Đang tải... (xem toàn văn)
Như chúng ta đ• biết thông tin quang học đ• 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 đ• 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, đ• 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 đ• 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( ? ? 1000dB/km). Năm 1970 h•ng 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 r•i. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm.
Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện Mở đầu Phần I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chơng I: Sơ lợc về hệ thống thông tin quang 6 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 6 1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 7 1.3 ứng dụng và u nhợc điển của hệ thống thông tin quang 8 Chơng II: Các thành phần của hệ thống thông tin quang quang 2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn 9 2.1.1 Cơ sở quang học 9 2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 10 2.1.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 11 a/ Dạng 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 Đồ án tốt nghiệp 1 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 lợng 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 ChơngI: Sơ lợc 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/ Lợng 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 ChơngII: 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 Đồ án tốt nghiệp 2 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 Chơng III: Mạng SDH 84 1.1 Các vùng mạch SDH 84 1.1.1 Đờng 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 đờng dây và thiết bị nối chéo bậc cao 85 a/ Các hệ thống đờng 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 hớng tự bảo vệ cho vùng dẫn 87 3.5.2 Mạng vòng ring hai hớng 88 3.5.3 Bảo vệ theo đờng truyền 88 3.5.4 Mạng vòng tự phục hồi một hớng tự bảo vệ luồng 89 3.5.5 Mạng vòng tự phục hồi một hớng theo đoạn 89 3.5.6 Mạng vòng tự phục hồi hai hớng theo đoạn 89 3.6 Mạng ring trong ba vùng ứng dụng của ALCATEL 90 Kết luận Đồ án tốt nghiệp 3 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 chơng: - Chơng I: Sơ lợc về hệ thông thông tin quang. ở chơng này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và u nhợc điểm của nó. - Chơng II: Các thành phần của hệ thông tin quang. Chơng II em nghiên cu 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 chơng - Chơng 1: Sơ lợc về công nghệ truyền dẫn. Trong chơng 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. - Chơng 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH. Trong chơng 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 - Chơng 3: Nghiên cứu mạng SDH Trong chơng 3 em nghiên cứu + Các vùng mạnh SDH gồm đờng dẫn, vùng ghép kênh và vùng lặp + Thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ: Có hai thành phần là Hệ thống đờng 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 Đồ án tốt nghiệp 4 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện + Mạng vòng ring SDH Trong mạng này gồn có 6 mạng vòng là: Vong ring một hớng tợ bảo vệ cho một vùng dẫn. Mạng vòng ring hai hớng. Bảo vệ theo đờng truyền. Mạng vòng ring tự phục hồi một hớng bảo vệ theo luồng. Mạng vòng ring tự phục hồi một hớng theo đoạn. Mạng vòng ring tự phục hồi hai hớng bảo vệ theo đoạn Đồ án tốt nghiệp 5 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện Phần I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chơng 1: Sơ lợc về hệ thống thông tin quang. 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang. Nh 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 đợc tóm tắt bởi các mốc sau: Năm 1790 Claude Chappe- kỹ s ngời 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 đợc truyền với hệ thống này khoảng 15 phút cho cự ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý ngời Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền đợc theo ống nớc uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nớc uốn cong là sự ứng dụng hiện tợng phản xạ toàn phần. Năm 1880 Alexander Graham Bell ngời Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng đợc truyền qua môi trờng không khí. Nhng vì môi trờng không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này cha đợc sử dụng. Năm1934 Noman R.Funch- kỹ s ngời Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi tr- ờng truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang. Năm 1960 Theodor H.Maiman đa 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 ngời Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh đợc chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( 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 đợc sản suất tại Mỹ. Ngày nay sợi quang đơn mốt đợc sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bớc sóng 1550nm. Đồ án tốt nghiệp 6 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang. Trặm lặp trên đờng truyền 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 đa 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 đợc biến đổi thành cờng độ quang, các tín hiệu điện 0 và 1 đợc biến đổi ra ánh sáng tơng ứng dạng không và có. Sau đó tín hiệu quang đợc đa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang nh: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 đ- ợc 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 đa 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. Tín hiệu Tín hiệu KĐ Cáp quang Cáp quang Đồ án tốt nghiệp 7 SV: Nguyễn Hữu Anh Nguồn tín hiệu Phần tử điện E O E O E O E O Phần tử điện O E O E Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện Sơ đồ khối trặm lặp 1.3. ứng dụng và u nh ợc điểm của hệ thống thông tin quang. Những ứng dụng của sợi quang. - Sợi quang đợc ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. - Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay. + Mạng đờng trục xuyên quốc gia. + Đờng trung kế. + Đờng cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia). + Đờng 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 đợc 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 đợc giá thành. - Sợi quang có đờng kính nhỏ, trọng lợng nhẹ. - Sợi quang có tính bảo mật trong thông tin cao, không chịu ảnh hởng nhiễu điện từ trờng bên ngoài. - Tính cách điện cao, không gây chập cháy. - Dễ lắp đặt, bảo dỡng, uốn cong. - Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại có cùng dung lợng và cự ly. Nhợc điểm. - Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tơng thích. - Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao. - Thiết bị tốn kém. Nhờ có những u nhợc điểm trên nên sợi quang đã và đang đợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác. Chơng II. Các thành phần của hệ thống thông tin quang Đồ án tốt nghiệp 8 SV: Nguyễn Hữu Anh Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 tợng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bớc sóng từ (800 1600)nm. Đặc biệt có ba bớc sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm. - Vận tốc ánh sáng: C=V Trong đó: V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng. là vận tốc ánh sáng - Triết suất của môi trờng: n=C/V Trong đó: n là triết suất của môi trờng V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng trong chân không Vì V<C nên n>1 - Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n 1 Sin =n 2 Sin. Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới. Góc phản xạ bằng góc tới. = *Góc khúc xạ đợc xác định theo định luật Snell. n 1 Sin =n 2 Sin. Đồ án tốt nghiệp 9 SV: Nguyễn Hữu Anh Tia khúc xạ 1 Tia phản xạ 1 Tia tới n 2 n 1 3 2 1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Trờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện Trong đó: n 1 : chiết suất môi trờng 1 n 2 : chiết suất môi trờng 2 Khi n 1 >n 2 thì > nếu tăng thì cũng tăng theo và luôn lớn hơn khi = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì đợc gọi là góc tới hạn T . Nếu tiếp tục tăng cao cho > T thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tợng này gọi là hiện tợng phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật Snell ta có thể tính đợc góc tới hạn T : Sin T = 1 2 n n hay T =artsin 1 2 n n 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 sáng thâm nhập tao nên một góc với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánh sáng. Tia sáng phải đi qua môi trờng không khí có n k = 1 rồi vào ruột sợi có n 1 > n k tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ . Sự phản xã toàn phần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới < max . Sin của góc tới hạn này đợc gọi là khẩu độ số. NA = Sin max. áp dụng công thức Snell để tính NA. Tại điểm A ta có: n k sin max = n 1 sin90. Mà n k là chiết suất không khí(n 1 =1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì: Sin min = 1 2 n n và min đảm bảo đIều kiện toàn phần. Do đó: NA = sin max = n 2 1 -n 2 2 =n 1 Đồ án tốt nghiệp 10 SV: Nguyễn Hữu Anh Tia khúc xạ Trục sợi quangn k n 2 Tia phản xạ n 1
