Đồ án Hệ thống thông tin quang - Thiết kế tuyến cáp quang Hà nội - Hải Phòng

më ®Çu YÕu tè thêi gian ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong th«ng tin .Ai n¾m ®­îc th«ng tin tr­íc ng­êi ®ã sÏ cã tÊt c¶ .§Ó t¨ng tèc ®é truúªn tin vµ t¨ng l­îng tin ®­îc truyÒn ®i trong cïng mét lÇn trªn ®­êng truyÒn hay d¶i th«ng tin (Bandwith), ng­êi ta ®· ®­a c«ng nghÖ th«ng tin quang vµ c¸p quang vµo hÖ thèng viÔn th«ng. Víi nh÷ng ­u ®iÓm tuyÖt vêi nh­ d¶i th«ng tin lín, tèc ®é truyÒn tin rÊt nhanh, kh«ng bÞ ¶nh h­ëng bëi nh÷ng tÝn hiÖu ®iÖn tõ trong kh«ng gian vµ ng­îc l¹i. Nã còng kh«ng ph¸t ra c¸c tÝn hiÖu ®iÖn tõ lµm nhiÔu c¸c thiÕt bÞ xung quanh, nguyªn liÖu s½n cã vµ cã nhiÒu. C¸p quang lµ gi¶i ph¸p tuyÖt vêi ®Ó gi¶i quyÕt nh÷ng vÊn ®Ò mµ c¸c ph­¬ng tiÖn truyÒn dÉn kh¸c d­êng nh­ chÞu bã tay. Trong hÖ thèng th«ng tin quang, tÝn hiÖu ®­îc truyÒn dÉn d­íi d¹ng ¸nh s¸ng (photon) vµ m«i tr­êng truyÒn dÉn lµ c¸p sîi quang. C¸p quang lµ ph­¬ng tiÖn truyÒn dÉn hÕt søc hiÖu qu¶ trong m¹ng thuª bao nãi riªng vµ c¸c m¹ng kh¸c nãi chung. C«ng nghÖ míi nµy lµ ph­¬ng tiÖn truyÒn dÉn an toµn nhÊt trong mäi ®iÒu kiÖn thêi b×nh còng nh­ thêi chiÕn, ®Æc biÖt lµ chiÕn tranh ®iÖn tö. Nã ®ãng vai trß ®a n¨ng, truyÒn dÉn mäi dÞch vô viÔn th«ng víi chÊt l­¬ng cao, ®ång bé vµ hiÖn ®¹i nh­ truyÒn sè liÖu, phôc vô héi nghÞ truyÒn h×nh, truy nhËp d÷ liÖu tõ xa vµ dÉn c¸c tÖp th«ng tin ®a ph­¬ng tiÖn. Trong t­¬ng lai c¸p quang sÏ dÇn thay thÕ nh÷ng ®«i d©y kim lo¹i cång kÒnh, tèn kÐm. ë n­íc ta do nhËn thøc ®­îc tÇm quan träng cña c«ng nghÖ th«ng tin quang nªn nã ®· nhanh chãng ®­îc øng dông trong vµ ngoµi qu©n ®éi. Mét lo¹t nh÷ng tuyÕn c¸p quang míi ®­îc h×nh thµnh vµ ®i vµo khai th¸c nh­ tuyÕn c¸p quang B¾c Nam gåm tuyÕn ch«n d­íi ®Êt theo quèc lé 1A vµ tuyÕn treo theo ®­êng d©y 500KV víi dung l­¬ng 1,5 Gb, t­¬ng ®­¬ng víi 3.000 kªnh thái trªn mét ®«i sîi quang, t¹o vµ 4 vßng truyÒn dÉn vµ h×nh thµnh sa lé th«ng tin trong n­íc. Tõ nh÷ng nhËn xÐt trªn cho thÊy hÖ thèng th«ng tin víi c¸p quang lµm ph­¬ng tiÖn truyÒn dÉn lµ mét øng dông nh»m tèi ­u ho¸ m¹ng l­íi viÔn th«ng, ®em l¹i cho con ng­êi nh÷ng lîi Ých kh«ng thÓ phñ nhËn ®­îc. ChÝnh v× vËy em ®· chän ®Ò tµi “ HÖ thèng th«ng tin quang - ThiÕt kÕ tuyÕn c¸p quang Hµ néi - H¶i phßng “. Sau thêi gian nghiªn cøu em viÕt b¸o c¸o thùc tËp ®Ó ®óc kÕt l¹i nh÷ng g× m×nh ®· hiÓu ®­îc vÒ TH th«ng tin quang, mÆc dï nã míi chØ lµ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n, ch­a ®i s©u vµo ®Ò tµi nh­ng ch¾c ch¾n sÏ gióp em rÊt nhiÒu trong qu¸ tr×nh lµm ®å ¸n sau nµy. PhÇn A: Th«ng tin quang ch­¬ng i: tæng quan vÒ c¸p quang I, CÊu t¹o sîi quang: Tõ “sîi quang” cã nghÜa lµ “ sîi m¶nh dÉn ¸nh s¸ng” bao gåm hai chÊt ®iÖn m«i trong suèt kh¸c nhau (chÊt ®iÖn m«i thuû tinh hay nhùa ) mét phÇn cho ¸nh s¸ng truyÒn trong ®ã (lµ c¸c tia nh×n thÊy vµ c¸c tia hång ngo¹i) gäi lµ lâi sîi, phÇn cßn l¹i lµ líp vá bao quang lâi. VËt liÖu cÊu t¹o lâi sîi th«ng th­êng lµ thuû tinh cßn vá ph¶n x¹ cã thÓ lµ thuû tinh hay chÊt dÎo trong suèt. Lâi cã chiÕt suÊt n1, vá còng lµ vËt liÖu dÉn quang chiÕt suÊt n2. §Ó ¸nh s¸ng cã thÓ ph¶n x¹ ®­îc toµn phÇn trong sîi quang th× n2 < n1. Víi b¸n kÝnh lâi lµ a ta cã: §é lÖch chiÕt suÊt t­¬ng ®èi D = §é lÖch chiÕt suÊt Dn = n1 n2 Hai tham sè nµy quyÕt ®Þnh ®Æc tÝnh truyÒn dÉn cña sîi quang II, Ph©n lo¹i sîi quang Sîi quang ®­îc ph©n lo¹i theo nhiÒu c¸ch nh­ ph©n lo¹i theo vËt liÖu ®iÖn m«i sö dông, mode truyÒn dÉn, ph©n bè chiÕt suÊt khóc x¹ cña lâiv.v... ViÖc ph©n lo¹i cã thÓ tãm t¾t trong b¶ng sau:Ph©n lo¹i theo vËt liÖu ®iÖn m«i Sîi quang th¹ch anh Sîi quang thuû tinh ®a vËt liÖu Sîi quang b»ng nhùa Ph©n lo¹i theo mode lan truyÒn Sîi quang ®¬n mode Sîi quang ®a mode Ph©n lo¹i theo ph©n bè Sîi quang chiÕt suÊt 1- C¸c lo¹i sîi ®a mode vµ ®¬n mode: Trªn h×nh 1.2 lµ sù lan truyÒn ¸nh s¸ng trong c¸c lo¹i sîi kh¸c nhau. §Æc ®iÓm cña sîi ®a mode lµ truyÒn dÉn ®ång thêi nhiÒu mode cßn sîi ®¬n mode chØ truyÒn dÉn mét mode. Khi hiÓu mode lµ c¸c tia s¸ng thµnh phÇn th× trªn h×nh vÏ ta thÊy, trong sîi ®a mode nhiÒu tia ®­îc truyÒn dÉn theo c¸c ®­êng ®i kh¸c nhau, cßn trong sîi ®¬n mode chØ cã mét tia ch¹y trong sîi H×nh 1.2: Lan truyÒn ¸nh s¸ng trong c¸c sîi kh¸c nhau Theo sù biÕn thiªn chiÕt suÊt bªn trong ruét sîi nh­ ®· cã ë phÇn ph©n lo¹i ta cã sîi cã chiÕt suÊt bËc SI (Step Index) vµ sîi cã chiÕt suÊt biÕn thiªn ®Òu GI(Gran Index). Trong sîi SI, chiÕt suÊt cña mét n1 kh«ng thay ®æi vµ n1 > n2 cña vá nªn t¹i mÆt ph©n c¸ch vá- ruét chiÕt suÊt cã b­íc nh¶y. Trong sîi GI chiÕt suÊt n1 cña ruét ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt t¹i t©m ruét vµ gi¶m dÇn cho ®Õn mÆt ph©n c¸ch vá ruét th× b»ng gi¸ trÞ n2 cña vá. Sîi ®¬n mode ®­îc chÕ t¹o lµ sîi SI. Cã thÓ chia c¸c lo¹i sîi quang thµnh 3 lo¹i: + Sîi ®a mode chiÕt suÊt bËc: SI-MM (Multi Modes) + Sîi ®a mode chiÕt suÊt biÕn ®æi: GI - MM. + Sîi ®¬n mode chiÕt suÊt biÕn ®æi: SI - SM( Single Mode) 2- VËt liÖu chÕ t¹o vµ ®Æc tÝnh c¬ häc cña sîi dÉn quang: ë phÇn trªn ta ®· xem xÐt c¬ b¶n vÒ cÊu tróc sîi quang. Nh×n chung chóng cã cÊu t¹o gåm lâi vµ vá ph¶n x¹ t¹o nªn sîi dÉn quang dµi vµ m¶nh. Chóng cã vai trß truyÒn tÝn hiÖu th«ng tin cho cù ly xa vµ tèc ®é lín nªn ph¶i ®­îc cÊu t¹o b»ng c¸c vËt liÖu phï hîp víi b¶n chÊt truyÒn cña chóng. ChÝnh v× lý do ®ã mµ vËt liÖu chÕ t¹o chñ yÕu lµ thuû tinh nh­ sîi thuû tinh th¹ch anh, sîi thuû tinh Halogen, sîi thuû tinh tÝch cùc. Vµ c¸c lo¹i sîi vá lµ chÊt dÎo PCS. §Æc tÝnh c¬ häc: Ngoµi ®Æc tÝnh truyÒn dÉn cña sîi quang th× c¸c ®Æc tÝnh c¬ häc còng ®ãng vai trß rÊt quan träng. Søc bÒn vµ ®é lµ hai ®Æc tÝnh c¬ häc c¬ b¶n cña sîi dÉn quang. Bëi trong lóc bäc c¸p vµ l¾p ®Æt, c¸p t¶i träng t¸c ®éng vµo sîi cã thÓ ë d¹ng xung lùc hoÆc thay ®æi tõ tõ. Khi c¸p ®­îc khai th¸c trªn tuyÕn th× t¶i träng thay ®æi rÊt chËm cã thÓ ¶nh h­ëng cña t0 thay ®æi, sù kh«ng æn ®Þnh cña m«i tr­êng. III- Nguyªn lý lan truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang. 1. C¸c ®Æc ®iÓm cña ¸nh s¸ng: ¸nh s¸ng truyÒn th¼ng trong m«i tr­êng chiÕt suÊt khóc x¹ ®ång nhÊt, bÞ ph¶n x¹ hoÆc khóc x¹ t¹i biªn ng¨n c¸ch ¸nh s¸ng gi÷a hai m«i tr­êng cã chiÕt suÊt khóc x¹ kh¸c nhau. Sù truyÒn th¼ng, khóc x¹ vµ ph¶n x¹ lµ 3 ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña ¸ng s¸ng. H×nh 1.3: HiÖn t­îng khóc x¹ vµ ph¶n x¹ ¸nh s¸ng XÐt tia s¸ng (1) ®i tõ m«i tr­êng chiÕt suÊt n1 sang m«i tr­êng chiÕt suÊt n2 víi n1 < n2. T¹i mÆt ph©n c¸ch gi÷a hai m«i tr­êng x¶y ra hiÖn t­îng. Mét phÇn ¸nh s¸ng ph¶n x¹ l¹i m«i tr­êng lan truyÒn mét phÇn khóc x¹ sang m«i tr­êng n2. Khi gãc tíi a lín dÇn lªn tíi mét gãc a c sÏ t¹o ra tia khóc x¹ n»m song song víi ranh giíi ph©n c¸ch 2 m«i tr­êng th× khi ®ã a c lµ gãc giíi h¹n. Lóc nµy kh«ng tån t¹i tia khóc x¹ ë m«i tr­êng n2 HiÖn t­îng tia s¸ng ph¶n x¹ trë l¹i m«i tr­êng ban ®Çu t¹i mÆt ph©n c¸ch gäi lµ hiÖn t­îng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng toµn phÇn. Lóc nµy gãc khóc x¹= 900 Khi ®ã: Sin ac = Mét ®Æc ®iÓm quan träng trong khóc x¹ lµ vËn tèc ¸nh s¸ng thay ®æi theo chiÕt suÊt khóc x¹ cña m«i tr­êng mµ ¸nh s¸ng lan truyÒn qua. NÕu cho vËn tèc ¸nh s¸ng trong kh«ng khÝ lµ V th× vËn tèc cña nã trong m«i tr­êng cã chiÕt suÊt n1 vµ n2 t­¬ng øng lµ v/n1 vµ v/n2 2. Qu¸ tr×nh ®­a ¸nh s¸ng vµo sîi quang ¸nh s¸ng ®­îc ph¸t ra tõ nguån ph¸t quang bÞ khuyÕch t¸n do nhiÔu x¹. Muèn ®­a ¸nh s¸ng vµo lâi cña sîi cÇn ph¶i tËp trung ¸nh s¸ng. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ ¸nh s¸ng ®­îc tËp trung ®Òu cã thÓ ®­a vµo sîi mµ chØ mét phÇn gãc tíi n»m trong mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh míi cã thÓ ®­a ®­îc vµo lâi quang. H×nh 1.4: Gãc nhËn cña sîi quang Trªn h×nh vÏ t¹i ®iÓm ®­a vµo sîi quang ®­îc chia thµnh 3 m«i tr­êng liÒn nhau cã chiÕt suÊt khóc x¹ kh¸c nhau. §ã lµ m«i tr­êng kh«ng khÝ, lâi vµ vá cña sîi quang cã gi¸ trÞ chiÕt suÊt lÇn l­ît lµ n0(-1), n1 vµ n2. ë ®©y gãc nhËn lín nhÊt lµ qmax lµ gãc më ®èi víi tia sè (2) cã gãc tíi b»ng gãc tíi h¹n qc. T¹i biªn cña kh«ng khÝ vµ lâi, lâi vµ vá ¸p dông ®Þnh luËt Smell cho ta hai ph­¬ng tr×nh: Sin qmax = n1Sin qc. Sin (900 -qc)= Cos qc = Khi n1 = n2 th× gãc më ®­îc tÝnh : Sin qmax == n1 Trong ®ã D = (n1 - n2)/n1: §é lÖch chiÕt suÊt t­¬ng ®èi C¸c tia s¸ng ®­a tíi sîi quang víi c¸c gãc n»m trong gãc më lín nhÊt cña sîi sÏ truyÒn lan suèt däc theo lâi sîi b»ng c¸ch lÆp ®i lÆp l¹i c¸c ph¶n x¹ toµn phÇn gi÷a biªn cña líp lâi vµ vá. 3. ¸nh s¸ng truyÒn qua sîi quang ®a mode bËc: Sîi quang ®a mode chiÕt suÊt ¸nh s¸ng bËc cã chiÕt suÊt lâi kh«ng ®æi, ®­êng kÝnh lâi gÇn b»ng 100mm, bäc bªn ngoµi lµ vá còng b»ng líp thuû tinh cã ®­êng kÝnh lín h¬n vµ chiÕt suÊt bÐ h¬n lâi. §é réng b¨ng tÇn ®¹t 100MHz Km. Khi mét tia s¸ng ®i vµo sîi quang víi mét gãc t­¬ng ®èi hÑp, nã bÞ ph¶n x¹ liªn tôc ë ®­êng biªn cho tíi khi nã ch¹y ra ë ®Çu cuèi. H×nh 1.5: C¸c tia s¸ng truyÒn ®i c¾t trôc quang ®a mode bËc Lo¹i sîi quang nµy truyÒn ®­îc hµng ngµn d¹ng sãng kh¸c nhau. Khi c¸c tia s¸ng chiÕu vµo ®Çu sîi quang, chóng truyÒn víi nhiÒu tèc ®é kh¸c nhau, lÇn l­ît ph¶n x¹ qua c¸c mÆt tiÕp gi¸p gi÷a lâi vµ vá vµ ®i ra ngoµi sîi quang kh«ng cïng mét thêi gian. Do ®ã mµ c¸c xung ¸nh s¸ng ë ®Çu ra so víi ®Çu vµo th× bÒ réng cña xung th­êng bÞ níi réng ra. §iÒu nµy dÉn ®Õn viÖc truyÒn xung ¸nh s¸ng trong sîi ®a mode bËc tÝn hiÖu dÔ bÞ sai lÖch. C¸c tham sè c¬ b¶n: §Ó ®Æc tr­ng cho d¹ng sãng truyÒn trong sîi quang, ng­êi ta tÝnh ra c¸c ®¹i l­îng tÇn sè chuÈn ho¸ F: F= Trong ®ã: l lµ b­íc sãng cña tia s¸ng A lµ gãc më víi A = Sin qc = n1, n2: lÇn l­ît lµ chiÕt suÊt lâi vµ vá a : b¸n kÝnh lâi sîi Trong sîi ®a mode bËc gåm nhiÒu d¹ng sãng, trong ®ã cã c¸c tia c¬ b¶n (LP01) lµ nh÷ng tia truyÒn vµo lâi sîi quang víi gãc tíi a0 = 900 th× nh÷ng tia truyÒn trong lâi sÏ song song víi trôc cña lâi. Cßn c¸c tia kh¸c lÇn l­ît víi bËc cao h¬n t¹o thµnh gãc qc cho ®Õn bËc cao nhÊt (LP11) lµ nh÷ng tia cã gãc tíi h¹n tíi gãc giíi h¹n qc th× nh÷ng tia nµy lÇn l­ît ph¶n x¹ nhiÒu lÇn qua mÆt ph©n c¸ch gi÷a lâi vµ vá sîi quang. 4. ¸nh s¸ng truyÒn qua sîi quang ®¬n mode: a- §Æc ®iÓm: §Ó tr¸nh vÊn ®Ò t¸n s¾c gi÷a c¸c m¹ch lµ thiÕt kÕ sîi quang dÑt sao cho nã chØ truyÒn mét mode. V× chØ cã mét mode lan truyÒn nªn kh«ng lÖch thêi gian ë cuèi sîi, kh«ng mÐo tÝn hiÖu do ®ã sîi cã b¨ng tÇn lín vµ cho phÐp truyÒn ®­îc l­îng th«ng tin rÊt lín ®i xa. L­îng th«ng tin ®¹t ®­îc lµ 100Gb/s, b­íc sãng l = 1.300nm b- CÊu tróc c¬ b¶n cña sîi quang ®¬n mode tèi ­u: Lo¹i sîi quang ®¬n mode l = 1.300nm cã ®Æc ®iÓm quan träng lµ suy hao b»ng 0 t¹i b­íc sãng 1.300nm nªn gäi lµ sîi quang tèi ­u. Sù ph©n bè c«ng suÊt trong lâi sîi hÇu hÕt lµ c«ng suÊt quang truyÒn trong lâi, khi mµ b­íc sãng t¨ng cao h¬n b­íc sãng c¾t th× mét phÇn truyÒn ra ngoµi lâi. VÒ cÊu tróc cña sîi quang tèi ­u cã 2 d¹ng c¬ b¶n sau: Lo¹i chØ sè ®¬n bËc: Cã ®­êng kÝnh tr­êng mode kho¶ng 10mm, gãc më l = 0,11. Nh­ vËy lo¹i cÊu tróc nµy cã hÖ sè khóc x¹, hÖ sè gãc më lín. Lo¹i chØ sè 3 bËc: Lo¹i nµy cã ®­êng kÝnh mode bÐ kho¶ng 9mm IV- Suy hao trong sîi quang §o suy hao quang ®Ó x¸c ®Þnh suy hao c«ng suÊt ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi quang. NÕu suy hao nhá h¬n th× sÏ cho phÐp kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn tÝn hiÖu lín h¬n. Suy hao tÝn hiÖu ®­îc ®Þnh nghÜa lµ tØ sè c«ng suÊt quang lèi ra Pout cña sîi quang cã ®é dµi L vµ c«ng suÊt quang ®Çu vµo Pin. TØ sè c«ng suÊt nµy lµ mét hµm cña b­íc sãng. a = Suy hao sîi quang cã thÓ chia thµnh c¸c lo¹i: 1. Suy hao hÊp thô: HÊp thô do c¸c thiÕu hôt nguyªn tö trong thµnh phÇn ph©n tö. ViÖc thiÕu hôt nµy lµ nh÷ng cÊu tróc nguyªn tö chÊt liÖu chÕ t¹o sîi quang. C¸c suy hao nµy chë nªn ®¸ng kÓ khi sîi chÞu c¸c bøc x¹ nguyªn tö m¹ch. HÊp thô do nguyªn tö kh«ng thuÇn khiÕt trong chÊt liÖu thñy tinh. Chñ yÕu do sù chuyÓn ho¸ c¸c ion kim lo¹i nh­ Cr«m, coban, ®ång...C¸c suy hao hÊp thô nµy xuÊt hiÖn do chuyÓn tiÕp c¸c ®iÖn tö gi÷a c¸c møc n¨ng l­îng lín bªn trong kh«ng ®­îc lµm ®Çy cña c¸c ion nµy hoÆc do c¸c chuyÓn tiÕp tõ ion nµy tíi ion kh¸c. HÊp thô vËt liÖu do c¸c d¶i hÊp thô ®iÖn tö trong vïng cùc tÝm vµ c¸c d¶i dao ®éng nguyªn tö trong vïng hång ngo¹i. Qu¸ tr×nh hÊp thô xuÊt hiÖn khi mét photon t­¬ng t¸c víi mét ®iÖn tö trong vïng ho¸ trÞ vµ kÝch thÝch ®iÖn tö lªn vïng cao h¬n. 2. Suy hao t¸n x¹: Cßn gäi lµ suy hao t¸n x¹ Rayleigh T¸n x¹ Rayleigh lµ mét hiÖn t­îng mµ ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ theo c¸c h­íng kh¸c nhau khi nã gÆp ph¶i mét vËt nhá cã kÝch th­íc kh«ng qu¸ lín so víi b­íc sãng cña ¸nh s¸ng. §é suy hao cña t¸n x¹ Rayleigh tØ lÖ nghÞch víi luü thõa bËc 4 cña b­íc sãng (a ) Nguyªn nh©n: Do cÊu tróc sîi quang kh«ng ®ång nhÊt g©y ra: C¸c sîi quang thùc tÕ kh«ng thÓ cã cÊu tróc trßn lý t­ëng vµ cÊu tróc h×nh trô ®Òu däc suèt vá vµ lâi sîi. T¹i bÒ mÆt biªn gi÷a lâi vµ vá ®«i chç cã sù gå ghÒ kh«ng nh½n, t¹i nh÷ng chç nµy ¸nh s¸ng bÞ t¸n x¹ vµ mét vµi chç ph¸t x¹ ¸nh s¸ng ra ngoµi. Nh­ vËy nh÷ng chç kh«ng b»ng ph¼ng nµy g©y nªn suy hao, nã lµm t¨ng suy hao quang v× cã c¸c ph¶n x¹ bÊt b×nh th­êng ®èi víi ¸nh s¸ng lan truyÒn. 3. Suy hao do sîi bÞ uèn cong: Suy hao vi cong: Khi sîi quang chÞu nh÷ng lùc nÐn kh«ng ®ång nhÊt th× trôc cña sîi quang bÞ uèn cong ®i mét l­îng nhá lµm t¨ng suy hao cña sîi quang. Sù suy hao nµy xuÊt hiÖn do tia s¸ng bÞ lÖch trôc ®i khi ®i qua nh÷ng chç uèn cong ®ã. Suy hao uèn cong: Khi sîi bÞ uèn cong b¸n kÝnh uèn cong cµng nhá th× suy hao cµng t¨ng. ( H1.7). V- MÐo TH trong c¸c èng dÉn sãng quang Khi truyÒn TH trªn sîi quang, nã sÏ bÞ suy hao vµ mÐo lµ hai ®iÒu khã tr¸nh khái. MÐo TH lµ do t¸c ®éng cña t¸n s¾c mode vµ trÔ gi÷a c¸c mode. Cã thÓ hiÓu t¸n s¾c mode lµ sù gi·n xung xuÊt hiÖn trong mét mode do vËn tèc nhãm lµ biÓu hµm cña b­íc sãng l. V× t¸n s¾c mode phô thuéc vµo b­íc sãng nªn t¸c ®éng cña nã t¨ng theo ®é réng phæ cña nguån s¸ng. YÕu tè kh¸c lµm t¨ng ®é gi·n xung lµ trÔ gi÷a c¸c mode do mçi mode cã gi¸ trÞ vËn tèc nhãm kh¸c nhau, t¹i cïng mét tÇn sè. Kh¸i niÖm “VËn tèc nhãm ” lµ tèc ®é truyÒn n¨ng l­îng cña mode trong sîi. H×nh 1.8 : Qu¸ tr×nh gi·n vµ suy gi¶m xung l©n cËn khi truyÒn trong sîi a) Hai xung ban ®Çu t¸ch rêi nhau. b) Hai xung chång lªn nhau nh­ng kh«ng t¸ch ®­îc. c) C¸c xung chång lªn nhau khã t¸ch ®­îc. d) C¸c xung chång lªn nhau rÊt nhiÒu vµ kh«ng t¸ch ®­îc. VI- T¸n x¹ trong sîi quang: 1. HiÖn t­îng, nguyªn nh©n vµ ¶nh h­ëng: Khi truyÒn dÉn c¸c TH digital qua sîi quang, xuÊt hiÖn hiÖn t­îng d·n réng c¸c xung ¸nh s¸ng ë ®Çu thu, thËm chÝ trong mét sè tr­êng hîp c¸c xung l©n cËn ®Ì lªn nhau, khi ®ã kh«ng ph©n biÖt ®­îc c¸c xung ®­îc gäi lµ hiÖn t­îng t¸n x¹. Nguyªn nh©n chÝnh cña hiÖn t­îng nµy lµ do ¶nh h­ëng cña sîi quang mµ tån t¹i c¸c thêi gian ch¹y kh¸c nhau cho c¸c thµnh phÇn ¸nh s¸ng ph¸t ®i ®ång thêi. T¸n x¹ cã ¶nh h­ëng tíi chÊt l­îng truyÒn dÉn, cô thÓ: - Khi truyÒn TH digital trong miÒn thêi gian g©y ra sù d·n réng c¸c xung ¸nh s¸ng. - Khi truyÒn TH analog th× ë ®Çu thu biªn ®é TH bÞ gi¶m nhá vµ cã hiÖn t­îng dÞch pha. §é réng b¨ng truyÒn dÉn cña sîi do ®ã bÞ giíi h¹n. H×nh 1.10: ¶nh h­ëng cña t¸n x¹ lªn TH digital (a) vµ analog (b) S chØ TH ph¸t, E chØ TH thu T¸n x¹ chñ yÕu tËp trung ë nh÷ng lo¹i sau: - T¸n x¹ vËt liÖu - T¸n x¹ mode cßn gäi lµ t¸n x¹ ®a mode - T¸n x¹ mÆt c¾t - T¸n x¹ sîi dÉn sãng 2. HiÖn t­îng t¸n x¹ vËt liÖu: Theo h×nh vÏ 2.5 th× chiÕt suÊt cña vËt liÖu thuû tinh chÕ t¹o sîi biÕn ®æi theo b­íc sãng cña TH ¸nh s¸ng lan truyÒn, tøc lµ n = n(l). NÕu nguån bøc x¹ quang ph¸t ra sãng ¸nh s¸ng víi duy nhÊt mét b­íc sãng l0 th× kh«ng cã hiÖn t­îng lÖch thêi gian truyÒn dÉn gi÷a c¸c thµnh phÇn xung cña ¸nh s¸ng v× theo v = = const chóng sÏ lan truyÒn víi cïng vËn tèc v = = const. ThÕ nh­ng c¸c nguån ph¸t quang nh­ diode ph¸t quang LED hay diode lazer kh«ng ph¶i chØ bøc x¹ ra mét v¹ch phæ øng víi b­íc sãng l0 mµ chóng bøc x¹ ra mét d¶i phæ Dl quanh b­íc sãng l0 ë møc biªn ®é 0,5 nh­ h×nh vÏ 2.5 H×nh 2.5: Phæ bøc x¹ cña LED vµ LD 3. HiÖn t­îng t¸n x¹ mode: Nguyªn nh©n lµ c¸c thµnh phÇn ¸nh s¸ng lan truyÒn nhê c¸c mode riªng rÏ víi thêi gian kh¸c nhau, nªn cã sù chªnh lÖch vÒ thêi gian, sinh ra mÐo xung. HiÖn t­îng nµy chØ xuÊt hiÖn ë sîi ®a mode. ¸nh s¸ng truyÒn trong sîi SI lan truyÒn d­íi nhiÒu tia ch¹y theo c¸c ®­êng dicd¾c kh¸c nhau víi ®é dµi kh¸c nhau, trong ®ã tia song song víi trôc quang cã ®é dµi ng¾n nhÊt. V× chiÕt suÊt n1 cña thuû tinh chÕ t¹o ruét kh«ng thay ®æi, nªn vËn tèc lan truyÒn cña c¸c tia sãng thµnh phÇn lµ nh­ nhau. V× vËy thêi gian cÇn thiÕt ®Ó lan truyÒn c¸c tia lµ rÊt kh¸c nhau. C¸c tia ®Õn ®Çu cuèi sîi kh«ng cïng mét lóc mµ cã sù chªnh lÖch thêi gian, g©y ra d·n xung. Thêi gian chªnh lÖch gi÷a tia s¸ng nhanh nhÊt vµ chËm nhÊt lµ: Dt = ¸nh s¸ng lan truyÒn trong sîi GI lan truyÒn theo ®­êng cong h×nh sin nh÷ng tia gÇn trôc quang ®­êng ®i ng¾n nh­ng chiÕt suÊt cña ruét sîi ë phÇn gÇn t©m sîi lín, nªn vËn tèc lan truyÒn v = nhá. C¸c tia ë gÇn s¸t mÆt ph©n c¸ch vá ruét cã ®­êng ®i dµi h¬n song chiÕt suÊt cña ruét l¹i nhá h¬n nªn cã vËn tèc lan truyÒn lín. Nh­ vËy thêi gian truyÒn lan cña c¸c tia t­¬ng ®èi ®Òu nhau h¬n, c¸c tia ®i ®Õn cuèi sîi kh«ng lÖch nhau nhiÒu l¾m. Thêi gian lÖch gi÷a tia sãng nhanh nhÊt vµ chËm nhÊt lµ : Dt = 4. HiÖn t­îng t¸n x¹ mÆt c¾t: Trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu khi gi¸ trÞ chiÕt suÊt cã biÕn thiªn theo b­íc sãng, ng­êi ta ®Òu coi ®é lÖch chiÕt suÊt t­¬ng ®èi kh«ng phô thuéc vµo b­íc sãng l. ThÕ nh­ng xem xÐt kü th× thÊy r»ng chiÕt suÊt n1 vµ n2 cña ruét vµ vá biÕn thiªn theo b­íc sãng kh«ng cïng mét møc ®é nh­ nhau, nªn gi¸ trÞ còng thay ®æi theo b­íc sãng g©y nªn hiÖn t­îng t¸n x¹ phô gäi lµ t¸n x¹ mÆt c¾t vµ ®Æc tr­ng qua tham sè t¸n x¹ P: p = Trong ®ã: n0 lµ chiÕt suÊt ë t©m ruét nn lµ chiÕt suÊt nhãm H×nh 2.6: Sù phô thuéc cña tham sè t¸n x¹ mÆt c¾t vµ b­íc sãng 5. T¸n s¾c dÉn sãng: T¸n s¾c dÉn sãng lµ do sîi ®¬n mode chØ gi÷ ®­îc kho¶ng 80% n¨ng l­îng ë trong lâi, v× vËy cßn 20% ¸ng s¸ng truyÒn trong vá nhanh h¬n n¨ng l­îng ë trong lâi. T¸n s¾c dÉn sãng phô thuéc vµo thiÕt kÕ sîi v× h»ng sè lan truyÒn mode S lµ mét hµm sè cña ¸nh s¸ng, nã th­êng ®­îc bá qua trong sîi ®a mode nh­ng cÇn ®­îc quan t©m trong sîi ®¬n mode. VII- ThiÕt bÞ tr¹m dÉn cuèi quang: ThiÕt bÞ tr¹m dÉn cuèi giao tiÕp víi thiÕt bÞ ghÐp kªnh vµ sîi dÉn quang. S¬ ®å khèi nh­ h×nh vÏ 1.9 H­íng ph¸t: TiÕp nhËn TH ®iÖn tõ thiÕt bÞ ghÐp kªnh ®­a ®Õn ®æi TH sang d¹ng mµ thÝch hîp víi ®­êng d©y quang vµ cho TH ®iÖn kÝch thÝch nguån quang ®Ó ph¸t ra TH quang. H­íng thu: TÝn hiÖu quang ®­îc chuyÓn thµnh TH ®iÖn. Sau khi ®­îc K§, phôc håi, TH ®iÖn ®­îc chuyÓn sang d¹ng m· thÝch hîp víi thiÕt bÞ ghÐp kªnh. Ngoµi ra thiÕt bÞ ®Çu cuèi còng cã bé phËn gi¸m s¸t vµ khèi truyÒn kªnh nghiÖp vô. Chøc n¨ng chÝnh cña c¸c khèi ®­îc m« t¶ nh­ sau: a) H­íng ph¸t: - Söa d¹ng: TH ®iÖn tõ thiÕt bÞ ghÐp kªnh ®­a ®Õn ®­îc K§, san b»ng vµ söa d¹ng xung. - §æi m· B/U (Bipolar / Unipolar - NhÞ cùc/ ®¬n cùc). M« truyÒn dÉn cña TH ®iÖn th­êng lµ m· nhÞ cùc, cã 3 tr¹ng th¸i +V,O vµ -V, kh«ng phï hîp víi ®­êng truyÒn dÉn quang lµ lo¹i chØ truyÒn 2 tr¹ng th¸i s¸ng vµ tèi. Do ®ã khèi ®æi m· chuyÓn TH ë m· nhÞ cùc sang m· ®¬n cùc. M· nhÞ cùc th­êng dïng lµ m· HDB3 cßn m· ®¬n cùc lµ m· NRZ. - NgÉu nhiªn hãa ( SCR : Scrambler): Cã t¸c dông trén chuçi xung mét c¸ch ngÉu nhiªn theo mét quy ®Þnh nhÊt ®Þnh ®Ó tr¸nh sù lÆp l¹i cña mét chuçi dµi c¸c bit gièng nhau, sù x¸o trén nµy nh»m lµm cho sù ph©n phæ cña TH cÇn truyÒn ®ång ®Òu h¬n. - M· hãa (coder): L¹i mét lÇn n÷a chuçi xung ®­îc ®æi sang d¹ng m· thÝch hîp víi ®­êng truyÒn dÉn quang. Lo¹i m· nµy cã t¸c dông lo¹i trõ sù xuÊt hiÖn c¸c nhãm bit chøa nhiÒu bit “ 1 ” hoÆc “0 ” liªn tiÕp vµ chøa mét sè nhãm bit ®Ó ph¸t hiÖn lçi. Lo¹i mµ th­êng dïng trong truyÒn dÉn quang lµ m· SBGB. - M· kÝch thÝch (Driver): Tæng hîp dßng ®iÖn ph©n cùc vµ chuçi xung tÝn hiÖu ®Ó kÝch thÝch nguån quang. - Nguån quang: Linh kiÖn ph¸t th­êng lµ lazer. C«ng suÊt ph¸t cña lazer lu«n ®­îc m¹ch, ®iÒu khiÓn c«ng suÊt (APC: Automatic Power Control) th¨m dß ®Ó ®iÒu chØnh dßng ph©n cùc nh»m gi÷ cho c«ng suÊt ph¸t ®­îc æn ®Þnh. b) H­íng thu: - M¹ch thu quang: BiÕn ®æi TH quang sang TH ®iÖn nhí c¸c diot thu quang (Photo diode). Diode thu quang cã thÓ lµ PIN hoÆc APD. VIII- So s¸nh c¸c lo¹i sîi dÉn quang: Tõ c¸c ®Æc tÝnh vÒ mÆt truyÒn dÉn, t¸n x¹ vµ tiªu hao cã thÓ so s¸nh c¸c lo¹i sîi ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng cña chóng. 1. Sîi ®a mode SI truyÒn dÉn rÊt nhiÒu mode, cã t¸n x¹ mode vµ t¸n x¹ vËt liÖu lín. ChØ ®­îc sö dông cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn tèc ®é bÐ trªn c¸c cù li rÊt ng¾n. 2. Sîi ®a mode GI: T¸n x¹ mode nhá. T¸n x¹ vËt liÖu b»ng 0 ë l = 1,304mm. Khi sö dông diode lazer cã ®é réng phæ bøc x¹ mode lµ lín. Sîi cã thÓ ®­îc sö dông trong c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn ®­êng dµi, dung l­îng lín. 3. Sîi ®¬n mode kh«ng cã t¸n x¹ mode. T¸n x¹ chñ yÕu lµ t¸n x¹ vËt liÖu vµ t¸n x¹ sîi dÉn sãng, ë b­íc sãng trªn 1mm sîi c«ng t¸c ë chÕ ®é ®¬n mode, tøc ë vïng cöa sæ truyÒn dÉn thø 2 vµ thø 3 víi t¸n x¹ vµ tiªu hao ®Òu rÊt bÐ. ë b­íc sãng 1,55mm, cã tiªu hao nhá nhÊt cho nªn xu h­íng chÕ t¹o sîi cã t¸n x¹ dÞch chuyÓn cã t¸n x¹ b»ng kh«ng ë 1,55mm rÊt ®­îc chó ý cho c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn hiÖn ®¹i. 4. Trong c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn tèc ®é lín, trªn kho¶ng c¸ch xa th× xu h­íng hiÖn nay lµ chØ sù dông sîi ®¬n mode ë b­íc sãng 1,3mm hoÆc sîi cã t¸n x¹ dÞch chuyÓn n ë b­íc sãng 1,55mm. Khi sö dông lazer ph¸t ®¬n mode th× ¶nh h­ëng cña t¸n x¹ lµ rÊt bÐ sÏ ph¸t huy tèi ®a ­u ®iÓm cu¶ sîi ®¬n mode. Trong m¹ch thu quang cßn cã m¹ch tiÒn khuyÕch ®¹i. - Khèi K§: TÝn hiÖu thu ®­îc K§ chñ yÕu trong khèi nµy. §é K§ ®iÒu chØnh ®­îc gi÷ cho møc TH ra ®ång ®Òu khi TH vµo thay ®æi. M¹ch ®iÒu chØnh ®é K§ (Automatic Gain Control) thùc hiÖn chøc n¨ng nµy. - M¹ch phôc håi (Regenerator): Qua ®­êng truyÒn, ngoµi viÖc biªn ®é TH bÞ suy gi¶m do ®é suy hao cña sîi quang, d¹ng cña TH cßn bÞ mÐo do ®é t¸n s¾c cña sîi quang. M¹ch phôc håi cã t¸c dông kh«i phôc l¹i d¹ng xung vµ ®Þnh thêi gian nhÞp cña xung. - Gi¶i m· (Decoder): ChuyÓn tõ d¹ng m· GB vÒ d¹ng m· SB theo quy t¾c ®· ®­îc m· ho¸ ë ®Çu ph¸t. Khèi gi¶i m· còng ph¸t hiÖn lâi, ®Õm lâi ®Ó thùc hiÖn c¶nh b¸o trong bé gi¸m s¸t. - Gi¶i ngÉu nhiªn (Descramber): Trén TH theo quy luËt ng­îc l¹i qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn hãa ë ®Çu ph¸t. - §æi m· U/B (Unipolar/ Bipolar): §æi m· ®¬n cùc sang m· nhÞ cùc ®Ó truyÒn ®Õn thiÕt bÞ ghÐp kªnh. TÝn hiÖu nghiÖp vô còng ®­îc chuyÓn sang d¹ng sè råi ®­a vµo m¹ch kÝch thÝch ®Ó ®iÒu chÕ biªn ®é TH quang cña luång chÝnh ë h­íng thu tÝn hiÖu nghiÖp vô ®­îc t¸ch ra tõ khèi K§. Ch­¬ng II: th«ng tin quang I- CÊu tróc vµ c¸c thµnh phÇn chÝnh trong tuyÕn truyÒn dÉn quang H×nh 3.2: CÊu tróc cña tuyÕn truyÒn dÉn quang C¸c thµnh phÇn chÝnh cña tuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang gåm phÇn ph¸t quang, c¸p sîi quang vµ phÇn thu quang. PhÇn ph¸t quang ®­îc cÊu t¹o tõ nguån ph¸t tÝn hiÖu quang vµ c¸c m¹ch ®iÖn ®iÒu khiÓn liªn kÕt víi nhau. C¸p sîi quang gåm cã c¸c sîi dÉn quang vµ c¸c líp vá bäc xung quanh ®Ó b¶o vÖ khái t¸c ®éng cã h¹i cña m«i tr­êng. PhÇn thu quang do bé t¸ch sãng quang vµ c¸c m¹ch khuyÕch ®¹i, t¸i t¹o tÝn hiÖu hîp thµnh. Ngoµi c¸c thµnh phÇn chñ yÕu nµy, tuyÕn th«ng tin quang cßn cã c¸c bé nèi quang- conector, c¸c mèi hµn, c¸c bé chia quang vµ c¸c tr¹m l¾p tÊt c¶ t¹o nªn mét truyÒn th«ng tin hoµn chØnh. Nguån ph¸t quang ë thiÕt bÞ ph¸t cã thÓ sö dông diode ph¸t quang LED hoÆc lazer b¸n dÉn LD. C¶ hai lo¹i nguån ph¸t quang nµy ®Òu phï hîp cho c¸c hÖ thèng th«ng tin quang víi TH quang ®Çu ra cã tham sè biÕn ®æi t­¬ng øng víi sù thay ®æi cña dßng ®iÒu biÕn. TH ®iÖn ë ®Çu vµo thiÕt bÞ ph¸t quang ë d¹ng sè hoÆc ®«i khi cã d¹ng t­¬ng tù vµ thiÕt bÞ ph¸t sÏ cã nhiÖm vô biÕn ®æi TH nµy thµnh TH quang II- HÖ thèng ph¸t TH quang: 1. S¬ ®å khèi: Ps: C«ng suÊt ph¸t ra tõ nguån quang AT: Suy hao ghÐp nguån vµo sîi quang PT: Lµ c«ng suÊt ®Çu ra truyÒn ¸nh s¸ng vµo sîi quang( Trªn ®o¹n nèi tõ ®Çu sîi quang vµo nguån quang) TÝn hiÖu vµo m¸y ph¸t lµ d©y xung l­ìng cùc cã tèc ®é Vs nµo ®ã. Bé biÕn m· chuyÓn d©y xung l­ìng cùc thµnh d©y xung ®¬n cùc vµ tèc ®é ®Çu ra th­êng lín h¬n Vs ®Ó phï hîp víi th«ng sè cña m«i tr­êng vµ ®Æc tÝnh cña nguån quang. Xung ®¬n cùc ®­a vµo bé kÝch thÝch vµ ®iÒu khiÓn ®Ó ®­îc TH ®iÒu chÕ c­êng ®é quang cña nguån quang ( nguån quang th­êng dïng lµ diode ph¸t quang LED hay lazer diode LD). C«ng suÊt ph¸t quang sau khi ®· ®­îc ®iÒu chÕ ®­îc phãng vµo sîi quang ®Ó truyÒn ®Õn m¸y thu cña tr¹m ®èi ph­¬ng. 2. C¸c m¹ch ph¸t c¬ b¶n a) M¹ch ph¸t tÝn hiÖu analog b) M¹ch ph¸t tÝn hiÖu digital Trªn h×nh vÏ a) c«ng suÊt ph¸t cña nguån lµ Ps. NÕu suy hao ghÐp nguån sîi lµ AT th× c«ng suÊt ph¸t (c«ng suÊt ®Çu ra ®o¹n sîi nèi víi nguån) lµ Pt ®­îc tÝnh Pt (dBm) - Ps(dBm)- At(db) vµ suy hao ghÐp: AT = 10log . §Ó bï l¹i ®Æc tÝnh phi tuyÕn cña nguån cÇn m¾c thªm m¹ng phèi hîp diode. Nh­ vËy sÏ gi¶m ®­îc mÐo sãng hµi cña TH analog. Trong tr­êng hîp tÝn hiÖu cã tÇn sè cao MHz th× sö dông bé khuyÕch ®¹i RF kho¶ng 50W ®Ó chuyÓn ®iÖn ¸p vµo thµnh nguån dßng tuyÕn tÝnh cã tèc ®é cao vµ cã m¹ch phèi hîp trë kh¸ng víi nguån. V× trasitor cã tèc ®é chuyÓn m¹ch thÊp nªn s¬ ®å chØ dïng khi tÝn hiÖu cã tèc ®é thÊp h¬n 10Mb/s. Khi tÝn hiÖu cã tèc ®é cao cÇn trang bÞ thªm m¹ch t¨ng tèc. H×nh 2.5: M¸y ph¸t dïng lazer diode a) Cho tÝn hiÖu analog b) Cho tÝn hiÖu digital V× LD cã ®¸p øng nhanh nªn cã thÓ sö dông khi tÝn hiÖu vµo ®¹t tíi vµi GHz. Trong c¶ hai s¬ ®å trªn ®Òu cã bé phËn æn ®Þnh to¶ nhiÖt ®é cña LD vµ m¹ch t¸ch quang ®Ó ®iÒu khiÓn dßng ®Þnh thiªn khi nhiÖt ®é thay ®æi. III- HÖ thèng