Tìm hiểu hệ thống thông tin quang và bài toán thiết kế tuyến quang

Tr-ờng đại học vinh Khoa điện tử - viễn thông Đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: tìm hiểu hệ thống thông tin quang toán thiết kế tuyến quang Giảng viên h-ớng dẫn : ThS Phạm mạnh toàn Sinh viên thực : lê viết quang Lớp : 47K - ĐTVT Vinh, tháng 5/2011 MC LC Trang LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN Abstract THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG 17 1.1 Giới thiệu chương 17 1.2 Khái quát 17 1.2.1 Mơ hình hệ thống thông tin quang 17 1.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin quang 19 1.2.3 Ưu điểm hệ thống thông tin quang 20 1.3 Sự phát triển kỹ thuật thông tin quang 21 1.4 Phân loại phần tử quang điện thông tin quang 25 1.5 Kết luận chương 27 Chương CÁC THIẾT BỊ QUANG 22 2.1 Giới thiệu chương 22 2.2 Sợi quang 22 2.2.1 Đặc tính ánh sáng 23 2.2.2 Đặc tính học sợi dẫn quang 24 2.2.3 Các biện pháp bảo vệ sợi 25 2.3 Cáp sợi quang 26 2.4 Suy giảm tín hiệu sợi quang 27 2.4.1 Suy hao tín hiệu 27 2.4.2 Hấp thụ tín hiệu sợi dẫn quang 27 2.4.3 Suy hao tán xạ 29 2.4.4 Suy hao uốn cong sợi 29 2.5 Tán sắc ánh sáng độ rộng băng truyền dẫn 31 2.5.1 Trễ nhóm 32 2.5.2 Tán sắc vật liệu 33 2.5.3 Tán sắc dẫn sóng 34 2.5.4 Ảnh hưởng tán sắc đến dung lượng truyền dẫn 35 2.6 Thiết bị phát quang 36 2.6.1 Cơ chế phát xạ ánh sáng 36 2.6.2 Điode LED 37 2.6.3 Điốt Laser 38 2.6.4 Nhiễu nguồn phát Laser 38 2.7 Thiết bị thu quang 39 2.7.1 Cơ chế thu quang 39 2.7.2 Photođiốt PIN 40 2.7.3 Photođiốt thác 41 2.7.4 Tham số thiết bị thu quang 42 2.7.5 Bộ thu quang truyền dẫn tín hiệu số 43 2.8 Kết luận chương 45 Chương KỸ THUẬT GHÉP KÊNH QUANG PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 46 3.1 Giới thiệu chương 46 3.2 Nguyên lý ghép kênh OTDM 46 3.3 Phát tín hiệu hệ thống OTDM 47 3.4 Giải ghép xen rẽ kênh hệ thống OTDM 49 3.4.1 Giải ghép 49 3.4.2 Xen rẽ kênh 52 3.5 Đồng quang hệ thống OTDM 53 3.6 Đặc tính truyền dẫn OTDM 54 3.7 Kết luận chương 55 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 57 4.1 Giới thiệu chương 57 4.2 Các khái niệm 57 4.3 Quỹ công suất 59 4.4 Quỹ thời gian lên 60 4.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang 62 4.5.1 Nhiễu lượng tử 62 4.5.2 Nhiễu nhiệt 63 4.6 Tỷ lệ tín hiệu nhiễu 63 4.6.1 Đối với photodiode PIN 63 4.6.2 Đối với photodiode APD 64 4.7 Các giá trị thành phần 65 4.8 Bài tốn tính tốn thiết kế theo quỹ công suất thời gian lên 67 4.8.1 Chọn bước sóng làm việc tuyến 67 4.8.2 Chọn loại sợi quang 67 4.8.3 Thiết bị thu quang 68 4.9 Tính tốn tổn hao đường truyền 69 4.10 Độ nhạy máy thu trường hợp sử dụng PIN 69 4.11 Độ nhạy máy thu trường hợp sử dụng APD 70 4.12 Tính tốn thời gian lên 71 4.13 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 DANH MỤC BẢNG, HÌNH Trang Bảng 1.1 Các giai đoạn phát triển công nghệ thông tin quang sợi 24 Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng tin với thành phần 18 Hình 1.2 Quá trình phát triển thơng tin sợi quang 24 Hình 1.3 Các thành phần tuyến thông tin quang 26 Hình 2.1 Mơ tả tượng phản xạ khúc xạ ánh sáng 24 Hình 2.2 Ví dụ số bọc chặt khác 25 Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể sợi 26 Hình 2.4 Đặc tính suy hao theo bước sóng sợi dẫn quang quy chế suy hao 28 Hình 2.5 Sự phân bố trường điện vài mode bậc thấp sợi dẫn quang 30 Hình 2.6 Trường mode đoạn sợi bi uốn cong 31 Hình 2.7 Vỏ chịu nén giảm vi uốn cong lực bên 31 Hình 2.8 Chỉ số chiết suất thay đổi theo bước sóng 34 Hình 2.9 Tán sắc vật liệu hàm số bước sóng quang sợi quang 34 Hình 2.10 Mức lượng trình chuyển dịch 36 Hình 2.11 Sơ đồ vùng lượng Photođiốt PIN 41 Hình 2.12 Cấu trúc Photođiốt thác trường điện vùng trơi 42 Hình 2.13 Sơ đồ khối thu quang điển hình truyền dẫn số 44 Hình 3.1 Sơ đồ tuyến thơng tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép kênh quang 47 Hình 3.2 Sơ đố sử dụng hai phương pháp phía phát xử lý NRZ cho OTDM 48 Hình 3.3 Nguyên lý giải ghép thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang 51 Hình 3.4 Sơ đồ đồng lựa chọn kênh quang gương vòng phi tuyến để rẽ xen kênh với coupler 3dB 52 Hình 3.5 Cấu hình PLL quang để trích lấy clock 53 Hình 4.1 Tuyến quang 57 Hình 4.2 Đáp ứng xung lọc thông thấp 60 Hình 4.3 Tỷ số bit BER 68 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, có tiến vượt bậc cơng nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ thông tin quang, với gia tăng nhu cầu sử dụng mạng viễn thơng loại hình dịch vụ ngày đa dạng tạo điều kiện triển khai mạng cáp quang ứng dụng công nghệ thông tin quang Kỹ thuật thông tin quang phát triển tạo tiền đề cho phát tiển hệ thống chuyển mạch, mạch tích hợp, khuếch đại quang, linh kiện phát, thu làm việc hệ thống truyền dẫn quang Do có nhiều ưu điểm nên xu hướng tương lai chuyển hoàn toàn mạng thông tin sang mạng thông tin quang Vì thần tử mạng thơng tin có khả truyền dẫn dải rộng, tin cậy vượt cự ly lớn, đáp ứng nhu cầu mạng thơng tin tương lai Chính lẽ mà thông tin quang phát triển giới nói chung Việt Nam nói riêng Mặt khác với điều kiện địa lý mà thông tin quang phù hợp với Việt Nam Nội dung đồ án đề cập vấn đề sau: - Trình bày nguyên lý làm việc hệ thống thông tin quang - Tìm hiểu thiết bị quang - Nghiên cứu nguyên lý ghép kênh theo thời gian OTDM - Ứng dụng cho toán thiết kế tuyến quang Em gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS Phạm Mạnh Tồn hướng dẫn tận tình, giúp đỡ em hồn thành đồ án tốt nghiệp Đồng thời em gửi lời cảm ơn đến thầy giáo, cô giáo khoa Điện tử Viễn thơng ln dìu dắt em thời gian học tập vừa qua Vì thời gian tìm hiểu đề tài không dài, vấn đề thông tin quang lại sâu rộng, trình độ cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong góp ý kiến thầy, giáo bạn quan tâm tới đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng năm 2011 Sinh viên thực Lê Viết Quang TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án gồm chương: Chương trình bày khái niệm thành phần hệ thống thông tin với môi trường truyền dẫn sợi quang (gọi tắt hệ thống thơng tin quang) Chương trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động, ưu điểm, nhược điểm phân loại hệ thống thông tin quang dựa vào tiêu chí khác Chương trình bày thiết bị quang bao gồm: sợi quang, cáp sợi quang, thiết bị phát quang, thiết bị thu quang Chương sâu tìm hiểu ngun lí, ưu nhược điểm phương pháp ghép kênh quang theo thời gian Chương đặt tính tốn giải tốn thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất thời gian lên Abstract The contents of thesis include four chapters: Chapter was presented the concepts and the basic components of information systems using transmit medium is optical fiber (called optical information systems) This chapter was presented detailed principles, advantages, disadvantages and classification system based on optical information of different criteria Chapter was presented the optical devices including optical fiber, optical fiber cable, optical transmitters, optical recording equipment Chapter has gone deeper understanding principles, advantages and disadvantages of optical multiplexing methods over time Chapter sets and calculations to solve optic cables according to design capacity and funds on time THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép kênh xen/rẽ AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh khuyếch đại AMI Alternate-Optical Network Đảo dấu luân phiên AON All-Optical Network Mạng toàn quang AOTF Acoustic Optical Tunable Filter Bộ lọc tích hợp âm thoa quang có điều chỉnh APC Automatic Power Control Tự động điều khiển công suất APD Avalanche Photodiode Diode tách sóng thác APS Automatic Protection Chuyển mạch bảo vệ tự Swwitching động AR Antireflection Coating Vỏ chống phản xạ ASE Amplified Spontaneous Bức xạ tự phát Emission khuyếch đại ASK Amplitude Shift Keying Khoá dich biên độ ATM Ansychronous Transfer Mode Phương thức chuyển giao không đồng BA Booster Amplifier Bộ khuyếch đại công suất BER Bit Error Rate Tỷ lệ lõi bit BGP Border Gateway Protocol Giao thức cỏng biên BH Buried Heterostructure Cấu trúc dị thể chon B-ISDN Broadband Integrated Service Mạng số liên kết dịch vụ Digital Network băng rộng Band Pass Filter Bọ lọc băng thông BPF 10  Pd  10 logPs hs      cap .L  n. c  m. s   d   device  (4.4) Khi công suất quang tới nằm khoảng [MDP đến (MDP+Over)] với Over hệ số tải máy thu Lúc tỷ số lỗi bit BER nhỏ mong muốn không bị tải máy thu 4.4 Quỹ thời gian lên Trong hệ thống thơng tin quang, tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua môi trường truyền dẫn sợi quang Trong q trình đó, độ rộng xung tín hiệu bị giãn Do đó, ta xem tín hiệu qua hệ thống qua lọc thơng thấp Khi đó, thời gian lên hệ thống định nghĩa khoảng thời gian t cho biên độ tín hiệu xung tăng từ 10% đến 90% biên độ cực đại Ta tính thời gian lên tín hiệu xung vng qua mạch lọc thơng thấp RC: Hình 4.2 Đáp ứng xung lọc thơng thấp Tín hiệu vào xung vng nên có dạng: Vin  V0 1t   Vin  p   Hàm truyền: H  p   1  p với   RC  Vout  p   H  p .Vin  p    V0 V0 p1  p      Vout t   V0  exp  t 60 p (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) t1 :  0,1V0  V0 1  exp   t1        exp   t1   0,9    t : (4.9)  t 0,9V0  V0 1  exp        (4.9)  exp   t   0,1    Từ (5.9) (5.10) ta có: Từ (5.6) ta có: (4.10) t  t1  ln 9.  t  ln 9RC  2,2 RC H f   (4.11) 1  jfRC (4.12) 2RC (4.13) Do băng thông mạch: B Từ (5.11) (5.13) ta được: t 2,2 0,35  2B B (4.14) Băng thông tối thiểu lọc phải băng thông tín hiệu ta thu tín hiệu, điều tương ứng với thời gian lên tối đa: t max  0,35 Brx Với tín hiệu loại NRZ: t rxmax   0,7 Với loại tín hiệu RZ: t max  0,35 R (4.15) R (4.16) (4.17) thời gian lên tuyến: tt  N t i 1 i (4.18) - Thời gian lên thiết bị thu Gọi B băng tần điện 3dB tính MHz thời gian lên thiết bị thu tính 61 t n  350 (4.19) B - Thời gian lên tán sắc mode sợi quang q t mod e  440 L B0 [ns] (4.20) 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. (4.21) Trong D: Hệ số tán sắc  : Độ rộng nguồn phát (5.17) viết lại: t t  t  D.L.  tx 440 Lq  350      B0  Brx  (4.22) 4.5 Nhiễu hệ thống thông tin quang Nhĩễu khái niệm để mơ tả thành phần tín hiệu điện khơng mong muốn có chiều hướng 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 lượng tử nhiễu nhiệt 4.5.1 Nhiễu lượng tử Nhiễu lượng tử photodiode sinh số lượng hạt tải điện qua khe lượng hay vượt qua hàng rao có tính ngẫu nhiên theo thời gian gây Dịng 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 lượng tử phụ thuộc vào tham số: ishot  2.e.i.B Trong đó: B độ rộng băng thu 62 (4.23) I dịng trung bình đến tách sóng Giá trị dịng nhiễu lượng tử ishot  2.e.i.B , từ biểu thức ta thấy dòng nhiễu lượng 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 hướng chi phối trình khuyếch đại sử dụng photodiode PIN với tỷ số tín hiệu nhiểu thấp, đạt hệ số khuyếch đại tối ưu thiết kế cân nhiễu nhiệt nhiễu lương tử không phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại Cơng thức tính tốn nhiễu nhiệt: i  KTB RL (4.24) 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 sau: is  e hv (4.25) ps Với:  hiệu suất lượng tử h số plank, h =6,626.10-34 Js Mặt khác ta có cơng suất tải: S = i2.RL S=( e ps )2 RL hv (4.26) -Cơng suất nhiễu lượng tử với dịng bao gồm dòng tối: e N shot  i shot RL  2.eI BRL  2e( 63 hv Ps  id ).B.RL (4.27) - Dòng nhiễu nhiệt: inh  KTB : unh  4KTB.RL RL Công suất nhiễu nhiệt: N nh  KTB RL  KTB RL (4.28) Từ ta có tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode PIN: e ps )2 RL S hv  N 2e( e p  i ) B.R  K B.T s d L hv ( (4.29) 4.6.2 Đối với photodiode APD Như 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 lên lớp nhân với hệ số nhân M e i 2êhot  ( hv ps  id ) M 2 x B e N shot  i shot RL  2.eI BRL  2e( hv Ps  id ).M 2 x B.RL (4.30) (4.31) Trong biểu thức trị số Mx gọi nhiễu mức Đây giá trị 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 = Do tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu sử dụng photodiode APD là: e M ps ) RL S hv  N 2e( e p  i ) M 2 x B.R  K B.T s d L hv ( 64 (4.32) Tỷ lệ lỗi bit: BER  exp(  q 2 ) (4.33) q 2. Với q = SN/2 Tỷ số BER nhỏ chất lượng hệ thống cao điều tùy thuộc vào hệ thống Thường BER = 10 9 hay < 10 12 4.7 Các giá trị thành phần Thiết bị phát quang: [7] Tham số Giá trị Bước sóng làm việc 1300nm hay 1550nm Dải sóng làm việc  50nm Cơng suất LED: -32 đến 15dBm LD: -12 đến 7dBm Thời gian lên LED: 3ns(max) LD: