Đồ án tổng quang hệ thống thông tin quang

Mục lục Mục lục CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Tổng quan 1.2.1 Lịch sử phát triển 1.2.2 Khái quát hệ thống thông tin quang 1.3 Khái quát hệ thống thông tin quang WDM 1.4 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 10 1.4.1 Ưu điểm 10 1.4.2 Nhược điểm 10 1.5 Kết luận chương 11 2.1 Giới thiệu chương 12 2.2 Cấu trúc hệ thống 12 2.3 Bộ phát quang 12 2.3.1 Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode ) 13 2.3.2 LD ( Laser diode) 15 2.3.3 So sánh LED LD 16 2.4 Bộ thu quang 17 2.4.1 Nguyên lý thu quang 18 2.4.2 Diode thu quang PIN 19 2.4.3 Diode thu quang APD 20 2.4.4 So sánh diode thu quang PIN APD 20 2.4.5 Nhiễu máy thu quang 21 2.5 Cáp sợi quang 21 2.5.1 Nguyên lý truyền dẫn sợi quang 22 2.5.2 Sợi quang cáp quang 25 2.6 Bộ khuếch đại quang 26 2.7 Các giá trị tham số thành phần 29 2.8 Kết luận chương 30 SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Mục lục SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chương Hiện nay, thông tin quang trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày tăng, hệ thống truyền dẫn cần phải phát triển quy mô chất lượng hệ thống Do vậy, để hiểu rõ hệ thống thơng tin quang, đồ án bắt đầu vào tìm hiểu lịch sử đời phát triển hệ thống; sơ đồ nguyên lý hệ thống; mạng thơng tin ghép kênh theo bước sóng thành phần bản; ưu nhược điểm hệ thống thông tin sợi quang 1.2 Tổng quan 1.2.1 Lịch sử phát triển Thông tin xuất đời sống xã hội loài người từ sớm, để trao đổi thông tin cho người biết sử dụng hình ảnh để liên lạc Chẳng hạn từ thời cổ đại, người ta sử dụng khói để làm tín hiệu hay lửa để phản chiếu ánh sáng để truyền thông tin cho thơng tin truyền ánh sánh sớm Qua thời gian dài lịch sử phát triển nhân loại, phát triển xã hội, nhu cầu trao đổi thơng tin người đòi hỏi chất lượng thơng tin ngày cao, giúp cho nơi giới liên lạc với cách thuận lợi nhanh chóng Thơng tin quang có tổ chức hệ thống tương tự hệ thống thông tin khác, mà thành phần hệ thống thông tin quang tuân thủ theo hệ thống thông tin chung, hệ thống thông tin đời sau kế thừa hệ thống trước, cải tiến hoàn thiện hệ thống trước, có cự ly truyền dẫn xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt chất lượng hệ thống cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu sử dụng người Chẳng hạn, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên, năm 1940 hệ thống cáp đồng trục đưa vào sử dụng có băng tần 3MHz để truyền dung lượng 300 kênh thoại kênh truyền hình Băng thơng hệ thống bị giới hạn tổn hao cáp Các hệ thơng sau có băng tần lên đến 10MHz, hệ thống cáp đồng trục bị giới hạn suy hao phụ thuộc vào tần số giới hạn giải hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thơng tin quang dẫn, tín hiệu mang thơng tin thường chồng lên sóng điện từ khác có dạng hình sin sóng mang trước đưa vào đường truyền Hình 1.1 Sự phát triển băng thơng hệ thống thông tin sợi quang qua giai đoạn Như vào năm 1977 vào giai đoạn thử nghiệm hệ thống sử dụng quang sợi làm việc với bước sóng 800nm Cho đến đầu thập kỹ 1980, thiết bị ghép bước sóng quang phân bố sử dụng rộng rãi Trong dạng đơn giản WDM sử dụng để phát kênh khác nằm hai cửa sổ truyền dẫn khác sợi quang, với dung lượng hệ thống đạt 45Mb/s đến 100Mb/s Trong thời gian này, người ta tập trung vào việc giảm khoảng cách kênh hệ thống đa kênh có khoảng cách kênh nhỏ 0,1nm Bắt đầu năm 1990 kỹ thuật ghép kênh nhiều bước sóng vùng cửa sổ thực hiệu quả, tiêu biểu cho vùng cửa sổ 1550nm, dung lượng hệ thống đạt lên 40Gb/s Đến năm 2001, người ta triển khai nhiều hệ thống vượt biển tốc độ cao, có hệ thống đạt 100Gb/s 1.2.2 Khái quát hệ thống thông tin quang SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang 1.2.2.1 Sơ đồ khối Hình 1.2 Cấu hình hệ thống thơng tin quang Hình biểu thị cấu hình hệ thống thơng tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ thiết bị đầu cuối đưa đến E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đưa vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, cơng suất tín hiệu (ánh sáng) bị yếu dần dạng sóng bị rộng Khi truyền tới đầu bên sợi quang, tín hiệu đưa vào O/E để tạo lại tín hiệu điện, khơi phục lại ngun dạng ban đầu mà thiết bị gởi Như cấu trúc hệ thống thông tin quang mơ tả đơn giản hình 1.3 gồm :  Bộ phát quang  Bộ thu quang  Môi trường truyền dẫn cáp sợi quang SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang Hình 1.3 cấu trúc hệ thống thơng tin quang Hình minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo hướng Hình 1.4 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hướng Như để thực truyền dẫn giữ hai điểm cần có sợi quang Nếu cự ly thơng tin q dài tuyến có nhiều trạm lặp (repeater) Hình 1.5 Cấu trúc đơn giản trạm lặp quang 1.2.2.2 Nguyên lý hệ thống thông tin sợi quang Thơng thường tên gọi hệ thống thơng tin gắn liền với mơi trường truyền dẫn Vì mà hệ thống thông tin sợi quang mơi trường truyền dẫn cáp sợi quang Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống mơ tả hình Hình 1.6 Sơ đồ ngun lý hệ thống thông tin sợi quang SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang Tín hiệu điện đưa vào biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu quang Sau tín hiệu quang mang thơng tin đưa vào sợi dẫn quang để truyền đến phía thu Ở phía thu thực ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ biến đổi quang-điện (O/E) Hệ thống thông sợi tin quang chia thành loại hệ thống dài ngắn phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km) Hệ thống dài thường tuyến đường trục mặt đất có dung lượng lớn nối thành phố, quốc gia tuyến cáp quang biển xuyên đại dương Hệ thống ngắn thường tuyến vòng lặp thành phố có dung lượng thấp khoảng cách 10 km Để đáp ứng với loại hình thơng tin số đa dạng, tốc độ cao, nhiều thuê bao tương lai, hệ thống thực kỹ thuật ghép kênh khuếch đại quang hệ thống đường trục SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thơng tin quang Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang Phần phát quang cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang mạch điện điều khiển liên kết nhau, bao gồm phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát quang Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED LD, loại tạo tín hiệu quang tương ứng với thay đổi dòng điều biến vào Tuy nhiên LED phù hợp với hệ thống có cự li ngắn, dung lượng thấp, Laser Diode dành cho hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài dung lượng cao Tín hiệu điện đầu vào dạng số tương tự, thiết bị phát biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng Các trạm lặp khuếch đại quang: Khi hệ thống cần truyền tải thông tin với khoảng cách lớn suy hao truyền dẫn nguồn phát nguồn thu lớn Do cần phải lắp đặt thêm trạm khuếch bù lại suy hao cho máy thu có đủ cơng suất cần thiết để tín hiệu thu đảm bảo yêu cầu lỗi bít BER cho trước Hiện nay, hầu hết trạm lặp thay khuếch đại quang cồng kềnh, cần hệ thống cung cấp nguồn phức tạp, băng thông quang bị hạn chế phải thực chuyển đổi quang-điện, điện quang Phần thu quang bao gồm khối tách quang, mạch khuếch đại, điều khiển giải mã Các tách quang thường sử dụng Photodiode PIN diode thác quang ADP, hai loại có hiệu suất làm việc cao tốc độ chuyển đổi nhanh.Ngồi nhiều thành phần tạo nên hệ thống truyền dẫn hiệu quả, chẳng hạn xen rẽ kênh, chia quang, nối quang 1.3 Khái quát hệ thống thông tin quang WDM Trong năm gần đây,để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) đời,đây phương thức truyền nhiều bước sóng sợi quang mà khơng cần tăng tốc độ truyền dẫn bước sóng không cần tăng thêm sợi dẫn quang nên làm tăng đáng kể băng thông mạng quang Nguyên lý máy phát tín hiệu bước sóng xác định,nhiều tín hiệu sau trộn lẫn nhờ MUX vào sợi quang.Chúng truyền sợi đến SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang nơi thu,qua DEMUX tách bước sóng thu máy thu riêng biệt  Phương thức truyền dẫn WDM theo hướng: Hình 1.8 biểu diễn mơ hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn hướng Kênh Kênh Phát λ1 Kênh Phát λ2 Thu λ1 Thiết bị WDM (MUX) Kênh n Thiết bị WDM Sợi quang λ1 ,λ2,…,λn Kênh Thu λ2 (DEMUX) Kênh n Phát λn Thu λn Hình 1.8.Hệ thống WDM đơn hướng Các tín hiệu có bước sóng khác ghép với đầu MUX-WDM truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu giải ghép DEMUXWDM chuyển đến tách sóng quang để thu bước sóng tương ứng  Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng: Hình 1.9 biểu diễn mơ hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song hướng Kênh vào Phát λ1, , Thiết bị WDM Kênh Thu λk+1, , Kênh λ1, , λk (MUX-DEMUX) Sợi quang λk+1, , Thu λ1, , Thiết bị WDM (MUX-DEMUX) Phát λk+1, ,Kênh vào Hình 1.9.Hệ thống WDM song hướng SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page Tổng quan hệ thống thông tin quang Các tín hiệu λ1, , λk ghép với đầu chuyền sợi quang thu đầu bên Đồng thời, tín hiệu λk+1, , λn phát đầu bên thu đầu Các bước sóng hai hướng truyền không trùng 1.4 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang 1.4.1 Ưu điểm - Dung lượng cực lớn: Cáp quang truyền tải tín hiệu có tần số cao nhiều so với cáp đồng trục thông tin vô tuyến Băng thông gấp khoảng 10000 lần so với thông tin vi ba - Tổn hao thấp: Tổn hao sợi quang đạt 0,2dB/km, so với cáp đồng trục: 10 – 300dB/km - Khoảng cách truyền dẫn lớn: Kết hợp khả khuếch đại khuếch đại quang đường truyền với suy hao thấp cáp quang độ nhạy thu cao máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn - Tốc độ cao, hiệu suất lớn: Các linh kiện thu phát quang có khả điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao - Khả truyền tín hiệu với bước sóng khác nhau: Thơng tin sợi quang cho phép truyền đồng thời tín hiệu có bước sóng khác Đặc tính góp phần lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn - Cách điện tốt chống can nhiễu tốt: Sợi quang chế tạo thuỷ tinh chất cách điện cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng điện từ trường - Có tính bảo mật cao: Bởi tín hiệu truyền sợi quang khơng xạ ánh sáng lọt ngồi - Ngun liệu thơ sẵn có: Thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang, nguyên liệu có sẵn rẽ có cát thường 1.4.2 Nhược điểm - Các phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả ghép nối với sợi quang khó khăn SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 10 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Công suất phát 1mW – 10mW 1mW – 50mW Góc phát quang Tiếp xúc mặt 1200 - 100 Tiếp xúc mặt 1-5% Sợi đơn mode 30-50% Phát xạ rìa 5-15% Sợi đa mode 60-90% 35-100nm 1-4nm Tốt Tốt Chậm Nhanh 1ns Ít Nhiều Giá thành Thấp Cao Sản xuất Dễ Khó Tự nhiên Kích thích Tốc độ thấp,truyền dẫn gần Tốc độ cao, truyển dẫn xa Hiệu suất ghép quang Độ rộng phổ Tuyến tính Thời gian chuyển ảnh hưởng nhiệt độ Nguyên lý phát xạ ứng dụng Bảng 2.2 Bảng so sánh thông số LED LD 2.4 Bộ thu quang Máy thu quang đóng vai trò quan trọng hệ thống thơng tin quang, có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận đầu sợi quang thành tín hiệu ban đầu, Nó gồm ghép, photodiode (bộ tách sóng quang) giải điều chế mạch điện tử thực nhiệm vụ điều khiều hồi tiếp Bộ ghép tập trung tín hiệu quang tách sóng quang Các photodiode bán dẫn sử dụng phổ biến tính tương thích chúng với toàn hệ thống quang SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 17 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát máy thu quang Đặc tính hệ thống số đặc trưng tỉ lệ lỗi bit BER Nó định nghĩa xác suất trung bình bit thu bị lỗi tổng số bit phát Chẳng hạn BER =10-9 tương ứng với xác suất xuất bit lỗi tổng số tỉ bit phát Một hệ thống thông tin sợi quang yêu cầu BER n2 SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 22 Cấu trúc hệ thống thơng tin sợi quang Hình 2.5 Định luật khúc xạ phản xạ ánh sáng Tia sáng tới mặt phân cách hai môi trường phần bị phản xạ, phần bị khúc xạ theo góc tia hình 2.5 Theo định luật phản xạ ánh sáng: Góc phản xạ góc tới: θ = β Mặt khác tia khúc xạ tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng: n1.sinθ = n2.sinα Do n1 > n2 nên θ < α Nếu tăng góc tới θ góc khúc xạ tăng theo tới giá trị mà góc tới θ = θ0 góc khúc xạ α = 900 Khi tia khúc xạ song song với mặt mặt phân cách hai môi trường Lúc θ0 giá trị tới hạn góc tới (gọi góc tới hạn) Lúc khơng tia khúc xạ Hiện tượng gọi tượng phản xạ tồn phần Góc tới hạn sin   n2 n hay   arcsin n1 n1 Điều kiện xảy tượng phản xạ tồn phần là: - Ánh sáng truyền từ mơi trường chiết quang (có chiết suất lớn) sang mơi trường chiết quang (có chiết suất nhỏ hơn) - Góc tới tia sáng phải lớn góc tới hạn Hiện tượng phản xạ toàn phần ứng dụng để truyền dẫn ánh sáng sợi quang, nhờ phản xạ ánh sáng liên tục sợi quang mà thông tin truyền từ đầu tới đầu SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 23 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Ứng dụng tượng phản xạ toàn phần trên, sợi quang chế tạo gồm lõi thủy tinh có chiết suất n1 lớp vỏ thủy tinh có chiết suất n2, với n1 > n2 Ánh sáng truyền lõi sợi quang phản xạ toàn phần nhiều lần mặt tiếp giáp lớp lõi lớp vỏ Do ánh sáng truyền sợi dọc theo cự ly dài sợi bị uốn cong với độ cong có giới hạn Hình 2.6 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang Góc tới hạn lõi vỏ sợi quang θo, vậy, góc tiếp nhận ánh sáng tới hạn θio thỏa mãn điều kiện: no.sin θio = n1.sin θro = n1.sin (900 – θo) = n1 cosθo n0 sin  i  n1  sin   n1  n2 n1 2  n1  n  NA Do chiết suất khơng khí n0  nên NA  sin  i  n12  n2 NA gọi độ mở số sợi quang, θio góc tiếp nhận ánh sáng cực đại, tạo thành hình nón, tia sáng vào tiết diện sợi quang với góc θi > θio nằm ngồi hình khơng truyền sợi quang mà ngồi vỏ sợi quang Như vậy, tia sáng nằm hình nón truyền vào sợi quang phản xạ toàn phần liên tiếp lõi lớp vỏ, tia sáng theo đường dích dắc Nếu gọi  độ lệch chiết suất tương đối lõi lớp vỏ thì:   n1  n2 n1 Trên thực tế: n1  n2 đó: NA  n1  n2  n1 SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ n1  n n1 2  n1  Page 24 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang 2.5.2 Sợi quang cáp quang Sợi quang sợi mảnh dẫn ánh sáng, gồm hai chất điện môi suốt khác chiết suất Lõi sợi cho ánh sáng truyền qua lớp vỏ bao quanh lõi có đường kính tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Theo nguyên lý người ta chế tạo loại sợi quang truyền tín hiệu dạng ánh sáng Sợi quang dẫn cấu tạo từ sợi thủy tinh bao bọc lớp thủy tinh có ngồi vỏ bọc để tránh nguồn gây nhiễu Khi ánh sáng vào sợi quang với góc hẹp so với trục sợi quang bị phản xạ liên tục truyền đến đầu cuối sợi Có hai loại cáp quang cáp đơn mode cáp đa mode Cáp quang đa mode có số phức tạp phụ thuộc dãi thông đặc tuyến tần số sợi cáp Đường kính sợi quang phụ thuộc vào mode Đối với sợi đơn mode thường có đường kính từ 7-10um đa mode từ 50- 85um Cáp quang gồm hay nhiều bó sợi quang nhỏ bảo vệ lớp vỏ kim loại hay nhựa để chống lại tác động học Với cấu trúc cáp quang truyền dung lượng lớn Cáp sợi quang cần phải đảm bảo u cầu như: khơng bị ảnh hưởng nhiễu điện từ, không bị thấm nước, lọt nước Các loại sợi cáp quang:Có loại sợi đơn mode (Single mode) sợi đa mode (multi mode) Đường kính lõi sợi đơn mode: từ - 10 micromet Đường kính lõi sợi đa mode: 50 micromet SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 25 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Bảng 2.4 So sánh sợi đơn mode sợi đa mode Cấu trúc cáp quang: Hình 2.7 Cấu trúc cáp quang 2.6 Bộ khuếch đại quang Trong hệ thống truyền dẫn quang có cự ly dài, giới hạn suy hao khắc phục cách sử dụng trạm lặp quang điện để thực trình biến đổi quang – điện điện – quang Quá trình biến đổi dùng cho hệ thống truyền dẫn quang SDH Tuy nhiên, hệ thống truyền dẫn quang ghép nhiều bước sóng hệ thống WDM cần nhiều trạm lặp để khuếch đại điều làm tăng độ phức tạp cho hệ thống WDM Do khuếch đại quang sử dụng hệ thống WDM thiết bị bù suy hao có hiệu cho sợi quang Các thiết bị khuếch đại trực tiếp vào tín hiệu quang mà khơng cần thơng qua q trình biến đổi Hiện nay, có loại khuếch đại quang khuếch đại laser bán dẫn, khuếch đại sợi pha tạp Erbium, khuếch đại Raman khuếch đại Brillouin SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 26 Cấu trúc hệ thống thơng tin sợi quang Hình 2.8 Ngun lý khuếch đại quang Các tín hiệu ánh sáng đưa vào để khuếch đại vùng tích cực với độ lợi nhỏ hay lớn phụ thuộc vào lượng cung cấp từ nguồn bơm bên bơm vào (Pump source) Tuỳ thuộc vào khuếch đại có nguồn bơm khác Tín hiệu ánh sáng sau khuếch đại cho tín hiệu ánh sáng tốt để đưa đến đầu vào máy thu SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 27 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang Bảng 2.5 Bảng đánh giá đặc điểm khuếch đại quang Qua đặc điểm trên, ta thấy để lựa chọn khuếch đại vào hệ thống thông tin quang WDM chủ yếu tập trung vào khuếch đại EDFA Đặc biệt hướng đến nguyên cứu ứng dụng vào hệ thống đa kênh với tốc độ bít cao cho tương lai với kết hợp hai khuếch đại EDFA Do đó, dùng khuếch đại EDFA cho hệ thống WDM phải đảm bảo yêu cầu sau: - Độ lợi khuếch đại đồng tất kênh bước sóng (mức chênh lệch không dB) SVTH: Nguyễn Tuấn Vũ Page 28 Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang - Sự thay đổi số lượng kênh bước sóng làm việc không gây ảnh hưởng đến mức công suất đầu kênh - Có khả phát chênh lệch mức công suất đầu vào để điều chỉnh lại hệ số khuếch đại nhằm đảm bảo đặc tuyến khuếch đại phẳng tất kênh 2.7 Các giá trị tham số thành phần  Thiết bị phát quang Tham số Giá trị Bước sóng làm việc 1300nm hay 1550nm Dải sóng làm việc ±50nm LED : -32 đến 15dBm Cơng suất LD : -12 đến 7dBm Thời gian lên LED 3ns max LD