BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÊN ĐỀ TÀI
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NÂNG CẤP ĐỘ
TIN CẬY HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN CÁP SỢI QUANG
HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ĐÌNH THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. TRẦN ĐỨC HÂN Hà Giang, năm 2013
1.5 SUY HAO TRUYỀN DẪN TRONG SỢI QUANG. 16
CHƯƠNG 2: 18
NGHIÊN CỨU BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 18
2.1 KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI 18
2.1.1 Nguyên lý làm việc 18
2.1.2 Bộ khuếch đại quang sợi EDFA 20
2.1.3 Nguyên lý cơ bản của bộ khuếch đại EDFA 20
2.2 CÁC THAM SỐ ĐẶC TRƯNG CHỦ YẾU CỦA EDFA 23
2.2.1 Công suất và bước sóng bơm trong EDFA 23
2.2.2 Khuếch đại trong EDFA 23
2.2.3 Tạp âm trong bộ khuếch đại EDFA 25
2.2.4 Hệ số tạp âm của bộ khuếch đại quang sợi EDFA 30
CHƯƠNG 3 : 32
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆P
BER
CỦA HỆ THỐNG
3.3.4 Tính toán công suất bù ∆P
BER
47
3.4 TÍNH TOÁN VỚI MỌI TẠP ÂM CHO PIN VÀ APD 48
3.5 MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT. 51
3.5.1 Trường hợp tính toán xấp xỉ 51
3.5.2 Trường hợp tính toán với mọi loại tạp âm cho PIN 51
3.5.3 Trường hợp tính với mọi loại tạp âm cho APD 53
3.6 KẾT LUẬN: 54
CHƯƠNG 4: 55
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆P
BER
CỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN DẪN SỬ DỤNG BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG SỢI EDFA 55
4.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ∆PBER TRONG THIẾT KẾ HỆ
THỐNG THÔNG TIN QUANG 57
4.1.1 Tính toán các loại tạp âm cho BA 58
4.1.2 Tính tổng các loại tạp âm. 65
5.2.2 Tìm SNR khi biết BER. 88
5.2.3 Khi biết SNR tính BER 89
5.3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN. 89
5.3.1 Xác định giới hạn trạm lặp của một Card 89
5.3.2 Thiết kế tuyến truyền dẫn cáp sợi quang theo Card SDH
chuẩn 91
5.4 KẾT LUẬN 96
KẾT LUẬN 98
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
LỜI CẢM ƠN
Quá trình học tập tại trường và luận văn này của tôi được sự giúp đỡ nhiệt
tình quý báu của các thầy cô giáo trong khoa đào tạo sau đại học, tập thể lớp K4
chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử năm học 2011 - 2013 và thầy giáo hướng dẫn.
Tôi bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS.TS. Trần Đức Hân (Khoa
EHP - Electron Hold Pair
MPI - Multipath Interference
NF - Noise Figure
PSD - Power Spectral Density
PA - Pre-Amplier
LA - Line Amplifier
G - Gain
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Cấu tạo của sợi quang.
4
Hình 1.2: Phân bố chiết suất trong lõi các sợi quang.
6
Hình 1.3 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang.
8
82
Bảng 5-2: Một số thông số điển hình của PIN và APD.
84 LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa từng được sử dụng, để bảo vệ học hàm, học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được
cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Giang, tháng 8 năm 2013
Tác giả luận văn Nguyễn Đình Thông
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
1
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
2
tới độ nhạy thu. Đây là những vấn đề sẽ được quan tâm chính trong nội dung của
luận văn này.
Hệ thống mạng xương sống (backbone) của rất nhiều quốc gia hiện nay đều
dựa trên cơ sở mạng quang đồng bộ SDH. Đây là công nghệ truyền dẫn cũng không
có gì quá mới mẻ nữa, nó ngày càng thể hiện tính ưu việt so với các mạng trước đó
về tốc độ và an toàn thông tin. Sự ra đời của công nghệ truyền dẫn SDH đã mở ra
một cuộc cách mạng trong hệ thống truyền dẫn.
Mạng truyền dẫn quang được chuyển hóa bởi các Card giao diện quang
(optical interface card) với các tham số như là: Thông số nguồn, thông số sợi quang,
thông số đầu thu. Nhưng tham số liên hệ với BER hay chất lượng của hệ thống
truyền dẫn không xuất hiện trong các card giao diện quang, để tính toán và thiết kế
hệ thống truyền dẫn quang SDH có BER tùy thuộc vào các yêu cầu của hệ thống,
chúng ta phải tìm ra phương pháp tính được công suất bù quang cần thiết. Công suất
này sẽ được tính vào trong quỹ công suất của đường truyền. Ví dụ như là tại các
card giao diện quang có BER là 10
-10
mà yêu cầu của đường truyền quang là BER
= 10
-12
điều đó có nghĩa là ta phải thêm một lượng công suất dự trữ nào đó cho hệ
thống để toàn bộ hệ thống truyền dẫn quang có BER là 10
-12
theo như yêu cầu.
Lượng công suất này được gọi là công suất bù quang (Compensive Optical Power)
BER
trong hệ thống sử dụng
khuếch đại quang sợi EDFA. Tính toán với các phương án khác nhau BA, LA, PA.
Mô phỏng theo các mối quan hệ như theo BER, G, L. Đặc biệt với trường hợp LA
thì sẽ mô phỏng khi EDFA di chuyển dọc theo tuyến từ nguồn phát đến máy thu.
Kết luận và đưa ra đánh giá khi lựa chọn bộ tách sóng quang.
Chương V: Tính toán quỹ công suất khi kể đến công suất bù BER, ∆P
BER
, tính
toán quỹ thời gian, khoảng cách tối đa của trạm lặp đối với card giao diện quang.
Các tham số cần quan tâm khi lựa chọn bộ tách sóng quang.
Để hoàn thành được luận văn này, trước hết Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn
sâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn GS.TS. Trần Đức Hân (Khoa Điện tử - Viễn
thông Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên Em
trong suốt thời gian làm luận văn, đã đóng góp những ý kiến quý báu trong quá
trình Em thực hiện luận văn này.
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
4
CHƯƠNG 1:
CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI SỢI QUANG
1.1 CẤU TẠO CHUNG.
Sợi quang gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n
1
nn
n
n −
≈
−
=
∆
=∆
(1.1)
Hai tham số này quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi. Hình 1.1: Cấu tạo của sợi quang.
1.2 PHÂN LOẠI SỢI QUANG.
Trong thực tế, sợi quang có hình dạng là một ống hình trụ, muốn khảo sát sự
truyền dẫn của ánh sáng trong nó thì phải dùng một công cụ toán học khá phức tạp là
hệ tọa độ trụ. Do đó để có thể hiểu một cách dễ dàng hơn người ta khảo sát một lớp
d
m
a
r
L
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
6 Hình 1.2: Phân bố chiết suất trong lõi các sợi quang.
a. Sợi quang đa mode chiết suất bậc.
b. Sợi quang đa mode chiết suất Gradient.
c. Sợi quang đơn mode (chiết suất bậc).
1.3 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG.
1.3.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng.
Khi truyền dẫn tín hiệu số qua sợi quang, xuất hiện hiện tượng dãn rộng các
xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên
nhau, khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái
sinh. Hiện tượng dãn xung được gọi là hiện tượng « tán xạ ».
a)
b)
c)
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
7
Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn
tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời.
1.3.2 Mối quan hệ giữa tán sắc với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền
dẫn bit.
coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp với hàm truyền đạt biên độ là :
22
,,5,3
)0(
)(
)(
f
e
fp
fp
fH
τ
−
=
=
=
(1.3)
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
8 Hình 1.3 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang.
Các xung ánh sáng có phân bố Gaussian khi truyền qua sợi quang thì biên độ
giảm theo quy luật :
,26,2
1
==B
(1.5)
Trong thực tế nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động, gây méo xung thể
hiện qua các giá trị dãn xung thành phần τ
1
τ
2
,… thì tán xạ tổng cộng thể hiện qua
tổng :
τ
2
=
Λ=++
2
3
2
2
2
1
τττ
(1.6)
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
9
≈==
τ
(1.8)
Như vậy độ dãn xung τ, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit R có quan
hệ ảnh hưởng tới nhau. Để truyền được 2 bit/s thì theo công thức lý thuyết cần có độ
rộng băng cỡ 1Hz. Trên thực tế, để truyền được 2 bit/s cần độ rộng băng tần khoảng
1,6 Hz. Do đó có thể nói rằng tốc độ truyền bit lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng
băng tần truyền dẫn.
Muốn có sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit lớn thì phải giảm nhỏ ảnh
hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung τ nhỏ nhất.
1.4 TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG.
Băng tần truyền dẫn thường bị giới hạn bởi sự mở rộng xung hay nói một cách
kỹ thuật là do sự tán sắc. Hai nguyên nhân gây tán sắc là : Tán xạ mode và tán sắc.
Tán sắc còn được chia thành ba phần : Tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn nóng và tán
xạ mặt cắt.
Tán xạ mode thường gây ra bởi sự mở rộng xung do vận tốc nhóm của các
mode khác nhau, với giả thiết nguồn ánh sáng là đơn sắc. Còn sự mở rộng xung trong
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
10
tán sắc là do độ rộng của phổ nguồn sáng đối với mỗi một mode truyền trong sợi
quang.
Đối với sợi đơn mode, vì chỉ có một mode truyền dẫn nên tán xạ đa mode bằng
không, nên băng tần truyền dẫn chủ yếu bị giới hạn bởi tán xạ vật liệu và tán xạ dẫn
sóng. Còn ở sợi đa mode thì tán xạ đa mode giữ vai trò quyết định. Mặt khác, khi
nguồn sáng có độ rộng phổ lớn như trong trường hợp dùng LED thì tán xạ vật liệu sẽ
có ưu thế, nhưng cũng còn phụ thuộc vào bước sóng.
g
(1.10)
τ gọi là thời gian trễ nhóm.
Giả thiết rằng sự mở rộng xung do tán xạ vật liệu là ∆τ
n
, do tán xạ dẫn sóng là
∆τ
g
, do tán xạ mode là ∆τ
m
, thì tổng trễ nhóm sẽ xấp xỉ bằng:
∆τ
2
= ∆τ
n
2
+ ∆τ
g
2
+ ∆τ
m
2
(1.11)
Trong sợi đa mode, tán xạ mode là chủ yếu nên ∆τ
m
> ∆τ
λ
Thế nhưng các nguồn phát quang như LED hoặc LD thường không chỉ bức xạ
ra một vạch phổ tương ứng với bước sóng λ
0
mà chúng còn bức xạ một dải phổ ∆λ
quanh bước sóng λ
0
ở mức biên độ 0,5 như Hình 1.4.
Hình 1.4 : Phổ bức xạ của LED và LD.
Vận tốc pha của mỗi bước sóng trong dải phổ ∆λ sẽ biến đổi theo bước sóng :
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
12
)(
λ
n
c
v
ph
=
(1.12)
Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm n
g
(λ):
)(
−=
λ
λ
λλλ
d
dn
nn
g
1
1
ta có :
( )
( )
( )
( )
( )
−
==
λ
(λ
1
), do đó khi truyền dẫn qua đoạn sợi
quang dài L thì hai xung ánh sáng ứng với λ
1
và λ
2
có thời gian truyền nhóm t
g1
và t
g2
lệch nhau ∆t
n
:
( ) ( )
L
vv
t
gg
n
.
11
12
2
.
λ
λλ
λ
d
nd
c
D −=
(1.16)
Đơn vị đo của D(λ) là ps/km.nm. Hệ số tán sắc vật liệu D(λ) phụ thuộc vào loại
vật liệu cho biết độ lệch thời gian lan truyền xung ánh sáng 1 Km sợi quang phổ bức
xạ của nguồn quang rộng 1nm. Khi
(
)
0
2
1
2
>
λ
λ
d
nd
thì những thành phần bước sóng dài
hơn trong dải ∆λ sẽ truyền nhanh hơn những thành phần bước sóng ngắn hơn và
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
13
+
∆
=
∆
λ
λ
λ
λ
(1.18)
Với λ, f là bước sóng và tần số của ánh sáng ở tâm vạch phổ ∆λ
s
, B là độ rộng
phổ của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế. Vì vậy trong trường hợp lý
tưởng khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng không thì độ rộng tương đương của
bước sóng điều chế cũng không thể bằng không.
1.4.2.1 Khi độ rộng phổ nguồn quang ∆λ
s
là lớn.
Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các lọai LED khi dùng làm nguồn sáng
thì sẽ có độ rộng phổ nguồn ∆λ
s
lớn. Do đó
f
B
s
>>
∆
λ
λ
suy ra ∆λ
d
nd
c
A
LB
λ
λ
λλ
∆
=
.
2
1
2
(1.20)
1.4.2.2 Khi độ rộng phổ nguồn quang ∆λ
s
là nhỏ.
Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một mode đơn ngang và một mode đơn
dọc, thì ∆λ
s
có thể trở nên nhỏ hơn 0,01nm. Vì vậy nếu băng tần điều chế cỡ khoảng
vài GHz thì ta có
f
B
≈
∆
λ
λ
và do đó thời gian truyền nhóm biến đổi phụ thuộc vào bước sóng. Đối với sợi đa
mode do có đường kính lõi lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ. Còn sợi đơn
mode có đường kính lõi khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hưởng đáng kể. Điều này
đáng nói là do sợi có đường kính lõi nhỏ nên khi truyền dẫn có một phần ánh sáng lọt
ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ lõi, có chiết suất thay đổi, nên sinh ra trễ
nhóm. Với sợi đơn mode chiết suất bậc thì :
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
15
(
)
+
∆
∆≈∆
f
B
dV
bVVd
n
(
)
2
2
.
dV
bVd
khoảng 0,1-0,2.
1.4.4 Tán sắc mặt cắt.
Trong quá trình nghiên cứu, khi giả thiết chiết suất có biến thiên theo bước
sóng, người ta đều quan niệm rằng độ chênh lệch chiết suất tương đối
1
21
n
nn
−
=∆
không phụ thuộc vào bước sóng λ. Nhưng khi xem xét kỹ thì chiết suất vỏ và lõi đều
biến thiên theo bước sóng với mức độ khác nhau nên ∆ cũng sẽ thay đổi theo bước
sóng, gây nên tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt, được tượng trưng bởi tham số tán xạ
P :
λ
λ
∆
∆
∆
=
d
n
c
L
t −=∆
(1.24)
Trong sợi GI, do ánh sáng lan truyền theo các đường cong dạng hình sin, những
tia gần trục quang có đường đi ngắn nhất, nhưng chiết suất lõi sợi ở phần trục lớn nên
vận tốc lan truyền v = c/n nhỏ. Ngược lại các tia ca trục có đường đi dài hơn nhưng
chiết suất phần lõi xa trục lại lớn nên vận tốc lan truyền lại lớn hơn.
−=∆
gNgo
m
vv
L
11
τ
(1.25)
Trong đó : + v
go
là vận tốc nhóm của mode cơ bản.
+ v
gN
là vận tốc nhóm của mode N.
1
10.
L
pLP
α
−
=
(1.27)
Luận văn thậc sậ - Nguyận Đình Thông Chuyên ngành Kậ thuật điận tậ
17
Trong đó, P
1
là công suất ánh sáng ở đầu vào sợi và α là một đại lượng đặc
trưng của sợi quang, gọi là hệ số suy hao riêng, chính là suy hao trên 1 Km sợi:
[ ]
KmdB
p
Lp
L
/
)(
log10.
1
1
−=
α
sử dụng các sợi quang có pha tạp để làm các bộ khuếch đại tín hiệu ánh sáng đã được
đưa ra, các sợi này được xem như là sợi tích cực vì chúng có thể thay đổi các đặc tính
vật lý của chúng theo sự thay đổi nhiệt độ, áp suất,… và chúng lại có tính chất bức xạ
ánh sáng. Một điều quan tâm nhất ở đây là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái
tạo tín hiệu nếu như có kích thích phù hợp.
Các chất kích tạp và chất nhạy cảm đã được dùng để pha tạp sợi dẫn quang với
các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa các ion đất hiếm để trở thành bộ
khuếch đại có thể minh họa như ở Hình 2.1 và Hình 2.2
Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản (E
1
) được kích thích từ một nguồn bức xạ có
bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới một mức cao hơn (E
2
).
Từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo các bức xạ hoặc nếu
như có một mức năng lượng thấp hơn (E
3
) nó sẽ bức xạ xuống mức đó trước. Từ đây,
điện tử có thể phân rã xuống mức (E
1
) Hình 2.1 hoặc Hình 2.2 thông qua quá trình
bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng
dài hơn bước sóng kích thích.
Copyright: Tài liệu đại học ©