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
+ Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam: ghép kênh nhóm
sơ cấp và hệ thống PCM cấp 1.
1
- Chương 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH.
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.
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).
3
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
Tín hiệu ra
Biến đổi 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
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.
5
O
E
O
E
+ 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.
- Tính cách điện cao, không gây chập cháy.
1
Sinα =n
2
Sinβ.
7
Tia khúc xạ
1’
Tia phản xạ
1’
Tia tới
n
2
n
1
3
2
1’’
Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng
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.
n
1
Sinα =n
2
Sinβ.
Trong đó: n
1
: chiết suất môi trường 1
n
n
8
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.
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 n
k
= 1 rồi vào ruột
sợi có n
1
> n
k
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 < θ
max
.
Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số.
NA = Sinθ
max.
áp dụng công thức Snell để tính NA.
Tại điểm A ta có:
n
k
sinθ
max
= n
1
sin90.
max
= n
2
1
-n
2
2
=n
1
∆
Với
∆
là sự khác nhau về chiết suất.
* giá trị cực đại
θ
max
gọi là góc nhận ánh sáng và sin
θ
max
< n
2
1
-n
2
2
để mở khẩu độ. Tia sáng đi vào quang theo một góc
θ
>
θ
)=n
2
với
r
> a (lớp vỏ)
Trong đó:
n
1
: triết suất lớn nhất của lõi.
n
2
: triết suất lớp bọc.
∆
=
1
21
n
nn
−
: độ chênh lệch triết suất
10
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
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 cự 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.
12
n
2
b
n
1
a
0
a
b
Sự truyền ánh sáng trong sợi quang có triết suất nhẩy bậc
(SI)
n
2
n
1
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
2
<n
1
: đường kính D = 2b = 125
µ
m
(b: bán kính vỏ)
Độ lệch triết suất tương đối:
∆
=
1
21
n
nn
−
= 0,01=0,1%
Sợi đa mode có thể có triết suấtnhẩy bậc hoặc triết suất giảm dần:
14
Hình a Hình b
Hình c
Đường tuyến ánh sáng
Mặt cắt triết suất
d
a/ Sợi SI-MM
∆
n
1
n
1
21
n
nn
−
= 0,003=0,3%
Khi giảm kích thước lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong
sợi thì được gọi làđơn mode. Trong sợi tryền một mode sóng nên độ tán sắc do
nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố triết suất
nhẩy bậc.
Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bước sóng
λ
=1300nm độ
tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất
rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của
các linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode
phảicó độ chính xác cao. Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng được do đó
sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến.
n
1
16
d
D
Kích thước sợi đơn mode
n
2
∆
= 0,3%
: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang
- Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức:
α =
L
A
(dB/Km)
17
P
1
=P(1) P
2
=P(L)
L
Z
Công suất truyền trên sợi quang
Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB]
L: Chiều dài sợi quang [Km]
2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao.
a/. Suy hao do hấp thụ. (Hình a,b,c).
- Sự hấp thụ kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong
những nguồn hấp năng lượng ánh sáng. Các tạp chất kim loại trong sợi
quang hấp thụ ánh sáng thường gặp là Cu, Fe, Mn, Cr, Ni……..
- Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay ít phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp
chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Để có được sợi quang có độ
suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất
không quá một phần tỷ (10
-9
).
- Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo
=
1550nm suy hao nhỏ nhất. Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp
dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang
- Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện
tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo,
làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần
khúc xạ ra vỏ do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần.
c/. Suy hao do uốn cong (Hình 2).
Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch
trục, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ
dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang.
600
500
400
300
200
100
19
500 600 800 1000 1200 1400 1600
0
c/. Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại
α(dB/km)
nm
600 800 1000 1200 1400 1600
3
2
1
0
α(dB/km)
a/. Suy hao hấp thụ vùng cực tím và hồng
ngoại
hấp thụ hồng ngoại
hấp thụ cực tím
0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
α(db/km)
4
0,3 m
H1: Suy hao do tán xạ Rayleigh
1
3
5
22.2.3. Tán sắc.
a. Định nghĩa tán sắc.
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký hiệu D, đơn vị giây (s) được tính
bằng:
2
i
2
0
TTD
−=
Trong đó: T
i
là độ rộng xung vào
T
o
+ Tia 1: Tia dài nhất
1Dcos
2
1d
=
+ Tia 2: tia ngắn nhất d
2
= L
Thời gian truyền của tia 1:
θ
1
= d
1
/V.
(Với V là vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi V = C/n
1
)
mà cos
θ
1
- sin
θ
c
=
2
1
n
n
nên
2
0
/2
L
θ
n
2
n
1
2
1
Thời gian chênh lệch giữa 2 đường truyền là:
2
21
1
1
2
2
1
21
n
nn
n
C
L
C
Ln
Cn
Ln
ttt
−
.n
C
L
t
2
1
∆
=∆
Độ dẫn xung qua mỗi khối lượng sợi hay độ tán sắc mode:
8
.
C
n
L
t
D
2
1
emod
∆
=
∆
=
- Tán sắc thể: gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc thể
còn gọi là tán sắc bước sóng.
+ Tán sắc vật liệu: là hiện tượng do ánh sáng truyền trong sợi quang không
phải là đơn sắc mà là đa sắc. Mỗi bước sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác cho
nên vận tốc truyền khác.
Tán sắc do vật liệu được xác định bởi:
2
một tia sáng cho nên không có tán sắc mode xẩy ra.
Ddchr: chromatic dispersion.
2.3. Cấu trúc sợi quang.
Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding).
Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn
ánh sáng và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành
phần giữa lớp lõi và lớp vỏ bọc. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do
điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa.
- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primany coating).
- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating).
24
-
-
-
-
-
-
-
-
0
4
8
12
-4
-8
-12
dchr (PS/nm.Km)
12
1 2
1300
- Dạng đệm khít.
- Dạng băng dẹt.
Mỗi dạng có những ưu điểm nhược điểm khác nhau do đó nó được sử dụng
trong từng điều kiện khác nhau.
a. Dạng ống đệm lỏng.
- Ống đệm lỏng thường gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi
quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi
quang trước ảnh hưởng cực cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn
lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi
có tính chất sau:
+ Có tác dụng ngăn ẩm.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©