Thiết kế và chế tạo hệ thống thông tin sợi quang với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN LÊ MẠNH CƯỜNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA PHẦN MỀM MÔ PHỎNG Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật Mã số: 604417 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS – TS TRẦN MINH THÁI Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 15 tháng năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Mạnh Cường Ngày, tháng, năm sinh : – – 1979 Giới tính : Nam Nơi sinh : Hải Phịng Chun ngành :VẬT LÝ KỸ THUẬT Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu hệ thống thơng tin sợi quang Tìm hiểu phương pháp thiết kế hệ thống thông tin sợi quang với trợ giúp phần mềm mô Thiết kế chế tạo hệ thống thông tin sợi quang LAN, WAN có chiều dài trục lên đến 60km 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS – TS TRẦN MINH THÁI Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Lời cám ơn, Tôi xin cám ơn thầy cô khoa Khoa Học Ứng Dụng truyền đạt kiến thức cho suốt khóa học qua Đặc biệt Thầy Trần Minh Thái, người tận tình truyền đạt hướng dẫn tơi kiến thức quan trọng để hồn thành đề tài Học viên : Lê Mạnh Cường Tóm tắt luận văn thạc sĩ Như biết thời đại thơng tin nay, thơng tin đóng vai trò quan trọng đời sống người Thông tin diện tất lĩnh vực từ hoạt động kinh doanh, học tập đến nhu cầu giải trí coi phim nghe nhạc Để đáp ứng nhu cầu lớn thông tin hệ thống thông tin sợi quang đời với ưu vượt trội tốc độ cực cao, khoảng cách truyền xa, băng thông lớn, giá thành rẻ Tuy nhiên việc thiết kế, xây dựng hệ thống thông tin sợi quang phức tạp chi phí ban đầu cao Hạn chế khống chế việc triển khai hệ thống thông tin sợi quang ứng dụng tuyến đường dài tuyến nối hệ thống thơng tin quốc gia châu lục, cịn tuyến tầm ngắn tầm trung tuyến nối thành phố, nhà hay tới hộ dân chưa áp dụng ứng dụng Chính đề tài nghiên cứu đời với nội dung sau: - Tìm hiểu hệ thống thông tin sợi quang : thành phần, cấu trúc, chế hoạt động, cách lắp đặt - Nghiên cứu phần mềm mô trợ giúp thiết kế hệ thống thông tin sợi quang nhằm giảm giá thành thời gian bước thiết kế mô thử nghiệm hệ thống - Thiết kế, mô chế tạo hệ thống thơng tin sợi quang thí nghiệm với trợ giúp phần mềm máy tính - Đánh giá kết thực đề phương án ứng dụng thực tế Lý lịch trích ngang: Họ tên: Lê Mạnh Cường Ngày, tháng, năm sinh: – – 1979 Nơi sinh: Hải Phòng Địa liên lạc: 82 Lê Văn Phan, Phường : Phú Thọ Hoà, Quận : Tân Phú TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Thời gian Q trình đào tạo Địa điểm 1996 – 2001 Sinh viên lớp điện tử 961D 2005 - 2007 Trường ĐHDL Kỹ thuật – Công Nghệ TP.HCM Học viên lớp cao học Vật lý kỹ thuật Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Thời gian 2001 – 2003 2003 – 2006 2006 -2007 Quá trình cơng tác Cơng ty TNHH Phương Khanh Cơng ty TNHH Kỹ thuật Máy ViMO Công ty cổ phần MK Mục lục Tiêu đề Trang Mở đầu PHẦN I: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN CHƯƠNG I: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Bối cảnh đời đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài nghiên cứu 1.3 Các nhiệm vụ 3 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG A Giới thiệu thành phần hệ thống thông tin quang 2.1 - Giới thiệu 2.2 - Đặc điểm ánh sáng 2.2.1 Đặc tính ánh sáng 2.2.2 Sự giao thoa ánh sáng 2.3 - Sợi quang 2.3.1 Cấu tạo sợi quang 2.3.2 Ánh sáng lan truyền sợi quang 2.3.3 Phân loại cấu trúc sợi quang 2.4 - Các linh kiện thu phát quang 2.4.1 Thiết bị phát quang (biến đổi quang điện) 2.4.1.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 2.4.1.2 Cơ chế phát xạ ánh sáng chất bán dẫn 2.4.1.3 Cấu trúc linh kiện phát quang 7 8 13 13 13 13 15 2.4.2 Thiết bị thu quang (biến đổi điện quang) 18 2.4.2.1 Cơ chế thu quang 2.4.2.2 Cấu trúc linh kiện thu quang 18 18 B Một số điểm cần lưu ý thiết kế hệ thống thông tin quang 21 2.5 - Lựa chọn thành phần vật lý 21 2.5.1 Bước sóng 22 2.5.2 Linh kiện phát quang 2.5.3 Bộ tách/ghép kênh quang 2.5.4 Sợi quang 2.5.5 Linh kiện thu quang 2.6 - Lựa chọn khoảng cách đặt trạm lặp tín hiệu 2.7 - Lựa chọn kỹ thuật mã hố giải mã tối ưu 2.8 - Các thông số cần lưu ý thiết kế 2.8.1 Băng thông thời gian tín hiệu lên 2.8.2 Sự mát tín hiệu đường truyền 2.8.3 Giải động 2.8.4 Nhiễu, tỷ lệ bít lỗi dạng mắt (eye pattern) 2.8.4.1 Nhiễu tỷ lệ tín hiệu / nhiễu 2.8.4.2 Các nguồn nhiễu khác 2.8.4.3 Tốc độ lỗi bít 2.8.4.4 Dạng mắt (eye pattern) 23 24 24 25 26 27 28 28 29 30 30 30 31 31 31 C Các phương pháp truyền dẫn hệ thống thông tin quang 32 2.9 - Cơ sở để tiêu chuẩn hóa phương pháp truyền dẫn 2.10 - Phân cấp số cận đồng so với phân cấp đồng 2.11 - Các ưu điểm phương pháp truyền dẫn đồng 2.12 - Các mạch vòng tự hàn gán 2.13 - Giới thiệu mạng tích hợp dịch vụ số hóa băng thơng rộng (BISDN) 32 37 41 45 50 2.13.1 Sự hình thành mạng BISDN 2.13.2 Các ưu điểm mạng BISDN 2.13.3 Nền tảng kỹ thuật BISDN 52 53 54 D Khái quát kỹ thuật lắp đặt tuyến quang 56 2.14 - Cấu trúc đặc tính sợi cáp quang 2.15 - Các hệ thống xếp rải cáp quang 2.16 - Hàn nối sợi quang 56 59 60 PHẦN II: KẾT QUẢ 61 CHƯƠNG III: SỬ DỤNG MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 61 3.1 - Giới thiệu chung 3.2 - Giới thiệu phần mềm OptSim 3.3 - Một số ví dụ OptiSystem 61 64 69 3.3.1 Ví dụ 3.3.2 Ví dụ 69 73 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DÙNG PHẦN MỂM OPTSIM 79 4.1 - Thiết kế mơ mơ hình thí nghiệm 79 4.1.1 Kết mơ hệ thống hoạt động tốc độ 1GHz a Khoảng cách truyền 1km b Khoảng cách truyền 10km c Khoảng cách truyền 100km 4.1.2 Kết mô hệ thống hoạt động tốc độ 10GHz a Khoảng cách truyền 1km b Khoảng cách truyền 10km c Khoảng cách truyền 100km 4.2 - Lựa chọn mơ hình thí nghiệm 4.2.1 - Nhận xét kết mô 4.2.2 - Lựa chọn mô hình thí nghiệm 4.2.3 - Lựa chọn thiết bị hệ thống thí nghiệm a Media converter sợi quang b Switch cáp mạng RJ45 105 108 113 117 121 124 129 133 137 137 139 140 142 144 4.3 - Kết thực nghiệm 145 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 150 5.1 - Kết thu 5.2– Khó khăn 5.3 - Thuận lợi 5.4 – Các ứng dụng thực tiễn đề tài 5.5 - Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO 150 150 151 151 152 153 Mở đầu Mở đầu ~o0o~ Khoảng vài chục năm trước việc truyền thông tin thực cáp đồng song hành, cáp xoắn cặp, cáp đồng trục… Việc truyền thông thực cách truyền thơng tin dạng tín hiệu điện qua dây dẫn cáp kim loại Trong thập kỷ gần môi trường truyền dẫn thông tin giới thiệu sợi quang Trong truyền dẫn sợi quang tín hiệu quang thay tín hiệu điện truyền thống Nhờ việc thay mà hệ thống truyền dẫn sợi quang có lợi mà phương pháp truyền thống khơng có - Tổn hao đường thấp cho phép truyền thông khoảng cách lớn mà không cần lặp Sợi quang tương đối nhẹ không kềnh so với dây dẫn đồng hay kim loại Lượng thơng tin truyền nhiều cáp quang so với cáp đồng Khơng có tín hiệu điện truyền sợi quang đạt cách ly hoàn toàn điện thiết bị thu thiết bị phát Khơng có giao thoa việc truyền tín hiệu ánh sáng tín hiệu điện nhiễu điện (Sóng điện từ tạo ứng dụng sử dụng điện giao thoa với tín hiệu ánh sáng) Bản thân sợi quang chịu đựng tốt môi trường khắc nghiệt nước biển, môi trường ô nhiễm Sợi quang không bị ăn mịn có khả tối thiểu ảnh hưởng phóng xạ hạt nhân có tính tin cậy cao Việc truyền dẫn sợi quang có tính bảo mật riêng tư cao, việc nghe (lấy cắp tín hiệu) khơng thể Tổng thể chi phí tồn hệ thống dùng cáp quang rẻ so với hệ thống sử dụng công nghệ cũ Tuy hệ thống thơng tin cáp quang có ưu điểm nhiều so với hệ thống thông tin truyền thống đầu tư ban đầu lớn, nên hệ thống thông tin cáp quang sử dụng cho hệ thống thông tin xương sống (back-bone), đường dài Các hệ thống cự ly trung bình ngắn quan tâm việc thay hệ thống thông tin cũ hệ thống thông tin cáp quang Ngày nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng, hệ thống thông tin cũ đáp ứng nhu cầu này, nhu cầu thay hệ thống thơng tin cũ hệ thống thông tin cáp quang tất yếu Việc thiết kế mô nhằm chọn lựa mơ hình hệ thống thơng tin quang tối ưu chiếm nhiều chi phí thời gian để thi công hệ thống thông tin cáp quang Luận văn đời nhằm tìm phương án tối ưu cho việc thiết kế thi công hệ thống thông tin sợi quang điều kiện kinh tế Việt Nam Thiết kế chế tạo hệ thống thông tin sợi quang với trợ giúp phần mềm mô -1 - Thiết kế mô hệ thống dùng phần mềm OptSim Thiết kế chế tạo hệ thống thông tin sợi quang với trợ giúp phần mềm mô - 146 - Thiết kế mô hệ thống dùng phần mềm OptSim - Do thiếu thiết bị đo đạc thực tế nên chất lượng toàn hệ thống đánh giá dựa thí nghiệm thực tiễn truyền dẫn liệu dung lượng lớn mạng LAN, xem phim, nghe nhạc PC1 với nguồn liệu PC2 - Ngồi cịn kiểm cơng cụ Windows Task Manager \ Networking, công cụ cho phép theo giám sát tốc độ kết nối PC dạng đồ thị Thiết kế chế tạo hệ thống thông tin sợi quang với trợ giúp phần mềm mô - 147 - Thiết kế mô hệ thống dùng phần mềm OptSim Hình 4.52: Màn hình giám sát lưu lượng truyền mạng chụp hình Windows Task Manager Thiết kế chế tạo hệ thống thông tin sợi quang với trợ giúp phần mềm mô - 148 - Thiết kế mô hệ thống dùng phần mềm OptSim - Kiểm tra kết nối lệnh ping Dos cho thấy mạng hoạt động tốt, thời gian đáp ứng