Khảo sát thực nghiệm về sự truyền tín hiệu tương tự qua sợi quang

Lời cảm ơn Luận văn đợc hoàn thành dới hớng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Văn Phú Qua tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ngời thầy hớng dẫn cho thầy đà đặt toán, hớng dẫn giúp đỡ tác giả suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn với thầy giáo PGS TS Nguyễn Huy Công, TS Trần Mạnh Hùng thầy giáo, cô giáo khoa Vật lí thầy giáo, cô giáo khoa đào tạo Sau đại học Trờng đại học Vinh ngời đà giảng dạy, hớng dẫn, giúp đỡ tác giả học tập tiếp thu nhiều kiến thức khoa học suốt trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Tác giả xin cảm ơn quan tâm giúp đỡ gia đình, bạn bè ngời thân, quan đồng nghiệp nơi tác giả công tác đà tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Vinh tháng 11 năm 2009 Tác giả: Hồ Đình Cửu MC LC Trang Lời cảm ơn BNG CC CH VIT TT MỞ ĐẦU ………………………………………………… CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SỢI QUANG VÀ CÁC DẠNG TÍN HIỆU QUANG I Các khái niệm sợi quang………… 1.1 Cấu trúc sợi quang……………………… … 1.2 Tính chất sợi quang…………… ……… … 10 1.2.1 Suy giảm……………………… ………………… 10 1.2.2 Hấp thụ tạp chất………………………… …… 11 1.2.3 Mất mát phân tán:……………………… 11 1.2.4 Hấp thụ vật liệu……………………………………11 1.2.5 Hấp thụ điện tử…………………………………… 11 1.3 Ghép nối sợi quang…………………………….… 12 1.3.1 Các mối nối………………………………… … … 12 1.3.1.1.Tổn thất mối nối …………….………….… ….12 1.3.1.2.Mối nối cách nóng chảy………………… … 14 1.3.1.3.Các mối nối khí…………………… ……… 15 1.3.2 Các đầu nối…………….………………….…….….… 16 1.3.3 Sự ghép nối nguồn với sợi quang……… ………… 18 1.3.4 Ghép nối sợi quang máy dị…….…… .19 II Các dạng tín hiệu sử dụng thơng tin quang 20 2.1 Tín hiệu số………………………………………… ….21 2.1.1 Dữ liệu NRZ……………………………………… .21 2.1.2 Mã Manchester…………………………………….… 22 2.1.3 Mã Bi - Phase Mark/ Space……………………… ….23 2.1.4 Sơ đồ mạch điện mạch mã hóa………………… 23 2.2 Tín hiệu tương tự………………………………… ….24 2.1 Các hệ thống thơng tin tương tự……………………….24 III Kết luận……………………………………………….26 CHƯƠNG II KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM Q TRÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ QUA SỢI QUANG… 27 2.1 Giới thiệu modul UTF1 27 2.2 Mô tả tổng quát .29 2.3 Khảo sát thực nghiệm truyền tín hiệu tương tự qua sợi quang 37 2.3.1 Mục đích thí nghiệm .37 2.3.2 Các kết thí nghiệm .37 2.3.2.1 Khảo sát tín hiệu vào/ hai đầu sợi quang .37 2.3.2.2 Khảo sát truyền tín hiệu có trộn Video/Audio qua sợi quang 39 2.3.2.3 Khảo sát tín hiệu tín hiệu vào thay đổi tần số tín hiệu đầu vào qua sợi quang 43 2.3.2.4 Điều chế FM - Máy phát thực nghiệm (Dựa vào modul UTF1) 47 2.4 Kết luận…………………………… 50 KẾT LUẬN CHUNG……………… ……….………….… 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………… …………… 53 BẢNG CÁC CHỬ VIẾT TẮT TTL Mạch lô gic transistor ECL Nguồn hóa quang dịng điện sinh MUX Bộ trộn Video/Audio DMPX Bộ tách Video/Audio IF Dịng máy phát PLL Mạch đóng pha XOR Mạch PWM Điều chế xung mã VOC Mạch trộn điều hưởng VCO Điện áp điều hưởng NTT-FC/ PC Tên đầu nối ST; SMA; TBA Tên đầu nối J1; J2… Các dắt để nối dịng điện thí nghiệm T1; T2… Các transistor thí nghiệm IC Nguồn FC/PC Điều khiển/ mạch vào HBFR Thiết bị đo cân nhiệt LED Điốt phát quang DC Dòng điện chiều PD Photodiode TDM Bộ tách kênh PCM Bộ dồn kênh/ Bộ phân đa kênh NRZ Định dạng không quay trở lại Tx Phát băng tần Rx Thu băng tần FDM Dồn kênh phận theo tần số MOD Điều biến FM (tần số) MỞ ĐẦU Trong năm gần nghiên cứu lý thuyết ứng dụng thực tiễn công nghệ truyền dẫn cáp sợi quang sử dụng rộng rãi toàn giới Hiện Việt Nam thông tin quang sợi lắp đặt sử dụng tồn mạng lưới viễn thơng, đóng vai trị chủ đạo tuyến truyền dẫn internet, truyền dẫn điện thoại, truyền hình cáp … thay cho tuyến thơng tin cáp đồng trục truyền thống [TTQ] Ứng dụng hệ thống thơng tin quang có nhiều thuận lợi so với phương tiện cáp truyền thống, là: Băng thơng rộng hơn, dung lượng truyền dẫn cao hơn, kích thước nhỏ, suy hao thấp; điều cho phép kết nối khoảng cách lớn mà không cần khuyếch đại trung gian Tất ưu điểm dẫn đến việc hạ giá thành truyền dẫn nâng cao khả ứng dụng sống Việc nghiên cứu truyền tín hiệu qua sợi quang khảo sát chương trình học chuyên ngành quang học số ngành khác đào tạo cao học, đại học Song việc nghiên cứu môn thông tin quang sợi đa số trường Đại học chủ yếu nghiên cứu lý thuyết, việc khảo sát thực nghiệm cịn đề cập dẫn đến khoảng cách lớn lý thuyết nghiên cứu thực tiễn ứng dụng công nghệ truyền thông Modul UTF1 có sẵn phịng thí nghiệm Quang phổ thiết bị tích hợp 10 thí nghiệm mô cách thức truyền dẫn xử lý tín hiệu, từ tín hiệu tương tự đến tín hiệu số thông tin quang Các khối mạch Modul UTF1 hoạt động với chức độc lập tạo thành thí nghiệm mơ hoạt động riêng rẽ Khảo sát, lắp đặt, triển khai đưa vào sử dụng thí nghiệm modul UTF1 vấn đề cấp thiết Việc triển khai thí nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đào tạo học viên chuyên ngành Quang học, khắc phục khoảng cách lý thuyết thực nghiệm Chính vậy, chúng tơi đặt vấn đề “Khảo sát thực nghiệm truyền tín hiệu tương tự qua sợi quang modul UTF1” Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận văn chia thành chương sau: CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SỢI QUANG VÀ CÁC DẠNG TÍN HIỆU QUANG Trong chương chúng tơi trình bày tổng quan khái niệm sợi quang, là: Cấu trúc sợi quang, số tính chất sợi quang là: độ suy giảm tín hiệu, hấp thụ tạp chất, mát phân tán hay mát hấp thụ điện tử Trong chương này, chúng tơi trình bày loại tín hiệu thường sử dụng công nghệ truyền dẫn quang CHƯƠNG II - KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM Q TRÌNH TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ QUA SỢI QUANG Trong chương mô tả tổng quát sơ đồ khối thí nghiệm (modul UTF1), bước tiến hành q trình thí nghiệm, mơ tả dạng sóng vào, sóng ra, tính biên độ tần số chúng hai đầu sợi quang Từ kết thu khảo sát đặc tính tần số, tính tốn biên độ truyền tín hiệu tương tự sợi quang có trộn video/audio Phần kết luận chung luận văn nêu lên số kết đạt trình nghiên cứu đề tài CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT QUANG SỢI VÀ CÁC DẠNG TÍN HIỆU QUANG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SỢI QUANG 1.1 Cấu trúc sợi quang Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang thành phần quan trọng nhất, đóng vai trị truyền dẫn sóng ánh sáng mang thơng tin Cấu trúc sợi quang gồm phần lõi phần vỏ bao quanh Chiết suất n vật liệu làm lõi phải lớn chiết suất n2 vật liệu làm vỏ Thuật ngữ sợi quang theo nghĩa chung đến nhiều loại sợi loại vật liệu khác (thuỷ tinh, nhựa…) với kích thước tính chất khác (ví dụ độ suy hao thay đổi từ 1dB/km đến hàng trăm dB/km) Như sợi quang cáp cấu trúc vật liệu đồng nhất, mà bao gồm lớp vật liệu đồng tâm với đặc tính khác Phần nhân trung tâm sợi quang gọi lõi (hình 1.1) ống trụ vật liệu suốt có chiết suất n Một lớp đồng trục loại vật liệu suốt khác có chiết suất n (thấp lõi) bọc chung quanh lõi Sau giải thích cho thấy điều kiện đảm bảo tập trung lượng ánh sáng vào lõi Lớp gọi vỏ hoàn chỉnh cấu trúc sợi quang ống dẫn sáng.[2] Phần lớn sợi quang sử dụng chế tạo từ thủy tinh Silic (SiO2) plastic Đễ thay đổi chiết suất vỏ lõi người ta cấy thêm vào số tạp chất vào thủy tinh Nếu sợi quang plastic dùng hai loại plastic khác để làm vỏ lõi.[4] Dưới vài kích thước tiêu biểu lõi vỏ sợi quang thông dụng nhất: Kích thước lõi vỏ số sợi quang - Sợi nhựa: * Lõi = 480 µ m * Vỏ = 1000 µ m - Sợi quang chiết suất nhảy bậc * Lõi = 100 µ m * Vỏ = 140 µ m - Sợi quang chiết suất giảm dần * Lõi = 50 µ m * Vỏ = 125 µ m - Sợi quang đơn mốt: * Lõi = 10 µ m * Vỏ = 125 µ m Kích thước lõi vỏ sợi quang thường thị tỉ số hai giá trị hai đường kính ngăn cách dấu gạch chéo Ví dụ: 50/125 có nghĩa sợi quang có lõi với đường kính 50 µ m vỏ với đường kính 125 µ m - Phần đệm Như nêu trên, thành phần sợi quang trần lõi vỏ Cấu trúc sợi quang trần yếu, nhằm mục đích bảo vệ sợi quang người ta tăng cường nhiều lớp vỏ bọc (lớp đệm) khác Thông thường cấu trúc sợi quang xếp (hình 1.1) + Lớp đệm làm nhựa epoxy (đường kính 250 µ m sợi quang có vỏ 125 µ m) + Lớp đệm trung gian silicon (đường kính 410 µ m) + Lớp đệm thứ hai nhựa (đường kính 900 µ m) Sau bao phủ, sợi quang trần thành phần tạo nên cáp quang đơn cáp quang đa sợi Lớp đệm thứ hai nhựa 900 µ m Lớp đệm trung gian 410 µ m Lớp đệm nhựa 250 µ m Võ bọc Lõi 125 µ m 50 µ m Sợi trần Hình 1.1: Cấu trúc sợi quang - Cáp quang đơn Cáp quang đơn sợi quang bao gồm lõi, vỏ lớp đệm Nó cấu trúc theo loại chính: + Cấu trúc lỏng (hình 1.2a) + Cấu trúc chặt (hình 1.2b) Trong trường hợp đầu sợi quang bọc ống nhựa bảo vệ, thông thường ống đổ đầy hợp chất polyurethane chống thấm nước, không cắt đứt sợi quang Cấu trúc dùng cho kết nối thông tin đường dài cho phép độ dịch chuyển sợi quang định Do giãn nở hay co rút thay đổi nhiệt độ hay kéo giãn học, bù trừ Trong trường hợp khác biện pháp bảo vệ nhiều hơn, thêm vào gân tăng cường vỏ bọc Lớp võ bọc Lớp võ ngồi Sợi Lớp đệm Sợi Gân tăng cường Ống bảo vệ Lớp đệm thứ hai a) b) Hình 1.2: a, Cấu trúc lỏng b, Cấu trúc chặt - Cáp quang đa sợi Ngồi cáp quang đơn cịn có cáp quang đa sợi Mỗi sợi cáp chứa từ vài sợi hàng trăm sợi quang Hình 1.3 cho thấy cấu trúc cáp quang đa sợi Cáp sợi Băng tổng hợp Phần tử trung tâm Sợi Băng nhôm Võ bọc Băng tổng hợp Lớp võ bọc đồng Sợi trung tâm Hình 1.3: Cấu trúc cáp quang đa sợi 1.2 Tính chất sợi quang 10 ... kết thí nghiệm .37 2.3.2.1 Khảo sát tín hiệu vào/ hai đầu sợi quang .37 2.3.2.2 Khảo sát truyền tín hiệu có trộn Video/Audio qua sợi quang 39 2.3.2.3 Khảo sát tín hiệu tín hiệu vào... TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SỢI QUANG VÀ CÁC DẠNG TÍN HIỆU QUANG Trong chương chúng tơi trình bày tổng quan khái niệm sợi quang, là: Cấu trúc sợi quang, số tính chất sợi quang là: độ suy giảm tín hiệu, ... CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT QUANG SỢI VÀ CÁC DẠNG TÍN HIỆU QUANG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SỢI QUANG 1.1 Cấu trúc sợi quang Trong hệ thống thông tin quang, sợi quang thành phần quan trọng nhất,