Tải bản đầy đủ (.pdf) (24 trang)

Bài giảng kỹ thuật thông tin quang chương 5 hệ thống thông tin quang

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (412.16 KB, 24 trang )

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

I
GIẢ
NG

I

GIẢ
NG
KỸ
THU

T THÔNG TIN QUANG
KỸ

THU

T

THÔNG

TIN

QUANG
Fundamental of Optical Fiber Communications
Giảng viên: Th.S Đỗ Văn Việt Em - Th.S Phạm Quốc Hợp
B

môn: Thôn
g


Tin
Q
uan
g
–Khoa Vi

n thôn
g
2

gQg
g
Email: ,
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 5
H

TH

NG THÔNG TIN QUANG
H


TH

NG

THÔNG

TIN


QUANG
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 5

Hệ thống TTQ số
Hệ

thống

TTQ

số
• Hệ thống TTQ tương tự

Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh

Các

kỹ

thuật

truyền

dẫn


đa

kênh
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 3
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm
 Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của
hệ hố hô i
hệ
t
hố
ng t

ng t
i
n quang
 Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này
đếnmộtnơikhácmột cách chính xác nhấtcóthể được
đến

một

nơi

khác

một


cách

chính

xác

nhất



thể

được
 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
 Cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 4
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm (tt)
 Bù suy hao định kỳ bằng cách: (a) sử dụng các trạm tái
à(b) ử d kh ế h đ i
tạo v
à

(b)

s


d
ụng
kh
u
ế
c
h

đ

i
quang.
Bộ thuTrạm tái tạoBộ phát Trạm tái tạo
RxRx TxTx Rx Tx
(
a
)
(
a
)
Bộ thuBộ khuếch đạiBộ phát Bộ khuếch đại
RxTx
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 5
(b)

Hệ Thống TTQ Số
• Yêu cầu của hệ thống là tốc độ bit B
T
và khoảng
cách truyền dẫn L. Tiêu chuẩn chất lượng được xác
đị hhô ỉ lệ bi lỗi BER h ờ iá ị iê
đị
n
h
t

n
g
qua t


lệ

bi
t
lỗi

BER
, t
h
ư

n
g


giá
tr

t

u
biểu là BER < 10
-9
M

t


đề
tthi
ế
tk
ế
h

th

TTQ

M

t
s

v


n
đề

t
ron
g

thi
ế
t

k
ế

h


th

n
g

TTQ
 Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ

Ảnh hưởng củatánsắc đếnhệ thống TTQ

Ảnh


hưởng

của

tán

sắc

đến

hệ

thống

TTQ
 Quỹ công suất quang

Quỹ thờigianlên
Quỹ

thời

gian

lên
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 6
Hệ Thống TTQ Số

 Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ
• khoảng cách truyền dẫn lớn nhất được giới hạn bởi
ó








=
r
t
f
P
P
a
L
10
log
10
T
rong đ
ó
:
» P
t
(mW) là công suất phát trung bình của Tx
» P

r
(mW) là độ nhạy máy thu hoạt động ở tốc độ bit B
T
» (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
thô ti thự tế ự lự h bướ ólự h á
f
a
thô
ng
ti
n quang
thự
c
tế
: s


lự
a c
h
ọn
bướ
c s
ó
ng,
lự
a c
h

ọn m
á
y
phát, máy thu thích hợp và sợi quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 7
Hệ Thống TTQ Số
 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ
• Tán sắc sợi quang làm giới hạn đại lượng tích B
T
L
• Đối với sợi đa mode SI: B
T
L = C/(2n
1
Δ)
• Đối với sợi đa mode GI: B
T
L = 2C/(n
1
Δ
2
)
• Đối với sợi đơn mode:
– Ở vùng 1310nm: có tán sắc nhỏ nhất, độ lớn tán sắc chủ yếu phụ

thuộc vào độ rộng ph


ngu

n quang.
T
ích
B
T
L bị giới hạn như sau:
khi |M|
2
/k tá ắ iớih B
L ≤
125
(Gb/ ) k
(
)
1
4


λ
σ
MLB
T
»
khi

|M|
σ
λ

=
2
ps
/k
m,

n s

c g
iới

h
ạn
B
T
L



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 đ


bit cao hơn

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 8
Hệ Thống TTQ Số
 Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (tt)
– Ở vùng 1550nm:
»

suy hao
nhỏ
nh

t.
»



suy

hao

nhỏ

nh

t.

» Tán sắc là vấn đề lớn. Cần sử dụng các laser bán dẫn đơn
mode để khắc phục vấn đề này.
» B


g
iới h

n bởi tán sắc khi
B
T
> 5Gb
/
s.
V
í d

: với M = 16
ị g ạ
T
/

ps/(nm.km) và σ
λ
= 0,1 nm, ta có B
T
L ≤ 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


1550
(
óthể h t độ ở tố đ

20
Gb/ ớikh ả
s


1550
nm
(
c
ó

thể

h
oạ
t

độ
ng


tố
c
đ



20

Gb/
s v
ới

kh
o

ng
khuếch đại khoảng 80 km)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 9
Hệ Thống TTQ Số
 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)Khoảng
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 10
Hệ Thống TTQ Số
 Quỹ công suất
• Mục đích của quỹ công suất là bảo đảm công suất đến máy thu
đủ lớn để duy trì hoạt động tin cậytrongsuốtthờigiansống
đủ

lớn


để

duy

trì

hoạt

động

tin

cậy

trong

suốt

thời

gian

sống

của hệ thống.
• Quỹ công suất thường được tính theo đơn vị decibel (dB)
Trong đó:
P
(

dB
)

ô

t

tS(dB )làđộ h ủ áth
sLt
MASP
+
+
=
spliceconfL
L
A
α
α
α
+
+
=
»
P
t

(
dB
m
)



c
ô
ng su

t
p

t
;
S

(dB
m
)



độ
n
h
ạy c

a m
á
y
th
u
» A

L
(dB) là suy hao kênh tổng cộng
» M
S
(dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB
à
là há tà háốihà
» α
con
v
à

α
splice

suy
h
ao c
á
c connec
t
or v
à
suy
h
ao c
á
c m
ối



n
dọc theo tuyến sợi quang (dB); α
f
là suy hao trung bình của
sợi quang (dB/km)


mkhoảng cách truyềnlớnnhấtvớicáclinhkiệnchotrước


m

khoảng

cách

truyền

lớn

nhất

với

các

linh

kiện


cho

trước
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 11
Hệ Thống TTQ Số
 Quỹ thời gian
• Mục đích của quỹ của thời gian lên là bảo đảm rằng hệ thống có
khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn
khả

năng

hoạt

động

đúng



tốc

độ

bit


mong

muốn
• Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ:
2/12222
)
(
T
T
T
T
+
+
=
» Trong đó T
tr
, T
fiber
và T
rec
là các thời gian lên tương ứng với
áhátợiàáth
)
(
rec
f
ibe
r
t

r
r
T
T
T
T
+
+
=
m
á
y p
hát
, s
ợi
quang v
à
m
á
y
th
u
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 12
Hệ Thống TTQ Số
 Quỹ thời gian (tt)
• Thời gian lên của máy phát T
tr

được xác định chủ yếu bởi các
thành phần điệntử củamạch điềukhiểnvàcácphầntử ký sinh
thành

phần

điện

tử

của

mạch

điều

khiển



các

phần

tử



sinh


điện liên quan đến nguồn quang. Thường T
tr
khoảng vài nano
giây đối với máy phát sử dụng LED, nhưng có thể nhỏ hơn 0.1
ns đối với má
y

p
hát sử d

n
g
laser.
yp ụ g
• Thời gian lên của máy thu T
rec
được xác định chủ yếu bởi dải
thông điện 3 dB sau tách quang.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 13
Hệ Thống TTQ Số
 Quỹ thời gian (tt)
• Thời gian lên của sợi quang T
fiber
được tính theo công thức:
ó
22
mod

2
chrefiber
TTT +=
T
rong đ
ó
» T
mode
là tán sắc mode
L
T
)
/
(
Δ
L
T
)
8
/
(
2
Δ
Sợi SI: ; Sợi GI:
» T
chr
là tán sắc màu trong sợi quang
L
cn
T

e
)
/
(
1mod
Δ

L
cn
T
e
)
8
/
(
2
1mod
Δ

λ
σ
LMT
chr

» Đối với sợi đơn mode T
mode
= 0 và T
fiber
= T
chr

.
σ
λ
là độ rộng phổ của nguồn quang (độ rộng nửa công suất).
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 14
Hệ Thống TTQ Số
 Quỹ thời gian (tt)
• Ta xét một ví dụ minh họa quỹ thời gian lên. Xét hệ thống hoạt
động ở bướcsóng
1
,
3
µm đượcthiếtkế để hoạt động ở tốc độ
1
động



bước

sóng

1
,
3

µm


được

thiết

kế

để

hoạt

động



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 T
tr
= 0,25 ns và
T
rec
= 0
,
35 ns. Đ


r

n
g

p
hổ của n
g
uồn
q
uan
g

σ
λ
= 3nm
,
h

số
rec
,
ộ ộ gp g qg
λ

,

tán sắc màu là 2ps/(nm.km) tại bước sóng công tác. Tính được
T

chr
= 0,3 ns cho chiều dài tuyến L = 50 km. Tán sắc mode
trong sợi đơn mode T
mode
= 0. Suy ra T
fiber
= 0,3 ns. Thời gian
ê ủ ệ ố ằ

é
ệ ố à
l
ê
n c

a h

th

ng b

ng
T
r
= 0,524 ns. Nh

n x
é
t: h


th

ng n
à
y
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
độ đượ Nế ãRZđượ ê ầ t ướ ườithiếtkế hải
độ
ng
đượ
c.
Nế
u m
ã

RZ

đượ
c y
ê
u c

u
t
r
ướ
c, ng
ười


thiết

kế
p
hải

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
lớnhơn ở cùng mộttốc độ bit
lớn

hơn



cùng

một

tốc

độ

bit
.
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 15
Hệ Thống TTQ Tương Tự

• Cấu trúc nguyên lý hệ thống thông tin quang tổng
quát cho truyền dẫn số hoặc analog
Bộ mã hóa
/
Bộ giảimã
/
Thông tin vào Thông tin ra
Bộ



hóa

/

Mạch định dạng tín hiệu
Bộ

giải



/
Giải điều chế
Thành phần điện
Điều chế Bộ khuếch đại
Nguồn quang
Môi trường
truyền dẫn: quang
Bộ tách sóng quang

Đầu phát Thành phần quang Đầu thu
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 16
Hệ Thống TTQ Tương Tự
 Phía đầu phát: bộ mã hoá (encoder) hoặc bộ định dạng
tín hiệu (signal shaping) trước khi đưa qua tầng điều chế
hay khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn quang
hay

khuếch

đại

để

kích

hoạt

động

cho

nguồn

quang

(optical source).

 Sợi quang: đóng vai trò môi trường truyền dẫn của hệ
thống.
 Phía đầu thu: ánh sáng đến đầu bên kia của sợi quang
được chuyển đổitrở lại thành tín hiệu điệnbằng bộ tách
được

chuyển

đổi

trở

lại

thành

tín

hiệu

điện

bằng

bộ

tách

sóng quang (optical detector) được đặt ở ngõ vào của
thiết bị thu. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại

ớ khi đ bộ iảiã(d d)h bộ iải điề
trư

c
khi

đ
ưa qua
bộ
g
iải
m
ã

(d
eco
d
er
)

h
ay
bộ
g
iải

điề
u
chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Trang 17
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
• Ghép kênh theo bước sóng WDM
• Ghép kênh sóng mang phụ SCM
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 18
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
 Nhiềutínhiệu quang có tốc độ bit B
T
chia sẻ cùng tầnsố
ó
à
đ

iề
để
h ỗi
s
ó
ng mang v
à
đ
ượcg


ptrongm
iề
n quang
để
tạoc
h
u
ỗi
bit có tốc độ NB, vớiN làsố kênh
Cấu
trúc
bộ
phát
OTDM
dựa
trên
các
sợi
dây
trễ
quang
Cấu
trúc
bộ
phát
OTDM

dựa
trên
các

sợi
dây
trễ
quang
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 19
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
 Một laser có thể tạorachuỗi xung mộtcáchcóchukỳở

độ
bằ
ới

độ
bi B


kê h
T
hiê
t

c
độ
bằ
ng v
ới

t

c
độ
bi
t
B
T
c

am

t

n
h
.
T
uy n
hiê
n,
laser sẽ tạo ra các xung có độ rộng T
p
sao cho T
p
< T
B
=
1
/

NB
T
đ

đảmbảomỗi xun
g
vừavớiv

trí củanóở khe
/
T
g

thờigianT
B
.
 Ghép N chuỗibit đượcthựchiệnbằng kỹ thuậtlàmtrễ.
Chuỗi
bit
của
nhánh
thứ
n
được
làm
trễ
một
lượng
(n
Chuỗi

bit

của
nhánh
thứ
n

được
làm
trễ
một
lượng
(n
-
1)/(NB
T
), n = 1, 2, …, N. Ngõ ra củatấtcả các nhánh
đượctổ hợplại để tạotínhiệughép
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 20
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh theo bướcsóngWDM
 Ghép kênh theo bướcsónglàthựchiệntruyền nhiều
b ớ
ó
(
ó
)

ê
ù

i
b
ư

cs
ó
ng
(
s
ó
ng mang quang
)
tr
ê
nc
ù
ng m

tsợ
i
quang,
mà mỗibướcsóngđược điềuchế từ các chuỗibit (dưới
d

n
g
đi


n
)
khác nhau
ạ g

)
Tx
1
Tx
1
Tx
2
Tx
2
Sợi quang
Tx
N
Tx
N
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 21
Ghép kênh Tách kênh
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh theo bướcsóngWDM
 Giả sử hệ thống này ghép N kênh, mỗikênhcótốc độ
bi



B
B
B
đ

ù

bi
t tương

ng

B
T, 1
,
B
T, 2
, …
B
T, N
đ
ượctruy

nc
ù
ng

c
trên sợi quang có chiềudàiL thìtíchB

T
L tổng cộng của
tu
y
ếnlà:
y
B
T
L = (B
T, 1
+ B
T, 2
+… + B
T, N
)L
 Nếu N kênh này có tốc độ bằng nhau thì dung lượng của
hệ thống tăng lên N lần
hệ

thống

tăng

lên

N

lần
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP

BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 22
Các kỹ thuậttruyềndẫn đakênh
• Ghép kênh sóng mang phụ SCM
 Khái niệmghépkênhsóngmangphụ SCM ở đây là

ô
hệ
i
b
ó

d
hiề
ó
mượnt

trong c
ô
ng ng
hệ
v
i

b
a, n
ó
s

d

ụng n
hiề
us
ó
ng
mang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tầnsố
FDM tron
g
miền đi

n
)
. Băn
g
thôn
g
tổn
g
c

n
g
b

g
iớih

n
g


)
g
g
g
ộ g

g

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

thể
truyền
trên
sợi
quang
thì
băng
thông
của

tín
hiệu

thể
dễ dàng vượt qua 10GHz trên mộtsóngmangquang. Cơ
chế như vậy đượcgọilàSCM.

 Sự kếthợpgiữa SCM và WDM có th

tăng băng thông
lên đến1 THz
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 23
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
đượcsử dụng để điềuchế quang ở bộ phát (Tx)
được

sử

dụng

để

điều


chế

quang



bộ

phát

(Tx)
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂNVIỆTEM-PHẠMQUỐCHỢP
BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄNTHÔNG2
Trang 24

×