hệ thống thông tin cáp sợi quang

Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay việc phát triển mạng lưới thông tin đã trở thành một vấn đề cực kỳ quan trọng và cấp bách đối với Việt Nam nói riêng và toàn thế giới nói chung nhằm phục vụ cho đòi hỏi của cuộc sống con người, trong quá trình đú đó nẩy ra ý nghĩ và dần dẫn tới nghiên cứu và có sự thành công của kỹ thuật thông tin đã mở ra một bước ngoặt đáng kể. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang trong mạng viễn thông đã tạo ra hiệu quả kinh tế trong việc sử dụng môi trường truyền dẫn cho các hệ thống hoạt động với tốc độ tối ưu. Hệ thống thông tin quang có rất nhiều ưu điểm, nổi bật là băng tần truyền dẫn rộng ở Việt Nam, mạng viễn thông đã và đang thực hiện chủ trương đi thẳng vào kỹ thuật mới tiên tiến nhất, nên mặc dù đang ở giai đoạn đầu của chiến lược phát triển mạng, đề án sử dụng thông tin cáp quang là chủ yếu và nó chiếm vị trí quan trọng ở các phương diện như cáp biến quốc tế, hệ thống đường trục quốc gia và nội hạt, nhất là ngành bưu chính - viễn thông Chính phủ càng quan tâm vì đây là ngành có vai trò quan trọng trong cơ cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc dân, với việc lắp đặt các hệ thống vi ba số, vệ tinh nhất là sắp phóng vệ tinh nhân tạo (2003) … là hàng loạt tuyến truyền dẫn cáp quang đã và đang trang bị đưa vào khai thác ở tất cả các trung tâm từ khu vực trung du miền núi đến các huyện, tỉnh, thành và các cửa ngõ quốc tế. Chính vì thế mà phải có công tác đào tạo, bồi dưỡng đội ngò kỹ thuật về lĩnh vực này là quan trọng và cấp thiết. Được sự giúp đỡ tận tình và hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Đức Thuận cựng cỏc bài giảng của các thầy giáo, cô giáo trong cả trong cả quá trình học tập đó giỳp em hoàn thành bản báo cáo này cũng như sự hiểu biết rất nhiều về lĩnh vực thông tin quang. Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt thành của thầy Nguyễn Đức Thuận cựng cỏc thầy cô trong khoa điện tử - viễn thông cựng cỏc bạn. Do sự hiểu biết, thời gian có hạn và lần đầu tiên làm báo cáo thực tập chắc chắn không tránh khỏi những sai sót và vướng mắc, em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy, cỏc cụ cựng các bạn. Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin quang 1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin cáp sợi quang Từ những suy nghĩ về thông tin quang đến những quá trình nghiên cứu, đến nay có rất nhiều các loại hình hệ thống thông tin. Động cơ thúc đẩy sự ra đời của hệ thống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc độ truyền dữ liệu để có thể truyền được nhiều thông tin hơn nữa hoặc tăng khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lặp. Trước thế kỷ thứ XIX, tất cả các hệ thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rất thấp về cơ bản, chỉ dưới ánh sáng hoặc âm thanh như đèn tín hiệu hay kèn. Một trong những tuyến truyền dẫn ánh sáng được biết sớm nhất đó là sử dụng lửa của những người Hy Lạp trong những thế kỷ trước công nguyên để truyền tín hiệu báo động, lời cầu cứu hay các thông báo về những sự kiện nào đó. Vào những năm 150 trước công nguyên, các tín hiệu nhìn thấy này được mó hoỏ theo các ký tù alphabet để sử dụng rộng rãi phát đi những tín hiệu bản tin … Những cải tiến có đầy sự nghiên cứu nhưng còn hạn chế về công nghệ, như tốc độ của 1 tuyến thông tin bị hạn chế bởi sử dụng mắt người làm thiết bị thu, chính vì vậy mà đòi hỏi tuyến truyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do ảnh hưởng của sương mù, mưa nên sẽ làm cho tuyến truyền bị gián đoạn, nhiễu, không tin cậy, vì thế nên việc gửi các thông tin bằng sức người lại nhanh hơn và hiệu quả hơn. Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B. Morse đã mở ra một kỷ nguyên thông tin mới - kỷ nguyên thông tin điện. Dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên được sử dụng cáp đồng từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo, các công trình thông tin đã được mở rộng bằng việc xây dựng các tổng đài điện thoại vào năm 1878 và năm 1887 phát hiện ra bức xạ điện từ bước sóng dài. Năm 1895 ứng dụng bức xạ này để truyền vô tuyến. Trong các hệ thống điện, dữ liệu được truyền cỏc kờnh thông tin bằng cách chồng cỏc kờnh thông tin lên một sóng điện gọi là sóng mang. Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Tại phía thu thông tin được tách ra khỏi sóng mang và sử lý theo ý muốn. Lượng thông tin cần truyền liên quan trực tiếp đến dải tần sóng mang hoạt động. Khuynh hướng trong việc phát triển của hệ thống thông tin điện là sử dụng các tần số cao dần lên phải tăng độ rộng băng truyền và dung lượng thông tin cũng được tăng lên tương ứng, dẫn đến sự ra đời của vô tuyến truyền hình, ra đa và các tuyến vi ba. Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin Đây là nguyên lý thông tin nguyên thuỷ. Theo sơ đồ tín hiệu cần truyền đi sẽ được phát vào môi trường truyền dẫn, tương ứng ở đầu thu sẽ thu lại tín hiệu cần truyền. Như vậy, tín hiệu đã được thông tin từ nơi gửi tín hiệu đi đến nơi nhận tín hiệu đến. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trường truyền dẫn ở dây là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phớa phỏt tới phía thu. * Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang: Vào năm 1960, việc phát minh ra tia laser để làm nguồn phát quang và sợi dẫn quang (nhưng độ suy hao lớn lên tới 1.000dB/km) đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng và tạo ra được một mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn. Vào năm 1970, đã chế tạo thành công sợi thủy tinh có độ suy hao bé (20dB/km), cho đến nay độ suy hao đạt tới mức cực nhỏ chỉ còn 0,154dB/km tại bước sóng 1500nm. Giá trị suy hao này gần đạt tới tính toán lý thuyết cho các sợi đơn mode là 0,14dB/km. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu N¬i tÝn hiÖu ®i N¬i tÝn hiÖu ®i ThiÕt bÞ ph¸t M«i trêng truyÒn dÉn ThiÕt bÞ thu N¬i tÝn hiÖu ®Õn Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với hệ thống thông tin cáp kim loại. - Suy hao truyền dẫn nhỏ - Băng tần truyền dẫn lớn - Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ - Có tính bảo mật tín hiệu thông tin - Kích thước và trọng lượng nhỏ - Sợi có tính cách điện tốt - Tin cậy và linh hoạt - Sợi được chế tạo từ vật liệu có sẵn Nhờ đó mà đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều mạng lưới như tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao, kéo dài cho cả việc truy nhập vào mạng thuê bao, đáp ứng mọi yêu cầu từ trong nhà các cấu hình thiết bị, tới xuyên lục địa, vượt đại dương …. Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống tuyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghộp kờnh nào. Các tiêu chuẩn của Bắc Mỹ - Châu Âu hay Nhật Bản hiện nay các hệ thống thông tin đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng các tín hiệu analog hay digital cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với những cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng, có những nước phát triển mạnh mẽ, lấy cáp quang làm môi trường truyền dẫn mạnh mẽ chính trong mạng lưới viễn thông. Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang * Sù phát triển của hệ thống thông tin quang: Biểu hiện qua Hình 1 Các hệ thống hoạt động ở bước sóng 1550nm cho mức suy hao thấp nhưng lại có mức tán xạ tín hiệu lớn hơn ở bước sóng 1300nm. Vì mức tán xạ này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các sợi quang được chế tạo đặc biệt nờn nú đó thu hót sự chú ý của tuyến truyền dẫn dưới biển và trên lục địa. HÖ thèng 5 Gbit/s;233km víi 5 bé k/® quang Sîi ®¬n mode 1300nm 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 0.1 1.0 10 100 1000 HiÖu suÊt cña hÖ thèng (Gbit/s.km) Sîi ®a mode 800nm T¸ch sãng trùc tiÕp Sîi ®¬n mode1550nm T¸ch sãng kÕt hîp ®¬n mode 1550nm Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Cấu trúc các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang: Hình 2 Bé thu quang Bé lÆp M¹ch ®iÒu khiÓn Nguån ph¸t quang T/h vµo M¸y thu quang M¸y ph¸t quang M¹ch ®iÖn T/h ra Bé khuyÕch ®¹i KhuyÕch ®¹i quang Tíi c¸c thiÕt bÞ kh¸c Kh«i phôc tÝn hiÖu Bé chia quang Bé nèi quang T/h ®iÖn T/h quang Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Sợi đơn mode chỉ truyền duy nhất một mode, sợi đa mode có đường kính Dk khá lớn, còn sợi đơn mode có đường kính Dk là nhỏ. n 2 n 1 Xung vµo Xung ra Sîi SI - MM (H.3a) n 2 n 1 Xung vµo Xung ra Sîi GI - MM (H.3b) n 2 n 1 Xung vµo Xung ra Sîi SI - MM Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Nếu hiểu mode là các tia sáng thành phần được truyền dẫn thì trong sợi đa mode có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau, còn trong sợi đơn mode chỉ có 1 mode được truyền là tia chạy song song với trục của sợi. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang hiện nay phù hợp cho việc truyền dẫn tín hiệu số. Các thành phần chính của 1 tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. - Phần phát quang: được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điều khiển liên kết với nhau. - Phần cáp sợi quang: gồm các sợi dẫn quang và cỏc lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ sợi khỏi bị tác động của môi trường bên ngoài. - Phần thu quang: do bộ tỏch súng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài ra cũn cú cỏc bộ nối quang (connector) các mối hàn chia quang và các trạm lặp. 1.2. Cấu tạo và các thông số của cáp sợi quang. 1.2.1. Cấu tạo sợi quang: Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n 1 , bán kính a, đường kính Dk và líp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang xung quang ruột có chiết suất n 2 (n 2 <n 1 ). Đường kính Dm n 1 , n 2 và a là các tham số quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi Với 2 chiết suet n 1 , n 2 có thể định nghĩa được: Hình 4- Cấu tạo sợi quang n 2 Dk Dm a n 1 (H.3c) Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang - Độ lệch chiết suất: ∆n = n 1 - n 2 - Độ lệch chiết suất tương đối: ∆ = ∆n/n 1 = (n 1 - n 2 )/n 1 = (n 1 2 - n 2 2 )/2n 1 2 Hai tham số này cũng quyết định đặc tính tuyền dẫn của sợi. 1.2.2- Phân loại và cấu trúc các sợi quang a, Phân loại sợi quang: Nhờ vào đặc tính truyền dẫn và những ứng dông cụ thể mà người ta chia sợi quang ra những phương pháp khác nhau. * Phân loại theo cấu tạo: Phân chia theo kích thước ruột và vỏ, theo loại vật liệu sử dụng và theo sự biến thiến chiết suất trong ruột sợi. * Phân loại theo đặc tính truyền dẫn: Phân chia theo các sợi đơn mode hay đa mode. Trong thựctế đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia theo 2 loại này vỡ nú bao gồm sự khác biệt về cấu trúc của vỏ và ruột sợi. b, Cấu trúc các sợi đơn mode và đa mode Đặc điểm của sợi đa mode là sự truyền đồng thời nhiều mode, tạm thời chúng ta chỉ hiểu mode là một loại sóng hoặc là một tia thành phần, còn sợi đơn theo sự biến thiên của chiết suất bên trong của sợi đơn, người ta chia sợi có chiết suất bậc SI (Step Index) và sợi chiết suất biến thiên liên tục GI (Graded Index). Trong sợi SI-MM chiết suất của sợi (n 1 ) khụng thay đổi (vì n 1 >n 2 ) của vỏ, nên tại mặt phân cách vỏ, ruột chiết suất có bước nhảy trong sợi GI-MM. Chiết suất n 1 của ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột và giảm dần cho đến mặt phân cách của vá - ruột thì có giá trị n 2 của vỏ. Sợi đơn mode được chế tạo là loại sợi SI-MM, như vậy có thể tạm chia sợi thành 3 loại trên. H.3a: Sợi đa mode chiết suất bậc SI-MM (Multi Modes) H.3b: Sợi đa mode chiết suất biến đổi GI-MM H.3c: Sợi đơn mode SI-MM (Single Mode) Sự biến đổi của sợi có biểu hiện qua: Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang n(r) = n 1 [1-2(r/a) g ] 1/2 n(r) = n 1 cho r > a n = (r) 1/2  1,5 r là hằng số điện môi tương đối của vật liệu, thực ra chiết suất còn thay đổi theo bước sóng công tác. H5: Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác Sự phụ thuộc của chiết suất thuỷ tinh thạch anh vào bước sóng công tác Khi muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột và vỏ sợi, người ta cho thêm chất khác vào. Vớ dô: Cũng là thuỷ tinh thạch anh cho thêm hoạt chất: - Cho GcO 2 vào làm tăng chiết suất - Cho Fluorid (F) vào làm giảm chiết suất 1 1,6 1,4 1,45 1,46 n λ/µm [...]... (àm) Thu tinh thch anh Thy tinh thnh phn nhiu Thy tinh thch anh nhiu thnh phn Nha tng hp 50 50 200 Vt liu v Thu tinh thch anh Thy tinh thnh phn nhiu 100 200 Nha tng hp 1000 200 1000 Nha tng hp Dm (àm) 125 125 380 200 380 1200 250 1200 Si n mode ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang thng thụng tin cỏp si quang Thu tinh thch anh 5 10 Thu tinh thch anh H 125 1.2.5- Phm vi ng dng Si quang c... thụng tin quang cng nh to ra cỏc h thng truyn dn cc ln v cú kh nng khong cỏch rt xa, cỏc thụng bỏo kt qu thc nghim gn õy cho thy cỏc nc tiờn tin ó tp trung theo hng phỏt trin mng thụng tin quang, trong ú cỳ cc hng c bn sau: ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang thng thụng tin cỏp si quang Cỏc h thng truyn dn tc ln - Cỏc h thng chuyn mch quang - Cỏc mch quang thớch hp - H Cỏc b khuch i quang. .. ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang H thng thụng tin cỏp si quang Khi phỏt quang phỏt x ra ỏnh sỏng cú bc súng v cụng sut n nh phỏt vo si quang cn o th Khi thu quang thu cụng sut ỏnh sỏng ra khi si quang Hin nay ngi ta s dng 2 phng phỏp o c bn sau: 2.2.3a, Phng phỏp o ct ngc S o ct ngc c trỡnh by nh sau (H16) P1 P2 Nguồn tách quang Thấú kính L1 Tách quang Đánh giá Sợi quang L2 + Giỏ tr cụng sut... tiờu hao si quang l: = (10/L)logP1/P2 [dB/km](2.4) (2.4) ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang thng thụng tin cỏp si quang H Chng III B TCH QUANG 3.1-B tỏch quang bỏn dn Cỏc b tch sỳng quang trong bộ thu quang thc hin chc nng c bn l bin i tớn hiu quang ti thanh tớn hiu in B thu quang cũn cú chc nng khuych i v khi thc hin truyn dn s thỡ cú th va tỏi to tớn hiu va iu khin tng sau ca b thu quang Trong... ca ngun phỏt quang (Diode phỏt quang hay diode laser) hay u ra ca si quang Khi a ngun bc x quang vo si quang, nu tt c cỏc mode truyn dn u c phộp vo si quang thỡ kt qu o si bin thiờn ca trng gn s cho bit chớnh xỏc s bin thiờn ca ng bao ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang H thng thụng tin cỏp si quang chit sut trong rut si Vy o trng gn cho phộp xỏc nh s bin thiờn chit sut ca si quang Phóng đại... thng thụng tin cỏp si quang H thng thụng tin cỏp si quang Hỡnh 19-S khi b thu quang in hỡnh trong h thng truyn dn s c tớnh b thu quang c ỏnh giỏ theo nhy thu tc l lng cụng sut quang yờu cu t c t l li bit ó cho Núi mt cỏch khỏc, nhy thu l mc cụng sut quang nh nht cú th thu c m vn m bo t l li bit cho trc c tớnh ca b tỏch quang v mch tin khuych i l yu t chớnh xỏc nh nhy thu ca b thu quang Hai loi... quang Trong h thng Thụng tin quang, cỏc b tch sỳng quang phi tha món cỏc yờu cu v tc nha- nhy cao-tp õm thp v bc súng hat ng phự hp Hin nay cú mt s loi b tch sỳng quang ang c s dng vi cỏc mc ớch khỏc nhau, nhng tỏch quang bỏn dn l c s dng vỡ: Kớch thc nh Vt liu phự hp ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang thng thụng tin cỏp si quang nhy cao H Thi gian ỏp ng nh B tch sỳng quang lng t c chia ra... o th 2.2- o trờn si quang 2.2.1- o trng xa: Khi o lng trờn si quang m (NA) ca si quang gi mt vai trũ cc k quan trng Cũn khi hn ni hoc ni qua b ni hai si quang vi nhau thỡ yờu cu m ca chỳng phi bng nhau Trong trng hp ni si quang vo cỏc linh kin phỏt quang hoc thu quang cng cn phi quan tõm n m ca si quang m (NA) cú tm quan trng cao nờn vic o m l vụ cựng cn thit m (NA) ca si quang c nh ngha l na... thng thụng tin cỏp si quang thng thụng tin cỏp si quang H Chng II K thut o lng cỏc thụng s ca CP QUANG 2.1- Mc ớch v yờu cu Trong k thut thụng tin núi chung, thụng tin quang núi riờng vn o lng o lng v xỏc nh cỏc thụng s ó c nghiờn cu cng nh cỏc thụng s phc v cho vic nghim thu cỏc cụng trỡnh thụng tin mi c xõy dng Trc khi c a vo khai thỏc v cỏc h thng thụng tin ang c khai thỏc cỳ cn m bo cht lng theo... dng trn cc h thng thụng tin ang xõy lp hoc ang vn hnh khai thỏc i vi si dn quang vic o th l mt vn mi, nờn mt s thụng s ca phng phỏp o cú th ỏp ng tip cn c nh vo phng phỏp quang hỡnh Song do c tớnh súng ca ỏnh sỏng nờn cú nhiu kt qu o khụng th gii thớch c, d gõy sai sút khi o  ỏn tt nghip H thng thụng tin cỏp si quang H thng thụng tin cỏp si quang Do vy, cỏc phộp o vi tớn hiu quang cn lu ý trc 1 s c . Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang Chương I Tổng quan về hệ thống thông tin quang 1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin cáp sợi quang Từ những suy nghĩ về thông tin. nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với hệ thống thông tin cáp kim. mạng lưới viễn thông. Đồ án tốt nghiệp Hệ thống thông tin cáp sợi quang Hệ thống thông tin cáp sợi quang * Sù phát triển của hệ thống thông tin quang: Biểu hiện qua Hình 1 Các hệ thống hoạt động