Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ, chuyên ngành tin học Hệ thống thông tin quang SDH
lờI mở đầu. Có ba phơng thức truyền dẫn đợc sử dụng trong mạng viễn thông hiện nay đó là: truyền dẫn cáp đồng, truyền dẫn cáp quang, truyền dẫn sóng vô tuyến. trong đó truyền dẫn cáp sợi quang đang và sẽ tiếp tục chiếm u thế trong mạng truyền dẫn. truyền dẫn quang có những u điểm là : độ rộng băng tần lớn, độ truyền dẫn cao, độ tin cậy cao. . . Do đó đáp ứng đợc tất cả các dịch vụ từ các dịch vụ tấc độ thấp và trung bình nh thoại, fax,. . . Cho tới các dịch vụ tấc độ cao nh hội nghị truyền hình,truy cập dữ liệu từ xa,dịch vụ chuyển giao tệp đa môi tr-ờng,. . . Tại việt nam truyền dẫn sợi quang đang đợc chuyển giao rộng rãi : Mạng truyền đờng trục, mạng truyền dẫn trung kế, mạng truyền dẫn nội hạt và trong tơng lai các đờng kết nối thuê bao tới tổng đài hoặc các bộ tập trung từ xa sẽ đợc thay thế bằng sợi quang. Điều đó có nghĩa là một mạng truyền dẫn toàn quang là có thể thực hiện đợc. Hai phơng thức truyền dẫn chính trong thông tin quang là truyền dẫn cận đồng bộ PDH và truyền dẫn đồng bộ SDH . Tuy nhiên dung lợng của của PDH còn hạn chế nh trạm xen-rẽ phải sử dụng nhiều thiết bị , kênh nghiệp vụ còn ít . nên không thích hợp nên không thích hợp với mạng viễn thông có dung lợng cao và băng thông rộng . chính vì thế công nghệ truyền dẫn SDH đã ra đời đã đáp ứng kịp nhu cầu thông tin ngày càng cao mà vẫn đảm bảo chất lợng thông tin tốt . Đối với nớc ta công nghệ SDH đã thâm nhập mạng viễn thông đờng trục trên đất liền có tốc độ 2,5Gbit/s có cấu hình mạng Ring tự phục hồi , ở các tỉnh các thành phố ngày càng nhiều thông tin cáp sợi quang SDH. Vì vậy việc tìm hiểu và nắm vững kĩ thuật truyền dẫn thông tin quang SDH là một nhu cầu cần thiết đối với mỗi nhân viên và còn là nhiệm vụ của các công nhân , kĩ thuật viên vận hành và khai thác kĩ thuật thông tin quang SDH.Với mục đích nh vậy bản đồ án của em gồm có 2 phần : 1 Phần I : Tổng quan về hệ thống thông tin quang gồm có 3 chơng :Chơng I : Hệ thống thông tin quang.Chơng II : Sợi quang.Chơng III : Khái quát hệ thống thông tin sợi quang.Phần II : Công nghệ SDH trong thông tin quang gồm có 4 chơng.Chơng I : Bộ ghép PCM-24 và PCM-30Chơng II : Phân cấp số cận đồng bộ PDH.Chơng III : Hệ thống thông tin đồng bộ SDH.Chong IV: Thiết bị SDH, cấu trúc mạng và các thiết bị bảo vệ.Mặc dù đã rất nhiều cố gắng nhng vì thời gian có hạn , hơn nữa trình độ hiểu biết cha sâu nên bản báo cáo của em còn nhiều hạn chế không tránh đợc khỏi những sai sót em mong đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn 2 phần I.TổNG QUAN Về Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG. Lịch sử phát triển.Ngay từ thời xa xa con ngời đã biết ánh sáng để truyền tin thời thợng cổ con ngời đã biết dùng khói lửa để thông báo cho nhau biết mỗi khi có kẻ thù xâm lăng. Vào thế kỉ 18,một dẫy dài các cột báo hiệu đã đợc xây dựng dùng để truyền tin. Khi tín hiệu moóc ra đời,tầu thuyền đi biển đã dùng cờ hiệu hoặc ánh đèn nhấp nháy để truyền các bức điện báo. Phơng thức truyền tin này tồn tại cho tới khi có điện báo vô tuyến. ý tởng truyền ánh sáng qua thuỷ tinh đợc bắt nguồn từ thí nghiệm 'Suối ánh sáng' của John Tydall tại Anh vào năm 1970 Tại thí nghiệm này ngời ta quan sát thấy ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng truyền qua dòng nớc hẹp nhờ phản xạ toàn phần giữa nớc và không khí. Các thí nghiệm đầu tiên về truyền sóng ánh sáng qua sợi thuỷ tinh trần đã đợc thực hiện tại Đức vào năm 1930. Nhng do lúc bấy giờ thuỷ tinh có độ xuy hao và tán sắc lớn, giòn dễ gẫy nên không đợc áp dụng vào thực tế. Sợi quang có lõi thuỷ tinh có chiết xuất cao và đợc bao bọc bởi lớp vỏ thuỷ tinh chiết xuất thấp hơn đã đ-ợc A. S. CVanHeel, H. H. Hopkin và N. S. Kanapy chế tạo vào năm 1954 để truyền hình ảnh trong máy nội soi. Laser đợc phát minh vào năm 1960. Sau khi laser ra đời một hệ thống truyền dẫn tín hiệu quang qua không khí đã đợc xây dựng. Tuy nhiên do ảnh hởng của địa hình,ma, mây mù và nhiệt độ thay đổi vv. . . Nên truyền tin không ổn định. Do do các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm môi tr-ờng truyền dẫn ánh sáng tốt hơn. Theo tinh toán thì sợi thuỷ tinh có suy hao khoảng 20dB/km thì có thể truyền dẫn tín hiệu quang đi xa. Nhng từ năm 1967 trở về trớc chỉ mới chế tạo đợc sợi có suy hao lớn hơn hoặc bằng 1000dB/km tại các bớc sóng nhìn thấy. Do đó mà sợi quang chỉ đợc áp dụng trong các phòng thí nghiệm. Vào năm 1970 Kao và Hockman đã chế tạo sợi quang có xuy hao vào khoảng 20dB/km. Với sợi quang này thì công suất mà ánh sáng truyền đợc 2km đã bị giảm 40 dB. 3 Hệ thống thông tin quang nh vậy cũng chỉ tơng đơng với hệ thống thông tin kim loại có khoảng lặp khoảng 2km. Năm 1975 mỹ đã sản xuất đợc sợi quang có xuy hao 2dB/km. Nhật bản đã sản xuất đợc sợi quang có xuy hao 0,5dB/km vào năm 1978 và 0,2dB/km vao năm 1979 tại các bớc sóng 1,3àm và 1,5àm. Vào năm 1982 corning đã thông báo kết quả nghiên cứu loại sợi quang có xuy hao thấp nhất là 0,15dB/km tại b-ớc sóng là 1,6àm khi sử dụng Silic. Nếu sản xuất thành công sợi quang nh vậy thì công suất quang chỉ giảm một nửa khi truyền tin đi xa 20km. Song song với sự phát triển của sợi quang, loại nguồn quang trọng nhất là laser cũng không ngừng phát triển và hoàn thiện. Năm 1980 đã sản xuất thành công laser có bớc sóng phù hợp với sợi quang. Cũng vào thời điểm nay tại các nớc công nghiệp phát triển đã sử dụng hệ thống thông tin cáp sợi quang thay thế các đờng truyền trung kế cáp kim loại có tấc độ bít lớn hơn 8Mbit/s. Các hệ thống thông tin quang thế hệ đầu tiên sử dụng sợi đa mode và laser diode bức xạ bớc sóng xung quanh 850nm. Vào năm1985 loại laser này không đợc sử dụng với các cự ly dài và chỉ đợc sử dụng trong các mạng thông tin nội bộ. Tiếp theo là các hệ thống thông tin quang sử dụng cho các sợi đơn mode tại các dải bớc sóng 1,3àm và 1,55àm đã đợc đa vào khai thác. nhiều hệ thống thông tin cáp sợi quang đơn mode thả biển và trên đất liền đã đợc lắp đặt vào cuối thế kỉ 80, điển hình là tuyến cáp quang vợt đại tây dơng TAT-8 đã đợc khai thác và sử dụng vào năm1988. Từ đó đến nay mạng thông tin cáp sợi quang đã đợc khai thác với nhịp độ nhanh chóng. Các hệ thống thông tin quang hiện đại sử dụng điều chế cờng độ và tách quang trực tiếp (IM/DD). Cũng đã có một hớng nghiên cứi khác là truyền dẫn sợi quang coherent. Hệ thống quang này sử dụng điều chế quang ngoài, tách quang heterodyne và homody sẽ khắc phục một số hạn chế của của hệ thống thông tin quang thông thờng. Trong những năm gần đây công nghệ ghép bớc 4 sóng và khuyếch đại quang cũng đợc triển khai rộng rãi, mở đờng cho việc tăng cự ly và đặc biệt là tốc độ bít của hệ thống tới hàng trăm Gbit/s. Nh vậy có thể thấy thông tin quang liên tục phát triển và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con ngời. Chơng Ihệ thống thông tin quang1. 1 Mở đầu.5 hiện nay nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng tăng đòi hỏi số lợng kênh truyền dẫn lớn, song các hệ thống truyền dẫn viba,vệ tinh không cho phép tổ chức các kênh cực lớn. Nhng với kĩ thuật thông tin quang, ngời ta có thể tạo ra các luồng kênh hệ thống truyền dẫn nhiều kênh, hơn hệ thống điện. Hiện nay đã chế tạo ra các hệ thống truyền dẫn hằng trăm Gbit/s và ở một số nớc đã có trên 50% hệ thống kênh truyền dẫn là các kênh truyền dẫn quang. Hiện tại,thông tin quang đang ở giai đoạn phát triển ban đầu. Các hệ thống truyền dẫn quang đợc ứng dụng để hoạt động song song với các hệ thống truyền dẫn khác và truyền dẫn thông tin điện bằng tải tin quang nhờ các quá trình chuyển đổi tín hiệu địên-quang ở đầu phát và tín hiệu quang-điện ở đầu thu. Tín hiệu đa vào truyền dẫn và lấy ra đều là tín hiệu điện thông thờng, chỉ có trên đờng truyền là tín hiệu quang 1. 2 Các thành phần của một hệ thống thông tin quang. Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin quang : Hình 1: sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin quang + các phần tử của hệ thống : 1; Nguồn tín hiệu thông tin : có dạng tín hiệu thờng nh tiếng nói,hình ảnh, số liệu văn bản,vv. . . 2; Phần tử điện tử: Để xử lý nguồn thông tin tạo ra các tín hiệu điện đa vào các hệ thống truyền dẫn có thể là tín hiệu analog hoặc digital. 3; Bộ biến đổi điện-quang E/O :Để điều biến tín hiệu vào cờng độ bức xạ quang để cho phát đi tín hiệu 4; Sợi quang (SQ):6Phần điện tửBiến đổi điện quang E/OSợi quang SQBiến đổi quang điện E/OPhần điện tửNguồn tín hiệuTín hiệu thu Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ E/O đã điều biến. 5; Bộ biến đổi quang - điện O/E :Là bộ thu quang tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở thành tín hiệu điện nh tín hiệu đã phát đi. 6; Tải tin : Trong hệ thống thông tin quang ánh sáng cũng là sóng điện từ nhng có tần số rất cao. Do vậy, tải thông tin quang rất phù hợp, thuận tiện cho các tín hiệu băng rộng. 1. 3 Đặc tính của thông tin quang : 1. 3. 1. Ưu điểm của kĩ thuật truyền dẫn quang: + Hệ thống tin quang khai thác miền phổ điện từ cha đợc sử dụng. Từ trớc những năm 1960, hệ thống thông tin điện sử dụng các vùng bớc sóng khác nhau để truyền tin : Sóng dài(100m -100km), sóng ngắn(10cm - 100m), sóng viba (1mm-10cm), tuy nhiên cho tơi năm 1960 việc phát minh ra laser cho phép sử dụng dải tần số từ 0,4àm tới 0,6àm để truyền tin. Dải băng tần này năm trong vùng tần số rất lớn nằm ngoài vùng tần số mà các hệ thống thông tin quang tín hiệu đợc truyền trong sợi khác trong hệ thống thông tin quang tín hiệu đợc truyền trong sợi quang do đó không cần đăng kí với cục quản lý tần số. + băng tần rộng và dung lợng cao nên truyền đợc mọi loại dịch vụ và nâng cao tốc độ bít dễ dàng. + cáp sợi quang phi kim loại không dẫn điện và không cảm ứng điện từ trờng nên có thể đi gần đờng dây điện lực, không bị sét đánh và không bị ảnh hởng của can nhiễu,điện từ bên ngoài. + Do môi trờng truyền dẫn sợi quang có xuy hao nhỏ (cỡ 0,2dB/km) do đó khoảng cách giữa các trạm lặp tăng, và do đó số lợng trạm lặp giảm đáng kể so với hệ thống cáp kim loại cổ điển. + Vật liệu chế tạo sợi quang là silic. Đây là vật liệu sẵn có, đồng thời công nghệ chế tạo quang không ngừng đợc cải tiến. Do đó giá thành cáp sợi 7 quang cũng giảm dần và nó đợc thay thế cáp đồng - là một trong những tài nguyên đang dần khan hiếm và phải sử dụng cho các lĩnh vực khác. + Do không bị ảnh hởng của can nhiễu bên ngoài nên chất lợng dịch vụ cao hơn. . . 1. 3. 2. Nhợc điểm của cáp quang: + Sợi quang nhạy cảm với hơi ẩm và nớc thấm vào bên trong cáp, nhạy cảm với bức xạ ion. + Phải bổ xung dây kim loại khi co yêu cầu cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp. + Hiệu suất nôi ghép nguồn quang- sợi và công suất phát của nguồn quang còn thấp. + Đòi hỏi công nghệ cao trong chế tạo laser diode và sợi quang. + Sợi quang dòn và dễ gẫy, việc hàn nối khó khăn đòi hỏi công nghệ cao. Việc triển khai hệ thống truyền dẫn quang ở các địa hình phức tạp nh : vùng đồi núi,ven biển,hải dảo là tốn nhiều thời gian và công sức. . 1.4 Những ứng dụng của sợi quang : + Sợi quang đợc ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. + Vị trí của sợi quang trong mạng lới thông tin trong giai đoạn hiện nay gồm : Mạng đờng trục quốc gia. Đờng trung kế. Đờng cáp thả biển liên quốc gia. Đờng truyền số liệu. Mạng truyền hình. 8 chơng IISợI QUANG2. 1 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng. 2. 1. 1 sự phản xạ và sự khúc xạ. Tổng quát, khi ánh sáng truyền trong môi trờng một đến mặt phẳng phân cách với môi trờng hai, với chiết suất n1>n2 thì có hiện tợng nh hình vẽ 2. 1 với 1 là góc tới - góc hợp giữa mặt phân cách hai với môi trờng tia tới. 2 là góc khúc xạ - góc tạo bởi pháp tuyến của mặt phân cách hai môi tr-ờng với tia khúc xạ và đợc xác định bởi công thức SNELL: n1sin1>n2 sin2 ở đây : vì n1>n2 cho nên tới góc ở môi trờng chiết quang hơn sẽ nhỏ hơn góc khúc xạ 2 ở môi trờng kém chiết quang hơn : Nếu góc tới 1 lớn dần nên tới một giá trị c tạo ra tia khúc xạ nằm song song với danh giới phân cách hai môi trờng thì lúc này c đợc gọi là góc tới hạn,lúc này không tồn tại tia khúc xạ ở môi trờng 2 (tia2) . Khi một tia sáng có góc 1>c thì bị phản xạ ngợc trở lại Pháp Tuyến(1)(2)(3)(3)(2)(1)Môi trường 1Môi trường 2Hình 2. 1 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sángc129Mặt phân cách ( tia3). Hiện tợng các tia sáng bị phản xạ trở lại môi trờng ban đầu tại mặt phân cách hai môi trờng gọi là phản xạ toàn phần bên trong. (phản xạ toàn phần). 2. 1. 2 Sự phản xạ toàn phần Từ công thức SNELL đã nêu trên ta thấy :Nếu n1>n2 thì 1>2 : Tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến. Nếu n1<n2 thì 1< 2 : Tia khúc xạ gẫy về phía gần pháp tuyến hơn nh hình 2. 1 Trờng hợp n1>n2 nếu tăng 1 thì 2 tăng luôn lớn hơn 1 khi 2= 90 tức là tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp,thì 1 đợc gọi là góc tới hạn 1. Nếu tiếp giáp tăng 1> c thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ ( Hình2. 1). Hiện tợng này đợc gọi là phản xạ toàn phần. Dựa trên công thức định luật khúc xạ ( Công thức SNELL) với 1 =90 có thể tính đợc góc tới hạn c :Sin c= hay c = arcsin 2. 2. Cấu tạo sợi quang. Sợi quang cấu tạo gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1bán kính và lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao quanh ruột có chiết xuất n2<n1 và có bán kính là b. Các tham số a, b ta có các định nghĩa : Độ lệch chiết suất n =n1-n2 Độ lệch tơng đối : =Hai tham số này quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang :10n2n1n2n1nn1=n1 n2n1=n12 n222n12 [...]... khoảng cách của sợi quang 34 PHầN II CÔNG NGHệ SDH TRONG THÔNG TIN QUANG khái quát về công nghệ truyền dẫn Lịch sử phát triển kĩ thuật đã ghi lại quá trình số hoá các hệ thống viễn thông , trong đó bao gồm các hệ thống truyền dẫn thông tin từ thế kỉ XIX tín hiệu thông tin đã tồn tại dới hai dạng tín hiệu khác nhau đó là tín hiệu số (Digital) và tín hiệu (Analog) Trong hệ thống viễn thông phải kể đến... của hệ thống ( Mối quan hệ này đợc phân tích một cách kĩ lỡng trong viẹc thiết kế hệ thống ) Trong việc thiết kế hệ thống, các yếu tố nh chất lợng toàn bộ hệ thống, dung lợng hệ thống ( phơng pháp ghép ) và khoảng cách lặp lại là toàn bộ yêu cầu chung Trong việc thiết kế hệ thống truyền dẫn sợi quang, ngời ta chú ý đến yếu tố cơ bản để lựa chọn bớc sóng hoạt động, sợi quang, các linh kiện phát quang, ... đại chúng thành tín hiệu quang Trạm lặp đường dây Bộ biến đổi điện -quang Bộ biến đổi quang- điện O/E E/O O/E E/O Sợi quang Sợi quang Hình 3 1 - Cấu hình hệ thống thông tin sợi quang Để hiểu rõ hơn về một hệ thống thông tin sợi quang, sau đây là những khái niệm về đoạn và tuyến 3.1.1 Khái niệm về đoạn và tuyến a) Đoạn (Section ) Trong hệ thống truyền dẫn có hai loại đoạn, đó là đoạn lặp và đoạn ghép Hình... hao lớn hơn lên tới 0,7dB tới 1,5dB CHƯƠNG III KHáI QUáT Hệ THốNG THÔNG TIN SợI QUANG 3 1 Cấu hình của hệ thống : Cấu hình cơ bản của các hệ thống đợc mô tả ở dới hình 3 1 Nói chung tín hiệu gửi đi từ máy điện thoại và máy fax đợc biến đổi từ tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện - quang (Các mức tín hiệu điện đợc biến đổi thành các tín hiệu quang tơng ứng, mức '1' và '0' của tín hiệu điện, trong... chọn bớc sóng, sợi quang, các linh kiện thu phát quang và bộ tách/ghép quang Linh kiện quang LED và PD hoạt động ở bớc sóng 0,85àm ứng dụng trong các hệ thống mạch thuê bao hoặc các hệ thống có dung lợng nhỏ, ngoài ra để kinh tế hơn ngời ta có thể sử dụng sợi quang GI ở các loại mạng này Laser và APD hoạt động ở các bớc sóng dài cùng với sợi SM (Đơn mode) đợc ứng dụng rộng rãi ở các hệ thống đờng dài Tuy... nhiễu quang Các tín hiệu quang phát ra sau khi lan truyền trong sơi quang thì bị suy hao và méo dạng, thêm vào đó chúng còn bị ảnh hởng của nhiễu điện tử tác động ở biên độ quang - điện Bởi vậy nếu ảnh hởng suy giảm và nhiễu tín hiệu quang quá lớn thì thông tin gốc sẽ bị mất đi (Tức là '1' bị nhiễu sẽ thành '0' và ngợc lại ) nh vậy chất lợng truyền dẫn theo yêu cầu là điều cơ bản nhất để thiết kế hệ thống. .. quang 1 2 3 4 Thời gian Ghép kênh 1 2 3 4 Linh kiện thu quang 1 2 3 4 Thời gian E/C Ghép Kênh quang Linh kiện thu quang Ghép Tín hiệuquang Kênh quang Truyền dẫn một chiều c) Ghép kênh phân chia theo thời gian Linh kiện phát quang 28 Hình 3 5 - Cấu hình hệ thống ghép bớc sóng 3 3 Mã đờng truyền Trong các hệ thống dẫn số, các mã đợc gửi vào các tuyến truyền dẫn ( Mã đờng truyền ) Phải phù hợp với môi... (SNR)0 và (CNR)0 quang Đây là tín hiệu trên tạp âm và tỷ số sóng mang trên tạp âm đợc quy định Các tham số này đợc đo tại phần quang của hệ thống Hai tham số này đợc đo theo tỷ số công suất tạp âm quang tơng đơng (NEP)0 d Độ rộng băng tần quang (BW) 26 Đây là phạm vi tần số trong đó công suất quang giảm tới phạm vi quy định Độ rộng băng tần 3dB đợc quy định nh tần số điện thế mà tại công suất quang giảm... truyền hai chiều và truyền dẫn một chiều Hình 3 4 - các hệ thống lắp ghép trong thông tin sợi quang 1 2 ở mỗi trờng hợp việc lựa chọn cách ứng dụng đợc quyết định sau khi Ghép n kênh xem xét tới toàn bộ dữ kiện nh khoảng cách truyền dẫn, giảm chi phí do làm Tín hiệu quang Sợi giảm số lợng sợi quang vv Vì suy hao gây ra do sự có mặt của các bộ quang a) Ghép kênh phân chia theo không gian tách/ghép... chất lợng của hệ thống là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) và độ rộng băng tần (BW) Trong truyền dẫn số mới liên hệ giữa tín hiệu và tạp âm đợc thể hiện thông qua tỷ số lỗi bít (BER) của tín hiệu sau khi tách quang Sau đây sẽ phân tích các tham số nói trên : a (SNR)c và (CNR)c điện : hai tham số này là tỉ số tín hiệu trên tạp âm và tỷ số sóng mang trên tạp âm đợc đo về phía điện của hệ thống quang Các . :Chơng I : Hệ thống thông tin quang. Chơng II : Sợi quang. Chơng III : Khái quát hệ thống thông tin sợi quang. Phần II : Công nghệ SDH trong thông tin quang gồm. thông tin quang : Hình 1: sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin quang + các phần tử của hệ thống : 1; Nguồn tín hiệu thông
