Ebook các bài thí nghiệm thông tin quang (dùng cho chuyên ngành điện tử viễn thông) phần 2

NA = sinθA - Nếu khẩu độ số của sợi quang NA1 lớn hơn khẩu độ số NA2 của bộ tách quang thì một phần công suất bức xạ sẽ bị tổn hao LOSSNA: LOSSNA = 20lgNA1/NA2 khi NA1>NA2 - Bộ tách qua

Bài tập 4-1 : Bộ tách quang

Mục đích: Tìm hiểu các thiết bị trong hệ thống quang dùng để chuyển đổi tín hiệu

quang thành tín hiệu điện

Tóm l−ợc:

- Bộ tách quang có một bộ cảm biến

quang đ−ợc che viền xung quanh bằng

viền chắn Viền chắn đảm bảo rằng chỉ

công suất bức xạ bởi sợi quang đ−ợc

chuyển đổi Để tránh suy hao, viền chắn

- Bộ tách quang không cảm thụ ánh sáng nằm ngoài hình nón tiếp nhận của nó

- Bộ tách quang có góc nhận của nó (θA), bởi vậy cũng có khẩu độ số tương ứng

NA = sin(θA)

- Nếu khẩu độ số của sợi quang NA1 lớn hơn khẩu độ số NA2 của bộ tách quang thì một phần công suất bức xạ sẽ bị tổn hao LOSSNA:

LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2

- Bộ tách quang không thể cảm thụ được công suất bức xạ ở ngoài vùng cảm quang hiệu quả của nó Nếu đường kính của chùm sáng Dia1 lớn hơn đường kính của vùng cảm quang hợêu quả Dia2 của bộ tách quang thì xảy ra suy hao công suất bức xạ LOSSUI:

LOSSUI = 20 lg(Dia1/Dia2) Với Dia1>Dia2

- Nếu bộ tách quang có một thấu kính thì

vùng cảm quang hiệu quả của nó có thể

tăng lên Đường kính vùng cảm quang

hiệu quả Dia2 tương đương bằng vùng

cảm quang hiệu quả vật lý Dia2p của

phần tử cảm quang, nhân với hệ số

khuếch đại của thấu kính Lm:

Dia2 = Dia2p x Lm

- Hệ số đáp ứng Rp là tỉ số giữa công suất bức xạ đầu vào bộ tách

quang với dòng điện đầu ra tương ứng Ip :

Rp = Ip / Φe

- Hệ số đáp ứng được phân loại đối với từng bước sóng, bởi vì độ

nhạy của bộ tách quang thay đổi theo bước sóng

3 Dùng sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125 để nối bộ

phát FOT với bộ thu FOR

4 Tắt nguồn tấm đế trước khi chuyển các cầu nối trên khối POWER SUPPLY về vị trí ANALOG Sau khi đặt xong các cầu nối này, bật cấp nguồn trở lại cho tấm đế

Với phần phát FOT, trong chế độ ANALOG, dòng thay đổi thông thường đảm bảo công suất 11.4 àW (Φe) tại đầu cuối sợi quang thủy tinh 1m

5 Nối một đồng hồ giữa FOR và đất (GND) và đặt chế độ đo áp một chiều

6 Đo điện áp một chiều tại jack đầu ra FOR (chế độ có nối):

Không nối 730 mV

Lưu ý : Các giá trị điện áp chuẩn trong bảng trên được cho để tham khảo tại mục

này và các mục sau Tuy nhiên, các tính toán phải thực hiện trên các giá trị thực đo

8 Tìm sự thay đổi VFOR (DV) khi công suất ánh sáng thay đổi từ không nối sang nối:

DV = VFORD - VFORC = mV

/Suy hao tại tiếp giáp sợi quang-bộ tách quang:

9 Suy hao do lệch kích thước LOSSUI = 20 lg(Dia1/Dia2) khi Dia1>Dia2 và suy hao do lệch khẩu độ số LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2 Tại tiếp giáp Sợi quang thủy tinh-Bộ tách quang như chỉ ra dưới đây:

Sợi quang thủy tinh Bộ tách quang

Các tham số của bộ thu quang

Độ nhạy Rp 5.1 mV/àW 7 mV/àW 10.9 mV/àW

NA tương đương 0.35 Dia tương đương 250àm

12 Giả sử rằng thay đổi công suất ra thực tế DΦ e của bộ phát FOT là nhỏ nhất

DV min= DΦ e min x Rp min = mV

13 Giả sử rằng thay đổi công suất ra thực tế DΦ e của bộ phát FOT là lớn nhất

thu

DV max= DΦ e max x Rp max = mV

DΦ e = 5 ữ 20àW Rp = 5.1 ữ 10.9 mV/àW

14 Giá trị DV nhận được có nằm trong khoảng DV min ữ DV max?

15 Vo DC là điện áp ra một chiều của FOR khi không có bức xạ công suất đưa

đến bộ tách quang(Φe=0àW) Bạn sẽ quan sát được điện áp ra của bộ thu FOR là 730 mV khi nó không được nối với nguồn quang

Giá trị Vo DC mà bạn đo được có phù hợp với tham số đã cho của bộ thu quang (FIBER OPTIC RECEIVER Specification)?

16 Bộ thu tạo ra cả tạp âm nhiệt (thermal noise) và các tiếng nổ (Shot noise)

mà chúng tương tự như một điện áp ngẫu nhiên trên đầu ra của bộ thu FOR Nhà sản xuất xác định rằng điện áp nhiễu (VNO) cực đại là 0.36 mVrms khi không có tín hiệu quang đầu vào

Tạp âm thu cũng có thể được đánh giá như công suất tạp âm quang

đầu vào tương đương (PN) và nó cũng được gọi là tạp âm nền

PN là công suất bức xạ (Φe) mà nó tạo ra VNO nếu nó không được tạo bởi bộ thu Tạp âm nền được tính bằng cách chia VNO cho độ nhạy Rp:

PN = VNO/Rp = àW

Tính tạp âm nền tiêu chuẩn (PN typ.) theo biểu thức trên Nhà sản xuất

bộ thu xác định công suất bức xạ đầu vào đỉnh (Φe) là 55àW (-12.6 dBm)

Các tham số của bộ thu quang

Độ nhạy Rp 5.1 mV/àW 7 mV/àW 10.9 mV/àW

NA tương đương 0.35 Dia tương đương 250àm

21 Đưa đầu đo CH2 của oscilloscope đến FOR để quan sát tín hiệu ra Điều chỉnh oscilloscope để có thể quan sát một số chu kỳ của tín hiệu vào (trên CH1) và của tín hiệu ra (trên CH2)

22 Quan hệ về pha như thế nào giữa tín hiệu quang đầu vào bộ thu với tín hiệu

điện đầu ra?

Các tham số của bộ thu quang

Độ nhạy Rp 5.1 mV/àW 7 mV/àW 10.9 mV/àW

NA tương đương 0.35 Dia tương đương 250àm

Thông thường bộ thu này có thời gian sườn lên là 14 ns và 0.35 thời gian sườn lên-băng thông tạo thành (0.35 = BW x tr)

24 Tính băng thông chuẩn của bộ thu này:

Các thay đổi trong công suất ra của bộ phát

FOT gây ra sự thay đổi dòng quang của

phototransistor Dòng quang được khuếch đại

bởi hệ số khuếch đại dòng tải (β) của transistor,

tạo ra sự thay đổi lớn trong dòng Ip (qua tải

Emitter 1KΩ) Trở Emitter 1KΩ chuyển đổi

dòng Ip thành điện áp, được hiển thị trên CH2

của oscilloscope

28 Đo cẩn thận thời gian sườn lên của tín hiệu trên kênh CH2:

tr = ns

Điện dung làm hạn chế độ rộng băng của phototransistor này khoảng

không luôn bằng thời gian

yêu cầu để truyền một tín

hiệu mức thấp (tphl) Sự khác

nhau giữa các thời gian

truyền này (tphl - tplh) làm sai

(méo) độ rộng xung đầu ra

của bộ thu FOR là 2 ns Hãy tính

độ rộng xung đầu ra của bộ thu

FOR

Tóm lược:

Các bộ tách quang là tác nhân của các suy hao chuyển tiếp giữa sợi quang

và bộ biến đổi quang-điện

Độ nhạy là một tham số của bộ tách quang, đáp ứng (phản ứng) trước công suất quang tác động vào nó

Sự khác nhau giữa thời gian truyền sườn lên và sườn xuống gây ra méo độ rộng xung tại đầu ra của bộ tách quang

Câu hỏi kiểm tra:

1 Sử dụng một bộ tách quang với băng thông được làm tăng bởi:

a Giảm độ rộng xung c Tăng sườn lên

b Tăng sườn xuống d Tăng suy hao chuyển tiếp

2 Bộ thu quang FOR trong bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS

a Sử dụng photodiode c Có một đầu ra đảo

b Chuyển đổi dòng quang thành điện áp d Tất cả các điều trên

3 Thước đo của một bộ tách quang trước công suất quang là gì?

a Độ nhạy c Công suất tạp âm quang đầu vào tương đương

Về tổng thể bộ thu quang FOR được xem như một bộ tách quang

ra của bộ thu nhằm hạn chế hiện tượng trôi mức

Mạch ra tương tự của bộ thu là một bộ khuếch đại đảo, nó sửa biên độ, trở

1 Tại sao các mạch ra tương tự và mạch ra số lại là các mạch đảo?

a Để đảo lại hàm đảo của bộ thu b Hệ thống yêu cầu các tín hiệu đảo thao tác thực hành:

Trước tiên chúng ta tìm hiểu về mạch ra của bộ thu tương tự

1 Tháo hết các cầu nối hai đầu khỏi bảng mạch

2 Tắt nguồn tấm đế trước khi chuyển các cầu nối trên khối

POWER SUPPLY về vị trí ANALOG Sau khi đặt xong

các cầu nối này, bật cấp nguồn trở lại cho tấm đế

3 Nối máy phát sóng chuẩn (Signal Generator) đến jack

R-IN Đưa đầu đo CH1 của oscilloscope đến R-IN để

quan sát tín hiệu từ máy phát Điều chỉnh máy phát sóng chuẩn tạo tín hiệu 20KHz, 100 mVp-p, hình sin Quan sát tín hiệu này trên CH1 của oscilloscope

4 Đưa đầu đo CH2 của oscilloscope đến jack R-OUT Quan sát tín hiệu trên CH2 của oscilloscope và điều chỉnh núm GAIN của khối ANALOG RECEIVER để tín hiệu ra tại R-OUT là 2 Vp-p

5 Đo góc pha θ giữa các tín hiệu trên CH1 và trên CH2

Tải hiệu dụng của trở 2.2 KΩ cũng ảnh hưởng đến băng thông của mạch

7 Mức điện áp một chiều nào tại đầu vào của bộ khuếch đại ?

a Tùy thuộc vào điện áp nguồn

b Giống tín hiệu gốc (từ máy phát sóng chuẩn)

Để bù suy hao công suất hệ thống, hệ số khuếch đại của bộ thu tương

tự được điều chỉnh trong khoảng 5ữ200

Tiếp theo chúng ta tìm hiểu về mạch ra của bộ thu số

11 Tắt nguồn tấm đế trước 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

12 Nối máy phát sóng chuẩn (Signal Generator) đến jack

D-IN Đưa đầu đo CH1 của oscilloscope đến D-IN để

quan sát tín hiệu từ máy phát Điều chỉnh máy phát

sóng chuẩn tạo tín hiệu 20KHz, 100 mVp-p, hình sin Quan sát tín hiệu này trên CH1 của oscilloscope

13 Đưa đầu đo CH2 của oscilloscope đến jack D-OUT

14 Đo điện áp của mức logic cao tại đầu ra D-OUT (trên CH2)

D-OUT = V

15 Đo điện áp của mức logic thấp tại đầu ra D-OUT (trên CH2)

18 Điện áp ra của bộ so sánh (trên IC LM360) là 0.25V Sử dụng công thức

bộ chia áp để tính điện áp trên đầu vào không đảo (VIN+)

VIN+ = 250 mV/16 = 15.6 mV

19 Điện áp trên đầu ra đảo của bộ so sánh (trên IC LM360) là 3.5V Hãy tính

điện áp trên đầu vào đảo của bộ so sánh (VIN-)

VIN- = 3500 mV/16 = 220 mV

20 Chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của bộ so sánh theo tính toán là:

VDIFF = VIN+ - VIN- = 15.6 – 220 = - 203 mV

21 Sử dụng đồng hồ để đo chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của bộ so sánh trên các trở 1KΩ

VDIFF = mV

22 Nếu bộ so sánh chuyển từ mức thấp sang mức cao thì điện áp một chiều thay đổi từ –203 mV sang 203 mV Điện áp phản hồi (VDIFF) thay đổi cùng chiều với điện áp ra của bộ so sánh?

™ Phản hồi dương làm bộ so sánh có hiện tượng trễ

™ Đầu vào của bộ so sánh cần vượt quá 203 mV của mức trễ để chuyển trạng thái đầu ra

™ Tạp âm hệ thống thấp hơn mức trễ sẽ bị gạt

- Tín hiệu AC ghép tại các đầu vào loại bỏ thành phần một chiều, làm cho bộ

so sánh không cảm nhận trôi mức DC Sườn lên và sườn xuống chứa thành phần thay đổi (AC), được truyền qua các tụ ghép, làm chuyển trạng thái của

bộ so sánh

- Bộ so sánh tách các thay đổi (chuyển trạng thái) và chốt sang trạng thái mới

23 Tại sao đầu ra không đảo của bộ tiền khuếch đại điều khiển đầu vào đảo của bộ so sánh?

a Cung cấp trễ mức (quán tính)

b Tăng các mức DC

c Để đảo các mức ra của bộ so sánh

24 Tháo cầu nối giữa D-IN (CH1) và đất Nối máy phát sóng chuẩn (GEN) tới jack D-IN và nối CH2 của oscilloscope tới trở R27

25 Điều chỉnh máy phát sóng chuẩn tạo tín hiệu 20KHz, 100 mVp-p, hình sin Quan sát tín hiệu này trên CH1 của oscilloscope

Chú ý: Đầu ra của bộ tiền khuếch đại (CH2) bị xén (xung vuông)

- Bộ lọc RC đ−ợc dùng để giới hạn băng thông của bộ khuếch đại và cải thiện khả năng chống nhiễu của hệ thống

- Trở 22Ω đặt hệ số khuếch đại cố định cho bộ tiền khuếch đại vi sai khoảng

27 Giả sử điện áp ra của bộ tiền khuếch đại không bị xén Hãy tính sự thay

đổi điện áp −ớc tính trên đầu vào vi sai của bộ so sánh với thay đổi mức

29 Đưa đầu đo CH1 đến D-OUT và điều chỉnh CH1 về thang đo 2V/Div

30 Đầu ra cắt của bộ tiền khuếch đại (CH2) ảnh hưởng bất lợi đến hoạt động của bộ thu DIGITAL RECEIVER?

- Mạch ra của bộ thu số sử dụng bộ so sánh điện áp vi sai, kết hợp với trễ mức (ng−ỡng)

- Bộ tiền khuếch đại làm tăng độ nhạy của mạch ra của bộ thu số (DIGITAL RECEIVER)

Các câu hỏi kiểm tra:

1 Những phần tử nào xác định giới hạn trên về tần số của mạch ra tương tự này?

b 100Ω và 47àF d 100Ω , 2.2KΩ và 330pF

2 Tại sao hệ số khuếch đại của mạch ra của bộ thu tương tự (ANALOG RECEIVER) lại cần phải điều chỉnh được?

a Cải thiện khả năng chống ồn b Bù các suy hao công suất hệ thống

c Đảm bảo phối hợp mức logic d Tăng năng lượng quang Φe

3 Các trở 15KΩ có tác dụng gì?

a Giảm hệ số khuếch đại của bộ so sánh b Phản hồi âm

4 Bộ khuếch đại MC1733 được dùng với mục đích gì?

a Cung cấp ngưỡng (Trễ mức) b Giảm ồn

c Cải thiện độ nhạy d Không phải các điều trên

5 Mục đích của mạch ra bộ thu là gì?

a Cung cấp đầu ra tương thích với hệ thống b Chuyển đổi quang-điện

c Chuyển đổi điện-quang d Cung cấp khả năng điều chỉnh

Kiểm tra chung bài 4

1 Trong phần thu FOR, bộ tách quang là :

a Một bộ tách xung b Không có tổn hao ghép

c Chuyển đổi quang-điện d Có đầu ra tín hiệu điện

2 Một photodiode có công suất vào khoảng 5àW và dòng quang là 25 mA Độ nhạy của diode đó là bao nhiêu?

3 Giảm băng thông của một bộ tách quang :

a Giảm độ rộng xung b Tăng thời gian xuống

c Giảm thời gian lên d Tăng suy hao ghép

4 Cho các tham số của bộ thu quang:

Các tham số của bộ thu quang

Độ nhạy Rp 5.1 mV/àW 7 mV/àW 10.9 mV/àW

NA tương đương 0.35 Dia tương đương 250àm

Tạp âm VNO (Φe=0) 0.30 mVrms 0.36 mVrmsTính tạp âm nền cực đại trong bộ thu này:

PN = VNO/Rp = àW

5 Tính suy hao lệch vùng lõi LOSSUI khi một sợi quang với Dia vùng lõi là

980 àm được ghép đến một bộ thu FOR cho ở mục 4

LOSSUI = 20 lg(Dia1/Dia2) khi Dia1>Dia2

6 Mạch ra của bộ thu được dùng với mục đích gì?

a Cung cấp đầu ra phù hợp hệ thống b Phối hợp trở kháng

c Phối hợp mức d Tất cả các điều trên

7 Ghép AC trong mạch ra của bộ thu số làm cho:

a Ngăn ngừa sự nhận biết xung b Hạn chế đáp ứng tần số cao

c Loại trừ trôi mức DC d Tất cả các điều trên

8 Bộ tiền khuếch đại trong bộ thu số (DIGITAL RECEIVER) :

a Có đầu ra phối hợp với seri 7400 b Tăng độ nhạy

c Tăng mức ngưỡng d Sử dụng phản hồi dương

9 Bộ so sánh trong bộ thu số (DIGITAL RECEIVER) :

a Có đầu ra số b Sử dụng phản hồi dương

c Cung cấp mức ngưỡng d Tất cả các điều trên

10 Tại sao các bộ lọc RC được sử dụng tại đầu vào của các mạch ra trong các bộ thu :

a Tạo ngưỡng b Tăng băng thông

Bài 5 các hệ thống thông tin quang

Mục đích: - Tìm hiểu các phép đo, kiểm tra trên các hệ thống thông tin quang

- Tính toán dự trữ năng lượng quang cho một liên kết sợi quang

Bạn sẽ kiểm định các kết quả của bạn bằng các dụng cụ đo như oscilloscope, đồng hồ, và các theo dõi trực tiếp

Kiến thức cơ bản:

Trong chi tiêu ngân quỹ của gia đình bạn, bạn thường bắt đầu bằng việc thống

kê lương và các nguồn thu nhập khác của gia đình bạn, và sau đó trừ các chi phí như các khoản thuê mướn, các nhu yếu phẩm, các tiện nghi sinh hoạt Nếu các chi tiêu của bạn lớn hơn các khoản thu nhập, thì ngân quỹ sẽ bị thâm hụt, và bạn cần tiến hành các điều chỉnh tương ứng

Lý tưởng là khi các khoản thu nhập của bạn lớn hơn các khoản chi tiêu Trong trường hợp đó, bạn sẽ có tích lũy vượt trội cho mục đích an toàn hoặc sử dụng cho các mục đích xa xỉ, đầu tư, sửa chữa nhà cửa, cải thiện điều kiện sống,…

Cũng tương tự như vậy, người thiết kế sử dụng một quỹ công suất quang để

cân đối với tổng công suất quang sử dụng cho hệ thống sợi quang (thu nhập

đối lập với tổng chi phí bởi các thành phần của hệ thống)

Trong một liên kết quang điển hình, một bộ phát có thể được nối đến một bộ thu thông qua hàng loạt các cáp sợi quang được mắc nối tiếp nhau

Có một suy hao công suất quang tương ứng với từng phần của liên kết đó

Ví dụ connector thứ nhất có suy hao L1, tiếp đó là đoạn cáp có suy hao L2, và tiếp tục như thế

Công suất ra của bộ phát …POUT

trừ tổng suy hao hệ thống …L1, L2, L3,…

phần còn lại (hiệu) PIN cần lớn hơn hoặc bằng công suất tối thiểu PIN minyêu cầu bởi bộ thu để đủ khả năng tái chuyển đổi tín hiệu quang Mức công

suất tối thiểu là Ngưỡng thụ cảm của bộ thu

Hình sau chỉ ra 2 ví dụ về suy hao công suất Ví dụ A, Phần công suất phụ

còn lại (so với mức PIN min) sau khi tất cả các suy

hao đã được trừ từ công suất ra của bộ phát Phần

này được gọi là dự trữ công suất quang OPM

Trong ví dụ B, các suy hao đủ lớn, vượt quá công

suất đầu vào thu tối thiểu (PIN min) Trong trường

hợp này bạn cần tiến hành các điều chỉnh cần thiết

để quỹ công suất quang không bị thâm hụt

1 Bạn cần tiến hành các điều chỉnh nào để giúp hệ thống giữ trong quỹ công suất quang?

a Tăng công suất phát b Chọn bộ thu có Ngưỡng thụ cảm tốt hơn

c Giới hạn số cáp và connector d Tất cả các điều trên

Các connector, các mối ghép, các bộ ghép thường không ảnh hưởng đến

tốc độ của hệ thống Vì thế, quỹ thời gian lên chỉ liên quan đến bộ phát

(Transmitter), bộ thu (Receiver) và sợi quang (Fiber)

Thời gian lên của hệ thống được tính bằng căn bậc hai tổng bình phương của từng thời gian lên thành phần và nhân với 1.1 để cho phép 10% các yếu tố mất phẩm chất của các phần tử:

2 Ví dụ, một hệ thống có thời gian lên là 17,5ns Bộ thu có thời gian lên là 10ns và sợi có thời gian lên là 1.75ns Hãy tính thời gian lên yêu cầu của bộ phát?

tr(Trans) = ns

Lưu ý: Không sử dụng hệ số 1.1 khi giải đối với từng thời gian lên thành phần

Hệ số này chỉ dùng để dự phòng sự mất phẩm chất đối với toàn bộ hệ thống

Các khái niệm và từ mới:

Quỹ công suất quang Optical Power Budget : Một quỹ mà nó đảm bảo công

suất quang tại đầu thu đủ để thực hiện việc liên lạc Chênh lệch giữa công suất cực tiểu của bộ phát với Ng−ỡng thụ cảm của bộ thu

Dự trữ công suất quang Optical Power Margin : Chênh lệch giữa công suất

quang của bộ phát, sau khi đã trừ các suy hao của các thành phần hệ thống, với Ng−ỡng thụ cảm của bộ thu

Quỹ thời gian lên- Rise Time Budget- Một dự trữ mà nó đảm bảo rằng thời

gian lên của toàn bộ các thành phần trong một mối liên kết sợi quang đáp ứng yêu cầu dịch vụ

Độ nhạy của bộ thu Receiver sensitivity – Một tham số của tín hiệu quang

yếu nhất mà bộ thu có thể thu đ−ợc khi đảm bảo tái tạo tín hiệu khả dụng, có thể biểu diễn bằng đơn vị àW hoặc dBm

Hệ số biến đổi Responsivity- tỷ lệ tín hiệu ra của photodiode với công suất

quang đầu vào

Khoảng động Dinamic Range – Hiệu giữa các mức công suất max và min hiệu

quả

Các thiết bị và dụng cụ cần dùng cho bài thí nghiệm:

- Tấm đế FACET

- Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS

- Nguồn 15Vdc (Nếu cần)

- Đồng hồ vạn năng

- Oscilloscope hai tia

- Máy phát sóng chuẩn, sine

Bài tập 5-1 : Quỹ công suất quang

Optical Power Budget

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 đưa vào liên kết sợi quang Tín hiệu quang được 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 đường 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 như 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 trước 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 được

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 như một đường dốc đi xuống, trong khi suy hao sợi quang là một hàm tăng theo chiều dài của sợi

Trong trường hợp lý tưởng, 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

(Ngưỡng thụ cảm bộ thu) Độ chênh lệch giữa hai mức này chính là Dự trữ

công suất quang (OPM- Optical Power Margin).

Thông thường 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 ngưỡng 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 được tại đầu thu là:

(-10dBm) – 1dB – 6dB – 1dB – 6dB – 1dB = -25dBm

2 Với công suất thu tại đầu thu như trên và ngưỡng 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 được có ý nghĩa gì?

a Hệ thống bị thâm hụt công suất quang

b Hệ thống trong khoảng dự trữ công suất quang

Các bước 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 trước 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

4 Đưa đầu đo CH1 của oscilloscope

đến jack D-OUT trên khối DIGITAL

5 Đo tần số của tín hiệu D-OUT

fCLK = MHz

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 bước tiếp sau bạn sẽ bắt đầu xác định quỹ công suất quang bằng việc xác định ngưỡng thụ cảm của bộ thu FOR trên bảng mạch

Tham số Ký hiệu Min Typ Max Unit

Công suất tạp âm quang đầu vào

Phần này của mảng dữ liệu bộ thu chỉ ra giá trị rms của công suất tạp âm

quang đầu vào tương đương PN PN chỉ ra tổng tạp âm trên toàn băng thông

thu Nó dùng để biểu diễn biên độ của tạp âm nội tương đương 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 được 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 tương đương

(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 tương đương của tạp âm đầu vào để đạt BER khoảng10-9

Kết quả này giúp ta tìm ngưỡng thụ cảm của phần thu quang (bộ thu)

7 Trong trường hợp xấu nhất, công suất quang tương đương của tạp âm đầu vào của bộ thu là -40.3dBm Hãy tìm ngưỡng thụ cảm của bộ thu

Ngưỡng thụ cảm = tạp âm + 11dB = -40.3dBm + 11dB =-29.3dBm

8 Chuyển Ngưỡng thụ cảm của bộ thu theo đơn vị àW

Ngưỡng thụ cảm = 10(dBm +3) = àW

Hình vẽ chỉ ra quan hệ của tạp âm thu và ngưỡng thụ cảm của bộ thu,

trên cơ sở đó tính toán quỹ công suất quang

Các bước 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 được 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 tương đương –19dBm theo àW

Pmin(60mA) = 10[Pmin(dBm)/10 +3] = 10[-19/10 +3] =12.6àW

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 được 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 tương đương Pmin(35mA) theo dBm

Pmin (35mA) = 10 lg(Pmin (35mA)/1mW) =110 lg(7.34/1000)= -21.3 dBm

Sử dụng phương pháp tính như trên, dựa vào Pmax(60mA) xác định được công suất cực đại tại dòng 35mA Pmax(35mA) là 23.4àW hay –16.3dBm Các mức công suất Pmin(35mA), Pmax(35mA) tìm được theo cả hai đơn vị àW và dBm được thêm vào

bảng tham số bộ phát Lưu ý rằng, các mức công suất của bộ phát giả định rằng bộ phát được 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 được tính cho tới kết nối thu

13 Bộ thu có một cổng quang đường kính

250àm Sẽ không có suy hao lệch vùng

LOSSUI tại đầu thu, bởi vì ánh sáng đi từ:

a Một đường kính nhỏ sang đường kính lớn hơn

b Một đường kính lớn sang đường 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 được xem xét đó là sự biến chất của nguồn quang theo thời gian Thông thường dự phòng cho lý do này là 3dB Như thế còn lại -25.2dBm

14 Tính lượng 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 trước khi quỹ công suất quang bị hụt quá ngưỡng

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 phương 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 trước của bộ phát và bộ thu

Trong các bước trên, bạn đã tính dự trữ công suất quang OPM cho trường hợp xấu nhất của công suất ra bộ phát và trường 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 trường hợp xấu nhất của điện áp tạp âm ra bộ thu

Tham số hiệu Ký Min Typ Max Unit Điều kiện

điện áp tạp

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

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

Sử dụng phương pháp trên, điện áp ra nhỏ nhất là khoảng 27.1mV, Các

điện áp ra cực đại và cực tiểu của bộ thu được đưa 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:

Bạn có thể xác định dự trữ công suất quang nhỏ nhất sử dụng tỉ số điện áp

đầu ra thu và ngưỡng 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 hưởng 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 như 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 Vo1m 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?

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:

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

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 các cấu hình cáp khác nhau và ghi các giá trị đó vào bảng

Lấy hiệu của giá trị dP1m.G+1m.P và giá trị dP1m.G+5m.G để tìm chênh lệch do thay thế 5m sợi quang thủy tinh bằng 1 m sợi quang chất dẻo Nếu giá trị này lớn hơn Dự trữ công suất quang OPM (11dB) thì bạn có thể kết luận rằng quỹ công suất đã bị hụt khi thay vào 1m cáp nhựa Mặc dù bạn đã có thể đo một mức điện áp ra thấp tại đầu ra bộ thu, tuy thế nó không đủ mạnh để đảm bảo một tỉ lệ lỗi bít BER khoảng 10-9