Đồ án tổng quang hệ thống thông tin quang

Do vậy, để hiểu rõ về hệ thống thông tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống; sơ đồ nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bư

Mục lục

CHƯƠNG 1 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Tổng quan 3

1.2.1 Lịch sử phát triển 3

1.2.2 Khái quát cơ bản về hệ thống thông tin quang 4

1.3 Khái quát hệ thống thông tin quang WDM 8

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang 10

1.4.1 Ưu điểm 10

1.4.2 Nhược điểm 10

1.5 Kết luận chương 11

2.1 Giới thiệu chương 12

2.2 Cấu trúc hệ thống 12

2.3 Bộ phát quang 12

2.3.1 Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode ) 13

2.3.2 LD ( Laser diode) 15

2.3.3 So sánh LED và LD 16

2.4 Bộ thu quang 17

2.4.1 Nguyên lý thu quang 18

2.4.2 Diode thu quang PIN 19

2.4.3 Diode thu quang APD 20

2.4.4 So sánh diode thu quang PIN và APD 20

2.4.5 Nhiễu trong máy thu quang 21

2.5 Cáp sợi quang 21

2.5.1 Nguyên lý truyền dẫn sợi quang 22

2.5.2 Sợi quang và cáp quang 25

2.6 Bộ khuếch đại quang 26

2.7 Các giá trị tham số của các thành phần 29

Mục lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

1.1 Giới thiệu chương

Hiện nay, thông tin quang đã trở thành tuyến truyền dẫn trọng yếu trên mạng lưới viễn thông Để đáp ứng nhu cầu lượng thông tin ngày càng tăng, hệ thống truyền dẫn cần phải phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống Do vậy, để hiểu rõ về hệ thống thông tin quang, đồ án bắt đầu đi vào tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống; sơ đồ nguyên lý của hệ thống; mạng thông tin ghép kênh theo bước sóng và các thành phần cơ bản; những ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.2 Tổng quan

1.2.1 Lịch sử phát triển

Thông tin xuất hiện trong đời sống xã hội loài người từ rất là sớm, để trao đổi thông tin cho nhau con người đã biết sử dụng hình ảnh để liên lạc Chẳng hạn từ thời cổ đại, người ta sử dụng khói để làm tín hiệu hay lửa để phản chiếu ánh sáng để truyền thông tin cho nhau và đây có thể là thông tin truyền bằng ánh sánh sớm nhất Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, phát triển của xã hội, thì nhu cầu trao đổi thông tin của con người càng đòi hỏi chất lượng thông tin ngày càng cao, giúp cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng Thông tin quang có tổ chức hệ thống cũng tương tự như các hệ thống thông tin khác, vì thế mà thành phần cơ bản nhất của hệ thống thông tin quang luôn tuân thủ theo một hệ thống thông tin chung, các hệ thống thông tin ra đời sau đều kế thừa các hệ thống trước, nó được cải tiến và hoàn thiện hơn các hệ thống trước, có cự ly truyền dẫn xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu sử dụng của con người Chẳng hạn, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên, năm 1940 hệ thống cáp đồng trục đầu tiên được đưa vào sử dụng có băng tần 3MHz để truyền dung lượng 300 kênh thoại hoặc 1 kênh truyền hình Băng thông của hệ thống bị giới hạn bởi tổn hao cáp Các hệ thông sau đó có băng tần lên đến 10MHz, nhưng hệ thống cáp đồng trục cũng bị giới hạn suy hao phụ thuộc vào tần số giới hạn này cũng được giải quyết

Tổng quan hệ thống thông tin quang

dẫn, tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác có dạng hình sin đó là sóng mang trước khi đưa vào đường truyền

Hình 1.1 Sự phát triển băng thông hệ thống thông tin sợi quang qua các giai đoạn

Như vào năm 1977 đi vào giai đoạn thử nghiệm hệ thống khi sử dụng quang sợi làm việc với bước sóng 800nm Cho đến đầu thập kỹ 1980, các thiết bị ghép bước sóng quang đã được phân bố và sử dụng rộng rãi Trong dạng đơn giản nhất thì WDM được sử dụng để phát đi 2 kênh khác nhau nằm trong hai cửa sổ truyền dẫn khác nhau của sợi quang, với dung lượng hệ thống đạt 45Mb/s đến 100Mb/s Trong thời gian này, người ta tập trung vào việc giảm khoảng cách kênh và các hệ thống đa kênh có khoảng cách kênh nhỏ hơn 0,1nm Bắt đầu năm 1990 kỹ thuật ghép kênh được nhiều bước sóng trong một vùng cửa sổ được thực hiện hiệu quả, tiêu biểu cho vùng cửa sổ 1550nm, dung lượng hệ thống đạt lên 40Gb/s Đến năm 2001, người ta đã triển khai nhiều hệ thống vượt biển tốc độ cao, có hệ thống đạt 100Gb/s

1.2.2 Khái quát cơ bản về hệ thống thông tin quang

1.2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 1.2 Cấu hình của một hệ thống thông tin quang

Hình biểu thị cấu hình cơ bản của một hệ thống thông tin quang Nói chung, tín hiệu điện từ máy điện thoại, từ các thiết bị đầu cuối được đưa đến bộ E/O để chuyển thành tín hiệu quang, sau đó đưa vào cáp quang Khi truyền qua sợi quang, công suất tín hiệu (ánh sáng) bị yếu dần và dạng sóng bị rộng ra Khi truyền tới đầu bên kia sợi quang, tín hiệu này được đưa vào bộ O/E để tạo lại tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng như ban đầu mà thiết bị đã gởi đi Như vậy cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin quang được mô tả đơn giản như hình 1.3 gồm :

 Bộ phát quang

 Bộ thu quang

 Môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Tổng quan hệ thống thông tin quang

Hình 1.3 cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang

Hình trên minh họa tuyến truyền dẫn quang liên lạc theo 1 hướng

Hình 1.4 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo 2 hướng

Như vậy để thực hiện truyền dẫn giữ hai điểm cần có 2 sợi quang

Nếu cự ly thông tin quá dài thì trên tuyến có thể có một hoặc nhiều trạm lặp (repeater)

Hình 1.5 Cấu trúc đơn giản của một trạm lặp quang

1.2.2.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

Thông thường thì tên gọi của một hệ thống thông tin gắn liền với môi trường truyền dẫn Vì vậy mà đối với hệ thống thông tin sợi quang thì môi trường truyền dẫn chính là cáp sợi quang Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả như hình dưới

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin sợi quang

Tín hiệu điện được đưa vào bộ biến đổi điện-quang (E/O) để biến thành tín hiệu quang Sau đó tín hiệu quang mang thông tin này được đưa vào sợi dẫn quang để truyền đến phía thu Ở phía thu thực hiện ngược lại, biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ bộ biến đổi quang-điện (O/E)

Hệ thống thông sợi tin quang được chia thành 2 loại là hệ thống dài và ngắn phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn so với khoảng cách tiêu biểu (khoảng 100km) Hệ thống dài thường là các tuyến đường trục trên mặt đất có dung lượng lớn nối giữa các thành phố, các quốc gia hoặc các tuyến cáp quang biển xuyên đại dương Hệ thống ngắn thường là các tuyến và các vòng lặp trong thành phố có dung lượng thấp hơn

và khoảng cách dưới 10 km Để đáp ứng với các loại hình thông tin số đa dạng, tốc độ cao, nhiều thuê bao như hiện nay và trong tương lai, các hệ thống này cũng thực hiện các

kỹ thuật ghép kênh và khuếch đại quang như hệ thống đường trục

Tổng quan hệ thống thông tin quang

Hình 1.7 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn thông tin sợi quang

Phần phát quang được cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết nhau, bao gồm các phần tử mã hoá, điều khiển, nguồn phát quang Nguồn phát quang sử dụng diode phát quang LED hoặc LD, các loại này tạo ra tín hiệu quang ra tương ứng với sự thay đổi của dòng điều biến vào Tuy nhiên LED phù hợp với hệ thống

có cự li ngắn, dung lượng thấp, còn Laser Diode dành cho các hệ thống có khoảng cách truyền dẫn dài và dung lượng cao Tín hiệu điện ở đầu vào ở dạng số hoặc tương tự, thiết

bị phát sẽ biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng

Các trạm lặp hoặc các khuếch đại quang: Khi hệ thống cần truyền tải thông tin với khoảng cách lớn do đó suy hao truyền dẫn giữa nguồn phát và nguồn thu lớn Do đó cần phải lắp đặt thêm các trạm khuếch đại để bù lại suy hao đó sao cho máy thu có đủ công suất cần thiết để tín hiệu thu được đảm bảo được yêu cầu lỗi bít BER cho trước Hiện nay, hầu hết các trạm lặp đều được thay thế bằng các bộ khuếch đại quang do nó cồng kềnh, cần hệ thống cung cấp nguồn phức tạp, băng thông quang bị hạn chế và phải thực hiện chuyển đổi quang-điện, điện quang

Phần thu quang bao gồm các khối tách quang, các mạch khuếch đại, điều khiển giải mã Các bộ tách quang thường được sử dụng là Photodiode PIN hoặc diode thác quang ADP, cả hai loại đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh.Ngoài

ra còn nhiều thành phần tạo nên hệ thống truyền dẫn hiệu quả, chẳng hạn các bộ xen rẽ kênh, bộ chia quang, bộ nối quang

Trong những năm gần đây,để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin tăng cao thì kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng(WDM) đã ra đời,đây là một phương thức truyền nhiều bước sóng trong cùng một sợi quang mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng và cũng không cần tăng thêm sợi dẫn quang nên làm tăng đáng kể băng thông mạng quang

Nguyên lý là mỗi máy phát tín hiệu trên mỗi bước sóng xác định,nhiều tín hiệu sau đó được trộn lẫn nhờ một bộ MUX vào một sợi quang.Chúng được truyền đi trên sợi đó đến

nơi thu,qua bộ DEMUX tách bước sóng ra và lần lượt được thu bởi các máy thu riêng biệt

 Phương thức truyền dẫn WDM theo một hướng:

Hình 1.8 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn đơn hướng

Hình 1.8.Hệ thống WDM đơn hướng

Các tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghép với nhau tại một đầu bởi bộ MUX-WDM rồi truyền trong một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu này được giải ghép bởi bộ DEMUX-WDM rồi chuyển đến các bộ tách sóng quang để thu các bước sóng tương ứng

 Phương thức truyền dẫn WDM theo hai hướng:

Hình 1.9 biểu diễn mô hình mạng WDM sử dụng phương thức truyền dẫn song hướng

Hình 1.9.Hệ thống WDM song hướng

Kênh n

Kênh 2

Kênh 1 Thu λ1

Thu λ2

Thu λn

λ1 ,λ2,…,λn

Sợi quang Thiết bị

WDM

(MUX)

Thiết bị WDM

(MUX-DEMUX)

Phát λk+1, , Kênh vào

Tổng quan hệ thống thông tin quang

Các tín hiệu λ1, , λk được ghép với nhau tại một đầu rồi chuyền trong sợi quang và được thu tại đầu bên kia Đồng thời, các tín hiệu λk+1, , λn được phát ở đầu bên kia và thu ở đầu này Các bước sóng giữa hai hướng truyền không được trùng nhau

1.4.1 Ưu điểm

- Dung lượng cực lớn: Cáp quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục và thông tin vô tuyến Băng thông gấp khoảng 10000 lần so với thông tin vi ba

- Tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2dB/km, so với cáp đồng trục: 10 – 300dB/km

- Khoảng cách truyền dẫn lớn: Kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhạy thu cao của các máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn

- Tốc độ cao, hiệu suất lớn: Các linh kiện thu và phát quang có khả năng điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao

- Khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: Thông tin sợi quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có các bước sóng khác nhau Đặc tính này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn

- Cách điện tốt và chống can nhiễu tốt: Sợi quang được chế tạo bằng thuỷ tinh là chất cách điện do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường

- Có tính bảo mật cao: Bởi vì tín hiệu được truyền trong sợi quang và không một bức xạ ánh sáng nào có thể lọt ra ngoài

- Nguyên liệu thô sẵn có: Thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang, nguyên liệu này có sẵn và rất rẽ vì nó có trong cát thường

1.4.2 Nhược điểm

- Các bộ phận biến đổi quang - điện đắt tiền, khó chế tạo, khả năng ghép nối với sợi quang khó khăn

- Việc ghép nối sợi quang đòi hỏi thiết bị cơ khí có độ chính xác cao Các khớp của đầu ghép nối không tương hợp hay có vết nứt trên sợi quang là nguyên nhân gây ra suy hao

- Việc ghép các kênh truyền quang học gặp nhiều khó khăn

1.5 Kết luận chương

Toàn bộ chương cho ta cái nhìn tổng quát về hệ thống thông tin quang Qua đó giúp ta hiểu rõ được tổng thể về hệ thống đó và những ưu thế nổi bật mà các hệ thống khác không có được về đặc tính kỹ thuật và hiệu quả kinh tế Tuy nhiên, để đánh giá sự thành công của một hệ thống không thể không nói đến vai trò của sợi quang và cáp quang,

về nguồn phát quang và nhận tín hiệu thu quang, đồng thời đi sau vào thành phần chính trong hệ thống, vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể ở chương sau

Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG

2.1 Giới thiệu chương

Sau khi đã có cái nhìn về hệ thống thông tin quang qua tìm hiểu ở chương trước Trong chương này, đồ án tiếp tục đi tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống thông tin sợi quang Cụ thể sẽ tìm hiểu về bộ phát quang; sợi quang; suy hao trên sợi quang; tìm hiểu

về bộ thu quang và tìm hiểu về vai trò bộ khuếch đại quang trong hệ thống

thông tin sợi quang nhờ kích thướt nhỏ, độ tin cậy và hiệu suất cao, vùng phát xạ nhỏ tương thích với kích thước lõi sợi, có khả năng đều chế trực tiếp tại các tần số cao

2.3.1 Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode )

Các đặc tính kỹ thuật của LED phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của chúng Ngoài

ra, theo đà phát triển của công nghệ bán dẫn, chất lượng của LED ngày càng nâng cao hơn

Công suất ra đối với sợi SM (250C, dòng điều khiển 150

Độ rổng phổ nửa công suất 80 đến 100nm

Hiệu số nhiệt độ công suất đầu ra 1,2% 0C

Sự thay đổi bước sóng trung tâm theo nhiệt độ 0,5 đến 0,8nm/0C

Bảng 2.1 Đặc tính tiêu biểu của LED

 Thông số điện

 Dòng điện hoạt động biểu: từ 50mA đến 300mA

 Điện áp sụt trên LED: từ 1,5V – 2,5V

 Công suất phát

Là công suất tổng cộng do nguồn quang phát ra Công suất phát của LED từ 1-3mW Đối với loại phát quang cao công suất phát có thể lên đến 10mW Các LED phát xạ mặt công suất phát cao hơn LED phát xạ rìa

 Góc phát quang

Công suất phát quang do nguồn phát quang phát ra cực đại ở trục phát quang và giảm dần theo góc hợp với trục Góc phát quang được xác định ở mức công suất phát quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại LED tiếp xúc mặt có góc phát

Cấu trúc hệ thống thông tin sợi quang

 Hiệu suất ghép quang

Hiệu suất ghép quang được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng cộng của nguồn quang Hiệu số ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc mở số của sợi quang và vị trí đặt nguồn quang và sợi quang Hiệu suất ghép của LED tiếp xúc mặt khoảng 1-5% và LED phát xạ rìa 5-15% Từ đó, ta có công suất phát xạ của LED phát xạ rìa lớn hoen LED tiếp xúc mặt thường khoảng 2 lần

 Độ rộng phổ

Nguồn quang phát ra công suất cực đại ở bước sóng trung tâm và giảm dần về hai phía Độ rộng phổ là khoảng bước sóng mà trong đó công suất quang không nhỏ hơn phân nửa mức công suất đỉnh Thông thường LED có độ rộng phổ trong

khoảng 35-100nm

Hình 2.2 Độ rộng phổ của LED

 Thời gian chuyển lên

Là khoảng thời gian để công suất tăng từ 10% đến 90% mức công suất ổn định khi

có xung dòng điện kích thích nguồn quang Thời gian chuyển của nguồn quang có ảnh hưởng đến tốc độ bit của tín hiệu điều chế, muốn điều chế ở tốc độ càng cao thì nguồn quang phải có thời chuyển càng nhanh Dải thông tối đa của tín hiệu điều chế phụ thuộc vào thời gian chuyển

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ môi trường tăng thì công suất phát giảm, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng bởi nhiệt độ của LED không cao

 Thông số điện

 Dòng điện ngưỡng:khi dòng điện kích thích cho LASER có trị số nhỏ, LASER hoạt động ở chế độ tự phát nên công suất phát rất thấp Khi được kích thích với dòng điện lớn, LASER hoạt động ở chế độ kích thích, công suất quang tăng nhanh theo dòng kích thích Dòng ngưỡng của LASER thay đổi theo nhiệt độ, nhưng LASER đời mới dòng ngưỡng chỉ trong khoảng 10mA – 20mA

 Dòng điện kích thích: vài chục đến vài tram mA tùy theo loại

 Điện áp sụt trên LASER: từ 1,5V đến 2,5V

 Hiệu suất ghép

LASER có vùng phát ánh sáng nhỏ, góc phát sáng hẹp nen có hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao