NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các nghành khoa học, những nghiên cứu và phát minh mới được công bố, kéo theo đó là những công nghệ mới được ra đời. Sự phát triển nhanh chóng của xã hội và của khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người phải liên tục đổi mới về công nghệ cũng như phương thức hoạt động, Ngành công nghệ thông tin cũng như điện tử viễn thông cũng không nằm ngoài quy luật đó. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền tin, và yêu cầu về thông tin cần được trao đổi trong xã hội, đòi hỏi phải có những mạng mới, những công nghệ mới đưa vào sử dụng để đáp ứng cho những nhu cầu đó, song nếu sự ra đời của các mạng mới mà không có sự thay đổi về băng thông, đường truyền thì cũng sẽ không đáp ứng được về dung lượng truyền dẫn cho các mạng đó hoạt động một cách hiệu quả nhất. Với những yêu cầu bức thiết đó thì mạng thông tin quang đã được ra đời và đưa vào sử dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây. Mạng thông tin quang ra đời đã giải quyết được vấn đề về băng thông đường truyền cho các nghành thông tin truyền thông ở trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Với băng thông lớn dung lượng dồi dào, thì mạng thông tin quang đã đáp ứng được nhu cầu về trao đổi thông tin cho xã hội như. Truyền thông hội nghị, quản lý thông tin cá nhân, lập biểu, nhóm làm việc, fax màu, + Truyền thông: báo, tạp chí, quảng cáo, … + Mua sắm: thương mại điện tử, tiền ví điện tử, giao dịch tự động, đấu giá,… + Giải trí: tin tức, thể thao, trò chơi, video, âm nhạc, … + Giáo dục: thư viện trực tuyến, máy tìm kiếm, học từ xa, … + Sức khỏe: chữa bệnh, theo dõi, chuẩn đoán từ xa, … + Tự động hóa: đo đạc từ xa, … + Truy nhập thông tin cá nhân: thời gian biểu, đặt vé từ xa, cảnh báo vị trí,… LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 1 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG + Các dịch vụ đánh số cá nhân toàn cầu, điện thoại vệ tinh, … Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi phải có mạng lưới viễn thông tốc độ cao, dung lượng lớn. Với yêu cầu đặt ra như vậy, em đã nghiên cứu tìm hiểu và nhận đề tài với tên gọi “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang “ làm đồ án tốt nghiệp đại học cho mình. Trong quá trình tìm hiểu được sự chỉ bảo và giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn làm đồ án nên em đã hoàn thành được bản đồ án này trong khoảng thời gian quy định, song là một sinh viên đang ngồi trên ghế nhà trường, và kiến thức đang còn nhiều hạn chế nên sự tìm hiểu và nghiên cứu vẫn còn gặp nhiều khó khăn, chưa thể đi sâu vào thực để tìm hiểu biết thêm về nguyên lý cấu tạo cũng như hoạt động của các thiêt bị truyền dẫn quang. Vẫn đang còn cần phải tìm hiểu học và học hỏi rất nhiều, và em rất mong được các thầy cô giáo chỉ bảo và giúp đỡ em nhiều hơn để sự hiểu biết của em có thể được nâng lên, và em cũng xin các thầy, cô giáo cho em những nhận xét về cuốn đồ án này để em có thể hoàn thiện nó hơn. Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Nguyễn Phúc Ngọc đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và em cũng xin được chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong và ngoài khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên cứu tại trường để em có được một vốn hiểu biết mới. Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngay ,tháng 5, năm 2011 Sinh viên Lê Đăng Tuấn LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG TÓM TẮT ĐỒ ÁN Bằng những kiến thức được học trên ghế nhà trường và qua thời gan thực tập tìm hiểu về mạng thông tin quang cùng với xu thế phát triển của nghành viễn thông. Bên cạnh đó còn có sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn đồ án và sự giúp đỡ của bạn bè cũng như tìm hiểu qua tài liệu Em đã chọn cho mình đè tài “ Nghiên cứu thiết kế tuyến hệ thống thông tin quang” để làm đồ án tốt nghiệp đại học của mình Đề tài của em gồm có bốn chương : Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Tác giả đã giới thiệu về lịch sử phát triển của thông tin quang, cấu trúc của một hệ thống thông tin quang, đặc tính của thông tin quang, phân loại hệ thống thông tin quang, sau cung là kết luận em đã rút ra được từ chương này Chương II: Cấu trúc hệ thống thông tin quang Tác giả đi sâu vào khai thác chức năng cũng như cấu tạo của các phần tử trong cấu trúc một hệ thống thông tin quang Chương III: Nguyên lý ghép kênh quang Là các phương pháp ghép kênh quang, và phương thức truyền dẫn quang Chương IV: Tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên Là phần thiết kế tuyến quang theo quỹ thời gian lên và công suất LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU .1 Tóm tắt đồ án .3 Danh mục các hình vẽ .6 Danh mục các bảng .8 Danh mục các từ viết tắt 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 13 1.1. Lịch sử phát triển .13 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin quang 14 1.3. Các đặc tính của thông tin quang .17 1.4. Phân loai hệ thống thông tin quang 17 1.4.1. Phân loại theo dạng tín hiệu 18 1.4.2. Pheo phương thức điều biến và giải điều biến tín hiệu quang .18 1.4.3. Theo tốc độ và cự ly truyền dẫn .18 1.4.4. Phân loại theo phương thức ghép kênh .19 1.5. kết luận chương 19 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 20 2.1. Các thành phần của hệ thống thông tin quang 20 2.1.1. Sợi quang, phân loại sợi quang .20 2.1.2. Cáp quang, phân loại cáp quang 25 2.1.3. Các thiết bị phát quang 29 2.1.4. Các thiết bị thu quang 36 2.1.5. Các trạm lặp .42 2.1.6. Các trạm xen rẽ kênh .43 2.2. Các tham số của hệ thống thông tin quang .43 2.3. Truyền ánh sáng trong sợi quang 45 2.3.1. Đặc điểm của ánh sáng 45 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 4 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2.3.2. Nguyên lý truyền ánh sáng trong lõi sợi quang .47 2.3.3. Đặc tính truyền dẫn của sợi quang 48 2.4. kết luận chương 53 CHƯƠNG III: NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH VÀ TRUYỀN DẪN QUANG 54 3.1. Giới thiệu 54 3.2. Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM 55 3.2.1. Nguyên lý ghép kênh .55 3.2.2. Phát tín hiệu trong hệ thống OTDM 56 3.2.3. Giải ghép và xen rẽ trong hệ thống OTDM .59 3.2.4. Đồng bộ trong hệ thống OTDM 63 3.2.5. Đặc tính truyền dẫn của OTDM 64 3.3. Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 65 3.3.1. Định nghĩa .65 3.3.2. Nguyên lý cơ bản của WDM .66 3.3.3. Các linh kiện dùng trong hệ thống WDM .70 3.3.3.1. Bộ ghép/tách tín hiệu .70 3.3.4.2. Bộ Isolator/circulator 72 3.3.4.3. Bộ lọc quang .75 3.3.4.4. Bộ ghép tách kênh bước sóng .77 3.3.4.5. Bộ chuyển mạch quang 78 3.3.4.6. Bộ chuyển đổi bước sóng .80 3.4. Kết luận chương .80 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT VÀ THỜI GIAN LÊN 81 4.1. Giới thiệu chương .81 4.2. Các khái niệm .81 4.3. Quỹ công suất .83 4.4. Quỹ thời gian lên 84 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 5 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 4.5. Nhiễu trong hệ thống thông tin quang 86 4.5.1. Nhiễu lượng tử 86 4.5.2. Nhiễu nhiệt .87 4.6. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu .87 4.6.1. Đối với photodiode PIN 87 4.6.2. Đối với photodiode APD .88 4.7. Các giá trị của các thành phần 90 4.8. Bài toán tính toán và thiết kế theo quỹ công suất và thời gian lên .91 4.8.1. Chọn bước sóng làm việc của tuyến .92 4.8.2. Chọn loại sợi quang .92 4.8.3. Thiết bị thu quang .92 4.9. Tính toán tổn hao trên đường truyền 94 4.10. Độ nhạy của máy thu trong trường hợp sử dụng PIN 94 4.11. Độ nhạy máy thu trong trường hợp sử dụng APD 95 4.12. Tính toán thời gian lên .96 4.13. Kết luận chương 97 KẾT LUẬN CHUNG 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 6 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin .15 Hình 2.1. Cấu tạo sợi quang 20 Hình 2.2. Sợi quang đa mode MM 23 Hình 2.3. Sợi quang đơn mode 24 Hình 2.4. Sợi SI và Sợi GI 25 Hình 2.5. Cấu tạo chung của cáp quang 26 Hình 2.6. Cấu trúc của LED 30 Hình 2.7. Cấu trúc LED phát mặt .31 Hình 2.8. Cấu trúc LED phát cạnh 31 Hình 2.9. Diode lazer 34 Hình 2.10. Ba cấu trúc cơ bản cho sóng quang hạn chế theo hướng bên .35 Hình 2.11. Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN 37 Hình 2.12. Hệ số hấp thụ theo bước sóng .38 Hình 2.13. Đáp ứng Photodiode PIN 39 Hình 2.14. Cấu trúc diode photodiode 40 Hình 2.15. Sơ đồ sơ lược mạch điện của bộ thu quang .41 Hình 2.16. Mạch tương đương của thiết kế bộ thu hỗ dẫn ngược .41 Hình 2.17. Sơ đồ khối tổng quát trạm lặp điện quang 42 Hình 2.18. Sơ đồ khối chức năng của trạm lặp loại điện quang .43 Hình 2.19. Nguyên lý truyền ánh sáng 46 Hình 2.20. Tia sáng đi trong lõi sợi quang 48 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 7 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Hình 2.21. Quan hệ P( λ )/Pmax phụ thuộc vào λ .50 Hình 2.22. Đặc tính suy hao theo bước sóng đối với các dạng suy hao .53 Hình 3.1. Sơ đồ tuyến thông tin quang dùng kỹ thuật OTDM ghép 4 kênh quang .56 Hình 3.2. Sơ đố sử dụng hai phương pháp ở phía phát xử lý NRZ cho OTDM .58 Hình 3.3. Nguyên lý của bộ giải ghép thời gian (DEMUX) sử dụng chuyển mạch phân cực quang .61 Hình 3.4. Sơ đồ đồng bộ lựa chọn kênh quang bằng gương vòng phi tuyến để rẽ và xen kênh với các bộ coupler 3dB 62 Hình 3.5: Cấu hình PLL quang để trích lấy clock .63 Hình 3.6. Sơ đồ khối hệ thống quang WDM 66 Hình 3.7. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên hai sợi quang 68 Hình 3.8. Sơ đồ truyền dẫn hai chiều trên một sợi quang .68 Hình 3.9. Mô tả thiết bị ghép/tách hốn hợp (MUX – DEMUX) .70 Hình 3.10. Cấu tạo Coupler FBT 2 x 2 71 Hình 3.11. (a) Sơ đồ khối bộ circulator 3 cửa. (b) Sơ đồ khối của bộ circulator 4 cửa. (c) Sơ đồ khối của bộ Isolator 72 Hình 3.12. Sơ đồ khối của bộ lọc. (a) bộ lọc cố định λ k . (b) bộ lọc có thể điều chỉnh bước sóng được trong khoảng ∆λ .74 Hình 3.13. (a) các thông số đặc trưng của bộ lọc. (b) Độ gợn sóng của bộ lọc 75 Hình 3.14. Bộ tách/ghép bước sóng quang. (a) Sơ đồ khối bộ ghép kênh LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 8 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG bước sóng (MUX). (b) Sơ đồ khối bộ tách kênh bước sóng (DEMUX). Các thông số đặc trưng bộ MUX/DEMUX .78 Hình 3.15. Các loại cấu hình chuyển mach quang. (a) chuyển mạch on/off (1x1). chuyển mạch chuyển tiếp (1x2) (không nghẽn); (c,d) chuyển mạch 2x2 có nghẽn .79 Hình 4.1. Sơ đồ suy hao trên đường truyền dẫn quang 81 Hình 4.2. Đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp 84 Hình 4.3. Tỷ số bit BER 93 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 9 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Đặc tính dải cấm và bước sóng của các vật liệu ghép .30 Bảng 2.2. Các đặc tính ELED tiêu biểu .33 Bảng 3.1. Bảng tóm tắt các phương pháp giải ghép kênh OTDM 60 Bảng 4.1. Thiết bị phát quang 90 Bảng 4.2. Cáp sợi quang 90 Bảng 4.3. Thiết bị thu 90 Bảng 4.4. Suy hao do hàn nối và bộ nối 91 Bảng 4.5. Tính toán tổn hao trên đường truyền .94 LÊ ĐĂNG TUẤN, LỚP: 47K ĐTVT, KHOA: ĐTVT 10 . ĐTVT 19 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Chương II CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 2.1. Các thành phần của hệ thống thông tin quang 2.1.1 ĐTVT 12 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1. Lịch sử phát triển Lượng thông tin trao