Tuyến cáp quang chương 5

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Phần Tính toán thiết kế 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 Người thiết kế phải chọn cẩn thận công đoạn để đảm bảo cho hệ thống suốt thời gian phục vụ hoạt động tốt 5.2 Các khái niệm Như biết, hệ thống thông tin quang phổ biến hệ thống IMDD điểm-điểm Để thiết kế tuyến ta cần quan tâm đến: Thiết bị phát quang, thiết bị thu quang, sợi dẫn quang yếu tố ảnh hưởng đến chẳng hạn mối hàn connector hình vẽ đây: Mục đích việc thiết kế tuyến phải đạt yêu cầu sau: ¾ Cự ly truyền dẫn theo yêu cầu ¾ Tốc độ truyền dẫn ¾ Tỷ số lỗi bit BER Để đảm bảo cho việc thiết kế tuyến đạt yêu cầu cần phải chọn thành phần tuyến: ¾ Sợi quang đơn mode hay đa mode ¾ Kích thước lõi sợi ¾ Chỉ số chiết suất mặt cắt lõi 39 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN ¾ Băng tần tán sắc ¾ Suy hao sợi ¾ Khẩu độ hay bán kính trường mode Nguồn phát LD hay LED ¾ Bước sóng phát ¾ Độ rộng phổ ¾ Công suất phát ¾ Vùng phát xạ có hiệu Thiết bị thu quang sử dụng PIN hay APD ¾ Hệ số chuyển đổi ¾ Bước sóng làm việc ¾ Tốc độ làm việc ¾ Độ nhạy thu Để lựa chọn thành phần cho đảm bao kỹ thuật ta phải xét đến quỹ công suất lên quỹ thời gian lên tín hiệu hệ thống Quỹ công suất có công suất phát, độ nhạy thu, công suất dự phòng, từ ta thiết lập tỷ số BER Công suất dự phòng cho suy hao sợi, suy hao mối nối Khi lựa chọn thành phần tuyến mà không đảm bảo khoảng cách đường truyền thay đổi thành phần hay ghép trạm lặp vào tuyến để thoả mãn yêu cầu công suất Khi quỹ công suất cân ta kiểm tra quỹ thời gian lên tín hiệu 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 5.3 Quỹ công suất Ta xét phương trình cân quỹ công suất Đó điều kiện công suất để tuyến hoạt động bình thường Giả sử bên phát bên thu suy hao công suất thì: 40 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Ps − Pr = (5.1) đó, Ps : Công suất phát Pr : Công suất thu Suy hao tuyến bao gồm suy hao sợi dẫn quang, nối mối hàn Suy hao phần xác định theo công thức: A = -10log pout pin (5.2) Ngoài suy hao nói cần phải có lượng công suất dự phòng cho tuổi thọ thành phần, cho thay đổi nhiệt độ Giá trị công suất dự phòng có giá trị khoảng 6dB đến 8dB • Phương trình cân quỹ công suất (điểm-điểm) là: 10 log[Ps (hs )] − MDP = (α + α cap )L + n.α c + m.α S + α d + α device (5.3) Trong đó: Ps công suất phát [mW] hs: Hiệu suất ghép quang [%] MDP: Độ nhạy máy thu MDP=-27,5dBm [7] α ,α cap : Hệ số suy hao cáp dự phòng cho cáp [dB/km] L: Khoảng cách phía phát thu [km] α c ,α s : Suy hao connector suy hao mối hàn [dB] n, m: Số connector số mối hàn α d : Suy hao ghép sợi quang-bộ thu[dB] α device : Suy hao dự phòng cho thiết bị [dB] • Công suất quang tới Pd [dB]: [ Pd = 10 log[Ps (hs)] − (α + α cap ).L + n.α c + m.α s + α d + α device ] (5.4) Khi công suất quang tới nằm khoảng [MDP đến (MDP+Over)] với Over hệ số tải máy thu Lúc tỷ số lỗi bit BER nhỏ mong muốn không bị tải máy thu 41 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5.4 Quỹ thời gian lên Trong hệ thống thông tin quang, tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua môi trường truyền dẫn sợi quang Trong trình đó, độ rộng xung tín hiệu bị giãn Do đó, ta xem tín hiệu qua hệ thống qua lọc thông thấp Khi đó, thời gian lên hệ thống định nghĩa khoảng thời gian t cho biên độ tín hiệu xung tăng từ 10% đến 90% biên độ cực đại Ta tính thời gian lên tín hiệu xung vuông qua mạch lọc thông thấp RC: Hình 5.1: Đáp ứng xung lọc thông thấp Tín hiệu vào xung vuông nên có dạng: Vin = V0 1(t ) ⇒ Vin ( p ) = Hàm truyền: H ( p) = 1 + pτ p (5.6) V0 p(1 + pτ ) (5.7) ( τ )] ⇒ Vout (t ) = V0 − exp − t t1 : ⎡ −t 0,1V0 = V0 ⎢1 − exp⎛⎜ τ ⎝ ⎣ −t ⇔ exp⎛⎜ ⎞⎟ = 0,9 τ ⎠ ⎝ 42 (5.5) với τ = RC ⇒ Vout ( p ) = H ( p ).Vin ( p ) = [ V0 ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (5.8) CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN ⎡ 0,9V0 = V0 ⎢1 − exp⎛⎜ − t τ ⎝ ⎣ t : ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ −t ⇔ exp⎛⎜ ⎞⎟ = 0,1 τ ⎠ ⎝ Từ (5.9) (5.10) ta có: Từ (5.6) ta có: Do băng thông mạch: t − t1 = ln (9 ).τ ⇔ t = ln (9 )RC = 2,2 RC (5.10) (5.11) 1 + jπfRC (5.12) 2πRC (5.13) H( f ) = B= (5.9) Từ (5.11) (5.13) ta được: t= 2,2 0,35 = 2πB B (5.14) Băng thông tối thiểu lọc phải băng thông tín hiệu ta thu tín hiệu, điều tương ứng với thời gian lên tối đa: 0,35 Brx t max = Với tín hiệu loại NRZ: t rx (max ) = 0,7 Với loại tín hiệu RZ: t max = 0,35 R tt = ∑t (5.15) (5.16) R (5.17) thời gian lên tuyến: N i =1 i (5.18) -Thời gian lên thiết bị thu Gọi B băng tần điện 3dB tính MHz thời gian lên thiết bị thu tính t n = 350 (5.19) B -Thời gian lên tán sắc mode sợi quang q t mod e = 440 L 43 B0 [ns] (5.20) CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Trong q: tham số có giá trị từ 0,5 đến B0 : Băng tần Km cáp sợi quang [MHz] L: Chiều dài cáp -Thời gian lên tán sắc vật liệu dùng ống dẫn sóng tVL = D.L.σ (5.21) Trong D: Hệ số tán sắc σ : Độ rộng nguồn phát (5.17) viết lại: tt = t tx 440 L + (D.L.σ ) + q B0 ⎛ 350 ⎞ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎝ Brx ⎠ (5.22) 5.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang Nhĩễu khái niệm để mô tả thành phần tín hiệu điện không mong muốn Có chiều hướng gây rối trình truyền dẫn xử lý tín hiệu hệ thống mà không kiểm soát đầy đủ Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loại nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lượng tử nhiễu nhiệt 5.5.1 Nhiễu lượng tử Nhiễu lượng tử photodiode sinh số lượng hạt tải điện qua khe lượng hay vượt qua hàng rao có tính ngẫu nhiên theo thời gian gây Dòng chảy hạt electron qua tiếp giáp p-n riêng rẽ ngẩu nhiên Các hạt đến không đồng thời nên phát sinh nhiễu Giá trị nhiễu lượng tử phụ thuộc vào tham số: ishot = 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 ishot = 2.e.i.B , từ biểu thức ta thấy dòng nhiễu lượng tử tăng theo B 44 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5.5.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt xuất phát từ điện trở tải tách sóng linh kiện điện tử khuyếch đại, có xu hướng chi phối trình khuyếch đại sử dụng photodiode PIN với tỷ số tín hiệu nhiểu thấp, đạt hệ số khuyếch đại tối ưu thiết kế cân nhiễu nhiệt nhiễu lương tử không phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại Công thức tính toán nhiễu nhiệt: i = KTB RL (5.24) Tong đó: K số Bozman, K=1,38.1023 T nhiệt độ đơn vị kenvin, T = t(0c) + 273 R điện trở tải 5.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 5.6.1 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 hv (5.25) ps Với: η hiệu suất lượng tử h số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có công suất tải: S = i2.RL S= ( ηe hv ps )2 RL 5.26 -Công suất nhiễu lượng tử với dòng bao gồm dòng tối: Nshot = i ηe RL = 2.eI.BRL = 2e( shot -Dòng nhiễu nhiệt: inh = KTB RL : unh2 = 4KTB.RL Công suất nhiễu nhiệt: 45 hv Ps + id ).B.RL 5.27 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Nnh = 4KTB RL = 4KTB RL 5.28 Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: ηe ps )2 RL S hv = N 2e(ηe p + i )B.R + 4K.B.T s d L hv ( 5.29 5.6.2 Đối với photodiode APD Như biết APD bao gồm lớp chuyển đổi quang điện lớp nhân điện, nhiễu xuất lớp chuyển đổi quang điện i2shot = 2.e.I.B nhân lên lớp nhân với hệ số nhân M ηe i êhot = ( hv ps + id ) M + x B 5.30 ηe Nshot = i2shot.RL = 2.eI.BRL = 2e( hv Ps + id ).M 2+ x B.RL 5.31 Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức Đây giá trị sinh hiệu ứng thác Với x hệ số tạp 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 = Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: ηe S = N Tỷ lệ lỗi bit: ( ηe 2e( hv hv M ps ) RL ps + id )M BER = 2+ x B.RL + 4K.B.T exp(− q 2 ) q 2.π Với q=SN/2 46 (5.32) (5.33) CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Tỷ số BER nhỏ chất lượng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thường BER = 10 −9 hay < 10 −12 5.7 Các giá trị thành phần Thiết bị phát quang: [7] Tham số Giá trị Bước sóng làm việc 1300nm hay 1550nm Dải sóng làm việc ± 50nm Công suất LED: -32 đến 15dBm LD: -12 đến 7dBm Thời gian lên LED: 3ns(max) LD: [...]... truyền dẫn cao đời hỏi băng thông rộng và tổn hao thấp Loại sợi quang của tuyến được chọn là: sợi quang đơn mode với chỉ số suy hao là 0,25dB/km và hệ số tán sắc D=17ps/nm.km 5. 8.3 Thiết bị thu quang Chọn thiết bị thu quang thõa mãn các yêu cầu sau: - Độ nhạy cao với bước sóng làm việc của tuyến 49 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN - Hiệu suất lượng tử...CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 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. 8.1 Chọn bước sóng làm việc của tuyến Chọn bước sóng làm việc của tuyến. .. BER=10-11 thì từ hình vẽ ta sẽ có S/N = 22,6dB hay S/N = 182 lần 5. 9 Tính toán tổn hao trên đường truyền Loại tổn hao Đơn vị Số lượng Tổng Tổn hao sợi 0,25dB/km 100km 25dB 0,1dB 20 2dB Tổn hao mối nối 1dB 2 2dB Dự phòng 5dB Tổn hao mối hàn 5dB PA =34dB 50 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5. 10 Độ nhạy của máy thu trong trường hợp sử dụng PIN Ta sẽ có công... ( 0,8 × PS + 0,3 10 − 9 ) × 10 2 + 0 , 7 2 ,5 10 9 + 4 × 1,38 10 − 23 × 300 × 2 ,5 10 9 50 Ta được phương trình theo PS: 64 PS2 - 29,189.10-6PS - 7,717.10-11 = 0 Giải phương trình bậc hai ta được: PS = 1, 35. 10-6 W PS = - 8,93.10-6W (loại) 52 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Vậy độ nhạy của máy thu là: PS = 1, 35. 10-6 W hay PS = - 28,7dBm Từ đó ta có công... (-28,7) = 5, 3dBm Như vậy chọn thiết bị phát với công suất danh định là: PT = 5, 34mW 5. 12 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 -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 = 440.Lq/B0 = 440.1000 ,5/ 2 ,5. 107 = 176.10-6 s Trong đó: q là tham số có giá trị từ 0 ,5 đến 1 Bo... 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 - Khi đó thời gian lên của tuyến : tt = 440 Lq ⎡ 350 ⎤ t + ( D.L.σ ) + +⎢ ⎥ Bo ⎣ Brx ⎦ 2 tx tt = 2, 65. 10-10 2 2 s Như vậy thời gian lên của tuyến là: tt = 2, 65. 10-10 s 5. 13 Kết luận chương Kết quả việc tính toán dựa vào các thông số cho trước của tuyến đã cho... 23 × 300 × 2 ,5 10 9 50 Ta được phương trình theo PS : 0,90 25. PS -138,3.10-9PS - 15, 1.10-11 = 0 Giải phương trình bậc hai ta được: PS = 13.10-6 W PS = -12,8.10-6W (loại) Vậy độ nhạy của máy thu là: PS = 13.10-6 W hay PS =-18.7dBm Từ đó ta có công suất phát tối ưu cho laser trong trường hợp sử dụng PIN: PT =PA +PS = 34 + (-18,7) = 15, 34dbm 51 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG... với tốc độ thấp Trong vùng bước sóng dài, các hệ thống họat động ở bước sóng 155 0nm cho mức suy hao thấp nhưng lại có mức tán xạ lớn hơn 1300nm, ở tuyến trên, do chiều dài của tuyến là 100km nên ta cho bước sóng làm việc của tuyến là 155 0nm để có mức suy hao thấp 5. 8.2 Chọn loại sợi quang Theo sự trình bày ở phần lý thuyết sợi quang được phân thành 3 loại: đơn mode, đa mode chỉ số bước, đa mode chỉ số... sóng làm việc của tuyến có liên quan đến rất nhiều tham số khác của tuyến Có ba vùng cửa sổ để có thể lựa chọn khi thết kế là 850 nm, 1300nm, 155 0nm Nghiên cứu về cáp quang đã cho thấy rằng, cáp quang có đặc tính tốt hơn ở vùng bước sóng dài Khi tổn hao truyền dẫn và tán sắc là các nhân tố quyết định để xác định được chiều dài của tuyến Bước sóng ngắn thường dùng để sử dụng ở những hệ thống thông tin... lệ lỗi bit BER cho trước làmột công đoạn quang trọng, bởi lẽ độ nhậy tính được ta sẽ có công suất phát tối ưu và như vậy sẽ làm cho tuyến hoạt động ổn định Với BER cho trước thì ta sẽ có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ bảng dưới đây: S/N (dB) 7 23 6 BER = 1/2 erfc(Q) 5 Q= 4 1 S 2 N 20 3 15 2 10 5 1 10 10-2 10-3 10-4 10 -5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Hình 5. 2 Tỷ số bit BER Với BER=10-11 thì từ hình ... sợi 0,25dB/km 100km 25dB 0,1dB 20 2dB Tổn hao mối nối 1dB 2dB Dự phòng 5dB Tổn hao mối hàn 5dB PA =34dB 50 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 5. 10... sợi quang q t mod e = 440 L 43 B0 [ns] (5. 20) CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN Trong q: tham số có giá trị từ 0 ,5 đến B0 : Băng tần Km cáp sợi quang. .. τ ⎠ ⎝ Từ (5. 9) (5. 10) ta có: Từ (5. 6) ta có: Do băng thông mạch: t − t1 = ln (9 ).τ ⇔ t = ln (9 )RC = 2,2 RC (5. 10) (5. 11) 1 + jπfRC (5. 12) 2πRC (5. 13) H( f ) = B= (5. 9) Từ (5. 11) (5. 13) ta được: