Thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang vinh dùng

Tr-ờng đại học vinh Khoa in T Vin Thụng ===  === ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ TUYẾN TRUYỀN DẪN THÔNG TIN QUANG - DÙNG GV h-íng dÉn: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa SV thùc hiƯn: Nguyễn Chí Dũng Líp: 47K - §TVT Vinh – 2011 Mục lục Tóm tắt đồ án Danh sách hình vẽ Danh sách bảng biểu Thuật ngữ viết tắt Chương Tổng quan hệ thống thông tin quang Error! Bookmark not defined 1.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined 1.2 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.3 Cấu hình hệ thống thơng tin quang Error! Bookmark not defined 1.4 Phân loại hệ thống Error! Bookmark not defined 1.5 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin quang Error! Bookmark not defined 1.5.1 Ưu điểm Error! Bookmark not defined 1.5.2 Nhược điểm Error! Bookmark not defined 1.6 Ứng dụng xu phát triển Error! Bookmark not defined Chương Sợi quang cáp sợi quang Error! Bookmark not defined 2.1 Sợi quang Error! Bookmark not defined 2.1.1 Cấu tạo Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phân loại Error! Bookmark not defined 2.1.3 Nguyên lý truyền sáng sợi quang Error! Bookmark not defined 2.1.4 Đặc tính truyền dẫn sợi quang Error! Bookmark not defined 2.2 Cáp sợi quang Error! Bookmark not defined 2.2.1 Yêu cầu kỹ thuật Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cấu trúc cáp quang Error! Bookmark not defined 2.2.3 Phân loại ứng dụng Error! Bookmark not defined Chương Các linh kiện biến đổi quang điện Error! Bookmark not defined 3.1 Các nguyên lý biến đổi quang điện Error! Bookmark not defined 3.2 Thiết bị phát quang Error! Bookmark not defined 3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật Error! Bookmark not defined 3.2.2 Diode phát quang LED Error! Bookmark not defined 3.2.3 Laser diode LD Error! Bookmark not defined 3.3 Thiết bị thu quang Error! Bookmark not defined 3.3.1 Photodiode PIN Error! Bookmark not defined 3.3.2 Photodiode thác APD Error! Bookmark not defined 3.3.3 Đặc tính kỹ thuật Photodiode Error! Bookmark not defined Chương Một số thiết bị quang thị trường Error! Bookmark not defined 4.1 Các khuyến nghị ITU Error! Bookmark not defined 4.2 Cáp sợi quang Error! Bookmark not defined 4.2.1 Cáp Vcom FTTH SMF Error! Bookmark not defined 4.2.2 Cáp Nexan sợi 50/125μm Error! Bookmark not defined 4.3 Thiết bị thu phát quang Error! Bookmark not defined 4.3.1 Fujitsu FLX 150/600 Error! Bookmark not defined 4.3.2 Fujitsu FLX 600A (VFT) Error! Bookmark not defined 4.3.3 Fujitsu Flashwave 4270 Error! Bookmark not defined Chương Thiết kế tuyến cáp quang Vinh – Dùng dung lượng yêu cầu 622Mbp/s (STM-4) Error! Bookmark not defined 5.1 Chọn tuyến Error! Bookmark not defined 5.2 Chọn bước sóng làm việc Error! Bookmark not defined 5.3 Chọn cáp Error! Bookmark not defined 5.4 Chọn thiết bị Error! Bookmark not defined 5.5 Tính tốn thiết kế tuyến Error! Bookmark not defined 5.5.1 Yêu cầu quỹ thời gian lên Error! Bookmark not defined 5.5.2 Yêu cầu quỹ công suất Error! Bookmark not defined Chương Chương trình hỗ trợ thiết kế tuyến thông tin quang Error! Bookmark not defined 6.1 Lưu đồ thuật toán Error! Bookmark not defined 6.2 Thiết kế giao diện chương trình Error! Bookmark not defined 6.3 Kết Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Lời nói đầu Hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ thống truyền dẫn với kỹ thuật công nghệ tiên tiến nhất, cho phép tạo tuyến truyền dẫn dài dung lượng lớn có chất lượng cao Ngồi ra, hệ thống thơng tin quang cịn chứa ưu điểm vượt trội mà không hệ thống sánh được, lẽ mà ngày thơng tin quang trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu mạng lưới viễn thông Hiểu điều nên nhận đồ án tốt nghiệp, lựa chọn đề tài “Thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang Vinh – Dùng” với mục đích để tìm hiểu hệ thống thông tin quang sâu Do thời gian có hạn vấn đề thông tin quang lại sâu, rộng nên tập đồ án khơng thể tránh sai sót định Kính mong bảo thầy góp ý chân tình bạn Trong q trình thực đề tài, tơi gia đình, bạn bè, người thân động viên khích lệ Nhân tơi có lời cảm ơn tới người đặc biệt TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Người nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn tơi hồn thành đề tài Vinh, 16/05/2011 Sinh viên thực Nguyễn Chí Dũng Tóm tắt đồ án Để đáp ứng nhu cầu truyền tải bùng nổ thông tin nay, mạng truyền dẫn cần phải phát triển quy mô lẫn công nghệ cấu trúc mạng Do vậy, để xây dựng hệ thống thơng tin quang cần phải tìm hiểu đầy đủ hệ thống thơng tin Chính mà đồ án chia thành năm chương với ba chương đầu sở lý thuyết, cụ thể chương có nội dung sau: Chương trình bày cách tổng quan hệ thống, đưa khái niệm, trình phát triển lĩnh vực thơng tin quang, mơ hình cấu trúc nêu rõ ưu – nhược điểm hệ thống, giúp cho có cách nhìn sơ lược tổng qt Chương hai trình bày sợi quang cáp sợi quang Qua chương này, biết thành phần, cấu tạo sợi cáp sợi quang Ngoài ra, cịn sâu vào ngun lý truyền dẫn sáng sợi quang – yếu tố quan trọng để hình thành hệ thống truyền dẫn quang Chương ba trình bày linh kiện biến đổi quang điện Từ nắm bắt cấu trúc, nguyên lý đặc tính thiết bị phát thu quang Chương bốn tìm hiểu số thiết bị quang thị trường Chương trình bày đặc tính thơng số kỹ thuật số loại thiết bị, giúp cho người kỹ sư lựa chọn để thực cho cơng việc thiết kế Chương năm chương chủ đề đồ án, chương trình bày bước thiết kế nội dung chủ đạo thiết kế tuyến truyền dẫn quang Vinh – Dùng Chương sáu trình bày cơng cụ hỗ trợ cho việc tính tốn để thiết kế tuyến truyền dẫn thông tin quang tác giả tự biên soạn Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 11 Hình 2.1 Cấu trúc sợi quang sử dụng viễn thơng 19 Hình 2.2 Dạng phân bố chiết suất lõi sợi SI 21 Hình 2.3 Dạng phân bố chiết lõi sợi GI 22 Hình 2.4 Mặt cắt sợi đa mode chiết suất gradient 26 Hình 2.5 Mặt cắt sợi đa mode chiết suất bậc 26 Hình 2.6 Mặt cắt sợi đơn mode chiết suất bậc 27 Hình 2.7 Hiện tượng phản xạ ánh sáng 28 Hình 2.8 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 28 Hình 2.9 Hiện tượng phản xạ tồn phần 29 Hình 2.10 Truyền sáng lõi sợi MM-SI 31 Hình 2.11 Truyền sáng lõi sợi MM-GI 32 Hình 2.12 Cấu trúc cổ điển cáp sợi quang 39 Hình 2.13 Sự đặt khác thành phần gia cường cáp 40 Hình 3.1 Các tượng biến đổi quang điện 44 Hình 3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động LED 47 Hình 3.3 Cấu tạo khoang cộng hưởng 51 Hình 3.4 Sơ đồ vùng lượng PIN 53 Hình 3.5 Cấu trúc APD 54 Hình 6.1 Lưu đồ thuật tốn 70 Hình 6.2 Giao diện chương trình 71 Hình 6.3 Giao diện phần tính tốn theo quỹ cơng suất 71 Hình 6.4 Giao diện phần tính tốn theo quỹ thời gian lên 72 Hình 6.5 Kết chạy chương trình cho tuyến Vinh - Dùng 73 Danh sách bảng biểu Bảng 2.1 Phân loại sợi dẫn quang 20 Bảng 3.1 Các tham số LED 49 Bảng 3.2 Các đặc tính ELED tiêu biểu 49 Bảng 3.3 Đặc tính độ nhạy Photodiode 55 Bảng 3.4 Đặc tính kỹ thuật Photodiode 55 Bảng 4.1 Các tiêu G.651.1 (07/2007) 58 Bảng 4.2 Các tiêu G.652.A (11/2009) 59 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật cáp Vcom FTTH 60 Bảng 4.4 Đặc tính kỹ thuật cáp Nexan sợi 50/125μm 61 Bảng 4.5 Thông số truyền dẫn cáp Nexan sợi 50/125μm 61 Bảng 4.6 Các thông số kỹ thuật thiết bị FLX 600A 63 Bảng 5.1 Tóm tắt tham số tuyến 66 Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt APD Avalanche photodiode Diode tách sóng thác BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit DWDM Dense WDM WDM mật độ (cao, dày đặc) EDFA Erbium doped fiber amplifier Khuếch đại quang sợi có pha tạp erbium ELED Edge emitting LED LED phát cạnh FTTH Fiber to the home Sợi quang tới tận nhà GVD Group velocity dispersion Tán sắc vận tốc nhóm GI Gradient index Chỉ số biến đổi liên tục IM-DD Intensity modulation – direct Điều biến cường độ - tách detection sóng trực tiếp LAN Local area network Mạng nội LASER Light amplication by Khuếch đại ánh sáng kích stimulate emission of thích phát xạ radiation LD Laser diode Diode laser LED Light emitting diode Diode phát quang MM Multimode Đa mode OADM Optical add/drop multiplexer Bộ ghép kênh xen rẽ quang OTN Optical transport network Mạng truyền dẫn quang PCS Plastic clad silica Sợi thủy tinh vỏ chất dẻo PDH Plesiochronous digital Phân cấp số cận đồng hierarchy SDH Synchronous digital hierarchy Phân cấp số đồng SI Step index Chỉ số bậc SLA Semiconductor laser Bộ khuếch đại laser bán dẫn amplifier SM Single mode Đơn mode STM Synchronous transport Mô-đun chuyển tải đồng module WDM Wavelength division multiplexing Ghép kênh theo bước sóng 5.5.1 Yêu cầu quỹ thời gian lên Quỹ thời gian lên đưa nhằm xác định xem hệ thống có đủ khả hoạt động tốc độ bit định hay không Đây yếu tố quan trọng, băng tần thành phần hệ thống cho phép cho thấy hệ thống không đủ đáp ứng tốc độ bit Mối liên hệ tốc độ bit thời gian lên cho biểu thức sau [1]: 0,35 / B  Tr   0,7 / B  Đối với dạng RZ (5.1) Đối với dạng NRZ Trong hệ thống thơng tin quang có ba thành phần thời gian lên riêng rẽ Tổng thời gian lên toàn hệ thống tính sau: 2 Tr  Ttr2  T fib  Trec (5.2) Với: Ttr thời gian lên thiết bị phát Tfib thời gian lên sợi quang Trec thời gian lên thiết bị thu Trong đó, thời gian lên sợi quang tính theo cơng thức sau: 2 T fib  Tmod  TGVD (5.3) Ở đây, Tmod thời gian lên tán sắc mode TGVD thời gian lên tán sắc vận tốc nhóm gây Đối với sợi đơn mode Tmod = TGVD tính theo cơng thức: TGVD = |D|.L.Δλ (5.4) Với: Δλ độ rộng phổ nguồn phát D hệ số tán sắc trung bình L cự ly từ thiết bị phát đến thiết bị thu Từ giá trị Bảng 5.1 thay vào biểu thức 5.4, ta TGVD  ps 2nm.45km  0,27ns km.nm (5.5) Vì sử dụng sợi quang đơn mode nên Tfib = 0,27 ns Như vậy, theo biểu thức 5.2 tổng thời gian lên toàn hệ thống là: Tr  0,22  0,272  0,32  0,45ns (5.6) Từ biểu thức 5.1 ta có tốc độ bit tối đa dạng RZ 777Mb/s ; vậy, hệ thống thỏa mãn mặt quỹ thời gian lên (dung lượng yêu cầu 622Mb/s) 5.5.2 Yêu cầu quỹ công suất Để kiểm tra hệ thống tuyến có đạt u cầu quỹ cơng suất hay khơng, trước tiên phải tính tổng suy hao toàn tuyến - Xác định số cuộn cáp cần dùng: N cap  Trong đó: L Lcap cuộn (5.7) L cự ly truyền dẫn (km) Lcap độ dài tối đa cuộn cáp (km) Với L = 45km Lcap = 2km, ta Ncap = 23 (cuộn) - Xác định số mối hàn: Nmh = Ncap – mối (5.8) Như vậy, số mối hàn cần sử dụng 22 (mối) - Tính độ suy hao mối hàn: Smh = Nmh αmh dB Trong đó: (5.9) αmh hệ số suy hao mối hàn (dB/mối) Như Smh = 22mối x 0,1dB/mối = 2,2 dB (5.10) - Xác định suy hao sợi quang: Ssq = L αsq Trong đó: (5.11) αsq hệ số suy hao sợi quang (dB/km) L cự ly truyền dẫn (km) Thay L = 45km, αsq = 0,35 dB ta có Ssq = 45km x 0,35dB/km = 15,75 dB (5.12) - Xác định suy hao giắc cắm: Sgi = M αgi Trong đó: dB (5.13) αgi hệ số suy hao giắc cắm (dB/giắc) M số giắc cắm (giắc) Ở đây, M = αgi = 0,5 Sgi = 4giắc x 0,5dB/giắc = dB (5.14) - Tính tổng suy hao cực tiểu: Smin = Smh + Ssq + Sgi dB (5.15) Suy giá trị suy hao cực tiểu Smin = 19,95 dB - Tính tổng suy hao cực đại: Smax = Smin + Sdp dB (5.16) Trong suy hao dự phòng Sdp = 3dB Suy Smax = 22,95 dB - Xác định công suất thu cực đại: Pthu-max = PSmax - Smin dBm Trong (5.17) PSmax công suất phát cực đại Như Pthu-max = 2dBm – 19,95dB = -17,95 dBm (5.18) - Xác định công suất thu cực tiểu: Pthu-min = PSmin - Smax dBm Trong (5.19) PSmin cơng suất phát cực tiểu Suy Pthu-min = -3dBm – 22,95dB = - 25,95 dBm PRmin Pthu-min Pthu-max (5.20) PRmax -28 -25,95 -17,95 -8 dBm Ta thấy PRmin < Pthu-min < Pthu-max < PRmax , có nghĩa cơng suất nhận máy thu nằm vùng độ nhạy máy thu Hệ thống thỏa mãn yêu cầu quỹ công suất Kết luận: Như tuyến truyền dẫn thông tin thiết kế đủ khả hoạt động đưa vào sử dụng thực tế Chương Chương trình hỗ trợ thiết kế tuyến thơng tin quang Chương trình dùng để hỗ trợ cho việc tính tốn, thiết kế tuyến truyền dẫn thơng tin quang việc tính tốn tay q trình thiết kế tuyến phức tạp 6.1 Lưu đồ thuật tốn Thuật tốn chương trình viết lưu đồ sau: Bắt đầu Nhập thông số tuyến thiết bị Tính tham số tuyến So sánh với ngưỡng thu Sai Đúng Tính băng tần hệ thống So sánh với băng thông yêu cầu Đúng Kết thúc Sai Hình 6.1 Lưu đồ thuật tốn 6.2 Thiết kế giao diện chương trình Giao diện chương trình thiết kế hình sau: Hình 6.2 Giao diện chương trình Hình 6.3 Giao diện phần tính tốn theo quỹ cơng suất Hình 6.4 Giao diện phần tính tốn theo quỹ thời gian lên 6.3 Kết Khi sử dụng chương trình để tính tốn thiết kế cho tuyến Vinh – Dùng chương trình cho kết với kết phần tính tốn tay Hình 6.5 Kết chạy chương trình với liệu chương Kết luận Đồ án vào sở lý thuyết thơng tin quang, tìm hiểu số thiết bị hệ thống thị trường thiết kế thành công tuyến truyền dẫn thông tin quang Vinh – Dùng với dung lượng yêu cầu 622Mb/s Ngồi ra, việc tính tốn tay nhiều thời gian dễ gặp sai sót nên tơi viết sẵn công cụ nhỏ phục vụ cho công việc ứng dụng để thiết kế tuyến truyền dẫn quang khác Chương trình cịn thơ sơ đơn giản, chưa giải nhiều vấn đề mà lĩnh vực thiết kế tuyến gặp phải, hướng phát triển đề tài để chương trình ngày hồn thiện Sau thời gian tìm hiểu, thực hồn thành đề tài này, tơi tích lũy thêm sở lý thuyết thông tin quang sở thực tế người kỹ sư, cơng việc thiết kế tuyến Mặc dù, cự ly truyền dẫn mức trung bình dung lượng yêu cầu khơng q cao lại phù hợp cho người kỹ sư trường Một lần xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đặc biệt TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa – Người hướng dẫn, bảo nhiệt tình cho tơi để tơi sớm hồn thành đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn !! Vinh, 17/05/2011 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Dũng i Phụ lục Thiết kế phần mềm hỗ trợ Thiết kế cho Form1: giao diện chương trình Private Sub QCS_Click() Form1.Hide Form2.Show End Sub Private Sub Thoat_Click() End End Sub Private Sub TQL_Click() Form1.Hide Form3.Show End Sub Thiết kế cho Form2: tính tốn theo quỹ cơng suất Private Sub Command1_Click() Form2.Hide Form1.Show End Sub Private Sub Command2_Click() Dim L, PSmax, PSmin, PRmax, PRmin, Lcap, APsq, APmh, APgi, Sdp, Smh, Sgi, Smin, Smax, Pthumin, Pthumax As Double Dim Ncap, Nmh As Integer L = CDbl(Text1.Text) PSmax = CDbl(Text2.Text) i PSmin = CDbl(Text3.Text) PRmax = CDbl(Text4.Text) PRmin = CDbl(Text5.Text) Lcap = CDbl(Text6.Text) APsq = CDbl(Text7.Text) APmh = CDbl(Text8.Text) APgi = CDbl(Text9.Text) Sdp = CDbl(Text10.Text) If (Round(L / Lcap) < Round(L / Lcap + 0.4999999999)) Then Ncap = Round(L / Lcap + 0.499999999999) Else Ncap = Round(L / Lcap) End If Nmh = Ncap - Smh = Nmh * APmh Ssq = L * APsq Sgi = * APgi Smin = Smh + Ssq + Sgi Smax = Smin + Sdp Pthumax = PSmax - Smin Pthumin = PSmin - Smax Text11.Text = CStr(Ncap) Text12.Text = CStr(Nmh) Text13.Text = CStr(Smin) Text14.Text = CStr(Smax) Text15.Text = CStr(Pthumin) Text16.Text = CStr(Pthumax) If (Pthumin >= PRmin) And (Pthumax