TỔNG QUAN VỀ SỢI DẪN QUANG

Đề tài:TỔNG QUAN VỀ SỢI DẪN QUANG

Lời Nói Đầu

Chúng ta đã bước vào thế kỹ 21, ở đó vai trò của thông tin liên lạc vàkiến thức là yếu tố quyết định sự thành công của mỗi ngành, mỗi quốc gia.Với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, Việt Nam đã và đang hiệnđại hoá mạng lưới viễn thông để hoà nhập với thế giới góp phần không nhỏcho sự phát triển kinh tế, xã hội trong công cuộc đổi mới đất nước

- -Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triểntrên thế giới luôn có mạng viễn thông phát triển với nhiều loại hình dịch vụphong phú Việt Nam gần đây nhu cầu thông tin ngày càng tăng đòi hỏi sốlượng kênh truyền dẫn lớn, chất lượng truyền dẫn cao song mạng truyềndẫn ở nhiều nơi chưa đáp ứng được nhu cầu của khách hàng Do vậy bằng

kỹ thuật thông tin quang, người ta có thể tạo ra các hệ thống thông tin cómôi trường truyền dẫn nhiều kênh với tốc độ cao, độ rộng băng tần lớn,truyền tín hiệu đi xa mà tổn hao lại thấp

Khi mức sống được nâng cao, nhu cầu của con người ngày càng tăng.Các dịch vụ như hội nghị truyền hình, thâm nhập đến các cơ sở dữ liệu từxa… Đòi hỏi phải có một mạng linh hoạt Các môi trường truyền dẫn cũngđược nghiên cứu ứng dụng vào thực tế để đáp ứng các yêu cầu này Cápquang ngày nay được ứng dụng nhiều vào thực tế và ngày càng khẳng địnhtính ưu việt của nó

Trong bản đồ án này, em đi vào tìm hiểu một số vấn đề cơ bản của

kỹ thuật thông tin quang gồm ba phần như sau :

Phần I : Tổng quan về sợi dẫn quang, phần này gồm 5 chương.Chương I cho ta một cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang, ưuđiểm của thông tin quang và những ứng dụng của nó Chương II trình bày

lý thuyết chung về sợi dẫn quang như cơ sở quang học và phân loại sợiquang Chương III trình bày các nguyên nhân gây suy hao và tán sắc trongsợi quang Chương IV nói về cấu tạo sợi quang và nguyên lý truyền dẫnánh sáng trong sợi quang Chương V trình bày về cấu trúc của cáp quang

Phần II : Kỹ thuật SDH, phần này gồm 2 chương Chương I giớithiệu sơ lược về hệ thống truyền dẫn cận đồng bộ số PDH như nguyên tắcghép luồng, các tiêu chuẩn PDH của Châu Âu, Nhật Bản, Bắc Mỹ, các đặcđiểm của tín hiệu PDH và nhược điểm của hệ thống này Chương II giớithiệu về hệ thống phân cấp đồng bộ số SDH, chương này cho chúng ta mộtcái nhìn tổng quát về hệ thống SDH, ưu và nhược điểm của hệ thống SDH,

giới thiệu về bộ ghép SDH, chức năng và cấu trúc của các khối trong bộghép SDH

Phần III : Thiết kế tuyến cáp quang trung kế - đường dài phần nàygồm 4 chương Chương I nói về khái niệm tuyến trung kế - đường dài vàphạm vi thiết kế tuyến này Chương II trình bày một số loại cáp quang vàcác thông số vật lý của nó hiện đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam

do Công Ty Liên Doanh Sản Xuất Cáp Sợi Quang VINA - GSC chế tạo.Chương III giới thiệu sơ lược về thiết bị truyền dẫn quang FLX150/600 docông ty FUJITSU của Nhật Bản chế tạo như mô tả về hệ thốngFLX150/600, chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, mô tả thiết bị, mô tả chứcnăng của hệ thống, chức năng của các card trong hệ thống FLX150/600.Chương IV tiến hành thiết kế tuyến cáp quang cự ly ngắn nội Tỉnh ThừaThiên Huế, chương này giới thiệu sơ lược về mạng viễn thông Tỉnh ThừaThiên Huế, các yêu cầu đặc ra và phương pháp thiết kế tuyến từ đó tiếnhành thiết kế một tuyến cáp quang cụ thể là tuyến Huế - Hương thủy, đây

là một tuyến rất quan trọng trong địa bàn Tỉnh Thừa Thiên Huế

Mặc dù rất cố gắng nhưng do giới hạn về trình độ hiểu biết và thờigian hoàn thành nên bản đồ án này không khỏi thiếu sót Em rất mong nhậnđược sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để tiếp tục hoàn thiện hơnnữa bản đồ án này

Hà Nội, ngày …tháng … năm …

Sinh viên thực hiện

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ SỢI DẪN QUANG

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT 1.1 Qúa trình phát triển của thông tin quang :

Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng của lửa để làm phương tiện thông tin đến nay, lịch sử của thông tin quang đa qua những

bước phát triển và hoàn thiện được ghi nhận những mốc thời gian sau :

- 1790 CLAUDE CHAPPE kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thốngđiện báo quang ( Opticat telegraph ) hệ thống này gồm một chuỗi các tháp vớicác đèn báo tín hiệu di động trên đó, hệ thống này vượt chặng đường 200kmtrong vòng 15phút

- 1870 JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh, đã chứng tỏ rằng ánhsáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong Thí nghiệm của ông đã sử dụngnguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay

- 1880 ALEXANDER GRAHAM BELL người Mỹ, giới thiệu hệ thốngPhoto phone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi ánh sáng trong môi trường khôngkhí mà không cần dây, tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì

có quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền

- 1934 NORMAN R.FRENCH kỹ sư người Mỹ, nhận bằng sáng chế về hệthống thông tin quang, phương tiện truyền dẫn của Ông là ống thuỷ tinh

- 1958 ARTHUR SCHAWLOW và CHARLESH TOWNES, xây dựng vàphát triển Laser

- 1960 THEODOR H.MAIMAN đưa Laser vào hoạt động thành công

- 1962 Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận

- 1966 CHARLES H.KAO và GEOGREA.HOCKHAM, hai kỹ sư phòngthí nghiệm Standard Telecom munication của Anh đề xuất việc dùng sợi thuỷtinh để dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi thuỷ tinh thời ấy còn hạnchế nên suy hao quá lớn ( α∼ 1000dB/km )

- 1970 hãng GLASS WORK chế tạo thành công loại sợi có suy hao nhỏhơn 20dB ở bước sóng 633nm

- 1972 loại GI được chế tạo với tốc độ suy hao 4dB/km

- 1983 sợi đơn mode (SM) được sản xuất ở Mỹ

- Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi độ suy hao của loạisợi này chỉ còn khoảng 0,2dB/km ở bước sóng 1550nm

1.2 Các thành phần của một tuyến truyền dẫn sợi quang :

Quan niệm về các hệ thống truyền dẫn quang ngày nay không còn là các

hệ thống thông tin mới nữa, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lướidưới cấu trúc truyền khác nhau Nhìn chung, các hệ thống thông tin quangthường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình pháttriển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này Theo quan niệm như

vậy, ta có thể xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thànhphần chính như hình 1.1 dưới đây :

Trạm lặp

Các thành phần chính của 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 điện điều khiển liên kết Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang

và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bênngoài Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tínhiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn cócác bộ nối quang - connector, các mối hàn, các bộ chia quang và các trạm lặp.Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

1.3 Ưu điểm của thông tin quang :

Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang

đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các

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

- Có kích thước trọng lượng nhỏ

- Sợi có tính chất cách điện tốt

- Tin cậy và linh hoạt

- Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang

Sợi dẫn quang

Mạch điều

khiển

Nguồn phát quang

Máy thu quang Mạch điện

Máy phát quang

Khuếch đại quang

Đầu thu quang

Chuyển đổi tín hiệu

Tín hiệu điện ra

Bộ thu quang

Khuếch đại

Từ các ưu điểm trên mà hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãitrên mạng lưới Có thể xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,thuê bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt đáp ứngmọi môi trường, hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thốngtruyền dẫn số.

Hiện nay các hệ thống thông tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch

vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ(ISDN)

1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của thông tin quang :

Ngày nay, sợi quang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong thông tinliên lạc cũng như một số lĩnh vực khác Sợi quang trong mạng lưới thông tintrong giai đoạn hiện nay gồm :

- Mạng đường trục quốc gia

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu

- Mạng truyền hình

- Mạng số đa dịch vụ

2.1.1 Chiết suất của môi trường :

Chiết suất của môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vậntốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy

V

C

n=

n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị

C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s

V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s

- Hiện tượng khúc xạ và phản xạ :

Khi tia sáng truyền trong môi trường một đến mặt ngăn cách môi trườnghai thì ánh sáng chia thành hai tia : một tia phản xạ lại môi trường một và một tiakhúc xạ vào môi trường hai

Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới :

Khi góc tới lớn hơn một góc Φo nào đó thì không có tia khúc xạ mà ta chỉnhận được tia phản xạ gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần.

Φo = n2/n1.

Người ta ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần trong việc truyền dẫn sợiquang Sợi quang gồm có : lõi có chiết suất n1 và lớp bọc có chiết suất n2 Khiánh sáng đi vào sợi quang sẽ được phản xạ nhiều lần Do đó, có thể truyền đi vớikhoảng cách xa

2.1.4 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang :

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn

và lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn Chiết suất của lớpbọc không đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính ( khoảngcách tính từ trục của sợi ra ) sự biến thiên của chiết suất được viết tổng quát :

r a

a

r n

n

n

n −

=

∆ : Độ chênh lệch chiết suất

r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất

a : bán kính lõi sợi

b : bán kính lớp bọc

g : số mũ quyết định dạng biến thiên, g≥1

Các giá trị thông dụng của g :

g = 1 : Dạng tam giác

g = 2 : Dạng Parabol

g →∞ : Dạng nhảy bậc

2.2 Phân loại sợi quang :

2.2.1 Phân loại theo vật liệu điện môi :

Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì có tổng số 3 loại, một loại sợibao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệuthủy tinh và một loại là sợi bằng nhựa.

Các sợi quang thạch anh không những chứa thạch anh nguyên chất(SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F… để làm thay đổichiết xuất khúc xạ

Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinhhoặc thủy tinh boro - silicat … Đối với vật liệu sản xuất sợi quang bằngnhựa, silicon resin ( tức là Polymethyl methacrylate : PMMA ) thườngđược sử dụng

Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sửdụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp vàcác đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài Nhưng các loại sợibằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn,khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công ( như

dễ dàng hàn nối, không phương hại đến các đặc tính truyền dẫn khi bẻ gập

… ) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém

2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ :

Các sợi quang có thể phân loại thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc

xạ của lõi sợi Một loại là sợi quang có chiết xuất nhảy bậc SI ( Step Index ).Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết xuất giảm dần GI ( Graded Index )

2.2.2.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI ( Step Index ) :

Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và của lớp bọckhác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quangphóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhaunhư hình 2.2

( Vì ν = C/n1 ở đây n1không đổi ) mà đường dài đường truyền khác nhaunên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tớihiện tượng :

Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánhsáng rộng hơn ở cuối sợi, đây là hiện tượng tán sắc

Do có hiện tượng tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số cótốc độ cao qua cự ly dài được

2.2.2.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần GI ( Graded Index ) :

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol, vì chiết suất lõi thayđổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần hình 2.3

Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

2.2.3 Phân loại theo Mode lan truyền :

Theo Mode lan truyền, sợi quang được chia thành hai nhóm Một là sợiquang đơn mode ( được gọi tắt là SM : single mode ) Loại sợi thứ hai là loại đamode ( được gọi tắt là MM : multi mode )

2.2.3.1 Mode sóng :

Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi, khitruyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đườngnày được gọi là những mode

2.2.3.2 Sợi đơn mode:

Sợi đơn mode là loại sợi chỉ cho một mode sóng lan truyền

Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đườngtruyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc hình2.4

Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode

Các thông số thông dụng của sợi đơn mode :

- Đường kính lõi d = 9µm ÷ 10µm

- Đường kính lớp bọc: D = 125µm

- Độ chênh lệch chiết suất ∆ = 0,003 = 0,3%

- Chiếc suất lõi : n1 = 1,46

2.2.3.3 Sợi đa mode:

Sợi đa mode là sợi có nhiều mode sóng lan truyền

Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là:

- Đường kính lõi d = 50µm

- Đường kính lớp bọc D = 125µm

- Độ chênh lệch chiết suất ∆ = 0,01 =1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần nhưhình 2.5

Hình 2.5 Kích thước sợi đa mode

CHƯƠNG III CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 3.1 Suy hao của sợi quang :

3.1.1 Định nghĩa :

Công suất quang truyền tải sợi cũng giảm dần theo cự ly với qui luật hàm

số mũ tương ứng như tín hiệu điện Biểu thức của hàm số truyền công suất códạng :

z

P z

0 10 )

P(0) : Công suất ở đầu sợi ( z = 0 )

P(1) : Công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

P

P

A dB =Trong đó : P1 = P(0) Công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(1) Công suất ở cuối sợi

- Hệ số suy hao trung bình:

( ) ( )( )

km L

dB A km

dB/ = α

Trong đó:

A : Suy hao của sợi

) (

L : Chiều dài của sợi.

3.1.2 Các nguyên nhân gây tổn hao trên sợi quang :

Công suất truyền trên sợi quang thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sựtán xạ của ánh sáng và sự khúc xạ chổ sợi bị uốn cong

3.1.2.1 Suy hao do hấp thụ :

+ Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại :

Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụnăng lượng ánh sáng, các tạp chất thường gặp là sắt (Fe), đồng (Cu), mangan(Mn), chromium (Cr), cobal (Co), nikel (Ni)…

Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất vàbước sóng ánh sáng truyền qua nó

Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/km cần phải có thuỷtinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ ( 10-9 )

+ Sự hấp thụ của ion OH:

Các liên kết giữa SiO2 và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệukhi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độhấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240nm và 1400nm Như vậy độ ẩmcũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao sợi quang Trong quá trìnhchế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (

10 –9 ) để giảm độ hấp thụ của nó

+ Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại :

Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao thì

sự hấp thụ vẫn xảy ra Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùngcực tím và hồng ngoại Độ hấp thụ này thay đổi theo bước sóng

3.1.2.2 Suy hao do tán xạ :

+ Tán xạ Rayleigh :

Khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chổkhông đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thuỷ tinh, cáckhuyết tật như bọt không khí, các vết nứt sẽ xãy ra hiện tượng tán xạ Các tiatruyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phầnnăng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng củ, phần còn lại truyền theohướng khác thậm chí truyền ngược lại nguồn quang

Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỷ thừa bậc 4 của bướcsóng ( λ-4 ) nên giảm nhanh về phía bước sóng dài Ở bước sóng 850nm suy hao

do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1÷2 dB/km, ở bước sóng 1300nm suyhao chỉ khoảng 0.3 dB/km và ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơnnữa

+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo :

Khi tia sáng truyền đến những chổ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc,tia sáng sẽ bị tán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản

xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ lớp bọc

và suy hao dần

3.1.2.3 Suy hao do bị uốn cong :

+ Vi uốn cong :

Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chổ uốn cong nhỏ thì suy haocủa sợi cũng tăng lên Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi quanhững chổ vi uốn cong đó Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáotrộn khi đi qua những chổ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi sợi.Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chổ vi uốn cong nhất là về phíabước sóng dài

+ Uốn cong :

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càngtăng

3.1.3 Đặc tuyến suy hao :

Đặc tuyến suy hao điển hình của loại sợi quang đơn mode cấu tạo bằngthuỷ tinh SiO2 pha hợp chất GeO2 như hình 3.1 dưới đây :

Hình 3.1 Đặc tuyến suy hao của sợi quang

Đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng suy hao thấp, còngọi là 3 cửa sổ suy hao :

+ Cửa sổ thứ nhất : ở bước sóng 850nm, được coi là có suy hao thấp nhấtđối với những sợi quang chế tạo ở giai đoạn đầu Suy hao trung bình ở bướcsóng này từ 2÷3 dB/km Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao đóchưa phải là thấp nhất

+ Cửa sổ thứ hai : ở bước sóng 1310nm, suy hao ở bước sóng này tươngđối thấp, khoảng từ 0,4÷0,5 dB/km Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấpnên được sử dụng rộng rãi hiện nay

+ Cửa sổ thứ ba : ở bước sóng 1550nm, hiện nay suy hao ở bước sóng này

là thấp nhất có thể dưới 0,2dB/km

3.2 Tán sắc :

850 1310 1550 λ (nm)

5 4 3 2 1 0

α

(dB/km)

1990 1978

Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bịbiến dạng Hiện tượng này được gọi là tán sắc Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệuanalog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital Sự tán sắc làm hạn chếgiải thông của đường truyền dẫn quang.

τ 0 , τ 1 : là độ rộng xung vào và xung ra.

Đơn vị của τ 0 , τ 1 là (s) hoặc các ước số của nó.

3.2.2 Các nguyên nhân gây tán sắc :

Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần tán sắc như sau :

- Tán sắc mode (mode dispersion) : do năng lượng của ánh sáng phân tánthành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thờigian truyền khác nhau

- Tán sắc thể (Chromatic dispersion) bao gồm :

+ Tán sắc chất liệu (material dispersion)

+ Tán sắc dẫn sóng (waveguide disperstion)

Tán sắc thể nguyên nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải làđơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định Mỗi bước sóng lại có vận tốctryền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau

θ

cos

1 =Tia 2: Tia ngắn nhất có độ dài : d2 =L

L

21

n2

n1

Hình 3.2 So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi

Thời gian truyền của tia 1 :

1

1 1

cos

n c

n c

L v

2

2 1 2 1

n

n n n C

L C

Ln Cn

Ln t t t

Trong đó

2

2 1

n

n

n −

=

∆ : Độ chênh lệch chiết suất.

Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi cũng chính là độ trải xung do tán xạmode

L t

2 1

n L

t d

2 1 mod

Sự phụ thuộc của dmode vào số mũ g được biểu diễn trên hình 3.3 qua đó tathấy dmode đạt cực tiểu khi g~2 và dmode tăng khá nhanh khi g có giá trị khác 2 vềhai phía Đây là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong qúa trình chế tạosợi GI.

Tán sắc chất liệu được xác định bởi công thức :

( ) (a r b)

d

n d c M

dmod= = − ⋅ 2 2 ≤ ≤

λ

λ λ

Trong đó:

λ : Bước sóng

c : Vận tốc ánh sáng trong chân không

n(λ) : Chiết suất lõi sợi

Về ý nghĩa vật lý tán sắc do chất liệu cho biết mức độ nới rộng xung củamỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang Đơn vị của độ tán sắc

nm Ps D

M D

mat

mat

/ 5 50

/ 100

Ở bước sóng 1550nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20Ps/nm.km

Sự biến thiên của tán sắc cho chất liệu M theo bước sóng λ như trên hình3.4

2,4 2,6 2,8 2,2

2,0 1,8 1,6 0,01

0,1 1

g

dmod(ns/km)

Hình 3.3 Tán sắc mode ( d mode ) thay đổi theo chiết suất

d

(ps/nm.km)

+ Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng :

Do sợi đơn mode chỉ giới hạn khoảng 80% công suất quang trong lõi nên20% công suất quang lan truyền trong lớp vỏ nhanh hơn phần ánh sáng giới hạntrong lõi, gây ra tán sắc Lượng tán sắc này tuỳ thuộc vào thiết kế của sợi quang.Thông thường có thể bỏ qua tán sắc ống dẫn sóng trong sợi đa mode, tuy nhiêntác động này là đáng kể trong sợi đơn mode

+ Tán sắc tổng cộng :

Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức :

2 2 mod

1 D D cht

với D cht =D mot +D wg

Trong đó :

D1 : Độ tán sắc tổng cộng ( nếu là sợi đơn mode )

Dmod : Độ tán sắc mode ( chỉ có trong sợi đa mode )

Dcht : Độ tán sắc thể ( cũng là độ tán săc tổng cộng trong sợi đơnmode )

Giải pháp cho trở ngại này có thể theo hai hướng :

- Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm :

-4 8

-8 12

-12

16

-16

λ (nm) 1600

1400 1300

1200

Tán sắc dẫn sóng

Tán sắc sắc thể Tán sắc chất liệu

Hình 3.4 Tán sắc chất liệu, tán sắc dẫn sóng và tán sắc

thể thay đổi theo bước sóng

Hình 3.5 Dạng chiết suất của sợi dịch tán sắc

3.2.3.2 Sợi sang bằng tán sắc :

Dung lượng của sợi quang có thể được nới rộng bằng cách dùng hai haynhiều bước sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật ghépkênh theo bước sóng Để thực hiện tốt kỹ thuật này cần một loại sợi quang có độtán sắc nhỏ trong một khoảng bước sóng chứ không chỉ là tại một bước sóng.Sợi như vậy gọi là sợi sang bằng tán sắc Vùng phân bố chiết suất của nó nhưhình 3.6

Hình 3.6 Dạng chiết suất của sợi sang bằng tán sắc

1 Sợi bình thường

2 Sợi dịch tán sắc

3 Sợi sang bằng tán sắc

21

d

(ps/nm.km)

Hình 3.7 Dải thông trong sợi quang

CHƯƠNG IV SỢI QUANG 4.1 Cấu tạo sợi quang :

Nguyên tắc làm việc của cáp sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toànphần của ánh sáng tại bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu có chiếc suất n1 và n2

khác nhau thoả mãn điều kiện :

n

n

α

Với α là góc lệch của tia sáng tới so với đường trục giao

Chính vì vậy sợi quang được chế tạo là một ống dài hình trụ trong suốt, cótác dụng giam giữ và truyền lan các sóng ánh sáng Sợi quang bao gồm ba lớp :lõi ( core ), vỏ bọc ( Cladding ), lớp bảo vệ ( Coating )

Hình 4.1 Cấu tạo sợi quang

Các sợi quang dùng cho viễn thông được sản xuất ở các đường kính lõi vỏchủ yếu sau :

Hình 4.2 Các sợi quang dùng cho viễn thông

+ Loại 8-10/125µm :

Được gọi là sợi đơn mode Nó có thể truyền thông tin với tốc độ cao nhất

và suy hao thấp nhất Sợi đơn mode thường được sử dụng cho những khoảngcách lớn hoặc những ứng dụng truyền số liệu tốc độ cao Do lõi có đường kínhnhỏ, các thiết bị quang sử dụng các bộ nối có độ chính xác cao và các nguồnsáng Laser làm tăng giá thành thiết bị Các thiết bị cho sợi quang đơn modethường đắt hơn nhiều so với các thiết bị cho sợi quang đa mode

+ Loại 50/125µm :

Là loại sợi viễn thông đầu tiên được tiêu thụ với số lượng lớn và được sửdụng rộng rãi ngày nay Do “góc” mở thấp và kích cỡ lõi nhỏ nên chỉ cần nhữnglượng ánh sáng nguồn tối thiểu cho một sợi đa mode Tuy nhiên trong tất cả cácsợi quang đa mode thì loại sợi này có băng thông rộng nhất

+ Loại 62,5/125µm :

Đây là đường kính phổ biến nhất cho truyền dẫn đa mode và đang trởthành tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng Loại sợi này có băng thông thấp hơn loạisợi 50/125 nhưng ít nhạy cảm với các tổn hao do vi uốn cong Góc mở ( NA )cao hơn và đường kính lõi lớn hơn làm cho sợi quang này có công suất ghép nốiánh sáng tốt hơn một ít so với loại sợi 50/125µm

nguồn nhưng có băng thông hẹp hơn so với các sợi có kích thước lõi nhỏ hơn.Loại sợi này có thể được sử dụng ở những khoảng cách truyền dẫn có độ dàitrung bình, qua nhiều bộ nối ( trong các toà nhà ) yêu cầu tốc độ số liệu thấp,loại sợi này ít thông dụng và khó kiếm.

Ngoài những loại sợi quang trên còn có các loại có đường kính lõi lớn hơnnhưng ít phổ biến hơn và các ứng dụng của chúng bị hạn chế Chúng chủ yếuđược sử dụng cho những đoạn truyền dẫn khoảng cách ngắn hay trong các ứngdụng khác với truyền thông số liệu

Ta có bảng tóm tắt của 5 loại sợi quang thông dụng trên như sau :

Loại Lõi NA Tổn hao Băng thông Bước sóng

I 8-10 Nhỏ nhất Thấp nhất Cao nhất 850 hoặc 1310nm

II 50 Nhỏ hơn Thấp hơn Cao hơn 850 hoặc 1310nm III 62,5 Trung bình Thấp Trung bình 850 hoặc 1310nm

IV 85 Lớn Cao Thấp hơn 850 hoặc 1310nm

V 100 Lớn nhất Cao hơn Thấp hơn 850 hoặc 1310nm

4.2 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang :

Nguyên lý chung về truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang là :

Ánh sáng phát ra từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ Để đưaánh sáng vào lõi nhỏ, người ta sử dụng thấu kính để tập trung ánh sáng Tuynhiên không phải tất cả ánh sáng được tập trung đều có thể đưa vào sợi quang

mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đưavào được lõi sợi quang Tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành 3 môi trườngliền nhau có chiết suất khúc xạ khác nhau Đó là môi trường không khí, lõi và vỏcủa sợi quang

Ánh sáng tới đầu sợi quang sẽ xãy ra hiện tượng khúc xạ ở mặt phân cáchgiữa không khí và lõi sợi và một phần ánh sáng sẽ truyền vào lõi sợi Sau đó ánhsáng truyền đi trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần ( phản xạ toàn phần ) tại

bề mặt phần tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ Do đó, ánh sáng có thể truyền đitrong sợi quang có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ conggiới hạn

CHƯƠNG V CÁP QUANG 5.1 Yêu cầu kết cấu của cáp quang :

Cấu trúc của cáp quang phải thoả mãn yêu cầu chính là bảo vệ sợi quangtrước các tác dụng của cơ học, của điều kiện bên ngoài trong quá trình thi cônglắp đặt và cả quá trình sử dụng lâu dài Các lực cơ học có thể làm đứt sợi quangtức khắc hoặc làm tăng suy hao, và làm giảm tuổi thọ của sợi quang.

Cáp quang cũng được chế tạo phù hợp với mọi mục đích sử dụng của viễnthông bao gồm : Cáp treo, cáp chôn, cáp thả cống, cáp thả biển, cáp trong nhà …Mỗi loại có một vài chi tiết đặc biệt ngoài cấu trúc của cáp

Thành phần chính của sợi quang gồm : Lõi ( core ) và lớp bọc (cladding).Trong viễn thông dùng loại sợi có cả hai lớp trên bằng thuỷ tinh Lõi để dẫn ánhsáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phầngiữa lõi và lớp bọc

Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác dụng do điều kiện bên ngoài, sợiquang còn được bọc vài lớp nữa

Có thể phân loại sợi quang thành 4 nhóm dựa trên vật liệu chế tạo :

- Sợi Silica ( SiO2 )

- Sợi hợp chất thuỷ tinh

Cấu trúc tổng quát của cáp quang như hình 5.1 Trong đó bao gồm :

- Sợi quang : Các sợi đã được bọc lớp phủ và lớp vỏ sắp xếp theo mộtthứ tự nhất định Lớp vỏ có thể có dạng đệm lỏng, đệm khít, đệmtổng hợp, băng dẹp

- Thành phần chịu lực : Bao gồm thành phần chịu lực trung tâm vàthành phần chịu lực bên ngoài

- Chất nhồi : Để làm đầy ruột cáp

- Vỏ cáp : Để bảo vệ ruột cáp

- Lớp gia cường : Để bảo vệ sợi cáp trong những điều kiện khắc

Thành phần chịu

lực ngoài (nhiệt

ramide)

Đệm (nhựa PE)Thành phần chịu lực trung tâmỐng đệm lỏngSợi quangBăng cuốn(plastic)

Hình 5.1 Cấu trúc tổng quát của cáp quang

5.2.2 Thành phần chịu lực :

Vì sợi quang bằng thuỷ tinh, dễ gẩy nên trong cáp sợi quang phải có cácthành phần chịu lực để giữ cho sợi quang không bị kéo căng trong quá trình lắpđặt cũng như sử dụng

5.2.4 Lớp gia cường đăc biệt :

Cấu tạo của cáp quang từ ruột đến vỏ cáp tương đối hoàn chỉnh song trongtrường hợp cần được lắp đặt trong điều kiện môi trường đặc biệt như : Ngâmdưới nước, chôn trực tiếp trong vùng có nhiều loại gặp nhấm, côn trùng, treotrực tiếp thì chế tạo cáp cần có thêm các lớp gia cường bổ sung thêm khả năngchịu lực cho các phần tử gia cường khác trong ruột cáp Vật liệu gia cườngthường là sợi aramit bằng thép hay các thành phần thép tròn

PHẦN HAI

CÔNG NGHỆ SDH

Sự ra đời của hệ phân cấp số đồng bộ ( Synchronous Digital Hierarchy-SDH ) báo hiệu sự bắt đầu một thời kỳ mới của mạng viễn thông thế giới SDHthúc đẩy cuộc cách mạng trong các dịch vụ viễn thông và ảnh hưởng sâu rộngđến những người sử dụng, các nhà khai thác cũng như các hãng sản xuất thiết bị

Việc những người sử dụng, đặc biệt là các doanh nghiệp ngày càng gắn bónhiều vào các phương tiện thông tin điều đó dẫn đến bùng nổ nhu cầu về cácdịch vụ viễn thông Các dịch vụ như hội nghị truyền hình, truy nhập cơ sở dữliệu từ xa… đòi hỏi một mạng có khả năng đáp ứng yêu cầu về độ rộng băngthông rất lớn, vấn đề này hệ thống PDH không có khả năng đáp ứng nhu cầu nóitrên

Phân cấp số cận đồng bộ đã phát triển chủ yếu để đáp ứng nhu cầu củađiện thoại, nó không phù hợp với truyền dẫn và quản lý có độ rộng băng tần lớn

Hệ thống truyền dẫn đồng bộ nhằm giải quyết nhược điểm này của hệ thốngPDH.

Các hệ thống truyền dẫn đồng bộ có khả năng tương tác với các hệ thốngPDH Cấu trúc SDH cho phép các tín hiệu cận đồng bộ kết hợp với nhau vàđược ghép vào trong một tín hiệu SDH Điều này cho phép nhà khai thác tiếp tục

sử dụng các thiết bị cận đồng bộ và phát triển các thiết bị đồng bộ phù hợp vớinhu cầu riêng đối với mạng của họ

Các thiết bị SDH cho phép giảm số phần cứng trong mạng, đồng thời tăng

độ tin cậy của mạng nhờ đó giảm chi phí bảo dưỡng và khai thác Khả năngquản lý mạng linh hoạt của mạng đồng bộ dẫn đến cải thiện việc điều khiểnmạng truyền dẫn, cải thiện khả năng phục hồi và tái thiết lập cấu hình mạng tốthơn, độ sẳn sàng mạng cao hơn

Các thiết bị SDH được thiết kế để đảm bảo chuyển tải các dịch vụ trongtương lai như : Các dich vụ B-ISDN và các mạng thông tin cá nhân…khuyếnnghị CCITT về chuẩn SDH đã đề cập đến những kết quả phân ban T1 X1 ANSI

về mạng quang đồng bộ SONET (Synchronous Optical Network) Khi SONET

đệ trình lên CCITT lúc đó có cấu trúc không thể truyền dẫn được tất cả các mứcphân cấp cận đồng bộ hiện có với cùng hiệu suất Vì vậy CCITT đã cải tiến đềnghị nhằm giữ lại tất cả các khái niệm cơ bản và đưa ra một chuẩn tổng quátmới SDH có thể được coi như một thành công trong lĩnh vực chuẩn hóa này

CHƯƠNG I

HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CẬN ĐỒNG BỘ 1.1 Nguyên tắc ghép luồng trong cấu trúc số cận đồng bộ :

Trong cấu trúc số cận đồng bộ PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)thì bốn luồng tín hiệu theo tiêu chuẩn CEPT có thể được kết hợp lại thành mộtluồng tín hiệu mới Các luồng tín hiệu số đưa tới thiết bị ghép kênh có thể từ các

vị trí khác nhau, tốc độ bít các luồng số có thể khác nhau do sử dụng các hệthống đồng bộ khác nhau Vì vậy, chúng được gọi là các luồng số cận đồng bộ

Để ghép bốn luồng số cận đồng bộ vào chuẩn thời gian hệ thống của thiết

bị ghép kênh mới phải dùng chèn bít Chèn bít là một phương pháp dùng đểtruyền dẫn các tín hiệu số cho trước mà không bị ảnh hưởng tới chất lượng ởmột tốc độ bít khác với tốc độ nguyên thủy của nó

1.2 Các tiêu chuẩn của PDH :

Các cấp truyền dẫn số cận đồng bộ đang tồn tại theo nhiều tiêu chuẩnkhác nhau như Châu Âu, Bắc Mỹ, Nhật và CCITT Theo tiêu chuẩn Châu Âumuốn có một luồng số cao hơn phải ghép bốn luồng số thấp hơn vào với nhau.Bốn cấp truyền dẫn đầu tiên của Châu Âu được CCITT công nhận làm tiêuchuẩn quốc tế

1.2.1 Tiêu chuẩn Châu Âu :

1 2 3 4

1 2 3 4

1 2 3 4

565.128 Mbit/s

139,264 Mbit/s

34,368 Mbit/s

8,848 Mbit/s

2,048 Mbit/s

Hình 1.1 Phân cấp số cận đồng bộ của Châu Âu

1.2.2 Tiêu chuẩn Nhật Bản :

1.2.3 Tiêu chuẩn Bắc Mỹ :

1.3 Các đặc điểm của tín hiệu PDH :

- Là hệ thống ghép kênh xen kẽ từng bít

- Đồng bộ thời gian bằng cách chèn dương từng bit

- Khung truyền dẫn đặc biệt được định nghĩa cho mỗi mức ghép kênh

- Bộ ghép kênh không cần đồng bộ với tín hiệu đầu vào

- Không cần ghi lại mối quan hệ pha giữa khung và tin tức đầu vào Do đókhông thể truy nhập trực tiếp đến các luồng riêng rẽ Việc này chỉ cho phép saukhi tín hiệu đã được phân kênh hoàn toàn

1.4 Nhược điểm của hệ thống PDH :

Ngày nay, thông tin mang tính chất toàn cầu, tiêu chuẩn ghép kênh PDHbộc lộ rõ những nhược điểm như :

- Mạng PDH chủ yếu đáp ứng các dịch vụ điện thoại Đối với các dịch vụmới như : điện thoại truyền hình, truyền số liệu, ISDN hoặc các dịch vụ phi thoạikhác thì mạng PDH khó có thể đáp ứng được

- Chưa có tiêu chuẩn chung cho thiết bị đường dây, các nhà sản xuất chỉmới có tiêu chuẩn đặc trưng riêng cho các thiết bị riêng của họ

- Khi dung lượng quá lớn việc quản lý mạng lưới phải nghiêm ngặc.Muốn quản lý hiệu quả mạng lưới số hoá tốc độ cao, cần thiết phải thiết lập giámsát tập trung có khả năng tác động từ xa Khi có sự cố, mạng lưới phải tự phản

Mux 400Mbit/s

K1

K2

K24

PCM 24

Mux 6,3Mbit/s

Mux 32Mbit/s 100Mbit/sMux

Mux 6,3Mbit/s

Mux 45Mbit/s 405Mbit/sMux

Hình1.3 Phân cấp số cận đồng bộ của Bắc Mỹ

ứng để tiếp tục hoạt động Trong khi đó, cấu trúc số cận đồng bộ lại thiếu khảnăng giám sát mạch, bởi vì trong một cấu trúc khung tín hiệu chưa có các thôngtin chi tiết phục vụ cho việc quản lý mạng Hệ thống PDH thiếu các phương tiệngiám sát, đo thử từ xa mà thường chỉ được tiến hành ngay tại chổ.

- Sự hạn chế về xen/rẽ các kênh khiến kết nối kém linh hoạt và khó cungcấp dịch vụ nhanh chóng, đồng thời lại đòi hỏi rất nhiều thiết bị ghép kênh làmcho giá thành tăng lên Chẳng hạn có một khách hàng yêu cầu cung cấp mộtluồng 2 Mbit/s trong khi có luồng số tốc độ cao 140 Mbit/s đi sát bên thì đều nàyđối với một hệ thống số cận động bộ ( PDH ) là không đơn giản, vì việc sử dụngbit chèn mỗi bước ghép trong PDH sẽ không thể xác định chính xác vị trí củacác khung thuộc một luồng 2 Mbit/s trong kênh 140 Mbit/s

Để có thể thâm nhập đến luồng 2 Mbit/s, cần phải tách kênh 140 Mbit/sthành ra 64 luồng 2 Mbit/s qua 34 Mbit/s và 8 Mbit/s Sau khi đã xác định đượcluồng 2 Mbit/s theo yêu cầu, cần phải ghép kênh lại để được luồng 140 Mbit/s.Quá trình này được minh hoạ trên hình 1.4

Như vậy, PDH có các mặt hạn chế chính là không thể xác định các kênhtrong một luồng số có tốc độ cao, cấu trúc khung không có đủ vị trí để mangthông tin về quản lý mạng và không thể đáp ứng được các nhu cầu băng rộng, vìvậy các nhà khai thác mạng mong muốn khắc phục các hạn chế đó của PDH

Trong tương lai, các hệ thống SDH sẽ ngày càng phát triển nhờ các ưuđiểm nổi trội so với PDH, đặc biệt là SDH có khả năng kết hợp với PDH trongmạng lưới hiện có cho phép từng bước thực hiện việc hiện đại hoá mạng lưới màvẫn đảm bảo thông tin trong suốt.

Các tiêu chuẩn của SDH bắt đầu từ năm 1985 tại Mỹ Ban đầu người ta cốgắng tạo ra một mạng giao tiếp quang có thể hoạt động với tất cả hệ thốngtruyền dẫn khác nhau của các nhà cung cấp khác nhau ( theo tiêu chuẩn Châu Âuhoặc Bắc Mỹ ) Dần dần, các tiêu chuẩn này được sử dụng rộng rãi hơn để có thể

xử lý cho mạng hiện tại và cả cho các loại tín hiệu trong tương lai

Năm 1985, công ty BELLCORE là công ty con của công ty BELL tại Hoa

Kỳ đã đề nghị một phân cấp truyền dẫn mới nhằm mục đích khắc phục cácnhược điểm của hệ thống cận đồng bộ PDH Phân cấp mới này được đặt tên làSONET dựa trên nguyên lý ghép đồng bộ với nhau, trong đó sợi quang được sửdụng làm môi trường truyền dẫn Về sau, các tiêu chuẩn về giao diện thiết bịcũng được nghiên cứu nhằm kết nối các loại thiết bị khác nhau với những tiêuchuẩn khác nhau, mà không gây trở ngại khi ứng dụng phân cấp mới này vàotrong mạng lưới hiện có

Để đáp ứng các yêu cầu đó, người ta phải lưu ý đến việc tiêu chuẩn hoácác tín hiệu bảo dưỡng, giám sát, chuyển mạch bảo vệ và cả vấn đề quản lýmạng lưới của các loại thiết bị khác nhau đó

Đề nghị của công ty BELLCORE đã được một uỷ ban của Hoa Kỳ nghiêncứu và đến năm 1988 một tiêu chuẩn quốc gia của Hoa Kỳ đã được thông qua

Đồng thời SONET cũng gây được sự chú ý và cũng được phát triển tạiChâu Âu bởi các nhà sản xuất dựa trên một tiêu chuẩn riêng để phù hợp vớimạng PDH theo tiêu chuẩn Châu Âu hiện có

Cuối năm 1988, trên cơ sở tiêu chuẩn SONET và xét đến các tiêu chuẩnghép kênh khác nhau ở Châu Âu, Mỹ và Nhật, CCITT đã đưa ra tiêu chuẩn quốc

tế về công nghệ truyền dẫn theo cấu trúc số đồng bộ SDH dùng cho truyền dẫncáp quang và vi ba Theo tiêu chuẩn SDH đã được nêu trong các khuyến nghịG.707, G.708, G.709 Các khuyến nghị của CCITT xác định một số tốc độtruyền dẫn cơ sở ở SDH Tốc độ đầu tiên là 155,52 Mbit/s thường được gọi làSTM-1 Các tốc độ truyền dẫn cao hơn là STM-4 và STM-16 cũng được xácđịnh, các mức cao hơn đang được đề xuất nghiên cứu.

2.1 Giới thiệu về hệ thống SDH :

2.1.1 Các đặc điểm của SDH :

- Là mạng truyền dẫn đồng bộ

- Dùng kỹ thuật ghép con trỏ

- Đồng bộ thời gian bằng cách chèn âm, chèn không và chèn dương

- N tín hiệu STM -1 được ghép xen kẽ từng byte tạo thành tín hiệu

STM-N Tốc độ ghép của tín hiệu là Nx155,52 Mbit/s

- Liên hệ về pha và dữ liệu hửu ích được ghi lại bởi chức năng của con trỏ( con trỏ dữ liệu ) Do vậy có thể truy xuất đến các luồng riêng lẻ trong trườnghợp ghép SDH sau khi đọc nội dung con trỏ mà không cần phải phân kênh hoàntoàn

2.1.2 Ưu nhược điểm của hệ thống SDH :

2.1.2.1 Ưu điểm :

- Các tốc độ bít trên 140 Mbit/s được tiêu chuẩn hóa trên toàn thế giới

- Mã truyền dẫn cho tín hiệu quang được tiêu chuẩn hóa tương thích vớicác thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau

- Tốc độ bít ghép bằng một số nguyên lần tốc độ bít cơ bản Cấu trúckhung của trường hợp ghép giống cấu trúc khung của trường hợp ghép cơ bản

Có nghĩa là không phải định nghĩa thêm khung mới

- Việc truy xuất đến các kênh riêng lẻ dễ dàng nhờ nội dung chứa trongcon trỏ Chỉ có những kênh có yêu cầu mới được tách ra, phương pháp này có ưuđiểm trong các hệ thống kết nối chéo cũng như trong rẽ nhánh ( rớt và xenkênh )

- Một số lớn kênh từ mào dành cho việc giám sát, quản lý và điều khiểnmạng Đây là điểm đặc biệt quan trọng trong mạng quản lý viễn thông

- Tốc độ bít thấp nhất trong mạng là 155,52 Mbit/s Tất cả các bit thấphơn được chuyển vào khung STM -1 để truyền đi

- Có thể truyền được các trường hợp băng rộng

- Biến đổi điện quang đơn giản, không cần các mã đường dây phức tạp

Có thể giám sát lỗi bít hiệu quả bằng cách kiểm tra tính chẳn lẻ của bít

- Bao trùm được mạng PDH đã có

- Đơn giản hóa việc ghép và phân kênh

- Giảm thiết bị và hạ giá thành.

- Làm tăng chất lượng và các tiện ích bảo dưỡng

2.1.2.2 Nhược điểm :

- Dung lượng STM -1 có thể lớn hơn cần thiết đối với những khu vực cólưu lượng thông tin thấp

- Cần có mạng quản lý để khai thác hết các ưu điểm

- Kế hoạch riêng cho tất cả các nút mạng

- Không có hiêu quả với trường 34 Mbit/s ( chỉ có 3x34 Mbit/s đượctruyền trong STM-1 mặt dù dung lượng cho phép có thể là 4x34 Mbit/s)

- Đòi hỏi kỹ thuật cao để ghi lại liên hệ pha giữa luồng trường hợp số vàkhung STM -1

- Việc ghép xen kẽ từng byte dẫn đến phức tạp hơn là ghép xen bit

2.1.3 Một số khuyến nghị chính của CCITT về SDH :

 Các khuyến nghị về cấu trúc cơ bản của tín hiệu SDH và các tín hiệuđiện :

 Các khuyến nghị cho hệ thống quang :

G.987 : Các giao diện quang cho thiết bị và các hệ thống liên quan đếnSDH

G.958 : Các hệ thống truyền dẫn số dựa trên cơ sở SDH sử dụng cáp sợiquang

 Các khuyến nghị cho mạng quản lý viễn thông ( TMN ) :

M.30 : Các nguyên tắc của mạng quản lý viễn thông

M.3010 : Nguyên lý của TMN

G.773 : Quản lý hệ thống truyền dẫn

Các khuyến nghị nói trên được CCITT xây dựng để sử dụng trên phạm vitoàn thế giới Trong các vùng khác có thể có các phiên bản sữa đổi của cáckhuyến nghị đó cho phù hợp với mạng của vùng đó Ví dụ ở Châu Âu cáckhuyến nghị về SDH sẽ do ETSI ban hành còn ở Bắc Mỹ sẽ do ANSI ban hành

2.1.4 So sánh SDH với PDH :

Ta có thể tóm tắc sự khác nhau giữa PDH và SDH như sau :

PDH SDH

- Bộ dao động nội dao động tự do - Dao động nội được điều khiển đồng

bộ với đồng hồ ngoài

- Ghép kênh không đồng bộ - Ghép kênh đồng bộ

- Cấu trúc khung đặc trưng cho mỗi

cấp

- Cấu trúc khung đồng nhất

- Ghép luồng theo nguyên lý xen bit - Ghép luồng theo nguyên lý xen byte

- Đồng bộ theo nguyên lý nhồi dương

xen bit

- Đồng bộ theo nguyên lý nhồi dương,

âm, zero xen byte

- Truy nhập luồng riêng lẻ sau khi giải

155,52 Mbit/s622,08 Mbit/s 2488,32 Mbit/s

Thiết bị đầu cuối

đường dây Trạm xen/rẽ Trạm xen/rẽ Thiết bị đầu cuối đường dây

Hình 2.1 Nguyên tắc làm việc của hệ thống SDH

2.2 Cấu trúc bộ ghép SDH :

- Sơ đồ quá trình ghép luồng tạo khung STM -1 được vẽ trong hình 2.3

- Trong hình 2.3 cho thấy quá trình hình thành khung truyền dẫn STM-1qua các cấp độ ghép từ trái qua phải và một điều nhận xét ở đây kỹ thuật tạoluồng cấp cao khác hẳn với kỹ thuật tạo luồng PDH

C-3

139 264 Kbit/s

Gắn/tách POH

Xử lý con trỏ

Gắn/tách POH

1 544 Kbit/s

2 048 Kbit/s

6 312 Kbit/s

44 736

34 368 Kbit/s

x1

x1 x3

x7

x1 x7

Hình 2.3 Tổ chức ghép luồng SDH theo khuyến nghị G709 của uỷ ban

tư vấn điện báo điện thoại quốc tế CCITT (hay ITU-T).

Trong đó :

C-n:Container (cấp n) : Khối luồng cấp n

VC-n: Virtual Container(cấp n): Container ảo cấp n

TU-n: Tributary Unit: Đơn vị luồng cấp n

TUG-n: Tributari Unit Group Nhóm đơn vị luồng

AU : Administrative Unit Group Đơn vị quản lý

AUG : Administrative Unit Group Nhóm đơn vị quản lý

SOH : Section Overhead Từ mào đầu đoạn

đã quy định ba lớp phương tiện truyền dẫn chung cho cả SONET và SDH bắtnguồn từ module truyền dẫn đồng bộ mức 1 ( STM -1 ) và hai mức tiếp theo làSTM-4 và STM-16 Trong SDH, VC-3 được sử dụng để truyền các tốc độ bítmức ba là 34368 kbit/s; VC-4 được sử dụng để ghép ba VC-3, hoặc 63 VC-12.VC-4 đã được xác định là lớp truyền dẫn trợ giúp cho các luồng ATM trongSONET và SDH Ngoài ra, SDH trợ giúp chuyển tải VC-11 trên các kết nối lớpVC-12 bằng giải pháp tương thích đặc biệt

Có hai phương pháp hình thành tín hiệu STM-N Phương pháp thứ nhấtqua AU-4 và phương pháp thứ hai qua AU-3 Phương pháp thứ hai được sửdụng tại Bắc Mỹ, Nhật và một số nước khác Phương pháp thứ nhất được sử

dụng tại Châu Âu và các nước khác trong đó có Việt nam Tín hiệu AU-4 đượchình thành từ một luồng nhánh 139264 kbit/s thuộc phân cấp số PDH của Châu

Âu AU-3 được tạo thành từ một luồng nhánh 44736 kbit/s, hoặc từ 7 luồngnhánh 6312 kbit/s hoặc từ 84 luồng nhánh 1544 kbit/s Cũng có thể sử dụng 63luồng 1544 kbit/s để thay thế cho 63 luồng 2048 kbit/s ghép thành tín hiệu STM-1 qua TU-12,…, AU-4

 Sơ đồ ghép kênh từ C-12 qua AU-4 :

Hình 2.4 Sơ đồ ghép kênh từ C-12 qua AU-4

 Sơ đồ ghép kênh từ C- 4 qua U-4 :

Hình 2.5 Sơ đồ ghép kênh từ C- 4 qua U-4

2.3 Chức năng và cấu trúc các khối :

2.3.1 Container C :

Container là đơn vị truyền dẫn nhỏ nhất trong khung truyền dẫn, là nơi mà

ta bố trí vào đó các luồng tín hiệu truyền dẫn cấp thấp nhất như là các luồngPDH, luồng hình, luồng số liệu …

Có các loại container được sử dụng để tương thích với các tốc độ truyềndẫn khác nhau cho hai hệ SONET và SDH

Ký hiệu Tín hiệu đường truyền Mbit/s C-11

C-12 C-2 C-3 C-4

1,544 2,048 6,312 44,736 & 34,368 139,264

Đơn vị kích thước container tính bằng byte Kích thước này được tínhtrong mỗi 125µs Số bít trong 125µs của các luồng số trên thường nhỏ hơn kíchthước của container tương ứng của nó Để có các luồng số vào vừa vặn với cáccontainer đòi hỏi phải chèn thêm từng bit hoặc từng byte vào ( chèn dương, chènkhông hay chèn âm )

Đối với tín hiệu cần đồng bộ các container gồm có :

+ Các luồng dữ liệu ( như là tín hiệu PDH )

+ Các bit hoặc các byte chèn cố định trong khung không mang nội dungthông tin mà chỉ để sử dụng tương thích tốc độ bit của tín hiệu PDH được ghépvới tốc độ bit của container cấp cao hơn

+ Các bit chèn cơ hội nhằm làm chính xác khung thời gian Các bít này cóthể đơn thuần là bít chèn không mang thông tin mà cũng có thể là bit chèn mangthông tin luồng số

+ Các bít điều khiển được chèn vào để khai báo cho hướng thu biết đượcbít chèn cơ hội là bit mang thông tin hay chỉ là bit chèn không mang thông tin

Tùy theo kích thước của luồng dữ liệu đầu vào mà ta gán container tươngứng thích hợp

2.3.2 Container ảo VC (Virtual Container) :

- Một VC là sự kết hợp của container C với POH ( VC = C + POH ) đểtạo thành một khung hoàn chỉnh truyền đến đầu thu Chức năng của POH là

mang thông tin bổ trợ, giám sát bảo trì đường truyền đồng thời thông báo vị trí

mà Container sẽ được truyền đến Trong VC thì POH được gắn vào đầu khung

và tại đầu thu sẽ được dịch ra trước khi mà container được giải mã

- VC cũng có tuỳ loại ương ứng với kích thước của container C Một VC

có thể được truyền riêng lẽ trong một khung STM -1 hoặc là truyền xen kẽ nhautrong một VC lớn hơn rồi mới được truyền đến STM -1 ta có thể phân biệt haicấp VC tuỳ theo container C như sau :

- Tất cả container khi được ghép trong container lớn hơn thì được gọi làcontainer cấp thấp LOC ( Low Order Container ), tương ứng với container ảocấp thấp LOVC ( Low Order Virtual Container ) đó là VC-11, VC-12, VC-2,VC-3

- Tất cả container được truyền trực tiếp trong khung STM -1 thì được gọi

là container cấp cao HOC ( Hight Order Container ) tương ứng có container ảocấp cao HOVC ( Hight Order Virtual Container ) đó là VC-4 và trong trườnghợp VC-3 được truyền trực tiếp vào khung STM -1 thì VC-3 cũng được coi làmột HOVC

• Cấu trúc của các VC :

- VC-11 : Gồm có 25 byte dữ liệu cộng với một byte POH được sắp xếp

trên 3 hàng dọc 9 byte Được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu 1,544 Mbit/s theotiêu chuẩn của Bắc Mỹ

- VC-12 : Gồm 34 byte dữ liệu cộng với một byte POH được sử dụng để

tương thích với luồng 2,048 Mbit/s theo tiêu chuẩn Châu Âu và được sắp xếptheo 4 hàng dọc 9 byte

Có 3 loại tín hiệu 2 Mbit/s sau có thể bố trí trong VC-12 :

+ Tín hiệu 2 Mbit/s không đồng bộ : Cho phép mang tín hiệu 2 Mbit/s

nhưng không có khả năng giám sát trên từng bit

+ Tín hiệu 2 Mbit/s đồng bộ ( Bit Synchronous ) : Cho phép giám sát

trên từng bít nhưng không nhận dạng được khung

+ Tín hiệu 2 Mbit/s đồng bộ byte : Cho phép giám sát và nhận dạng tất

- VC-2 : Gồm 106 byte dữ liệu với một byte POH dùng để tương thích với

luồng 6,312 Mbit/s theo tiêu chuẩn của Mỹ Cấu trúc gồm 12 hàng dọc 9 byte

Hình 2.8 Cấu trúc VC-2

- VC-1x/VC-12 : có thể truyền đi theo phương thức xen byte vào trong

VC-3 hoặc VC-4

- VC-1x/VC-2 : được truyền đi theo từng đa khung 500µs gồm 4 khung

125µs và được gắn vào trong một TU, các con trỏ gắn vào các VC-1x/VC-2 theotừng 125µs một

- VC-3 : Gồm 756 byte dữ liệu cộng với 9 byte POH sắp xếp trên một

hàng dọc trong đó mỗi byte POH thực hiện một chức năng riêng của mình Cấutrúc gồm 85 hàng dọc 9 byte

Hình 2.9 Cấu trúc VC-3 2.3.3 Đơn vị luồng TU (tribuary Unit) :

sự bắt đầu của VC đó Tương ứng với VC, TU cũng có nhiều bậc từ 1 đến 3

- Việc truyền dẫn các byte pointer sẽ xảy ra lần lược Cứ một khung

125µs sẽ có một byte pointer Byte pointer ghép theo vào VC tại một vị trí cốđịnh trong khung cấp cao hơn ( VC-3 hoặc VC-4 ) Như vậy tổng cộng sẽ có 3byte pointer cho 3 khung 125µs còn byte thứ 4 của đa khung 500µs cũng mang

một khung byte pointer nhưng byte này chưa được quy định rõ chức năng hiệnnay đang được dùng để dự phòng.

• Cấu trúc của các TU :

- Các TU-11 TU-12, TU-2 đều được cấu tạo bởi các VC tương ứng cộngthêm một byte pointer :

TU-11 = VC-11 + PtrTU-12 = VC-12 + PtrTU-2 = VC-2 + Ptr

Hình 2.10 Sự hình thành cấu trúc TU-11 & TU-12

3 x VC-3 có thể ghép vào VC-4 theo nguyên tắc xen từng byte sau đóđược phát đi trong khung AU-4 Trong quá trình truyền dẫn đó có hai cấpcontainer được ghép vào.

Pointer AU-4 trong SOH để chỉ thị VC-4 trong khung STM-1

3 Pointer TU-3 ( mỗi Pointer 1 byte ) được gắn vào trong khung VC-4 đểthông báo vị trí của VC-3 trong khung VC-4

Sự hình thành TU-3 được chỉ ra dưới hình vẽ sau :

Do vậy TUG-2 có kích thước là 108 byte với tốc độ bit là 6912Kbit/s

- TU-2 có kích thước tương ứng với một TUG-2.

- Có hai cách để bố trí VC-12 vào trong TUG-2 :

TU - 3 PTR

T U

U

- 3

+ Nối ( floating mode )

- Kiểu floating cho phép các VC gắn vào khung TUG tại một vị trínào đó và sử dụng các pointer liên kết vào một VC để chỉ thị điểmbắt đầu của VC trong TUG-2 Vị trí của pointer sẽ được gắn cố địnhtrong TUG tương ứng bất kể vị trí của VC

- Kiểu locked thì ngược lại về nguyên tắc các VC sẽ được gắn vàomột vị trí cố định trong TUG-2 tạo bởi TU-2 và do đó không cần sửdụng pointer của TU như kiểu floating

+ TUG-2 hình thành từ các TU-2 :

Mỗi TU có kích thước tương ứng với một TUG-2 Như vậy việc ghép

TU-2 vào TUG-TU-2 như sau :

- Kích thước TUG-3 gồm 774 byte với tốc độ bit là 49536 kbit/s

- Nếu TUG-3 chứa một TU-3 thì cột đầu tiên chứa 3 byte pointer TU-3 và

6 byte còn lại là byte nhồi cố định ( Justification )