Thiết kế tuyến thông tin quang WDM

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chương Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng tăng, hệ thống truyền dẫn cần phải phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống. Do vậy, để hiểu rõ về hệ thống thông tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống; sơ đồ nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bước sóng và các thành phần cơ bản; những ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang. 1.2 Tổng quan 1.2.1 Lịch sử phát triển của thông tin quang Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người qua đôi mắt về sự vật hiện tượng. Từ xa xưa, con người đã biết dung lửa khói để truyền thông tin như đèn hiệu, đèn hải đăng … Năm 1971, V.C. Chappe phát minh ra máy điện báo quang sử dụng khí quyển làm môi trường truyền dẫn, cũng như các phương tiện thông tin trước nó phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, khoảng cách SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 1 truyền dẫn không lớn, tốc độ thấp (< 1 bit/s). Năm 1880, A.G.Bell phát minh ra máy điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị quang có khả năng biến đổi từ tín hiệu âm thanh thành tín hiệu ánh sáng. Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế và sự phát triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến. Nửa sau thế kỉ 20, thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của Laze ( 1958 ), việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi quang đã tạo bước độ phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin quang vào cuộc sống. Trong vòng 20 năm ( 1974- 1992) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc: - Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triển khai vào năm 1978, làm việc ở bước sóng 0.85um, tốc độ truyền tin vào khoảng 50 – 100 Mb/s, khoảng lặp đạt 10Km, tổn hao sợi quang 20 dB/s. - Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu năm 1980, bước sóng làm việc 1,3um, khoảng lặp 20Km, tốc độ truyền tin mới đạt 100Mb/s do hiệu ứng tán sắc trên sợi quang đa mode. Điểm hạn chế trên đã được khắc phục nhờ sử dụng sợi quang đơn mode. Năm 1987 thế hệ thông tin quang 1.3 um thứ hai có tốc độ 1,7um Gb/s, khoảng lặp 50Km đã được đưa vào sử dụng. Khoảng lặp của thế hệ này bị giới hạn bởi tổn hao sợi quang tai bước sóng 1,3um. - Năm 1990 thế hệ thông tin thứ ba của thông tin quang được đưa vào khai thác, bước sóng công tác là 1.55um, hệ số suy hao 0.2dB/Km, tốc độ truyền tin 2,4Gb/s và khoảng lặp đạt 100Km. - Thế hệ thứ tư của thông tin quang liên quan tới việc tăng tốc độ truyền tin nhờ ghép kênh theo tần số và tăng khoảng lặp nhờ dùng các bộ khuếch đại quang. Năm 1990 các bộ khuếch đại quang xuất hiện, bắt đầu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực thông tin quang. Hệ thống thông tin quang kết hợp ra đời và phát triển. Trong phòng thí nghiệm, người ta đã thành công khi truyền tin ở tốc độ 2,4Gb/s xa hơn 21.000 Km và truyền tin ở tốc độ 5Gb/s xa hơn 14.300Km. - Thế hệ thứ năm của thông tin quang đã đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện trong phòng thí nghiệm dựa trên việc duy trì hình dạng xung quanh trong quá trình truyền trong sợi quang không tổn hao nhờ hiệu ứng tán sắc bằng sợi quang phi SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 2 tuyến. Năm 1988 người ta đã chứng minh được tính khả thi của đường truyền số liệu vượt 4.000Km bằng cách bù tổn hao sợi quang nhờ tán xạ kích thích Raman. Một số hệ thống truyền dẫn thí nghiệm đã vượt khoảng cách 1.000Km với tốc độ truyền tin 10 Gb/s và vượt khoảng cách 350Km với tốc độ 20Gb/s. 1.2.2 Xu hướng phát triển của thông tin quang trong tương lai Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể, kỹ thuật thông tin quang vẫn phát triển với tốc độ nhanh theo hướng hoàn thiện kỹ thuật truyền dẫn, chuyển mạch, xử lí tin hiệu quanh nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và tăng khoảng lặp. Các xu hướng phát triển của thông tin quang trong thời gian tới có thể là : - Sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM khi nhu cầu truyền dẫn tăng vượt quá số đường thông tin hiện có. - Phát triển sợi quang bằng vật liệu mới như sợi Flor thay cho vật liệu truyền thống Silic, suy hao của loại sợi này thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly trạm lặp có thể đạt hang ngàn Km. - Phát triển vi mạch quang tích hợp và quang điện tử tích hợp DEIC. Phương pháp này kết hợp xử lí tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng một chip từ đó tăng khả năng và tốc độ xử lý tín hiệu. - Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp, các trạm lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện rồi khuếch đại, phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đổi sang tín hiệu quang truyền đi. Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối tiền khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy phát. - Cải tiến các linh kiện thu, phát quang. Linh kiện phát được phát triển theo hướng : tăng công suất phát, giảm độ rộng phổ, tăng giải thông điều chế, giảm dòng ngưỡng và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ. Linh kiện thu phát triển theo hướng : tăng đọ nhạy, tăng dải thông, giảm dòng tối, giảm ảnh hưởng của điện áp phân cực (đối với diode quang thác ADP). SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 3 1.2.3 Hệ thống thông tin quang Hình 1.1 Mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần cơ bản Một hệ thống thông tin quang hay hệ thống thông tin ánh sáng là một hệ thống liên lạc sử dụng ánh sáng để mang thông tin sợi quang. Hệ thống thông tin là hệ thống điểm – điểm, còn mạng thông tin có nhiều tuyến được nối với nhau bằng các bộ ghép hoặc các bộ chuyển mạch, cho phép liên lạc từ trạm này đến trạm khác. Hinh 1.2 minh họa mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước sóng với các thành phần cơ bản của nó. Mạng cung cấp các đường quang tới người sử dụng là các đầu cuối SDH (SONET) hay các bộ định tuyến IP. Một hệ thống thông tin liên lạc điểm – điểm gồm ba phần cơ bản là phần phát, môi trường truyền dẫn và máy thu. Phần phát có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. Đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 4 trường truyền này là cáp sợi quang. Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng xấu đến chất lượng tín hiệu truyền dẫn là nhiễu. Nhiễu có thể xuất hiện trong ba phần của hệ thống. Khác với các hệ thống thông tin ở miền điện như hệ thống thông tin vi ba, vệ tinh, trong hệ thống thông tin sợi quang nhiễu từ môi trường bên ngoài tác động vào sợi là không đáng kể. Tuy nhiên, nhiễu từ nguồn phát và máy thu lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, khi nhiễu từ các nguồn này đủ lớn, tín hiệu có thể bị méo dạng, tỉ lệ lỗi bít (BER) tăng lên. 1.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang Điểm khác nhau cơ bản của hệ thống thông tin quang và hệ thống vi ba dải tần số sóng dùng để mang thông tin khác nhau. Các tần số sóng mang quang tiêu biểu khoảng 200THz , trong khi đó dải tần sóng mang vi ba là khoảng vài GHz đến vài chục GHz. Do dung lượng thông tin tỉ lệ thuận với tần số sóng mang nên sóng ánh sáng có thể mang dung lượng thông tin gấp khoảng 10.000 lần so với sóng vi ba. Điều này được giải thích là băng thông của sóng mang đã điều chế có độ rộng bằng vài phần trăm của tần số sóng mang. Chẳng hạn, nếu cho độ rộng tiêu biểu là 1% thì băng thông của hệ thống thông tin quang là khoảng 2THz, trong khi đó của vi ba có thể đạt khoảng 200 MHz. Do đó, thông tin quang được đánh giá là hệ thống truyền dẫn và phân phối đầy tiềm năng nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng trong tương lai của xã hội. Thông thường thì tên gọi của một hệ thống thông tin gắn liền với môi trường truyền dẫn. Vì vậy mà đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi trường truyền dẫn chính là cáp sợi quang. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như hình dưới SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 5 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu quang. Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi dẫn quang để truyền đến phía thu. Ở phía thu thực hiện ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang-điện (O/E). Hệ thống thông sợi tin quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km). Hệ thống dài thường là các tuyến đường trục trên mặt đất có dung lượng lớn nối giữa các thành phố, các quốc gia hoặc các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương. Hệ thống ngắn thường là các tuyến và các vòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp hơn và khoảng cách dưới 10 km. Để đáp ứng với các loại hình thông tin số đa dạng, tốc độ cao, nhiều thuê bao như hiện nay và trong tương lai, các hệ thống này cũng thực hiện các kỹ thuật ghép kênh và khuếch đại quang như hệ thống đường trục. Dựa vào phương pháp điều chế thì có thể chia hệ thống thông tin sợi quang thành hai hệ thống: Hệ thống đều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM-DD) và hệ thống Coherence. Trong đó hệ thống IM-DD sử dụng phương pháp điều chế số ASK, còn hệ thống Coherence sử dụng thêm các phương pháp điều chế số khác như: FSK, PSK, điều chế phân cực PoLSK Hệ thống thông tin sợi quang IM-DD hiện nay được sử dụng phổ biến hơn, bao gồm các thành phần chính là phần phát quang, sợi dẫn quang và phần thu quang được biểu diễn như hình sau : SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 6 Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang IM-DD Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết nhau, bao gồm các phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát quang. Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc LD, các loại này tạo ra tín hiệu quang ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến vào. Tuy nhiên LED phù hợp với hệ thống có cự li ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành cho các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao. Tín hiệu điện ở đầu vào ở dạng số hoặc tương tự, thiết bị phát sẽ biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng. Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang. Các loại sợi được sử dụng là sợi đơn mode hay đa mode. Khi lắp đặt tuyến quang, tham số quan trọng cần chú ý đến là suy hao tín hiệu trên sợi theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng được thể hiện như hình 1.4 SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 7 Hình 1.4 Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng qua các giai đoạn khác nhau Theo như hình trên thì có 3 vùng bước sóng được sử dụng lần lược theo thời gian trong hệ thống thông tin sợi quang: đó là vùng 850nm, 1300nm, 1550nm gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tương ứng. Giai đoạn đầu cửa sổ thứ nhất được sử dụng. Sau đó, nhờ công nghệ chế tạo sợi quang phát triển mạnh, suy hao sợi quang cửa sổ thứ hai giảm nhỏ (khoảng 0,5 dB/km) cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn. Đến cuối thập niên 70, người ta sử dụng sợi ở vùng cửa sổ thứ ba với tổn hao tiêu biểu trong sợi là khoảng 0,2dB/km. [2] Các trạm lặp hoặc các khuếch đại quang: Khi hệ thống cần truyền tải thông tin với khoảng cách lớn do đó suy hao truyền dẫn giữa nguồn phát và nguồn thu lớn. Do đó cần phải lắp đặt thêm các trạm khuếch đại để bù lại suy hao đó sao cho máy thu có đủ công suất cần thiết để tín hiệu thu được đảm bảo được yêu cầu lỗi bít BER cho trước. Hiện nay, hầu hết các trạm lặp đều được thay thế bằng các bộ SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 8 khuếch đại quang do nó cồng kềnh, cần hệ thống cung cấp nguồn phức tạp, băng thông quang bị hạn chế và phải thực hiện chuyển đổi quang-điện, điện quang. Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, các mạch khuếch đại, điều khiển giải mã. Các bộ tách quang thường được sử dụng là Photodiode PIN hoặc diode thác quang ADP, cả hai loại đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh. Ngoài ra còn nhiều thành phần tạo nên hệ thống truyền dẫn hiệu quả, chẳng hạn các bộ xen rẽ kênh, bộ chia quang, bộ nối quang 1.3 Khái quát về hệ thống thông tin quang WDM Trong những năm gần đây,để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao thì kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) đã ra đời,đây là một phương thức truyền nhiều bước sóng trong cùng một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng và cũng không cần tăng thêm sợi dẫn quang nên làm tăng đáng kể băng thông mạng quang. Nguyên lý là mỗi máy phát tín hiệu trên mỗi bước sóng xác định,nhiều tín hiệu sau đó được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang.Chúng được truyền đi trên sợi đó đến nơi thu, qua bộ DEMUX tách bước sóng ra và lần lượt được thu bởi các máy thu riêng biệt. + Phương thức truyền dẫn WDM theo một hướng: Hình 1.5 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn hướng. SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 9 Hình 1.5.Hệ thống WDM đơn hướng Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép với nhau tại một đầu bởi bộ MUX-WDM rồi truyền trong một sợi quang. Ở đầu thu, tín hiệu này được giải ghép bởi bộ DEMUX-WDM rồi chuyển đến các bộ tách sóng quang để thu các bước sóng tương ứng. + Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng: Hình 1.6 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song hướng. Hình 1.6.Hệ thống WDM song hướng Các tín hiệu λ 1 , , λ k được ghép với nhau tại một đầu rồi chuyền trong sợi quang và được thu tại đầu bên kia. Đồng thời, các tín hiệu λ k+1 , , λ n được phát ở đầu bên kia và thu ở đầu này. Các bước sóng giữa hai hướng truyền không được trùng nhau. 1.4 Ưu điểm của hệ thống thông tin quang - Dung lượng cực lớn: Cáp quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến. Băng thông gấp khoảng 10000 lần so với thông tin vi ba. - Tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2dB/km, so với cáp đồng trục: 10 – 300dB/km. SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 10 [...]... Page 12 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2.1 Giới thiệu chương Sau khi tìm hiểu về hệ thống thông tin quang qua tìm hiểu ở chương trước Trong chương này tiếp tục tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang Cụ thể sẽ tìm hiểu về bộ phát quang; sợi quang; suy hao trên sợi quang; tìm hiểu về bộ thu quang và tìm hiểu về vai trò bộ khuếch đại quang trong hệ thống 2.2 Cấu trúc của... Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang Nhìn vào hình 2.1, ta thấy cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm những bộ phận sau: + Bộ phát quang + Sợi quang + Bộ khuếch đại quang + Bộ thu quang Để hiểu rõ hơn, đồ án đi vào tìm hiểu từng bộ phận dưới đây: 2.3 Bộ phát quang Các phần tử chính được chọn để sử dụng là Điôt Laser (LD), Điôt phát quang (LED) và Laser bán dẫn do chúng có... thống thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba số và thông tin vệ tinh Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sá ng trong sợi rất nhỏ, chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao trong sợi đơn mode SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km Tổn hao sợi là cơ sở để xác định SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 18 khoảng lặp trong các hệ thống thông tin. .. 2.5 Thiết bị thu quang 2.5.1 Đặc điểm chung của máy thu quang Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu ban đầu, Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ điều khiều và hồi tiếp Bộ ghép tập trung tín hiệu quang. .. bức xạ quang. Trong thông SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 13 tin quang cũng có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào phần tử bức xạ quang Các hệ thống thông tin quang hiện nay phổ biến làm việc theo nguyên lý điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng, một số nơi đã sử dụng hệ thống có áp dụng kỹ thuật điều chế gián tiếp bằng điều biên, điều pha hoặc điều tần nguồn phát quang 2.3.1 Diode phát quang LED... cao, bảo đảm độ tin cậy, dải bước sóng phù hợp, vùng phát xạ hẹp tương xứng với kích thước lõi sợi, khả năng điều chế tần số trực tiếp tại các tần số cao Bộ phát quang là thành phần quan trọng nhất của hệ thống thông tin quang. Nguồn phát quang thực chất là bộ biến đổi điện – quang. Đây là hệ thống thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang trước khi truyền đi trên sợi dẫn quang, bằng cách... bao bọc bằng lớp thủy tinh có ngoài là vỏ bọc để tránh các nguồn gây nhiễu Khi một ánh sáng đi vào sợi quang với một góc hẹp so với trục của sợi quang sẽ bị phản xạ liên tục cho tới khi truyền đến đầu cuối của sợi Có hai loại cáp quang cáp đơn mode và cáp đa mode Cáp quang đa mode có chỉ số phức tạp hơn vì nó phụ thuộc dãi thông và đặc tuyến tần số của sợi cáp Đường kính của sợi quang phụ thuộc vào mode... 1.6 Kết luận chương Toàn bộ chương cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang Qua đó giúp ta hiểu rõ được tổng thể về hệ thống đó và những ưu thế nổi bật mà các hệ thống khác không có được về đặc tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, để đánh giá sự thành công của một hệ thống không thể không nói đến vai trò của sợi quang và cáp quang, về nguồn phát quang và nhận tín hiệu thu quang, ... sợi quang Độ tán sắc rất nhỏ một sợi quang Độ tán sắc rất lớn Băng thông lớn Băng thông nhỏ Đường kính sợi nhỏ ( 7 -10μm) Đường kính sợi lớn ( 50-85 μm) Giá thành rẽ Giá thành lớn Thích hợp cho hệ thống WDM Thích hợp cho hệ thống khác Bảng 2.2 So sánh sợi đơn mode và sợi đa mode 2.4.4 Suy hao trên sợi quang Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là yếu tố rất quan trọng cần được xem xét khi thiết. .. là 1300nm và thứ ba là 1550nm được các hệ thống thông tin sợi quang sử dụng để truyền ánh sáng như minh họa hình trên Hình 2.9 Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng SVTH: Nguyễn Văn Thiện Page 26 2.4.4.2 Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ Suy hao này liên quan đến dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím và liên quan đến thủy tinh không kết tinh Suy hao xảy ra khi một photon tương tác với . thống thông tin quang hay hệ thống thông tin ánh sáng là một hệ thống liên lạc sử dụng ánh sáng để mang thông tin sợi quang. Hệ thống thông tin là hệ thống điểm – điểm, còn mạng thông tin có. QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chương Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông. Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng. của hệ thống thông tin quang Nhìn vào hình 2.1, ta thấy cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang gồm những bộ phận sau: + Bộ phát quang + Sợi quang + Bộ khuếch đại quang + Bộ thu quang Để hiểu