Giới thiệu về hệ thống thông tin quang

Trong thời kỳ hiện nay, việc đáp ứng nhu cầu về thông tin cho x• hội là điều rất cần thiết và quan trọng. Ngày nay các phương tiện thông tin đang phát triển ngày càng trở lên hiện đại đ• giúp cho việc giao lưu thông tin văn hoá, kỹ thuật, kinh tế, quân sự ngày cang đa dạng về hình thức, phong phú về nội dung, chất lượng, kinh tế về giá cả. Bên cạnh những thiết bị tiên tiến đó, để thoả m•n nhu cầu về dung lượng lớn, thời gian phát và nhận tin nhanh, chất lượng thông tin bảo đảm thì việc lựa chọn và tìm kiếm một môi trường ttruyền dẫn là điều rất cần thiết. Chúng ta đ• và đang sử dụng một số loại hình truyền dẫn thông tin như : cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba… mỗi loại đều có những ưu điểm, nhược điểm riêng mà chúng ta khó có thể khác phục được. Với những ưu điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn ở các dạng thông tin cần thiết dưới dạng tín hiệu số, cự ly truyền thông tin đi được xa, không chịu ảnh hưởng của các nhiễu sóng điện từ, khả năng bảo mật thông tin cao… hệ thông thông tin quang được coi là có nhiều tiềm năng phát triển nhất trong mạng viễn thông. Qua tìm hiểu về hệ thống thông tin quang, báo cáo thực tập tốt nghiệp này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết tổng quát về hệ thống thông tin quang. Với điều kiện còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian thực hiện bài báo cáo, tìm hiểu về hệ thống thông tin quang một lĩnh vực hết sức rộng lớn không có nhiều. Chắc chắn trong bài viết của em không tránh khỏi những sai sót. Em mong rằng sẽ nhận được sự góp ý của các thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội để em có thể viết và có thể thực hiện trong đồ án hoàn chỉnh hơn.

Lời nói đầu Trong thời kỳ nay, việc đáp ứng nhu cầu thông tin cho xà hội điều cần thiết quan trọng Ngày phơng tiện thông tin phát triển ngày trở lên đại đà giúp cho việc giao lu thông tin văn hoá, kỹ thuật, kinh tế, quân ngày cang đa dạng hình thức, phong phú nội dung, chất lợng, kinh tế giá Bên cạnh thiết bị tiên tiến đó, để thoả mÃn nhu cầu dung lợng lớn, thời gian phát nhận tin nhanh, chất lợng thông tin bảo đảm việc lựa chọn tìm kiếm môi trờng ttruyền dẫn điều cần thiết Chúng ta đà sử dụng số loại hình truyền dẫn thông tin nh: cáp đồng, cáp đồng trục, hệ thống vi ba loại có loại có u điểm, nhợc điểm riêng mà khó khác phục đợc Với u điểm băng tần truyền dẫn rộng, cho phép truyền dẫn dạng thông tin cần thiết dới dạng tín hiệu số, cự ly truyền thông tin đợc xa, không chịu ảnh hởng nhiễu sóng điện từ, khả bảo mật thông tin cao loại có hệ thông thông tin quang đ ợc coi có nhiều tiềm phát triển mạng viễn thông Qua tìm hiểu hệ thống thông tin quang, báo cáo thực tập tốt nghiệp trình bày số sở lý thuyết tổng quát hệ thống thông tin quang Với điều kiện hạn chế mặt kiến thức thời gian thực báo cáo, tìm hiểu hệ thống thông tin quang lĩnh vực rộng lớn nhiều Chắc chắn viết em không tránh khỏi sai sót Em mong nhận đợc góp ý thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội để em viết thực đồ án hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Thành Công đà tận tình hớng dẫn em thực báo cáo thực tập với tất lòng trân trọng Chơng I : Giới thiệu hệ thống thông tin quang I Quá trình phát triển hệ thống thông tin quang Năm 1960, việc phát minh laser để làm nguồn phát quang đà më mét thêi kú míi cã ý nghÜa rÊt to lớn lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần ánh sáng (1014 1015Hz) Các hệ thống thông tin quang thực nghiệm sử dụng không khí làm môi trờng truyền dẫn Những thực nghiệm ban đầu đà thu đợc kết khả quan, nhng chi phí khâu tốn kém, kinh phí tập trung việc sản xuất thiết bị để vợt qua trở ngại thời tiết (ma, sơng mù, tuyết loại có ) lớn Do hệ thống thông tin quang sử dụng môi trờng truyền dẫn không khí đợc ứng dụng quân nghiên cứu khoa học Cũng thời kỳ này, ngời ta đà phát minh sợi dẫn quang việc sử dụng sợi dẫn quang làm môi trờng truyến dẫn, nhng độ suy hao sợi quang lúc lớn khoảng 1000 db/km nên cha đợc sử dụng thực tế Năm 1966 Kao Hockman Werts nhËn thÊy r»ng suy hao cđa sỵi quang chđ u tạp chất có vật liệu sợi gây Họ đà nhận định cho làm giảm đợc độ suy hao sợi chắn tồn điểm dải sóng truyền dẫn quang có độ suy hao nhỏ Vào năm sau Kapton, Keck Mauser chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có độ suy hao 20 db/km cách mạng thông tin sợi quang đà đợc mở Từ nhà nghiên cứu khoa học đà không ngừng cố gắng phát minh, sợi quang dẫn có suy hao nhỏ lần lợt đời Năm 1976, hệ thống thông tin quang lần đợc lắp đặt Atlanta (Mỹ) với cự ly lặp 10km, tốc độ 45 MbPs Đầu năm 1980, hệ thống thông tin tiện sợi quang đợc phổ biến với mức sóng làm việc 1300 nm Ngày sợi quang đà đạt đến mức suy hao nhỏ, giá trị suy hao 0,154 db/km bớc sóng 1550 nm Giá trị suy hao đà gần đạt tới trị số lý thuyết cho sợi đơn mode 0,14 db/km II Đặc điểm thông tin quang Cùng với thông tin hữu tuyến vô tuyến, loại thông tin sử dụng môi trờng truyền dẫn tơng ứng dây dẫn kim loại kh«ng gian Th«ng tin quang sư dơng m«i trêng trun dẫn sợi quang tín hiệu đợc biến đổi thành ánh sáng đợc truyến qua cáp sợi quang tới nơi nhận đợc biến đổi trở thành tín hiệu ban đầu Hệ thống thông tin quang có nhiều u điểm so với hệ thống sử dụng cáp đồng trục vô tuyến sử dụng đặc tính sau cáp sợi quang - Suy hao truyền dÉn thÊp (0,35 – 0,4 db/km ë bíc sãng 1300 nm vµ 0,2 – 0,25 db/km ë bíc sãng 1550 nm) - Độ rộng băng thông lớn ( vào khoảng 15Thz bớc sóng 1300 nm 1500 nm) - Kích thớc nhỏ, trọng lợng thấp - Không ảnh hởng điện từ trờng bên - Cách điện - Kinh tế : nguyên liệu để sản xuất sợi quang thạch anh dồi nhiều so với kim loại, tiêu tốn vật liệu sản phẩm thấp Bên cạnh linh kiên thu phát sợi quang hƯ thèng th«ng tin quang cã nhiỊu u điểm - Có khả điều chế tốc độ cao nên ứng dụng hiệu truyền dẫn tốc độ cao thông tin băng rộng - Kích thớc nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao - Khả phát xạ công suất quang lớn, máy thu có độ nhạy cao nên thông tin dài Các u điểm bật phơng thức thông tin quang so với phơng thức thông tin khác - Ưu điểm dung lợng - Ưu điểm chất lợng tín hiệu - Ưu điểm điều kiện bảo dỡng, tác động môi trờng tuổi thọ Bên cạnh u điểm u điểm có số nhợc điểm sau: Thông tin - Bộ phát quang nối quang Mối hàn sợi Đơng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhỏ dẫnBộđến khó đấu nối Mạch điều Nguồn - Cần có đờng dây, dây cấp nguồn cho tiếp phát khiển phátđơng quang Sợi dẫn quang - Cần có phơng thức chỉnh lõi (cáp) quang Tuy nhiên với u Thu điểm hệ thống thông tin quang coi hệ Trạm lặp thống triển vọng mạng truyền thông tin đợc áp dụng rộng rÃi thực tế Mạch điện Cáctin thiết bị khác III Sơ đồ khối hệ thống thông quang Phát quang Khuếch đại quang Bộ thu quang Tín hiệu Chuyển đổi tín hiệu Đầu thu quang Khuếch đại Hình : Các phần tuyến truyền dẫn quang Vai trò kênh thông tin sợi quang truyền dẫn tín hiệu quang từ đầu phát qua chuyển đổi tới kênh dẫn ssợi quang đến đầu thu mà không bị méo dạng sai lệch Nh thiết bị đầu ci quang ®· cã sù biÕn ®ỉi tÝn hiƯu ®iƯn thành tín thiệu quang ngợc lại Hình vễ cấu trúc truyền thông tin quang Các thành phần tuyến gồn có khối phát quang, cáp sợi quang khối thu quang, trạm lặp - Khối phát quang: gồm có mạch điều khiển nguồn sáng thực việc điều biến tín hiệu điện vào thành xạ quang để truyền Các hệ thông thông tin quang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng tách sóng trực tiếp (IMĐ) - Cáp sợi quang : gồm sợi dẫn quang va lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động môi trờng bên Cáp sợi quang dùng để truyền ánh sáng - Trạm lặp: tín hiệu truyền dẫn đờng truyền bị tiêu hao méo nên sau khoảng thời gian định, phải có trạm lặp để khuyếch đại tái sinh tín hiệu Việc tái sinh tÝn hiƯu quang hiƯn ph¶i tr¶i qua bíc + Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện + Sửa đổi dạng tín hiệu méo tái sinh tín hiệu dới dạng điện + Chuyển đổi tín hiệu điện đà tái sinh khuyếch đại thành tín hiệu quang để tiếp tục phát - Khối thu : gồm tách quang, khuếch đại khôi phục tín hiệu đầu thu, tín hiệu quang đợc biến đổi thành tín hiệu điện thông qua tách sóng quang, sau đợc khuếch đại giải mà trở lại tín hiệu ban đầu IV Các đặc tính hệ thống thông tin quang 1/ Sơ lợc nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang Nguyên lý truyền ánh sáng sợi quang dựa vào tợng phản xạ toàn phần ánh sáng bề mặt phân cách hai môi trờng có triết suất khác Nó từ môi trờng có chiết suất lớn sang môi trờng có chiết suất nhỏ Giả sử có tia sáng từ môi trờng có chiết suất n1 đến môi trờng có chiết suất n2 (n2>n1) sin  n1  sin  n 1 n1 n2 Tia tới hợp với pháp tuyến mặt phân cách hai môi trờng góc 1, 2: góc khúc xạ hợp tia khúc xạ pháp tun Quan hƯ cđa c¸c gãc 1,2 víi chiÕt st n1,n2 theo định luật khúc xạ Suchons: Tia sáng cã xu híng ®i lƯch vỊ phÝa vïng cã chiÕt st lín h¬n Khi tia sin  gh  n1 n2 tới đạt giá trị giới hạn không vào môi trờng thứ hai mà tia khúc xạ chạy song song với mặt phaan cách (góc khúc xạ = 90) Khi góc tới lớn góc giới hạn tia sáng phản xạ mặt phân cách hai môi trờng Độ lớn gh phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất hai môi trờng Muốn phản xạ toàn phần phải có hai điều kiện sau: - Tia sáng từ môi trờng có chiết suất lớn sang môi trờng có chiết suất nhỏ - Góc tới phải lớn góc giới hạn 2/ Sự lan truyền ánh sáng sỵi SI – MM (step index – multi mode) n2 n1 Líp vá n2 Líp vá n1 n02 t Hình: Sự lan truyền ánh sáng sợi SI MM Các tia sáng từ nguồn xạ vào sợi quang qua môi trờng không khí có chiÕt st n0 = tíi lâi sỵi cã chiÕt suất n1>n0 Chùm tia sáng vào sợi gồm tia tới khác Có tia dọc trục sợi, có tia khúc xạ miền giao tiếp lõi môi trờng hớng phía pháp tuyến Góc tia khúc xạ đợc xác định theo công thức: Trong n0, n1 biểu thị liên hệ chiết suất cđa m«i trêng kh«ng khÝ n0 sin  n1 sin tơng ứng với lõi sợi Tia sáng vào sợi quang gựp mặt phân cách lõi vỏ với góc tới miền n2 với giá trị tới gọi góc tới hạn góc khúc xạ phải /2 để tia khúc xạ miền n2 trợt theo miền phân cách lõi vỏ Góc tới hạn góc t, góc thoả mÃn hệ thức: sint = n0/n1 Để có tợng phản xá toàn phần miền phân cách lõi vỏ phải thoả mÃn điều kiện sau: sin   n2 n1 vµ  > t tia tới miền phân cách lõi vỏ vỏ 1>L 3/ Sự lan truyền ánh sáng sợi GI MM (gradel multi mode) Hình: quỹ đạo sợi GI MM Đặc điểm sợi chiết suất lõi sợi số (const) mà thay đổi theo bán kính Có giá trị n1 lớn tâm lõi sợi tới giá trị n2 nhỏ mặt phân cách lõi vàvỏ Trong chiết suất n vỏ sợi không thay đổi (n2 = const) tất loại dây sợi đợc chế tạo cho suy giảm gần với hàm bậc hai vàđợc phân tích kỹ cách dùng hệ số mặt cắt g r a n r  n1 [1   ]g r a   r a n r  n1 [1 ] n2 a: Bán kính lõi t:Độ chênh lệch chiết suất tơng đối g : Tham số mặt cắt Hệ số g xác định giá trị thay đổi chiết suất theo mặt cắt ngang, sợi đơn mode cã g lín (≥10) nÕu g = ta đợc sợi có chiết suất Prabol Sự tán sắc mode đợc gỉm bớt loại sợi có chiết suất thay đổi, đợc mô tả hình 1.3 Các tia xiên góc nhiều với trục có đờng dài ria gần trục nhng chiết suất giảm dânf từ lõi vỏ nên vận tốc tia sáng tăng lên theo Sự bù trừ làm tia thẳng trục vf tia xiên có thêi gian trun tiÕn b»ng Trong h×nh 1.3 ta thấy rõ ràng tia dọc trục có đờng ngắn nhất, nhng lại có vạn tốc truyền bé Các tia khác có đờng dài nhng vận tốc truyền lớn quang hình học g = tốt để giảm tán sắc mode, hay g = tối u P : tham số tán xạ mặt cắt g opt 2  P  12 /  Phơng trình mô tả quỹ đạo tia gần trục nh sau: Với r : khoảng cách tõ tia tíi trơc d r dn   dz n dr z : sè ®o ®é dài trục Nh có g = gopt độ lệch thời gian lớn 1km giảm nhỏ, đặt giá trị sau (phụ thuộc vào t) n1 2  L 8c ViƯc tÝnh to¸n ΔT cịng tơng tự nh sợi chiết suất bậc nhng trờng hợp V khác const mà biến đổi theo bán kÝnh Tõ (2 – 7) vµ thay ΔT < 1/B ta cã V Vr  c c  n1 n1 r Ta thấy giá trị BL công thức 2.9 lớn nhiều so với BL (2- 4) BL  8c n1 2 §Ĩ đặc trng cho khả ghép ánh sáng vào sợi, ngời ta định nghĩa biểu đồ không gian pha, biểu diƠn quan hƯ sin²θ θ víi r² nh nh h×nh vÏ 1.4 sau: 10 ... minh, sợi quang dẫn có suy hao nhỏ lần lợt đời Năm 1976, hệ thống thông tin quang lần đợc lắp đặt Atlanta (Mỹ) với cự ly lặp 10km, tốc độ 45 MbPs Đầu năm 1980, hệ thống thông tin tiện sợi quang đợc... phátđơng quang Sợi dẫn quang - Cần có phơng thức chỉnh lõi (cáp) quang Tuy nhiên với u Thu điểm hệ thống thông tin quang coi hệ Trạm lặp thống triển vọng mạng truyền thông tin đợc áp dụng rộng... điện Cáctin thiết bị khác III Sơ đồ khối hệ thống thông quang Phát quang Khuếch ®¹i quang Bé thu quang TÝn hiƯu Chun ®ỉi tín hiệu Đầu thu quang Khuếch đại Hình : Các phần tuyến truyền dẫn quang