Hai khả năng ứng dụng cỏch tử quang cho bộ chuyển đổi bước súng là : Khả năng điều chế độ lợi chộo (cross-gain converter- XGC) và điều chế pha chộo (cross phase converter - XPC).
XGC sử dụng độ lợi của cỏc bộ khuếch đại bỏn dẫn SOA theo cụng suất đầu vào. Tớn hiệu dũ cụng suất thấp với bước súng mong muốn được gửi tới bộ SOA. Vỡ tớn hiệu dũ cú độ lợi thấp hơn so với tớn hiệu đầu vào nờn nú sẽ đạt được độ lợi cao khi tớn hiệu đầu vào cú trạng thỏi 1 (độ lợi thấp). Ngược lại tớn hiệu dũ sẽ cú độ lợi thấp khi tớn hiệu đầu vào cú trạng thỏi 0 (độ lợi cao). Hỡnh 3.40 chỉ ra nguyờn lý của XGC.
c λs λ c λ SOA Lọc Hình 3.40 Nguyên lý của XGC
XPC sử dụng pha của tớn hiệu dũ để thay đổi cơ ban tớn hiệu vào. Sau đú chuyển sang điều chế mật độ bằng việc sử dụng giao thoa kế. Phương phỏp này cú ưu điểm hơn XGC vỡ nú chỉ cần cung cấp cụng suất thấp. Thờm vào đú, nú khụng bị ảnh hưởng nhiều nếu mộo xung.
3.5.3 Bộ chuyển đổi bước súng dựng bộ trộn súng
í tưởng của bộ này là tạo một tớn hiệu mong muốn bằng việc sử dụng cỏc tớn hiệu dũ với cỏc bước súng mà khi đi cựng với tớn hiệu vào cú thể định dạng được tớn hiệu ở đầu ra với bước súng mong muốn.
Ưu điểm của bộ trộn súng là giữ được tớnh trong suốt của tớn hiệu. Tuy nhiờn nú lại tạo thờm tớn hiệu ở đầu ra, do đú muốn thu được tớn hiệu mong muốn thỡ phải lọc.
CHƯƠNG 4
4.1 KHÁI QUÁT
Trỡnh tự thiết kế tuyến
- Chọn tuyến - Chọn cỏp quang
- Tớnh toỏn chiều dài cực đại cho phộp của thiết bị - Kiểm tra suy hao
Mạng viễn thụng cụng cộng thường được chia làm 3 phần:
• Mạng đường trục (Trunk network)
• Mạng trung kế (Junction network)
• Mạng thuờ bao (Subscriber network)
Sợi quang hiện nay được sử dụng trong mạng đường trục và trung kế. Trong tương lai tiến tới sử dụng sợi quang trong mạng thuờ bao, nghĩa là tới tận người sử dụng.
Ngoài ra sợi quang cũn được dựng trong cỏc mạng khỏc như:
• Mạng riờng của cỏc cụng ty đường sắt, điện lực, …
• Mạng truyền số liệu, mạng LAN.
• Mạng truyền hỡnh.
Kỹ thuật thụng tin quang đó và đang phỏt triển với tốc độ rất nhanh. Cho đến nay đó cú nhiều thế hệ hệ thống quang được sử dụng. Chỳng khỏc nhau về loại sợi quang, bước súng hoạt động, loại linh kiện thu phỏt quang. Khi thiết kế một hệ thống thụng tin quang người ta cố gắng chọn cỏc phần tử trong cựng một thế hệ để giảm chi phớ cho việc đầu tư về thiết bị đo, phương tiện lắp đặt, thiết bị và cỏp dự trữ, huấn luyện người sử dụng… Khi cần chọn lựa cỏc phần tử trong cựng một hệ thống thụng tin quang cần cõn nhắc giữa yờu cầu truyền dẫn của hệ thống và đặc tớnh của cỏc phần tử. Cơ sở của việc chọn lựa được túm tắt như sau:
Sợi quang: sợi đơn mode (SM) cú khả năng truyền dẫn tốt hơn sợi đa mode (MM) cả về độ suy hao lẫn dải thụng. Ngày nay sự chờnh lệch về giỏ thành giữa sợi đơn mode và sợi đa mode khụng đỏng kể. Việc hàn nối, đo thử sợi đơn mode cũng khụng cũn là vấn đề khú khăn nờn sợi quang đơn mode đang được dựng rộng rói. Chỉ những tuyến cự ly gần và dung lượng thấp người ta mới nghĩ đến việc dựng sợi đa mode.
Bước súng: giỏ thành của cỏc phần tử hoạt động ở bước súng 850nm là thấp nhất. Nhưng độ suy hao của sợi quang ở bước súng này quỏ cao và cỏc photo điụt sử dụng cho bước súng 850nm thường chế tạo bằng silicon khụng thể thu được ở bước súng dài (1300nm và 1550nm).
Bước súng 1300nm đang được sử dụng phổ biến vỡ ở đú độ tỏn sắc của sợi là thấp nhất. Khi cần cự ly tiếp vận dài người ta chọn bước súng 1550nm do độ suy hao ở bước súng này thấp nhất. Đặc biệt nếu dựng sợi đơn mode dịch tỏn sắc (SMDS) thỡ độ tỏn sắc ở bước súng 1550nm cũng rất nhỏ.
Linh kiện phỏt quang: cú hai khả năng để chọn lựa là LED và laze, LED hoạt động ổn định hơn và giỏ thành rẻ hơn nờn được chọn dựng cho những hệ thống mà sự hạn chế về cụng suất phỏt và bề rộng phổ của nú khụng ảnh hưởng đến hệ thống. Laze được chọn dựng trong những tuyến cú cự ly dài và tốc độ truyền dẫn cao. Laze cũng cú nhiều loại với những đặc tớnh khỏc nhau và dĩ nhiờn giỏ thành cũng khỏc nhau. Linh kiện thu quang: cú thể chọn PIN và APD. PIN hoạt động ổn định hơn nhưng bị hạn chế về độ nhạy và tốc độ làm việc. Ngày nay người ta thường chọn APD hoặc PIN kết hợp với FET.
Cỏc hệ thống truyền dẫn số ở Việt nam xõy dựng theo hệ thống ghộp kờnh của Chõu Âu. Một kờnh thoại tiờu chuẩn cú phổ giới hạn từ 0.3 đến 3.4kHz được chuyển sang dạng số cú tốc độ 64kbit/s.
4.2. THIẾT KẾ MỘT TUYẾN THễNG TIN QUANG
Sơ đồ tuyến thụng tin quang đơn giản
Một tuyến truyền dẫn quang cú thể hiểu đơn giản là một đường truyền quang giữa hai điểm, gồm một bộ phỏt, một cỏp quang và một bộ thu. Bộ phỏt biến đổi cỏc tớn hiệu điện thành ỏnh sỏng. Ánh sỏng được đưa vào cỏp quang để truyền tới bộ thu. Bộ thu lại biến đổi tớn hiệu ỏnh sỏng ngược lại thành tớn hiệu điện. Lượng ỏnh sỏng được đưa vào cỏp quang được hiểu là cụng suất ghộp nối của bộ thu. Với cỏc cỏp quang cú kớch thước khỏc nhau, lượng ỏnh sỏng đưa vào cũng khỏc nhau. Cỏp càng lớn thỡ ỏnh sỏng đưa vào càng được nhiều. Cỏp cú hai loại chuẩn, đơn mốt (thường dựng trong đường truyền dài, hay viễn thụng) và đa mốt (dựng trong thụng tin cự ly gần dưới 4.8 km). Bộ thu nhận tớn hiệu ỏnh sỏng từ cỏp quang tới và biến đổi thành tớn hiệu điện tiờu chuẩn. Sự chờnh lệch lượng ỏnh sỏng đưa vào cỏp quang và lượng ỏnh sỏng cần cho bộ thu được gọi là quĩ cụng suất tuyến.
Việc tớnh toỏn một tuyến truyền dẫn quang cú thể được tiến hành theo nhiều hướng khỏc nhau tựy theo yờu cầu đặt ra, chẳng hạn:
Tớnh cự ly tối đa của đoạn tiếp vận khi biết tốc độ bit cần truyền dẫn và
đặc tớnh của cỏc phần tử trong tuyến.
Tớnh giới hạn đặc tớnh của cỏc phần tử khi biết tốc độ và cự ly cần
Hướng thứ nhất được thực hiện khi cần xỏc định vị trớ và số lượng cỏc trạm tiếp vận trờn cỏc tuyến dài. Hướng thứ hai dựng để chọn loại sợi quang, thiết bị thu phỏt quang khi đó biết cự ly thụng tin.
Cự ly tối đa của đoạn tiếp vận phải được lưu ý cả về quỹ cụng suất lẫn dải thụng vỡ chỉ cần một trong hai bị giới hạn thỡ thụng tin giữa hai trạm cũng khụng thực hiện được. Nếu quỹ cụng suất bị giới hạn thỡ cụng suất của tớn hiệu quang đến đầu thu dưới mức ngưỡng của mỏy thu. Cũn nếu dải thụng bị giới hạn (do tỏn sắc cao) thỡ tớn hiệu quang đến đầu thu bị mộo dạng, cỏc xung bị nới rộng quỏ mức giới hạn nờn khụng cũn nhận biết được xung “1” hoặc xung “0”.
Thụng thường người ta tớnh cự ly tối đa giới hạn bởi quỹ cụng suất rồi nghiệm lại xem dải thụng ở cự ly đú cú đủ rộng cho tớn hiệu cần truyền khụng. Nếu dải thụng của đoạn tớnh được rộng hơn dải thụng của tớn hiệu cần truyền thỡ cự ly giới hạn bởi quỹ cụng suất được chọn. Ngược lại phải giảm cự ly để dải thụng của tuyến đủ rộng cho tớn hiệu cần truyền.
4.2.1. Bước 1: Tớnh cự ly giới hạn bởi cụng suất
Cỏc thụng số cần biết:
• Cụng suất phỏt của nguồn quang:
Cụng suất bộ phỏt phải được định nghĩa là cụng suất ỏnh sỏng đưa vào một cỏp quang cho trước. Khi vựng tớch cực của cỏp quang giảm, lượng cụng suất đưa vào cũng giảm. Ngoài kớch thước của cỏp quang, cũn một thụng số quan trọng nữa của cỏp quang là gúc nhận ỏnh sỏng, thường được định nghĩa là NA (khẩu độ số) của cỏp. NA là hàm sin của gúc nhận ỏnh sỏng của cỏp quang. NA giảm khi vựng tớch cực giảm, do đú làm giảm gúc nhận ỏnh sỏng.
Nếu sợi cỏp càng nhỏ và gúc nhận sỏng càng nhỏ thỡ lượng ỏnh sỏng đi vào cỏp quang để truyền đi tới đầu kia của tuyến cũng nhỏ. Bảng 1 cho ta kết quả lý thuyết cỏc tỉ số khi sử dụng cỏc cỏp với đường kớnh khỏc nhau.
Bảng 1: Bảng hệ số ghộp ỏnh sỏng từ một LED vào cỏc cỏp quang cú đường kớnh khỏc nhau (tỉ số/ dBm)
Cụng suất này phụ thuộc:
+ Loại nguồn quang: LED, laser.
+ Tốc độ bit hoạt động
+ Đường kớnh lừi sợi quang (liờn quan đến hệ số ghộp ỏnh sỏng)
• Độ nhạy của mỏy thu quang:
Thường tớnh ở mức lỗi BER = 10-9, độ nhạy của bộ thu quang biểu diễn theo đơn vị
dBm (tương đương với 1mW) và mW giống như cụng suất của bộ phỏt. Trong hầu hết cỏc trường hợp, bộ thu được thiết kế với một độ nhạy nhất định và khụng dễ thay đổi được.Khi thiết kế bộ thu quang, người ta tớnh đến tốc độ và độ nhạy. Thời gian đỏp ứng của bộ thu càng nhanh thỡ độ nhạy càng kộm. Độ nhạy phụ thuộc:
+ Loại linh kiện thu quang
+ Bước súng hoạt động
• Cỏc yếu tố suy hao:
+ Suy hao trung bỡnh của sợi quang: phụ thuộc loại sợi và bước
súng hoạt động. Thụng số này tớnh được bằng cỏch nhõn chỉ số suy hao dB.km-1 của sợi quang với chiều dài sợi. Người ta thường gọi cỏc suy hao xảy ra trong khoảng 100m đầu sợi quang nối với LED là suy hao tức thời. Với cỏc đoạn sợi quang ngắn hơn thỡ suy hao trờn mỗi kilụmet lớn hơn thụng số mà nhà sản xuất đưa ra.
+ Suy hao của cỏc mối hàn (splice) và của cỏc khớp nối (connector):
phụ thuộc loại và số lượng khớp nối được dựng. Tối thiểu phải cú 2 khớp nối cho hai đầu sợi. Suy hao trung bỡnh của mỗi khớp nối là 0.5 dB. Cỏc suy hao này cú thể tớnh được dễ dàng bằng cỏch nhõn giỏ trị suy hao đo được hoặc thụng số do nhà sản xuất cung cấp với số lần xuất hiện cỏc linh kiện này trờn tuyến. Với số lượng linh kiện nhỏ, sử dụng chỉ số suy hao cao nhất cho mỗi linh kiện. Với số lượng linh kiện lớn, sử dụng chỉ số suy hao trung bỡnh cho mỗi linh kiện.
+ Suy hao của cỏp nội đài: cú thể bỏ qua nếu chiều dài của cỏp
trong đài ngắn.
• Suy hao dự phũng:
+ Dự phũng cho cỏp: suy hao của cỏp cú thể tăng lờn theo thời gian
sử dụng do nhiệt độ thay đổi, sự tấn cụng của độ ẩm, sự xuất hiện cỏc mối hàn phụ khi sửa chữa. Thụng thường nờn đặt suy hao dự phũng cho cỏp khoảng 0.2 đến 0.3 dB/km.
+ Dự phũng cho thiết bị: Cụng suất phỏt của nguồn quang giảm dần
theo thời gian sử dụng. Độ nhạy của mỏy thu cũng kộm dần. Cỏc mạch điện của thiết bị cũng cú thể bị lóo húa. Do đú cần đặt suy hao dự phũng cho thiết bị từ 3 đến 5dB. Đụi khi độ dự phũng đó được tớnh trong cụng suất phỏt và độ nhạy mỏy thu.
Sự phõn bố suy hao trờn tuyến được biểu diễn trờn hỡnh vẽ:
P (dBm) Cụng suất nguồn quang phúng vào sợi
Suy hao của khớp nối
Suy hao của mối hàn Suy hao của sợi
Suy hao của khớp nối Cụng suất thu Độ dự phũng T ổn g su y ha o (d B )
Hỡnh: Phõn bố suy hao trờn một tuyến thụng tin quang Cỏch tớnh:
Tớnh quỹ cụng suất tổng quỏt:
Gọi PS: cụng suất phụng của nguồn quang tại điểm S (dBm) PR: độ nhạy của mỏy thu tại điểm R (dBm)
Lm: suy hao dự phũng cho thiết bị (dB) Lc: suy hao của cỏc khớp nối (dB)
Quỹ cụng suất của tuyến là: Pb (dB) = PS – PR – Lm - Lc
Tớnh suy hao của cỏp:
Gọi α f: độ suy hao trung bỡnh của sợi quang (dB/km)
α S: suy hao trung bỡnh của mối hàn trờn mỗi km (dB/km) Cú thể lấy giỏ trị gần đỳng: (km) cáp cuộn dài chiều (dB) hàn mối mỗi binh trung hao suy = s α
α m: suy hao dự phũng cho cỏp (dB/km)
Suy hao trung bỡnh của cỏp là: α c (dB/km)= α f - α S - α m
Khoảng cỏch tối đa của đoạn tiếp vận:
(km) cáp của binh trung hao Suy (dB) suất công Quỹ (km) vận tiếp cách ng Khoả = m S f c m R s c b P P L L P km L α α α α − − − − − = = ) (
Bảng giỏ trị suy hao trung bỡnh
Cỏc giỏ trị suy hao trung bỡnh trờn tuyến thụng tin quang Bước súng và mốt Kớch thước sợi Suy hao trờn sợi (dB/km)
Suy hao tại mối hàn (dB/mối)
Suy hao tại khớp nối (dB/đầu nối) Băng thụng (MHz x km) 850nm / NM 62.5/125 3dB 0.1dB 1.0dB 160 1300nm / NM 62.5/125 1dB 0.1dB 1.0dB 500 850nm / NM 50/125 3dB 0.1dB 1.0dB 400 1300nm / NM 50/125 1dB 0.1dB 1.0dB 500 1310nm / SM 9/125 0.3dB 0.1dB 1.0dB vụ cựng 1550nm / SM 9/125 0.2dB 0.1dB 1.0dB vụ cựng
Cỏc thụng số cần biết:
• Tốc độ bit cần truyền: 8 – 34 – 140- 565 Mbit/s
• Loại mó đường dõy được sử dụng: khi dựng mó 1B2B thỡ
tốc độ bit tăng đụi, khi dựng mó 5B6B thỡ tốc độ bit tăng 6/5 lần.
• Độ tỏn sắc mode (nếu dựng sợi đa mode). Thụng thường
độ tỏn sắc mode được cho dưới dạng dải thụng giới hạn bởi tỏc sắc mode, đơn vị GHz/km.
• Độ tỏn sỏc sắc thể: thường chỉ tớnh tỏn sắc chất liệu và bỏ
qua tỏn sắc dẫn súng.
• Độ rộng phổ của nguồn quang
Cỏch tớnh:
Dải thụng và độ tỏn sắc của tuyến tỷ lệ nghịch với nhau theo biểu thức:
t
D B =0.44
Trong đú B là dải thụng, đơn vị GHz Dt là độ tỏn sắc, đơn vị ns
Do đú thay vỡ so sỏnh dải thụng của tuyến với dải thụng của tớn hiệu cần truyền người ta so sỏnh độ tỏn sắc tổng cộng của tuyến với độ tỏn sắc tối đa cho phộp của tớn hiệu. Tớnh độ tỏn sắc của tuyến: chr t D D D 2 mod 2 + = trong đú: Dt: tỏn sắc tổng cộng
Dmod: tỏn sắc mode, được tớnh theo cụng thức: ( )
) . ( 44 . 0 mod L km km GHz B D L ì =
BL: dải thụng giới hạn bởi tỏn sắc mode L: cự ly giới hạn bởi quỹ cụng suất Dchr: tỏn sắc sắc thể
Dchr = Dmat + Dwg Dwg << Dmat
Dchr = Dmat = dmatì ∆ λ ì L
Dmat: tỏn sắc chất liệu của tuyến (ns) Dwg: tỏn sắc ống dẫn súng (ns)
dmat: tỏn sắc chất liệu đơn vị (ns/nm.km)
∆ λ : độ rộng phổ của nguồn quang (nm)
Tớnh độ tỏn sắc tối da cho phộp:
Độ tỏn sắc tối đa cho phộp phụ thuộc vào tốc độ bit thực tế của chuỗi xung trờn đường dõy, phụ thuộc vào cấp ghộp kờnh và loại mó đường dõy được sử dụng.
Độ tỏn sắc tối đa được tớnh theo cụng thức: ) / ( 4 1 max Br Gbit s D =
Br: tốc độ bit thực sự trờn đường dõy quang.
Br = tốc độ bit ì hệ số tăng bit của mó đường dõy. So sỏnh độ tỏn sắc của tuyến với độ tỏn sắc tối đa:
Nếu Dt ≤Dmax : dải thụng khụng bị giới hạn Nếu Dt >Dmax : dải thụng bị giới hạn
Trường hợp sau phải giảm cự ly của đoạn tiếp vận sao cho Dt = Dmax. Sợi đơn mode chỉ cú tỏn sắc sắc thể nờn: Dt = Dchr = dmatì ∆ λ ì L
Do độ tỏn sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt khi dựng ở bước súng 1300nm, nờn dải thụng của sợi đơn mode rất rộng. Trong nhiều trường hợp người ta khụng cần tớnh đến bước 2 đối với sợi đơn mode.
4.2.3 Bài toỏn cụ thể
Xột tuyến truyền dẫn quang ( đường trục Hà Nội ---- Hà Nam ). Biết khoảng cỏch tuyến là 80km. Dựng sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc (SI )để truyền tốc độ 140Mbit/s với mó đường dõy 5B6B và thụng số của cỏc phần tử như sau: