HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên:
Bộ
ộ môn:
Email:
Th.S Đỗ Văn Việt Em - Th.S Phạm Quốc Hợp
Thông
g Tin Q
Quang
g – Khoa Viễn thông
g2
[email protected],
[email protected]
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 5
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 5
• Hệ thống TTQ số
• Hệ thống TTQ tương tự
• Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm
Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của
hệ thống
hố thông
hô tin
i quang
Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này
đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được
Chiều dài tuyến có thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 km (cự ly
ngắn) đến hàng ngàn km (cự ly dài) tùy thuộc vào ứng
dụng
Cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm (tt)
Bù suy hao định kỳ bằng cách: (a) sử dụng các trạm tái
tạo và
à (b) sử
ử dụng
d
kh ế h đại
khuếch
đ i quang.
Bộ phát
Tx
Trạm tái tạo
Rx
Trạm tái tạo
Tx
Rx
Tx
Bộ thu
Rx
(a)
Bộ phát
Bộ khuếch đại
Bộ khuếch đại
Tx
Bộ thu
Rx
(b)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
Hệ Thống TTQ Số
• Yêu cầu của hệ thống là tốc độ bit BT và khoảng
cách truyền dẫn L. Tiêu chuẩn chất lượng được xác
đị h thông
định
hô qua tỉỉ lệ bi
bit lỗi BER,
BER thường
h ờ giá
iá trịị tiêu
iê
biểu là BER < 10-9
• Một số
ố vấn
ấ đề trong
t
thiết kế hệ thống
thố TTQ
Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ
Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ
Quỹ công suất quang
Quỹ thời gian lên
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Hệ Thống TTQ Số
Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ
• khoảng cách truyền dẫn lớn nhất được giới hạn bởi
L=
⎛P ⎞
10
log10 ⎜⎜ t ⎟⎟
af
⎝ Pr ⎠
Trong đó:
ó
» Pt (mW) là công suất phát trung bình của Tx
» Pr (mW) là độ nhạy máy thu hoạt động ở tốc độ bit BT
» a f (dB/Km) là suy hao trung bình của sợi quang bao gồm cả
suy hao các mối hàn và các các connector
• Nhiều vần đề cần phải được đề cập khi thiết kế một hệ thống
thô ti
thông
tin quang thự
thực tế
tế: sự
ự lự
lựa chọn
h bướ
bước sóng,
ó
lự
lựa chọn
h máy
á
phát, máy thu thích hợp và sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Hệ Thống TTQ Số
Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ
• Tán sắc sợi quang làm giới hạn đại lượng tích BTL
• Đối với sợi đa mode SI: BTL = C/(2n1Δ)
• Đối với sợi đa mode GI: BTL = 2C/(n1Δ2)
• Đối với sợi đơn mode:
– Ở vùng 1310nm: có tán sắc nhỏ nhất, độ lớn tán sắc chủ yếu phụ
thuộc vào độ rộng phổ
ổ nguồn quang. Tích BTL bị giới hạn như sau:
BT L ≤ (4 M σ λ )
−1
» khi |M|σ
|M| λ = 2ps/km,
2 /k
tá
tán sắc
ắ giới
iới hạn
h BTL ≤ 125 (Gb/s).km.
(Gb/ ) k
Nói chung, các hệ thống như vậy là bị giới hạn bởi suy hao khi
tốc độ bit lên đến 1Gb/s, nhưng bị giới hạn bởi tán sắc đối với
ộ bit cao hơn
tốc độ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Hệ Thống TTQ Số
Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (tt)
– Ở vùng 1550nm:
» có suy hao nhỏ nhất.
» Tán sắc là vấn đề lớn. Cần sử dụng các laser bán dẫn đơn
mode để khắc phục vấn đề này.
» Bịị g
giới hạn
ạ bởi tán sắc khi BT > 5Gb/s.
/ Ví dụ:
ụ với M = 16
ps/(nm.km) và σλ = 0,1 nm, ta có BTL ≤ 150 (Gb/s).km.
» Một giải pháp cho vấn đề tán sắc là sử dụng sợi quang dịch
chuyển tán sắc, sợi có cả suy hao và tán sắc nhỏ nhất ở cửa
sổ
ổ 1550nm
1550
( ó thể hoạt
(có
h t động
độ ở tốc
tố độ 20 Gb/s
Gb/ với
ới khoảng
kh ả
khuếch đại khoảng 80 km)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Hệ Thống TTQ Số
Khoảng cách (km)
Minh họa Suy hao (các đường liền nét) và tán sắc (các
đường không liên tục) giới hạn cự ly truyền dẫn L
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Hệ Thống TTQ Số
Quỹ công suất
• Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu
đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sống
của hệ thống.
• Quỹ công suất thường được tính theo đơn vị decibel (dB)
Pt = S + AL + M s
AL = α f L + α con + α splice
Trong đó:
» Pt (dBm)
(dB ) là công
ô suất
ất phát;
hát S (dB
(dBm)) là độ nhạy
h của
ủ máy
á thu
th
» AL (dB) là suy hao kênh tổng cộng
» MS (dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB
» αcon và
à αsplice là suy hao
h các
á connector
t và
à suy hao
h các
á mối
ối hàn
hà
dọc theo tuyến sợi quang (dB); αf là suy hao trung bình của
sợi quang (dB/km)
• Tìm khoảng cách truyền lớn nhất với các linh kiện cho trước.
trước
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Hệ Thống TTQ Số
Quỹ thời gian
• Mục đích của quỹ của thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có
khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn
• Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ:
2
2 1/ 2
Tr2 = (Ttr2 + T fiber
+ Trec
)
» Trong đó Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với
máy
á phát,
hát sợi
ợi quang và
à máy
á thu
th
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Hệ Thống TTQ Số
Quỹ thời gian (tt)
• Thời gian lên của máy phát Ttr được xác định chủ yếu bởi các
thành phần điện tử của mạch điều khiển và các phần tử ký sinh
điện liên quan đến nguồn quang. Thường Ttr khoảng vài nano
giây đối với máy phát sử dụng LED, nhưng có thể nhỏ hơn 0.1
ns đối với máyy p
phát sử dụng
ụ g laser.
• Thời gian lên của máy thu Trec được xác định chủ yếu bởi dải
thông điện 3 dB sau tách quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Hệ Thống TTQ Số
Quỹ thời gian (tt)
• Thời gian lên của sợi quang Tfiber được tính theo công thức:
2
2
2
T fiber
= Tmod
+
T
e
chr
Trong đó
ó
» T mode là tán sắc mode
Sợi SI:
2
Tmod e ≈ ( n1 Δ / c ) L ; Sợi GI: Tmod e ≈ (n1 Δ / 8c) L
» Tchr là tán sắc màu trong sợi quang
Tchr ≈ M Lσ λ
» Đối với sợi đơn mode T mode = 0 và Tfiber = Tchr.
σλ là độ rộng phổ của nguồn quang (độ rộng nửa công suất).
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Hệ Thống TTQ Số
Quỹ thời gian (tt)
• Ta xét một ví dụ minh họa quỹ thời gian lên. Xét hệ thống hoạt
động ở bước sóng 1,3 µm được thiết kế để hoạt động ở tốc độ 1
Gb/s trên sợi đơn mode với khoảng trạm lặp là 50km. Thời gian
lên cho máy phát và máy thu được xác định là Ttr = 0,25 ns và
Trec = 0,35
, ns. Độ
ộ rộng
ộ g phổ
p của nguồn
g
q
quang
g là σλ = 3nm,, hệ
ệ số
tán sắc màu là 2ps/(nm.km) tại bước sóng công tác. Tính được
Tchr = 0,3 ns cho chiều dài tuyến L = 50 km. Tán sắc mode
trong sợi đơn mode Tmode = 0. Suy ra Tfiber = 0,3 ns. Thời gian
lên
ê của
ủ hệ
ệ thống
ố bằng
ằ Tr = 0,524 ns. Nhận
ậ xét:
é hệ
ệ thống
ố này
à
không thể hoạt động ở tốc độ 1Gb/s khi sử dụng mã RZ cho tín
hiệu quang. Tuy nhiên nếu sử dụng mã NRZ, hệ thống sẽ hoạt
độ đượ
động
được. Nế
Nếu mã
ã RZ đượ
được yêu
ê cầu
ầ ttrước,
ướ người
ười thiết kế phải
hải
chọn máy phát và máy thu khác để đáp ứng quỹ thời gian lên.
Mã NRZ thường được sử dụng vì nó cho phép quỹ thời gian lên
lớn hơn ở cùng một tốc độ bit.
bit
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Hệ Thống TTQ Tương Tự
• Cấu trúc nguyên lý hệ thống thông tin quang tổng
quát cho truyền dẫn số hoặc analog
Thông tin vào
Thông tin ra
Bộ mã hóa /
Mạch định dạng tín hiệu
Bộ giải mã /
Giải điều chế
Thành phần điện
Điều chế
Nguồn quang
Đầu phát
www.ptit.edu.vn
Bộ khuếch đại
Môi trường
truyền dẫn: quang
Bộ tách sóng quang
Thành phần quang
Đầu thu
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Hệ Thống TTQ Tương Tự
Phía đầu phát: bộ mã hoá (encoder) hoặc bộ định dạng
tín hiệu (signal shaping) trước khi đưa qua tầng điều chế
hay khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn quang
(optical source).
Sợi quang: đóng vai trò môi trường truyền dẫn của hệ
thống.
Phía đầu thu: ánh sáng đến đầu bên kia của sợi quang
được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện bằng bộ tách
sóng quang (optical detector) được đặt ở ngõ vào của
thiết bị thu. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại
trước
ớ khi đưa
đ qua bộ giải
iải mã
ã (decoder)
(d
d ) hay
h bộ giải
iải điề
điều
chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
• Ghép kênh theo bước sóng WDM
• Ghép kênh sóng mang phụ SCM
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 18
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
Nhiều tín hiệu quang có tốc độ bit BT chia sẻ cùng tần số
sóng
ó mang và
à được
đ
ghép
hé trong miền
iề quang để tạo chuỗi
h ỗi
bit có tốc độ NB, với N là số kênh
Cấu trúc bộ phát OTDM dựa trên các sợi dây trễ quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 19
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
Một laser có thể tạo ra chuỗi xung một cách có chu kỳ ở
tốc
ố độ bằng
bằ với
ới tốc
ố độ bit
bi BT của
ủ một
ộ kênh.
kê h Tuy
T nhiên,
hiê
laser sẽ tạo ra các xung có độ rộng Tp sao cho Tp < TB =
1/NB
/ T để đảm bảo mỗi xung
g vừa với vịị trí của nó ở khe
thời gian TB.
Ghép N chuỗi bit được thực hiện bằng kỹ thuật làm trễ.
Chuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (n(n
1)/(NBT), n = 1, 2, …, N. Ngõ ra của tất cả các nhánh
được tổ hợp lại để tạo tín hiệu ghép
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 20
.PDF 
24 
209 
123 
