Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao

Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang được chế tạo từ sợi thuỷ tinh). Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hản các phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh – nó còn là phương tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình cũng như thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa... Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, x•, phố, phường... Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Trong phạm vi đồ án này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin quang và các bước triển khai moọt hệ thống thông tin quang. Đồ án nay gồm hai phần như sau: Phần I: Tổng quan về hệ thống quang. Chương I: Hệ thống thông tin quang. Chương II: Cấu tạo sợi quang. Chương III: Đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Chương IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện – quang và quang - điện. Chương V: Kỹ thuật ghép kênh quang. Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chương VI: Những vấn đề cơ bản trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin quang. Chương VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao.

Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Lời nói đầu Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang đợc truyền dới dạng ánh sáng. Môi trờng truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang đợc chế tạo từ sợi thuỷ tinh). Cáp quang đang trở thành phơng tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các u điểm của nó hơn hản các phơng tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng đợc nhiều nớc trên thế giới sử dụng làm phơng tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phơng tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh nó còn là phơng tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình cũng nh thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lợng cao, đồng bộ và hiện đại nh truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa . Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém. Bằng nhiều phơng pháp chôn dới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phờng . Nó sẽ xuyên trái đất vợt đại dơng kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài ngời hội nhập trên con đờng phát triển kinh tế thơng mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con ngời trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Trong phạm vi đồ án này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin quang và các bớc triển khai moọt hệ thống thông tin quang. Đồ án nay gồm hai phần nh sau: Phần I: Tổng quan về hệ thống quang. Chơng I: Hệ thống thông tin quang. Chơng II: Cấu tạo sợi quang. Chơng III: Đặc tính truyền dẫn của sợi quang. 1 Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chơng IV: Linh kiện bán dẫn biến đổi điện quang và quang - điện. Chơng V: Kỹ thuật ghép kênh quang. Phần II: Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Chơng VI: Những vấn đề cơ bản trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin quang. Chơng VII: Thiết kế tuyến cáp Láng trung tâm thể thao. Mục đích của đồ án là nêu bật đợc nhứng điều quan trọng nhất trong một hệ thống thông tin quang và những yếu tố cần thiết để thiết kế một hệ thống thông tin quang. Tuy nhiên, để có đợc một kiến thức sâu rộng hơn về công nghệ truyền dẫn này phải có thời gian nghiên cứu và sự tích luỹ kiến thức hơn nữa. Đồ án này đợc thực hiện trông khoảng thời gian ngắn, do đó, không tránh khổi những hạn chế thiếu sót. Em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cũng nh các bạn có quan tâm để hoàn thiện kiến thớcvề công nghệ này. 2 Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Phần I Tổng quan về thông tin quang Chơng I Hệ thống thông tin quang I.1. Thông tin sợi là gì? Sự truyền dẫn thông tin qua sợi quang đợc gọi là thông tin sợi quang. Có nghĩa là thông tin đợc chuyển thành tín hiệu ánh sáng sau đó đợc truyền trên sợi và tại bên thu sẽ nhận đợc tín hiệu quang đó biến đổi trở thành thông tin ban đầu. Nh vậy: - Môi trờng truyền dẫn thông tin quang là sợi quang. - Dạng tín hiệu truyền dẫn sợi là tín hiệu ánh sáng. I.2. Sơ đồ khối căn bản của một hệ thống truyền dẫn quang. - Nguồn tín hiệu là các dạng thông tin thông thờng thuộc tiếng nói, hình ảnh, số liệu . - Bộ xử lí: Xử lí nguồn tin tạo ra các tín hiệu đa vào hệ truyền dẫn, có thể là tín hiệu tơng tự hoặc tín hiệu số. - Bộ biến đổi điện quang (E/O): biến đổi tín hiệu điện thành dạng tín hiệu cờng độ quang để phát đi. - Sợi quang (OF) : có vai trò nh một kênh truyền dẫn, đợc dùng để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến. - Bộ biến đổi quang điện (O/E): là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi thành tín hiệu điện. - Bộ xử lí : xử lí tín hiệu điện, biến đổi thông tin điện về dạng ban đầu. 3 Bộ xử lí Biến đổi E/O Bộ xử lí Sợi quang (OF) Nguồn Thu Hình I.1: Sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn quang Biến đổi O/E O/E Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Nếu cự ly truyền dẫn dài thì giữa hai trạm đầu cuối có thêm một hoặc hai trạm tiếp vận đợc gọi là trạm lặp (Repeater) có sơ đồ khối nh sau: Trạm tiếp vận hay trạm lặp có tác dụng khuếch đại tín hiệu quang lên và sửa lại dạng tín hiệu sau đó lại phát đi (tất cả quá trình trên đều làm ở dạng tín hiệu điện). Trạm lặp giúp cho bên thu thu tốt tín hiệu tránh lỗi do tán sắc. Các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. 4 Repeater Thu quang K Đ Sửa dạng Phát quang Hình I.2: Sơ đồ khối trạm lặp Tín hiệu quangTín hiệu quang Sợi quang Sợi quang Máy thu Nguồn sáng Mạch điện Tín hiệu điện đầu vào Máy phát Sợi dẫn Sợi quang Bộ chia quang Bộ nối Tín hiệu điện đầu ra Bộ khuyếch đại Tín hiệu điện Bộ ghép hoặc chia Bộ lặp Tới thiết bị khác Sợi dẫn Tín hiệu quang Máy phát quang Bộ tách sóng quang Khôi phục tín hiệu Mạch điều khiển Khuyếch đại quang Hình I.3: các phần tử chính của một tuyến thông tin quang. Máy thu quang Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Phần phát quang: Đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện liên kết với nhau. Nguồn phát quang ở thiết bị có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hặc điốt lazer (LD) . Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với các tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tơng ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện của đầu vào của thiết bị phát ở dạng số hoặc có đôi khi ở dạng tơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tơng ứng và công suất quang đầu ra sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cờng độ dòng điều biến c- ờng độ ánh sáng. Bớc sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc khai thác trên tuyến. 5 Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Cáp sợi quang: Gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại của môi trờng bên ngoài. Tơng tự nh cáp đồng, cáp sợi quang đợc khai thác, láp đặt với các điều kiện khác nhau. Chúng có thể đợc treo ngoài trời, chôn trực tiếp dới đất, kéo trong cống, thả dới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét đến vài km. Tuy nhiên đôi khi thi công các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể. Cáp có độ dài khá lớn thờng đợc dùng cho cáp treo hoặc cáp trôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến cáp đợc lắp đặt. Cáp sợi quang đóng vai trò truyền dẫn tín hiệu quang từ phần phát quang tới phần thu quang. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bớc sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó suy hao thấp là các vùng bớc sóng 850nm, 1310nm, 1550nm. Ba vùng bớc sóng này đợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và đợc gọi là vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai, thứ ba tơng ứng. Giá trị suy hao tối thiểu củae sợi quang đặc biệt đạt tới 0,01 đến 0,001 dB/Km. Phần thu quang: Do bộ tách quang và các mạch tạo khuyếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Tín hiệu ánh sáng đã đợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thờng bị suy hao và bị méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hớng phát tới. Tín hiệu quang đợc biến đổi lại thành tín hệu điện. Các điốt quang kiểu thác(APD) và điốt quang (PIN) có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang. Cả hai loại đều có hiệu suất làm việc và có tốc độ truyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang sẽ quyết định nên b- ớc sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách song quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc sử dụng trên tuyến lắp đặt. 6 Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất thu quang nhỏ nhất có thể thu đợc ở một tốc độ truyền dẫn nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép các hệ thống; điều này tơng tự nh ở tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tơng tự. I.3. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang : Hệ thống thông tin quang có nhiều u điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại : - Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh nên là môi trờng trung tính với ảnh h- ởng của: nớc, axít, kiềm . và là sợi điện môi nên hoàn toàn cách điện ngay cả khi lớp vỏ bọc bị h hỏng thì nó vẫn truyền tin tốt. - Suy hao truyền dẫn thấp truyền nên truyền đợc tốc độ cao. Nó cho phép truyền dẫn băng rộng ở tần số lớn. Nh vậy, nó cho dung lợng thông tin cao mà ít phải tăng số lợng cáp và cho phép đặt trạm lặp với khoảng cách lớn. - Không gây nhiễu ra bên ngoài cũng không gây xuyên âm giữa các sợi quang và cũng không bị ảnh hởng của nhiễm điện từ nên nó cho chất lợng thông tin cao. - Có độ tin cậy cao nên nó đảm bảo yêu cầu về bảo mật thông tin. - Sợi đợc chế tạo từ những vật liệu có sẵn trong thiên nhiên cho nên giá thành của một hệ thống thì thấp hơn. Sợi có đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ nên có u điểm lớn khi lắp đặt. I.4. Cơ sở của thông tin sợi quang: I.4.1. Đặc tính của ánh sáng : Chúng ta nghiên cứu tới đặc tính của ánh sáng vì nó giúp ta hiểu đợc sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và sự phụ thuộc của nó vào môi trờng truyền. Nh ta đã biết, sóng điện từ có thể đợc xem nh là sóng hoặc hạt photon và tính chất này nổi bật ở từng vùng. Ngời ta phân chia các vùng 7 cf =. hc hE == Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. sóng theo thông số:Tần số : f (Hz), Bớc sóng : (m), Năng lợng photon: E (eV). Các thông số trên có mối quan hệ sau : c : Vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s ). h : Hằng số Planck (6,625.10 -34 J.s). - Phổ của sóng điện từ : đợc phân chia theo hai thông số là : tần số, bớc sóng. ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại có bớc sóng : 800 nm ữ1600 nm. + Đặc biệt có 2 bớc sóng thông dụng:1300nm, 1550nm. - Chiết suất của một môi trờng đợc trong suốt đợc xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trờng ấy. n: Chiết suất của môi trờng, không có đơn vị. n(không khí) = 1,00029; n(nớc)= 1,333; n(thuỷ tinh) = 1,5. c: Vận tốc ánh sáng trong chân không ( 3.10 8 m/s). v: vận tốc áng sáng trong môi trờng truyền đơn vị m/s. vì v c nên n 1. Chiết suất của một môi trờng phụ thuộc vào bớc sóng ánh sáng truyền trong nó. Ví dụ chiết suất của thuỷ tinh 100% SiO 2 thay đổi theo bớc sóng: 8 v c n = 1,50 1,49 1,48 1,47 1,46 1,45 1,44 1,43 n n d dn nn g = 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 (àm) Hình I.4: Sự thay đổi của chiết suất n và chiết suất nhóm n g theo bước sóng Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Do nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra ánh sáng trong một khoảng hẹp bớc sóng chứ không phải chỉ có một bớc sóng . Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này gọi là vận tốc nhóm và chiết suất của môi trờng cũng đợc đánh giá theo chiết suất nhóm n g . - Hiện tợng phản xạ và khúc xạ: Khi tia sáng truyền từ môi trờng I chiết suất n 1 sang môi trờng II có chiết suất n 2 (n 1 n 2 ) thì tại mặt phân cách tia sáng phân tách thành 2 tia mới: + Một tia phản xạ lại môi trờng I (Tia phản xạ). + Một tia khúc xạ sang môi trờng II (Tia khúc xạ). Quan hệ của các góc tới, phản xạ, khúc xạ với các chiết suất n 1 ,n 2 theo định luật SNELL : : Góc tới. : Góc khúc xạ. Từ công thức SNELL ta thấy : + Nếu n 1 <n 2 thì > : tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến giống hình trên + Nếu n 1 >n 2 thì < : tia khúc xạ gãy về phía xa pháp tuyến hơn. 9 n 1 .Sin = n 2 .Sin d dn nn g = Mặt phân cách hai môi trường Tới Phản xạ Khúc xạ I(n 1 ) II(n 2 ) Hình I.5: Hiện tượng khúc xạ và phản xạ, khi tia khúc xạ gãy vè phía pháp tuyến. Phản xạ Khúc xạ Tới Tới T I(n 1 ) II(n 2 ) Hình I.6: Hiện tượng phản xạ và khúc xạ khi tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn. Thiết kế tuyến dẫn cáp quang láng - trung tâm thể thao. Nếu n 1 > n 2 thì khi tăng , cũng sẽ tăng theo, khi = 90 ta có: T: gọi là góc tới hạn Điều này có nghĩa là: tia khúc xạ sẽ đi là là với mặt phân cách hai môi trờng. Nếu tăng tiếp > T với n 1 > n 2 khi đó không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ. Hiện tợng này gọi là hiện tợng phản xạ toàn phần. 10 t n n sinsin 1 2 == Tới t I (n1) I (n2) Phản xạ Hình I.7: Hiện tượng phản xạ toàn phần.