62629808-Internet-Khong-Day-Tren-Mang-Quang

Tính trong suốt cho phép các dạng dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau.Vì vậy, truyền thông

Phần A GIỚI THIỆU

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian 03 tháng thực hiện đề tài với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô cùng với sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành nội dung và hình thức với đồ án tốt

nghiệp “INTERNET KHÔNG DÂY TRÊN MẠNG QUANG” đúng thời gian.

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại Học Văn Hiến đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học và đã trang bị cho em những kiến thức chuyên môn vô cùng quý báu để em có thể hoàn thiện đồ án này

Với lòng biết ơn sâu sắc em kính gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy ThS

Hà Văn Kha Ly – Thầy trực tiếp hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài, quý thầy cô khoa điện tử - viễn thông đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian qua

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển mong quý thầy cô và các anh chị chỉ bảo them để đồ án được hoàn thiện và phát triển hơn nữa

Chân thành cảm ơn!

TP.HCM, Tháng 07 Năm 2011 Sinh viên thực hiện

Ngô Thị Xiếu

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, Ngày …… tháng …… năm 2011 Giáo Viên Hướng Dẫn

ThS Hà Văn Kha Ly

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.HCM, ngày …… tháng …… năm 2011 Giáo Viên Phản Biện

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của xã hội ngày càng được nâng cao thì nhu cầu con người

về trao đổi thông tin ngày tiến bộ Để đáp ứng nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn, giá thành thấp Chính vì thế mà em đã

chọn đồ án với đề tài “INTERNET KHÔNG DÂY TRÊN MẠNG QUANG”.

Ngày nay kích thước của tòa nhà văn phòng, khách sạn ngày càng mở rộng vì vậy

hệ thống mạng INTERNET đã đáp ứng được đầy đủ nhu cầu sử dụng Thông qua đường truyền dẩn cáp quang với chất lượng cao và giá thành phù hợp Tuy nhiên, để có một kiến thức sâu rộng hơn về mạng quang và các thành phần quan trọng của hệ thống thông tin quang phải có thời gian nghiên cứu và tích lũy kiến thức nhiều hơn nữa Vì thế, rất mong những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để hoàn thiện kiến thức về giải pháp này

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU i

i

LỜI CẢM ƠN ii

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI iii

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iv

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN v

LỜI NÓI ĐẦU vi

MỤC LỤC vii

LIỆT KÊ BẢNG xi

LIỆT KÊ HÌNH xii

NỘI DUNG xiii

Chương 1 DẪN NHẬP 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.4 Tình hình nghiên cứu 1

1.5 Hướng nghiên cứu đề tài 2

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương 2 MẠNG QUANG 3

2.1 Giới thiệu mạng thông tin quang 3

2.1.1 Các mạng quang 4

2.1.2 Mạng quang thế hệ thứ hai 5

2.1.3 Tính trong suốt và các mạng toàn quang 7

2.1.4 Chuyển mạch gói quang 9

2.1.5 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn 11

2.1.5.1 Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh 11

2.1.5.2 Các tiêu chuẩn bước sóng 12

2.1.5.3 Công suất quang và mất mát 13

2.2 Các đặc tính của thông tin quang 14

2.3 Truyền tín hiệu trong sợi quang 15

2.3.1 Sự truyền ánh sang trong sợi quang 16

2.3.2 Cấu trúc một sợi quang 17

2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của sợi quang 19

2.3.3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông 19

2.3.3.2 Tán sắc trong sợi quang 21

2.3.3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến 21

2.4 Các thành phần trong hệ thống thông tin quang 23

2.4.1 Các bộ ghép 24

2.4.2 Bộ cách ly và bộ truyền 25

2.4.3 Nguồn phát quang 26

2.4.4 Tách sóng quang 26

2.4.5 Các bộ khuếch đại quang 27

2.4.5.1 EDFA (Erbium – Doped Fiber Amplifiers) 28

2.4.5.2 SOA (Semiconductor Optical Amplifiers) 29

2.4.6 Các bộ ghép kênh và bộ lọc 30

2.4.7 Các bộ chuyển mạch 31

2.4.8 Bộ chuyển đổi bước sóng 32

Chương 3 MẠNG KHÔNG DÂY WIRELESS 34

3.1 Giới thiệu mạng không dây Wireless 34

3.2 Phân loại mạng vô tuyến 34

3.2.1 WPAN 35

3.2.2 WLAN 35

3.2.3 WMAN 36

3.2.4 WAN 37

3.2.5 WRAN 37

3.3 Sự phát triển của mạng thông tin di động tế bào 38

Thế hệ thứ 1 (1G) 39

Thế hệ thứ 2 (2G) 39

GSM 39

IS-136 39

CDMS ONE 39

Thế hệ 2,5G 40

Thế hệ thứ 3 (3G) 40

UMTS 40

CDMA 2000 41

TD-SCDMA 41

Công nghệ tiền 4G 41

GPP LTE 41

UMB 42

IEEE 802.x 43

3.4 Tổng quang về WiFi 44

3.4.1 WiFi là gì? 44

3.4.2 Hoạt động 44

3.4.2.1 Adapter 45

3.4.2.2 Router 45

3.4.3 Sóng Wifi 47

3.5 Ưu điểm và nhược điểm của mạng không dây 47

Chương 4 TÌM HIỂU BỘ CONVERTER QUANG 49

4.1 Converter quang – Bộ chuyển đổi quang điện 49

4.1.1 Khái niệm 49

4.1.2 Bản chất của converter quang 49

4.1.3 Ứng dụng 50

4.2 Vì sao cần bộ chuyển đổi quang điện? Khi nào thì cần? 50

4.3 Phân loại converter quang 50

4.4 Lựa chọn bộ chuyển đổi phù hợp 51

Chương 5 THỰC HIỆN HỆ THỐNG WIFI KẾT HỢP TRUYỀN DẪN

QUANG 52

5.1 Thiết bị Modem ADSL 52

5.2 Thiết bị chuyển mạch (Switch/Hub) 54

5.3 Thiết bị chuyển đổi Điện quang – Quang điện 55

5.4 Cáp quang 56

5.5 Router WiFi 57

5.6 Thực thi giải pháp 58

5.6.1 Sơ đồ khối 58

5.6.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị 58

PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

LIỆT KÊ BẢNG

LIỆT KÊ HÌNH

Phần B NỘI DUNG

Chương 1 DẪN NHẬP

1.1 Lý do chọn đề tài

Sự phát triển khoa học kỹ thuật đã giúp ích và phục vụ cho con người rất nhiều trong mọi lĩnh vực Sự tiến bộ này bao gồm cả ngành điện tử và viễn thông Không những như vậy mà chúng còn là ngành mũi nhọn trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Ngày nay, việc trao đổi thông tin trên mạng Internet ngày càng phát triển mạnh, làm cho công việc trở nên dễ dàng và thuận lợi rất nhiều, con người có thể trao đổi thông tin bất cứ ở đâu Kết nối mạng không dây đã và đang trở thành một xu thế hiện đại, được thực hiện qua các loại hình kết nối mạng truyền thống dùng dây cáp Ở nước

ta, việc kết nối mạng không dây đã được sử dụng phổ biến ở các công ty, khách sạn, bệnh viện…

Qua tìm hiểu, sinh viên nhận thấy đây là một đề tài khá mới và phù hợp với thực

tế Vì thế, sinh viên đã chọn đề tài này nhằm tìm hiểu và khảo sát về mạng không dây

1.2 Mục đích nghiên cứu

Sinh viên thực hiện quyết định chọn đề tài này xuất phát từ nhu cầu học hỏi, tìm hiểu và cập nhật những kiến thức khoa học kỹ thuật tiên tiến áp dụng vào lao động sản xuất phục vụ cho con người Giúp sinh viên có cơ hội tìm hiểu và để nâng cao thêm kiến thức về mạng không dây và các hệ thống thông tin quang

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu về mạng không dây Wireless về các vấn đề sau:

• Tìm hiểu về các mạng thông tin di động tế bào

1.4 Tình hình nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu, sinh viên đã tìm hiểu về hệ thống mạng không dây thông qua các tài liệu tham khảo từ internet và các tài liệu khác liên quan tới mạng không dây

•

• Tìm kiếm tài liệu liên quan tới mạng không dây.

• Đọc, dịch tài liệu, tìm hiểu các vấn đề liên quan tới converter quang

• Đánh máy, kiểm tra hoàn tất đề tài

1.5 Hướng nghiên cứu đề tài

Đây là một đề tài giúp cho sinh viên tìm hiểu được rất nhiều kiến thức, và có thể

sử dụng thực tế Với đề tài này, sinh viên muốn tìm hiều thêm và biết thêm các phương pháp chuyển đổi, cập nhật internet trên đường dẫn quang

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay, ở nước ta, nhu cầu truy nhập mạng không dây càng được sử dụng rộng rãi, do đó việc tìm hiểu về mạng không dây là điều rất cần thiết và bổ ích

Đây là một đề tài khá hay và mới mẽ đối với sinh viên thực hiện, thông qua đề tài này sinh viên có thể biết thêm nhiều các kiến thức mới Tuy đề tài mang tính lý thuyết nhiều hơn nhưng qua tìm hiểu, khảo sát đề tài hoàn toàn có thể được ứng dụng vào thực

tế để thiết lập internet không dây trên mạng quang

Chương 2 MẠNG QUANG

2.1 Giới thiệu mạng thông tin quang

Lượng thông tin trao đổi trong các hệ thống thông tin ngày nay tăng lên rất nhanh Bên cạnh gia tăng về số lượng, dạng lưu lượng truyền thông trên mạng cũng thay đổi Dạng dữ liệu chủ yếu là lưu lượng Internet Số người sử dụng Internet ngày càng đông

và thời gian mỗi lần truy cập thường kéo dài hơn nhiều lần một cuộc gọi điện thoại Bên cạnh đó, các doanh nghiệp cũng thường dựa vào các mạng tốc độ cao để điều hành công việc.Nhưng điều này đã tạo ra một nhu cầu sử dụng băng thông lớn, những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và chi phí thấp

Mạng thông tin quang ra đời đã đáp ứng được những thông tin trên Thông tin quang cung cấp băng thông lớn với tỉ lệ lỗi rất thấp ( 10-11) Bên cạnh dung lượng cao, môi trường quang còn cung cấp khả năng trong suốt Tính trong suốt cho phép các dạng

dữ liệu khác nhau chia sẻ cùng một môi trường truyền và điều này rất phù hợp cho việc mang các tín hiệu có những đặc điểm khác nhau.Vì vậy, truyền thông quang được xem như là một kỹ thuật cho hệ thống thông tin băng rộng trong tương lai Tuy nhiên, băng thông quang rất lớn đối với một ứng dụng riêng lẻ Vì vậy, nó nên được chia sẻ giữa những người sử dụng với nhau bằng cách ghép nhiều kênh trên một đường truyền Kỹ thuật ghép kênh được quan tâm nhất hiện nay là ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và ghép kênh phân chia thời gian (TDM) Trong tương lai, ghép kênh theo bước sóng sẽ được ưa chuộng hơn vì chi phí kỹ thuật và thiết bị để lắp đặt các hệ thống TDM tương đối cao Theo báo cáo, hệ thống TDM với dung lượng 10 Gbps được lắp đặt ở Nhật vào năm 1996 Các hệ thống WDM 40 Gbps đã được lắp đặt ở Bắc Mỹ Trong WDM, nhiều kênh được ghép trên một sợi quang sử dụng các bước sóng khác nhau

Một phương pháp ghép kênh khác là ghép kênh phân chia mã (CDM) Kỹ thuật này thực hiện mã hóa mỗi luồng thông tin bởi một mã trực giao với mã của các luồng thông tin khác cùng chia sẻ môi trường truyền (sợi quang).Kỹ thuật này không còn phổ biến từ sau những năm 80 vì những hạn chế về kỹ thuật như tốc độ điều chế và suy hao trong mã hóa cũng như giải mã cao.Hơn nữa, ứng dụng của phương pháp này làm cho vấn đề tán sắc và đồng bộ trở nên xấu hơn vì thế dường như không còn thích hợp cho thông tin quang ngày nay

2.1.1 Các mạng quang

Ngoài việc cung cấp dung lượng khổng lồ, mạng quang còn mang lại một cơ sở hạ tầng chung mà qua đó các dịch vụ khác nhau được thực hiện Các mạng này cũng có khả năng phân phát băng thông một cách mềm dẻo khi cần thiết

Sợi quang cung cấp băng thông lớn hơn rất nhiều so với cáp đồng và ít nhạy đối với các loại nhiễu điện từ khác nhau và các hiệu ứng không mong muốn khác Do đó,

nó trở thành một môi trường truyền dữ liệu với tốc độ hơn vài chục Megabit trên giây qua những khoảng cách dài hơn một Kilômet Sợi quang cũng là phương tiện hay được dùng để thực hiện những kết nối tốc độ cao (Gigabit trên giây hoặc cao hơn) khoảng cách ngắn bên trong những hệ thống lớn

Thống kê gần đây nhất từ Ủy ban truyền thông Liên Bang Mỹ cho biết sự triển khai của sợi quang khắp nơi Sợi quang ngày nay được triển khai rộng rãi trong tất cả các loại mạng viễn thông, có lẽ ngoại trừ khu dân cư Mặc dù được cung cấp đến nhiều doanh nghiệp, đặc biệt trong những thành phố lớn, sợi quang chưa được đưa đến nhà riêng vì chi phí lắp đặt đường dây rất lớn

Kỹ thuật truyền dẫn sợi quang tiến hóa qua vài chục thập niên cung cấp tốc độ bit ngay càng cao và qua những khoảng cách ngày càng dài hơn Hình 1.1 cho thấy sự gia tăng băng thông qua nhiều thời gian của các loại mạng khác nhau Sự phát triển mạnh

mẽ này chủ yếu là do sự triển khai các hệ thống thông tin quang

Hình 2.1: Sự gia tăng băng thông theo thời gian trong các loại mạng khác nhau

Khi nói đến các mạng quang, chúng ta đang thực sự nói về hai thế hệ của chúng

Ở thế hệ thứ nhất, sợi quang chủ yếu dùng cho truyền dẫn và cung cấp dung lượng Sợi quang cung cấp tỉ lệ lỗi bit thấp hơn và dung lượng cao hơn so với cáp đồng Tất cả chức năng chuyển mạch và mạng thông minh được điều khiển bằng điện tử Ví dụ cho các mạng quang thế hệ thứ nhất này là SONET (mạng quang đồng bộ), tương tự với mạng SDH (hệ phân cấp số đồng bộ), hình thành nên phần lõi của cơ sở hạ tầng viễn thông tương ứng ở Bắc Mỹ và Châu Âu, Châu Á cũng như các mạng doanh nghiệp khác như ESCON

Ngày nay chúng ta đang thấy sự triển khai của những mạng quang thế hệ thứ hai, nơi mà các chức năng chuyển mạch, định tuyến và sự thông minh được chuyển vào lớp quang học

2.1.2 Mạng quang thế hệ thứ hai

Sợi quang hiển nhiên trở thành một phương tiện truyền dẫn được ưa thích và ngày nay truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng WDM được dùng rộng rãi trong mạng Những năm gần đây, người ta nhận ra rằng các mạng quang có khả năng cung cấp nhiều hơn là chỉ truyền dẫn điểm nối điểm Những thuận lợi chủ yếu đạt được bằng cách hợp nhất một vài chức năng chuyển mạch và định tuyến đã được thực hiện điện tử vào phần quang của mạng Ví dụ như, khi tốc độ dữ liệu ngày càng cao, việc xử lý dữ liệu bằng điện tử trở nên khó khăn hơn Giả sử các thiết bị điện tử phải xử lý dữ liệu mỗi khối 53 bytes (chiều dài mỗi tế bào trong phương thức truyền bất đồng bộ trong ATM) Trong một luồng dữ liệu 100 Mbps, ta có 4,24 µs để xử lý một khối, trong khi với luồng 10Gbps, khối này phải được xử lý trong vòng 42,4 ns Trong các mạng thế hệ thứ nhất, thiết bị điện tử ở một nút phải điều khiển không chỉ tất cả các dữ liệu dành cho nút đó mà còn tất cả các dữ liệu đi xuyên qua nó đến các nút khác trong mạng Nếu

dữ liệu có thể được định tuyến trong miền quang, tải trọng các thiết bị điện ở các nút sẽ giảm đi đáng kể Đây là một trong những nguyên nhân chính cho sự ra đời của mạng quang thế hệ thứ hai

Các mạng quang dựa vào mô hình này đang được triển khai Kiến trúc của mạng

được chỉ ra trong hình 1.2, ta gọi mạng này là một mạng định tuyến bước sóng Mạng

cung cấp những lightpath cho người sử dụng, như các thiết bị cuối SONET hoặc các bộ định tuyến IP.Lightpaths là các kết nối quang được mang từ đầu cuối đến đầu cuối bằng một bước sóng trên mỗi tuyến trung gian Ở các nút trung gian trong mạng, các lightpath được định tuyến và chuyển mạch từ tuyến này sang tuyến khác Trong một số

trường hợp, các lightpath cũng có thể được chuyển từ một bước sóng này thành bước sóng khác dọc theo đường đi.

Hình 2.2: Mạng quang định tuyến bước sóng

Các lightpath trong mạng định tuyến bước sóng có thể sử dụng dùng bước sóng khi nó không dùng chung một tuyến truyền dẫn nào Điều này cho phép cùng một bước sóng được sử dụng lại ở các phần khác nhau của mạng Ví dụ, ở hình 1.2 chỉ ra 6 lightpaths Lightpath giữa B và C, lightpath giữa D và E, và một trong những lightpath giữa E và F không dùng chung tuyến liên kết nào trong mạng và vì thế có thể được thiết lập sử dụng một bước sóng λ1 Đồng thời, lightpath giữa A và F dùng chung một kết nối với lightpath giữa B và C nên phải sử dụng bước sóng khác (λ2) Tương tự, hai lightpath giữa E và F phải được gán các bước sóng khác nhau Chú ý rằng tất cả các lightpath này sử dụng cùng bước sóng trên mọi kết nối trong đường đi của nó Đây là một sự ràng buộc mà ta cần giải quyết nếu ta không có đủ khả năng chuyển đổi bước sóng trong mạng Giả sử ta chỉ có hai bước sóng có sẵn trong mạng và muốn thiết lập một lightpath mới giữa các nút E và F Không có chuyển đổi bước sóng, ta sẽ không thể thiết lập được lightpath này.Nói cách khác, nếu nút trung gian X có thể thực hiện chuyển đổi bước sóng, thì ta có thể thiết lập lightpath này sử dụng bước sóng λ2 trên tuyến EX và bước sóng trên λ1 trên tuyến XF

Các phần tử mạng chính cho phép mạng quang hoạt động là các thiết bị cuối quang (OLTs), các bộ ghép kênh xen/rớt quang (OADMs) và các bộ kết nối chép quang (OXCs) như chỉ ra trong hình 1.2 OLT ghép các bước sóng vào một sợi quang và tách một tập bước sóng trên một sợi đơn vào các sợi riêng rẽ OLTs được sử dụng ở các đầu cuối của một liên kết WDM điểm nối điểm OADM thu vào các tín hiệu ở nhiều bước sóng và “rớt” có chọn lọc một số các bước sóng này trong khi cho các bước sóng khác

đi qua Nó cũng thên các bước sóng vào tín hiệu ghép đi ra một cách chọn lọc Một OADM có các cổng hai dây nơi các tín hiệu ghép WDM hiện diện và một số cổng nội

bộ nơi mà các bước sóng được rớt và xen Một OXC về cơ bản thực hiện một chức năng tương tự như OADM nhưng với quy mô lớn hơn nhiều OXCs có số cổng lớn (từ vài chục đến vài nghìn) và có thể chuyển mạch những bước sóng từ một cổng vào đến cổng khác Cả OADMs và OXCs đều có thể kết hợp các khả năng chuyển đổi bước sóng bên trong

Các mạng quang dựa vào kiến trúc được mô tả ở trên đã được triển khai OLTs được triển khai rộng rãi cho các ứng dụng điểm nối điểm OADMs hiện nay được sử dụng trong các mạng đường dài và mạng tập trung OXCs bắt đầu được triển khai trước trong các mạng đường dài vì dung lượng yêu cầu cao hơn trong các mạng này

2.1.3 Tính trong suốt và các mạng toàn quang

Một đặc trưng chính của dịch vụ lightpath được cung cấp bởi các mạng thế hệ thứ hai là dạng dịch vụ này có thể trong suốt đối với dữ liệu thật được gửi trên lightpath một khi nó được thiết lập Chẳng hạn như một tốc độ bit lớn nhất và nhỏ nhất nào đó có thể được định rõ, dịch vụ có thể chấp nhận dự liệu ở bất cứ tốc độ bit nào và bất kì dạng nghi thức nào trong vòng giới hạn này Nó cũng có thể mang dữ liệu tương tự

Tính trong suốt trong mạng cung cấp nhiều thuận lợi Một điều hành viên có thể cung cấp các loại dịch vụ khác nhau sử dụng một cơ sở hạ tầng riêng lẻ Ta có thể nghĩ

điều này như là tính trong suốt của dịch vụ Thứ hai, nếu các nghi thức hoặc tốc độ bit

thay đổi, thiết bị đã triển khai trong mạng vẫn có khả năng hỗ trợ các nghi thức hoặc tốc

độ bit mời mà không cần một sự đại tu toàn bộ mạng Điều này cho phép các dịch vụ mới được triển khai hiệu quả và nhanh chóng, trong khi các dịch vụ cũ vẫn được thực hiện

Một ví dụ về mạng trong suốt loại này là mạng điện thoại Một khi cuộc gọi được thiết lập trong mạng điện thoại, nó cung cấp 4Khz băng thông qua đó một người sử

dụng có thể gởi nhiều dạng lưu lượng khác nhau như là tiếng nói, dữ liệu, hoặc fax Tính trong suốt cũng trở thành một nét đặc biệt trong các mạng quang thế hệ thứ hai.Một thuật ngữ khác liên quan đến các mạng trong suốt là khái niệm mạng toàn quang Trong mạng này, dữ liệu được mang từ nguồn đến nơi dưới dạng quang, mà không phải trải qua bất cứ chuyển đổi quang-điện nào dọc theo đường đi Một cách lý tưởng, mạng này sẽ hoàn toàn trong suốt Tuy nhiên, mạng toàn quang bị giới hạn trong phạm vi của nó bởi nhiều thông số của lớp vật lý như là băng thông và các tỉ số tín hiệu trên nhiễu Ví dụ như các tín hiệu tương tự yêu cầu tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn nhiều so với các tín hiệu số Yêu cầu thật sự dựa vào định dạng điều được sử dụng cũng như tốc độ bit.

Mặc dù chúng ta nói về các mạng quang, nhưng hầu như các mạng này luôn chứa một số thiết bị điện tử Trước hết, điện tử đóng một vai trò chủ yếu trong việc thực hiện các chức năng điều khiển và quản lý thông minh trong mạng Tuy nhiên, ngay cả trên đường đi của dữ liệu, trong hầu hết các trường hợp, thiết bị điện tử cần thiết ở phần bên ngoài mạng để làm thích ứng tín hiệu đi vào mạng quang Trong nhiều trường hợp, tín hiệu không thể duy tri dưới dạng quang trên đường đi đến đích vì những giới hạn bị

áp đặt bởi thiết kế lớp vật lý và phải tái tạo lại ở giữa Trong các trường hợp khác, tín hiệu cần phải được chuyển từ một bước sóng này sang bước sóng khác Trong tất cả các tình huống này, tín hiệu thường được chuyển từ dạng quang sang dạng điện và điện thành quang

Các bộ lặp điện tử sẽ làm giảm tính trong suốt của đường đi tín hiệu, có ba kỹ thuật tái tạo điện tử cho dữ liệu số Một tiêu chuẩn được gọi là tái tạo với định thời gian

và định dạng được gọi là 3R Ở đây tốc độ bít được tách ra từ tín hiệu và tín hiệu được định thời gian lại Kỹ thuật này chủ yếu tạo ra một bản sao “mới” của tín hiệu ở mỗi bước tái tạo, cho phép tín hiệu đi qua một số rất lớn các bộ lặp Tuy nhiên, nó lại trừ tính trong suốt đối với tốc độ bít và các định chuẩn khung

Một phương pháp tái tạo các tín hiệu quang mà không cần định thời gian, được gọi là 2R, cung cấp tính trong suốt đối với các tốc độ bít mà không hỗ trợ dữ liệu tương

tự hoặc các định dạng điều chế khác nhau Tuy nhiên, phương pháp này giới hạn số bước lặp cho phép, đặc biệt ở các tốc độ bít cao hơn, trên vài trăm Mbps

Dạng tái tạo cuối cùng là 1R, trong đó tín hiệu đơn giản được nhận và phát lại mà không cần định thời gian và hình dạng Dạng tái tạo này cũng có thể xử lý dữ liệu tương

tự, nhưng hiệu quả của nó kém hơn hai dạng trên Vì lý do này, các mạng đang triển

khai ngày nay sử dụng kỹ thuật 2R và 3R Tuy nhiên, các bộ khuếch đại này được dùng rộng rãi để khuếch đại tình hiệu trong miền quang mà không phải chuyển tín hiệu quang sang điện.

Một mạng hoàn toàn trong suốt sẽ hỗ trợ các tín hiệu tương tự với các tốc độ bít

và các nghi thức khung bất kỳ Tuy nhiên, như đã nói ở trên, xây dựng được một mạng loại này là điều không thực tế Ngày nay, một lựa chọn thực tiễn hơn là xây dựng mạng

hỗ trợ các loại tín hiệu số khác nhau với tốc độ bít cực đại được định trước và một tập các định chuẩn khung riêng biệt, như là SONET và Gigabit Ethernet Mạng hỗ trợ nhiều định khung khác nhau được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc là kỹ thuật 2R trong mạng hoặc là cung cấp các thiết bị thích nghi 3R riêng biệt cho mỗi định ước khung Mạng này được vẽ trong hình 1.3

Hình 2.3: Các định chuẩn khung trong mạng 2.1.4 Chuyển mạch gói quang

Đến đây ta đã nói về mạng quang cung cấp các lightpath Các mạng này về bản chất là các mạng chuyển mạch mạch Những nhà nghiên cứu cũng đang làm việc trên các mạng quang mà có thể thực hiện chuyển mạch gói trong miền quang Một mạng loại này có thể cung cấp các dịch vụ mạch ảo hoặc các dịch vụ datagram, rất giống các dịch vụ trong các mạng ATM và IP Với một kết nối mạch ảo, mạng cung cấp một kết nối chuyển mạch mạch giữa hai nút Tuy nhiên, băng thông được cấp trên kết nối có thể nhỏ hơn toàn bộ băng thông có sẵn trên một tuyến liên kết Ví dụ như, những kết nối riêng rẽ trong một mạng tốc độ cao tương lai có thể hoạt động ở 10Gbps, trong khi tốc

độ bít truyền dẫn trên một bước sóng có thể là 100Gbps Vì vậy mạng phải hợp nhất

λ2Lightpath

λ2

λ2

λ1

λ1

Output buffers

Input buffersPackets

một số dạng ghép kênh phân chia thời gian để kết hợp nhiều kết nối thành một tốc độ bít Ở những tốc độ này, có thể thực hiện ghép kênh trong miền quang dễ hơn trong miền điện

Một nút chuyển mạch gói quang được mô tả trong hình 1.4 Mục đích là nhằm tạo

ra các nút chuyển mạch gói với dung lượng cao hơn nhiều so với chuyển mạch gói điện

tử Một nút này lấy một gói đi vào, đọc header của nó và chuyển nó đến ngõ ra thích hợp Nút cũng có thể áp đặt một header mới trên gói Nó cũng phải xử lý tranh chấp cho các cổng ra Nếu hai gói đi vào trên các cổng khác nhau muốn đi ra trên cùng một cổng, một trong hai phải được đệm, hoặc gửi ra trên một cổng khác

Hình 2.4: Một nút chuyển mạch gói quang

Một cách lý tưởng, tất cả các chức năng bên trong nút đều được thực hiện trong miền quang, nhưng thực tế, một số chức năng nào đó như là xử lý header và điều khiển chuyển mạch phải thực hiện bằng điện tử Điều này là do khả năng xử lý bị giới hạn trong miền quang Bản thân phần header có thể được gửi ở một tốc độ bít thấp hơn so với dữ liệu cho nên nó có thể xử lý điện tử

Nhiệm vụ của chuyển mạch gói quang là cho phép các khả năng chuyển mạch gói

ở các tốc độ mà không thể đạt được với chuyển mạch gói điện tử Tuy nhiên, các nhà thiết kế bị cản trở bởi nhiều hạn chế về mặt xử lý tín hiệu trong miền quang Một yếu tố quan trọng là thiếu các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên quang để đệm Các bộ đệm quang được thưc hiện bằng cách sử dụng một chiều dài sợi quang và những đường dây trễ đơn giản mà không phải là các bộ nhớ chức năng đầy đủ Chuyển mạch gói bao gồm một số lớn các phần mềm thời gian thực thông minh và phần cứng dành để điều khiển mạng và cung cấp các đảm bảo về chất lượng dịch vụ, các chức năng này khó thực hiện trong miền quang Một yếu tố khác là trạng thái tương đối mới của kỹ thuật chuyển mạch

Header recognition

Header recognition

Switch

Control input

quang nhanh so với chuyển mạch điện tử Vì những lý do này, ngày nay chuyển mạch gói quang vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm.

2.1.5 Các vấn đề cơ bản về truyền dẫn

Phần này giới thiệu và định nghĩa các thông số phổ biến liên quan đến hệ thống thông tin quang

2.1.5.1 Bước sóng, tần số và khoảng cách kênh

Khi nói đến các tín hiệu WDM là chúng ta đang nói về bước sóng hoặc tần số của các tín hiệu này Bước sóng λ và tần số f liên hệ với nhau qua công thức: c = fλ

Trong đó c là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do và bằng 3 x 108 m/s Tốc độ ánh sáng trong sợi quang thật sự thấp hơn một chút (gần 2 x 108 m/s), do đó các bước sóng cũng khác nhau

Để mô tả một tín hiệu WDM, ta có thể sử dụng hoặc tần số hoặc bước sóng của

nó Bước sóng được đo bằng đơn vị là nanomet (nm) hoặc micromet ( µm hoặc microns) (1 nm = 10-9 m, 1 µm = 10-6 m) Các bước sóng ưa được dùng trong thông tin quang tập trung xung quanh 0.8, 1.3 và 1.55 µm Các bước sóng này nằm trong dải hồng ngoại, không thể nhìn thấy đối với mắt người Tần số được đo bằng đơn vị Hertz (hoặc số chu kỳ trên giây), tiêu biểu hơn là megahertz (1 MHz = 106 Hz), gigahertz (1 GHz = 109 Hz), hoặc Terahertz (1 THz = 1012 Hz) Sử dụng c = 3 x 108 m/s, một bước sóng 1.55 µm sẽ tương ứng với một tần số xấp xỉ 193 THz hay 193 x 1012 Hz

Một thông số được quan tâm khác là khoảng cách kênh, là khoảng cách giữa hai bước sóng hoặc tần số trong một hệ thống WDM Khoảng cách kênh có thể được đo bằng đơn vị của bước sóng hoặc tần số Mối liên hệ giữa hai đại lượng có thể đạt được bắt đầu từ phương trình f = c / λ

Lấy vi phân chương trình này quanh một giá trị trung tâm λ0 , ta được mối liên hệ giữa khoảng cách tần số ∆f và khoảng cách bước sóng ∆λ là:

số, nơi mà năng lượng của tín hiệu trải dài qua một tập tần số Sự biểu diễn này được gọi là phổ công suất, hoặc đơn giản là phổ Băng thông tín hiệu là độ rộng phổ của tín

hiệu Băng thông cũng có thể được đo trong miền tần số hoặc trong miền bước sóng, nhưng hầu hết được đo trong miền tần số Lưu ý rằng chúng ta đang sử dụng thuật ngữ băng thông khá lỏng lẻo Băng thông và tốc độ bit của một tín hiệu số liên quan nhau nhưng không giống nhau một cách chính xác Băng thông thường được đo bằng kilohertz, megahertz hoặc gigahertz, trong khi đó tốc độ bit được tín bằng kilobit/giây (kb/s), megabit/giây (Mb/s), hoặc Gigabit/giây (Gb/s) Mối liên quan giữa hai đại lượng phụ thuộc vào dạng điều chế được sử dụng Ví dụ như, một đường giây điện thoại cung cấp băng thông 4 kHz, nhưng kỹ thuật điều chế phức tạp cho phép chúng ta thực hiện một tốc độ bit 56kb/s qua đường dây điện thoại này Tỉ số của tốc độ bit với băng thông

có sẵn được gọi là hiệu suất phổ Các hệ thống thông tin quang sử dụng các kỹ thuật điều chế khá đơn giản mà đạt được hiệu suất phổ khoảng 0.4 bits/s/Hz Vì thế hợp lý khi cho rằng một tín hiệu ở tốc độ 10Gb/s sử dụng băng thông xấp xỉ 25 Ghz Lưu ý rằng băng thông tín hiệu cần đủ nhỏ hơn khoảng cách kênh; nếu không ta sẽ gặp các nhiễu không mong muốn giữa các kênh kế nhau và méo của chính tín hiệu

2.1.5.2 Các tiêu chuẩn bước sóng

Các hệ thống WDM ngày nay chủ yếu sử dụng vùng bước sóng 1.55 µm vì hai lý do: mất mát vốn có trong sợi quang thấp nhất ở vùng này, và các bộ khuếch đại xuất sắc sẵn có trong vùng đó Các bước sóng và tần số được sử dụng trong các hệ thống WDM được tiêu chuẩn hóa trên một lưới tần số bởi Hiệp Hôi Viễn Thông Quốc Tế ( ITU ) Nó

là một lưới vô tận tập trung ở 193.1 THz, một phần của nó được chỉ ra trong hình 2.5.ITU quyết định tiêu chuẩn hóa mạng lưới trong miền tần số dựa vào các khoảng cách kênh tương đương 50 GHz hoặc 100 GHz Quan sát thấy rằng nếu nhiều kênh được cách đều nhau theo bước sóng, thì sẽ không cách đều một cách chính xác trong miền tần số và ngược lại

Ngày nay, ta đang bắt đầu nhìn thấy những hệ thống sử dụng các khoảng cách kênh 25 GHz Chúng ta cũng đang thấy nhiều băng truyền dẫn được sử dụng Các hệ thống trước đây sử dụng băng C, hoặc băng quy ước ( xấp xỉ 1530- 1565 nm) Sử dụng băng L, hoặc băng có bước sóng dài ( xấp xỉ 1565- 1625 nm), đã trở nên khả thi gần đây với sự phát triển của các bộ khuếch đại quang trong dải này

Hình 2 : Lưới tần số sử dụng trong hệ thống WDMđược quy định bởi ITU

Nó được chứng minh rằng khó đạt được sự thỏa thuận từ những nhà sản xuất và các nhà cung cấp dịch vụ WDM khác nhau trên những tiêu chuẩn bước sóng cụ thể hơn Các nhà sản xuất WDM khác nhau dùng các phương pháp khác nhau để tối ưu những thiết kế hệ thống của họ, vì thế kế hoạch hội tụ tại một bước sóng là điều khó khăn Tuy nhiên, tiêu chuẩn của ITU đã giúp tăng cường sự triển khai hệ thống này

2.1.5.3 Công suất quang và mất mát

Trong thông tin quang, việc sử dụng đơn vị decibel (dB ) để đo công suất và các mức tín hiệu gần như là phổ biến, trái với các đơn vị quy ước Lý do để làm điều này là công suất thay đổi qua nhiều mức trong một hệ thống Điều này dễ giải quyết với một tỉ

lệ logarit hơn là một thang đo tuyến tính Vả lại, sử dụng tỉ lệ này, các tính toán liên quan đến phép nhân trong miền quy ước trở thành các thao tác cộng trong miền decibel Các đơn vị Decibel được dùng để thực hiện các giá trị tương đối cũng như tuyệt đối

Để hiểu hệ thống này, ta xét một tuyến truyền dẫn sợi quang Giả sử ta phát một tín hiệu ánh sáng với công suất Pt watts (W) Dưới dạng đơn vị dB, ta có

(Pt )dBW = 10log(Pt )W

Trong nhiều trường hợp, đo công suất quang bằng miliwatts (mW) thuận tiện hơn

và ta có một giá trị dBm là

(Pt )dBm = 10log(Pt )mW

Ví dụ như, một công suất 1 mW tương ứng 0 dBm hoặc -30dBW Một công suất

10 mW tương ứng với 10 dBm hoặc -20dBW

Khi truyền qua sợi quang, tín hiệu ánh sáng sẽ suy hao; nghĩa là công suất nó bị giảm Ở đầu cuối của đường truyền, ta giả sử công suất nhận được là Pr Thì mất mát γ của đường truyền được định nghĩa là γ = Pr / Pt

2.2 Các đặc tính của thông tin quang

Trong thông tin sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễm cảm ứng sóng điện tử Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, và các tín hiệu hỗn hợp thông qua một

hệ thống có cự ly đến 100 GHz-Km Tương ứng, bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể được truyền đến những địa điểm cách xa hàng 100 Km mà không cần đến các bộ tái tạo

Thứ hai, sợi quang nhỏ nhẹ và không có xuyên âm Do vậy, chúng có thể được lắp đặt dễ dàng ở các thành phố, tàu thủy, máy bay và các tòa nhà cao tầng không cần phải lắp thêm các đường ống và cống cáp

Thứ ba, vì sợi quang được chế tạo từ các chất điện môi phí dẫn nên chúng không chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu của sóng điện từ và của xung điện từ Vì vậy, chúng có thể sử dụng để truyền dẫn mà không có tiếng ồn Điều đó có nghĩa là nó có thể lắp đặt cùng với cáp điện lực và có thể sử dụng trong môi trường phản ứng hạt nhân.

Thứ tư, do nguyên liệu chủ yếu để sản xuất sợi quang là cát và chất dẻo là những thứ rẻ hơn đồng – nên có kinh tế hơn cáp đồng trục Giá thành của sợi quang sẽ giảm nhanh một khi công nghệ mới được đưa ra Ngoài ra, do đặc trưng là có độ tổn thất thấp giá thành lắp đặt ban đầu cũng như giá thành bảo dưỡng và sửa chữa thấp bởi vì chúng cần ít các bộ tái tạo hơn

Ngoài những ưu điểm đã nêu trên, sợi quang có độ an toàn, bảo mật cao, tuổi thọ dài và có khả năng đề kháng môi trường lớn Nó cũng dễ bảo dưỡng, sửa chữa và có độ tin cậy cao Hơn nữa, nó không bị rò rỉ tín hiệu và dễ kéo dài khi cần và có thể chế tạo với giá thành thấp Trong bảng 2.1, chúng ta tổng hợp các ưu điểm trên Nhờ những ưu điểm này, sợi quang được sử dụng cho các mạng lưới điện thoại, số liệu/máy tính, và phát thanh truyền hình (dịch vụ băng rộng) và sẽ được sử dụng cho ISDN, điện lực, các ứng dụng y tế và quân sự, cũng như các thiết bị đo

Bảng 2.1: Ưu điểm và nhược điểm của sợi quang

bị đường dây dẫn

Giảm kích thước đường

truyền dẫn

Dễ lắp đặt và bảo dưỡng

tin an toàn

Cần có các đường dây cấp nguồn cho tiếp phát

phí sản xuất rẻ

Cần có các phương thức chỉnh lõi mới (cáp)

tiến bộ công nghệ mới

2.3 Truyền tín hiệu trong sợi quang

Sợi quang là một môi trường truyền thông đặc biệt so với các môi trường khác như cáp đồng hay không gian tự do Một sợi quang cho suy hao thấp trên một phạm vi tần số rất lớn tối thiểu là 25 THz, thậm chí cao hơn với các sợi đặc biệt Băng thông này

đủ để mang hàng trăm triệu cuộc gọi đồng thời, hoặc hàng chục triệu trang Web trên giây Đặc tính này cho phép tín hiệu được truyền qua những khoảng cách xa ở tốc độ cao trước khi cần khuếch đại hay tái lặp lại Vì thế, các hệ thống thông tin sợi quang được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Vì các hệ thống truyền thống mở rộng ra cho những khoảng cách xa và các tốc độ bit cao hơn, tán sắc trở thành một yếu tố hạn chế quan trọng Tán sắc là hiện tượng các thành phần khác nhau của tín hiệu lan truyền với những tốc độ khác nhau trong sợi quang Đặc biệt, tán sắc sắc thể chỉ hiện tượng các thành phần tần số (hay bước sóng) khác nhau của tín hiệu lan truyền trong sợi với những vận tốc khác nhau Trong hầu hết trường hợp, tán sắc dẫn đến sự mở rộng xung và vì thế các xung tương ứng với các bit gần kề sẽ xen nhiễu nhau Hiện tượng này được gọi là ISI Mặt khác, các hệ thống cũng tiến hóa với số bước sóng lớn hơn, ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang bắt đầu đưa ra những hạn chế nghiệm trọng

2.3.1 Sự truyền ánh sang trong sợi quang

Một sợi quang gồm có một lõi hình trụ được bao quanh bởi một lớp vỏ Cả phần lõi và phần vỏ đều được làm chủ yếu từ silica (SiO2), có chỉ số khúc xạ xấp xỉ 1.45 Chỉ

số khúc xạ của vật liệu là tỉ số tốc độ ánh sáng trong chân không so với tốc độ ánh sáng trong vật liệu đó Trong quá trình sản xuất sợi, một số tạp chất nào đó được đưa vào trong lõi hoặc vỏ để cho chỉ số khúc xạ trong lõi hơi cao hơn của vỏ Các nguyên liệu như germami hoặc photpho làm tăng chỉ số khúc xạ của cilica và được dùng làm chất thêm vào cho phần lõi, trong khi chất Bo hoặc Flo làm giảm chỉ số khúc xạ của cilica nên được dùng làm tạp chất cho lớp vỏ

Ánh sáng có thể được xem như một chùm tia truyền theo những đường thẳng trong một môi trường và bị phản xạ hoặc khúc xạ ở bề mặt giữa hai vật liệu khác nhau Hình 2.6 chỉ ra giao diện giữa hai môi trường có chỉ số khúc xạ là n1 và n2 Một tia sáng

từ môi trường 1 tới mặt phân cách của môi trường 1 với môi trường 2 Góc tới là góc giữa tia tới và pháp tuyến với bề mặt chung giữa hai môi trường được biểu thị là θ1 Phần năng lượng bị phản xạ vào môi trường 1 là một tia phản xạ, phần còn lại đi xuyên qua môi trường 2 là một tia khúc xạ Góc phản xạ θ1r là góc giữa tia phản xạ và pháp tuyến của giao diện; tương tự, góc khúc xạ θ2 là góc giữa tia khúc xạ và pháp tuyến θ1 =

θ1

Theo định luật Snell: n1sinθ1 = n2 sinθ2

Khi góc tới θ1 tăng lên, góc khúc xạ θ2 cũng tăng Nếu θ2 = 900, thì thì sinθ1 = n2/n1 Lúc đó θ1 được gọi là góc tới hạn có giá trị θc = sin-1(n2/n1), với n1 > n2.

Với những giá trị θ2 > θc , sẽ không có tia khúc xạ, và tất cả năng lượng từ tia tới được phản xạ hết Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần

Hình 2.6: Sự phản xạ và khúc xạ các tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường

Như vậy điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần là:

chiết quang nhỏ hơn

Ánh sáng truyền trong sợi quang do hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra ở bề mặt giữa phần lõi và vỏ Hình 2 mô tả ánh sáng được phép từ môi trường bên ngoài (không khí với chiết xuất n0) vào sợi

Hình 2.7 : Ghép ánh sáng từ bên ngoài vào sợi quang 2.3.2 Cấu trúc một sợi quang

Sợi quang thực chất là một sợi thủy tinh nhỏ hoạt động như một ống dẫn sóng cho phép truyền các sóng điện từ như ánh sáng Cấu trúc hai lớp của sợi quang nhằm đảm bảo được sự lan truyền ánh sáng trong sợi

Hình 2.8: Cấu trúc cáp sợi quang

Một trong những khó khăn chính của truyền thông quang là sự suy giảm tín hiệu truyền trong sợi Suy giảm tăng lên khi chiều dài sợi quang tăng, tuy nhiên lượng suy giảm phụ thuộc vào bước sóng của tín hiệu Có ba cửa sổ suy hao thấp nằm trong giải bước sóng hồng ngoại là 0.8, 1.3 và 1.55 µm Suy hao ít nhất khoảng 0.25 dB/km trong dải 1.5 µm nên được dùng trong các ứng dụng khoảng cách xa, và khoảng 0.5 dB/km trong dải 1.3 µm được dùng chủ yếu ở các ứng dụng nội bộ, tốc độ cao Những sợi này cho phép truyền những tín hiệu ánh sáng qua những khoảng cách dài hàng chục km trước khi cần phải tái tạo lại Một mode trong sợi quang tương ứng với một trong nhiều đường đi mà sóng có thể truyền xuyên qua sợi Nói chung, khi đường kính của lõi lớn

sẽ cho nhiều mode truyền sóng hơn Sợi quang đa mode có đường kính lõi khoảng 50

µm đến 85 µm Loại sợi này thuận lợi trong việc tiếp nhận ánh sáng từ nguồn Do đó có thể sử dụng các nguồn ánh sáng không đắt như diot phát quang (LED) Tuy nhiện, sợi

đa mode có bất lợi là tạo ra hiện tượng tán xạ mode Do mỗi mode truyền với một tốc

độ khác nhau sẽ đến đầu cuối với những tốc độ khác nhau, kết quả là xung bị trải ra trong miền thời gian Do vậy, sợi đa mode được dùng ở những ứng dụng khoảng cách ngắn Một cách để làm hạn chế hiện tượng tán xạ này là giảm số mode bằng cách giảm đường kính lõi Với đường kính lõi khoảng 8 – 10 µm, ta có sợi đơn mode Sợi đơn

mode loại trừ hiện tượng tán xạ, vì thế cho phép truyền qua những khoảng cách rất xa Tuy nhiên, để ghép ánh sáng vào sợi, cần phải sử dụng những thiết bị đắt tiền như laser

Bảng 2.2: So sánh sợi quang theo vật liệu chế tạo

Đặc tính kỹ thuật

Kích thước sợi

(9/125µm),(50/125µm), (62.5/125

µm)

Đường kính lõi: 0,5-1mm

Ưu khuyết điểm

- Chất lượng tốt nhất

- Giá thành đắt

- Hàn nối khó

Chất lượng và giá thành nằm giữa sợi thủy tinh và sợi Plastic

- Chất lượng thấp

- Giá thành hạ

- Hàn nối dễỨng dụng

- Truyền dẫn thông tin

- Hệ thống viễn thông, mạng máy tính

Tự động hóa

2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của sợi quang

2.3.3.1 Suy hao của sợi quang và băng thông

Hay αdB = (10log10e) α ≈ 4.343α.

b.Đặc tuyến suy hao:

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy thuộc vào loại sợi Hình 2.8 cho thấy suy hao trong silica như là một hàm theo bước sóng Ta thấy rằng suy hao nhỏ nhất

ở ba dải bước sóng dùng cho truyền thông quang: 0.8 µm, 1.3 µm và 1.55 µm

Dựa vào đặc tính của những bộ khuếch đại, dải 1.55 µm được chia thành ba vùng, được vẽ trong hình 2.9:

Hình 2.9: Suy hao trong silica

Hình 2.10: Ba vùng bước sóng trong dải 1.55 µm 2.3.3.2 Tán sắc trong sợi quang

Tán sắc là sự mở rộng thời gian của một xung khi nó lan truyền qua sợi quang.Tán sắc làm giới hạn khoảng cách bit và tốc độ truyền cực đại trên một kênh thông tin quang

Như đã đề cập ở trên, tán sắc xảy ra khi nhiều mode của cùng một tín hiệu truyền

ở những vận tốc khác nhau dọc theo sợi quang, tán sắc loại này được gọi là tán sắc mode Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode

Một dạng tán sắc khác là tán sắc vật liệu hay tán sắc màu Trong một môi trường phân tán, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng Vì vậy, nếu tín hiệu truyền dẫn bao gồm nhiều bước sóng, một số bước sóng nào đó sẽ truyền nhanh hơn các bước sóng khác Vì không có laser nào có thể tạo ra một tín hiệu bao gồm chính xác một bước sóng, hay nói khác đi, vì bất cứ thông tin nào mang tín hiệu cũng có độ rộng phổ khác không, tán sắc vật liệu sẽ luôn xảy ra trong hầu hết các hệ thống

2.3.3.3 Các ảnh hưởng phi tuyến

Các ảnh hưởng phi tuyến trong sợi quang có khả năng gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng trong việc thực hiện các hệ thống thông tin quang WDM Ảnh hưởng phi tuyến có thể dẫn đến suy hao, méo dạng và nhiễu xuyên kênh Trong một hệ thống WDM, hiệu ứng này đặt ra những ràng buộc về khoảng cách giữa các kênh bước sóng liên tiếp nhau, hạn chế công suất cực đại trên bất cứ kênh nào, và vì thế cũng hạn chế tốc độ bit cực đại

Có hai dạng ảnh hưởng phi tuyến Dạng thứ nhất xuất hiện do sự tương tác giữa các sóng ánh sáng với sự rung động phân tử trong môi trường silica – một trong nhiều

dạng của hiệu ứng khuếch tán Có hai dạng khuếch tán chính là khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS) và khuếch tán tích lũy Raman (SRS).

Loại ảnh hưởng phi tuyến thứ hai xuất hiện do sự phụ thuộc của chỉ số khúc xạ vào cường độ quang của các tín hiệu quang truyền xuyên qua sợi Vì vậy, pha của ánh sáng của bộ thu sẽ phụ thuộc vào pha ánh sáng được gởi từ bên phát, chiều dài sợi và cường độ quang Các hiệu ứng phi tuyến quan trọng nhất loại này gồm có: tự điều chế pha (SPM), và trộn bốn bước sóng (FWM)

a Tự điều chế pha (SPM):

Tự điều chế pha gây ra bởi sự biến đổi công suất của một tín hiệu quang và kết quả là làm biến đổi pha của tín hiệu Lượng dịch pha gây ra bởi SPM là:

φNL = n 2 k 0L|E|2

Trong đó n2 là hệ số phi tuyến cho chỉ số khúc xạ, k0 = 2π/λ, L là chiều dài sợi, và

|E|2 là cường độ quang Trong các hệ thống khóa dịch pha (PSK), SPM có thể làm hạ phẩm chất hệ thống, vì đầu thu phụ thuộc vào thông tin pha SPM cũng dẫn đến giãn độ rộng phổ các xung Những thay đổi tức thì trong một pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ tín hiệu sẽ dẫn đến những thay đổi tức thời về tần số xung quanh tần số trung tâm của tín hiệu Đối với những xung rất ngắn, các thành phần tần số thêm vào tạo ra bởi SPM kết hợp với các hiệu ứng tán sắc vật liệu cũng làm cho xung bị trải ra hoặc nén lại trong miền thời gian, ảnh hưởng tốc độ bit cực đại và tỉ lệ lỗi bit

b Điều chế xuyên pha (XPM):

XPM là sự dịch pha của tín hiệu gây ra bởi sự thay đổi cường độ của một tín hiệu truyền ở một bước sóng khác XPM có thể làm phổ mở rộng bất đối xứng, và kết hợp với SPM và tán sắc, cũng có thể ảnh hưởng đến hình dạng xung trong miền thời gian.Mặc dù XPM có thể làm hạn chế việc thực hiện các hệ thống sợi quang, nó cũng

có một số ứng dụng quan trọng XPM có thể dùng để điều chế tín hiệu “bơm” ở một bước sóng từ một tín hiệu được điều chế trên một bước sóng khác Các kỹ thuật này có thể được dùng trong các thiết bị chuyển đổi bước sóng

c Khuếch tán tích lũy Raman (SRS):

Khuếch tán tích lũy Raman gây ra do sự tương tác ánh sáng với những phân tử Ánh sáng đi vào gặp những phân tử tạo ra ánh sáng khuếch tán ở một bước sóng dài hơn bước sóng ban đầu Một phần ánh sáng di chuyển trong sợi tích cực Raman bị dịch xuống vùng tần số thấp hơn Ánh sáng được tạo ra từ tần số thấp hơn được gọi là

Stokes wave Phạm vi tần số chiếm bởi Stokes wave được xác định bởi phổ độ lợi Raman thấp hơn tần số ánh sáng đi vào khoảng 40 THz Trong sợi silica, Stokes wave

có một độ lợi cực đại ở tần số thấp hơn tần số tín hiệu ngõ vào khoảng 13.2 THz

Phần công suất truyền cho sóng Stokes tăng nhanh khi công suất tín hiệu ngõ vào tăng Khi công suất ngõ vào rất cao, SRS sẽ làm cho hầu hết tất cả các công suất ngõ vào chuyển sang sóng Stokes

Trong các hệ thống đa bước sóng, các kênh bước sóng ngắn hơn sẽ mất một số công suất cho mỗi kênh bước sóng cao hơn trong phổ độ lợi Raman Để giảm lượng mất mát, công suất trên mỗi kênh cần phải thấp hơn một mức nào đó Người ta chứng minh rằng, trong một hệ thống 10 kênh với khoảng cách kênh 10 nm, công suất trên mỗi kênh nên được giữ thấp hơn 3 mW để tối thiểu hóa các ảnh hưởng của SRS

d Khuếch tán tích lũy Brillouin (SBS):

SBS tương tự như SRS, ngoại trừ dịch tần số bị gây ra bởi các sóng âm thanh chứ không phải là sự dao động phân tử Các đặc điểm khác của SBS là các sóng Stokes truyền theo hướng ngược lại với ánh sáng đi vào, và SBS xảy ra ở công suất ngõ vào tương đối thấp cho các xung rộng (lớn hơn 1µs) nhưng lại ảnh hưởng không đáng kể đối với các xung ngắn (ngắn hơn 10 ns) Cường độ ánh sáng khuếch tán trong SBS lớn hơn nhiều trong SRS, nhưng phạm vi tần số của SBS trong tầm 10 GHz thấp hơn nhiều

so với SRS Độ lợi băng thông của SBS cũng chỉ trên 100 MHz

Để ngăn các ảnh hưởng của SBS, công suất ngõ vào phải dưới một mức ngưỡng nào đó Trong các hệ thống đa bước sóng, khuếch tán tích lũy Brillouin cũng gây ra xuyên kênh giữa các tín hiệu

e Trộn bốn bước sóng (FWM):

Trộn bốn bước sóng xảy ra khi hai bước sóng, hoạt động ở các tần số f1 và f2, trộn với nhau để tạo ra các tín hiệu 2f1 – f2 và 2f2 – f1 Các tín hiệu thêm vào, cũng có thể gây nhiễu nếu chúng trùng với các tần số dùng để truyền dữ liệu Tương tự, trộn củng có thể xảy ra giữa sự kết hợp của ba bước sóng hoặc nhiều hơn Ảnh hưởng cùa FWM trong các hệ thống WDM có thể giảm xuống bằng cách sử dụng các kênh được cách nhau không đồng đều

FWM có thể được dùng để cung cấp chuyển đổi bước sóng

2.4 Các thành phần trong hệ thống thông tin quang

Trong thông tin quang, tín hiệu quang (ánh sáng) được phát đi ở nguồn truyền qua

Mux Demux

Amplifier

phổ biến nhất là điều chế OOK (on-off keying) Tín hiệu vào được phát hiện trực tiếp ở

bộ thu và việc quyết định được dựa vào năng lượng tích lũy trong một thởi khoảng bit.Một hệ thống thông tin quang cơ bản gồm có những thành phần như: các bộ nối,

bộ phát quang, bộ thu quang, các bộ khuếch đại quang, các chuyển mạch, các bộ lọc, các bộ ghép và tách kênh quang Hình 2.10 cho thấy những thành phần của một hệ thống thông tin quang với một bộ khuếch đại

Hình 2.11: Hệ thống thông tin quang 2.4.1 Các bộ ghép

Một bộ ghép định hướng được dùng để kết hợp và chia các tín hiệu trong một mạng quang Một bộ ghép 2 x 2 bao gồm hai cổng vào và hai cổng ra, như chỉ ra trong hình 2.11 Các bộ ghép được sử dụng rộng rãi nhất được làm bằng cách nối hai sợi với nhau ở giữa Chúng cũng có thể được chế tạo bằng cách dùng ống dẫn sóng Bộ ghép lấy một phần nhỏ công suất (α) từ ngõ vào 1 để đưa ra ngõ ra 1 và phần còn lại (1-α) đưa ra ngõ 2 Tương tự, phần công suất (1-α) từ ngõ vào 2 được phân phối đến ngõ ra 1, phần còn lại (α) đến ngõ ra 2 Ta gọi α là tỉ số ghép

Hình 2.12: Bộ ghép định hướng

Transmitter (ITU Laser)

Transmitter (ITU Laser)

Transmitter (ITU Laser)

Transmitter (ITU Laser)

ReceiverReceiverReceiverReceiver