Tài liệu Các thành phần của hệ thống thông tin quang

  • Số trang: 95 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 160 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 20010 tài liệu

Mô tả:

Các thành phần của hệ thống thông tin quang
Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến Các thành phần của hệ thống thông tin quang Mở đầu Phần I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương I: Sơ lược về hệ thống thông tin quang 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 1.3 Ứng dụng và ưu nhược điển của hệ thống thông tin quang 6 6 7 8 Chương II: Các thành phần của hệ thống thông tin quang quang 2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn 2.1.1 Cơ sở quang học 2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 2.1.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 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 2.2 Các thông số của sợi quang 2.2.1 Suy hao trong sợi quang 2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao a/ Suy hao do hấp thụ b/ Suy hao do tán sắc c/ Suy hao do uốn cong 2.2.3 Tán sắc a/ Địng nghĩa tán sắc b/ Các nguyên nhân gây tán sắc 2.3 Cấu trúc sợi quang 2.3.1 Lớp phủ 2.3.2 Lớp vỏ a/ Dạng ống đệm lỏng b/ Dạng đệm khí c/ Dạng băng dẹt 2.4 Các linh kiện biến đổi quang 2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang 2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang a/ Đối với nguồn quang b/ Đối với linh kiện tách sóng quang c/ Nguyên lý chung 2.4.3 Nguồn quang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 9 9 10 11 14 15 15 15 19 22 23 23 25 25 25 28 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện a/ Nguyên lý chung b/ Diot LED c/ Diot LASER (LD) 2.4.4 Tách sóng quang 1 Nguyên lý chung 2 Những thông số cơ bản a/ Hiệu suất lượng tử b/ Đáp ứng c/ Độ nhậy d/ Dải rộng e/ Tạp âm 3 Diot thu PIN 4 Diot thu APD 37 5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 2.5 Hàn nối sợi quang 2.6 Hệ thống thông tin quang 1. Khái niệm 2. Cấu trúc hệ thông tin quang 3. Mã hoá hệ thông thông tin quang 2.7 Thiết kế tuyến thông tin quang 1.Yêu cầu 2.Tính toán thiết kế 3.Ví dụ tính toán khoa Vô tuyến 32 32 33 35 38 39 41 41 42 45 48 48 49 52 Phần II: Công nghệ truyền dẫn SDH ChươngI: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn 55 55 55 56 1.1 Kỹ thuật điều chế xung mã 1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM 1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 61 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện 2.1 Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH (Pleosynchronous Digital Hierarchy) 2.2 Định nghĩa SDH(Synchrônous Digital Hierarchy) và sự cần thiết của nó 2.3 Cấu trúc khung SDH 65 1. Cấu trúc ghép cơ bản 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 khoa Vô tuyến 61 62 65 Chương III: Mạng SDH 84 1.1 Các vùng mạch SDH 1.1.1 Đường dẫn 1.1.2 Vùng ghép kênh 1.1.3 Vùng lặp 3.2 Hai thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ 3.2.1 Các hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao 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 a/ Truy suất và ghép b/ Hệ thống kết nối chéo bậc thấp 3.3 Kết nối chéo DDC 3.4 Mạng 3.5 Mạng vòng ring SDH 3.5.1 Vòng ring một hướng tự bảo vệ cho vùng dẫn 87 3.5.2 Mạng vòng ring hai hướng 3.5.3 Bảo vệ theo đường truyền 88 3.5.4 Mạng vòng tự phục hồi một hướng tự bảo vệ luồng 89 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 84 84 84 84 85 85 85 86 87 87 88 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện 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 khoa Vô tuyến 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện + 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang. Nh chóng 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 phót cho cù 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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( δ ≅ 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. 1.2 Cấu trúc của hệ thông tin quang. Trặm lặp trên đường truyền E Nguån tÝn hiÖu PhÇn tö ®iÖn E O O Biến đổi E E O O Tín hiệu ra PhÇn tö ®iÖn 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”. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 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 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. Tín hiệu Tín hiệu O KĐ E O E 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện - 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.λ. Trong đó: V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng. λ là vận tốc ánh sáng Tia khóc x¹ 1’ - Triết suất của môi trường: n=C/V Trongn đó: 2 n là triết suất của môi trường n1 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: n1Sinα =n2 Sinβ. 2 Tia ph¶n x¹ 1’ 1’’ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SV: Nguyễn Hữu Anh Tia tíi 9 Sù ph¶n x¹ vµ khóc x¹ ¸nh s¸ng Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới. • Góc phản xạ bằng góc tới. α=α’ *Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell. n1Sinα =n2 Sinβ. Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1 n2 : chiết suất môi trường 2 Khi n1>n2 thì α > β nếu tăng α thì β cũng tăng theo và β luôn lớn hơn α khi β = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì α được gọi là góc tới hạn αT. Nếu tiếp tục tăng cao cho α>αT 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 αT: SinαT = nn12 hay αT=artsin nn12 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. n2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tia khóc x¹ 10 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến n1 nk Trôc sîi quang Tia ph¶n x¹ Tia sáng thâm nhập tao nên một góc θ 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 β. Sự phản xã toàn phần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới θ < θmax. Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số. NA = Sinθmax. áp dụng công thức Snell để tính NA. Tại điểm A ta có: nksinθmax = n1sin90. Mà nk là chiết suất không khí(n1=1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì: Sinαmin = nn12 và αmin đảm bảo đIều kiện toàn phần. Do đó: NA = sin θ max= n21-n22 =n1 ∆ Với ∆ là sự khác nhau về chiết suất. * giá trị cực đại θ max gọi là góc nhận ánh sáng và sin θ max < n21-n22 để mở khẩu độ. Tia sáng đi vào quang theo một góc θ > θ 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 nh sau: n2[1- ∆(r/a)g ] với n(r) = r ≤a (trong lõi) { n1(1-2 ∆)1/2-n1(1- ∆)=n2 với ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 r > a (lớp vỏ) SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến Trong đó: n1: triết suất lớn nhất của lõi. n2: triết suất lớp bọc. ∆= n1 − n 2 : n1 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, g ≥ 1 Các giá trị thông dụng của g: g = 1: dạng tam giác g = 2: dạng parabol g = ∞ : dạng nhẩy bậc (SI: Step-Index). rmax rmax=n g= ∞ 1 g=1 g=2 r b a a b C¸c d¹ng ph©n bè triÕt suÊt - 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 nh 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. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự điện khoa Vô tuyến b a n 0 2 n a 1 b Sù truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang cã triÕt suÊt nhÈy bËc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc: V v = n1 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 cù 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. n2 n1 n(r) Sù truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi GI 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): ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 13 SV: Nguyễn Hữu Anh Trường Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự khoa Vô tuyến điện 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 nh 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 nh hình c. H×nh a H×nh b H×nh c 2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode. • Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125 µ m). - Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 50 µ m (a: bán kính lõi) - Vỏ: có triết suất n2 - Xem thêm -