Tài liệu Luận văn: Tính toán thiết kế tuyến cáp quang theo quỹ công suất và thời gian lên trong hệ thống thông tin quang docx

Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
Khoa Điện Tử - Tin Học
Khoa Điện Tử - Tin Học
Đề Tài :
Đề Tài :


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN CÁP QUANG THEO QUỸ CÔNG SUẤT
VÀ THỜI GIAN LÊN
VÀ THỜI GIAN LÊN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG


Người Thực Hiện
Người Thực Hiện
:
:


Lê Hoàng Khải
Lê Hoàng Khải


Hoàng Đình Long

Hoàng Đình Long


GVHD
GVHD
:
:


ThS
ThS
Tống Thanh Nhân
Tống Thanh Nhân




Tp HCM 2009
Tp HCM 2009

Nội Dung Đồ Án
Nội Dung Đồ Án
PHẦN I

Tổng Quang Về Hệ Thống Thông Tin Quang

Sợi Quang Và Cáp Quang

Thiết Bị Phát Và Thu Quang


Kỹ Thuật Ghép Kênh Phân Chia Theo Thời Gian
PHẦN II

Tính Toán Thiết Kế Tuyến Cáp Quang Theo Quỹ Công Suất
Và Thời Gian Lên
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Chương I
Chương I
Đặc Điểm Của Hệ Thống Thông Tin
Đặc Điểm Của Hệ Thống Thông Tin
Sợi Quang
Sợi Quang

Suy Hao Truyền Dẫn Rất Nhỏ

Băng Tần Truyền Dẫn Rất Lớn

Không Bị Ảnh Hưởng Của Nhiễu Điện Từ

Có Tính Bảo Mật Tốt

Có Kích Thước Và Trọng Tải Nhỏ

Sợi Có Tính Cách Điện Tốt Và Được Chế Tạo Từ Vật Liệu Có
Sẵn
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Cấu Hình Của Hệ Thông Thông Tin
Cấu Hình Của Hệ Thông Thông Tin
Quang
Quang
Mã
hóa
Giải
Mã
Phát
Thu
Sợi
quang
Thiết
bị
phát
quang
Sợi

quang
Bộ
Lặp
Thiết
bị thu
quang
Hình 1.2: Cấu hình của hệ thống thông tin
quang.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Chương II

Chương II
Sợi Quang Và Cáp Quang
Sợi Quang Và Cáp Quang
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long
Tia khúc xạ
Tia phản xạTia tới
Môi trường 2: n2
Môi trường 1: n1
1’
1’’1
2
2’
3 3’
β
α
T
α
Hình 2.1: Sự khúc xạ và phản xạ ánh sáng
Click vào Đây

Sự Truyền Ánh Sáng Trong Sợi Quang
Sự Truyền Ánh Sáng Trong Sợi Quang
Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, người ta chế tạo sợi quang
gồm 1 lõi bằng thủy tinh có chiết suất n
1
và 1 lớp bọc bằng thủy tinh
có chiết suất n
2
.Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn

phần trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp bọc do đó ánh sáng được
truyền đi xa.
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Cấu Trúc Tổng Thể Của Sợi Quang
Cấu Trúc Tổng Thể Của Sợi Quang
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Phân Loại Sợi Quang
Phân Loại Sợi Quang

Phân Loại Theo Vật Liệu Điện Môi

Sợi Quang Thạch Anh

Sợi Quang Thủy Tinh Đa Vật Liệu

Sợi Quang Bằng Nhựa

Phân Loại Theo Mode Truyền Dẫn

Sợi Quang Đơn Mode

Sợi Quang Đa Mode

Phân Loại Theo Phân Bố Chiết Suất Khúc Xạ

Sợi Quang Chiết Suất Phân Bậc


Sợi Quang Chiết Suất Biến Đổi Đều

Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Suy Hao Trong sợi Dẫn Quang
Suy Hao Trong sợi Dẫn Quang

Suy Hao Do Hấp Thụ

Hấp Thụ Vật Liệu

Hấp Thụ Điện Tử

Suy Hao Do Tán Xạ

Suy Hao Do Uốn Cong Sợi

Suy Hao Lớp Vỏ Và Lõi

Suy Hao Do Tán Sắc
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Suy Hao Do Hấp Thụ
Suy Hao Do Hấp Thụ

Hấp Thụ Do Tạp Chất
Trong thủy tinh, các tạp chất như nước và các ion kim loại

chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion sắt,
crom, đồng và các ion OH

Hấp Thụ Vật Liệu
Ở bước sóng dài thì sẽ suy hao nhỏ nhưng các liên kết nguyên
tử lại có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước
sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu

Hấp Thụ Điện Tử
Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon
kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng
lượng cao hơn
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Suy Hao Do Tán Xạ
Suy Hao Do Tán Xạ

Suy hao do tán xạ trong sợi dẫn quang là do tính không đồng
đều rất nhỏ của lõi sợi gây ra. Đó là do những thay đổi rất nhỏ
trong vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các
khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi.

Hệ Số Suy Hao :


n : Chỉ số chiết suất
k
B
: Hằng số Boltzman

β
T
: Hệ số đẳng nhiệt của vật liệu
T
f
: Nhiệt độ hư cấu
TfBscat
Tkn
βα
λ
π
22
3
8
)1(
4
3
−=
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
Thực Hiện : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Suy Hao Do Uốn Cong Sợi
Suy Hao Do Uốn Cong Sợi
•
Suy hao do uốn cong sợi : là suy hao ngoài bản
chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị
uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng
phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng
lan truyền trong lõi sợi đã bị suy hao. Có 2 loại uốn
cong :


Uốn cong vĩ mô : là uốn cong có bán kính uốn cong
lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi.

Uốn cong vi mô : là sợi bị cong nhỏ 1 cách ngẫu
nhiên và thường bị sảy ra trong lúc sợi được bọc
thành cáp
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Suy Hao Do Tán Sắc
Suy Hao Do Tán Sắc
Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu analog và làm
xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital. Sự tán sắc
làm hạn chế dải thông của đường truyền dẫn quang.
Các nguyên nhân gây ra tán sắc :

Tán Sắc Mode : Do năng lượng ánh sáng phân tán thành
nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau
nên thời gian truyền khác nhau

Tán Sắc Thể : Do tín hiệu quang truyền trên sợi không phải là
đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước
sóng lại có vận tốc truyền khác nhau nên thời gian truyền cũng
khác nhau

Tán Sắc Chất Liệu : Chiết suất của thủy tinh thay đổi theo
bước sóng nên vận tốc truyền của ánh sáng có bước sóng khác
nhau cũng khác nhau

Chương III
Chương III
Thiết Bị Thu Và Phát Quang
Thiết Bị Thu Và Phát Quang

Linh Kiện Phát Quang

Diode Phát Quang ( LED )

Laser Diode ( LD )

Linh Kiện Thu Quang

Photodiode PIN

Photodiode APD
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Cơ Chế Phát Xạ Ánh Sáng
Cơ Chế Phát Xạ Ánh Sáng
H3.1 Mức Năng Lượng Và Quá Trình Chuyển Dịch
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Sơ Đồ Phát Quang Của Laser Diode
Sơ Đồ Phát Quang Của Laser Diode
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Cấu Trúc Cơ Bản Và Sơ Đồ Vùng
Cấu Trúc Cơ Bản Và Sơ Đồ Vùng
Năng Lượng Của Photodiode PIN
Năng Lượng Của Photodiode PIN
Thiên áp
Điện tử
Vùng nghèo
Vùng hoá trị
Vùng dẫn
Vùng
cấm
P
nn
P
n
i
Lỗ trống
Điện tửLỗ trống
hv >E
Photon
Trở
tải
I
P
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Cấu Trúc Cơ Bản Và Sơ Đồ Vùng
Cấu Trúc Cơ Bản Và Sơ Đồ Vùng
Năng Lượng Của Photodiode APD

Năng Lượng Của Photodiode APD
p
n
p
i
Vùng thác
Trường điện
Vùng nghèo
Trường tối thiểu cần
thiết để tác động ion hoá
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Sơ Đồ Khối Điển Hình Của Thu Quang
Sơ Đồ Khối Điển Hình Của Thu Quang
Trong Truyền Dẫn Số
Trong Truyền Dẫn Số
Photodetector
Đồng hồ
Tín hiệu ra
Khuếch đại Bộ cân bằng Bộ lọc
Trích thời
gian
Mạch
quyết định
Tín hiệu vào
Tầng khuếch đại
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Chương IV
Chương IV
Kỹ Thuật Ghép Kênh Phân Chia
Kỹ Thuật Ghép Kênh Phân Chia
Theo Thời Gian
Theo Thời Gian
Nguồn

phát
Khuyêch
đại quang
(EDFA)
Bộ chia
quang
Bộ điều chế
Bộ điều chế
Bộ điều chế
Bộ điều chế
Bộ
ghép
quang

Khuyêch
đại quang
Bộ
tách
kênh
Kênh1
Kênh4
Khối phát

Blọck
Trễ quang
Sợi
dẫn
quang
Tín hi uệ
Sơ Đồ Ghép 4 Kênh Quang OTDM
Note : OTDM = Optical Time Division Multiplexing
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Chương V
Chương V
Tính Toán Thiết Kế Tuyến Cáp
Tính Toán Thiết Kế Tuyến Cáp
Quang Theo Quỹ Công Suất Và
Quang Theo Quỹ Công Suất Và
Thời Gian Lên
Thời Gian Lên

Mục Đích Của việc Thiết Kế Là Phải Đạt Được Các
Yêu Cầu Sau :

Cự Ly Truyền Dẫn Theo Yêu Cầu

Tốc Độ Truyền Dẫn

Tỷ Số Lỗi Bit BER

Để Đảm Bảo Cho Việc Thiết Kế Đạt Được Các Yêu

Cầu Đó Cần Phải Chọn Các Thành Phần Của Tuyến :

Sợi Quang Đơn Mode Hay Đa Mode

Kích Thước Lõi Sợi

Chỉ Số Chiết Suất Mặt Cắt Lõi
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long


Băng Tần Hoặc Tán Sắc

Suy Hao Của Sợi

Khẩu Độ Hay Bán Kính Trường Mode

Nguồn Phát Là LD Hay LED

Bước Sóng Phát

Độ Rộng Phổ

Công Suất Phát

Vùng Phát Xạ Có Hiệu Quả

Thiết Bị Thu Quang Sử Dụng PIN Hay APD

Hệ Số Biến Đổi


Bước Sóng Làm Việc

Tốc Độ Làm Việc

Độ Nhạy Thu
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

Tỷ Số Lỗi Bit ( BER )
Tỷ Số Lỗi Bit ( BER )
10 10
-2
10
-3
10
-7
10
-6
10
-5
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10

-12
10
-4
BER = ½ erfc(Q)
1
2
3
4
5
6
7
5
10
15
20
23
Q =
N
S
2
1
S/N (dB)
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long

B
Nhập các thông số của tuyến :
-Tốc độ bit
-Loại mã truyền dẫn
-Số mối hàn

- Số conector
- Bước sóng làm việc của tuyến
-Chiều dài của tuyến

Nhập loại linh kiện
-công suất của nguồn
phát:LED,LD,LDDM
Tính T
S
Tạo các tổ hợp từ linh kiện
Tính T
th
B
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long
QUÁ TRÌNH
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Không có tổ
hợp nào thỏa
mãn yêu cầu
Tính P
r
?
Điều kiện về công
suất :P
r
>MPD
Kết thúc
Y

Tăng công
suất phát
Tính BER_th?
A
Điều kiện về
BER_th<BER
o
Xuất tổ hợp thỏa mãn
yêu cầu kỹ thuật
Kết thúc
Y
Tăng công
suất phát
N
A
N
ĐK về thời gian
lên:T
th
<T
s
B
N
Y
Đồ Án Tốt Nghiệp GVHD: ThS Tống Thanh Nhân
SVTH : Lê Hoàng Khải Hoàng Đình Long
QUÁ TRÌNH
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ