Tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên trong hệ thống thông tin sợi quang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 1.1 Giới thiệu chương Trong chương nhằm trình bày cách chung hệ thống thông tin sợi quang 1.2 Đặc điểm bật hệ thống cáp kim loại là: • Suy hao truyền dẫn nhỏ • Băng tần truyền dẫn lớn • Không bị ảnh hưởng nhiễu điện từ • Có tính bảo mật tốt • Có kích thước trọng tải nhỏ • Sợi có tính cách điện tốt chế tạo từ vật liệu có sẵn 1.3 Hệ thống truyền dẫn quang Tín hiệu điện từ thiết bị đầu cuối như: điện thoại, điện báo, fax số liệu sau mã hóa đưa đến thiết bị phát quang Tại đây, tín hiệu điện chuyển đổi sang tín hiệu quang Tín hiệu suốt trình truyền sợi quang thi bị suy hao đường truyền người ta đặt trạm lặp nhằm khôi phục lại Mã hóa Thiết bị phát Phát quang Bộ Lặp Sợi quang Sợi quang Thiết bị thu quang Giải Mã Thu Hình 1.2: Cấu hình hệ thống thông tin quang 1.4 Kết luận chương Qua chương1: tổng quan hệ thống thông tin quang Ta thấy hệ thông thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi với ưu bật mà hệ thống khác đặc tính kỹ thuật hiệu kinh tế Tuy nhiên, để đánh giá thành công hệ thống không nói đến vai trò sợi quang cáp quang, vấn đề trình bày cụ thể chương sau -1- CHƯƠNG 2: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 2.1 Giới thiệu chương Cùng với phát triển khoa hoc kỹ thuật cáp quang sợi quang ngày phát triển nhằm phù hợp với môi trường khác nước, đất liền, treo không, đặc biệt gần cáp quang treo đường dây điện cao thế, đâu cáp quang sợi quang thể tin cậy tuyệt đối 2.2Sợi quang 2.2.1 Đặc tính ánh sáng Pháp tuyến Pháp tuyến n2 n1 Tia khúc xạ Tia khúc xạ φ2 Ө Ө φ1 Tia tới a) Tia phản xạ Tia tới Pháp tuyến Tia tới c) b Pháp tuyến Tia phản xạ Tia tới d) Hình 2.1: Mô tả tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng 2.2.2 Sợi quang -2- Sợi quang phân loại cách khác trình bày sau: Sợi quang thạch anh Phân loại theo vật liệu điện môi Sơi quang thủy tinh đa vật liệu Sợi quang nhựa liệu Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode truyễn dẫn Sợi quang đa mode Sợi quang chiết suất phân bậc Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất biến đổi vỏ sợi Lõi sợi -3- Hình 2.2: Cấu trúc tổng thể sợi 2.2.3 Suy giảm tín hiệu sợi quang 2.2.3.1 Hấp thụ tín hiệu sợi dẫn quang - Hấp thụ tạp chất: - Hấp thụ vật liệu - Hấp thụ điện tử: 2.2.3.2 Suy hao uốn cong sợi  Uốn cong vĩ mô: uốn cong có bán kính uốn cong lớn tương đương lớn đường kính sợi  Uốn cong vi mô: sợi bị cong nhỏ cách ngẫu nhiên thường bị xảy lúc sợi bọc thành cáp 2.3 Cáp quang 2.3.1 Các biện pháp bảo vệ sợi Trước tiến hành bọc cáp, sợi quang thường bọc lại để bảo vệ sợi chế tạo cáp Có hai biện pháp : • Bọc chặt sợi • Bọc lỏng sợi -4- 2.3.2 Các thành phần cáp quang Các thành phần cáp quang bao gồm: Lõi chứa sợi dẫn quang, phần tử gia cường, vỏ bọc vật liệu độn  Lõi cáp: Các sợi cáp bọc chặt nằm cấu trúc lỏng, sợi cấu trúc lỏng rãnh kết hợp với tạo thành lõi cáp Lõi cáp bao quanh phần tử gia cường cáp Các thành phần tạo rãnh ống bọc thường làm chất dẻo  Thành phần gia cường: Thành phần gia cường làm tăng sức chịu đựng cáp, đặc biệt ổn định nhiệt cho cáp Nó kim loại, phi kim, nhiên phải nhẹ có độ mềm dẻo cao  Vỏ cáp: Vỏ cáp bảo vệ cho cáp thường bọc đệm để bảo vệ lõi cáp khỏi bị tác động ứng suất học môi trường bên Vỏ chất dẻo bọc bên cáp vỏ bọc kim loại dùng cho cáp chôn trực tiếp 2.4 Kết luận chương Kết thúc chương giúp ta hiểu thêm đặc tính kỹ thuật sợi quang cáp quang Để ứng dụng quang hệ thống thông tin sợi quang phải bọc thành cáp Với môi trường khác cấu trúc cáp quang khác để phù hợp với nhu cầu thưc tế Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng tốt hệ thống thiết bị phát quang thiết bị thu quang góp phần quan trọng phần nghiên cứu chương sau -5- CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ PHÁT QUANG VÀ THIẾT BỊ THU QUANG 3.1 Giới thiệu chương Trong chương trình bày cách chi tiết thiết bị phát quang LED, LD hay thiết bị thu PIN, APD nguyên tắc hoạt động để từ lựa chọn thiết bị phù hợp với hệ thống yêu cầu thiết kế 3.2 Thiết bị phát quang 3.2.1 Điốt LED Điốt phát quang LED nguồn phát quang phù hợp cho hệ thống thông tin quang tốc độ không 200Mbit/s sử dụng sợi dẫn quang đa mode 3.2.2 Điốt Lased E2 E2 E1 E1 h h Hấp thụ E2 h h E1 Phát xạ tự phát a b Hình 3.1 Mức lượng trình chuyển dịch 3.3 Thiết bị thu quang 3.3.1 Photodiode PIN -6- Phát xạ kích thích c Thiên áp P Lỗ trống i Điện tử Trở tải n Photon Vùng cấm Điện tử P Vùng dẫn n hv >E Lỗ trống Vùng nghèo Vùng hoá trị Hình 3.2: Sơ đồ vùng lượng Photodiode PIN 3.3.3Photodiode APD Hình 3.3: Cấu trúc Photodiode thác điện trường vùng trôi 3.3 Đặc tính tham số thiết bị thu quang 3.3.1 Hiệu suất lượng tử -7- IP Hiệu suất lượng tử định nghĩa tỷ số điện tử sinh số photon hấp thụ.Thường điốt đạt hiệu khoảng 60% đến 80% 3.3.2 Bộ thu quang truyền dẫn tín hiệu số Hình 3.4 sơ đồ khối thu quang điển hình truyền dẫn số 3.4 Kết luận chương Việc xem xét đặc tính kỹ thuật thiết bị thu quang yếu tố quan trọng Chất lượng hệ thống phụ thuộc nhiều vào thiết bị thu quang mà ta xét chủ yếu đến LD -8- CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 4.1 Giới thiệu chương Để khắc phục tình trạng kỹ thuật ghép kênh quang đời có nhiều phương pháp ghép kênh khác phương pháp ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM-Optical Time Division Multiplexing) ưu việt sử dụng phổ biến toàn giới Đối với OTDM, kỹ thuật ghép kênh có liên quan đến luồng tín hiệu ghép, dạng mã tốc độ đường truyền 4.2 Nguyên lý ghép kênh OTDM Sơ đồ khối mô tả hoạt động hệ thống truyền dẫn quang sử dụng kỹ thuật OTDM Hình 4.1: Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép kênh quang Các hệ thống ghép kênh OTDM thường hoạt động vùng bước sóng 1550nm, bước sóng có suy hao quang nhỏ lại phù hợp với khuếch đại quang sợi có mặt hệ thống Các khuếch đại quang sợi có chức trì quỹ công suất hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N phía thu quang -9- CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5.1 Giới thiệu chương Các hệ thống thông tin quang ứng dụng có hiệu lĩnh vực truyền dẫn số Do tính toán, thiết kế ta xem xét hệ thống truyền dẫn số IM-DD (Intensity Modulation-Direct Detection) điều kiện bắt buộc kỹ thuật tính kinh tế đóng vai trò quan trong tất tuyến thông tin sợi quang Mục đích việc thiết kế tuyến phải đạt yêu cầu sau:  Cự ly truyền dẫn theo yêu cầu  Tốc độ truyền dẫn  Tỷ số lỗi bit BER Để đảm bảo cho việc thiết kế tuyến đạt yêu cầu cần phải chọn thành phần tuyến:  Sợi quang đơn mode hay đa mode  Kích thước lõi sợi  Chỉ số chiết suất mặt cắt lõi  Băng tần tán sắc  Suy hao sợi  Khẩu độ hay bán kính trường mode Nguồn phát LD hay LED  Bước sóng phát  Độ rộng phổ  Công suất phát  Vùng phát xạ có hiệu Thiết bị thu quang sử dụng PIN hay APD  Hệ số chuyển đổi  Bước sóng làm việc - 10 -  Tốc độ làm việc  Độ nhạy thu Các bước thiết kế: Chọn bước sóng làm việc tuyến Lựa chọn thành phần thiết bị hoạt động bước sóng Chọn thiết bị thoả mãn yêu cầu đặt 5.4 Nhiễu hệ thống thông tin quang 5.4.1 Nhiễu lượng tử Giá trị nhiễu lượng tử phụ thuộc vào tham số : i shot = 2.e.i.B (5.23) Trong đó: B độ rộng băng thu I dòng trung bình đến tách sóng Giá trị dòng nhiễu lượng tử dòng nhiễu lượng tử tăng theo ishot = 2.e.i.B , từ biểu thức ta thấy B 5.4.2 Nhiễu nhiệt Công thức tính toán nhiễu nhiệt: i = KTB RL (5.24) Tong :K số Boltzman K =1,38.1023 T nhiệt độ đơn vị kenvin , T=t( 0c) + 273 R điện trở tải 5.5Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 5.5.1 Đối với photodiode PIN Trong hệ thống tách sóng trực tiếp, sử dụng diode tách sóng PIN giá trị dòng công suất tới quan hệ sau : is = ηe ps hv (5.25) Với: η : hiệu suất lượng tử h :là số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có công suất tải : - 11 - S = i2.RL S= ( ηe ps )2 RL hv 5.26 -Công suất nhiễu lượng tử với dòng bao gồm dòng tối : N shot = i shot R L = 2.eI BRL = 2e( ηe Ps + id ).B.R L hv 5.27 -Dòng nhiễu nhiệt : inh = KTB RL : unh2 = 4KTB.RL Công suất nhiễu nhiệt : N nh = KTB RL = KTB RL 5.28 Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: ( ηe ps ) RL hv S = N 2e(η e p + i ) B.R + K B.T s d L hv 5.29 5.5.2 Đối với photodiode thác APD Như biết APD bao gồm lớp chuyển đổi quang điện lớp nhân điện,do nhiễu xuất lớp chuyển đổi quang điện i 2shot = 2.e.I.B nhân lên lớp nhân với hệ số nhân M i êhot = ( ηe ps + id ) M + x B hv 5.30 N shot = i shot RL = 2.eI BRL = 2e( ηe Ps + id ).M + x B.RL hv 5.31 Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức.Đây giá trị sinh hiệu úng thác Với x hệ số tạcp âm mức giá trị x phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode APD Đối với photodiode si =0.3, photodiode InGAs x=0.7 photodiode Ge x=1 - 12 - Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: S = N Tỷ lệ lỗi bit: ( ηe M p s ) RL hv 5.32 ηe 2e( p s + id ) M 2+ x B.RL + K B.T hv BER = exp(− q 2 ) (5.33) q 2.π Với q=SN/2 Tỷ số BER nhỏ chất lượng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thường BER= 10 −9 hay[...]... đó ta có công suất phát tối ưu cho laser trong trường hợp sử dụng PIN : PT = PA + PS = 34 + (-28,7) = 5,3dBm Như vậy chọn thiết bị phát với công suất danh định là: PT = 5,34mW 5.11 Tính toán thời gian lên -Thời gian lên tối đa của hệ thống tt = 0,7/Bt = 0,7/2,5.109 = 2.8.10-10 s - 18 - -Thời gian lên của thiết bị thu: tn = 350/B = 350/2,5.109 = 14.10-10 s -Thời gian lên tán sắc mode của sợi quang: tt... s trong đó : q là tham số có giá trị từ 0,5 đến 1 Bo: băng tần một km cáp sợi quang (MHz) L: chiều dài của cáp - Thời gian lên tán sắc vật liệu ống dẫn sóng: tvl = D.L σ = 17.0.04.100 = 68ps = 68.10-12 tt = Khi đó thời gian lên của tuyến: 440 Lq  350  t + ( D.L.σ ) + +  Bo  Brx  2 tx 2 2 tt = 2,65.10-10 s như vậy thời gian lên của tuyến là: tt = 2,65.10-10 s 5.12 Kết luận chương Kết quả việc tính. .. 5.7 Bài toán tính toán và thiết kế theo quỹ công suất và thời gian lên - 14 - Yêu cầu cụ thể của tuyến như sau: - Tuyến A-B với cự ly truyền dẫn: L = 100 km - Tốc độ bit: Bt =2,5 Gb/s - Mã sử dụng là mã RZ - Số conector(mối nối): 2 - Số Slice(mối hàn): 20 - BER cho phép 10-10 và không sử dụng bộ khuyếch đại quang 5.7.1 Chọn bước sóng làm việc của tuyến Chọn bước sóng làm việc của tuyến có liên quan... thuộc vào từng hệ thống Thường BER= 10 −9 hay ... THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5.1 Giới thiệu chương Các hệ thống thông tin quang ứng dụng có hiệu lĩnh vực truyền dẫn số Do tính toán, thiết kế ta xem xét hệ thống. .. hao quang nhỏ lại phù hợp với khuếch đại quang sợi có mặt hệ thống Các khuếch đại quang sợi có chức trì quỹ công suất hệ thống nhằm đảm bảo tỷ lệ S/N phía thu quang -9- CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT... luận chương Kết thúc chương giúp ta hiểu thêm đặc tính kỹ thuật sợi quang cáp quang Để ứng dụng quang hệ thống thông tin sợi quang phải bọc thành cáp Với môi trường khác cấu trúc cáp quang khác