Hệ thống thông tin quang & công nghệ truyền dẫn SDH

giảm triết suất lớp vỏ bọc b/ Dạng dịch độ tán sắc. c/ Dạng san bằng tán sắc 2.1.4 Sợi đơn mode và sợi đa mode 14 2.2 Các thông số của sợi quang 15 2.2.1 Suy hao trong sợi quang 15 2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao 15 a/ Suy hao do hấp thụ b/ Suy hao do tán sắc c/ Suy hao do uốn cong 2.2.3 Tán sắc 19 a/ Địng nghĩa tán sắc b/ Các nguyên nhân gây tán sắc 2.3 Cấu trúc sợi quang 22 2.3.1 Lớp phủ 23 2.3.2 Lớp vỏ 23 a/ Dạng ống đệm lỏng b/ Dạng đệm khí c/ Dạng băng dẹt 2.4 Các linh kiện biến đổi quang 25 2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang 25 2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang 25 a/ Đối với nguồn quang b/ Đối với linh kiện tách sóng quang c/ Nguyên lý chung 2.4.3 Nguồn quang 28 a/ Nguyên lý chung b/ Diot LED c/ Diot LASER (LD) 2.4.4 Tách sóng quang 32 1 Nguyên lý chung 32 2 Những thông số cơ bản 33 a/ Hiệu suất lượng tử b/ Đáp ứng c/ Độ nhậy d/ Dải rộng e/ Tạp âm 3 Diot thu PIN 35 4 Diot thu APD 37 5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 38 2.5 Hàn nối sợi quang 39 2.6 Hệ thống thông tin quang 41 1. Khái niệm 41 2. Cấu trúc hệ thông tin quang 42 3. Mã hoá hệ thông thông tin quang 45 2.7 Thiết kế tuyến thông tin quang 48 1.Yêu cầu 48 2.Tính toán thiết kế 49 3.Ví dụ tính toán 52 Phần II: Công nghệ truyền dẫn SDH ChươngI: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn 55 1.1 Kỹ thuật điều chế xung mã 55 1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM 55 1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM 56 a/ Lấy mẫu b/ Lượng tử hoá c/ Mã hoá 1.2Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58 1.2.1 Khái niệm về thông tin nhiều kênh 58 1.2.2 Ghép kênh nhóm sơ cấp và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58 1.2.3 Hệ thống PCM cấp I 59 ChươngII: Công nghệ truyền dẫn SDH 61 2.1 Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH (Pleosynchronous Digital Hierarchy) 61 2.2 Định nghĩa SDH(Synchrônous Digital Hierarchy) và sự cần thiết của nó 62 2.3 Cấu trúc khung SDH 65 1. Cấu trúc ghép cơ bản 65 2. Cấu trúc khối 67 a/ Container C b/ Container ảo c/ Cấu trúc các VC d/ Đơn vị luồng TU e/ Nhóm đơn vị luồng TU f/ Các đơn vị quản lý TU g/ Nhóm các đơn vị quản lý AUG h/ Cấu trúc khung i/ Cấu trúc khung STM-N Chương III: Mạng SDH 84 1.1 Các vùng mạch SDH 84 1.1.1 Đường dẫn 84 1.1.2 Vùng ghép kênh 84 1.1.3 Vùng lặp 84 3.2 Hai thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ 85 3.2.1 Các hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao 85 a/ Các hệ thống đường dây b/ Các thiết bị nối chéo bậc cao 3.2.2 Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp 85 a/ Truy suất và ghép b/ Hệ thống kết nối chéo bậc thấp 3.3 Kết nối chéo DDC 86 3.4 Mạng 87 3.5 Mạng vòng ring SDH 87 3.5.1 Vòng ring một hướng tự bảo vệ cho vùng dẫn 87 3.5.2 Mạng vòng ring hai hướng 88 3.5.3 Bảo vệ theo đường truyền 88 3.5.4 Mạng vòng tự phục hồi một hướng tự bảo vệ luồng 89 3.5.5 Mạng vòng tự phục hồi một hướng theo đoạn 89 3.5.6 Mạng vòng tự phục hồi hai hướng theo đoạn 89 3.6 Mạng ring trong ba vùng ứng dụng của ALCATEL 90 Kết luận Thuyết minh đồ án Đồ án của em chia làm 2 phần Phần I: Tổng quan về hệ thông tin quang. Phần II: Công ghệ truyền dẫn SDH. Trong phần I gồm có 2 chương: Chương I: Sơ lược về hệ thông thông tin quang. ở chương này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và ưu nhược điểm của nó. Chương II: Các thành phần của hệ thông tin quang. Chương II em nghiên cưu về lý thuyết trung về truyên dẫn + Các thông số của sợi quang bao gồm: Suy hao trong sợi quang Các nguyên nhân gây suy hao Tán sắc + Cấu trúc của sợi quang gồm lớp phủ và lớp vỏ + Các linh kiên biến đổi quang gồm có các yêu cầu kĩ thuật của linh kiện biến đổi quang, nguồn quang và tách sóng quang. + Hàn nối sợi quang: Các yêu cầu kĩ thuật của mối nối + Hệ thống thông tin quang gồm có cấu trúc hệ thống thông tin quang và mã hoá hệ thống thông tin quang. + Thiết kế tuyến thông tin: tính toán thiết kế và ví dụ để tính toán. Phần II: gồm có 3 chương Chương 1: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn. Trong chương này em nghiên cứu + 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. Chương 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH. Trong chương này em nghiên cứu + Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH + Sự cần thiết của SDH + Cấu trúc khung SDH gồm cấu trúc ghép cơ bản và cấu trúc khối Chương 3: Nghiên cứu mạng SDH Trong chương 3 em nghiên cứu + Các vùng mạnh SDH gồm đường dẫn, vùng ghép kênh và vùng lặp + Thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ: Có hai thành phần là Hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp + Kết nối chéo DDC + Mạng + Mạng vòng ring SDH Trong mạng này gồn có 6 mạng vòng là: Vong ring một hướng tợ bảo vệ cho một vùng dẫn. Mạng vòng ring hai hướng. Bảo vệ theo đường truyền. Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng bảo vệ theo luồng. Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng theo đoạn. Mạng vòng ring tự phục hồi hai hướng bảo vệ theo đoạn Phần I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương 1: Sơ lược về hệ thống thông tin quang. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang. Như chúng ta đã biết thông tin quang học đã có từ lâu đời. Cho tới thế kỷ 18 thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu,...... Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau: Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần. Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí. Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng. 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. Năm1966 Charles H. KaoVà George A. Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( d @ 1000dB/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 được sản suất tại Mỹ. Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm. Cấu trúc của hệ thông tin quang. Trặm lặp trên đường truyền Nguồn tín hiệu Phần tử điện E O E O E O E O Phần tử điện Tín hiệu ra Biến đổi Biến đổi 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 nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện “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 lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy để truyền được tín hiệu đi xa cần có trạm lặp. Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu. Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có tr ặm lặp. O E O E Tín hiệu Tín hiệu KĐ Cáp quang Cáp quang 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 trung kế. + Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia). + Đường số liệu. + Mạng truyền hình. Ưu điểm Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm lặp giảm. Sợi quang được chế tạo từ nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệ rất rồi dào và rẻ tiền dẫn đến giảm được giá thành. 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. Nhược điểm. 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. Thiết bị tốn kém. 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. 2.1.1 Cơ sở quang học. Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ (800 – 1600)nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm. Vận tốc ánh sáng: C=V.l. Trong đó: V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng. l 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 Vì V1 Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n1Sina =n2 Sinb. Tia khúc xạ 1’ Tia phản xạ 1’ Tia tới n2 n1 3 2 1’’ Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới. Góc phản xạ bằng góc tới. a=a’ *Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell. n1Sina =n2 Sinb. Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1 n2 : chiết suất môi trường 2 Khi n1>n2 thì a > b nếu tăng a thì b cũng tăng theo và b luôn lớn hơn a khi b = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì a được gọi là góc tới hạn aT. Nếu tiếp tục tăng cao cho a>aT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn aT: SinaT = hay aT=artsin 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. Tia khúc xạ n2 n1 nk Trục sợi quang Tia phản xạ Tia sáng thâm nhập tao nên một góc q với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánh sáng. Tia sáng phải đi qua môi trường không khí có nk = 1 rồi vào ruột sợi có n1> nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ b. Sự phản xã toàn phần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới q < qmax. Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số. NA = Sinqmax. áp dụng công thức Snell để tính NA. Tại điểm A ta có: nksinqmax = n1sin90. Mà nk là chiết suất không khí(n1=1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì: Sinamin = và amin đảm bảo đIều kiện toàn phần. Do đó: NA = sinmax= n21-n22 =n1 Với là sự khác nhau về chiết suất. * giá trị cực đại max gọi là góc nhận ánh sáng và sinmax max sẽ bị khúc quang không thể truyền đi được xa. 2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang. Sợi quang có cấu trúc chung bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn. Triết suất của lớp vỏ không đổi còn triết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra). Sự biến thiên triết suất theo bán kính được biết dưới dạng tổng quát như sau: n2[1-(r/a)g ] với (trong lõi) n(r) ={ n1(1-2)1/2-n1(1-)=n2 với > a (lớp vỏ) Trong đó: n1: triết suất lớn nhất của lõi. n2: triết suất lớp bọc. = : độ chênh lệch triết suất r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính triết suất. a: bán kính lõi sợi. b: bán kính lớp vỏ g: số mũ quyết định dạng biến thiên, g1 Các giá trị thông dụng của g: g = 1: dạng tam giác g = 2: dạng parabol g = : dạng nhẩy bậc (SI: Step-Index). rmax=n1 rmax r a a b b Các dạng phân bố triết suất g = g=1 g = 2 Sợi quang có triết suất nhẩy bậc. Đây là sợi quang có cấu tạo đơn giản nhất với triết suất của lõi và lớp vỏ khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phòng cào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau. n2 b n1 a 0 a b Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có triết suất nhẩy bậc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc: v = Trong đó n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sánh rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tượng tán sắc do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Sợi quang có triết suất giảm dần (GI: Graded-Index). Sợi GI có dạng phân bố triết suất lõi hình parabol, vì triết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong. Sự truyền ánh sáng trong sợi GI n(r) n2 n1 Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất vì triết suất ở trục là ngắn nhất. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. a/ Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc: (Hình a). Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiều tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch triết suất nhưng có triết suất lõi n1 không cao. b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b): Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất như hình b. c/ Dạng san bằng tán sắc (Hình c): Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng triết suất như hình c. Hình a Hình b Hình c 2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode. Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m). Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 50m (a: bán kính lõi) Vỏ: có triết suất n2<n1: đường kính D = 2b = 125m (b: bán kính vỏ) Độ lệch triết suất tương đối: = = 0,01=0,1% Sợi đa mode có thể có triết suấtnhẩy bậc hoặc triết suất giảm dần: Đường tuyến ánh sáng Mặt cắt triết suất d a/ Sợi SI-MM n1 n2 d b/ SợiGI-MM Kích thước sợi dây mode theo tiêu chuản CCITT (50/125m). *Sợi đơn mode (SM: single Mode). Các thốngố của sợi SM thông dụng là: Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 9 đến 10m Vỏ: có triết suất n2<n1: đường kính D = 2b = 125m. Độ chênh lệch triết suất tương đối: = = 0,003=0,3% Khi giảm kích thước lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì được gọi làđơn mode. Trong sợi tryền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố triết suất nhẩy bậc. Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bước sóng =1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phảicó độ chính xác cao. Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến. d D Kích thước sợi đơn mode n1 n2 = 0,3% 2.2 Các thông số của sợi quang. 2.2.1. Suy hao trong sợi quang. Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng trong sợi quang. Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cự ly vớiquy luật hàm mũ tương tự như tínhiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm mũ truyền công suất có dạng. P(L) = P(1).10 Trong đó: P(L): công suất cự ly tính từ đầu sợi. P(1): công suất đầu sợi (L=0) : hệ số suy hao P1=P(1) P2=P(L) L Z Công suất truyền trên sợi quang Suy hao của sợi quang được tính theo công thức. A = log (dB) với P2<P1. Trong đó: P1: ông suất quang đưa vào đầu sợi quang P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức: a = (dB/Km) Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB] L: Chiều dài sợi quang [Km] 2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao. a/. Suy hao do hấp thụ. (Hình a,b,c). Sự hấp thụ kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp năng lượng ánh sáng. Các tạp chất kim loại trong sợi quang hấp thụ ánh sáng thường gặp là Cu, Fe, Mn, Cr, Ni…….. - Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9). - Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ ánh sáng. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay ít cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang. - Sự hấp thụ ở vùng cực tím và hồng ngoại: Do vùng ánh sáng cực tím và hồng ngoại hấp thụ ánh sáng mà bản thân ánh sáng truyền trong sợi quang năm trong vùng hồng ngoại và cận cực tím. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyên trong sợi quang. b/. Suy hao do tán sắc (Hình 1). Do tán xạ Rayleigh: Hiện tượng này xẩy ra do sợi quang sau khi chế tạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh. Khi kích thước của vùng không đồng nhất bằng 1/10 thì chúng trở thành những nguồn, điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ còn một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (-4) nên giảm rất nhanh về phia bước sóng dài nhưng nó ảnh hưởng đáng kể ở bước sóng ngắn. ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng từ 1 đến 2 dB ở = 1300nm suy hao là 0,3dB/km. Còn ở = 1550nm suy hao nhỏ nhất. Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần. c/. Suy hao do uốn cong (Hình 2). Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang. 500 600 800 1000 1200 1400 1600 0 c/. Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại a(dB/km) nm 600 500 400 300 200 100 600 800 1000 1200 1400 1600 3 2 1 0 a(dB/km) nm 600 800 1000 1200 1400 1600 3 2 1 0 a(dB/km) nm b/. Độ hấp thụ OH 600 800 1000 1200 1400 1600 100 10 1 0.1 0.01 nm a/. Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại hấp thụ hồng ngoại hấp thụ cực tím 600 800 1000 1200 1400 1600 100 10 1 0.1 0.01 nm a/. Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại hấp thụ hồng ngoại hấp thụ cực tím a(db/km) a(db/km) 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 a(db/km) 4 0,3 m H1: Suy hao do tán xạ Rayleigh 1 3 5 2 - - - - - - - - - 10 1 0,1 10 20 30 0 40 50 60 10 R(nm)H Hình 1 Suy hao do uốn cong thayđổi theo bán kính R 2.2.3. Tán sắc. a. Định nghĩa tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký hiệu D, đơn vị giây (s) được tính bằng: Trong đó: Ti là độ rộng xung vào To là độ rộng xung ra - Độ tán sắc do chất liệu người ta đánh giá trên mỗi km sợi ứng với mỗi mm của bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị tính là PS/Km.Km. - Độ tán sắc qua mỗi Km sợi tính bằng đơn vị us/Km hoặc PS/Km. Ti L T0 P0 P0/2 b. Các nguyên nhân gây tán sắc. - Tán sắc Mode: chỉ xuất hiện ở sợi damode. Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méo xung. Dạng xung đầu vào máy thu phụ thuộc 2 yếu tố chính: + Thành phần công suất từ nguồn từ nguồn phát quang ghép vào sợi. + Sự phân bố các mạch mode truyền dẫn trên sợi quang với loại sợi SI - MM. L n2 n1 2 1 + Tia 1: Tia dài nhất + Tia 2: tia ngắn nhất d2 = L Thời gian truyền của tia 1: 1 = d1/V. (Với V là vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi V = C/n1) mà cos 1 - sin c = nên Thời gian truyền của tia 2: Thời gian chênh lệch giữa 2 đường truyền là: Trong đó: độ chênh lệch chiết suất. Thời gian chênh lệch trên mỗi loại sợi cũng chính là độ giản xung do tán sắc mode. Đối với sợi có chiết suất giảm dần GI độ giãn xung do tán sắc mode nhỏ hơn so với SI. Độ dẫn xung qua mỗi khối lượng sợi hay độ tán sắc mode: - Tán sắc thể: gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc thể còn gọi là tán sắc bước sóng. + Tán sắc vật liệu: là hiện tượng do ánh sáng truyền trong sợi quang không phải là đơn sắc mà là đa sắc. Mỗi bước sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác cho nên vận tốc truyền khác. Tán sắc do vật liệu được xác định bởi: : triết suất lõi sợi. Độ tán sắc chất liệu cho biết mức độ giãn xung của mỗi mm bề rộng nguồn quang qua mỗi km sợi với đơn vị là PS/nm. Km. ở bước sóng 850mm độ tán sắc M = 90 120PS/nm. Km. ở bước sóng 1300mm tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng ngược dẫn nên M =0. ở bước sóng 155mm thì M = 20PS/nm. Km. + Tán sắc ống dẫn sóng: là hiện tượng do phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng gây ra tán sắc. Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode Tán sắc của các loại sợi + Tóm lại: tán sắc xảy ra trong sợi quang bao gồm tán sắc mode và tán sắc thể. Sợi quang mode chỉ có tán sắc thể vì trong sợi quang đơn mode chỉ - - - - - - - - 0 4 8 12 -4 -8 -12 dchr (PS/nm.Km) 12 1 2 1300 1600 truyền một tia sáng cho nên không có tán sắc mode xẩy ra. Ddchr: chromatic dispersion. 2.3. Cấu trúc sợi quang. Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành phần giữa lớp lõi và lớp vỏ bọc. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa. - Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primany coating). Lớp vỏ Lớp phủ Lớp bọc Lõi 10 m 15 m 250 m 0,9 m - Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating). Cấu trúc sợi quang. 2.3.1. Lớp phủ Có tác dụng bảo vệ sợi quang. - Chống lại sự xâm nhập của hơi nước. - Tránh xước gây nên vết nứt. - Giảm ảnh hưởng vì uốn cong. Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate... chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi. Lớp phủ này được nhuộm màu và thêm các vòng đánh dấu. Thông thường đường kính lớp phủ thứ nhất là 250m đối với sợi có đường kính lớp bọc là 125 m. 2.3.2. Lớp vỏ. Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng có bọc và sự thay đổi nhiệt độ. - Dạng ống đệm. - Dạng đệm khít. - Dạng băng dẹt. Mỗi dạng có những ưu điểm nhược điểm khác nhau do đó nó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. a. Dạng ống đệm lỏng. - ống đệm lỏng thường gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng cực cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tính chất sau: + Có tác dụng ngăn ẩm. + Có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp. + Để tẩy, sạch khí cần hàn nối. + Khó cháy: 1,2 1,4 (mm) Sợi Lớp phủ ống đệm Chất gel Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. Cấu trúc ống đệm. b. Dạng đệm khít. 0,9nm Sợi Lớp phủ Lớp đệm Lớp vỏ Để đảm bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp như. Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảm kích thước và trọng lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưỏng trực tiếp khi cáp bị kéo căng, để giảm ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này gọi là cấu trúc đệm tổng hợp. Sợi quang có vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được dùng làm cáp đặt trong nhà... Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp c. Dạng băng dẹt Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng. Nhược điểm: Có nhược điểm giống như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng. Băng 8 Băng 4 Cấu trúc băng dẹt. 2.4. Các linh kiện biến đổi quan 2.4.1. Khái niệm chung về biến đổi quang. Linh kiện biến đổi quang được đặt ở 2 đầu sợi quang . - Linh kiện biến đổi từ tín hệu điện sang tín hệu quang, được gọi là nguồn quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra áp suất có công suất tỷ lệ với dòng chạy của nó. - Linh kiện biến đổi tín hệu quang thành tín hệu điện gọi là linh kiện thu quang nó tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó. Chất lượng các linh kiện này vào chất lượng của sợi quang quyết định chất lượng, cự ly của tuyến truyền dẫn quang. 2.4.2. Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang. a. Đối với nguồn quang. Nguồn quan là những thiết bị thực hiện việc biến đổi tín hệu điện quang rồi phát ra tín hệu vào đường truyền. * Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát: - Bước bóng nguồn phát phù hợp với bước sóng thông dụng như: 850nm, 1300nm, 1550nm. - Công suất phát sáng được phát ra không chỉ một bước sóng duy nhất là một khoảng bước sóng, do vậy gây nên hiện tượng tán sắc lớn, do vậy độ rộng phổ hẹp càng tốt. - Góc phát sáng càng nhỏ càng tốt. - Thời gian truyền: Để truyền tốc cao thời gian chuyển trạng thái phải nhanh. - Đổ ổn định: Máy phát quang phải có công suất ổn định mới đảm bảo độ trung thực của T/h. - Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ. b. Đối với linh kiện tách sóng quang. - Bước sóng: Đối với bước sóng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm 1550nm, phải nhạy. - Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tách được các tín hiệu quang thật nhỏ với số lỗ bịt cho phép độ nhạy càng cao thì có thể mở rộng cự ly thông tin. - Đáp ứng nhanh: Để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ bít cao. - Dòng tốt nhỏ: khi chưa có tách sóng chiều vào nhưng linh kiện tách sóng quag vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua. Dòng điện này càng nhỏ càng tốt. - Tạp âm: tạp âm càng thấp càng tốt sẽ đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N). - Độ cậy cao, giá thành hạ. c. Nguyên lý chung. Các linh kiện biến đổi quang điện -> điện quang dùng trong thông tin quang hiện nay là các linh kiện bán dẫn. Bán dẫn có 2 mức Eg E Ec Ev + Mức hóa trị + Mức dẫn điện. Do đó năng lượng của điện tử chia làm 3 vùng + Vùng dẫn điện + Vùng cấm + Vùng hoá trị + E: năng lượng điện tử Các vùng năng lượng của chất bán dẫn + Ec: Mức năng lượng dẫn + Ev: Mức năng lượng hóa trị + Eg: Khe năng lượng + X: Khoảng cách vật chất. + Khi một photon bức xạ vào chất bán dẫn cung cấp năng lượng (E=h.v) cho một điện tử đang ở vùng hóa trị thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn photon biến mất điện từ sẽ để lại một cổ trống trong vùng hoá trị. Như vậy một photon (có năng lượng thích hợp) chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một cổ trống còn photon thì biến mất. Đó là hiện tưởng hấp thụ, được ứng dụng trong photon diode làm linh kiện thu quang. + Nếu vùng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơi xuống vùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với cổ trống. Trong khi dịch chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ dưới dạng photon. Như vậy khi một điện tử kết hợp với một cổ trống có thể làm bức xạ ra một photon đó là hiện tượng phát xạ tự phát được ứng dụng trong diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang. + Hiện tượng phát xạ kích thích. Là hiện tượng đặc biệt do ánh sáng được phát ra trong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang ở vùng dẫn có mức cao năng lượng xuống vùng hóa trị có mức năng lượng thấp tại hợp với các lỗ trống phát ra lượng ánh sáng mới. Quá trình tái hợp đủ lỗ trống xảy ra liên tục làm cho năng lượng ánh sáng phát ra rất lớn. l l 0 l 0 hv hv hv Vùng dẫn điện Khe năng lượng Vùng hoá trị Hấp thụ Phát xạ tự phát Phát xạ kích thích 2.4.3. Nguồn quang. a. Nguyên lý chung. Có 2 loại được dùng làm nguồn quang - Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode) - Diode laser hay LD Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N. Các đặc tính kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêng bươcsóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau. Mà Eg quyết định tần số và do đó quyết định bước sóng của năng lượng ánh sáng phát ra theo công thức. Eg =Hv = Hay Trong đó: H: hằng số planck = 6,625.10-34T.s C: Tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108m/s Eg: Bề rộng khe năng lượng (đơn vị ev) V: Tần số ánh sáng phát ra (đơn vị Hz). b. Di._.ot LD Tiếp xúc bề mặt: Loại này dùng bán dẫn Ga As với nồng độ khác nhau để làm lớp nên N và lớp phát sáng loại P. Với P có độ dày cỡ 250m. Mặt ngoài lớp phủ chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang LED tiếp xúc mặt có bước sóng công tác từ 880-950m. Lớp tiếp xúc P Lớp cách điện (Al2C3 ánh sáng Lớp chống phản xạ Lớp P-Ga As(khuếch tán) Lớp N- Ga As (nền) Lớp tiếp xúc Lớp P-Ga As(khuếch tán) Cấu trúc LED tiếp xúc bề mặt - LED Burrus. Được chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bán dẫn loại N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau. Với cấu trúc nhiều lớp và vạch tiếp xúc P có kích thước nhỏ vùng phát sóng của diode này tương đối hẹp. Ngoài bề mặt có khoét được để đưa quang vào gần vùng ánh sáng. Lớp tiếp xúc (đường kính nhỏ) Lớp P- Al Ga As (lớp tích cực) Vùng phát sáng Lớp cách điện Lớp tiếp xúc N Lớp N - Ga As (lớp nền ) Lớp N - Al Ga As Lớp P+ Al Ga As Cấu trúc LED Burus Lớp tiếp xúc P (đường kính nhỏ) Bước sóng của LED Burrus dùng bán dẫn ALGAAS/GAAS khoảng 800-8500m. Dùng In GAAS/InP thì bước sóng phát ra dài hơn - LED phát bước dài. Một loại LED phát bước sóng dài (1300mm và 1550mm) dùng bán dẫn In Ga ASP/InP. Dùng lớp nền InP dạng thấu. Kính để ghép vào sợi quang. Vùng phát sáng Lớp P+ - lua AsP Lớp tiếp xúc N Lớp N - InP nền ) Lớp cách điện Al2O3 Lớp P-- lgna AsP Lớp chống phản xạ Lớp P+ - lgua AsP Lớp toả nhiệt LCD phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emelting diode) Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng không thể phát ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớp tích cực rất mỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 lớp PN có triết suất nhỏ hơn. Cấu trúc như vậy giống như cấu trúc sợi quang. Nên khi một trong 2 đầu ống dẫn sóng được nối với sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất phép ánh sáng, vào sợi quang cao. Tuy nhiên nó cũng có hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của ELED tăng khá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt. Lớp tiếp xúc P Cách điện Tiếp xúc N Lớp P-AL Ga As Lớp P- Ga As Lớp P-AL Ga As Lớp P- Ga As c. Diot LESER (LD) + Cấu tạo Một LD thông thường được cấu tạo bằng 3 lớp hoạt động của lasser xảy ra ở vùng được ghép bởi 2 lớp bán dẫn loại N và P được gọi là vùng hoạt chất. Vùng này đóng vai trò như một chất cộng hưởng. Khi đó dòng điện bơm từ phía (+) đến (-) thì ánh sáng lesser được phát ra theo hướng mũi tên Bán dẫn loại N Lớp tích cực Bán dẫn loại N ánh sáng cấu tạo Diode laser + Nguyên lý: Trong hệ thống thông tin quang, các nguồn phát sáng laser là các laser bán dẫn thường là laser Diode (LD). Các loại này có thể khác nhau những nguyên lý cơ bản là như sau: Hấp thụ photon phát xạ tự phát, phát xạ kích thích. Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản. Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích. Quá trình dao động dựa trên đặc tính của hộp cộng hưởng cho ra phổ bước sóng giới hạn hẹp đến mức tối đa. Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơn hẳn LED nhưng do cấu tạo cũng như hoạt động phức tạp hơn. Quá trình phát xạ tự phát của LD giống LED. Tuy nhiên mặt sau của LD được phủ một lớp phản xạ rất cao 99% còn mặt trước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánh sáng phát ra lan truyền như đang được khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản xạ lại hướng đột diện, ánh sáng lại được phản xạ tương tự mặt gương đối diện. Bằng cách này trong khi lặp lại quá trình phản hồi (1 phần ánh sáng được khuyếch đại sẽ được kết hợp với ánh sáng đầu vào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa). Khi dòng vào đủ lớn năng lượng được khuếch đại bằng phát xạ cương bước trở nên lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ. Tại thời điểm đó bắt đầu dao động và tạo ánh sáng laser. Dòng tại đó gọi là dòng ngưỡng. Dòng ngưỡng phải nhỏ để tránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt động liên tục ở công suất cao. Xét về hốc cộng hưởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gương phẳng song song phản xạ ánh sáng. Hốc cộng hưởng có nhiệm vụ tạo ra một dao động có tần số nhất định. Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên độ phức, nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúng với biên độ và pha sóng xuất phát nó. 2.4.4. Tách sóng quang. 1. Nguyên lý chung Các linh kiện tách sóng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bán dẫn. Cấu tạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp PN. Có 2 loại linh kiện tách sóng quang được sử dụng hiện nay: - PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là 2 lớp bán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp. - APD: (Avalanche photo diode) loại diode thu quang d có độ nhạy và hoạt động ở tốc độ cao. Nguyên lý chung của chúng về cơ bản giống nhau ở chỗ ánh sáng đưa vào miền tiếp giáp P-N được phân cực ngược tạo ra trong đó các tạp chất điện tử là trống để dịch chuyển nhờ điện trường ngạch tạo ra dòng quang đi Bán dẫn P Vùng hiểm Bán dẫn N Photo Vùng trời Ev Ec Sự hình thành các vùng khuếch tán điện tử và cổ trống của tiếp giáp P và N khi phân cực ngược. Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài điện tử là hạt tải điện thiểu số bên P và N cổ trống là hạt tải điện thiếu số bên N chuyển qua P tạo thành dòng quang điện trên mạch ngoài. Cường độ ánh sáng quyết định số lượng các hạt tải điện được tạo ra. 2. Những thông số cơ bản. a. Hiệu suất lượng tủ. Là tỉ số giữa số điện tử được tạo ra và số lượng photon hấp thụ của chất bán dẫn. hiệu suất được viết bởi công thức. Trong đó: là hiệu xuất lương tử. ne: là số lượng điện tử được tạo ra nph là số lương photon hấp thụ. Mỗi chất bán dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức sóng ánh sáng nhất định vì hiệu suất lượng tử của từng chất bán dẫn thay theo bước sóng của ánh sáng. b. Đáp ứng. Là tỉ số giữa dòng quang điện sinh ra và công suất quang tác động vào chất bán dẫn. Đáp ứng được viết bởi công thức: R = Trong đó: R: Đáp ứng có đơn vị là A/W. Iph dòng quang điện có đơn vị là A Ioph: Công suất quang có đơn vị là W R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu là hoạt động theo công thức Trong đó: e. Điện tích điện tử là e = 1,6.10-9 (hay As) h: Hằng số planck: h= 6,625-10-34 c. Độ nhạy. Đó là mức công suất ánh sáng nhỏ nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được với tỷ số lồi BER theo tiêu chuẩn CCIII, BER = 10-10. Độ nhạy càng cao có khả năng tăng cự ly thông tin. d. Dải động. Là khoảng cách chênh lệch giữa mức công suất quang cao nhất và mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được trong một giới hạn tỉ số lồi BER theo tiêu chuẩn. e. Tạp âm. Tạp âm trong các linh kiện thu quang được thể hiện dưới dạng dòng điện tạp âm. Các nguồn tạp âm đáng kể của linh kiện thu quang là: - Tạp âm nhiệt: Gây ra do R tải và diode thu quang và trở kháng của bộ khuếch đại đầu. Tạp âm nhiệt It phụ thuộc nhiệt độ, độ rộng bằng tạp âm, R tải hệ số tạp âm của bộ khuếch đại. I2t = .B Trong đó: K: Hằng số Bolizman 1,38 .10-38 J/0k T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k B: Bề rộng bằng (Hz) R: Điện trở tải (ohm) - Tạp âm lương tử: Do biến động ngẫu nhiên năng lượng của photon đập vào diode thu quang. Dòng tạp âm lượng tử Iq được tính bởi. Iq2= 2.e.R.Popt.B = 2e.Iph.B - Tạp âm dòng tời là dòng điện chạy qua PIN khi chưa có ánh sáng chiếu vào nó tạp âm do dòng tời được tính bởi công thức. ID2 =2e.iD.B ID là dòng tời của diode phát quang 3. Diot thu PIN Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N trong đó lớp I là lớp không pha tạp chất. Quá trình hấp thụ phonton để tách ra các điện tử và cổ trống xảy ra trong lớp I. Do đó lớp I càng dày thì hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử sẽ càng chậm. Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN. Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng và bán dẫn ánh sáng có dài thì khả năng thâm nhập càng lớn. Vòng tiếp xúc kim loại Cách điện (SiO2) Lớp chống phản xạ P I N Tiếp xúc kim loại ánh sáng Cấu tạo của Mode thu quang PIN. RS Id V1 V Iph = R. Popt Ta có mạch tương đương: Trong đó: Iph: Dòng điện Vi = VT. ln= R: Đáp ứng RS: R nối tiếp Id: Dòng qua diode VT = = 26mv ở 3000K IS: Dòng bão hòa của diode. 4. Diot thu APD. ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bán dẫn người ta chế tạo APD gồm 3 lớp là: P+, P-, PN-; Trong đó P+, PN- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao còn P- là lớp có nồng độ tạp chất thấp. Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùng tiếp giáp PN- là cao nhất. Vùng này gọi là vùng thác lũ. Khi có ánh sáng chiếu vào các photon được hấp thụ trong lớp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về phía lớp P+ nối cực âm của nguồn còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN-. Điện trở cao trong vùng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử. Điện tử va chạm vào các nguyên tử của tinh thể bán dẫn tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Quá trình tiếp diễn và số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn. Như vậy trong APD dòng quang điện đã được nhân lên M lần với M là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp. Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là: Iph = R. M. Popt Trong đó: M: hệ số nhân R: Đáp ứng (A/w) Popt: Công suất quang (w) Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực ngược và cũng phụ thuộc nhiệt độ nên việc giữ cho hệ số nhân M ổn định rất khó khăn. Ngoài ra, nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số M cũng càng lớn. Nhưng lúc đó thời gian trôi của điện tử càng chậm nên tốc độ hoạt động của APD giảm. Giá trị của hệ số nhân M từ 10 1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực cho APD sao cho M = 50 200 lần vì M càng lớn thì dòng nhiễu của APD cũng càng cao. Cấu tạo của một APD. Tiếp xúc N N- (Ingu Ac) N (Ingu AS) N (Iup) P (Iup) P (Iup) Tiếp xúc P ánh sáng Cấu tạo APD nhóm III - V 5. Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD. - Độ nhạy: Độ nhạy của APD lớn hơn độ nhạy của PIN từ 5 15dB, tuy nhiên nếu dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhạy của PIN - FET gần bằng độ nhạy của APD. - Điện áp phân cực: Điện áp phân cực của APD lớn hơn điện áp phân cực của PIN (APD khoảng Hà Nộiàg trăm vôn, PIN không dưới vài chục vôn).. - Dải động: Dải động của APD lớn hơn dải động của PIN và có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M. - Dòng tối của APD lớn hơn dòng tối của PIN. - Độ ổn định khi làm việc của APD nhỏ hơn PIN vì hệ số nhân của APD vừa phụ thuuộc điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ. * Ưu điểm của 2 loại tách sóng quang PIN và APD trái ngược nhau không giống như hai loại nguồn quang LED và Leser. Đặc tính kỹ thuật của leser tốt hơn LED về nhiều mặt trong khi đó APD chỉ hơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc. Các mặt hạn chế của APD là: - Chế độ làm việc kém ổn định nên cần mạch điện phức tạp. - Dòng nhiễu lớn. - Điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao. - Giá thành cao. Do đó APD và PIN đều tồn tại song song. Có thể khắc phục được các nhược điểm của PIN bằng cách dùng kết hợp PIN với một transistor trường (FET). Trong mạch khuếch đại. Nếu linh kiện kết hợp này được gọi là PIN - FET chúng được sử dụng khá phổ biến trong cácd hệ thống thông tn quang hiện nay, độ nhạy của PIN - FET có thể so sánh được với APD. - 30 . - 40 . - 50 . - 60 . - 70 . . . . APD PIN - Tốc độ bít (b/s) 1 10 100 1000 2.5. Hàn nối sợi quang. 1. Các yêu cầu nối. Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phương tiện chuyển cũng như trong quá trình lắp đặt và vận hành hệ thống thông tin quang, việc hàn nối giữa các sợi quang với nhau hoặc giữa các sợi quang với linh kiện thu - phát đóng một vai trò quan trọng. Hàn nối tốt cũng làm giảm suy hao đường truyền hàn nối sợi quang gồm những phương pháp sau: + Dùng keo dính. + Hàn nối bằng hồ quang. + Dùng bộ nối tháo rời và bộ nối không tháo rời. Những phương pháp chính hiện nay là hàn nối bằng hồ quang gồm các bước như sau: a. b c d Quá trình hàn nối sợi a. Dùng hóa chất để tẩy và tách sạch lớp vỏ bảo vệ của 2 sợi quang cần nối kẹp 2 đầu lên bộ giá đỡ. b. Điều chỉnh cho 2 đầu sợi dây gần nhau (bằng 10% đường kính lõi) c. Đóng mạch tia lửa điện. Quá trình này xảy ra tự động thời gian phóng điện được tính toán sao cho phù hợp với từng loại sợi và kích thước của sợi. d. Nối xong nếu khuyết tật phải cho hàn lại. e. Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối. Ngày nay các máy hàn đã được thiết kế hiện đại, việc hàn nối đã được máy hàn tự động hàn hết các khâu quan trọng. Con người chỉ thực hiện các động tác đơn giản như: tách sợi, tẩy bỏ lớp bảo vệ, bọc mối nối, hàn nối vỏ gia công chịu lực bảo vệ các mối nối. Do đó tiêu hao mối hàn nối rất thấp. Máy hàn cũ sản xuất năm 1992 tiêu hao hàn nối: = 0,2 0,6dB Máy hàn mới sản xuất năm 1995: tb = 0,038dB Trong thực tế thường chấp nhận: = 0,1dB Sau đây là một vài ví dụ suy hao do mối hàn của máy Furukawa - S5147S của Nhật. Số mối hàn (n) Suy hao (dB) 40 30 20 10 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Phân bố suy hao của mối hàn (sợi đa mode) n: Số mối hàn AVG: Suy hao trung bình : Suy hao trên một mối hàn 2.6. Hệ thống thông tin quang. 1. Khái niệm. Một hệ thống thông tin quang bao gồm: - Linh kiện phát quang ở phần phát - Cáp quang - Cáp bộ nối - Các thiết bị tiếp vận và các thiết bị ghép kênh - Chỗ hàn nối - Linh kiện thu quang ở phần thu Các hệ thống đang sử dụng hiện nay thuộc loại điều chế và tách sóng quang trực tiếp, không thông qua một giai đoạn biến đổi tần số quang nào. Và truyền T/h số (Digital) xd T/h điều chế xung mã PCM qua các bước ghép kênh số cấp cao để tận dụng khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang. Để mở rộng dải thông tin truyền dẫn và kéo dài cự ly tiếp vận các phần tử sau được chọn: - Sợi quang loại dơn Mode SM, hoạt động ở bước sóng 1300nm hoặc 1550nm. - Nguồn quang: Sử dụng laser đơn mode. - Tách sóng quang: Sử dụng diode quang APD hoặc PIN - FET. 2. Cấu trúc hệ thống thông tin quang. * Chức năng: - Hướng phát: Tiếp nhận tín hiệu từ thiết bị ghép kênh đưa đến, đổi tín hiệu điện sang dạng mã thích hợp với đường dây quang và cho tín hiệu điện kích thích nguồn quang phát ra tín hiệu quang. - hường thu: Tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi được khuếch đại, phục hồi, tín hiệu điện được chuyển sang mã thích hợp với thiết bị ghép kênh. * Hướng phát: + Sử dụng: Từ đầu vào (ghép kênh) có một chuỗi xung tín hiệu điện đưa đến, đi qua bộ sử dụng xung, san bằng san khi đã được khuếch đại. Đồng thời được đồng bộ (xác định xung clock). + Biến đổi mã: B/v (Bipalar/ Unipolor): Mã truyền dẫn của tín hiệu điện thường là mã nhị cực có 3 trạng thái + V, 0, - V không phù hợp với đường truyền dẫn quang. Là loại chi 2 trạng thái sáng và tối. Do đó khối đổi mã chuyển tín hiệu ở mã nhị cực sang mã đơn cực. Mã nhị cực thường dùng là mã HDB3 còn mã đơn cực thường dùng là mã NRZ. + Ngẫu nhiên hóa: (SCR: Scramhler): Có tác dụng trộn chuỗi xung một cách ngẫu nhiên theo một quy luật nhất định để tránh sự lặp lại một chuỗi dài các bít giống nhau. Sự sáo trộn này làm cho sự phân bố phổ của tín hiệu cần chuyển động đều hơn. + Mã hóa: Lại một lần nữa chuỗi xung được đổi sang dạng mã thích hợp với đường truyền dẫn quang. Loại mã này tác dụng tránh tình trạng xuất hiện các nhóm bít chứa nhiều bít "1" hoặc "0" liên tiếp đầu thu không nhận được. Trừ một nhóm bít để phát hiện lỗi. Loại thường dùng là mã 5B. 6B. Một nhóm 5 bít được đổi thành 6 bít. 5B: gồm 32 nhóm tổ hợp: 6B: gồm 64 nhóm tổ hợp 00000 000000 00001 000001 … … 11111 111111 Trong 64 hàng của mã 6B người ta chọn lấy 32 hàng không chứa 5 số không liên tiếp. Do đó 32 trường hợp 5B cho tương ứng 32 trường hợp 6B đã được chọn. Số bít 5B đổi thành 6B tăng thêm 20%: tức là tốc độ bít tăng thêm 6/5 lần khi dùng mã 5B 6B. Nếu truyền tốc độ 35MB/s thì tốc độ trên đường dây quang là 42MB/s, 140MB/s trở thành 168 MB/s. Người ta có thể dùng 32 tổ hợp để phát hiện lỗi. + Mạch kích thước: Tổng hợp dòng điện phân cực và chuyển xung tín hiệu để kích thích nguồn quang. Chuyển từ Uxung -> Ixung. + Nguồn quang: Linh kiện thường là laser. Công suất phát luôn được mạch điều khiển công suất APC. Thăm dò để điều chỉnh dòng phân cực nhằm giữ cho công suất quang được ổn định. * Hướng thu: + Mạch thu quang: Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện sử dụng diode quang sang tín hiệu điện sử dụng diode thu quang có thể là PIN hoặc APD trong đó có mạch điều khiển khuếch đại. + Khối khuếch đại: Tín hiệu thu, điều chỉnh được bộ khuếch đại để giữ mức tín hiệu ra đồng đều khi tín hiệu vào thay đổi. Mạch điều chỉnh bộ khuếch đại AGC làm nhiệm vụ này. + Mạch phục hồi: Qua đường truyền ngoài việc biên độ tín hiệu bị suy giảm do suy hao sợi quang, dạng tín hiệu còn bị méo do tán sắc của sợi. Mạch phục hồi có tác dụng khôi phục lại xung và định lại thời gian nhịp của quang. + Giải mã: Chuyển từ mã 6B về 5B theo quy tắc đã mã hóa ở đầu phát và phát hiện cảnh báo trong bộ giảm sát. + Giải ngẫu nhiên: Trộn tín hiệu theo quy luật ngược lại quá trình ngẫu nhiên hóa ở đầu phát. + Đổi mã: Chuyển từ mã đơn cực sang mã nhị cực sau đó chuyển đến thiết bị ghép kênh. + Tín hiệu nghiệp vụ: Được chuyển sang dạng số, đưa vào mạch kích thích để điều chế biên độ tín hiệu quang của luồng tín hiệu chính. ở hướng thu tín hiệu nghiệp vụ được tách ra từ khối khuếch đại. + Thiết bị ghép kênh: Thiết bị ghép kênh trong hệ thống thông tin quang hiện nay là thiết bị ghép kênh số. tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu điều chế xung mã (PCM) và ghép kênh theo nguyên tắc phân kênh thời gian (TDM) các tiêu chuẩn PCM được dùng hiện nay là: Tiêu chuẩn Châu Âu (CEPT) tốc độ luồng tín hiệu số cơ bản là 2.048 Mb/s gồm 30 kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s. Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản: Tốc độ luồng cơ bản là 1,54 Mb/s gồm 24 kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s. Tiêu chuẩn Đặc trưng Cấp bậc Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3 Cấp 4 Cấp 5 Châu âu Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 2.048 8.448 34.368 139.264 2.048 4 4 4 4 30 480 480 1920 7680 Bắc Mỹ Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 1.544 6.312 44.736 274.176 565 1.544 4 7 6 2 24 96 672 4032 8064 Nhật Bản Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 1.544 6.312 32.064 97.728 397.2 1.544 4 5 3 4 24 96 480 1440 5760 ở Việt Nam xây dựng hệ thống ghép kênh theo tiêu chuẩn Châu Âu. Một kênh thoại tiêu chuẩn có phổ giới hạn 0,3 3,4 KHZ được chuyển sang dạng số có tốc độ 64 Kb/s. Một kênh truyền thanh được truyền với tốc độ 384 Kb/s tương đương với 6 kênh thoại. * Thiết bị tiếp vận: Khác với thiết bị trạm đầu cuối, thiết bị trạm tiếp vận giao tiếp với đường dây quang ở cả 2 phía. Trong thiết bị tiếp vận không có các khối mã B/V ngẫu nhiên mã hóa và các bộ biến đổi ngược lại. Vì dạng mã trên đường dây quang được giữ nguyên chức năng của các khối còn lại tương tự chức năng của các khối tương ứng trong thiết bị trạm đầu cuối. 3. Mã hóa hệ thống thông tin quang. Chuỗi tín hiệu PCM có dạng phù hợp trong môi trường truyền dẫn điện. Thông dụng hiện nay thường là mã HDB3 là mã nhị phân mật độ cao có cực đại 3 số không liên tiếp và có trạng thái - 1, 0, +1. Mã này không thể truyền trên sợi quang. Do tín hiệu quang chỉ có 2 trạng thái sáng và tối. Để phù hợp với trạng thái sáng, tối thì tốt nhất dùng mã đơn cực và hướng dùng là NRZ. Người ta thường thực hiện đổi mã theo xu hướng sau: - Đối với hệ thống có dung lượng nhỏ, tốc độ 2 hoặc 8 Mb/s thì sử dụng phương pháp đổi mã đơn giản có thể băng tần truyền dẫn bị rộng ra nhưng cũng chưa ảnh hưởng thường dùng mã 1B/ 2B tức là truyền 1 bít thành hai bít 01 hoặc 10. - Đối với hệ thống có dung lượng lớn, tốc độ bít từ 34 Mb/s trở lên thì cần thực hiện đối mã phức tạp tránh làm tăng độ rộng băng truyền. Một phương pháp đơn giản là đổi mã HDB-3 sang mã đảo cực CMI theo quy tắc là một dấu hiệu HDB-3 được đổi thành một cấu hiệu CMI như sau: Dấu hiệu nhị phân 0 1 Dấu hiệu mã HDB-3 0 +1 hoặc -1 Dấu hiệu mã CMI 01 11 hoặc 00 Mã CMI là mã NRZ (nhị phân đơn cực Not Retum tozero) không trở về mức không. Bít "0" được ký hiệu 01, bít 1 được ký hiệu 11 hoặc 00 trong khoảng khe thời gian. Bộ ngẫu nhiên hóa SCN đã làm sáo trộn truổi tín hiệu để tránh xuất hiện truổi "0" "1" không làm tăng độ rộng băng truyền dẫn. Song không loại trừ hết các chuỗi "0" "1" do tính ngẫu nhiên của nó. Do vậy phải sử dụng thêm hệ mã hóa để biến đổi lại một lần nữa. Hiện nay nhiều hệ thống đang sử dụng loại mã khối 5B, 6B. Để làm tăng tốc độ truyền do số bít tăng lên sau khi được mã hóa và không làm tăng độ rộng băng truyền dẫn lên nhiều. Sau đây là bảng đổi mã 5B 6B của Marconi: 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 11111 110010+ 110011- 110110- 100011+ 110101- 100101+ 100110+ 100111- 101011- 101001+ 101010+ 001011+ 101100+ 101101- 101110- 001110+ 110001+ 111001- 111010- 010011+ 110100+ 010101+ 010110+ 010111- 111000+ 011001+ 011010+ 011011- 011100+ 011101- 011110- 001101+ 110010- 100001+ 100010+ 100011- 100100+ 100101- 100110- 000111- 101000+ 101001- 101010- 001011- 101100- 000101+ 000110+ 001110- 110001- 010001+ 010010+ 010011- 110100- 010101- 010110- 010100+ 011000+ 011001- 011010- 001010+ 011100- 001001+ 001100+ 001101- Bảng gồm một cột 5B và 2 cột 6B. Các tổ hợp 6 bit được dùng có số bit, "1" "0" chênh lệch không quá 2 bao gồm tổ hợp chứa 3 bit "0" và bít "1" hoặc 4 bít "0" và 2 bít "1" hoặc 2 bít "0" và 4 bít "1". Khi độ chênh lệch bằng 2 nhóm kế tiếp được tra ở cột khác. 2.7. Thiết kế tuyến thông tin quang. 1. Yêu cầu: Kỹ thuật thông tin quang phát triển với tốc độ nhanh. Có nhiều hệ thống quang đang được sử dụng hiện nay dẫn đến sự khác nhau về loại sợi, bước sóng công tác, loại linh kiện thu phát quang… Do đó khi thiết kế truyền thông tin quang người ta cố gắng chọn các phần tử cùng thế hệ để giảm chi phí lắp đặt. * Cơ sở của việc lựa chọn: - Sợi quang: Thường chọn sợi đơn một (SM) để giảm suy hao và tăng giải thông dễ hàn nối tăng cự ly truyền dẫn. - Bước sóng: Bước sóng 1300mm đang được sử dụng phổ biến vì độ tán sắc của sợi là thấp nhất. Khi cần truyền với cự ly tiếp vận dài người ta chọn bước sóng 1550mm do độ suy hao ở bước sóng này thấp nhất. Đặc biệt dùng sợi đơn mode dịch tán sắc sợi quang làm việc ở bước sóng 1500m có độ tán sắc rất nhỏ. - Linh kiện thu quang: + LED: Hoạt động ổn định hơn và giá thành rẻ hơn nên được chọn trong những hệ thống mà sự hạn chế về công suất phát và bề rộng phổ của nó không ảnh hưởng đến hệ thống. + LESER: Được chọn trong những tuyến có cự ly dài và tốc độ truyền dẫn cao. - Linh kiện: Có thể chọn PIN hoặc APD ngày nay người ta thường chọn APD hoặc PINFET. * Chọn thiết bị. Chọn thiết bị chuẩn với hệ thống đáp ứng được mọi chỉ tiêu cho phép. Ngày nay các thiết bị đều được chọn để áp dụng công nghệ SDH và đều có chuẩn. Cự ly L (km) <2km <15km <40km <80km Dung lượng B (MB/s). 155 MB/s STM-1 dung lượng 1920 kênh 622 Mb/s STM-4 dung lượng 4 x 1920 kênh 2500 Mb/s STM-16 dung lượng 16 x 1920 kênh Mã hiệu các hệ thống SDH. Trong bảng: I (Intraband) cự ly S (Sboztband) L (long) số chỉ dung lượng * Chọn thiết bị chuẩn. Chỉ tiêu kỹ thuật cần phát * Phát: - Source: , PS phát cực đại: công suất phát cực tiểu. - Khoảng cách giữa phát và thu (S - R) Receiver. - Tiêu hao cho phép tính bằng dB. - Tiêu hao trên sợi L (km) + Tiêu hao mối hàn + Tiêu hao Jack nối + Tiêu hao dự phòng do linh kiện già hóa. - Mức tắn sắc cho phép. * Thu: + Chỉ tiêu kỹ thuật: - P receiver, Prmin, Prmax. - Prmin: chỉ đảm bảo tỉ số BER (lỗi bít) 10-9 10-10. - Prmax: Đảm bảo an toàn. Tránh tín hiệu tới đầu thu lớn cháy đầu thu. 2. Tính toán thiết kế tuyến: Việc tính toán tuyến truyền dẫn quang có thể được tiến hành theo nhiều hướng, phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra. Tính cự ly tối đa của đoạn tiếp vận. Biết tốc độ bit và đặc tính của các phần tử trong tuyến. Tính giới hạn đặc tính của các phần tử khi biết tốc độ và cự ly cần truyền. Thường công suất phát của LD ghép vào sợi quang chỉ khoảng 1mW (odB/m). Thực tế: Tiêu hao bộ nối, Jack nối (nonnecfor). Biến động mức điện phát sai số do đo. Linh kiện bị già hóa. Suy hao của sợi quang. Sau đây là biểu đồ suy hao tính toán truyền dẫn PS Pr OF Jack Hàn PS Pr Tiêu hao do Jack Do sai số đo đạc Linh kiện già hóa Jack Do sai số đo đạc Linh kiện già hóa Port Dbm 10 10 1 0 0,1 -10 0,01 -20 0,001 -30 0,0001 -40 - Suy hao trung bình mỗi khớp nối là 0,5 dB (ít nhất là 2 giắc). - Suy hao mối hàn phụ khi sửa chữa. Thông thường nên trừ suy hao dự phòng cho cáp quang khoảng (0,2 dB 0,3 dB). - Dự phòng do thiết bị lão hóa 0,3 dB 5dB. * Cách tính quỹ tổng quát: Quỹ công suất của tuyến là: Pb (dB) = Pt - Pr - Lm - Lc PS: Công suất phát Pr: Độ nhạy máy thu tại điểm R Lm: Suy hao dự phòng Lc: Suy hao mối hàn, giắc cắm. Quỹ công suất -nmối hàn Khoảng cách tối đa của trạm tiếp vận. a(dB/Km) Lmax (Km) = : Suy hao sợi quang. + : Suy hao trung bình của mối hàn/km. Chiều dài cuộn cáp Suy hao trung bình mỗi mối hàn = : Độ suy hao trung bình của sợi quang. : Suy hao dự phòng cho cáp + Suy hao trung bình của cáp là: (db/km) = + + - Tính cự ly giới hạn do giải thông. - Các thông số cần biết. + Tốc độ bít cần truyền: 8,34; 140, 565 MB/s + Loại mã đường dây được sử dụng. Khi dùng mã 1B. 2B thì tốc độ truyền tăng gấp đôi. 5B. 6B thì tốc độ truyền tăng 6/5 lần. + Độ tán sắc Mode (GHz. Km) + Độ tán sắc thể + Độ rộng phổ của quang. - Cách tính: Dải thông được tính B = 0,44 Dt (GHz) Dt: Độ tán sắc (ns) + Độ tán sắc của tuyến: Dt = Tán sắc Mode Dmod được tính: Dmod = 0,44/BL BL dải thông giới hạn bởi tán sắc mode K (GHz. Km) L Cự ly giới hạn bởi quỹ công suất (Km) Tán sắc sắc thể Dchr được tính: Dchr = Dmat + Dwg, Dwg << Dmat Dchr Dmat dmat. Trong đó: Dmat: tán sắc chất liệu (hs) Dwg: tán sắc ống dẫn sóng dmat: tán sắc chất liệu (hs/ nm. km) : Độ rộng phổ của nguồn quang (nm) - Độ rộng phổ tối đa cho phép Dmax = 1/4Br Br = tốc độ bít x hệ số tăng bít của mã đường dây Br: Tốc độ bít thực sự (Gbit/s) So sánh Dt với Dmax Nếu Dt Dmax: Dải thông bị giới hạn Nếu Dt > Dmax: Dải thông không bị giới hạn. Nhưng phải giảm cự ly của đoạn tiếp vận cho Dt = Dmax Sợi đơn Mode không có tán săc Mode nên: Dt = Dchr = dmat. Độ tán sắc của sợi đơn Mode rất nhỏ, đặc biệt khi dùng ở bước sóng 1300nm, nên giải thông của sợi đơn mode rất rộng. Trong nhiều trường hợp người ta không cần thiết tính cự ly giới hạn do dải thông. 3. Ví dụ về tính toán. VD1: Cho công suất PS = OdBm = 1mW Tiêu hao do Jack mất 1dB, do đó 1dB, già hóa linh kiện 3dB, tiêu hao trên mối hàn 0,1dB. Phía thu Pr = -2,5dBm. Quỹ công suất S-R = 19dB = 25dB -1-2-3dB. Do có 2 mối hàn. Tính cự ly cực đại của hệ thống. Giải: Sợi quang = 1310nm -> = 0,4 dB/km = 1550nm -> = 0,25 dB/km Llý tưởng = = 47,5km. Giả sử dùng cuộn cáp dài 1km để lắp đặt ta có số mối hàn giữa các sợi 47-1-46dB. Vậy tiêu hao do mối hàn 46 x 0,1 = 4,6dB. Vậy Lmax = = 26km VD2: Thiết kế tuyến theo yêu cầu cự ly: L = 35km B = 622 Mh/s B1: Tra bảng để chọn linh kiện. L4.1 có độ dài 40km Sợi quang G652 Có hệ số suy hao = 0,4dB/km. Độ tán sắc = ops. B2: Tra bảng chọn thông số của thiết bị L4.1 Psmax = + 2dBm Prmax = - 2,8 dBm Psmin = - 3 dBm Prmin = - 8dBm Quỹ công suất S - R = 10 24dB B3: Tính P2 điều kiện - 28km Pr - 8dBm Tính: Pmax = Psmax - mối hàn - già hóa - giác nối sợi = 0,4 x 3,5km = 14dB già hóa = 0 (do thiết bị mới); Jack = 1 x 2 = 2dB. Do đó: Pmax = 2dB - 14 - 3,4 - 2 = 17,4 dBm Tính Prmin = Psmin - sợi - mối hàn - giác nối = - 3 - 14 - 3,4 - 2 - 1dB (dự phòng buồng quá lớn). = - 22,4 dBm Thiết bị tính toán ta có: - 22,4 dBm < Pr = 17,4dBm. Thỏa mãn điều kiện - 28dB Pr - 8dB Thiết bị đạt yêu cầu. Lưu ý: Gỉa sử Pmin tính được < - 28dBm. Ta có thể chỉnh Psmin trong khoảng (-3, + 2) hoặc chọn thiết bị cấp cao nếu độ chênh lệch quá lớn. VD3: Dùng sợi đa mode để truyền tốc độ 8Mb/s mã 5B. 6B Biết: Ps = -20dBm, độ nhạy máy thu Pr = -51dB, Jack = 1 x 2 = 2dB, mối hàn = 0,1 Cuộn cáp: 2km Giới hạn giải thông tán sắc mode Bz = 1GHz tán sắc chất liệu. Dmat = 3,5Ps/ nm. km. Độ rộng phổ = 100nm Suy hao dự phòng do thiết bị Lm = 4dB. Suy hao dự phòng cho cáp m = 0,15 dB/km Suy hao trung bình sợi = f = 0,5 dB/km Tính Lmax = ? B1: Xác định quỹ công suất. Db = Ps - Pr - Lm - Jack = - 20dBm = (-51dBm) - 4dB - 2dB = 25dB Suy hao trung bình của cáp: c = f + s + m (s = mối hàn/ Lcuộn cáp) = 0,5 + 0,1/2 + 0,15 = 0,7 dB/km Cự ly giới hạn bởi Pb: L = Pb/c = = 36km B2: Với độ tán sắc Dmode = = = 16hs Độ tán sắc sắc thể: Dchr = dmat. = 3,5. 100.36 = 12hs Độ tán sắc tổng cộng: Dt = Độ tán sắc cho phép: Dmax = So sánh Dt < Dmax nên dải thông không bị giới hạn Vậy cự ly L = 36km Phần II Công nghệ truyền dẫn SDH Chương I Sơ lược về công nghệ truyền dẫn 1.1 Kĩ thuật điều chế xung mã. 1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM Trong mạng số việc truyền dẫn tiếng nói được thực hiện bằng số. Để thực hiện được điều đó người ta phải thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số. Quy trình biến đổi đó được gọi là kĩ thuật PCM (Plulse Code Modunlation) hay còn gọi là điều chế sung mã. Trong kĩ thuật PCM người ta sử lý tín hiệu tương tự qua ba giai đoạn cơ bản sau: - Lấy mẫu (Sampling) - Lượng tử hoá (Quantitation) - Mã hoá (Coding) Sau giai đoạn trên, tín hiệu tương tự sẽ được mã hoá và truyền đi tới đầu thu. Tại đây người ta sẽ thực hiện tái tạo tín hiệu ban đầu. Công việc này được gọi là quá trình giải mã (Decoding). Quá trình này được thực hiện theo thứ tự đảo đúng như quá trình mã hoá. Tái tạo và thuyền dẫn Lấy mẫu Mã hoá Tái tạo và trễ Giải mã Lọc Đầu vào tương tự Đầu ra số Đầu ra số Phần thu Phần phát Cấu hình cơ bản của phương pháp PCM. Đầu ra tương tự 1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM Hệ thống PCM có khả năng truyền những đặc tính của một đường cong tiếng nói phức tạp trong Modem chỉ có hai điều k._.