗ E ¿= jωn 2 ε 0 E ⃗ (− j ωμ 0 )=ω 2 ε 0 μ 0 n 2 ⃗ E ¿ rot {H=n⃗ 2 k 0 2 ⃗E¿
Từ đó rút ra: k 0 = ω c víi c= 1
Cuối cùng ta có: rot rot { ⃗ E=n 2 k 0 ⃗ E ¿ (2-5)
Nhng chúng ta đã biết:
Với ⃗ ∇ là toán tử Nabla Kết hợp với (2-5) ta có: grad.div {⃗E−∇ 2 ⃗E=n 2 k 0 2 ⃗E¿ (2-6) Nhng div(n 2 ⃗E)=0 còn div { ⃗ E≠0 ¿ nên ta có thể viết lại. div {⃗E=div( 1 n 2 n 2 E⃗)¿
Và áp dụng công thức: div ( a−⃗ B )=a div { ⃗ B +⃗ B grada ¿ div( 1 n 2 n 2 ⃗E)= 1 n 2 div(n 2 ⃗E)+n 2 ⃗E.grad 1 n 2
Vì div ( n 2 ⃗ E )=0 nên div( 1 n 2 n 2 ⃗E)=n 2 ⃗E.grad 1 n 2 (2-7) Thay (2-7) vào (2-6) ta có: grad.div {⃗E−∇ 2 ⃗E=n 2 k 0 2 ⃗E¿ grad { n 2 ⃗ E grad n 1 2 } −∇ 2 ⃗ E=n 2 k 0 2 ⃗ E (2-8)
Do đó (2-9) có thể viết lại nh sau:
Vì vectơ sóng đợc biểu diễn dới dạng:
∇ 2 sẽ là tích vô hớng của 2 vectơ ⃗∇ với
Do đó (2-11) sẽ đợc viết lại dới dạng:
Vậy ta đã có phơng trình chỉ chứa vectơ ⃗ E mà không chứa vectơ H ⃗ Tơng tự, ta tìm phơng trình chỉ chứa vectơ H ⃗
rot rot { H ⃗ −rot ( jωn 2 ε 0 E ⃗ )=0 ¿ rot rot {H⃗−j ωε 0 rot(n 2 ⃗E)=0¿ (2-13) Nhng: rot (n 2 E ⃗ )= n 2 rot { ⃗ E + grad ( n 2 )∧⃗ E ¿
Do đó (2-13) đợc viết lại nh sau: rot rot {H⃗−j ωε 0 { n 2 rot {E⃗¿+grad(n 2 )∧⃗E }=0¿ v× rot { ⃗ E=− j ωμ 0 H ⃗ ¿ nên rot rot {H⃗−j ωε 0 { n 2 − j ωε 0 H⃗ +grad(n 2 )∧⃗E } =0 ¿
2 2 rot rot {H⃗−j ωε 0 n 2 H⃗−grad(n 2 )∧ 1 jωn 2 ε 0 rot {H⃗¿=0¿ rot rot {H⃗−ω 2 μ 0 ε 0 n 2 H⃗−grad(n 2 )∧rot {H⃗ n 2 ¿=0¿
(2-14) Đặt k 0 2 =ω 2 ε 0 μ 0 , (2-14) trở thành: rot rot {H⃗−k 0 2 n 2 H⃗−grad(n 2 )∧rot {H⃗ n 2 ¿=0¿ Nhng: rot rot { H ⃗ =grad div { H ⃗ ¿−∇ 2 H ⃗ ¿ (2-15)
Vì div {H⃗=0¿ nên rot rot {H⃗=−∇ 2 H⃗¿
(2-16) Toán tử Nabla có thể đợc biểu diễn:
Do đó (2-16) đợc viết thành:
Những phơng trình (2-12) và (2-17) là những phơng trình sóng đầy đủ, tổng quát có thể dùng chung cho cả sợi quang chiết suất bậc và sợi quang chiết suất gradient.
- Đối với loại sợi quang chiết suất bậc n = hằng số do đó grad(n 2 ) = 0.
Cả 2 phơng trình (2-18) và (2-19) đều có thể viết chung dới dạng:
∇ ¿ 2 ψ+(k r 2 −βz 2 )ψ=0 (2-20) Trong lõi sợi quang, chiết suất n1=hằng số nên k(r) = n1.k0 Chúng ta chỉ cần giải phơng trình sóng trong toạ độ trụ đối với thành phần H ⃗ của trờng điện từ
Và đối với thành phần ⃗ E của trờng điện từ:
Cần giải phơng trình này trong hệ toạ độ trụ:
Giải phơng trình đối với thành phần Ez và Hz:
Giải phơng trình sóng trên bằng phơng pháp phân ly biến số Hãy đặt Ez hoặc Hz bằng (r, r, ) và cho (r, r, )=R(r).R(r, r).(r, ).
∂ϕ 2 +(k r 2 −βz 2 )RΦ=0 Chia cả 2 vế cho R.(r, ) ta có:
∂ϕ 2 +(k r 2 −βz 2 )=0 Nhân cả 2 vế với r 2 ta có: r 2 R } } } over {R} } + { { ital rR rSup { size 8{'} } } over {R} } + { {Φ rSup { size 8{ Φ +r 2 (k r 2 −βz 2 )=0
Ta có thể rút ra 2 phơng trình độc lập nhau nh sau:
Ph ơng trình đối với
H⃗ Φ } } } over {Φ} } = ital const= - I rSup { size 8{2} } } { ¿¿ ¿¿¿ Φ } } +I rSup { size 8{2} } Φ=0} { ¿¿ ¿ (2-24) Nghiệm của phơng trình này sẽ có dạng: Φ ( ϕ ) =Acoslϕϕ+Bsinlϕϕ=C
Trờng tại mọi điểm phải đơn trị do đó l phải nguyên dơng: l = 0, 1, 2 Ph ơng trình đối với r: r 2
(2-25) Đây là phơng trình Bessel và nghiệm của phơng trình phụ thuộc vào đặc tính của sự biến đổi vectơ sóng k(r) tức là k=n(r)k0 Trờng hợp n(r)=hằng số, đó là sợi quang SI Trờng hợp n(r)=f(r) là trờng hợp sợi quang GI.
Trên hình 2.2 vẽ phân bố trờng của các mode HE11, TE01, TM01, trong đó: TM là mode từ ngang, tức là mode có thành phần từ dọc Hz=0, TE là mode điện ngang tức là mode có thành phần điện dọc Ez=0.
Còn HEv và EH v là những mode lai (Hybride Mode) Cả hai thành phần
Hz và Ez của những mode này đều khác 0 Ký hiệu HE hay EH tuỳ thuộc vào giá trị của Hz và Ez.
Hình 2-2a Các mode phân cực tuyến tính
Mode HE11 (mode cơ bản)
Hình 2-2b Mode cơ bản HE11. 2.1.2.Các mode phân cực tuyến tính LP
Dựa vào hệ phơng trình Maxwell chúng ta đã mô tả chính xác sóng điện từ trong sợi quang và các nghiệm đó rất phức tạp Trong thực tế độ chênh lệch chiết suất giữa lõi và lớp vỏ phản xạ thờng rất nhỏ, cỡ nhỏ hơn 1% Nên có thể tìm đợc nghiệm gần đúng một cách dễ dàng hơn Khi đó các trị riêng của ph- ơng trình đặc trng gần nh tơng tự nhau cho các mode EHn-1, m và HEn+1, m Nếu tổng hợp các mode này lại thì trờng sẽ đợc phân cực tuyến tính Các mode phân cực tuyến tính đợc ký hiệu là LPnm và đợc tổ hợp theo cách sau đây [44], [12].
Trên hình (2-2b) biểu diễn phân bố cờng độ ánh sáng trong lõi sợi quang thông qua các đờng đẳng cờng độ và ứng với 25%, 50% và 75% so với cờng độ cực đại đối với bốn mode trực giao LP11
Hình 2.2c Phân bố trờng điện từ của LP11
2.1.1.2 Mode trong sợi quang dẹt – Phơng pháp quang hình
Nh chúng ta đã thấy trong các phần trớc, việc tính toán phân bố trờng trong sợi quang sử dụng phơng pháp quang học sóng là rất phức tạp Ta sẽ sử dụng
2 6 phơng pháp quang hình để nghiên cứu sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang ®a mode [27].
Theo lý thuyết quang học sóng, mỗi mode là một nghiệm của phơng trình Maxwell và sự phân bố trờng của nó theo phơng vuông góc với trục sợi là không đổi.
Theo quan điểm quang hình, mỗi mode là một tia sáng đợc truyền dẫn trong sợi quang, có góc hợp với trục sợi một giá trị xác định. a) Sự hình thành mode trong sợi SI (Step Index).
Ta hãy xét một tia sáng hợp với mặt phân cách lõi-vỏ phản xạ một góc ±θ Theo quan điểm quang hình, mỗi tia sáng tơng ứng với một sóng phẳng mà hằng số truyền sóng k 0 =2π λ 0 , víi
0 là bớc sóng trong chân không. Trong lõi sợi, bớc sóng trở thành λ=λ 0 /n 1 và hằng số truyền sóng k=k 0 n 1 =n 1 2π λ Ta phân tích vectơ ⃗ k thành hai thành phần (xem hình 2.3)
Thành phần theo phơng dọc theo trục sợi : βz=k 0 n 1 cosθ
Thành phần theo phơng vuông góc với trục sợi : γ=k 0 n 1 sinθ
Hình 2-4 Phân bố trờng trong sợi quang dẹt.
Tập hợp các tia đợc truyền dẫn trong sợi quang và tạo thành một mode nếu chúng tạo thành một sóng đứng trên tiết diện của sợi quang Tức là chúng phải lặp lại pha sau một chu kì phản xạ trên mặt phân cách lõi – vỏ.
Hình 2.3 Truyền ánh sáng trong sợi quang dẹt.
Do vậy, phơng trình xác định một mode là: Δφ=4aγ−2φ=4k 0 an 1 sinθ−2φ=2πN (2-26) trong đó: là độ dịch pha tại mỗi điểm phản xạ toàn phần
2a là đờng kính lõi sợi quang
N là bậc của mode, chính là số lần c ờng độ điện trờng triệt tiêu theo phơng vuông góc với trục sợi.
Hình 2-5 Đờng biểu diễn độ dịch pha phụ thuộc góc tới
Qua đồ thị trên hình 2-5 ta thấy độ dịch pha tiến tới 0 khi c và
Thông thờng, với sợi quang đa mode, k1a >> 1, ta có 0,7
s: là tổng thời gian lên.
CNRZvà CRZ : là tốc độ tín hiệu nhị phân đơn cực tính dùng mã NRZ và RZ.
Quỹ thời gian đó đợc phân phối nh sau:
2 s = 2 ld + 2 fb + 2 pd (3 - 48) Trong đó:
2 ld : Là thời gian lên của nguồn quang.
2 fb : Là thời gian lên của sợi quang.
2 pd : Là thời gian lên của photodiode.
Tất nhiên phải sử dụng ngay điều kiện sau để bớc đầu chọn các linh kiện của hệ thống và loại bỏ những linh kiện không phù hợp:
Thời gian lên của sợi quang đợc xác định nh sau: τ fb = √ τ 2 mat +τ 2 wg +τ 2 mod (3 - 49)
Trong đó: τ 2 mod = n 1 ( n 1 −n 2 ) cn 2 ∗L đối với sợi quang loại SI và L < 1Km.
C ∗L đối với sợi quang loại GI và L < 1 Km.
C √ L cho sợi SI với L > 1Km. τ mod = n 1
2 √ L cho sợi GI với L > 1Km.
Còn tán xạ vật liệu và tán xạ dẫn sóng đợc xác định bởi:
= ( - Dmat + Dg ).L Trong đó: : Là độ rộng vạch phổ bức xạ của nguồn quang.
Dmat : Là hệ số tán xạ vật liệu.
Dwg : Là hệ số tán xạ dẫn sóng. Đối với photodiode thời gian lên đợc xác định bởi dòng quang điện từ 10% lên 90% của giá trị cực đại, và: τ pd = √ τ 2 dc + τ 2 md (3 - 50)
Trong đó thời gian dịch chuyển đợc xác định bởi: τ dc = Vùng nghèo
Vận tốc của diện tử trong vùng nghèo
dc thờng vào khoảng 1ns
Còn md là thời gian trễ do mạch điện gây nên: md = 2,19 RLCd
RL: Là điện trở tải.
Cd: là điện dung mặt ghép 1 10pF.
3.2.2.4 Đáp ứng quang điện. Đáp ứng quang điện của photodiode đợc xác định bởi dòng quang điện đ- ợc sinh ra khi công suất quang chiếu vào bằng một đơn vị có thứ nguyên là A/ watt Đáp ứng quang điện sẽ phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng và vật liệu nh đã trình bày ở trên kia Dòng quang điện của photodiode đợc xác định theo công thức [40]: i qd = MηeλP hC (3 - 51)
M : hệ số khuếch đại của APD.
: hiệu suất của APD. e : điện tích của điện tử.
Từ đó ta xác định đợc đáp ứng quang của photodiode: p= Mηeλ hc [ A / W ] Đáp ứng quang phụ thuộc vào vật liệu với PIN thì p có thể bằng 0,5A/w cho Si, 0,7 A/w cho Ge và 1,1 A/w cho InGaAs còn với APD thì p có thể bằng
77 A/w cho Si và p = 30 A/w cho Ge.
Tạp âm của hệ thống không đo đợc trực tiếp nhng BER, một thông số rất quan trọng của một tuyến thông tin quang lại phụ thuộc vào tạp âm Trong mục 3.1.3.4 chúng ta đã nghiên cứu về tạp âm của hệ thống thông tin quang và rút ra kết luận: trong nhiều trờng hợp có thể coi tạp âm nhiệt là tạp âm trội của hệ thống và SNR thờng vào khoảng 20 25 dB là có thể bảo đảm đợc giá trị BER.
Công suất tạp âm nhiệt: 4KTf
Tín hiệu điện thu đợc: pP[A].
Tỷ số SNR sẽ là :
T : nhiệt độ tuyệt đối Kelvin, 0 K. p : đáp ứng quang, A/w.
RL : điện trở tải của photodiode.
Dựa vào quan hệ giữa BER và SNR ta có thể tính đợc BER:
2 erfc(x) víi x = 0,354 √ SNR ở đây SNR không tính ra bằng dB mà tính theo tỷ số thực của chúng, còn erfc(x) đợc xác định nh sau: erfc ( x )= e −x 2
Giá trị BER do bài toán thiết kế đặt ra dựa vào yêu cầu của một tuyến thông tin số:
2 erfc(x) nên erfc(x) = 2.BER Nên erfc(x) đợc xác định bởi phép tính lặp sau: x 2 i+1= - ln[ xi √ Π erfc(x) ] víi i =0, 1, 2, 3 (3-54) Sau khi tìm đợc x sẽ tính đợc SNR tơng ứng với BER đã cho.
Có thể kiểm tra lại giá trị BER theo công thức:
Sau khi đã tính đợc SNR ta có thể tính đợc công suất quang tối thiểu cần có để đạt SNR:
Trong đó SNR đợc tính dựa vào BER đã cho của bài toán thiết kế.
3.2.2.8.Tối u theo giá thành của tuyến.
Nếu chúng ta áp giá của những linh kiện thu, phát và sợi quang thì từng tổ hợp ta có thể tính đợc giá thành và từng bớc tính tiếp theo quỹ công suất, quỹ thời gian và kiểm tra giá trị BER đều đợc bắt đầu từ tổ hợp thiết bị có giá thành rẻ nhất Quy trình này sẽ đợc lặp lại cho tới khi bài toán thiết kế đợc thoả mãn, tức là khi chúng ta đã chọn ra đợc một tổ hợp thiết bị cho tuyến vừa thoả mãn đợc yêu cầu của kỹ thuật mà vừa có giá thành rẻ nhất.
Trong những trờng hợp nếu BER không đảm bảo theo yêu cầu của thiết kế, mà không muốn dùng trạm lặp thì phải sử dụng thêm bộ khuếch đại Dựa vào phơng pháp tính toán quỹ công suất ta có thể xác định đợc tham số của bộ khuếch đại phải sử dụng cho tuyến [ 6 ], [ 7 ].
Bớc 1: Thiết kế theo quỹ công suất.
Bớc 2: Sắp xếp các tổ hợp thoả mãn quỹ công suất theo thứ tự giá tăng dÇn.
Bíc 3: ThiÕt kÕ theo quü thêi gian.
Bớc 4: Sắp xếp các tổ hợp thoả mãn quỹ công suất và quỹ thời gian theo thứ tự giá tăng dần.
Bớc 5: Tính tỷ số BER, bắt đầu bằng tổ hợp rẻ nhất.
Bớc 6: Đa ra tổ hợp thoả mãn các chỉ tiêu thiết kế và có giá thành rẻ nhÊt.
Quy trình tính toán trên đợc mô tả bằng thuật toán trình bày trên hình 3-
24 và đợc lập trình bằng ngôn ngữ Visual Basic Phần mềm thiết kế tuyến thông tin cáp sợi quang trên đợc mang tên BKOPTIC 2.1 và đã đợc ứng dụng tại công ty thiết kế bu điện.
Phạm vi ứng dụng của phần mềm thiết kế BKOPTIC2.1
3.3.1 Phạm vi ứng dụng của phần mềm.
Nói chung, phần mềm đợc xây dựng nhằm giúp thiết kế các tuyến TTCSQ sử dụng những linh kiện rời, tức là những tuyến không sử dụng những thiết bị đầu cuối đã đợc quy chuẩn nh thiết bị trong hệ thống thông tin quang đồng bộ SDH Nh vậy phần mềm thiết kế sẽ phát huy tác dụng ở những mạng thông tin đờng dài, nội hạt, các tuyến liên dài, các hệ thống truyền số liệu, các mạng máy tính.v.v Phần mềm sẽ giúp thiết kế tối u, tức tìm ra đợc một bộ tổ hợp thiết bị có giá thành hạ nhất Phần mềm có khả năng tính thoán thiết kế bảo đảm mọi yêu cầu kỹ thuật của hệ thống về tốc độ, về cự ly và về độ tin cËy BER.
80Hình 3.24 Lu đồ tuật toán thiết kế tuyến TTCSQ
KÕt thóc Đ a các tham số cần tính toán thiết kÕ cho tuyÕn: , L, BER, tèc độ v.v
Tạo các tổ họp từ 3 mảng
ThiÕt lËp quü thêi gian Đọc các thông số từ cơ sở dữ liệu về: Nguồn quang, Cáp,
Bộ thu, ghi ra 3 mảng dữ liệu
Tính toán quỹ công suÊt
Quỹ công suất thoả mãn?.
Ghi các thông số tính toán ra mảng dữ liệu ra
Còn tổ hợp nữa không ?
Tính BER của hệ thèng
Tính toán giá thành đầu ra sắp xếp theo giá thành. Đ a ra các thông báo các bộ tham số thoả mãn. Đ a ra các thông báo bộ tham số thoả mãn và tối u.
3.3.2 Một thí dụ về việc sử dụng phần mềm thiết kế BKOPTIC2.1. Để thiết kế tối u một tuyến truyền dẫn quang có cự ly 128 Km , tốc độ truyền 2,5Gbps, tỷ số lỗi bit yêu cầu 10 -11 nhiệt độ làm việc của hệ thống 20 0 C trên cơ sở các linh kiện có sẵn với: 3 loại nguồn quang với ký hiệu là: S1, S2,S3; hai loại sợi quang với ký hiệu là F1, F2 và ba loại bộ thu quang với ký hiệu là P1, P2, P3 Nh vậy chúng ta có thể có tới 3x2x3 = 18 phơng án với các
8 2 tổ hợp linh kiện khác nhau mà ngời thiết kế phải chọn ra đợc một trong 18 ph- ơng án, vừa thoả mãn yêu cầu của bài toán thiết kế, lại vừa có giá thành rẻ nhất Bớc 1: Dựa vào thời gian tăng trởng của các linh kiện, thuật toán cho thấy có thể loại đợc hai loại nguồn quang là S1 và S2 ra khỏi bài toán thiết kế do không bảo đảm quỹ thời gian Số tổ hợp chỉ còn 6 nhng cả 6 trờng hợp đó đều không thoả mãn quỹ công suất Nh vậy tính toán cho biết cần lắp thêm bộ khuếch đại quang với G = 10dB nhng cả 6 tổ hợp đó cũng vẫn không thoả mãn yêu cầu của bài toán thiết kế Chơng trình tự thêm bộ khuếch đại 15dB, cả 6 tổ hợp thiết bị đó đều thoả mãn quỹ công suất: Cần tiếp tục tính toán theo quỹ thời gian va BER, chỉ có 1 phơng án 6 là bảo đảm đợc quỹ thời gian và BER. Đó cũng là tổ hợp rẻ nhất đợc chọn cho bài toán thiết kế này kết quả tính toán đợc trình bày trong phụ lục 1.
KÕt luËn
1 Trong chơng này, để làm cơ sở cho các bài toán thiết kế hệ thống TTCSQ luận án đã phân tích, đánh giá một cách định lợng tính năng, các tham số đặc trng của các linh kiện phát quang(LED, LD) Linh kiện thu quang(PIN, APD) và các bộ khuếch đại quang sợi EDFA đang đợc sử dụng rộng rãi hiện nay trong các hệ thống TTCSQ.
2 Luận án đã xây dựng phơng pháp tính toán thiết kế tối u hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang sử dụng các linh kiện rời Chơng trình thiết kế gồm 4 bài toán cơ bản Với phơng pháp đó các nhà thiết kế có thể chọn ra, từ hàng chục phơng án, một phơng án vừa bảo đảm mọi yêu cầu của bài toán thiết kế vừa có giá thành hạ nhất.
3 Trên cơ sở phơng pháp tính toán thiết kế đợc xây dựng đã viết phần mềm thiết kế tối u hệ thống TTCSQ bằng ngôn ngữ Visual Basic mang tênBKOptic2.1 với phần mềm đó có thể tính toán thiết kế hệ thống TTCSQ nh các hệ thống PDH, hệ thống nội hạt, hệ thống truy nhập thuê bao.v.v.v.
thiết kế mạng truy nhập thuê bao
Các giải pháp cải tiến mạng truy nhập thuê bao cáp đồng
Trong các hệ thống viễn thông ngày nay, do nhu cầu phát triển của xã hội, đòi hỏi nhiều loại dịch vụ nh điện thoại, Fascimine, truyền hình, truyền số liệu, các dịch vụ băng rộng, ISDN và B-ISDN, internet.v.v ở Hà nội và một số thành phố lớn đang có chủ trơng trang bị cáp quang đến tận nhà thuê bao. Công nghệ này đã đợc hãng Thomson CSF( Pháp) thực hiện cáp quang hoá toàn thành phố Biarritz một thành phố du lịch của nớc Pháp từ năm 1982 với quy mô 5000 thuê bao Mỗi thuê bao đợc cung cấp đồng thời các dịch vụ: điện thoại số, điện thoại truyền hình, truyền hình 25 kênh, Fascimine, và truyền thanh chất lợng cao Hi-Fi. Để đáp ứng việc cung cấp các dịch vụ chất lợng cao, nếu chỉ có các tổng đài và mạng trung kế hiện tại thôi thì vẫn cha đủ Chất lợng các dịch vụ cung cấp cho khách hàng còn phụ thuộc rất nhiều vào các mạng truy nhập thuê bao và các phơng tiện hỗ trợ vì đây chính là đầu mối trực tiếp cung cấp các dịch vụ viễn thông cho khách hàng.
Hiện nay ở bu điện thành phố Hà nội, bu điện thành phố Hồ Chí Minh cũng nh ở hầu hết bu điện các thành phố khác trong nớc cũng nh ở nhiều nớc trên thế giới tồn tại tình trạng: Trong khi các mạng trung kế đợc trang bị kỹ thuật số hiện đại thì mạng truy nhập thuê bao vẫn đợc xây dựng chủ yếu dựa trên các đôi dây dẫn bằng đồng, một công nghệ lạc hậu và có nhiều hạn chế không thể bảo đảm đợc các nhu cầu đa dịch vụ hiện nay Những nhợc điểm cơ bản của mạng thuê bao cáp đồng là:
Băng tần truyền dẫn của cáp đồng rất bị hạn chế không thích hợp với việc truyền dẫn các tín hiệu tốc độ cao Trên thực tế hệ thống cáp đồng chỉ đảm đơng tốt việc truyền dẫn các tín hiệu tơng tự có băng tần thấp. Trong khi đó khách hàng ngày càng đòi hỏi đợc cung cấp các dịch vụ băng tần rộng có chất lợng cao nh truyền hình, điện thoại truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao.v.v.
Suy hao của cáp đồng rất lớn, lớn hơn hàng trăm tới hàng ngàn lần suy hao của cáp sợi quang đặc biệt ở tần số cao Nhợc điểm này đã hạn chế rất nhiều việc sử dụng cáp đồng.
Giá thành cáp đồng ngày một tăng do khan hiếm nguyên liệu chế tạo, việc lắp đặt cáp đồng cũng rất tốn kém và càng khó thực hiện khi mật độ thuê bao tăng, khi mạng quá rộng hoặc phân bố rải rác.
Mạng sẽ rất cồng kềnh, phức tạp khi dung lợng lớn Chi phí bảo dỡng hệ thống phức tạp và tốn kém.
Hiện nay từng bớc ngời ta đã cáp sợi quang hoá mạng truy nhập thuê bao Các tuyến truyền dẫn kết nối giữa các tổng đài hầu hết đã đợc trang bị cáp sợi quang.
Cáp đồng Cáp sợi quang
Mạng lới nối từ tổng đài nội hạt đến thuê bao thì rất đa dạng về cấu tạo cũng nh về tổ chức mạng lới Mạng lới này giúp ngời sử dụng truy nhập vào hệ thống viễn thông nên đợc gọi là mạng truy nhập thuê bao Nếu tính đến các phơng tiện hỗ trợ và bảo vệ thì đợc gọi là công trình ngoại vi Chủ yếu chúng ta chỉ xét mạng truy nhập thuê bao.
Hiện nay tuỳ từng trờng hợp cụ thể, từng địa hình và kết cấu của cơ sở hạ tầng mà các mạng truy nhập thuê bao có thể là truy nhập bằng mạng vô tuyến cố định, truy nhập thuê bao bằng mạng vô tuyến di động Trong mạng truy nhập thuê bao hữu tuyến có nhiều cấu trúc mạng khác nhau nh mạng hình sao ( Star ), mạng hình cây ( Tree ), mạng Bus và mạng vòng ( Ring ) Nhờ có công nghệ mới về cáp sợi quang, hiện nay ngời ta đang có những giải pháp từng bớc cáp quang hoá mạng truy nhập thuê bao này.
Cải tiến mạng truy nhập thuê bao cáp đồng đợc thực hiện chủ yếu theo các giải pháp sau:
4.1.1.Giải pháp phân tán tổng đài.
Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử hiện nay, dung lợng của một tổng đài đạt tới hàng chục ngàn số và vùng phục vụ lên đến hàng chục Km 2 Số l- ợng cáp đồng sử dụng để kết nối trực tiếp thuê bao đến tổng đài sẽ rất lớn, đặc biệt là những thuê bao ở xa, hiệu quả kinh tế sẽ thấp Để giải quyết vấn đề này giải pháp phân tán tổng đài đang đợc sử dụng rất phổ biến, ngời ta chia nhỏ khu vực phụ trách của tổng đài nội hạt thành nhiều phần và tách tổng đài nội hạt thành hai phần:
- Phần giao tiếp thuê bao đợc tách ra gọi là khối chuyển mạch xa hay tổng đài vệ tinh RSU ( Remote Switching Unit ) Mỗi RSU sẽ phục vụ một khu vực dân c Các thuê bao đợc kết nối với tổng đài chính bằng cáp quang.
- Phần chính và trung tâm của tổng đài nội hạt đợc gọi là HOST thì có thể đặt tại một nơi để tiện kết nối hệ thống HOST vẫn có phần giao tiếp thuê bao cho các thuê bao ở gần Tuyến truyền dẫn giữa tổng đài HOST với RSU đợc sử dụng công nghệ thông tin quang và kỹ thuật ghép kênh số nên hiệu quả kinh tế và kỹ thuật rất cao ( hình 4-1).
Hình4.1 Giải pháp phân tán tổng đài.
4.1.2.Giải pháp mạch vòng thuê bao( Digital Loop Carrier ). Đây là biện pháp tiết kiệm đờng dây thuê bao Theo phơng pháp này tín hiệu đợc chuyển tới thuê bao thông qua một số thiết bị số và ghép/tách kênh.
Các khu vực cơ quan
( Hình 4.2) Các tín hiệu thoại tơng tự ở tổng đài đợc đa ra thiết bị đầu cuối của tổng đài CT ( Center Terminal ) để biến thành tin hiệu số và ghép kênh vào một tuyến dẫn cáp quang chung có tốc độ cao Tín hiệu sau khi ghép kênh sẽ đợc gửi tới bộ đầu cuối xa RT ( Remote terminal ) để tách kênh và biến thành tín hiệu tợng tự Sau đó tín hiệu sẽ đợc đa tới thuê bao bằng dây đồng.
Các thiết bị DLC đợc thiết kế làm việc tập trung hoặc không tập trung.
- Các thiết bị không tập trung do phải dành riêng cho mỗi thuê bao một khe thời gian nên vẫn còn tốn cáp.
- Các thiết bị tập trung thì các khe thời gian chỉ cung cấp cho các thuê bao khi có yêu cầu sử dụng, do đó số thuê bao luôn luôn lớn hơn số kênh truyền giữa CT và RT.
Nh vậy giải pháp DLC sử dụng cáp quang có rất nhiều u điểm:
Chi phí cáp đợc giảm đi rất nhiều, trong khi chi phí của các phần tử điện lại đợc chia đều cho các thuê bao, ít tốn kém.
Khi có nhu cầu tăng lu lợng thông tin thì chỉ cần việc thay thế các thiết bị đầu cuối mà không phải can thiệp đến hệ thống cáp, cống bể.
Phơng pháp tính toán thiết kế mạng truy nhập thuê bao
Quá trình thiết kế mạng truy nhập thuê bao là quá trình tính toán lựa chọn thiết bị, địa điểm đặt, sao cho thoả mãn nhu cầu về dịch vụ viễn thông đồng thời bảo đảm các bớc chính sau: ( hình 4-3).
Hình 4-3 Phơng pháp thiết kế mạng truy nhập thuê bao.
* Bớc1: Dự báo nhu cầu thuê bao.
Dự đoán quá trình phát triển trong khoảng thời gian xác định sẽ cho phép giảm bớt các rủi ro về kinh tế đối với các nhà quản lý và khai thác mạng, cho phép cung cấp các dịch vụ hiện tại cũng nh các dịch vụ mới một cách kinh tế nhất Đặc biệt trong nền kinh tế thị trờng có một sự cạnh tranh gay gắt thì dự đoán quá trình phát triển mạng trở nên vô cùng quan trọng và không thể bỏ qua khi thiết kế một công trình viễn thông. Để đảm bảo tính chắc chắn, thời gian phát triển ở giai đoạn trung gian của mạng nên đặt trong khoảng 4-5 năm đầu tiên Đây là giai đoạn quan trọng, đòi hỏi phải có sự kết hợp giữa ngời lập kế hoạch mạng ( ngời đa ra mục tiêu) và ngời khai thác mạng (ngời cung cấp vốn và xúc tiến thực hiện ).
Tiếp đó cần xác định các bớc phát triển tiếp theo cho đến khi đạt đợc mục tiêu cuối cùng, giai đoạn này thờng là 10 15 năm.
* Bớc 2 Mô tả chức năng.
Dựa và mô hình dự báo phát triển cần mô tả mạng chức năng, thiết lập các vùng tập trung để định vị các tuyến cáp chính Cần chú ý đến các quy hoạch về xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng Sau đó các vùng tập trung sẽ đ- ợc phân thành các vùng phân tán Tại mỗi vùng phân tán sẽ có đờng dây chính và các tuyến nhánh Các vùng phân tán đợc thiết lập sao cho sự phân phối đợc kinh tế nhất có cân nhắc đến các đờng dây hiện có.
* Bớc 3: Thiết kế và lựa chọn phần tử mạng.
Các phần tử mạng phải đợc lựa chọn nhằm đảm bảo thoả mãn các yêu cầu đề ra với cấu hình đã chọn Cách tốt nhất là dựa trên cơ sở quỹ công suất của tuyến đồng thời tính đến giá thành, độ ổn định, độ tin cậy, các yếu tố hỗ trợ và các tham số thực tiễn khác.
* Bớc 4: Tính toán giá thành mạng.
Mục đích của giai đoạn này là xác định chi phí của mạng nh một hàm của thiết kế topo và định cỡ thiết bị Đặc biệt chi phí topo coi nh đờng cong nối vật lý cũng nh cơ sở hạ tầng của chúng, bao gồm số sợi quang hoặc số đôi dây đồng của từng tuyến Chi phí thuê bao đợc tính nh một hàm của số lợng loại thuê bao, kích thớc, và cấu hình của từng tuyến trong mạng Cũng cần chú ý đến các modun nếu có Hiện nay cha có những quy chuẩn chặt chẽ những thuê bao cho mạng truy nhập, nên có thể tính theo những linh kiện rời.
* Bớc 5: Phân tích và đánh giá.
Trên thực tế, có thể có nhiều phơng án mạng đáp ứng đợc yêu cầu kinh tế - kỹ thuật Ngời thiết kế phải phân tích, đánh giá để lựa chọn ra đợc một ph- ơng án tối u nhất Chỉ tiêu tối u có thể là:
- Chi phí khai thác, vận hành và bảo dỡng.
- Khả năng phát triển mạng và khả năng thu lợi nhuận.
- Dựa vào những phân tích trên và dựa vào phơng pháp tính toán thiết kế trong hệ thống truyền dẫn cáp đồng và cáp quang, luận án đã xây dựng phần mềm thiết kế tự động và tối u mạng truy nhập thuê bao, mang tên BKOPTIC1.1.
4.2.1 Phântích thiết kế mạng truy nhập thuê bao cáp đồng.
Trong mạng truy nhập thuê bao hiện nay còn dùng khá phổ biến cáp đồng và cáp đồng và cáp quang hỗn hợp Do đó luận án trình bày tóm tắt ph- ơng pháp tính toán thiết kế mạng truyền dẫn dùng cáp đồng, phần này cũng
8 8 nằm trong nội dung của phần mềm thiết kế mạng truy nhập BKOPTIC1.1. Trong tính toán truyền dẫn cáp đồng chủ yếu là tính toán chọn cáp.
Các thông số cáp đồng.
* Điện trở dây dẫn R ( /Km ) Điện trở dây dẫn có ảnh hởng đến tổn hao năng lợng và cự ly thông tin Đối với cáp xoắn đôi thì giá trị điện trở xoay chiều đợc xác định theo công thức [ 49 ]:
R0 : Là giá trị điện trở thuần.
Rmặt ngoài : Là giá trị do hiệu ứng mặt ngoài.
Rlân cận : Là giá trị do các ảnh hởng lân cận.
Các giá trị Rmặt ngoài, Rlân cận chỉ đáng kể ở tần số cao, còn ở tần số thấp, và chuyển tải tín hiệu thoại tơng tự có băng tần thấp và hẹp ( 0,3 3,4 KHz ) thì có thể bỏ qua Tất nhiên muốn tăng cự ly thông tin phải tăng tiết diện dây dẫn vì điện trở R R0 = ρ lϕ
S Trên bảng 4.1 giới thiệu các giá trị điển hình của một số cáp đồng dùng phổ biến trên thị trờng:
Bảng 4.1.Các giá trị của một số cáp đồng điển hình. Đờng kính( mm ) Tổn hao( dB/Km ) Điện trở vòng( /Km )
* Điện cảm dây dẫn L ( H/km ):
Tham số này đánh giá ảnh hởng xuyên âm do cảm ứng của các đôi dây với nhau và của cả hai sợi của bản thân đôi dây Khi xoắn các sợi dây của cáp lại và với các bớc sóng tối u thì các dòng cảm ứng sẽ triệt tiêu lẫn nhau và giảm đáng kể hiện tợng xuyên âm Tuy vậy vẫn không thể bỏ qua đợc điện cảm t- ơng hỗ giữa các đôi dây đợc Điện cảm của các loại cáp đối xứng có thể xác định bởi [ 49 ]
Trong đó: a là khoảng cách giữa các dây dẫn.
D là đờng kính dây dẫn.
là hệ số xoắn đợc xác định theo bảng 4-2
Q(x) là hàm số tra trong bảng 4-3 Với x =0 , 0105 d √ f với dây đồng và x
Giá trị điện cảm điển hình thờng khoảng 1mH/Km
Bảng 4-2 Hệ số xoắn cáp cân bằng §êng kÝnh(mm) 30 30
* Điện dung dây dẫn C ( F/Km ).
Khi dẫn điện do các dây dẫn đặt sát nhau và đợc cách ly bởi một lớp điện môi nên giữa chúng hình thành một tụ điện C Giá trị này của các đôi dây đợc xác định theo công thức [ 49 ]:
là hệ số xoắn ( bảng 4.2 ).
là hệ số lân cận giữa dây và vỏ hoặc các dây khác ( Bảng 4.4 ).
là giá trị điện môi phụ thuộc vào lớp cách điện: ε = ε 1 S 1 + ε 2 S 2
S1, S2 là diện tích lớp 1, lớp 2 bao quanh sợi đồng.
1, 2 là hằng số điện môi của lớp 1 và lớp 2 với nhựa PE thì:
= d 1 d 2 đôi sao §êng kÝnh ruét
* Điện dẫn của chất cách điện G[ Si/Km]:
Thực tế, vì không có chất cách điện lý tởng mà luôn luôn tồn tại một điện dẫn G 0 giữa 2 sợi dẫn điện Điện dẫn G này có thể đợc xác định bởi:
Với G0 = 1/R0 là điện dẫn cách điện dòng một chiều.
Gf = .C.tg là điệndẫn các điện dòng xoay chiều.
Trong thực tế với cáp thông tin thì G0