Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 1: Hệ thống thông tin sợi quang

Bài giảng Thông tin sợi quang - Chương 1: Hệ thống thông tin sợi quang cung cấp cho học viên những thông tin về sự phát triển của các hệ thống thông tin; các giai đoạn phát triển, ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang; sơ đồ nguyên lí của hệ thống thông tin sợi quang;... Mời các bạn cùng tham khảo!

MÔN HỌC

THÔNG TIN SỢI QUANG

NỘI DUNG MÔN HỌC

Chương 1: Hệ thống thông tin sợi quang

Chương 2: Sợi quang

Chương 3: Máy phát quang

Chương 4: Máy thu quang

Chương 6: Thiết kế Hệ thống thông tin sợi quang

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

Nội dung của chương 1

❖ Sự phát triển của các hệ thống thông tin.

❖ Các giai đoạn phát triển, ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

và băng thông, tín hiệu tương tự và tín hiệu số, sóng kết hợp

và không kết hợp, điều chế và mã hoá đường.

quang.

Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin

Mô hình truyền tín hiệu bằng quang học của

Claude Chappe

Lịch sử phát triển của các hệ thống thông tin (tt)

Sự phát triển của tích BL trong giai đoạn 1850- 2000

Sự phát triển của các hệ thống thông tin (tt)

Sự phát triển của tích số BL

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

+Thế hệ đầu tiên: hoạt động ở bước sóng 800nm và sử

1300 nm

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

+ Thế hệ thứ hai: bắt đầu vào đầu những năm 1980, với

tốc độ bít của các hệ thống ban đầu <100 Mb/s do bị tán sắc trong sợi đa mode Khắc phục nhờ sử dụng sợi đơn mode -Vào năm 1981: thí nghiệm thành công hệ thống sử dụng sợi quang đơn mode có chiều dài 44 km với tốc độ truyền dẫn 2 Gb/s

-Đến năm 1987, các hệ thống thế hệ 2 đã được ứng dụng đạt đến tốc độ 1,7Gb/s với khoảng lặp 50 km

-Khoảng lặp này bị giới hạn do tổn hao công suất trong sợi còn lớn ( 0,5 dB/km) tại 1300 nm Năm 1979, sử dụng sợi

ở vùng bs 1550 nm với tổn hao sợi 0,2dB/km

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

+Thế hệ thứ ba bắt đầu vào đầu những năm 1985, nhiều thí nghiệm đã thành công khi truyền thông tin với tốc độ bít 4 Gb/s và khoảng cách trên 100 km

-Năm 1990, người ta đã triển khai các hệ thống thế hệ thứ

3 đặc trưng bởi việc triển khai hệ thống sử dụng sợi

quang tán sắc dịch chuyển DSF làm giảm được tán sắc

cho phép tăng tốc độ bít lên 2,5 Gb/s và sau đó đạt đến 10 Gb/s

-Điểm hạn chế của thế hệ này là việc phải dùng các bộ

lặp quang-điện-quang (Repeater) với khoảng cách tiêu

biểu 60 km-70 km làm tăng giá thành và độ phức tạp cho

hệ thống

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

-Để tăng khoảng cách truyền dẫn người ta sử dụng hệ

thống thông tin quang Coherence với các sơ đồ tách sóng đồng tần và đổi tần vì chúng cho phép tăng độ nhạy của

máy thu

-Trong những năm 1980, hệ thống này đã được nghiên cứu

và đạt nhiều kết quả khả quan trong thực nghiệm Tuy

nhiên, việc triển khai hệ thống Coherence bị trì hoãn và

chuyển hướng do sự xuất hiện của các bộ khuếch đại sợi quang vào các năm sau đó

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

+Thế hệ thứ tư được đặc trưng bằng việc sử dụng

khuếch đại quang để tăng khoảng cách và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM để nâng cao dung lượng truyền dẫn, cho phép tăng dung lượng lên gấp đôi trong mỗi 6 tháng và đạt được tốc độ bít 10Tb/s vào năm

2001

- Như vậy, đặc trưng của thế hệ này việc triển khai hệ

thống khoảng cách truyền dẫn lớn nhờ sự kết hợp giữa khuếch đại quang và WDM

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

-Trong hầu hết các hệ thống WDM, tổn hao trên sợi

quang được bù nhờ các bộ khuếch đại EDFA được mắc chuỗi (mắc xen kẽ) trên tuyến với khoảng lặp (60-80)km Các hệ thống đó đã bắt đầu được triển khai vào những

năm 1990

-Năm 1991, người ta đã thực nghiệm thành công việc

truyền dẫn thông tin tốc độ bít 2,5 Gb/s với khoảng cách 21.000 km và 5 Gb/s với đường truyền 14.300 km Từ

năm 1996, nhiều hệ thống xuyên đại dương, chẳng hạn hệ thống cáp quang biển xuyên Đại tây dương và Thái bình

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

-Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu tìm ra các bộ khuếch đại mới có phổ trải rộng từ 1450 nm đến 1630 nm Kết

quả là năm 2000, một hệ thống thực nghiệm đạt 3,28 Gb/s,

82 kênh, mỗi kênh 40 Gb/s, khoảng cách 3000 km, với

tích BL: 10.000 (Tb/s)-km

- Chỉ trong 1 năm, dung lượng được nâng lên trên 11 Tb/s (273 kênh, mỗi kênh 40 Gb/s, khoảng cách 117 km Cuối năm 2000, các hệ thống đường trục trên mặt đất đã đạt

được dung lượng 1,6 Tb/s Như vậy so với dung lượng 45 Mb/s của hệ thống thế hệ 1 trong năm 1980, dung lượng thông tin của thế hệ thứ tư đã tăng gấp 10.000 lần trong

vòng 20 năm

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

dụng khuếch đại Raman khuếch đại tín hiệu trong S,C và L

Ngoài ra một kiểu sợi quang mới, có tổn hao nhỏ trong vùng bước sóng rất rộng (1300-1650)nm đã được triển khai Nhờ

đó, hệ thống WDM: hàng ngàn kênh thông tin với tốc độ bít mỗi kênh cũng không ngừng tăng lên

-Từ năm 2000, nhiều thực nghiệm WDM đã thành công với tốc độ bít mỗi kênh 40 Gb/s và hướng đến 160 Gb/s trong tương lai gần Vấn đề chính trong các hệ thống này là cần phải quản lý tán sắc thật chặt chẽ Một trong những giải

pháp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật truyền dẫn Soliton trong

Sự phát triển của hệ thống thông sợi tin quang (tt)

-Nguyên lý cơ bản: từ 1973 nhưng mãi đến năm 1988, mới đạt được thành công trong phòng thí nghiệm truyền dẫn thông tin nhờ kỹ thuật Soliton trên 4000km với việc sử dụng khuếch đại Raman để bù tổn hao sợi

-Các bộ khuếch đại EDFA được dùng trong khuếch đại Soliton được bắt đầu từ năm 1989 Từ đó, nhiều thực nghiệm thành

công đã chứng tỏ tiềm năng rất lớn của công nghệ Soliton này

- Những năm gần đây, người ta nghiên cứu và triển khai hệ

thống khuếch đại ghép lai EDFA/Raman nhằm tăng khoảng

cách truyền dẫn và dung lượng thông tin nhờ giảm được nhiễu

so với hệ thống sử dụng EDFA và mở rộng băng thông khuếch đại (băng C và L)

Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang (tt)

Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang (tt)

Hệ thống cáp quang xuyên biển

SEA-ME-WE-3

Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang (tt)

Hệ thống cáp quang xuyên biển

Đặc điểm và nguyên lý hoạt động

Phân loại theo môi trường truyền → có hai loại:

truyền tín hiệu ánh sáng qua môi trường sợi quang

System-FSOCS): truyền tín hiệu ánh sáng qua môi trường không gian

FOCS rất phổ biến, gần đây nghiên cứu FSOCS

Phân loại theo pp tách sóng → có hai loại:

Phân loại theo số kênh → có hai loại:

Phân loại theo bộ khuếch đại → có hai loại:

Đặc điểm và nguyên lý hoạt động (tt)

Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

Corning’s standard submarine cables can have up to

144 fibers in a single cable housing

Ưu điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1 Dung lượng cực lớn: Băng thông (BW) gấp ≈ 10.000 lần so với vi ba

(BW: khoảng vài % f sóng mang, f ánh sáng ≈ 200THz, f vi ba ≈ 20GHz)

2 Tổn hao rất thấp: 0,2 dB/km, cáp đồng trục: (10-300) dB/km

3 Kích thước rất nhỏ và gọn nhẹ: (ví dụ cáp Corning tiêu biểu: 144 sợi)

Đường kính sợi nhỏ trọng lượng nhẹ thuận tiện: lắp đặt, bảo dưỡng

4 Tính kháng nhiễu cao thuỷ tinh không dẫn điện  không bị ảnh hưởng

của điện từ trường bên ngoài, nhà máy điện nguyên tử, sấm sét

5 Bảo mật tín hiệu: ngân hàng, mạng máy tính, quân đội

6 Giá thành sợi quang thấp: thạch anh- nguyên liệu chính có sẵn trong

thiên nhiên (dồi dào)

7 Kết hợp khả năng khuếch đại của bộ KĐ quang +suy hao thấp của cáp

quang + độ nhạy thu cao của các máy thu   khoảng cách lên cực lớn

Mạng thông tin sợi quang ghép kênh theo bước

sóng (WDM) với các thành phần cơ bản

Ghép kênh phân chia theo thời gian và tần số

Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Chuyển đổi tương tự sang số

Điều chế và mã hoá đường

Mã đường truyền NRZ và RZ

Sơ đồ nguyên lí của hệ thống thông tin sợi quang

Tín hiệu điện vào

Các thiết bị khác

Nguồn phát quang

Máy thu quang

Mối hàn sợi Sợi dẫn

quang

Bộ chia quang

Phần thu quang

Tín hiệu điện

ra

Khuếch đại quang Chuyển đổi tín hiệu

Mạch điều khiển

Mối hàn sợi

Trạm lặp

Thu quang

Phát quang

Mạch điện

Suy hao tín hiệu trong sợi quang theo bước sóng

Suy hao tín hiệu trong sợi quang

Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang (tt)

Sự phát triển của hệ thống thông tin sợi quang (tt)

Hệ thống cáp quang xuyên biển

SEA-ME-WE-3

Một số ứng dụng của Hệ thống thông tin sợi quang

Một số ứng dụng của Hệ thống thông tin sợi quang

Một số ứng dụng của Hệ thống thông tin sợi quang

Một số ứng dụng của Hệ thống thông tin sợi quang

➢ Mạng thông tin bao gồm các tuyến kết nối, mỗi tuyến có 3

thành phần cơ bản là phần phát, truyền dẫn và phần thu.

➢ Một hệ thống thông tin điểm-điểm có thể thực hiện các chức năng: Điều chế tương tự hoặc điều chế số, truyền dẫn tín hiệu

dưới dạng truyền băng tần cơ sở hoặc truyền băng thông và tách sóng kết hợp hoặc không kết hợp.

➢ Toàn bộ các hệ thống thông tin sợi quang đều truyền tín hiệu dưới dạng truyền băng thông tại các bước sóng của ánh sáng nhìn thấy được và ánh sáng hồng ngoại.

TÓM TẮT MỘT SỐ Ý CHÍNH

➢ Mã đường và điều chế được dùng để chuyển đổi tín hiệu vào thành dạng tín hiệu phù hợp cho việc truyền dẫn Mã đường dùng trong điều chế số và việc điều chế được sử dụng để truyền băng thông.

➢ Ưu điểm chính của hệ thống thông tin sợi quang gồm: (1) dung lượng truyền dẫn lớn, (2) tổn hao thấp, (3) khả năng kháng nhiễu cao, (4) dung lượng kết nối tốc độ cao và (5) khả năng truyền

song song.

➢ Mục tiêu của việc phát triển công nghệ thông tin sợi quang là tìm giải pháp tăng khoảng cách và dung lượng Tổn hao thấp của sợi quang và các nguồn quang đơn mode là các cơ sở để thực

hiện điều này.