Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc

Bài giảng Sợi quang trong thông tin liên lạc bao gồm những nội dung về các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin; phổ điện tử của hệ thống thông tin; quá trình phát triển hệ thống thông tin sợi quang và một số nội dung khác.

COMMUNICATION Nguồn tin Máy phát Kênh truyền Nơi nhận tin Máy thu Các phần tử hệ thống thông tin Component Optical Fiber Material： (fused silica SiO2) Structure: concentric arrangement of core and cladding Transmission: total reflection of light at the boundary between core and cladding http://www.miragesofttech.com/ofc htm MESSAGE BANDWIDTH Phổ điện từ hệ thống thông tin 10 MHz Q TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THƠNG TIN SỢI QUANG  Năm 1960: nguồn Laser đời  Dùng kênh AS để truyền tín hiệu * AS  5*1014 Hz  nguồn Laser có dung lượng thơng tin lớn hệ thống viba 105 lần (10 triệu kênh TV.) * Do chi phí cao ảnh hưởng thời tiết  Hệ thống : hấp dẫn  Vật liệu truyền dẫn: Sợi quang (Tạo kênh quang tin cậy & linh hoạt) * Ban đầu: suy hao lớn (>1.000dB/km) * 1966: Kao, Hochman, Wertst: suy hao lớn nguyên vật liệu sợi quang không tinh khiết * Hai thập kỷ sau: Độ suy hao 0.16 dB/km  = 1550nm ( lý thuyết: 0.14 dB/km )  Công nghệ bán dẫn: Cung cấp: Nguồn AS + Bộ tách quang + ống dẫn sóng quang  Tuyến truyền dẫn thông tin sợi quang * Suy hao truyền dẫn thấp độ rộng băng lớn * Kích cỡ trọng lượng nhỏ * Chống nhiễu tốt * Cách điện tốt * Nguyên liệu thô sẵn có * Bảo mật Sự phát triển hệ thống thông tin quang CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN DẪN SỢI QUANG Phần phát: – nguồn sáng – Mạch điều khiển nguồn sáng Oáng dẫn sóng (sợi quang) Phần thu: – Một khối tách sóng quang – Mạch khơi phục khuyếch đại tín hiệu Các phần tử tuyến thơng tin quang 10 Sơ đồ hoạt động hệ thống digital: Tb Tb Xung điện đầu vào Máy phát laser LED Photo diode thác pin Sợi quang Bộ khuếch đại lọc Dòng xung điện có nhiễu tách sóng quang Mạch định tái tạo xung Xung quang bị suy hao méo mó Xung quang Xung điện áp nhiễu khuếch đại Các xung điện áp đầu sau tái tạo Thiết bị xử lý tín hiệu Mũi tên biểu thị tâm khe thời gian 22  Tốc độ lỗi bit: Hoạt động hệ thống đo khả sai số bit, gọi tốc độ lỗi bit (BER) Nếu p1 khả xảy “1” “0” p0 khả xảy “0” “1” 1 B E R  p1  p 2 Hệ số BER chấp nhận 10-9 23  Độ nhạy máy thu: + Số photon trung bình: n0  10photon/ bit để đảm bảo BER  10-9  độ nhạy máy thu lí tưởng 10 photon/ bit ứng với lượng quang học hn0/bit , ta có: p r  h n 0B ( 1) (1) : Pr tỉ lệ với tốc độ bit B0 24  Hướng thiết kế:  Cung cấp nhiều xung lan truyền để bổ sung vào tán sắc sợi quang Nếu độ rộng  xung > 1/B0, xung lân cận phủ lên gây giao thoa  tăng tốc độ lỗi  Cần có điều kiện : cơng suất  để liên kết vận hành  Nếu B0 giữ cố định tăng L  hiệu suất giảm: Công suất nhận nhỏ độ nhạy công suất máy thu Pr,  > 1/B0 25 a Hiệu suất việc suy giảm:  = 10 log10P ; P : mW ; : dBm Độ nhạy nhận làr (dBm) thì:  -c – m - L = r (dB) (2) s : công suất nguồn (dBm), α : mát sợi quang (dB/km), c : mát nối ghép (dB) ; L chiều dài sợi quang cực đại (2) : hàm phụ thuộc khoảng cách 26 Độ nhạy công suất máy thu: r = 10 log10Pr (dBm) Hay (3) n0hB0 r  10log (dBm) 3 10  Độ dài cực đại liên kết thu từ (2), (3): 1 n0hB0  L  s c m 10log 3   10  Hay L  L 10  log B  (4) (5) 27 L giảm B0 tăng theo thang logarit với hệ số 10/ H 13 : đồ thị biểu diễn mối quan hệ bước sóng 0.87 , 1.3 1.55m Hình 13 28 b.Hiệu suất tán sắc:  tăng theo L Khi  > T = 1/B0, hiệu suất giảm xuống xuất giao thoa Độ rộng cực đại cho phép ¼ khoảng thời gian bit T    4B (6) 29 + Sợi cáp quang Step – index: Thế  L   c1 c1 L B0  2 vào (6) ta có : (7) c1 = c0/n1: vận tốc A/S nguyên liệu lõi  = (n1 – n2)/n1: sai số tương đối n1 = 1,46  = 0,01 ta có LB0  10 km – Mb/s 30 +Sợi quang Graded – Index: L     c1 c1 L B   (6) ta có: (8) n1 = 1.46  = 0.01 ta có LB0  2km-Gb/s +Sợi quang đơn Mode:Độ rộng vạch , độ rộng xung cho bởi:    D L L B  D    (9) 31 D: hệ số tán sắc vật liệu cáp quang 0 = 1.3m, D ps/km-nm,  = nm LB0  250 km-Gb/s; 0 = 1.55m, D = 17 ps/km-nm ,  = 1nm: LB0  15km-Gb/s Hình 15: Quan hệ L vơí B0 32 Hệ thống truyền thơng analog: - Sử dụng điều biến cường độ biểu diễn H16 Tín hiệu hàm liên tục theo thời gian - Công suất nguồn sáng (thường :LED) điều biến tín hiệu truyền dẫn sợi quang đến máy thu Hình 16 33 - Sự biến dạng tín hiệu do: + Sự tắt dần sợi dẫn + Sự tán xạ sợi dẫn - Cả hai hiệu ứng có hại tăng theo L - Chiều dài cực đại L xác định đảm bảo điều kiện: + Sự tắt dần sợi dẫn phải cực nhỏ +Bề rộng sợi dẫn f =  /2 lớn B 34 - Độ nhạy công suất quang nhỏ cho phép tỉ số tín hiệu tạp âm SNR dòng photon vượt giá trị qui định SNR0 P Một máy thu lý tưởng: SN R  n  h 2B (10) B: Độ rộng vùng máy thu - Nếu SNR0 giá trò nhỏ cho phép có tín hiệu tạp âm  độ nhạy máy thu trở thành n0 = SNR0 photon thời gian hồi đáp công suất tương öùng laø Pr = hn0(2B) (11) 35 So sánh (1) (11) : mối quan hệ LB0 hệ thống digital xác định hệ thống analog thay B0 2B  SNR0 = 10 Ví dụ : sợi quang dài 1km truyền với liệu digital có tốc độ 2Gb/s BER khơng vượt q 10-9 truyền liệu analog với độ rộng vùng GHz với tỉ số tín hiệu tạp âm 10 36 ... thống thông tin 10 MHz QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG  Năm 1960: nguồn Laser đời  Dùng kênh AS để truyền tín hiệu * AS  5*1014 Hz  nguồn Laser có dung lượng thông tin lớn... triển hệ thống thông tin quang CÁC PHẦN TỬ CỦA TUYẾN TRUYỀN DẪN SỢI QUANG Phần phát: – nguồn sáng – Mạch điều khiển nguồn sáng Oáng dẫn sóng (sợi quang) Phần thu: – Một khối tách sóng quang – Mạch... liệu truyền dẫn: Sợi quang (Tạo kênh quang tin cậy & linh hoạt) * Ban đầu: suy hao lớn (>1.000dB/km) * 1966: Kao, Hochman, Wertst: suy hao lớn nguyên vật liệu sợi quang không tinh khiết * Hai