Tổng quan về hệ thống thông tin quang

Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao

Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Lời nói đầu Ngày nay, hệ thống thông tin quang là hệ thống thông tin mà trong đó tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn là các sợi quang (các sợi mảnh). Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác. Cáp quang ngày càng được nhiều nước sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình nó có chất lượng truyền dẫn tốt hơn hẳn so các hệ thống truyền dẫn khác - nó còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thông có chất lượng cao đòng bộ và hiện đại như: Truyền số liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa, dẫn các tạp thông tin đa phương tiện. Cùng với những ưu điểm như: Độ suy hao thấp, độ rộng băng tần cao, đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ, đặc tính cách điện cao, tiết kiệm tài nguyên. Trong phần báo cáo thực tập này em xin nghiên cứu những vấn đề sau: Hệ thống thông tin quang. Cáp sợi quang và những vấn đề liên quan. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy Vũ Đức Thọ -trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nay bản báo cáo tực tập của em đã hoàn thành, em kính mong các thầy cô giáo xem xét và bổ khuyết, em xin trân thành cảm ơn. . 1 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ PHẦN I: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG Định nghĩa: Thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều này có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang . Tại nơi nhận nó lại được biến đổi thành thông tin ban đầu 1.1 Sự phát triển của thông tin quang: Khởi đầu của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động hình dáng và màu sắc thông qua đôi mắt . Tiếp đó một hệ thống thông tin, điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng các đèn tín hiệu. Kế tiếp là sự ra đời của một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết để giải quyết vấn đề này người ta đã chế tạo ra máy điện báo vô tuyến dùng để liên lạc giữa hai người ở cách xa nhau. 1960 các nhà nghiên cứu đã chế tạo thành công ra laze và đến năm 1966 đã chế tạo ra sợi quang có dộ tổn thất thấp ( 1000dB/Km). Bốn năm sau Karpon đã chế tạo ra cáp sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/Km. Từ thành công rực rỡ này các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu, phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng dải thông về các laze bán dẫn đã được phát triển thành công vào những năm 70. Sau dó giảm độ tổn hao xuống còn 0,18 db/Km còn laze bán dẫn có khả năng thực hiện giao động liên tục ở nhiệt độ khai thác đã được chế tạo, tuổi thọ kéo dài hơn 100 năm. 2 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Dựa trên công nghệ sợi quang và các laze bán dẫn giờ đây có thể gửi một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh dữ liệu đến các địa chỉ cách xa hàng trăm Km bằng một sợi quang có độ dày như một sợi tóc, không cần các bộ tái tạo. Hiện nay các hoạt động nghiên cứu đang được tiến hành trong một lĩnh vực gọi là photon học là một lĩnh vực tối quan trọng trong thông tin quang, có khả năng phát hiện và sử lý trao đổi và truyền dẫn thông tin bằng các phương tiện ánh sáng. Photon học có khả năng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử và viễn thông trong thế kỷ 21. 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang: Hình vẽ 1.1 biểu thị cấu hình cơ bản của hệ thống thông tin quang. Chức năng của từng bộ phận trong hệ thống thông tin quang: Bộ biến đổi điện – quang ( E/O): Dùng để biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền trong môi trường cáp quang ( biến đổi xung điện thành xung quang). Yêu cầu thiết bị E/O biến đổi trung thực ( ánh sáng bị điều biến theo qui luật của tín hiệu điện). 3 Hình 1.1: Cấu hình của hệ thống thông tin quang. Cáp quang Cáp quang Nguồn thu thông tin E/O O/ E E/ O O/E Nguồn phát thông tin Bộ biến đổi điện quang Lặp đường dây Bộ biến đổi quang điện <Tín hiệu điện> < Tín hiệu quang > < Tín hiệu quang > <Tín hiệu điện> Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Cáp quang: Là môi trường dùng để truyền dẫn tín hiệu là ánh sáng, được chế tạo bằng chất điện môi có khả năng truyền được ánh sáng như sợi thạch anh, sợi thuỷ tinh, sợi nhựa. Yêu cầu: Tổn hao năng lượng nhỏ, độ rộng băng tần lớn, không bị ảnh hưởng của nguồn sáng lạ ( không bị nhiễu) . Bộ biến đổi quang - điện ( O/E): Thu các tín hiệu quang bị suy hao và méo dạng trên đường truyền do bị tán xạ, tán sắc, suy hao bởi cự ly để biến đổi thành các tín hiệu điện và trở thành nguồn tin ban đầu. Yêu cầu: Độ nhậy máy thu cao, thời gian đáp ứng nhanh, nhiễu nhỏ tiêu thụ năng lượng điện ít. Các trạm lặp: Được sử dụng khi khoảng cách truyền dẫn lớn. Trạm lặp biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuyếch đại. Tín hiệu đã được khuyếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp sợi quang. 1.3 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng của thông tin quang: Thông tin quang cũng như nhiều loại thông tin khác nó cũng có những ưu và nhược điểm riêng: 1.3.1 Ưu điểm : • Sợi quang không bị nhiễu bởi các tia điện từ trong không gian và ngược lại nó cũng không phát ra các tia điện từ gây ảnh hưởng tới các thiết bị xung quanh. Như vậy các tín hiệu tryuền qua sợi quang không thể bị nghe lén được. Tin tức được đảm bảo bí mật • Giá thành của hệ thống dẫn tín hiệu bằng cáp kim loại đắt hơn so với cáp sợi quang. • Độ cách điện cao đến hàng nghàn volt giữa trạm phát và trạm nhận tín hiệu. • Trong kênh thông tin trọng lượng và kích thước của các bộ phận đều nhỏ nhẹ. 4 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ • Tín hiệu và hệ thống truyền tin bằng sợi quang thích hợp với các linh kiện, IC lozic TTC và CMOS. • Truyền tín hiệu qua cáp quang không bị nhiễu và không có hiệu ứng thời gian trễ như ở thông tin vệ tinh. • Độ rộng băng tần đến 3000GHz. Đến nay với cách truyền tin AM hay Time- Multiplex độ rộng băng tần bị hạn chế còn khoảng 10GHz. 1.3.2. Nhược điểm. • Hàn, nối sợi khó khăn hơn cáp kim loại. • Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần có thêm dây đồng đặt bên trong sợi quang. • Khi có nước, hơi ẩm lọt vào cáp thì cáp sẽ nhanh chống bị hỏng và các mối hàn mau lão hoá làm tăng tổn hao. • Do sợi có kích thước nhỏ nên hiệu suất của nguồn quang thấp. • Vì đặc tính bức xạ không tuyến tính của laze diode nên hạn chế truyền analog. • Không thể truyền mã lưỡng cực. 1.3.3 Ứng dụng. Nhờ những ưu điểm trên mà sợi quang được ứng dụng trong các mạng lưới điện thoại, số liệu, máy tính và phát thanh, truyền hình ( dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng trong ISDN ( là mạng kết hợp giữa kỹ thuật chuyển mạch kênh với kỹ thuật chuyển mạch gói), trong điện lực các ứng dụng y tế quận sự và cũng như trong các thiết bị đo. 5 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ CHƯƠNG II: CÁP SỢI QUANG VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 2.1 Bản chất của ánh sáng: Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền đi dưới dạng ánh sáng, một cách chung nhất, có thể coi ánh sáng là một chùm các phần tử hạt rất nhỏ bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như đang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. Quan điểm này mô tả được đầy đủ các hiệu ứng về quang học trong một phạm vi riêng nào đó ví dụ như các hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng, nhưng lại không đúng khi dùng thuyết này để giải thích về hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa, tuy nhiên hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa chỉ hãn hữu. Năm 1986, Maxwell đã chứng minh bằng lý thuyết rằng bản chất của sóng ánh sáng là sóng điện từ. Hơn nữa khi quan sát các hiệu ứng phân cực, người ta nhận thấy sự chuyển động của sóng ánh sáng luôn vuông góc với hướng mà sóng đi, điều đó chỉ ra rằng sóng ánh sáng là sóng ngang. Theo quan điểm sóng quang hay vật lý quang thì sóng điện từ được phát ra từ một nguồn nhỏ có thể được đặc trưng bởi một loại các mặt sóng hình cầu mà nguồn đặt ở trung tâm các mặt cầu này. Mặt sóng được xác định bởi các quĩ tích tất cả các điểm ở trong loại sóng cùng pha. 6 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ 2.1.1 Các định luật cơ bản của ánh sáng: Các định luật cơ bản của ánh sáng có liên qua đến sự truyền ánh sáng trên sợi quang là hiện tượng khúc xạ và phản xạ ánh sáng vận tốc của ánh sáng là: c = v.λ v: Tần số ánh sáng λ: Bước sóng Trong không gian tự do thì c = 3.10 8 m/s, còn các môi trường trong suốt khác thì vân tốc ánh sáng là v < c. Khi đó chỉ số chiết suất n của vật liệu đó là: n = c/v Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng có thể xem xét trong trường hợp có hai môi trường khác nhau về chỉ số chiết suất. Như ta đã biết, các tia sóng được truyền từ môi trường có chiết suất lớn vào môi trường có chiết suất nhỏ hơn thì sẽ thay đổi hướng truyền của chúng tại danh giới phân cách giữa hai môi trường. Các tia sáng khi đi qua vùng ranh giới này bị thay đổi hướng nếu tiếp tục đi vào môi trường có chiết suất mới thì gọi đó là tia khúc xạ, còn tia nào qua ranh giới này quay trở lại môi trường ban đầu thì gọi là tia phản xạ Hình dưới đây minh hoạ quá trình phản xạ và khúc xạ ánh sáng ứng với một môi trường thứ nhất có chiết suất n 1 lớn hơn chiết suất n 2 của môi trường thứ hai. 7 φ 2 θ 2 φ 1 θ 1 Tia tới Tia phản xạ Tia khúc xạ Pháp tuyến n 2 n 1 n 2 <n 1 Tia tới φ 1 φ 0 Tia khúc xạ Pháp tuyến φ 2 n 2 n 1 Hình 2.1: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ * Theo định luật Snell ta có quan hệ: n 1 .sin φ 1 = n 2 .sinφ 2 . φ 1 : là góc tới góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách 2 môi trường với tia tới. φ 2 : Là góc hợp bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi trường với tia khúc xạ. Ta có thể viết như sau: n 1 .cosθ 1 = n 2 .cosθ 2 . 2.1.2 Đặc tính tán xạ trong sợi quang: Khi truyền dẫn các tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu. Thậm chí trong vài trường hợp các xung lân cận còn đè lên nhau, dẫn đến không phân biệt được xung, gây méo tín hiệu khi tái tạo. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời. Tán xạ có ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn cụ thể là: • Khi truyền tín hiệu số trong miền thời gian nó gây ra sự dãn rộng các xung ánh sáng. • Khi truyền tín hiệu tương tự ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm và gây ra hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi quang bị giới hạn, ảnh hưởng của tán xạ được mô tả như sau: 8 Hình b : Sụt biên độ t P T s T c 0 P t Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Hình 2.2: Ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và tín hiệu analog (b) S : chỉ tín hiệu phát E : chỉ tín hiệu thu. a> Tán sắc mode: • Tán sắc mode tồn tại trong tất cả các sợi quang đa mode , không có trong đơn mode. • Tán sắc mdoe còn gọi là tán sắc giữa các mode. • Tán sắc mode là do các mode truyền trong sợi với tỷ lệ khác nhau và đến cuối đầu thu tại các thời điểm khác nhau, nghĩa là truyền tốc độ như nhau nhưng đến đầu thu không đồng thời. • Trong các sợi đa mode có sự khác nhau về tốc độ nhóm giữa các dạng sóng. Tuy các dạng sóng xuất phát từ đầu sợi tại cùng một thời điểm nhưng đến cuối sợi thì không đồng thời. Giữa các dạng sóng (các tia sóng ) nhanh nhất và chậm nhất gây ra độ lệch thời gian đặc trưng cho tán sắc mode. b> Tán sắc sắc thể trong sợi đa mode: Tán sắc sắc thể có trong sợi đa mode và sợi đơn mode: • Tán sắc sắc thể gây ra do sự phụ thuộc của tốc độ nhóm vào bước sóng của tín hiệu và làm cho thời gian tới của các thành phần có bước sóng khác nhau không như nhau. 9 Hình a : Dãn xung Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ • Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng: + Tán sắc vật liệu: Là do các bước sóng khác nhau từ nguồn quang và truyền với tốc độ khác nhau do sự thay đổi các chỉ số khúc xạ theo bước sóng. + Tán sắc ống dẫn sóng: Là do sự phụ thuộc không tuyến tính của hằng số chuyền lan vào tần số bước sóng trong ống dẫn quang. 2.2 Cấu tạo cáp sợi quang: 2.2.1 Lõi cáp sợi quang: Bao gồm sợi quang đặt trong ống đệm chặt hoặc ống đệm lỏng được liên kết với nhau bằng cách xoắn quanh một phần tử trung tâm gọi là phần tử gia cường. Bước xoắn phải đủ dài để cho sợi quang không bị cong quá mức qui định và đủ ngắn để đủ độ giãn dài khi bị kéo căng cáp. Phần tử trung tâm làm bằng các plastic có rãnh vừa là chức năng gia cường vừa để đặt sợi theo hình xoắn ốc. Các ống đệm cũng bằng plastic. Các đặc tính cơ bản của plastic được dùng để sản xuất ống đệm hoặc phần tử gia cường (làm lõi của cáp quang) theo bảng sau: Vật liệu Sức chịu lực căng Kg/mm 2 Độ giãn dài tại điểm % Modul đàn hồi Kg/mm 2 .10 2 Độ dãn nhiệt 10 -5 / 0 C Sợi quang Nylon PE mật độ cao PE mật độ thấp Polypropylene Polyvinilchlo Ride(PVC) Fluorocthlenepro 500 5,6-6,5 2,1-3,8 0.7-1,4 3.3-4.2 0.7-0.24 2-3,2 5 300 1,5-100 90-650 200-700 200-400 250-330 71 1,3-2,4 0,4-0,7 0,1-0,24 1,1-1,4 0,1 0,35 0,05 20 11-13 10-22 8-9,5 7-21 8,3-10,5 10 [...]... tăng lên khi hệ số khúc xạ giảm đi và do vậy ánh sáng sẽ dến đầu cuối ra gần đúng như thể ánh sáng đã lan truyền theo một đường thẳng Vì vậy nó có thể giữ nhiều thông tin ( GHz-Km) gấp hàng trăm nghàn lần so với sợi quang 14 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ chi số bước Đường kính của lõi sợi quang chỉ số lớp này là 50µm và đường kính của áo sợi quang là 125 µm c> Sợi quang đơn... nhiên hệ thống thông tin cáp sợi quang là hệ thống phức tạp Việc thiết kế và lắp đặt tuyến truyền dẫn trên sợi dẫn quang đòi hỏi có độ chính xác cao Chính vì vậy sử dụng cáp quang trong hệ thống thông tin đòi hỏi phải có độ ngũ cán bộ có trình độ, hiệu biết sâu về kỹ thuật trong mội lĩnh vực của nghành điện tử viễn thông Trong phần báo cáo thực tập này đã nêu được những điểm nổi bật của cáp sợi quang. .. Sợi quang chiết suất biến đổi đều Bảng 2.3: Phân loại sợi quang 13 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ 2.3.1 Phân loại theo vật liệu điện môi: Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì tổng số có ba loại : • Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P v.v để làm thay đổi chiết suất khúc xạ • Sợi quang. .. tương đối đồng thời nên xung quang ít sụt đỉnh ít bị giãn rộng Vì vậy sợi GI- MM có khả năng truyền tốc độ cao hơn SI-MM Thường được sử dụng ở các đường truyền có tốc độ hàng trăm Mb/s 2.4.3 Sợi quang đơn mode chiết suất bậc: Hình 2.6: Ánh sáng truyền qua sợi quang đơn mode chiết suất liên tục 16 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Đường kính của sợi quang được làm thật bé chỉ... loại sợi quang Như trong bảng 2.3, sợi quang được phân loai theo nhiều cách như phân loại theo vật liệu điện môi sử dụng, mode truyền dẫn, phân bố chiết suất khúc xạ của lõi v.v Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết... dẫn: HOLE GLASS OR CERAMIC CAPILLARY OPTICAL FIBER 29 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Hình 2.16: Hàn cơ học bằng ống mao • ống mao dẫn làm bằng vật liệu thuỷ tinh hoặc dùng vật liệu gồm có lỗ khoan trong lõi, với lỗ đường kính lớn hơn đường kính sợi quang một ít sao cho chỉ đưa khít được sợi quang vào mà thôi • Sau đó gài sợi quang vào bên trong và bịt kín cố định • Có một lỗ... 2.4.2 Ánh sáng truyền qua sợi quang đa mode chiết xuất liên tục ( GI-MM): 15 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ Hình 2.5: ánh sngs truyền qua sợi quang đa mode chiết suất liên tục Sợi quang đa mode- Chiết suất giảm dần có đường kính lõi gần 50µm Độ rộng băng tần đạt khoảng 1GHz.Km Cấu tạo của lõi sợi quang coi như tạo bởi nhiều thấu kính hội tụ xếp đặt theo thứ tự nhất định Có... sợi quang, kỹ thuật SDH đang được triển khai rộng rãi SDH có thể truyền dẫn tất cả các tín hiệu của hệ thống hiện có nhằm đảm bảo tính truyền dẫn thông suốt ở các mạng lưới khác nhau Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ điện tử viễn thông, công nghệ quang và công nghệ quang đã phát triển không ngừng, giá thành giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin. .. sự chênh lệch về thời điểm đến của đầu cuối làm cho việc truyền thông tin đến các địa điểm xa vài trụcMHz-Km b> Sợi quang đa – model chiết suất biến đổi: Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai lệch về thời gian như đã đề cập ở trên Loại sợi quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía áo sợi quang Điều này có nghĩa là sự phân bố hệ số khúc xạ... nhau Ngoài mỗi bó lgiải mầu quấn quanh Các bó đặt trong ống plastic một cách lỏng lẻo để hình thành lõi cáp chứa tới 8 bó (56 sợi) Hình 2.15 UNCN OF PRIMARY FIBERS (USUALLY 12) COLOR CODE BINDER FILLIN G COMFO TUBE UN 6-8 mm Hình 2.15: Các khối buộc lỏng 28 Tổng quan về hệ thống thông tin quang GVHD:Thầy Vũ Đức Thọ 2.8 Hàn sợi quang 2.8.1 Nhận xét: Nhìn ở bên ngoài sợi quang ta không thể phân biệt được . KHÁI NIỆM CHUNG V TH NG TIN QUANG Định nghĩa: Th ng tin quang là m t h th ng truyền tin th ng qua sợi quang. Điều này có nghĩa là th ng tin được chuyển. trúc h th ng th ng tin quang: H nh v 1.1 biểu th cấu h nh cơ bản của h th ng th ng tin quang. Chức n ng của t ng bộ phận trong h th ng