Tìm hiểu hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng” em đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Vinh. Vậy cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đở đó. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS. Lưu Tiến Hưng, Người đã trực tiếp hướng dẫn em rất tận tình ,chỉ bảo ,cung cấp tài liệu ,thiết bị vật chất liên quan và đưa ra những lời khuyên hữu ích để em nhanh chóng hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Trong quá trình hoàn thành đồ án mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do tầm hiểu biết có hạn và điều kiện thực hiện đề tài có hạn do đó không tránh khỏi những thiếu sót rất mong được sự góp ý của quý thầy cô để đề tài này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! VINH, ngày tháng năm 2012 Sinh viên: Nguyễn Hữu Phước 1 Mục Lục Hình 1.24. Quá trình hàn nối sợi .44 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Mã hóa 1 nhóm 5 bit thành 6 bit 49 Bảng 2. Các tiêu chuẩn PCM được dùng hiện nay 51 Bảng 3. Mã hóa hệ thống thông tin quang .52 2 3 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 1 BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bít 2 DFA Doped Fiber Amplifier Khuếch đại sợi quang trộn 3 DST Dispersion Supported Transmission Bù tán sắc 4 FDM Frequence Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số 5 LD Laser Diode Điốt laze 6 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang 7 NRZ Not Retum to Zero Nhị phân đơn cực 8 OA Optical Amplifier Khuếch đại quang 9 OC Optical Channel Kênh quang 10 ODM Optical Demultiplexer Bộ tách bước sóng quang 11 OSA Optical Signal Amplifier Khuếch đại tín hiệu quang 12 OSC Optical Supervisor Channel Kênh giám sát quang 13 PCM Pulse Code Modulation Điều chế và giải điều chế 14 WDM Warelegth Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng 15 TDM Time Division Mutiplexing Ghép kênh theo thời gian LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới, công nghiệp hoá, hiện đại hoá, với xu thế hội nhập kinh tế quốc tế. Sự phát triển của các doanh nghiệp, các ngành 4 nghề là hết sức quan trọng, đóng vai trò tiên quyết cho sự vững bước đi lên của đất nước. Ngành Điện tử - Viễn Thông Việt Nam, một trong những ngành có vai trò quan trọng trong kết cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc dân cũng đang có sự đóng góp lớn lao cho sự lớn mạnh của nền kinh tế, ổn định chính trị và an ninh quốc phòng nước nhà. Lượng thông tin muốn trao đổi ngày càng nhiều lên, các phương pháp truyền dẫn cũ không thể đáp ứng được hết nhu cầu của người dùng. Vì lẽ đó một phương pháp truyền dẫn mới ra đời khác biệt hoàn toàn so với phương pháp cũ , đó là truyền dẫn thông tin dựa vào các đặc tính của ánh sáng mở ra một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên xã hội thông tin . Với mong muốn được tìm hiểu tiếp cận với loại hình truyền dẫn ưu việt này nên em đã chọn đề tài về : “Tìm hiểu về hệ thống thông tin quang và một số ứng dụng ” để được hiểu biết hơn về hệ thống thông tin quang. Qua đó tim hiểu về một số mạch điện về thông tin quang để nâng cao trình độ của bản thân. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về thông tin quang. - Tìm hiểu một số mạch điện về thông tin quang. - Đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao dung lượng cáp quang. Cấu trúc của đồ án, ngoài phần mở đầu, kết luận và các tài liệu tham khảo, nội dung được trình bày trong ba chương: Chương I: Sơ lược về hệ thống thông tin quang Trong chương này tôi giới thiệu về lịch sử phát triển của thông tin quang , cấu trúc của hệ thống thông tin quang, đặc tính kỷ thuật trong thông tin quang. Chương II: Một số mạch điện trong thông tin quang Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu về việc mã hóa và truyền dữ liệu, các bộ mã hóa và giải mã ,các mạch điện tách, ghép kênh tín hiệu số. Chương III: Tìm hiểu việc khảo sát, đề xuất và lựa chọn phương án nâng cao dung lượng cáp quang 5 Chương này chúng tôi khảo sát và đưa ra các phương án nâng cao dung lượng cáp quang. 6 CHƯƠNG I SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang Như chúng ta đã biết thông tin quang học đã có từ lâu đời. Cho tới thế kỷ 18 thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu, .Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau: [1] Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần. Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí. Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng. Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang. Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công. Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện. Năm1966 Charles H. KaoVà George A. Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( δ ≅ 1000dB/km). Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km. Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ. Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 7 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm. 1.2. Cấu trúc của hệ thông tin quang Trặm lặp trên đường truyền Tín hiệu ra Biến đổi Biến đổi Hình 1.1. Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn. - Theo sơ đồ hệ thống ta có: + Nguồn tín hiệu ban đầu: Tiếng nói, Fax, Camera + Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống. + Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện “0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”. Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như:LED, laserđioe. + Trạm lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy để truyền được tín hiệu đi xa cần có trạm lặp. Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu. Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có trặm lặp. 8 Nguồn tín hiệu Phần tử điện E O E O E O E O Phần tử điện Tín hiệu Tín hiệu KĐ Cáp quang Cáp quang Hình 1.2. Sơ đồ khối trặm lặp 1.3. Ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang • Ứng dụng của sợi quang - Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. - Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay. + Mạng đường trục xuyên quốc gia. + Đường trung kế. + Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia). + Đường số liệu. + Mạng truyền hình. • Ưu điểm - Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm lặp giảm. - Sợi quang được chế tạo từ nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệ rất rồi dào và rẻ tiền dẫn đến giảm được giá thành. - Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ. - Sợi quang có tính bảo mật trong thông tin cao, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ trường bên ngoài. - Tính cách điện cao, không gây chập cháy. - Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong. - Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp 9 O E O E kim loại có cùng dung lượng và cự ly. • Nhược điểm - Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tương thích. - Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao. - Thiết bị tốn kém. Nhờ có những ưu nhược điểm trên nên sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác 1.4. Lý thuyết chung về quang dẫn 1.4.1. Cơ sở quang học Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ (800 – 1600)nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm. - Vận tốc ánh sáng được tính theo công thức sau: C=V.λ (1.1) Trong đó: V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng. λ là vận tốc ánh sáng - Triết suất của môi trường: n = C/V (1.2) Trong đó: n là triết suất của môi trường V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng trong chân không Vì V<C nên n>1 - Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n 1 Sinα = n 2 Sinβ. (1.3) 10