Bài Giảng Kĩ thuật thông tin quang - Chương 5: Hệ thống thông tin quang - Đỗ Văn Việt Em

Nội dung text: Bài Giảng Kĩ thuật thông tin quang - Chương 5: Hệ thống thông tin quang - Đỗ Văn Việt Em

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em - Th.S Phạm Quốc Hợp Bộ môn: ThônggQg Tin Quang –Khoa Viễn thông 2 Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn
2. KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
3. NỘI DUNG CHƯƠNG 5 • Hệ thống TTQ s ố • Hệ thống TTQ tương tự • Các k ỹ thuậttruyt truyềndn dẫn đakênha kênh GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
4. Hệ Thống TTQ Số • Tuyến điểm nối điểm ƒ Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ thống thông ti n quang ƒ Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này đếnmn mộttn nơikhácmi khác một cách chính xác nh ấtcótht 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 GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
5. 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(b)à (b) sử dụng khuếch đại quang. Bộ phátTrạm tái tạo Trạm tái tạo Bộ thu Tx Rx Tx Rx Tx Rx (a) Bộ phát Bộ khuếch đại Bộ khuếch đại Bộ thu Tx Rx (b) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
6. 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 địnhhôh thông qua tỉ lệ bit l ỗi BER , th ường giáiá trị tiêu biểu là BER < 10-9 • Một số vấn đề tthitrong thiếtkt kế hệ thống TTQ ƒ Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ ƒ Ảnh h ưởng c ủatánsa tán sắc đếnnh hệ thống TTQ ƒ Quỹ công suất quang ƒ Quỹ thờigianlêni gian lên GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
7. Hệ Thống TTQ Số ƒ Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ • khoảng cách truyền dẫn lớn nhất được giới hạn bởi 10 ⎛ P ⎞ ⎜ t ⎟ L = log10 ⎜ ⎟ a f ⎝ Pr ⎠ Trong đó: » 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 thông tin quang thực tế: sự lựa chọn bước sólóng, lựa chọn máy phát, máy thu thích hợp và sợi quang GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
8. 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) 2 • Đối với sợi đa mode GI: BTL = 2C/(n1Δ ) • 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 nguồn quang. Tích BTL bị giới hạn như sau: −1 BT L ≤ (4 M σ λ ) » khi |M| σλ = 2ps/km, tán sắc giớihi hạn BTL ≤ 125 (Gb/s ).k m. 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 tốc độ bit cao hơn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
9. 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. » Bị giới hạn bởi tán sắc khi BT > 5Gb/s. Ví dụ: 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 1550nm (cóthó thể hoạt động ở tốc độ 20 Gb/s vớikhi khoảng khuếch đại khoảng 80 km) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
10. Hệ Thống TTQ Số ƒ Minh họa Suy hao (các đường liền nét) và tán sắc (các đường không liên tục) giới hạn cự ly truyền dẫn L cách (km) ng ả Kho GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
11. 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 ho ạt động tin c ậytrongsuy trong suốttht thờigiansi gian sống của hệ thống. • Quỹ công suất thường được tính theo đơn vị decibel (dB) A = α L +α +α Pt = S + AL + M s L f con splice Trong đó: » Pt (dBm) là công suất phátS(dB)làt; S (dBm) là độ nhạy của mááthy thu » AL (dB) là suy hao kênh tổng cộng » MS (dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB » αcon và αsplice làhálà suy hao các connect tàor và suy h háao các mốiihà hàn dọc theo tuyến sợi quang (dB); αf là suy hao trung bình của sợi quang (dB/km) • Tìmkhom khoảng cách truy ềnln lớnnnh nhấttv vớiicáclinhki các linh kiệnnchotr cho trước. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
12. 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 ho ạt động đúng ở tốc độ bit mong mu ốn • Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ: 2 2 2 2 1/ 2 Tr = (Ttr + Tfiber + Trec ) » Trong đó Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với máhátáy phát, sợiàáthi quang và máy thu GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
13. Hệ Thống TTQ Số ƒ Quỹ thời gian (tt) • Thời gian lên của máy phát Ttr được xác định chủ yếu bởi các thành ph ần điệnnt tử củama mạch điềuukhi khiểnnvàcácph và các phầnnt 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 máyyp phát sử dụng laser. • Thời gian lên của máy thu Trec được xác định chủ yếu bởi dải thông điện 3 dB sau tách quang. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
14. Hệ Thống TTQ Số ƒ Quỹ thời gian (tt) • Thời gian lên của sợi quang Tfiber được tính theo công thức: 2 2 2 Tfiber = Tmod e + Tchr Trong đó » T mode là tán sắc mode 2 Sợi SI:Tmod e ≈ (n1Δ / c) L ; Sợi GI: Tmod e ≈ (n1Δ /8c)L T ≈ M Lσ » Tchr là tán sắc màu trong sợi quang chr 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). GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
15. 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 bướcsóngc sóng 1,3 µm đượcthic thiếtkt 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 rộngpg phổ của nguồn qgquang là σλ = 3nm, hệ 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 của hệ thống bằng Tr = 0,524 ns. Nhận xét: hệ thống này 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 động được. Nếu mãRZã RZ được yêu cầu trước, ngườithii thiếttk kế phải 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 lớnhn hơn ở cùng m ộttt tốc độ bit. GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
16. 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 / Bộ giảiimã mã / Mạch định dạng tín hiệu Giải điều chế Thành phần điện Điều chế Bộ khuếch đại Môi trường Nguồn quang Bộ tách sóng quang truyền dẫn: quang Đầu phát Thành phần quang Đầu thu GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
17. 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 khu ếch đại để kích ho ạt động cho ngu ồn 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 đổiitr trở lại thành tín hi ệu điệnbn bằng b ộ tách sóng quang (optical detector) được đặt ở ngõ vào của thiết bị thu. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại trước khi đưa qua bộ giảiiã(dd)hb mã (decoder) hay bộ giải điều chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
18. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM • Ghép kênh theo bước sóng WDM • Ghép kênh sóng mang phụ SCM GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
19. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM ƒ Nhiềutínhiệu quang có tốc độ bit BT chia sẻ cùng tầnsố sóng mang và đượcghéptrongmiền quang để tạochuỗi bit có tốc độ NB, vớiN làsố kênh Cấu trúc bộ phát OTDM dựa trên các sợi dây trễ quang GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
20. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM ƒ Một laser có thể tạorachuỗi xung mộtcáchcóchukỳở tốc độ bằng với tốc độ bit B T củamột kên h. Tuy nhiên, laser sẽ tạo ra các xung có độ rộng Tp sao cho Tp < TB = 1/NBT để đảmbảomỗi xung vừavớivị trí củanóở khe thờigianTB. ƒ Ghép N chuỗibit đượcthựchiệnbằng kỹ thuậtlàmtrễ. Chuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (n- 1)/(NBT), n = 1, 2, , N. Ngõ ra củatấtcả các nhánh đượctổ hợplại để tạotínhiệughép GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
21. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh theo bướcsóngWDM ƒ Ghép kênh theo bướcsónglàthựchiệntruyền nhiều bướcsóng (sóng mang quang) trêncùng mộtsợi quang, mà mỗibướcsóngđược điềuchế từ các chuỗibit (dưới dạng điện) khác nhau Tx 1 1 Tx Tx 2 2 Tx Sợi quang Tx N N Tx Ghép kênh Tách kênh GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
22. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh theo bướcsóngWDM ƒ Giả sử hệ thống này ghép N kênh, mỗikênhcótốc độ bit tương ứng là BT, 1 , BT, 2 , BT, N đượctruyềncùng lúc trên sợi quang có chiềudàiL thìtíchBTL tổng cộng của tuyếnlà: BTL = (BT, 1 + BT, 2 + + BT, N )L ƒ Nếu N kênh này có tốc độ bằng nhau thì dung lượng của hệ thống t ăng lên N l ần GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
23. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh sóng mang phụ SCM ƒ Khái niệmghépkênhsóngmangphụ SCM ở đây là mượntừ trong công nghệ vi ba, nó sử dụng nhiềusóng mang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tầnsố FDM trong miền điện). Băng thông tổng cộng bị giớihạn khoảng 1GHz khi cáp đồng trục đượcsử dụng để truyền nhiềutínhiệu viba. Tuy nhiên, nếutínhiệuvibađược truyền trên sợi quang thì băng thông của tín hiệu có thể dễ dàng vượt qua 10GHz trên mộtsóngmangquang. Cơ chế như vậy đượcgọilàSCM. ƒ Sự kếthợpgiữa SCM và WDM có thể tăng băng thông lên đến1 THz GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 23 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
24. Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh • Ghép kênh sóng mang phụ SCM Sơ đồ minh họa ghép kênh sóng mang phụ. Nhiều sóng mang phụ viba (SC) được điều chế, và tín hiệu ghép trong miền điện đượcsc sử dụng để điềuchu chế quang ở bộ phát (Tx) GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP www.ptit.edu.vn Trang 24 BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2