Hệ thống thông tin Quang - Vô tuyến

Hệ thống thông tin Quang - Vô tuyến

H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 1 I. H THNG THÔNG TIN QUANG 1.1 THÔNG TIN QUANG Khác vi thông tin hu tuyn và vô tuyn - các loi thông tin s dng các môi trng truyn dn tng ng là dây dn và không gian - thông tin quang là mt h thng truyn tin thông qua si quang. iu đó có ngha là thông tin đc chuyn thành ánh sáng và sau đó ánh sáng đc truyn qua si quang. Ti ni nhn, nó li đc bin đi tr li thành thông tin ban đu. Hình 1.1. Gii thiu mt h thng truyn dn si quang digital đc s dng rng rãi nht hin nay. Trong phn này chúng ta s xem xét các giai đon phát trin ca h thng này và so sánh các đc tính ca nó vi các đc tính ca nhng h thng đang tn ti. Cui cùng, chúng ta s gii thích các tính cht ca ánh sáng. Hình 1.1. H thng truyn dn si quang digital 1.1.1. S PHÁT TRIN CA THÔNG TIN QUANG Các phng tin s khai ca thông tin quang là kh nng nhn bit ca con ngi v chuyn đng, hình dáng và màu sc ca s vt thông qua đôi mt. Tip đó, mt h thng thông tin điu ch đn gin xut hin bng cách s dng các đèn hi đng các đèn hiu. Sau đó, nm 1791, VC.Chape phát minh ra mt máy đin báo quang. Thit b này s dng khí quyn nh là mt môi trng truyn dn và do đó chu nh hng ca các điu kin v thi tit.  gii quyt hn ch H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 2 này, Marconi đã sáng ch ra máy đin báo vô tuyn có kh nng thc hin thông tin gia nhng ngi gi và ngi nhn  xa nhau. u nm 1980, A.G.Bell - ngi phát sinh ra h thng đin thoi - đã ngh ra mt thit b quang thoi có kh nng bin đi dao đng ca máy hát thành ánh sáng. Tuy nhiên, s phát trin tip theo ca h thng này đã b b b do s xut hin h thng vô tuyn. ( Bng 1.1) Các giai đon phát trin ca thông tin cáp si quang NmNgun quang Cáp si quang 1960 Trin khai máy laser Ruby (HUGHES) 1962 Máy laser Ga As 1965 Máy laser Co2 (BL) 1966 Kh nng s dng đng truyn dn cáp quang (ST, tn tht 1000dB/km) 1970 Máy laser GaAIAS to dao đng liên tc (BL, Nga, NEC) Trin khai thành công si sáp quang s dng abaston (Corning, 20 dB/km) 1973 Phng pháp sn xut si quang có đ tn tht thp (MCVD, BL, 1 dB/km) 1976 Máy laser GalnAsP dao đng liên tc (MIT, KDD, TIT, NTT)  xut kh nng sn xut si quang florua (France, Lucas). 1977 Máy laser GaAIAs có tui th c lng là 100 nm (BL, NTT) 1979 Máy laser GalnAsP 1,55 um (KDD, BL, TIT) dao đng liên tc Ch to si quang có Abastoes có đ tn tht ti thiu (NTT, 0.18 dB/km (1.55um)) 1980 Cu trúc laser ging lng t đc ch to (Bell Lab). Ch to si quang Flo (NRL) đ tn tht 1000 dB/km 1981 GalnAsP LD (1.6 um) Continuous Oscillation (TIT) 1982 LD Array High Power (2.5 W Continuous Osciltation) 1983 Single Mode, Single Frequency LD (KDD, Bel Lab.) Si quang fluor có đ tn tht thp (NRT, NTT) đ tn tht 10 dB/km 1986 Single Mode, Single Frequency Si quang fluor có đ tn tht thp, H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 3 LD Commercialization (NEC, Hitachi etc.)  tn tht 1dB/km (khong 2.5 um) 1989 GaAI/AIGa Laser Develoment S nghiên cu hin đi v thông tin quang đc bt đu bng s phát minh thành công ca Laser nm 1960 và bng khuyn ngh ca Kao và Hockham nm 1966 v vic ch to si quang có đ tn tht thp. 4 nm sau, Kapron đã có th ch to các si quang trong sut có đ suy hao truyn dn khong 20 dB/km. c c v bi thành công này, các nhà khoa hc và k s trên khp th gii đã bt đu tin hành các hot đng nghiên cu và phát trin và kt qu là các công ngh mi v gim suy hao truyn dn, v tng gii thông v các Laser bán dn . đã đc phát trin thành công trong nhng nm 70. Nh đc ch ra trong <bng 1.1>, đ tn tht ca si quang đã đc gim đn 0,18 dB/km. Hn na, trong nhng nm 70 Laser bán dn có kh nng thc hin dao đng liên tc  nhit đ khai thác đã đc ch to. Tui th ca nó đc c lng hn 100 nm. Da trên các công ngh si quang và Laser bán dn gi đây đã có th gi mt khi lng ln các tín hiu âm thanh / d liu đn các đa đim cách xa hàng 100 km bng mt si quang có đ dày nh mt si tóc, không cn đn các b tái to. Hin nay, các hot đng nghiên cu nghiêm chnh đang đc tin hành trong lnh vc đc gi là photon hc - là mt lnh vc ti quan trng đi vi tt c các h thng thông tin quang, có kh nng phát hin, x lý, trao đi và truyn dn thông tin bng phng tin ánh sáng. Photon hc có kh nng s đc ng dng rng rãi trong lnh v đin t và vin thông trong th k 21. 1.1.2. Các đc tính ca thông tin quang Trong thông tin si quang, các u đim sau ca si quang đc s dng mt cách hiu qu: đ suy hao truyn dn thp và bng thông ln. Thêm vào đó, chúng có th s dng đ thit lp các đng truyn dn nh và mng (nh), không có xuyên âm vi các đng si quang bên cnh và không chu nh hng ca nhim cm ng sóng đin t. Trong thc t si quang là phng tin truyn dn thông tin hiu qu và kinh t nht đang có hin nay Trc ht, vì có bng thông ln nên nó có th truyn mt khi lng thông tin ln nh các tín hiu âm thanh, d liu, và các tín hiu hn hp thông qua mt h thng có c ly đn 100 GHz-km. Tng ng, bng cách s dng si quang, mt khi lng ln các tín hiu âm thanh và hình nh H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 4 có th đc truyn đn nhng đa đim cách xa hàng 100 km mà không cn đn các b tái to. Th hai, si quang nh nh và không có xuyên âm. Do vy, chúng có th đc lp đt d dàng  các thành ph, tàu thu, máy bay và các toà nhà cao tng không cn phi lp thêm các đng ng và cng cáp. Th ba, vì si quang đc ch to t các cht đin môi phí dn nên chúng không chu nh hng bi can nhiu ca sóng đin t và ca xung đin t. Vì vy, chúng có th s dng đ truyn dn mà không có ting n. iu đó có ngha là nó có th lp đt cùng vi cáp đin lc và có th s dng trong môi trng phn ng ht nhân. Th t, do nguyên liu ch yu đ sn xut si quang là cát và cht do - là nhng th r hn đng nhiu - nên nó kinh t hn cáp đng trc nhiu. Giá thành ca si quang s gim nhanh mt khi công ngh mi đc đa ra. Ngoài ra, nh đã đ cp  trên, do đc trng là có đ tn tht thp giá thành lp đt ban đu cng nh giá thành bo dng và sa cha thp bi vì chúng cn ít các b tái to hn. Ngoài nhng u đim đã nêu trên, si quang có đ an toàn, bo mt cao, tui th dài và có kh nng đ kháng môi trng ln. Nó cng d bo dng, sa cha và có đ tin cy cao. Hn na, nó không b rò r tín hiu và d kéo dài khi cn và có th ch to vi giá thành thp. Trong bng 1.2, chúng ta tng hp các u đim trên. Nh nhng u đim này, si quang đc s dng cho các mng li đin thoi, s liu/ máy tính, và phát thanh truyn hình (dch v bng rng) và s đc s dng cho ISDN, đin lc, các ng dng y t và quân s, cng nh các thit b đo. Bng 1.2 Các u nhc đim ca si quang c tính u đimNhc đim  tn tht thp C ly tái to xa chi phí thit b đng dây dn Di thông lnTruyn dn dung lng ln Gim kích thc đng truyn dn D lp đt và bo dng Gim chi phí lp đt cng Khó đu ni Phi dnNgn nga xuyên âm Thông tin an toàn Cn có các đng dây Cp ngun cho tip phát Ngun - cát Nguyên liu phong phú Cn có các phng thc H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 5 Chi phí sn xut r chnh lõi mi (cáp) ánh giá Dng truyn dn tuyt vi Có th gii quyt bng các tin b công ngh mi 1.2 CÁP SI QUANG Si quang là nhng dây nh và do truyn các ánh sáng nhìn thy đc và các tia hng ngoi. Nh đã đc trình bày trong hình 1.4, chúng có lõi  gia và có phn bao bc xung quanh lõi.  ánh sáng có th phn x mt cách hoàn toàn trong lõi thì chit sut ca lõi ln hn chit sut ca áo mt chút. V bc  phía ngoài áo bo v si quang khi b m và n mòn, đng thi chng xuyên âm vi các si đi bên cnh và làm cho si quang d x lý.  bc ngoài ta dùng các nguyên liu mm và đ tn tht nng lng quang ln. Hình 1.4. Cu trúc cáp si quang Lõi và áo đc làm bng thu tinh hay cht do (Silica), cht do, kim loi, fluor, si quang kt tinh). Ngoài ra chúng đc phân loi thành các loi si quang đn mode và đa mode tng ng vi s lng mode ca ánh sáng truyn qua si quang. Ngoài ra chúng còn đc phân loi thành si qaung có ch s bc và ch s lp tu theo hình dng và chit sut ca các phn ca lõi si quang. Các vn đ này s đc trình bày t m  mc 1.2.2 1.3. H THNG CÁP QUANG Nh kt qu ca các hot đng nghên cu và phát trin cng đ cao trong nhng nm 1970, hin nay công ngh thông tin quang đa mode đang đc s dng rng rãi trên toàn th gii. Cng đúng nh vy đi vi h thng thông tin quang đn mode. Da trên k thut đã đc phát trin, ngày càng nhiu cáp quang đã đc s dng trong nhiu lnh vc. Trong phn này, các đc tính chung ca cáp quang đc gii thích và tip đó, H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 6 chúng tôi s gii thiu vict hit k mt h thng s và tng t cng nh công ngh ghép kênh phân chia bc sóng. 1.3.1. Tng quan v h thng thông tin quang 1. Cu hình ca h thng thông tin quang.  thit lp mt h thng truyn dn hp lý, vic la chn môi trng truyn dn, phng pháp truyn dn và phng pháp điu ch/ ghép kênh phi đc xem xét trc tiên. Cho đn nay thì không gian đc s dng mt cách rng rãi cho thông tin vô tuyn, còn cáp đi xng và cáp đng trc cho thông tin hu tuyn. Trong phn di đây, chúng tôi ch bàn đn các phng pháp truyn dn hin đang sn có da trên vic s dng cáp quang. S điu ch sóng mang quang ca h thng truyn dn quang hin nay đc thc hin vi s điu ch theo mt đ vì các nguyên nhân sau: (1) Sóng mang quang, nhn đc t các phn t phát quang hin có, không d n đnh đ phát thông tin sau khi có s thay đi v pha và đ khuych đi và phn ln không phi là các sóng mang đn tn. c bit các đit phát quang đu không phi là nht quán và vì vy có th coi ánh sáng đi loi nh ting n thay vì sóng mang. Do đó, ch có nng lng là cng đ ánh sáng tc thi đc s dng. (2) Hin nay, các Laser bán dn đc ch to đã có tính nht quán tuyt vi và do đó có kh nng cung cp sóng mang quang n đnh. Tuy nhiên, công ngh to phách - Mt công ngh bin đi tn s cn thit đ điu ch pha - còn cha đc phát trin đy đ. (3) Nu mt sóng mang đn tn có tn s cao đc phát đi theo cáp quang đa mode - điu mà có th x lý mt cách d dàng - thì các đc tính truyn dn thay đi tng đi phc tp và cáp quang b dao đng do s giao thoa gây ra bi s bin đi mode hoc do phn x trong khi truyn dn và kt qu là rt khó sn xut mt h thng truyn dn n đnh. Vì vy, trong nhiu ng dng, vic s dng phng pháp điu ch mt đ có kh nng s đc tip tc. i vi trng hp đu ch quang theo mt đ (IM) có rt nhiu phng pháp đ bin đi tín hiu quang thông qua vic điu ch và ghép kênh các tín hiu cn phát. Mt trong nhng ví d đin hình đc trình bày trong hình 1.19 H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 7 Hình 1.19. Quá trình ghép kênh đin Phng pháp phân chia theo thi gian (TDM) đc s dng mt cách rng rãi khi ghép kênh các tín hiu nh s liu, âm thanh điu ch xung mã PCM (64kb/s) và s liu video digital. Tuy nhiên, trong truyn dn c ly ngn, ca các tín hiu video bng rng rãi cng có th s dng phng pháp truyn dn analog. Phng pháp điu ch mt đ s DIM - phng pháp truyn các kênh tín hiu video bng IM - và phng pháp thc hin điu ch tn s (FM) và điu ch tn s xung (PFM) sm đ tng c ly truyn dn có th đc s dng cho mc tiêu này. Ngoài TDM và FDM, phng pháp phân chia theo bc sóng (WDM) - phng pháp điu ch mt s sóng mang quang có các bc sóng khác nhau thành các tín hiu đin khác nhau và sau đó có th truyn chúng qua mt si cáp quang - cng đang đc s dng. Hn na, khi truyn nhiu kênh thông qua cáp quang, mt s lng ln các d liu có th đc gi đi nh gia tng s lõi cáp sau khi đã ghép các kênh trên. Phng pháp này đc gi là ghép kênh SDM. H thng truyn dn quang có th đc thit lp bng cách s dng hn hp TDM/FDM, WDM và SDM. Chúng ta có th thy rng h thng truyn dn quang cng tng t nh phng pháp truyn dn cáp đôi và cáp đng trc truyn thng, ch có khác là nó bin đi các tín hiu đin thành tín hiu quang và ngc li ti đu thu. Hình 1.20 trình bày cu hình ca h thng truyn dn cáp quang. H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 8 Hình 1.20. Cu hình ca h thng truyn dn cáp quang Phng pháp truyn dn analog có th đc tin hành ch vi mt b khuych đi to điu kin đ phía thu nhn đc mc ra theo yêu cu bng cách bin đi các tín hiu đin thành các tín hiu quang và ngc li. Khi s dng phng pháp điu ch PCM thì mi chc nng gii điu ch tng ng vi nó cn đc gán cho phía thu. Cho ti đây, chúng ta đã mô t các chc nng c bn ca h thng truyn dn quang. Ngoài nhng phn đã trình bày  trên h thng hot đng thc t còn có thêm mt mch n đnh đu ra ca các tín hiu quang cn phát, mt mch AGC đ duy trì tính đng nht ca đu ra tín hiu đin  phía thu và mt mch đ giám sát mi phía. 2. Nhng thành phn c bn ca h thng truyn dn quang. H thng truyn dn quang bao gm các phn t phát x ánh sáng (ngun sáng), các si quang (môi trng truyn dn) và các phn t thu đ nhn ánh sáng truyn qua si quang. Các phn t sau đây đc chn đ s dng: 1. Phn t phát x ánh sáng a. iôt Laser (LD) b. iôt phát quang (LED) c. Laser bán dn 2. Si quang a. Si quang đa mode ch s bc b. Si quang đa mode ch s lp c. Si quang đn mode 3. Phn t thu ánh sáng a. iôt quang kiu thác (APD) b. iôt quang PIN (PIN - PD) H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 9 1.4. PHNG PHÁP TRUYN DN NG B E 1.4.1. C s ca tiêu chun hoá Trc khi phng pháp truyn dn đng b có đc dng thc cao cp ca các đc trng đn nht, Metrobus và SONET đã có nhng đóng góp to ln. Metrobus là h thng thông tin quang đng b ni ti mà bell Communications Research ca AT & T  Hp chúng quc Hoa K nghiên cu và phát trin. Còn SONET là tiêu chun kt ni ca h thng thông tin quang mà sau đó Bell communications reseach (Bellcore) đ xut và ri đc u ban T1 chp nhn s dng và phát trin cho tiêu chun Bc M. Metrobus đã chng li quan đim ca thông tin quang c đin, đã s dng s ghép tng đu tiên, đã chp nhn s dng khái nim container (công ten), đã s dng Overhead (mào đu) mt cách hiu qu và đã thit lp khái nim h thng thông tin quang đng b ni ti, h thng này coi tín hiu cp 150 Mbit/s làm cp tiêu chun. Do vy, trên c s cp 50 Mbit/s, SONET b sung quan nim v cu trúc phân cp và phng pháp đng b nh con tr đ h thng hoá đon mào đu và sau đó m ra chân tri mi cho thông tin toàn cu. Da trên nhng cái đó, chính phân cp ca đng b (SDH) hin nay đã ly tín hiu cp 150 Mbit/s làm tiêu chun, k c phân cp s kiu Châu Âu, và đc ph cp hoá đ m ra kh nng thông tin toàn cu. 1. Metrobus Metrobus là mt h thng thông tin quang do J.D.Spalink, mt nhà nghiên cu ti Bellcore ca AT & T, đ xut nm 1982. Nó đã đc trin khai theo quy mô đy đ vào đu nm 1984, đc công b vào tháng chín nm 1985 và đc th nghim đ thng mi hoá vào đu nm 1987. Chính sách c bn ca Metrobus là phát trin h thng thông tin quang ti u nht, có cân nhc đn khía cnh tc đ cao, dung lng ln, vn là đc trng ca mt h thng thông tin quang, phng hng tin trin ca mng thông tin, quá trình phát trin ca công ngh ct yu và xu hng đi mi dch v. Tên gi ca Metrobus có ngun gc t mc tiêu ng dng ca nó nhm vào vùng thành ph ln (metropolitan). Trong quá trình R&D cho ng dng đó đã ni lên mt s khái nim. in hình là khái nim v mng thông tin quang đim - đa đim, khái nim v h thng đng b ni ti, tm nhìn ca DS-O, khái nim ghép kênh tng đu tiên, điu chnh đng thi nhng tín hiu nhiu cp bng vic điu khin s hiu công ten, thit lp tín hiu tiêu chun ni ti 150Mbit/s và s dng đ mào đu. Do tt c các h thng thông tin quang trc đây đu đã đc đ xut trong bi cnh ca các h thng đim - ni đim, cho nên khái nim ca thông tin quang đã đc xem nh mt khái nim có tính cht cách mng. H THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 10 Nhng khái nim khác đã đóng vai trò không th thiu đc đ th hin khái nim này. Vi vic cân nhc đn di thông vô hn mà thông tin quang cung cp, ta thy nó đ bo đm khong trng cho mào đu, và bng vic s dng nó cng nh bng vic hình thành kênh truyn thông mào đu, cho phép ng dng liên kt ca toàn b các tuyn thông tin quang. Tuy nhiên, do t l ca mào đu đã vt quá 4,5% ca toàn b, cho nên khái nim này khó có th đc chp nhn trong bi cnh đó. Vic la chn 150 Mbit/s (c th là 146,432, Mbit/s) làm tín hiu ni b ca mng đã thc s là mt quan đim tiên phong. S d nh vy là vì nhng điu sau đây đc d kin : khi đc xem xét theo khía cnh phân lp tín hiu digital, tc đ bít mà tt c các tín hiu có th bao gm là 150 Mbit/s; theo khía cnh dch v, tín hiu thoi, s liu và video (k c tín hiu HDTV có nén) hin ti đu có th đc s dng trong cp 150Mbit/s này; v khía cnh công ngh bán dn c bn, công ngh CMOS có th đc s dng trong phm vi 150 Mbit/s chng khó khn gì. Ngoài ra, v khía cnh thuê bao thì còn có mt s li th: vi cp phân t 150 Mbit/s, các ánh sáng có th đc s dng nh s kt hp vi đit LED và PIN r tin, và cáp si quang có th to điu kin cho s kt hp hiu qu này nh vic s dng si quang đa mode có ch s tng dn thay cho đn mode. Khái nim ghép kênh tng đu tiên cng là mt khái nim mang tính cách mng. Nó cho phép ghép kênh trc tip tín hiu DS -1 thành tín hiu tiêu chun150 Mbit/s mà không cn chuyn qua tín hiu DS-2 hoc DS-3 điu không th có trong h thng ghép kênh không đng b trc đây. Nó tr thành nn tng đ thc hin kt ni tách/nhp và ni kt chéo là nhng ni kt thng thy trong mng thông tin quang. c gii thiu nh mt phng tin thc hin ghép kênh tng th nht, khái nim này giúp cho vic ghép kênh tín hiu phân cp bng vic điu khin s hiu ca các công ten. Ngha là, bng vic xác đnh các ô có kích thc c đnh, làm cho các tín hiu DS -1. DS -1C, DS-2, DS-3 v.v .lp đy vào các ô tng ng ca các khi 1, các khi 2, các khi 4, các khi 28 trong cùng mt đn v thi gian. Nh vy, kt ni tách nhp và kt ni chéo rt tin li, bi vì tt c các tín hiu đu đc x lý vi đn v ca s hiu ô. Tín hiu tiêu chun ni b bao gm 13Wx88 (1W=16 bít) nh trong hình 1.37. Tc đ bit là 146,432 Mbit/s (13x88x16x8 kbit/s). 88 đn v ca t mã (thuc v 88 ô) xut hin trong 125m s/13, trong dó 4 đn v đc s dng cho mào đu và mi tín hiu DS-n chim s hiu tng ng ca ô. . THNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYN 1 I. H THNG THÔNG TIN QUANG 1.1 THÔNG TIN QUANG Khác vi thông tin hu tuyn và vô tuyn - các loi thông tin s dng. là dây dn và không gian - thông tin quang là mt h thng truyn tin thông qua si quang. iu đó có ngha là thông tin đc chuyn thành ánh sáng và