Luận văn nghiên cứu về hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) trong thông tin quang

ỏn tt nghip Trng i hc Vinh Mở đầu Thông tin liên lạc đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ của xã hội loài ngời, là một trong những cơ sở hạ tầng, là điều kiện thiết yếu để phát triển kinh tế. Thời gian qua nền kinh tế nớc ta đã chuyển biến tích cực, hoà nhịp với sự phát triển của khu vực và trên thế giới. Xu thế toàn cầu hoá về thơng mại và thông tin đòi hỏi phát triển những xa lộ thông tin thoả mãn các nhu cầu và dịch vụ. Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng để phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng đợc cải tiến và nâng cao về năng lực. Từ khi ra đời, cáp quang đã thể hiện là một môi trờng truyền dẫn lý tởng với băng thông gần nh vô hạn và rất nhiều u điểm khác. Các hệ thống truyền dẫn hiện mới chỉ khai thác một phần rất nhỏ băng thông của sợi quang. Do việc nâng cấp tuyến truyền dẫn bằng cách tăng tốc độ tín hiệu về điện gặp nhiều khó khăn, các nhà khoa học đã tìm cách nâng cao tốc độ truyền bằng cách tăng tốc độ tín hiệu quang. Trong các hớng nâng cấp tốc độ truyền dẫn, ghép kênh quang theo bớc sóng (WDM) là một công nghệ khai thác đợc tài nguyên của sợi quang, khắc phục đợc các khó khăn khi tăng tốc độ tín hiệu điện. Phơng pháp ghép kênh theo bớc sóng còn có u điểm là rất linh hoạt trong việc tăng dung lợng, tận dụng triệt để các hệ thống cáp quang hiện tại. Với hàng loạt các u điểm đó, ghép kênh theo bớc sóng hiện đợc nghiên cứu áp dụng rất nhiều trong mạng hiện tại, đặc biệt là trên các tuyến trung kế, liên quốc gia, nhất là các tuyến luôn có nhu cầu tăng tốc độ. Hiện công nghệ này đợc nghiên cứu áp dụng nhiều ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản, hệ thống truyền dẫn đờng trục Bắc - Nam của nớc ta hiện đang đợc nghiên cứu để ứng dụng công nghệ này. Ghép kênh theo bớc sóng là một công nghệ mới, đã đợc áp dụng tại một số nơi trên thế giới. Muốn áp dụng công nghệ này vào thực tiễn cần phải nắm đ- SV: Phan c ng Lp 46K - TVT ỏn tt nghip Trng i hc Vinh ợc kỹ thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bớc sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng và các yêu cầu của nó, các u khuyết điểm của hệ thống mới này so với hệ thống truyền dẫn hiện tại. Đây cũng chính là mục đích của đề tài nghiên cứu. Trong khuôn khổ của một đề tài nghiên cứu khoa học ứng dụng trong thực tế, với mong muốn giới thiệu hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng, em đi vào phân tích nguyên nhân hình thành WDM, các tham số và yếu tố cơ bản ảnh hởng đến chất lợng hệ thống và cuối cùng xây dựng phơng án ghép kênh quang theo bớc sóng cho tuyến trục Bắc-Nam để giải quyết vấn đề dung l- ợng cho VTN. Quá trình làm đồ án còn không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong các bạn cùng quý thầy cô đóng góp thêm ý kiến để hoàn thiện hơn trong đồ án. Đồ án đợc chia làm 2 phần: Phần 1: Tổng quan về thông tin quang và phơng pháp ghép kênh theo bớc sóng (WDM) Phần 2: Tính toán thiết kế hệ thống ghép kênh bớc sóng và ứng dụng. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Phúc Ngọc cùng các bạn trong nhóm đồ án đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2010 Sinh viên Phan Đức Đồng SV: Phan c ng Lp 46K - TVT ỏn tt nghip Trng i hc Vinh Chơng I Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang Việc dùng ánh sáng để mã hoá thông tin đã đợc sử dụng từ xa xa nhng không đảm bảo độ tin cậy cho tuyến truyền dẫn do những hạn chế về công nghệ. Ví dụ: Khi mắt ngời đợc sử dụng nh một thiết bị thu, đòi hỏi tuyến truyền dẫn phải có tầm nhìn thẳng và do các ảnh hởng của sơng mù và ma đã làm cho tuyến truyền dẫn trở nên không tin cậy. Năm 1917, Anhxtanh dự đoán một loại bức xạ kích thích có thể điều khiển đợc. Năm 1940, Fabrican bằng thực nghiệm đã tạo ra đợc bức xạ kích thích Năm 1960, nguồn Laser ra đời đã mở ra khả năng truyền dẫn băng rộng rất lớn. Vì các tần số ánh sáng cỡ 5.10 14 Hz nên về lý thuyết, nguồn laser có dung lợng tơng đơng 10 triệu kênh TV. Nhng vào thời điểm đó, suy hao trên sợi quang là rất lớn ( = 100 dB/km) đã khiến chúng dờng nh trở nên không thực tế Năm 1970, Karpon, Kerk và Maurer đã giảm đợc giá trị suy hao còn 20 dB/km. Từ giá trị suy hao này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể so sánh với các hệ thống cáp đồng, do đó đã đa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật Cho đến nay, giá trị suy hao giảm xuống còn 0,16 dB/km tại bớc sóng 1550 nm (gần với giá trị lý thuyết là 0,14 dB Thụng tin quang cú t chc h thng cng tng t nh cỏc h thng thụng tin khỏc . SV: Phan c ng Lp 46K - TVT ỏn tt nghip Trng i hc Vinh Hỡnh 1.1 Cỏc thnh phõn c bn ca cỏc mt h thng thụng tin quang Tớn hiu cn truyn i s c phỏt vo mụi trng truyn dn tng ng (si quang ), v u thu s thu li tớn hiu cn truyn. Cựng vi cụng ngh ch to cỏc ngun phỏt v ngun thu quang, si dn quang ó to cho h thng quang vi nhiu u im ni tri hn hn so vi cỏc h thng thụng tin cỏp kim loi: suy hao truyn dn nh, bng tn truyn dn ln, khụng b nh hng ca nhiu in t, cú tớnh bo mt thụng tin, cú kớch thc trng lng nh, si cú tớnh cỏch in tt, tin cy v linh hot, si c ch to t cỏc vt liu cú sn Do ú, h thng thụng tin quang c ỏp dng rng rói trờn mng li v s l mi t phỏt v tc c ly truyn dn,v cu hỡnh linh hot cho cỏc dch v vin thụng cp cao. 1.2. Hệ thống thông tin cáp sợi quang Một tuyến truyền dẫn cáp quang thờng bao gồm các phần tử đợc mô tả nh hình vẽ 1.2 SV: Phan c ng Lp 46K - TVT Nguồn phát quang Mạch điều khiển Trạm lặp Bộ tách hoặc ghép quang Tín hiệu điện vào Bộ phát quang Bộ nối quang Bộ chia quang Sợi quang điện Khuyếch đại quang Bộ thu quang Khôi phục tín hiệu Tách sóng quang Tín hiệu điện ra Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Vinh H×nh 1.2. M« h×nh cña mét hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang HÖ thèng th«ng tin quang gåm cã nh÷ng phÇn chÝnh lµ: PhÇn ph¸t quang: bao gåm nguån ph¸t quang vµ c¸c m¹ch ®iÒu khiÓn ph¸t quang. Nguồn quang Các bộ phát quang thực chất là các laser diode. Laser diode có khoang cộng hưởng Fabry – Perot tạo ra nhiều mode dọc không mong muốn. Trái lại, laser đơn mode chỉ tạo ra một mode dọc chính, còn các mode bên bị loại bỏ nên được sử dụng để làm nguồn quang cho hệ thống WDM. Các loại laser đơn mode phổ biến là laser phản hồi phân bố (DFB), laser phản xạ Bragg phân bố (DBR). SV: Phan Đức Đồng Lớp 46K - ĐTVT TÝn hiÖu ®iÖn TÝn hiÖu quang Tíi c¸c thiÕt bÞ kh¸c ỏn tt nghip Trng i hc Vinh - Phần truyền dẫn (sợi quang): bao gồm sợi quang, các bộ nối, bộ chia, bộ tách hay ghép và bộ lặp, trong đó sợi quang đợc bọc cáp bảo vệ là thành phần quan trọng nhất. Ngoài việc bảo vệ cho các sợi quang trong quá trình lắp đặt và khai thác, trong ống cáp còn có thể có dây dẫn đồng để cấp nguồn cho các bộ lặp. Các bộ lặp làm nhiệm vụ khôi phục và khuyếch đại tín hiệu truyền dẫn trên tuyến cáp quang có khoảng cách dài. Si dn quang, cỏc nguyờn lý lan truyn ỏnh sỏng ca si quang Cỏc nh lut c bn ca ỏnh sỏng cú liờn quan n s truyn ỏnh sỏng trong si quang l hin tng khỳc x v phn x ỏnh sỏng.Cỏc tia sỏng c truyn t mụi trng cú ch s chit sut ln vo mụi trng cú ch s chit sut nh hn s b thay i hng truyn ca chỳng ti ranh gii phõn cỏch gia hai mụi trng. Cỏc tia sỏng khi i qua vựng ranh gii ny b thay i hng nhng tip tc i vo mụi trng chit sut mi thỡ ta núi cỏc tia ú b khỳc x cũn cỏc tia no vựng ranh gii tr li mụi trng ban u thỡ ta núi tia b phn x . Hỡnh 1.3 S phn x v khỳc x ỏnh sỏng Tia phn x v tia khỳc x cú quan h vi tia ti : SV: Phan c ng Lp 46K - TVT Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Vinh ▪ Cùng nằm trong mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa tia tới và phát tuyến của mặt phân cách tại điểm tới ) ▪ Góc phản xạ bằng góc tới 1 θ = 1 θ ' ▪ Góc khúc xạ đựơc xác định từ công thức Snell : n 1 sin 1 θ =n 2 sin 2 θ . (1.1) Khi 2 θ = 90 0 tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp thì gọi là sự phản xạ toàn phần lúc đó góc tới giới giạn c θ được xác định : sin c θ = 1 2 n n (1.2) Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc giới hạn quang θ max của góc giới hạn này gọi là khẩu độ số NA NA = θ sin max = 2 2 2 1 nn − ∆≈ 2 1 n (1.3) [2] Như vậy, các tia có góc vào nhỏ hơn góc giới hạn quang θ max thì sẽ bị phản xạ toàn phần bên trong tại ranh giới lõi - vỏ sợi dẫn quang, các tia sáng này sẽ đi theo đường zich – zăc dọc theo lõi sợi và đi qua trục của sợi sau mỗi lần phản xạ . Điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là: + Các tia sáng phải đi từ môi trường có chiết quang lớn sang môi trường có chiết quang nhỏ hơn . + Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn. Sợi quang gồm một lõi hình trụ bằng thuỷ tinh có chiết suất 1 n , bao quanh lõi là một lớp vỏ phản xạ đồng tâm với lõi. Lớp vỏ có chiết suất 2 n ( 2 n < 1 n ). Sợi quang có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nếu phân loại theo sự thay đổi chiết suất của lõi sợi thì sợi quang được chia thành hai loại. Loại sợi có chiết suất đồng đều ở lõi được gọi là sợi quang chiết suất SV: Phan Đức Đồng Lớp 46K - ĐTVT . thuật cơ bản của thông tin quang, nguyên lý của việc ghép kênh theo bớc sóng, các hệ thống của hệ thống thông tin quang ghép kênh theo bớc sóng và các yêu. Tổng quan về hệ thống thông tin cáp sợi quang 1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin cáp sợi quang Việc dùng ánh sáng để mã hoá thông tin đã đợc