Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ nghành khoa học, nghiên cứu phát minh đƣợc cơng bố, kéo theo công nghệ đƣợc đời Sự phát triển nhanh chóng xã hội khoa học kỹ thuật đòi hỏi ngƣời phải liên tục đổi công nghệ nhƣ phƣơng thức hoạt động, Ngành công nghệ thông tin nhƣ điện tử viễn thông khơng nằm ngồi quy luật Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ truyền tin, u cầu thông tin cần đƣợc trao đổi xã hội, địi hỏi phải có mạng mới, cơng nghệ đƣa vào sử dụng để đáp ứng cho nhu cầu đó, song đời mạng mà khơng có thay đổi băng thơng, đƣờng truyền khơng đáp ứng đƣợc dung lƣợng truyền dẫn cho mạng hoạt động cách hiệu Với yêu cầu thiết mạng thơng tin quang đƣợc đời đƣa vào sử dụng mạnh mẽ năm gần Mạng thông tin quang đời giải đƣợc vấn đề băng thông đƣờng truyền cho nghành thông tin truyền thông giới nhƣ Việt Nam Với băng thơng lớn dung lƣợng dồi dào, mạng thơng tin quang đáp ứng đƣợc nhu cầu trao đổi thông tin cho xã hội nhƣ Truyền thông hội nghị, quản lý thơng tin cá nhân, lập biểu, nhóm làm việc, fax màu, + Truyền thơng: báo, tạp chí, quảng cáo, … + Mua sắm: thƣơng mại điện tử, tiền ví điện tử, giao dịch tự động, đấu giá,… + Giải trí: tin tức, thể thao, trị chơi, video, âm nhạc, … + Giáo dục: thƣ viện trực tuyến, máy tìm kiếm, học từ xa, … + Sức khỏe: chữa bệnh, theo dõi, chuẩn đoán từ xa, … + Tự động hóa: đo đạc từ xa, … + Truy nhập thông tin cá nhân: thời gian biểu, đặt vé từ xa, cảnh báo vị trí,… LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG + Các dịch vụ đánh số cá nhân toàn cầu, điện thoại vệ tinh, … Để đáp ứng nhu cầu đó, địi hỏi phải có mạng lƣới viễn thông tốc độ cao, dung lƣợng lớn Với yêu cầu đặt nhƣ vậy, em nghiên cứu tìm hiểu nhận đề tài với tên gọi “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang “ làm đồ án tốt nghiệp đại học cho Trong trình tìm hiểu đƣợc bảo giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo hƣớng dẫn làm đồ án nên em hoàn thành đƣợc đồ án khoảng thời gian quy định, song sinh viên ngồi ghế nhà trƣờng, kiến thức nhiều hạn chế nên tìm hiểu nghiên cứu cịn gặp nhiều khó khăn, chƣa thể sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm nguyên lý cấu tạo nhƣ hoạt động thiêt bị truyền dẫn quang Vẫn cịn cần phải tìm hiểu học học hỏi nhiều, em mong đƣợc thầy cô giáo bảo giúp đỡ em nhiều để hiểu biết em đƣợc nâng lên, em xin thầy, cô giáo cho em nhận xét đồ án để em hồn thiện Qua em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Nguyễn Phúc Ngọc nhiệt tình hƣớng dẫn bảo cho em suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, em xin đƣợc chân thành cảm ơn tất Thầy, Cơ ngồi khoa nhiệt tình giảng dạy suốt năm em đƣợc học tập nghiên cứu trƣờng để em có đƣợc vốn hiểu biết Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ,tháng 5, năm 2011 Sinh viên Lê Đăng Tuấn LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TÓM TẮT ĐỒ ÁN Bằng kiến thức đƣợc học ghế nhà trƣờng qua thời gan thực tập tìm hiểu mạng thơng tin quang với xu phát triển nghành viễn thơng Bên cạnh cịn có giúp đỡ thầy giáo hƣớng dẫn đồ án giúp đỡ bạn bè nhƣ tìm hiểu qua tài liệu Em chọn cho đè tài “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang” để làm đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài em gồm có bốn chƣơng : Chƣơng I: Tổng quan hệ thống thông tin quang Tác giả giới thiệu lịch sử phát triển thông tin quang, cấu trúc hệ thống thơng tin quang, đặc tính thơng tin quang, phân loại hệ thống thông tin quang, sau cung kết luận em rút đƣợc từ chƣơng Chƣơng II: Cấu trúc hệ thống thông tin quang Tác giả sâu vào khai thác chức nhƣ cấu tạo phần tử cấu trúc hệ thống thông tin quang Chƣơng III: Nguyên lý ghép kênh quang Là phƣơng pháp ghép kênh quang, phƣơng thức truyền dẫn quang Chƣơng IV: Tính tốn thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ cơng suất thời gian lên Là phần thiết kế tuyến quang theo quỹ thời gian lên công suất LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU Tóm tắt đồ án Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Danh mục từ viết tắt CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 13 1.1 Lịch sử phát triển 13 1.2 Các thành phần hệ thống thông tin quang 14 1.3 Các đặc tính thơng tin quang 17 1.4 Phân loai hệ thống thông tin quang 17 1.4.1 Phân loại theo dạng tín hiệu 18 1.4.2 Pheo phƣơng thức điều biến giải điều biến tín hiệu quang 18 1.4.3 Theo tốc độ cự ly truyền dẫn 18 1.4.4 Phân loại theo phƣơng thức ghép kênh 19 1.5 kết luận chƣơng 19 CHƢƠNG II: CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 20 2.1 Các thành phần hệ thống thông tin quang 20 2.1.1 Sợi quang, phân loại sợi quang 20 2.1.2 Cáp quang, phân loại cáp quang 25 2.1.3 Các thiết bị phát quang 29 2.1.4 Các thiết bị thu quang 36 2.1.5 Các trạm lặp 42 2.1.6 Các trạm xen rẽ kênh 43 2.2 Các tham số hệ thống thông tin quang 43 2.3 Truyền ánh sáng sợi quang 45 2.3.1 Đặc điểm ánh sáng 45 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2.3.2 Nguyên lý truyền ánh sáng lõi sợi quang 47 2.3.3 Đặc tính truyền dẫn sợi quang 48 2.4 kết luận chƣơng 53 CHƢƠNG III: NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH VÀ TRUYỀN DẪN QUANG 54 3.1 Giới thiệu 54 3.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 55 3.2.1 Nguyên lý ghép kênh 55 3.2.2 Phát tín hiệu hệ thống OTDM 56 3.2.3 Giải ghép xen rẽ hệ thống OTDM 59 3.2.4 Đồng hệ thống OTDM 63 3.2.5 Đặc tính truyền dẫn OTDM 64 3.3 Nguyên lý ghép kênh quang theo bƣớc sóng WDM 65 3.3.1 Định nghĩa 65 3.3.2 Nguyên lý WDM 66 3.3.3 Các linh kiện dùng hệ thống WDM 70 3.3.3.1 Bộ ghép/tách tín hiệu 70 3.3.4.2 Bộ Isolator/circulator 72 3.3.4.3 Bộ lọc quang 75 3.3.4.4 Bộ ghép tách kênh bƣớc sóng 77 3.3.4.5 Bộ chuyển mạch quang 78 3.3.4.6 Bộ chuyển đổi bƣớc sóng 80 3.4 Kết luận chƣơng 80 CHƢƠNG IV: TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 81 4.1 Giới thiệu chƣơng 81 4.2 Các khái niệm 81 4.3 Quỹ công suất 83 4.4 Quỹ thời gian lên 84 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 4.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang 86 4.5.1 Nhiễu lƣợng tử 86 4.5.2 Nhiễu nhiệt 87 4.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 87 4.6.1 Đối với photodiode PIN 87 4.6.2 Đối với photodiode APD 88 4.7 Các giá trị thành phần 90 4.8 Bài tốn tính tốn thiết kế theo quỹ công suất thời gian lên 91 4.8.1 Chọn bƣớc sóng làm việc tuyến 92 4.8.2 Chọn loại sợi quang 92 4.8.3 Thiết bị thu quang 92 4.9 Tính tốn tổn hao đƣờng truyền 94 4.10 Độ nhạy máy thu trƣờng hợp sử dụng PIN 94 4.11 Độ nhạy máy thu trƣờng hợp sử dụng APD 95 4.12 Tính toán thời gian lên 96 4.13 Kết luận chƣơng 97 KẾT LUẬN CHUNG 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần hệ thống thơng tin 15 Hình 2.1 Cấu tạo sợi quang 20 Hình 2.2 Sợi quang đa mode MM 23 Hình 2.3 Sợi quang đơn mode 24 Hình 2.4 Sợi SI Sợi GI 25 Hình 2.5 Cấu tạo chung cáp quang 26 Hình 2.6 Cấu trúc LED 30 Hình 2.7 Cấu trúc LED phát mặt 31 Hình 2.8 Cấu trúc LED phát cạnh 31 Hình 2.9 Diode lazer 34 Hình 2.10 Ba cấu trúc cho sóng quang hạn chế theo hƣớng bên 35 Hình 2.11 Sơ đồ vùng lƣợng photodiode PIN 37 Hình 2.12 Hệ số hấp thụ theo bƣớc sóng 38 Hình 2.13 Đáp ứng Photodiode PIN 39 Hình 2.14 Cấu trúc diode photodiode 40 Hình 2.15 Sơ đồ sơ lƣợc mạch điện thu quang 41 Hình 2.16 Mạch tƣơng đƣơng thiết kế thu hỗ dẫn ngƣợc 41 Hình 2.17 Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 42 Hình 2.18 Sơ đồ khối chức trạm lặp loại điện quang 43 Hình 2.19 Nguyên lý truyền ánh sáng 46 Hình 2.20 Tia sáng lõi sợi quang 48 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Hình 2.21 Quan hệ P  /Pmax phụ thuộc vào  50 Hình 2.22 Đặc tính suy hao theo bƣớc sóng dạng suy hao 53 Hình 3.1 Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép kênh quang 56 Hình 3.2 Sơ đố sử dụng hai phƣơng pháp phía phát xử lý NRZ cho OTDM 58 Hình 3.3 Nguyên lý giải ghép thời gian DEMUX sử dụng chuyển mạch phân cực quang 61 Hình 3.4 Sơ đồ đồng lựa chọn kênh quang gƣơng vòng phi tuyến để rẽ xen kênh với coupler 3dB 62 Hình 3.5: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock 63 Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 66 Hình 3.7 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều hai sợi quang 68 Hình 3.8 Sơ đồ truyền dẫn hai chiều sợi quang 68 Hình 3.9 Mơ tả thiết bị ghép/tách hốn hợp MUX – DEMUX) 70 Hình 3.10 Cấu tạo Coupler FBT x 71 Hình 3.11 a Sơ đồ khối circulator cửa b Sơ đồ khối circulator cửa c Sơ đồ khối Isolator 72 Hình 3.12 Sơ đồ khối lọc a lọc cố định λk b lọc điều chỉnh bƣớc sóng đƣợc khoảng ∆λ 74 Hình 3.13 a thơng số đặc trƣng lọc b Độ gợn sóng lọc 75 Hình 3.14 Bộ tách/ghép bƣớc sóng quang a Sơ đồ khối ghép kênh LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG bƣớc sóng MUX b Sơ đồ khối tách kênh bƣớc sóng DEMUX Các thông số đặc trƣng MUX/DEMUX 78 Hình 3.15 Các loại cấu hình chuyển mach quang a chuyển mạch on/off (1x1) chuyển mạch chuyển tiếp 1x2 khơng nghẽn ; c,d chuyển mạch 2x2 có nghẽn 79 Hình 4.1 Sơ đồ suy hao đƣờng truyền dẫn quang 81 Hình 4.2 Đáp ứng xung lọc thơng thấp 84 Hình 4.3 Tỷ số bit BER 93 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Đặc tính dải cấm bƣớc sóng vật liệu ghép 30 Bảng 2.2 Các đặc tính ELED tiêu biểu 33 Bảng 3.1 Bảng tóm tắt phƣơng pháp giải ghép kênh OTDM 60 Bảng 4.1 Thiết bị phát quang 90 Bảng 4.2 Cáp sợi quang 90 Bảng 4.3 Thiết bị thu 90 Bảng 4.4 Suy hao hàn nối nối 91 Bảng 4.5 Tính toán tổn hao đƣờng truyền 94 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 10 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG tt  N t i 1 i (4.17) - Thời gian lên thiết bị thu Gọi B băng tần điện 3dB tính MHz thời gian lên thiết bị thu đƣợc tính t n  350 (4.18) B - Thời gian lên tán sắc mode sợi quang q t mod e  440 L B0 [ns] (4.19) Trong q: Tham số có giá trị từ 0,5 đến B0 : Băng tần Km cáp sợi quang [MHz] L: Chiều dài cáp - Thời gian lên tán sắc vật liệu dùng ống dẫn sóng tVL  D.L. (4.20) Trong D : Hệ số tán sắc  : Độ rộng nguồn phát (4.17) đƣợc viết lại: t t  t  D.L.  tx 440 Lq  350      B0 B  rx  (4.21) 4.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang Nhiễu khái niệm để mô tả thành phần tín hiệu điện khơng mong muốn Có chiều hƣớng gây rối q trình truyền dẫn xử lý tín hiệu hệ thống mà khơng kiểm sốt đầy đủ Trong hệ thống tách sóng, độ nhạy hệ thống phụ thuộc nhiều vào loại nhiễu hai nguồn nhiễu nhiễu lƣợng tử nhiễu nhiệt LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 86 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 4.5.1 Nhiễu lượng tử Nhiễu lƣợng tử photodiode sinh số lƣợng hạt tải điện qua khe lƣợng hay vƣợt qua hàng rào có tính ngẫu nhiên theo thời gian gây Dòng chảy hạt electron qua tiếp giáp p-n riêng rẽ ngẩu nhiên Các hạt đến không đồng thời nên phát sinh nhiễu Giá trị nhiễu lƣợng tử phụ thuộc vào tham số: ishot  2.e.i.B (4.22) đó: B: độ rộng băng thu I: dịng trung bình đến tách sóng Giá trị dòng nhiễu lƣợng tử ishot  2.e.i.B , từ biểu thức ta thấy dòng nhiễu lƣợng tử tăng theo B 4.5.2 Nhiễu nhiệt Nhiễu nhiệt xuất phát từ điện trở tải tách sóng linh kiện điện tử khuyếch đại, có xu hƣớng chi phối trình khuyếch đại sử dụng photodiode PIN với tỷ số tín hiệu nhiễu thấp, đạt đƣợc hệ số khuyếch đại tối ƣu thiết kế cân nhiễu nhiệt nhiễu lƣơng tử không phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại Cơng thức tính tốn nhiễu nhiệt: i  4KTB RL (4.23) Tong đó: K: số Bozman, K=1,38.1023 T: nhiệt độ đơn vị kenvin, T = t(0c) + 273 R: điện trở tải 4.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 4.6.1 Đối với photodiode PIN Trong hệ thống tách sóng trực tiếp, sử dụng diode tách sóng PIN giá trị dịng cơng suất tới quan hệ nhƣ sau: LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 87 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG is  Với: e ps hv (4.24)  : hiệu suất lƣợng tử h: số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có cơng suất tải: S = i2.RL S= ( e hv ps )2 RL (4.25) - Công suất nhiễu lƣợng tử với dòng bao gồm dòng tối: e Ps  id ).B.RL hv N shot  i shot.RL  2.eI BR L  2e( (4.26) - Dòng nhiễu nhiệt: inh  unh  4KTB.RL KTB : RL Công suất nhiễu nhiệt: N nh  KTB RL  KTB RL (4.27) Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: e ( ps ) RL hv S  N 2e(e p  i ) B.R  K B.T s d L hv (4.28) 4.6.2 Đối với photodiode APD Nhƣ biết APD bao gồm lớp chuyển đổi quang điện lớp nhân điện, nhiễu xuất lớp chuyển đổi quang điện i 2shot = 2.e.I.B nhân đƣợc lên lớp nhân với hệ số nhân M e i êhot  ( hv ps  id ) M  x B LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT (4.29) 88 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG e N shot  i shot.RL  2.eI BRL  2e( Ps  id ).M  x B.RL hv (4.30) Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức Đây giá trị đƣợc sinh hiệu ứng thác Với x hệ số tạp âm mức Giá trị x phụ thuộc vào vật liệu chế tạo photodiode APD Đối với: photodiode Si = 0.3 photodiode InGAs x = 0.7 photodiode Ge x =1 Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: S  N Tỷ lệ lỗi bit: e ( M p s ) RL hv e 2e( p s  id ) M 2 x B.RL  K B.T hv BER  exp(  q (4.31) 2 ) q 2. (4.32) Với q = SN/2 Tỷ số BER nhỏ chất lƣợng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thƣờng BER = 10 9 hay < 10 12 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 89 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 4.7 Các giá trị thành phần Bảng 4.1 Thiết bị phát quang Tham số Giá trị Bƣớc sóng làm việc 1300 nm hay 1550 nm Dải sóng làm việc ± 50 nm Cơng suất LED: -32 đến 15 dBm LD: -12 đến dBm Thời gian lên LED: ns(max) LD: