Tìm hiểu về sự truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang UTF1

Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 1 - Trờng Đại học vinh Khoa ỵât lý ------0o0------ Tóm tắt Luận Văn Tên đề tài: Khoá luận tốt nghiệp Giáo viên hớng dẫn: TS. Đoàn Hoài Sơn Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Hoàng Lớp: 44B - Vật Lý Khoá luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Để hoàn thành bản luận văn, tác giả đã nhận đợc sự hớng dẫn và giúp đỡ tận tình của Thầy giáo Đoàn Hoài Sơn, Thầy giáo Nguyễn Thế Tân. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo , các anh chị và các bạn đồng nghiệp tại khoa Vật Lý Trờng Đại Học Vinh đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với bạn bè, ngời thân các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong thời gian này. Vinh, tháng 5 năm 2007 Sinh viên Nguyễn Ngọc Hoàng Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 2 - Khoá luận tốt nghiệp mục lục trang Lời nói đầu 1 Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang 3 1.1. Sự ra đời và các loại hệ thông tin 3 1.2. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin sợi quang 5 1.3. Các thành phần chính của hệ thống thông tin quang 7 1.3.1. Thiết bị phát quang 7 1.3.2. Thiết bị thu quang 8 1.3.3. Cáp quang 9 1.3.4. Các vật liệu chế tạo và đặc tính cơ học của sợi quang 12 Chơng 2: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang 15 2.1. Các định luật cơ bản của ánh sáng trong sợi quang2.2. Truyền dẫn sóng trong sợi quang 15 2.2.1. Các phơng trình Maxwell 17 2.2.2. Các phơng trình dẫn sóng 19 2.3. Suy hao sợi sóng. 31 2.3.1. Suy hao trong sợi quang 31 2.3.2. Suy hao uốn cong 33 2.4. Tán sắc trong sợi quang đơn mode2.5. ảnh hởng của tán sắc hệ thống thông tin quang 34 2.4.1. Tán sắc vận tốc nhóm 34 2.4.2. Tán sắc vật liệu 36 2.4.3. Tán sắc dẫn sóng 37 2.4.4. Tán sắc bậc cao 38 2.4.5. Tán sắc phân cực mode 38 2.5. ảnh hởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang 39 2.5.1. Phơng trình truyền dẫn cơ bản 39 2.5.2. Tán sắc dới hạn tốc độ truyền dẫn 40 2.5.3. Băng tần sợi quang 42 Chơng 3 : Nghiên cứu sự truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang UTF1 44 3.1. Giới thiệu chung về Modul UTF1 44 3.2. Giới thiệu chung về các khối trong Modul UTF1 46 3.2.1. Bộ FM Modulator và FM Demodulator 46 3.2.2. Bộ Digital Driver và Digital Receiver 47 3.2.3. Bộ Mã hoá và Dữ liệu 48 3.2.4. Bộ Giải mã Manchester/ Bi-Phase 51 3.2.5. Bộ ghép/ Tách kênh tín hiệu số 53 Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 3 - Khoá luận tốt nghiệp 3.2.6. Bộ Vidio/ Audio DMPX 58 3.2.7. Bộ Vidio Generator 59 3.2.8. Bộ Vidio/ Audio MPX 59 3.3. Nghiên cứu sự truyền dẫn tín hiệu tơng tự trên Modul UTF1 59 3.3. 1. Quá trình truyền dẫn tín hiệu hình sin 1KHZ 59 3.3.2. Quá trình truyền dẫn tín hiệu âm thanh 60 3.4. Tiến hành thí nghiệm 60 3.4.1. Khảo sát quá trình truyền dẫn tín hiệu hình sin 1KHZ 60 3.4.2. Khảo sát quá trình truyền dẫn tín hiệu âm thanh 64 kết luận 65 Tài liệu tham khảo 66 Lời nói đầu Chúng ta đã bớc vào một thời kì hội nhập mà ở đó thông tin và trí thức đã và đang đợc phát huy mạnh mẽ, nó trở thành nền tảng, động lực và là cơ sở của nền kinh tế trí thức. Trong nền kinh tế trí thức con ngời luôn tìm kiếm thông tin và phải tìm kiếm cái mới. Đặc điểm của kinh tế trí thức là phải luôn cải tiến và hớng tới cái mới để làm sao luôn đáp ứng đợc nhu cầu cấp thiết của thời đại. Hiện nay và sau này xu thế toàn cầu hóa là một tất yếu của sự phát triển trong đó nền kinh tế trí thức là chủ đạo. Nhịp sống của thời đại phát triển với tốc độ rất nhanh do đó để đáp ứng đợc thì cần có sự liên lạc kịp thời . Nh vậy nhu cầu truyền thông tin có tốc độ cao, có dung lợng lớn và nắm bắt thông tin kịp thời phải là hệ thống thông tin quang dự đoán sẽ bao gồm cả các hệ thống máy tính lợng tử quang, nó sẽ giữ vai trò quan trọng. Cơ sở của mạng điện tử thông tin quang bao gồm các linh kiện quang điện tử, các mạc vi điện tử quang, các máy tính, tivi, điện thoại, điện thoại di động, điện báo, các dữ liệu, các đờng cáp xuyên biển, các hệ thống định vị, các thiết bị phục vụ cho cho dữ liệu truyền số liệu, in ấn đến các mạng thông tin địa phơng, mạng toàn cầu. Để đáp ứng cho chính cuộc sống của mình Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 4 - Khoá luận tốt nghiệp thì con ngời sống trong thời đại thông tin cần phải trang bị cho mình các kiến thức về các thiết bị thông tin đó. Từ những lí do đó nên chúng tôi đặt vẫn đề nghiên cứu Tìm hiểu sự truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang UTF1 . Qua đề tài này chúng ta biết đợc sự ra đời và quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, cũng nh nguyên lí truyền tín hiệu quang trong sợi quang. Nhiệm vụ của đề tài này là giới thiệu sơ bộ về Modul UTF1 và Nghiên cứu quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang trên cơ sở lí thuyết và trên mô hình thực nghiệm modul UTF1. Bản luận văn này gồm 3 chơng. Chơng 1: Tổng quan về hệ thống thông tin quang. Chơng 2: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang. Chơng 3: Nghiên cứu về sự truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống thông tin quang UTF1. Là một sinh viên nên có hạn chế về mặt trình độ cũng nh thời gian cha có nhiều trong nghiên cứu khoa học. Vì vậy, luận này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Mong đợc sự góp ý của quý thầy giáo, cô giáo cũng nh các bạn sinh viên để đề tài đợc hoàn chỉnh hơn. Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 5 - Kho¸ luËn tèt nghiÖp NguyÔn Ngäc Hoµng – 44B- Lý - 6 - Khoá luận tốt nghiệp chơng 1 Tổng quan về hệ thống thông tin sợi quang Hệ thống thông tin quang đợc hiểu một cách đơn giản là hệ thống truyền thông tin nơi này đến nơi khác. Khoảng cách giữa các nơi có thể từ vài trăm mét đến hàng trăm kilômét, và thậm chí hàng chục ngàn kilômét. Thông tin có thể đợc truyền thông qua các sóng điện với các dải tần khác nhau từ vài MHZ tới hàng trăm THZ. Còn thông tin quang đợc thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ. Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng, và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. 1.1. Sự ra đời và các loại hệ thông tin Lịch sử của thông tin quangđầu tiên là việc sử dụng thông tin bằng ánh sáng của nhân loại trớc đây vốn là một trong những hình thức thông tin sớm nhất . Ngay từ xa xa để thông tin cho nhau, con ngời đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại các hình thức thông tin phong phú dần và ngày đợc phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại nh ngày nay. Thông tin quang đợc tổ chức hệ thống cũng tơng tự nh các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung nh hình 1.1 Đây là nguyên lý thông tin mà loài ngời đã sử dụng ngay từ thời kỳ khai sinh ra các hình thức thông tin. Hình 1.1. Các phần tử cơ bản của một hệ thống thông tin. Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 7 - Nguồn bản tin Máy phát Kênh truyền Máy thu Nơi nhận tin Khoá luận tốt nghiệp Hệ thống thông tin gồm một nguồn tin tạo ra thông tin đa tới phân phát. Phần phát này ghép thông tin vào một kênh truyền dẫn dới dạng một tín hiệu phù hợp với các đặc tính truyền của kênh. Kênh truyền dẫn là một môi trờng nối giữa phần phát và phần thu. Nó có thể là đờng truyền có hớng nh cáp đồng trục hay ống dẫn sóng hoặc có thể là kênh đẳng hớng, kênh không gian. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn ở đây chính là sợi dẫn quang, nó thực hiện truyền ánh sáng mang tín hiệu thông tin từ phía phát đến phía thu. Cho tới nay,đã có rất nhiều hệ thống thông tin dới các hình thức đa dạng. Các hệ thống thông tin này đợc gán cho các tên gọi nhất định theo môi trờng truyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống. Động cơ thúc đẩy sự rađời của một hệ thống thông tin mới là nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, tăng tốc độ truyền dữ liễu để có thể truyền đợc nhiều thông tin hơn nữa, hoặc tăng khoảng cách truyền dẫn giữa các trạm lắp. Trớc thế kỷ XIX, tất cả các hệ thống thông tin đều thuộc loại có tốc độ rất thấp và về cơ bản chỉ dới dạng ánh sáng hay âm thanh nh đèn tín hiệu hay kèn. Trong thế kỷ thứ IV trớc công nguyên, khoảng cách truyền dẫn đã đợc mở rộng thông qua việc sử dụng các trạm lặp. Khoảng năm 150 trớc công nguyên, các tín hiệu nhìn thấy này đợc mã hóa theo các ký tự Alphabet để sau đó bất kỳ một bản tin nào cũng có thể phát đi đợc. Sự phát minh ra điện báo của Samuel F.B.mores đã mở ra một kỷ nguyên thông tin mới kỷ nguyên thông tin điện. Dịch vụ điện báo thơng mại đầu tiên sử dụng cáp đồng bắt đầu từ năm 1844 và trong các năm tiếp theo các công trình nh vậy đợc xây dựng trên khắp thế giới . Việc sử dụng các cáp đồng để truyền dẫn thông tin đợc mở ra bằng việc xây dựng tổng đài điện thoại đầu tiên tại Newhaven, connecviticut vào năm 1878. Cáp đồng là môi trờng truyền dẫn thông tin điện duy nhất trớc khi có sự phát hiện của Heinrich Hertz về bức xạ điện từ bớc sóng dài vào năm 1887. Năm 1895, lần đầu tiên Guglielom Marconi ứng dụng bức xạ này để truyền tín hiệu vô tuyến. Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 8 - Khoá luận tốt nghiệp Trong những năm sau đó, ngời ta ngày càng mở rộng việc sử dụng phổ tần số điện từ để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Trong các hệ thống điện từ để truyền trên các kênh thông tin bằng cách chồng tín hiệu chứa thông tin lên một sóng điện từ gọi là sóng mang. ở phía thu, tín hiệu chứa thông tin sẽ đợc tách ra khỏi sóng mang và đợc xử lý lại theo yêu cầu. Lợng thông tin đợc phát đi có liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng đang hoạt động, nh vậy tăng tần số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ đợc dung lợng thông tin lớn . Hệ thống thông tin Viba đầu tiên hoạt động với tần số song mang 4GHz đã đợc da vào khai thác năm 1948, và sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp tục đợc lắp đặt trên mạng lới. Năm 1975, hệ thống các đồng trục tiên tiến nhất có tốc độ 274 Mb/s. Yếu tố ảnh hởng tới khả năng của hệ thống thông tin là tính tốc độ bít cự ly BL ( Bit rate Distance), trong đó B là tốc độ bít và L là cự ly khoảng lặp. 1.2. Quá trình phát triển của hệ thống thông tin sơi quang Điều đáng chú ý nhất trong hệ thống thông tin quang là sự ra đời của nguồn laser vào năm 1960. Về lý thuyết nguồn laser có dung lợng thông tin lớn hơn các hệ thống thông tin Viba 105 lần, tơng đơng bằng 10 triệu kênh tivi. Năm 1966 khi Kao, Hocman và Wertst đồng thời phán đoán ra rằng những giá trị suy hao lớn này là kết quả của độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang và cho rằng có thể giảm đợc những giá trị suy hao này tới một giá trị mà ở đó các ống dẫn sóng ánh sáng trở thành môi trờng truyền dẫn khả thi. Vào năm 1970 khi mà Kapron, Keck và Maurer chế tạo một sợi silica có suy hao là 20dB/km (hệ số suy hao công suất tín hiệu là 100 lần/ km). Đầu năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã đợc phổ biến khá rộng với vùng bớc sóng làm việc 1300nm. Ngày nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao dới 0,154dB/km tại bớc sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần 3 thập niên qua. - Suy hao truyền dẫn thấp và độ rộng băng lớn. Sợi quang có các giá trị suy hao truyền dẫn thấp và rộng băng lớn hơn cáp đồng. Ta truyền đi nhiều dữ Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 9 - Khoá luận tốt nghiệp liệu hơn với khoảng cách dài hơn bằng các hệ thống cáp sợi quang, giảm số l- ợng đã và giảm số lợng các bộ lọc cần thiết dẫn đến chi phí và tính phức tạp của hệ thống . - Kích cỡ và trọng lợng nhỏ. Trọng lợng và kích cỡ sợi quang nhỏ là u điểm nổi bật so với cáp kim loại kềnh càng, nặng nề khi lắp đặt ống dẫn cáp ngầm. - Chống can nhiễu tốt: Đặc điểm quan trọng nhất này của cáp sợi quang liên quan đến bản chất điện môi của chúng. Chính bản chất này cho phép các ống dẫn quang có khả năng chống sét và chống cản nhiễu điện từ trờng cảm ứng từ các đờng dây mang tín hiệu. - Cách điện tốt: Vì cáp quang đợc chế tạo bằng cáp thủy tinh, là chất dẻo cách điện, nên việc tiếp đất là không cần thiết, xuyên âm sợi quang sợi là rất nhỏ và các vấn đề liên quan đến giao điện của thiết bị trở nên đơn giản hơn. - Bảo mật: Sử dụng cáp quang để truyền dẫn sẽ tăng khả năng bảo mật tín hiệu vì tín hiệu quang đợc truyền trong ống dẫn. - Nguyên liệu thô sẵn có: Silica là nguyên liệu chính để chế tạo cáp quang. Những ứng dụng đầu tiên của các hệ thống truyền dẫn cáp quang chủ yếu là làm các đờng trung kế. Các tuyến số này gồm các kênh thoại 64Kb/s đợc phép kênh theo thời gian (TDM). Hình 1.2 Trình bày sự phân cấp truyền dẫn số đợc sử dụng trong mạng điện thoại ghép kênh cận đồng bộ theo tiêu chuẩn châu Âu. Tốc độ truyền dẫn cơ bản 2,048Mb/s gọi là tốc độ E1 đợc tạo thành từ 30 kênh thoại ghép kênh theo thời gian, mỗi kênh đợc số hóa với tốc độ Nguyễn Ngọc Hoàng 44B- Lý - 10 -