Mục đích: Tìm hiểu về quỹ công suất quang áp dụng cho một liên kết sợi quang
trên bảng mạch. Bạn có thể kiểm nghiệm kết quả bằng các thiết bị đo.
Thuyết minh:
Mỗi bộ phát (Transmitter) cho ra một tổng công suất quang cụ thể đ−a vào liên kết sợi quang. Tín hiệu quang đ−ợc truyền đến bộ thu (Receiver) thông qua các sợi quang và các mối ghép. Suy hao có thể xảy ra tại các điểm khác nhau dọc theo đ−ờng truyền của liên kết quang đó.
Mối điểm ghép (nguồn quang-sợi quang, sợi quang-sợi quang, sợi quang-bộ tách quang) có thể là nguồn gốc của hàng loạt các kiểu suy hao công suất. Bản thân cơ cấu ghép gây ra suy hao công suất. Các suy hao phụ có thể là hậu quả của sự lệch khẩu độ số, lệch vùng ghép nếu nh− sử dụng các kiểu cáp khác nhau.
Các sợi quang cùng góp phần làm suy hao công suất. Mọi sợi quang đều có suy hao là hàm phụ thuộc vào độ dài và thành phần sợi quang đó.
Đối với các nguyên nhân đó, cần dùng thủ tục chung để tính quỹ công suất
quang OPB đối với hệ thống cho tr−ớc bất kỳ.
Tín hiệu khả dụng là tín hiệu mà nó đảm bảo tỷ số tín/tạp (S/N) sao cho tỷ lệ
lỗi bít BER tạo ra có thể chấp nhận đ−ợc.
Hình vẽ này cho thấy một ví dụ đơn giản về các suy hao công suất quang trải dọc theo tuyến liên kết thông tin quang.
Tại mỗi điểm ghép nối suy hao công suất là một hàm nhảy bậc. 1. Có thể kể ra những suy hao gì tại các điểm ghép nối?
a. Lệch khẩu độ số (NA mismatch). b. Lệch vùng (Area mismatch) c. Cơ cấu ghép (Connector mechanics) d. Tất cả các nguyên nhân trên. Đối với mỗi sợi quang, công suất nh− một đ−ờng dốc đi xuống, trong khi suy hao sợi quang là một hàm tăng theo chiều dài của sợi.
Trong tr−ờng hợp lý t−ởng, công suất phát tối thiểu, sau khi trừ đi các suy hao của các phần tử hệ thống, vẫn lớn hơn công suất tối thiểu mà bộ thu yêu cầu (Ng−ỡng thụ cảm bộ thu). Độ chênh lệch giữa hai mức này chính là Dự trữ
công suất quang (OPM- Optical Power Margin).
Thông th−ờng dự trữ đó khoảng từ 3 đến 6 dB đảm bảo công suất đủ lớn khả dụng tại đầu thu để tái tạo lại tín hiệu thực trong điều kiện xấu nhất.
Hình vẽ cũng chỉ ra các giá trị dB để biểu diễn ví dụ bằng các con số. Mức phát tối thiểu –10 dBm và ng−ỡng thụ cảm cực đại của bộ thu là -30dBm. Suy hao tại mỗi mối ghép là 1dB. Giả sử rằng cả hai sợi quang đều là sợi quang thủy tinh 62.5àm và có suy hao 3dB/Km, chiều dài mỗi sợi là 2Km, suy hao trên mỗi sợi sẽ là 6dB. Công suất thu đ−ợc tại đầu thu là:
(-10dBm) – 1dB – 6dB – 1dB – 6dB – 1dB = -25dBm
2. Với công suất thu tại đầu thu nh− trên và ng−ỡng cảm thụ của bộ thu (-30dBm). Hãy tính Dự trữ công suất quang của hệ thống này.
OPM = dB
3. Dự trữ công suất quang tính đ−ợc có ý nghĩa gì?
a. Hệ thống bị thâm hụt công suất quang.
Các b−ớc Thực hành: / Trong quy trình này bạn sẽ:
- Sử dụng tín hiệu 1MHz, dạng xung vuông cho liên kết quang số.
- Đo công suất ra của tín hiệu truyền qua cáp sợi quang thủy tinh 1m.
1. Tắt nguồn tấm đế tr−ớc khi chuyển các cầu nối trên khối POWER SUPPLY về vị trí DIGITAL. Sau khi đặt xong các cầu nối này, bật cấp nguồn trở lại cho tấm đế.
2. Dùng các cầu nối 3 vị trí để định hình chế độ số (DIGITAL) cho cả khối phát FIBER OPTIC TRANSMITTER và khối thu FIBER OPTIC RECEIVER.
3. Nối một đầu dây nối màu đen tới chân TP1-CLK trên khối RS-232 INTERFACE. Gắn một đầu cắm (hook-tip probe) vào đầu còn lại của dây nối đó và cắm đầu cắm đó vào jack DATA IN trên khối DIGITAL
TRANSMITTER.
4. Đ−a đầu đo CH1 của oscilloscope đến jack D-OUT trên khối DIGITAL
TRANSMITTER.
5. Đo tần số của tín hiệu D-OUT.
6. Nối đầu ra của bộ phát FOT với đầu vào bộ thu FOR dùng cáp sợi quang thủy tinh 1m kết cuối bằng các connector kiểu ST. Tránh để cáp bị cong, soắn mà chúng có thể gây ra các suy hao phụ.
Trong các b−ớc tiếp sau bạn sẽ bắt đầu xác định quỹ công suất quang bằng việc xác định ng−ỡng thụ cảm của bộ thu FOR trên bảng mạch.
Tham số Ký hiệu Min. Typ. Max. Unit
-43.7 -40.3 dBm
Công suất tạp âm quang đầu vào
t−ơng đ−ơng (rms) PN 0.042 0.094 àW Phần này của mảng dữ liệu bộ thu chỉ ra giá trị rms của công suất tạp âm quang đầu vào t−ơng đ−ơng PN. PN chỉ ra tổng tạp âm trên toàn băng thông thu. Nó dùng để biểu diễn biên độ của tạp âm nội t−ơng đ−ơng tạp âm quang đầu vào theo dBm thay cho cách biểu diễn cũ rms.
Nếu công suất quang đỉnh-đến-đỉnh (p-p) đầu vào thu đ−ợc bằng PN, thì tỷ số đỉnh-đến-rms S/N là 1. Tăng công suất quang sẽ làm tăng S/N.
Để đảm bảo tỷ lệ lỗi bít tốt hơn 10-9 thì công suất quang đỉnh-đến-đỉnh đầu vào cần ít nhất 12 lần lớn hơn công suất tạp âm rms t−ơng đ−ơng (PR>12PN).
Bạn có thể chuyển đổi quan hệ này theo đơn vị dB bằng cách sử dụng biểu thức sau:
10 lg(PR(àW)/PN(àW)) = 10 lg(12PN/PN) = 10 lg12 = 11dB Điều này có nghĩa là, công suất quang đầu vào cần ít nhất 11dB lớn hơn công suất quang t−ơng đ−ơng của tạp âm đầu vào để đạt BER khoảng10-9.
7. Trong tr−ờng hợp xấu nhất, công suất quang t−ơng đ−ơng của tạp âm đầu vào của bộ thu là -40.3dBm. Hãy tìm ng−ỡng thụ cảm của bộ thu
Ng−ỡng thụ cảm = tạp âm + 11dB = -40.3dBm + 11dB =-29.3dBm
8. Chuyển Ng−ỡng thụ cảm của bộ thu theo đơn vị àW Ng−ỡng thụ cảm = 10(dBm +3) = àW
Hình vẽ chỉ ra quan hệ của tạp âm thu và ng−ỡng thụ cảm của bộ thu, trên cơ sở đó tính toán quỹ công suất quang.
Các b−ớc tiếp theo xác định dự trữ công suất quang OPM bằng việc xác định công suất ra tối thiểu PRmin của bộ phát trên bảng mạch.
Phần này của dữ liệu bộ phát gắn liền với sợi quang thủy tinh 1m 62.5/125àm mà bạn đã dùng trong bảng mạch.
Các tham số điện/quang
Công suất ra đỉnh đo tại đầu ra cáp 1m
9. Đây là một phần dữ liệu bộ phát liên quan đến sợi quang thủy tinh 62.5/125àm mà bạn đã dùng trong bảng mạch. Công suất ra của bộ phát đ−ợc cho tại các dòng tải 60mA và 100mA. Công suất ra tối thiểu của bộ phát là bao nhiêu khi dòng tải 60mA?
a. –14dBm b. -16dBm c. –17.5dBm d. -19dBm 10. Tính công suất t−ơng đ−ơng –19dBm theo àW
11. Bộ phát trên bảng mạch hoạt động ở dòng cực tiểu 35mA. Để tìm công suất tối thiểu tại 35mA, hãy nhân công suất tối thiểu tính đ−ợc ở 60mA với thừa số 35/60.
Pmin(35mA) = Pmin(60mA) x 35/60=12.6 x 35/60=7,34àW 12. Tính công suất t−ơng đ−ơng Pmin(35mA) theo dBm
Pmin (35mA) = 10 lg(Pmin (35mA)/1mW) =110 lg(7.34/1000)= -21.3 dBm
Sử dụng ph−ơng pháp tính nh− trên, dựa vào Pmax(60mA) xác định đ−ợc công suất cực đại tại dòng 35mA Pmax(35mA) là 23.4àW hay –16.3dBm. Các mức công suất Pmin(35mA), Pmax(35mA) tìm đ−ợc theo cả hai đơn vị àW và dBm đ−ợc thêm vào bảng tham số bộ phát. L−u ý rằng, các mức công suất của bộ phát giả định
rằng bộ phát đ−ợc ghép với sợi quang thủy tinh 1m. Khi bạn nối cáp 1m, thì
điều đó có nghĩa rằng tất cả các suy hao nguồn quang-sợi quang, suy hao cáp
đã đ−ợc tính cho tới kết nối thu.
13. Bộ thu có một cổng quang đ−ờng kính 250àm. Sẽ không có suy hao lệch vùng LOSSUI tại đầu thu, bởi vì ánh sáng đi từ:
a. Một đ−ờng kính nhỏ sang đ−ờng kính lớn hơn.
b. Một đ−ờng kính lớn sang đ−ờng kính nhỏ hơn.
Khẩu độ số NA=0.35 đối với bộ thu và NA= 0.275 của sợi quang, vì thế suy hao do lệch khẩu độ số cũng không xảy ra vì ánh sáng đi từ sợi quang có NA thấp hơn sang bộ thu có NA cao hơn.
Suy hao công suất quang đối với mối ghép sợi quang-bộ tách quang bị giới hạn 1 dB dự trữ cho suy hao phụ do connector.
Bạn đã xác định rằng công suất phát cực tiểu là -21.3dBm, trừ 1dB do suy hao tại mối ghép sợi quang-bộ tách quang, còn lại -22.3dBm là công suất ra của bộ phát.
Suy hao khác cần đ−ợc xem xét đó là sự biến chất của nguồn quang theo thời gian. Thông th−ờng dự phòng cho lý do này là 3dB. Nh− thế còn lại -25.2dBm.
14. Tính l−ợng dự trữ công suất quang: OPM =
Một ứng dụng thực tế của các tính toán quỹ công suất hệ thống là việc xác định số sợi quang cực đại mà bạn có thể thêm vào tr−ớc khi quỹ công suất quang bị hụt quá ng−ỡng.
Nếu bạn thêm một sợi quang thủy tinh thứ hai và giữa đoạn cáp sợi quang thủy tinh 1m và bộ thu thì connector sẽ gây ra suy hao phụ là 1dB, vì thế suy
hao cực đại cho phép cáp sợi quang thêm vào có thể gây ra là 3dB (4-1)dB. 15. Nếu độ tiêu hao của sợi quang thủy tinh là 3dB/Km thì đoạn cáp thêm vào
có thể có độ dài cực đại là bao nhiêu, nếu suy hao cực đại cho phép cáp sợi quang thêm vào có thể gây ra chỉ là 3dB?
Lmax = Suy hao max/suy hao theo km = 3dB/(3dB/km) = 1Km
Bạn cũng có thể dùng ph−ơng pháp tính toán này để tính độ dài cực đại cho phép của các loại cáp và số connector cực đại của một liên kết quang từ các tham số cho tr−ớc của bộ phát và bộ thu.
Trong các b−ớc trên, bạn đã tính dự trữ công suất quang OPM cho tr−ờng hợp xấu nhất của công suất ra bộ phát và tr−ờng hợp xấu nhất của tạp âm trên đầu vào bộ thu.
Bạn có thể tính dự trữ OPM thực tế đối với hệ thống trên bảng mạch bằng cách đo sự bất ổn định đầu ra bộ thu (out swing) và áp dụng với tr−ờng hợp xấu nhất của điện áp tạp âm ra bộ thu.
Tham số hiệu Ký Min. Typ. Max Unit Điều kiện
0.30 0.36 TA= 25oC PR=0àW
điện áp tạp
âm ra rms VNO 0.43 mV
PR=0àW
Dữ liệu bộ thu trên đây cho thấy, điện áp tạp âm ra rms cực đại là 0.43mV. Để BER là 10-9 thì giá trị đỉnh cần ít nhất là 11dB cao hơn mức tạp âm hoặc 12 lần cao hơn điện áp tạp âm ra
Ng−ỡng cảm thụ (BER=10-9) = 12 x 0.43mV = 5.16 mV
Ng−ỡng cảm thụ đ−ợc biểu diễn theo mV và đ−ợc sử dụng trong tính toán dự trữ công suất thực tế.
Công suất phát Suy hao connector Pin (thu)
dBm dB dBm àW
Max -16.3 1 -17.3 18.6
Min -21.3 1 -22.3 5.9
Công suất đầu vào bộ thu đối với liên kết đ−ợc nối trên bảng mạch bằng công suất bộ phát trừ đi 1dB do suy hao connector . Giá trị của công suất đầu vào bộ thu theo àW đ−ợc ghi trong cột cuối.
Bạn có thể xác định biến động của đầu ra bộ thu bằng cách nhân công suất vào với độ nhạy.
16. Tính biên độ cực đại trên đầu ra bộ thu: Vo max = mV
Pin (Bộ thu) Công suất bộ phát Suy hao connector dBm àW Vo (Bộ thu), mV Max -16.3 dBm 1dB -17.3 18.6 228.8 Min -21.3 dBm 1dB -22.3 5.9 27.1
Sử dụng ph−ơng pháp trên, điện áp ra nhỏ nhất là khoảng 27.1mV, Các điện áp ra cực đại và cực tiểu của bộ thu đ−ợc đ−a vào cột cuối cùng.
17. Chuyển đầu đo CH1 của oscilloscope đến đầu ra bộ thu, jack d-iN.
18. Đo điện áp ra bộ thu:
Vo = mVp-p
19. Giá trị đo đ−ợc 130 mV có nằm trong khoảng min-max đã định không?
a. Có b. Không
L−u ý, các giá trị chuẩn cho để định h−ớng bạn tại mụcnày và các mục
tiếp theo. Tuy nhiên, các tính toán phải dựa vào các giá trị thực đo đ−ợc trong quá trình thực hiện các b−ớc.
Bạn có thể xác định dự trữ công suất quang nhỏ nhất sử dụng tỉ số điện áp đầu ra thu và ng−ỡng thụ cảm tín hiệu theo mV.
20. Tính dự trữ công suất quang nhỏ nhất:
OPMmin= 10 lg(Vo(min)/Sensitivity)= dB = 10 lg(27.1mV/5.16mV)=7.2dB Tính đến độ biến chất của Led thì OPMmin = 4.2dBm
21. Dự trữ công suất quang trên cơ sở đo điện áp ra là bao nhiêu? OPMđo= dB
22. Bạn có kết luận gì từ Dự trữ công suất quang thực tế? a. Hệ thống trong tình trạngcó dự trữ
b. Hệ thống trong tình trạng thâm hụt công suất.
Trong phần tiếp sau, bạn sẽ nối thêm một đoạn sợi quang vào giữa sợi quang thủy tinh và bộ thu. Bạn sẽ sử dụng các tính toán cho sợi quang 1m để so sánh.
Trong phần này bạn sẽ đo tín hiệu ra bộ thu trong liên kết quang mà nó sử dụng cáp sợi quang thủy tinh 1m nối với cáp sợi quang thủy tinh 5m. Bạn sẽ tìm hiểu về ảnh h−ởng suy hao connector và các suy hao cáp trên quỹ công suất quang hệ thống.
23. Tháo connector ST đầu sợi quang khỏi bộ thu. Dùng một ống ghép, nối thêm một cáp sợi quang thủy tinh 5m vào giữa cáp thủy tinh 1m và bộ thu nh− trên hình vẽ. Hãy đảm bảo để không tạo thành các đoạn cong hoặc soắn cáp, tránh gây suy hao uốn cong quá giới hạn.
24. Đo điện áp ra bộ thu:
Vo = mVp-p
Cáp Điện áp ra bộ thu Vo 1m sợi quang thủy tinh Vo 1m.G= mV 1m + 5m sợi quang thủy tinh Vo 1m.G+5m.G= mV
25. Tính sự khác nhau về công suất giữa 2 cấu hình cáp bằng cách dùng tỉ số công suất giữa hai điện áp thu đầu ra:
dP(dB) = 10 lg(Vo 1m.G/ Vo 1m.G+5m.G) = dB Suy hao connector = 1dB, Suy hao sợi = 3dB/Km
26. Suy hao công suất mà bạn tìm đ−ợc là do 5m cáp và mối ghép quang thêm vào. Thành phần nào gây suy hao công suất lớn hơn?
a. Connector b. Sợi quang
Dự trữ công suất quang mà bạn đã tìm đ−ợc là hiệu của công suất bộ phát trừ bỏ suy hao connector, suy hao do 1m sợi quang thủy tinh và sự mất phẩm chất của Led.
Khi thêm vào đoạn cáp thứ hai và connector, thì suy hao tổng của chúng không thể v−ợt quá Dự trữ công suất quang OPM. Giả sử mối ghép (connector) đ−ợc coi nh− một suy hao 1dB, thì phần suy hao còn lại đ−ợc quy cho cáp (suy hao do sợi).
27. Nếu cáp sợi quang thủy tinh có độ suy hao 3dB/Km, độ dài cáp sẽ là bao nhiêu để suy hao tổng là 10.0dB?
Lmax = (10dB – 1dB)/(3dB/Km) = Km
Phần tiếp sau, bạn sẽ đo đầu ra bộ thu của một liên kết quang mà trong đó sợi quang thủy tinh 1m đ−ợc nối với một sợi quang chất dẻo. Bạn sẽ đ−ợc thấy ảnh h−ởng suy hao connector và suy hao cáp trong quỹ công suất quang.
28. Tháo bỏ đoạn cáp thủy tinh 5m. Nối thay vào đó là một đoạn cáp sợi quang chất dẻo (sợi quang nhựa) 1m. Hãy đảm bảo để không tạo thành các đoạn cong hoặc soắn cáp, tránh gây suy hao uốn cong quá giới hạn.
29. Đo điện áp ra bộ thu:
Vo = mVp-p
Chú ý: Nếu bạn gặp khó khăn khi đo tín hiệu này, h∙y giả định một giá trị tín hiệu khoảng 5mVp-p
Cáp Điện áp ra bộ thu Vo
1m sợi quang thủy tinh Vo 1m.G= mV 1m sợi thủy tinh + 5m sợi thủy tinh Vo 1m.G+5m.G= mV
1m sợi thủy tinh + 1m sợi nhựa Vo 1m.G+1m.P= mV
30. Tính sự khác nhau về công suất giữa 2 cấu hình cáp bằng các dùng tỉ số công suất giữa hai điện áp thu đầu ra:
dP(dB) = 10 lg(Vo 1m.G/ Vo 1m.G+1m.P) = dB
Cáp Điện áp ra bộ thu Vo dP(dB)
1m sợi quang thủy tinh Vo 1m.G= mV -- 1m sợi thủy tinh + 5m sợi thủy tinh Vo 1m.G+5m.G= mV
1m sợi thủy tinh + 1m sợi nhựa Vo 1m.G+1m.P= mV
Ghi các giá trị điện áp ra bộ thu. Xác định các chênh lệch công suất của