+ Kỹ thuật điều chế xung mã gồm cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM và cơ sở lý thuyết PCM + Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam: ghép kênh nhóm sơ cấp và hệ thống PCM cấp 1.
Sơ lược về hệ thống thông tin quang 6
Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 6
Thông tin quang học đã tồn tại từ rất lâu, nhưng cho đến thế kỷ 18, khái niệm này vẫn chỉ giới hạn ở các ứng dụng cơ bản như đèn tín hiệu.
Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau:
Vào năm 1790, Claude Chappe, một kỹ sư người Pháp, đã phát minh ra hệ thống điện báo quang, bao gồm các tháp với đèn báo hiệu di động Hệ thống này cho phép truyền tải thông tin với tốc độ khoảng 15 phút cho khoảng cách 200 km.
Vào năm 1870, nhà vật lý người Anh John Tyndall đã chứng minh rằng ánh sáng có thể truyền qua ống nước uốn cong, minh chứng cho hiện tượng phản xạ toàn phần Việc này không chỉ khẳng định tính chất của ánh sáng mà còn mở ra ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
Năm 1880, Alexander Graham Bell đã giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong đó ánh sáng mang điện năng được truyền qua không khí Tuy nhiên, do môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu, hệ thống này chưa được áp dụng thực tế.
Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang.
Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công. Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện.
Năm 1966, Charles H Kao và George A Hockham đã sử dụng sợi thủy tinh để truyền dẫn ánh sáng Tuy nhiên, sợi thủy tinh lúc bấy giờ gặp phải vấn đề lớn về suy hao, với mức suy hao lên tới khoảng 1000 dB/km.
Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km.
Năm 1983, sợi quang đơn mốt lần đầu tiên được sản xuất tại Mỹ và hiện nay đã trở thành một công nghệ phổ biến Đặc biệt, độ suy hao của sợi quang đơn mốt hiện nay chỉ còn khoảng rất thấp, giúp nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.
0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.
1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang.
Trặm lặp trên đường truyền
Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn
- Theo sơ đồ hệ thống ta có:
+ Nguồn tín hiệu ban đầu: Tiếng nói, Fax, Camera
+ Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống.
Bộ biến đổi E/O có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, trong đó các mức tín hiệu đệm được chuyển đổi thành cường độ quang tương ứng.
“0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”.
Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như:LED, laserđioe.
Trạm lặp là thiết bị cần thiết trong hệ thống truyền dẫn, giúp khôi phục và khuếch đại tín hiệu khi công suất bị giảm và dạng sóng bị dãn ra do nhiều nguyên nhân Để truyền tín hiệu đi xa, đặc biệt khi khoảng cách truyền dẫn lớn, việc sử dụng trạm lặp là không thể thiếu Trạm lặp đảm bảo tín hiệu từ nguồn phát được phục hồi về nguyên dạng và tiếp tục được truyền vào tuyến truyền dẫn tiếp theo.
Sơ đồ khối trặm lặp
1.3 ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang.
• Những ứng dụng của sợi quang.
- Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác.
- Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay.
+ Mạng đường trục xuyên quốc gia.
+ Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia).
- Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm lặp giảm.
Sợi quang được sản xuất chủ yếu từ thạch anh hoặc nhựa tổng hợp, mang lại nguồn nguyên liệu phong phú và giá thành thấp, giúp giảm chi phí sản xuất.
- Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ.
- Sợi quang có tính bảo mật trong thông tin cao, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ trường bên ngoài.
- Tính cách điện cao, không gây chập cháy.
- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong.
- Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại có cùng dung lượng và cự ly.
- Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tương thích.
- Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao.
Nhờ có những ưu nhược điểm trên nên sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác.
Chương II Các thành phần của hệ thống thông tin quang
2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn.
Sự truyền ánh sáng qua sợi dẫn quang diễn ra nhờ hiện tượng phản xạ ánh sáng, với ánh sáng thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại, có bước sóng từ 800 đến 1600 nm Ba bước sóng phổ biến nhất trong lĩnh vực này là 850 nm, 1300 nm và 1550 nm.
Trong đó: V là tần số ánh sáng
C là vận tốc ánh sáng. λ là vận tốc ánh sáng
- Triết suất của môi trường: n=C/V
Trong đó: n là triết suất của môi trường
V là tần số ánh sáng
C là vận tốc ánh sáng trong chân không
- Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n1Sinα =n 2 Sinβ.
Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới.
• Góc phản xạ bằng góc tới. α=α’
*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell. n1Sinα =n2 Sinβ.
Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1 n2 : chiết suất môi trường 2
Khi n1 lớn hơn n2, góc tới hạn αT được xác định khi β = 90 độ, tức là tại điểm song song với mặt tiếp giáp Khi tăng góc tới α lớn hơn αT, hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra, dẫn đến việc không còn tia khúc xạ mà chỉ xuất hiện tia phản xạ.
Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn αT:
2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn
Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang của sợi quang để làm truyền.
Khi tia sáng thâm nhập vào sợi quang, nó tạo ra một góc θ với trục của sợi Tia sáng phải đi qua không khí (nk = 1) trước khi vào ruột sợi có chỉ số khúc xạ n1 lớn hơn nk Tại mặt cắt, tia sáng sẽ bị khúc xạ và tạo ra góc khúc xạ β Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi góc tới θ nhỏ hơn góc tối đa θmax.
Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số.
NA = Sinθ max áp dụng công thức Snell để tính NA.
Tại điểm A ta có: nksinθ max = n1sin90.
Mà nk là chiết suất không khí(n1=1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì:
Sinα min = 1 2 n n và α min đảm bảo đIều kiện toàn phần.
Với ∆ là sự khác nhau về chiết suất.
Góc nhận ánh sáng tối đa, được gọi là giá trị cực đại θ max, thỏa mãn điều kiện sin θ max < n2/(1-n2) để mở khẩu độ Khi tia sáng đi vào quang với góc θ lớn hơn θ max, nó sẽ bị khúc xạ và không thể truyền đi xa.
2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang.
Sợi quang có cấu trúc bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chỉ số khúc xạ cao hơn và một lớp vỏ bằng thuỷ tinh có chỉ số khúc xạ thấp hơn Chỉ số khúc xạ của lớp vỏ là hằng số, trong khi chỉ số khúc xạ của lõi thay đổi theo bán kính, được mô tả bằng công thức n²[1-∆(r/a) g] với r ≤ a (trong lõi) và n(r) = { n1(1-2∆) 1/2 - n1(1-∆) = n2 với r > a (lớp vỏ).
Trong đó: n1: triết suất lớn nhất của lõi. n2: triết suất lớp bọc.
Độ chênh lệch triết suất ∆ được xác định bởi công thức ∆ = n₁ n₋₁ n₂, trong đó r là khoảng cách từ trục sợi đến điểm tính triết suất, a là bán kính lõi sợi và b là bán kính lớp vỏ Số mũ g quyết định dạng biến thiên của triết suất, với các giá trị thông dụng như g = 1 (dạng tam giác), g = 2 (dạng parabol) và g = ∞ (dạng nhảy bậc - Step-Index) Các dạng phân bố triết suất khác nhau được xác định dựa trên các giá trị của g, ảnh hưởng đến r_max và các thông số liên quan đến lõi và lớp vỏ sợi quang.
Lý thuyết chung về quang dẫn 9
Sự truyền ánh sáng qua sợi dẫn quang diễn ra nhờ hiện tượng phản xạ ánh sáng Ánh sáng được sử dụng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại, với bước sóng từ 800 đến 1600 nm Ba bước sóng phổ biến nhất trong ứng dụng này là 850 nm, 1300 nm và 1550 nm.
Trong đó: V là tần số ánh sáng
C là vận tốc ánh sáng. λ là vận tốc ánh sáng
- Triết suất của môi trường: n=C/V
Trong đó: n là triết suất của môi trường
V là tần số ánh sáng
C là vận tốc ánh sáng trong chân không
- Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n1Sinα =n 2 Sinβ.
Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới.
• Góc phản xạ bằng góc tới. α=α’
*Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell. n1Sinα =n2 Sinβ.
Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1 n2 : chiết suất môi trường 2
Khi n1 lớn hơn n2, góc tới hạn αT được xác định khi β đạt 90 độ, tức là song song với mặt tiếp giáp Nếu tăng α vượt quá αT, hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra, lúc này chỉ còn tia phản xạ mà không còn tia khúc xạ.
Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn αT:
2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn
Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang của sợi quang để làm truyền.
Khi tia sáng thâm nhập vào sợi quang, nó tạo nên một góc θ với trục của sợi Tia sáng phải đi qua môi trường không khí có chỉ số khúc xạ nk = 1 trước khi vào ruột sợi có chỉ số khúc xạ n1 > nk Tại mặt cắt, tia sáng sẽ bị khúc xạ và tạo ra góc khúc xạ β Hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi góc tới θ nhỏ hơn góc tới cực đại θmax.
Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số.
NA = Sinθ max áp dụng công thức Snell để tính NA.
Tại điểm A ta có: nksinθ max = n1sin90.
Mà nk là chiết suất không khí(n1=1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì:
Sinα min = 1 2 n n và α min đảm bảo đIều kiện toàn phần.
Với ∆ là sự khác nhau về chiết suất.
Góc nhận ánh sáng tối đa, được gọi là θ max, có giá trị sin θ max < n2 / (1 - n2) để mở khẩu độ Khi tia sáng đi vào quang với góc θ lớn hơn θ max, nó sẽ bị khúc xạ và không thể truyền đi xa.
2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang.
Sợi quang có cấu trúc bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh với chỉ số khúc xạ lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có chỉ số khúc xạ không đổi Chỉ số khúc xạ của lõi thay đổi theo bán kính, được mô tả bằng công thức n2[1-∆(r/a) g] với r ≤ a trong lõi, và n(r) = { n1(1-2∆) 1/2 - n1(1-∆) = n2 với r > a trong lớp vỏ.
Trong đó: n1: triết suất lớn nhất của lõi. n2: triết suất lớp bọc.
Độ chênh lệch triết suất ∆ được tính bằng công thức ∆ = n₁ n - 1 n₂, trong đó r là khoảng cách từ trục sợi đến điểm tính triết suất, a là bán kính lõi sợi, và b là bán kính lớp vỏ Số mũ g quyết định dạng biến thiên, với các giá trị thông dụng như g = 1 cho dạng tam giác, g = 2 cho dạng parabol, và g = ∞ cho dạng nhẩy bậc (Step-Index) Các dạng phân bố triết suất có thể được xác định dựa trên các giá trị này.
Sợi quang nhảy bậc là loại sợi quang có cấu trúc đơn giản nhất, với triết suất của lõi và lớp vỏ khác biệt rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang sẽ truyền theo các đường khác nhau khi tới đầu sợi với các góc tới khác nhau.
Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc: v 1 n V
Hiện tượng tán sắc trong sợi quang xảy ra khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi, dẫn đến xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Điều này là do chiều dài đường truyền khác nhau trong cùng một sợi, khiến cho độ tán sắc lớn Kết quả là, sợi SI không thể truyền tín hiệu số với tốc độ cao qua khoảng cách dài.
- Sợi quang có triết suất giảm dần (GI: Graded-Index).
Sợi GI có cấu trúc lõi hình parabol với hệ số khúc xạ thay đổi liên tục, dẫn đến hiện tượng ánh sáng bị uốn cong khi truyền qua lõi.
Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có triết suất nhẩy bậc
Trong sợi quang học, đường truyền của các tia sáng trong sợi GI không đồng đều và vận tốc truyền cũng thay đổi Các tia sáng truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất do chỉ số khúc xạ tại trục là thấp nhất Đặc biệt, độ tán sắc của sợi GI thấp hơn nhiều so với sợi SI Hình ảnh minh họa dạng giảm chỉ số khúc xạ của lớp vỏ bọc sẽ giúp hiểu rõ hơn về hiện tượng này.
Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, việc thêm tạp âm vào thủy tinh giúp tăng triết suất, nhưng đồng thời cũng làm tăng suy hao Để đảm bảo độ chênh lệch triết suất ∆, lớp vỏ bọc có triết suất thấp được sử dụng, trong khi triết suất lõi n1 không cao Đối với dạng dịch độ tán sắc, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm, và có thể dịch điểm triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách sử dụng sợi quang có cấu trúc triết suất đặc biệt Cuối cùng, dạng san bằng tán sắc cũng là một phương pháp quan trọng trong thiết kế sợi quang.
Để giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng, sợi quang có dạng triết suất được sử dụng, đặc biệt là trong kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng.
Sự truyền ánh sáng trong sợi GI n(r)
2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode.
• Cỏc thụng số của sợi đa mode thụng dụng (50/125 à m).
- Lừi: cú triết suất n1 = 1,46; đường kớnh d = 2a = 50 à m
- Vỏ: cú triết suất n2
