Tài liệu Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 5 - học viện cn bưu chính viễn thông

  • Số trang: 24 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 78 |
  • Lượt tải: 0
nguyen-thanhbinh

Đã đăng 10809 tài liệu

Mô tả:

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 emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn 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 ƒ Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ thống hố thông hô tin i quang ƒ Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được ƒ 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 ƒ 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) ƒ 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 ƒ ƒ ƒ ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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) ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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). ƒ Sợi quang: đóng vai trò môi trường truyền dẫn của hệ thống. ƒ 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 ƒ 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 ƒ 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. ƒ 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
- Xem thêm -