Thiết kế, thi công, kiểm tra tuyến thông tin cáp quang

LỜĨ NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển chung của nhân loại thì trong lĩnh vực thông tin cũng có
những bước phát triến mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu của cuộc sống ngày nay . Các
hệ thống thông tin truyền thống như thông tin vô tuyến , thông tin hữu tuyến ngày
càng có những biến đối cả về chất lẫn lượng . Nhu cầu thực tế yêu cầu các hệ thống
truyền dẫn thông tin phải có dung lượng lớn , tốc độ truyền tin rất cao mà các hệ
thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến không đáp ứng được . Một trong những bước
phát triến mang tính nhảy bậc trong lĩnh vực thông tin là việc sử dụng ánh sáng , sóng
điện tù' vùng bước sóng rất nhỏ ( ịim ) - vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại đế
truyền tải thông tin , từ đó công nghệ thông tin quang ra đời . Các hệ thống thông tin
quang được nghiên cứu , phát triển và ngày càng đựơc ứng dụng rộng rãi trong thực
tiễn .
Trong hệ thống thông tin quang tín hiệu được truyền dẫn dưới dạng ánh sáng ,
môi trường truyền dẫn là sợi quang . Cáp quang ngày càng được nhiều nước sử dụng
làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình , nó là một phương tiện truyền dẫn tốt
trong thời bình cũng như trong thời chiến . Nó đóng vai trò đa năng trong truyền dẫn
mọi dịch vụ viễn thông chất lượng cao , đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu , phục
vụ hội nghị truyền hình , truy cập dữ liệu tù' xa , truyền dẫn các tập thông tin đa
phương tiện ...Cáp quang sẽ dần thay thế các dây dẫn kim loại cồng kềnh và tốn kém
bằng nhiều phương pháp : chôn dưới đất , treo và mắc theo cột điện ... nó sẽ được
triển khai đến từng người sử dụng , giúp cho việc liên kết mọi người với nhau . Cùng
với sự phát triến của khoa học và công nghệ , chất lượng truyền dẫn củ các hệ thống
thông tin ngày càng được nâng lên theo hướng tăng tốc độ truyền dẫn B , cự ly truyền
dẫn L , tăng độ tin cậy ( giảm tỷ số lồi bit BER), giảm chi phí dịch vụ và giá thành
đầu tư ban đầu .
ơ Việt Nam ta trong những năm qua Tống cục Bưu điện đã thực hiện chủ trương
cáp quang hoá mạng lưới thông tin quốc gia và các mạng thông tin nội hạt .Nhiều hệ


thống thông tin cáp quang đang được xây dựng và khia thác có hiệu quả phục vụ cho
mục đích quân sự nói riêng và góp phần vào phát triển kinh tế nói chung . Nhu cầu

tìm hiếu , phát triến và ứng dụng hệ thống thông tin quang ở nước ta ngày càng lớn .
Trên CO' sở đó tôi chọn đề tài : “Thiết kế, thi công , kiểm tra tuyến thông tin cáp
quang.” làm đồ án tốt nghiệp . Tôi chọn phương pháp thực hiện đề tài là nghiên cứu
lý thuyết , tống hợp các kiến thức liên quan , trên cơ sở đó thiết kế một tuyến thông
tin cáp quang , thực tế là tuyến Vinh - Đà Nẵng . Đây là một tuyến quan trọng trong
trục thông tin dọc miền Trung của đất nước . Ngoài phần mở đầu và kết luận , đồ án
gồm hai chương :
- Chương I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang .
- Chương II : Thiết kế , thi công , kiểm tra tuyến thông tin cáp quang đã được
thiết kế .


CHƯƠNG l:TổNG QUAN VỂ HỆ THốNG TIN QUANG
1.1
l.l.l.

. So’ lưọc về lịch sử phát triển của thông tin quang .
Lịch sử phát triển của thông tin quang .

Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người
qua đôi mắt về sự vật hiện tượng . Từ xa xưa , con người đã biết dùng lửa khói đế
truyền thông tin như đèn hiệu , đèn hải đăng ... Năm 1971 , v.c . Chappe phát minh ra
máy điện báo quang sử dụng khí quyến làm môi trường truyền dẫn , cũng như các
phương tiện thông tin trước nó phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thời tiết, khoảng cách
truyền dẫn không lớn , tốc độ thấp ( < 1 bit/s ). Năm 1880 , A.G.Bell phát minh ra
máy điện thoại và đã nghĩ tới một thiết bị quang thoại có khae năng biến đối từ tín
hiệu âm thanh thành tín hiệu ánh sáng . Ý tưởng này chưa được triển khai trên thực tế
và sự phát triển tiếp của thông tin quang bị chững lại do sự ra đời và phát triến của
các hệ thống thông tin vô tuyến
Nửa sau thế kỷ 20 , thông tin quang được nghiên cứu và nhờ sự ra đời của Laze

( 1958 ) , việc đi tìm môi trường truyền dẫn tốt hơn bầu khí quyển là sợi quang đã tạo
bước đột phá mới trong việc phát triển và ứng dụng thông tin quang vào cuộc sống .
Trong vòng 20 năm ( 1974 -ỉ- 1992 ) thông tin quang đã có phát triển vượt bậc
-

Thế hệ đầu tiên của thông tin quang sợi được triến khai vào năm 1978 , làm
việc ở bước sóng 0,85 pm , tốc độ truyền tin vào khoảng 50 -ỉ- 100 Mb/s ,
khoảng lặp đạt 10 Km , tổn hao sợi quang as= 20 dB/s .

-

Thế hệ thông tin quang thứ hai bắt đầu triển khai vào đầu những năm 1980 ,
bước sóng làm việc 1,3 pm , khoảng lặp 20 Km , tốc độ truyên tin mới đạt 100
Mb/s do hiệu ứng tán sắc trên sợi quang đa mode . Điểm hạn chế trên đã được
khắc phục nhò' sử dụng sợi quang đơn mode . Năm 1987 thế hệ thông tin quang
1,3 pm thứ hai có tốc độ 1,7 Gb/s , khoảng lặp 50 Km đã được đưa vào sử dụng
. Khoảng lặp của thế hệ này bị giới hạn bởi tổn hao sợi quang tại bước sóng 1,3
pm ( as= 0,5 dB/Km).


-

Năm 1990 thế hệ thông tin thứ ba của thông tin quang được đưa vào khai thác ,
bước sóng công tác là 1,55 pm , a s= 0,2 dB/Km , tốc độ truyền tin 2,4 Gb/s và
khoảng lặp đạt 100 Km

-

Thế hệ thứ tư của thông tin quang liên quan tới việc tăng tốc độ truyền tin nhờ
ghép kênh theo tần số và tăng khoảng lặp nhờ dùng các bộ khuếch đại quang .

Năm 1990 các bộ khuếch đại quang xuất hiện , bắt đầu một cuộc cách mạng
trong lĩnh vực thông tin quang . Hệ thống thông tin quang kết hợp ( Coherent)
ra đời và phát triến . Trong phòng thí nghiệm , người ta đã thành công khi
truyền tin ở tốc độ 2,4 Gb/s xa hơn 21.000 Km và truyền tin ở tốc độ 5 Gb/s xa
hơn 14.300 Km .

-

Thế hệ thứ năm của thông tin quang đã đang trong giai đoạn nghiên cứu và
hoàn thiện trong phòng thí nghiệm dựa trên việc duy trì hình dạng xung quanh
trong quá trình truyền trong sợi quang không tổn hao nhờ hiệu ứng tán sắc bằng
sợi quang phi tuyến . Năm 1988 người ta đã chứng minh được tính khả thi của
đường truyền số liệu vượt 4.000 Km bằng cách bù tốn hao sợi quang nhò' tán
xạ kích thích Raman . Một số hệ thống truyền dẫn thí nghiệm đã vượt khoảng
cách 1.000 Km với tốc độ truyền tin 10 Gb/s và vượt khoảng cách 350 Km với
tốc độ 20 Gb/s .

1.1.2.

XU hưóng phát triến của thông tin quang trong tưong lai.

Mặc dù đã đạt được những thành tựu đáng kể , kỹ thuật thông tin quang vẫn phát
triển với tốc độ nhanh theo hướng hoàn thiện kỳ thuật truyền dẫn , chuyển mạch , xử
lý tín hiệu quang nhằm tăng dung lượng truyền dẫn và tăng khoảng lặp . Các xu
hướng phát triển của thông tin quang trong thời gian tới có thể là :
-

Sử dụng kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng WDM khi nhu cầu truyền
dần tăng vượt quá số lượng đường thông tin hiện có .

- Phát triển sợi quang bằng vật liệu mới như sợi Flor thay cho vật liệu truyền
thống Silic , Suy hao của loại sợi này rất thấp ( < 0,01 dB/Km ) nên cự ly trạm
lặp có thê đạt hàng ngàn Km .


- Phát triển vi mạch quang tích họp và quang điện tủ’ tích hợp DEIC . Phương
pháp này kết họp xử lý tín hiệu quang và tín hiệu điện trên cùng một chip tù’ đó
tăng khả năng và tốc độ xử lý tín hiệu .
- Phát triển hoàn thiện các bộ khuếch đại quang làm nhiệm vụ các trạm lặp , các
trạm lặp của thông tin quang hiện nay phải biến đối tín hiệu quang sang tín hiệu
điện rồi khuếch đại, phục hồi tín hiệu điện xong mới biến đối sang tín hiệu
quang truyền đi . Các bộ khuếch đại quang được dùng làm khối tiền khuếch đại
máy thu làm tăng độ nhạy máy thu và dùng làm khối khuếch đại máy phát.
- Cải tiến các linh kiện thu , phát quang . Linh kiện phát được phát triển theo
hướng : tăng công suất phát, giảm độ rộng phố , tăng giải thông điều chế , giảm
dòng ngường và giảm ảnh hưởng của nhiệt độ . Linh kiện thu phát triển theo
hướng : tăng độ nhạy , tăng dải thông , giảm dòng tối , giảm ảnh hưởng của
điện áp phân cực (đối với diode quang thác ADP ).
1.2.

Hệ thống thông tin quang .

1.2.1. Mô hình hệ thống thông tin quang .

L______________J

L______________J

Hình 1.1. Mô hình hệ thống thông tin quang .
Tín hiệu cần truyền tù’ điện thoại , các thiết bị đầu cuối , fax , máy tính ...được qua

bộ xử lý tín hiệu điện rồi đưa tới bộ biến đôi điện quang ( E/O) , các tín hiệu điện “
1” và “0” (tín hiệu số ) được biến đối thành tín hiệu quang “có” và “không” qua sợi
quang (FO) đế truyền tới đầu kia của hệ thống .Các tín hiệu xung truyền trong sợi
quang bị suy giảm về công suất, bị giãn về độ rộng xung ( méo dạng ) . Tại bộ biến
đối quang điện ở đầu kia của hệ thống thì các tín hiệu quang đuợc biến đối thành tín
hiệu điện tưong ứng ,khôi phục nguyên dạng tín hiệu đã gửi đi rồi qua bộ xử lý tín
hiệu điện đi tới các thiết bị đầu cuối . Các bộ biến đối điện - quang có thế là diot phát


quang LED , diode laze LD ,các bộ biến đổi quang - điện có thể là diode thu quang
PIN , diode quang thác ADP.
Khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì cần thiết phải có thêm các trạm lặp đuờng
dây .Tại đây nó biến đối tín hiệu quang thành tín hiệu điện rồi qua bộ khuếch đại, sửa
dạng và cuối cùng lại biến đối trở lại tín hiệu quang đế tiếp tục truyền trong sợi quang
tới phía thu .
Các hệ thống thông tin quang rất đa dạng . Dựa vào dạng tín hiệu truyền chúng
chia thành hệ thống thông tin quang sọi và tương tự . Dựa theo dạng tách sóng quang
chúng chia thành hệ thống thông tin quang tách sóng trực tiếp và tách sóng đồng bộ .
Dựa trên cấu trúc mạng chia thành ba loại : mạng điếm nối điểm , mạng hình sao ,
mạng phân bố . Hệ thống quang sợi rất thích hợp với việc truyền dẫn tín hiệu số nên
hầu hết các hướng phát triển của hệ thống quang sợi đều tập trung theo hướng này . Ở
phần này ta tìm hiểu về hai hệ thống quang sợi phổ biến hiện nay là :hệ thống quang
sợi số điều chế cường độ , tách sóng trục tiếp (IM/MD) và hệ thống quang sợi số tách
sóng đồng bộ (COHERENT).
1.2.2.

HỆ thống thông tin quang IM/MD

a. So’ đồ khối chức năng của hệ thống IM/MD.
Hệ thống thông tin quang IM/MD sử dụng kỹ thuật điều chế cường độ IM

(inténity) ở máy phát và tách sóng trục tiếp DD (Direct Detection ) ở máy thu . Đây
là hệ thống thông tin quang có kỹ thuật không quá phức tạp , giá thành rẻ nên được
sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta .


I________________________________________________I

Hình 1.2.Sơ đồ chức năng hệ thống thông tin quang ĨM/DD Hệ thống IM/MD gồm bốn
phần lớn : thiết bị đầu cuối phát quang, thiết bị đầu cuối thu quang , sợi quang và trạm
lặp .
b. Thiết bị đầu cuối phát quang .
Có nhiệm vụ nhận tín hiệu vào dạng điện và biến đối thành tín hiệu ra tương ứng
dạng quang truyền vào sợi quang .
-

Bộ ghép kênh điện ( MUX ) : thực hiện ghép kênh tín hiệu số dạng điện kiểu
điều chế xung mã PCM các cấp khác nhau theo cấp số của C.ẦƯ , Bắc Mỹ hay
Nhật Bản thành luồng dữ liệu đi vào bộ mã hoá .

-

Bộ mã hoá (CODES) : biến đổi mã tín hiệu ra bộ kênh thành mã đường truyền
phù họp với môi trường truyền dẫn là sợi quang và thuận tiện cho việc khôi
phục đồng hồ , giám sát ,nâng cao khả năng phát hiện ,sửa chữa lồi của hệ
thống .

-

Bộ kích thích : tạo tín hiệu dòng điện đu lớn đế điều chế cường độ (công suất)
máy phát quang .

-

Nguồn phát quang (E/O) :biến đối tín hiệu điện thành tín hiệu quang .

-

Bộ ghép kênh quang : thực hiện ghép nhiều luồng tín hiệu quang tù’ các nguồn
quang khác nhau để cùng truyền trên một sợi quang . Với hệ thống thông tin
đơn kênh thì không có bộ ghép kênh quang còn hệ thống thông tin quang đa
kênh thì bắt buộc phải có bộ ghép kênh quang .


c.

Thiết bị đầu cuối thu quang .

Có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu quang từ sợi quang rồi biến đổi thành tín hiệu điện đầu ra
tương ứng .
- Bộ tách kênh quang :làm nhiệm vụ tách các kênh quang từ nguồn tín hiệu đa kênh quang
tới các nguồn thu quang tương ứng . Trong hệ thống thông tin đơn kênh thì không có bộ
tách kênh quang .
- Nguồn thu quang (0/E):thực hiện biến đối tín hiệu quang thành tín hiệu điện . Ớ đây việc
tách sóng quang được thực hiện trực tiếp nhờ các photodiode .
- Khuếch đại cân bằng : khuếch đại tín hiệu sau tách sóng quang sau đó san bằng và lọc
nhằm nâng cao tỷ tín/tạp ở mạch phục hồi.
- Mạch phục hồi :gồm mạch quyết định và mạch đồng hồ , có nhiệm vụ tái tạo xung tín
hiệu và định thời xung đồng bộ hồ .
- Bộ giải mã (DECODES) : biến đổi tín hiệu từ dạng mã đường truyền về dạng mã thích
họp đưa tới bộ tách kênh điện

- Bộ tách kênh điện (DEMƯX) : tách tín hiệu số cấp cao đua đến thành tín hiệu số cấp thấp
tới các thiết bị đầu ra tương ứng .
d.

Trạm lặp .
Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đủ lớn đế bù trừ với sự suy hao trên sợi quang trong

tuyến .Trạm lặp có hai dạng sau :

a)

b)

H ình 1.3.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp - Hình 1.3 .a là dạng trạm lặp điện quang
(trạm lặp gián tiếp ) đang được sử dụng rộng rãi .Khối biến quang điện (O/E) và khối biến
đối điện quang (E/O) ở đầu vào và đầu ra trạm lặp thực hiện nhiệm vụ biến đối tín hiệu
quang
thành tín hiệu điện và ngược lại . Khối khuếch đại và khôi phục sẽ khuếch đại tín hiệu do sự


suy giảm trên đường truyền , sửa dạng tín hiệu bị méo , khôi phục xung đồng hồ và tái sinh
tín hiệu đế đưa vào khối điều chế bộ biến đối điện quang .
- Hình 1.3 .b là dạng trạm lặp dùng bộ khuyếch đại quang (trạm lặp trực tiếp ), tín hiệu
quang bị suy giảm trên đường truyền được khuếch đại trục tiếp đủ đế bù với lượng suy
giảm . Mô hình trạm lặp này được dùng nhiều trong các tuyến thông tin quang xuyên đại
dương .
1.2.3. Hệ thống thông tin quang COHERENT
a.

So’ đồ chức năng hệ thống thông tin quang COHERENT

Hình 1.4.Sơ đồ khối chức năng hệ thống thông tin Coherent.
Do những tiến bộ của kỹ thuật và công nghệ nên đã ra đời hệ thống thông tin quang kết hợp
Coherent (1980) và được nghiên cứu , ứng dụng thử nghiệm vào đầu thập kỷ 90. Trong hệ thống
quang kết họp sự đối tần số sóng mang được sử dụng ở máy thu quang bằng cách trộn trường
quang tín hiệu với trường quang laze nội và cộng tuyến tính ở đầu ra bộ trộn ( tương tự như kỳ
thuật thu vô tuyến đối tần ) . Hệ thống Coherent có những diêm ưu việt hơn hệ thống IM/MD là:
+ Độ nhạy của máy thu quang cải thiện hơn 20 dB so với máy thu IM/MD (tách sóng trục
tiếp ) , từ đó có thể tăng cự ly truyền dẫn (trạm lặp ) lên nhiều khi cùng công suất phát.
+ Có thể sử dụng hiệu quả độ rộng băng tần của sợi quang nhò' kỹ thuật ghép kênh quang theo
buớc sóng (WDM).


b. Máy phát quang.
Gồm Laze và bộ điều chế ngoài , ở đây sử dụng các laze đơn mode có đường phố hẹp
(thường dùng loại DFB hoặc laze có hộp cộng hưởng ngoài, độ rộng phố cỡ 10 - 100 MHz ). Bộ
điều chế ngoài dùng đế điều chế trường quang do laze nguồn phát ra với dạng điều chế mong
muốn nhứAK (điều biên ),PSK(điều pha ),DPSK(điều pha tương đối ).Các bộ điều chế ngoài
thường dùng như giao thoa kế Mac-zender , bộ điều chế hấp thụ EA .Riêng điều chế dạng
FSKđược tiến hành trực tiếp bởi dòng phun của laze .Cùng đi với bộ điều chế là các tín hiệu
mang thông tin cần gửi đã được mã hoá (PCM). đế giảm sự phản xạ ánh sáng từ sợi quang về lại
máy phát thì an có bộ cách ly quang giữa máy phát uang và sợi quang . Bộ cách ly quang chỉ
cho pháp ánh sáng truyền theo chiều từ tù' nguồn vào sợi quang còn hấp thụ ánh sáng theo chiều
ngược lại
c. Máy thu quang
Máy thu quang ở đây phức tạp hơn nhiều so với ở trong hệ thống IM/DD ,gồm :bộ trộn
quang , bộ tách quang , laze dao động nội bộ khuếch đại , bộ lọc dải, bộ tụ- động điều chỉnh tần
số laze dao động nội, bộ giải điều chế .
Bộ trộn quang là phần tử đặc trung nhất của máy thu quang kết hợp .Nó cho phép hai trường
quang tín hiệu từ sợi quang và tù' laze dao động nội trộn với nhau và cộng tuyến tính ở đầu ra

bộ trộn . Bộ trộn quang có thể là một gương bán phản xạ hoặc một bộ ghép sợi nóng chảy . Yêu
cầu cho hai trường quang vào bộ trộn là phải cùng hướng vì trạng thái phân cực cúa trường
quang tín hiệu truyền trong sợi quang bị thay đối nên ta cần phải dùng các phương pháp đặc


biệt để giảm sự mất phối họp phân cực giữa hai trường quang tín hiệu và laze dao động nội .
Bộ tách sóng quang dùng photodiode (PIN hoặc ADP) sẽ tách sóng tín hiệu sau bộ trộn về
dòng quang điện trung tần và đưa qua bộ khuyếch đại , bộ loc để hạn chế về độ rộng của băng
tần nhiễu , sau đó tín hiệu qua bộ giải điều chế đế đưa về dạng tưong ứng với máy phát, cho ra
những tín hiệu được phát đi.
Bộ điều chỉnh tần số của laze dao động nội sẽ luôn tự on định tần số trung tần của máy thu ở
một giá trị mong muốn , tí hiệu đi qua từ AFC sẽ qua mạch thích họp đế điều chỉnh tần số tín
hiệu của laze nội trước khi tới bộ trộn cùng tín hiệu truyền đi trong sợi quang .
1.2.4. Ưu nhược điếm của hệ thống thông tin quang .
a. Ưu điểm :
Hệ thống thông tin quang có những đặc điểm nổi bật sau :
- Hệ thống thông tin quang sợi trong thực tế rất kinh tế , độ tin cậy cao .
- Khoảng cách trạm lặp có thể lên tới hàng trăm Km ,số lưọng trạm lặp so với dùng cáp
kim loại giảm đáng kể , một vài tuyến ngắn có thể liên lạc trực tiếp .
- Truyền dẫn ghép kênh với dung lượng lớn ,cho phép thực hiện các yêu cầu đa dạng của
mạng đa dịch vụ số băng rộng B-ISDN khiến giá thành dịch vụ thấp .
- Cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang
(ghép kênh theo bước sóng WDM ). Đặc tính này cộng với khả năng truyền dẫn băng
rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến là rất lớn .
- Sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện trường bên ngoài và các tác động của môi
trường nên chất lượng thông tin cao .
- Dễ lắp đặt, bảo dưỡng , thông tin được bảo mật và có thể đi chung đường cáp với các
đường truyền kim loại trước đó .
- Đảm bảo mỹ quan đô thị
11

b. Nhược điểm :
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang sợi có tồn tại một số nhược điểm sau :
-

Hàn nối sợi quang khó khăn , kỹ thuật cao .

-

Muốn cấp nguồn từ xa cho các trạm lặp cần thêm đặt thêm dây kim loại ( cu,
fe, ...)vào trong cáp quang .

-

Neu có nước , khí ẩm lọt vào trong cáp thì soi quang sẽ chóng bị lão hoá , các mối hàn
chóng hỏng , lượng suy hao tăng .

-

Sợi quang có khích thước nhỏ nên hiệu suất ghép nguồn quang với sợi quang thấp .

-

Không truyền được mã lưỡng cực .

Nhừng những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải được
bằng các tiến bộ của công nghệ . Nhờ những ưu điếm vượt trội trên mà hệ thống thông
tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có một tương lai phát triển tốt đẹp vì
những lợi ích của nó trong cuộc sống .

1.3.Cấu hình hệ thống thông tin quang .
Ta có cấu hình hệ thống thông tin quang như hình vẽ sau đây :
r--------------1

r--------------1

L_________________J

L_________________J

Hình 1.5. Mô hình hệ thống thông tin quang .
Từ đây chúng ta đi tìm hiểu về hoạt động của các khối chức năng trong hệ thống

1.3.1.

Thiết bị ghép kênh .

Thiết bị ghép kênh sử dụng trong hệ thống thông tin quang hiện nay là thiết bị ghép
kênh số . tín hiệu điện được biến đối thành tín hiệu điều chế xung mã PCM và ghép kênh
theo nguyên tắc phân thời gian (TDM) .Các tiêu chuẩn PCM được sử dụng rộng rãi hiện
nay là :
- Tiêu chuẩn châu Ầu (CFPT): Lượng tử hoá theo luật A , tốc độ luồng tín hiệu


số cơ bản là 2,048 Mb/s , gồm 30 kênh thoại tiêu chuẩn , mỗi kênh có tốc độ 64 Kb/s
.
- Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản : Lượng tử hoá theo luật P , tốc độ luồn tín
hiệu cơ bản là 1,544 Mb/s , gồm 24 kênh thoại tiêu chuân , mỗi kênh có tốc độ 64
Kb/s .
Thứ bậc ghép kênh của các tiêu chuân được trình bày ở bảng 1.1 dưới đây :

Tiêu chuẩn
Đặc trưng
Cấp bậc

Châu Ảu

Bắc Mỹ

Cấp 1

cấp 2

Cấp 3

Cấp 4

Cấp 5

Tốc độ (Mb/s)

2,408

8,488

34,368

139,264

564,992

Hệ số nhân

-

4

4

4

4

Số kênh thoại

30

120

480

1920

7680

Tốc độ (Mb/s)

1,544

6,312

44,736

274,176

565

7
672

6
4032

9

24

4
96

1,544

6,312

32,064

97,728

397,2

4

96

5
480

3
1440

4
5760

Hệ số nhân
Số kênh thoại
Nhật Bản

Tốc độ (Mb/s)
Hệ số nhân
Số kênh thoại

-

-

24

L

8064

Bảng 1.1. Các chỉ tiêu ghép kênh PCM thông dụng .

Các hệ thống truyền dẫn số ở Việt Nam xây dựng theo tiêu chuẩn ghép kênh của
Châu Au . một kênh thoại cơ bản có phổ giới hạn từ 0,3 - 3,4 KHz , được chuyển
thành dạng số có tốc độ 64 Kb/s tương đương với 1 kênh thoại . Một kênh truyền
hình màu chất lượng tiêu chuẩn được truyền ở tốc độ 140 Mb/s tương đương 1920
kênh thoại.
1.3.2.

Thiết bị đầu cuối.

Thiết bị đầu cuối OLTE giao tiếp với thiết bị ghép kênh và sợi quang . Sơ đồ khối của
OLTE được mô tả như hình 1.6. dưới đây :


Hình 1.6. Sơ đồ khối chức năng thiết bị đầu cuối ( OLTE )
Chức năng chính của các khối là :
• Huớng phát : tiếp nhận tín hiệu điện tù' thiết bị ghép kênh , biến đổi tín hiệu
điện sang dạng mã thích hợp với đường truyền quang , kích thích (điều chế )
nguồn quang phát ra tín hệu quang tương ứng .
-

Khối sửa dạng : tín hiệu xung tù’ thiết bị ghép kênh đưa tới được khuyếch đại
san bằng và sửa dạng tại đây .

-

Khối đổi mã (B/U: BĨPOLAR / UNĨPOLAR ) : mã truyền dẫn của tín hiệu
điện thường là mã lường cực (B) có ba trạng thái ( + V , 0 , - V )

không

phù hợp với đường truyền dẫn quang do chỉ truyền hai trạng thái ( sáng , tối).
Do đó tín hiệu điện sẽ được đối sang mã đơn cực ( u ) tại đây . Mã lưỡng cực
thường dùng là HDB3 , CMĨ, mã đơn cực thường dùng là mã khối mBnB
dạng NRZ hoặc RZ .
-

Khối ngẫu nhiên hoá ( SCR : Scramber ) : trộn chuỗi xung một cách ngẫu
nhiên theo một quy tắc nhất định đế tránh sự lặp đi lặp lại một chuỗi dài các
bit giống nhau . Công việc này giúp cho việc phân bố phố tín hiệu cần truyền
được đồng đều hơn .
Khối mã hoá ( Coder ): tại đây , thêm một lần nừa chuỗi xung đuợc đói sang


dạng mã thích họp với đường truyền dẫn quang . Loại mã này có tác dụng laọi
trừ sự xuất hiện các nhóm bit chưa nhiều bit “ 1 “ và bit “ 0 “ liên tiếp , đồng
thời còn ghép thêm một số nhóm bit phát hiện lỗi . Loại mã như thế này
thường được sử dụng là mã 5B6B .
Khối kích thích ( Driver ) : tổng hợp dòng điện phân cực và chuỗi xung tín
hiệu đế kích thích nguồn quang phát ra ánh sáng tương ứng .
Nguồn quang ( E/O ) : là nơi phát ra ánh sáng theo tín hiệu từ khối kích thích
đưa tới. Linh kiện phát quang có thê là LED hoặc LD .
Khối điều khiến công suất ( APC ) : tự động điều chỉnh ánh sáng phát ra có
công suất ổn định .
Hướng thu : tiếp nhận tín hiệu quang rồi biến đối thành tín hiệu điện , sau khi
được khuếch đại, phục hồi thì tín hiệu điện được giải mã sang dạng mã thích
hợp với thiết bị ghép kênh .
Thu quang ( O/E ) : biến đối tín hiệu quang tiếp nhận về thành tín hiệu điện
tương ứng nhờ các diode thu quang PIN hoặc ADP .
Khối khuếch đại ( AMP ): khuyếch đại tín hiệu đến từ tuyến thu quang . Khối
AGC : tự động điều chỉnh độ khuyếch đại của khối khuếch đại nhằm giữ cho

mức tín hiệu ra luôn ốn định .
Khối phục hồi ( Gegenerator ) : khôi phục lại dạng xung tín hiệu bị méo dạng
do suy hao , tán sắc trong sợi quang và tách xung đồng hồ đế đồng bộ cho các
khối.
Khối giải mã (Decoder ) : chuyến mã 6B trở lại dạng mã 5B theo quy tắc mã
hoá ở đầu phát. Đồng thời khối này làm nhiệm vụ phát hiện lỗi, đếm lỗi đế chỉ
thị cảnh báo tới khối giám sát.
Khối giải ngẫu nhiên hoá ( Descrambler ) : trộn tín hiệu theo quy tắc ngược
lại của quá trình ngẫu nhiên hoá ở phía đầu phát.
Khối đổi mã ( U/B : Ưnipolar/Bipolar ) : đổi mã đơn cực (ư) về mã lưỡng cực
(B) để truyền tới thiết bị ghép kênh .


1.3.3.Thiết bị ghép/ tách quang

Hình 1.7. Chức năng của thiết bị ghép tách kênh quang .
Trong hệ thống thông tin quang đa kênh thì người ta dùng các thiết bị ghép /tách kênh
theo bước sóng (WDM ) .Nó đảm bảo các chức năng sau :
-

Ghép nhiều tín hiệu có bước sóng khác nhau đế đưa vào một sợi quang .

-

Tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau trong sợi quang thành từng tín hiệu
riêng biệt ứng với mỗi bước sóng đầu vào

-

Đe thực hiện ciệc ghép / tách kênh quang , người ta sử dụng lăng kính , các bộ

lọc thông quang , cách tử nhiễu xạ như được đưa ra ở bảng 1.2 dưới đây .

Trong các phương pháp trên thì : phương pháp lăng kính có cấu trúc đơn giản ,
tách ra các tia sáng ngay cả khi ánh sáng là một dải có bước sóng rộng , nhưng nó
có giá thành cao nên ít được sử dụng . Phương pháp lọc phim giao thoa có hệ số
truyền dẫn từ 0

90% phụ thuộc vào bước sóng , nó dùng để

tách các tia truyền hoặc tia phản xạ , phương pháp này thì ghép kênh ít, cấu trúc
đơng giản , suy hao thấp nên thường được sử dụng . Còn phương pháp cách tử
nhiễu xạ thì tia sáng khi đập vào sẽ phản xạ ra các góc khác nhau tuỳ theo bước
sóng . Nó có đặc điếm nhỏ gọn , suy hao nhở , tách số kênh lớn nên được sử dụng
rộng rãi nhất trong 3 phương pháp


Bảng 1.2.Các phương pháp ghép tách quang thông dụng .
1.3.4.

Thiết bị lặp đường dây .

Thiết bị lặp đường dây giao tiếp với sợi quang ở cả hai phía , đây là điếm khác
so với thiết bị đầu cuối . Thiết bị lặp làm nhiệm vụ chuyển tiếp trung gian khi
khoảng cách truyền dẫn từ đầu phát tới đầu thu vượt quá khả năng của sợi quang
( do đặc tính suy hao và tán sắc của sợi quang ). Trong thiết bị lặp không có các khối
đổi mã , mã hoá và các bộ giải mã vì dạng mã trên đường truyền được giừ nguyên
.Chức năng các khối trong hình 1.8 tương tự như ở thiết bị đầu cuối .


Hình 1.8.Sơ đồ khối chức năng trạm lặp đường dây .

1.4.

Linh kiện thu, phát quang , sọi quang và cáp quang

1.4.1.

Lỉnh kiện phát quang .

a. Nguyên lý làm việc của Laze bán dẫn .
Sự bức xạ và hấp thụ photon trong bán dần gắn liền với sự chuyến tiếp của các
điện từ một mức năng lượng sang một mức năng lượng khác . Những đặc điếm của
các quá trình xảy ra trong máy lượng quang phụ thuộc vào các hệ thống mức năng
lượng của hoạt chất trong bán dẫn .
Các bán dẫn có 3 vùng năng lượng : Vùng hoá trị , vùng cấm và vùng dẫn . ứng
với từng vùng ấy có các giới hạn .
wd - Giới hạn vùng dẫn , cao hơn nó thì các điện tử có thể lọt vào Wh - Trần vùng hoá
trị .
Khoảng cách giữa wd - Wh là vùng cấm .
Ớ trạng thái cân bằng nhiệt của bán dẫn thì ở vùng hoá trị có các điện tử , còn ở vùng dẫn


có các lỗ trống điện tử .


Hình 1.9.Các vùng năng lượng trong bán dẫn .
Người ta dùng hàm số Phermi đế đặc trưng cho xác suất các điện tử có thê đạt được
Fn(WT) =

1

w-wc
exp(KT

-) +
l

mức năng lượng w .
Một đặc điếm của mức Phermi là trong một hệ thống có nhiều bán dẫn và mỗi bán
dẫn đều nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt thì mức Phermi như nhau .
Nồng độ các điện tử tự do và lỗ trống điện tử trong các bán dẫn nguyên chất rất thấp .
Chỉ có một phần các điện tử ở vùng hoá trị có năng lượng thoát khỏi các mối liên kết
và chuyến từ vùng này lên vùng dẫn . Chính vì vậy mà khi tái hợp ngẫu nhiên ( quá
trình các điện tử trở về vị trí cân bằng ở vùng hoá trị và kết hợp cói các lỗ trống điện
tử ở đấy ) chỉ tạo ra một bức xạ ngẫu nhiên không đáng kế . Sự tái hợp trong chất bán
dẫn có hai loại : tái hợp trực tiếp và tái hợp không trực tiếp .
Trong các laze hiện nay chỉ có loại tái họp trực tiếp .
Như vậy muốn có sự phát bức xạ thì phải phá vỡ được trạng thái cân bằng đã nêu ở
trên tức là phải tạo được mật độ điện tử ở vùng dẫn nhiều lên . Đe làm được điều đó
có nhiều cách khác nhau : phun điện tử vào lóp chuyển tiếp p - n , kích chấn bằng đèn
có năng lượng lớn kích chấn bằng quang học , kích chấn trục tiếp bằng điện v.v..
.Phương pháp phố biến nhất là phun diện tích .
Việc tạo ra laze cùng một lúc có sự suy biến điện tử và lồ trống điện tử ( hiêu một
cách đơn giản là nồng độ của chúng có sự thay đối ) trong bán dẫn nguyên chất là rất
khó . Việc này có thể thực hiện được bằng cách cho thêm tạp chất vào


tinh thể bán dẫn . Các nguyên tử tạp chất tạo ra tạo ra những múcnăng lượng phụ
trong vùng cấm . Các nguyên tử dễ nhường điện tủ’ thì tạo ra các mức năng lượng
phụ ở cửa vùng dẫn wd , còn các nguyên tử dễ nhận điện tử thì tạo thành các mức ở
phía trên vùng hoá trị Wn. Vì vậy có hai loại bán dẫn được tạo thành : bán dẫn cho

( loại n ) và bán dẫn nhận (loại p) . Neu tạp chất nhiều thì chúng có thể tác động
tương hỗ lẫn nhau và mức của chúng được kéo lên vùng dẫn và xuống vùng cấm .
Lúc này các điện tử ở vùng dẫn và lồ trống điện tử ở vùng hoá tự nhiên đến mức chất
bán dẫn trở thành suy biến .
Vùng n
Vùng p

Hình 1.10.Sơ đồ năng lượng lóp chuyển tiếp p-n trước lúc gắn các bán dẫn p và n với
nhau .
Neu gắn hai bán dẫn loại p và n với nhau thì ở chỗ gắn sẽ thoả mãn điều kiện : M2MI > AE = wc
Một phần điện tử ở vùng n chuyến sang vùng p và ngược lại thì lỗ trống điện tử từ
vùng p chuyên sang vùng n , do đó xảy ra quá trình tái họp và phát lương từ . Lượng
từ này được khuyếch đại cho đến khi điều kiện M? - Mi > ÀE bị phá vỡ và suy biến ở
vùng chuyến tiếp bị chấm dứt, tức là sự đảo mật độ ở đó cũng bị chấm dứt. Lúc đó có
sự phân bố lại theo các mức năng lượng và trạng thái cân bằng được khôi phục , mức
Phermi bị lệch . Đe có thế tạo được sự đảo mật độ như ban đầu ở lớp chuyến tiếp p-n
tức là làm cho mức Phermi ở vùng p-n lại tách ra một khoảng như trước , cần phải
cho điện một điện áp V vào lóp chuyến tiếp như hình đã trình bày .


wd

A

Hinh 1.1 l.Sa do nang luong lap chuyen tiep p-n sau khi da khoi phuc trang thai can
bang
Bay gib chung ta xet tbi cau tao va mot vai tinh chat cua laze ban dan Gaas So do
cau tao cua laze ban dan Arxennit - galia d hinh 1.7 .Lop chuyen tiep 4 cua ban dan
p-n duoc tao ra bang each lam khuyech tan kern vao tarn ban Gaas loai n . Hai mat
cua hai tarn dwocj danh bong va dat mot each can than sao cho song song vdi nhau

va vuong goc vdi mat phang chuyen tiep p-n . Cac canh phia trude va phia sau da
duoc danh bong ky se tao thanh cac be mat phan xa cua hop cong hudng . Cac mat
tren 2 va mat dudi cua ban dan se noi vdi cac dien cue 1,6
Hinh 1.12 .Cau tao cua laze ban dan .

5

6


Trong cac ban dan he so khuech dai anh sang tren mot don vi do dai ldn hon trong
cac hoat chat la chat ran , chat khi va chat long hang ngan lan .


Chính vì vậy mà độ dài quang học của quãng đuờng trong laze bán dẫn có thể vào
khoảng vài phần mười milimet, còn hệ số phản xạ của các gương là 0,3- 0,4
Các laze bán dẫn hiện đại có thể làm việc trong chế độ xung và cả trong chế độ liên
tục .
Mật độ dòng điện phun quyết định thành phần phố của laze bán dẫn . Khi giá trị của
dòng điện ấy bé hơn giá trị ngưỡng nào đấy thì độ rộng của giải phố sẽ vượt quá 0,1 |
ik . Mật độ dòng điện phun còn quyết định sự phân bố bức xạ trong không gian .
Độ dài và tần số phóng xung trong laze bán dẫn được quyết định bởi nhiệt độ của lớp
chuyển tiếp p-n là chủ yếu .
Vì kích thước lớp p-n rất bé nên sự khuếch tán rất lớn , chính vì vậy mà độ tán xạ của
tia bức xạ ở laze bán dẫn lớn hơn nhiều so với laze khí.
Laze bán dẫn có kích thước bé , hiệu suất cao ( gần 100%) . Điều đó cho phép sử
dụng rộng rãi laze bán dẫn vào các kết cấu đòi hỏi gọn nhỏ và chắc chắn .
b. Truông bức xạ của ánh sáng ra và hiệu suất ghép .
Bức xạ của trường quang được đặc trưng bởi sự phân bố trường xa , trường gần và
mật độ bức xạ . Nhưng người ta thường quan tâm đến công suất ánh sáng có thể ghép

vào sợi quang được xác định theo công suất bức xạ tổng cộng và hiệu suât ghép .
Công suất quang đối với LED từ 1-K3 mW , với LD từ 1-H0 mW , các laọi LD đời
mới hiện nay có công suất phát tới 50 mW.
-

Giản đồ bức xạ : được xác định bởi góc lập giữa hai đường thắng mà công
suất ánh sáng bằng một nửa so với mức cực đại . Giản đồ bức xạ của LED là
rất lớn hơn so với của LD , với LED phát xạ mặt khoảng 120° , phát xạ rìa
khoảng 30° , còn với LD khoảng 5° 10°.

-

Hiệu suất ghép : đặc trung định lượng cho việc ghép ánh sáng từ nguồn vào
sợi , được xác định bởi tỷ số công suất ghép vào sợi quang trên công suất bức
xạ toàn phần của nguồn .


Hình 1.13. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất ghép quang .
Hiệu suất ghép quang phụ thuộc vào kích thước vùng phát quang , giản đồ bức xạ
, góc nhận quang , vị trí đặt nguồn quang như mô tả ở hình 1.13. Hiệu suất ghép
của LD phát xạ mặt từ 1+5% , của LED phát xạ rìa từ 5+10% , của LD từ
10+30% với sợi đơn mode , và từ 60+90% với sợi đa mode .
1.4.2.

Linh kiện thu quang .

a. cấu trúc , nguyên lý hoạt động của linh kiện thu quang .
Khi ánh sáng mang thông tin tới đầu thu cần có các thiết bị biến đối tín hiệu
quang thành tín hiệu điện gọi là linh kiện thu quang . Có nhiều phương pháp biến
đối quang - điện như biến đối trực tiếp lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện theo

hiệu ứng quang nội và hiệu ứng quang ngoại . Hiện nay người ta sử dụng hiệu
ứng quang nội cho linh kiện thu quang bán dẫn .
Nguyên lý làm việc cơ bản như sau : Giả sử ta có một lớp chuyến tiếp p-n
được phân cực ngược bởi điện áp Uo ( đặt vào vùng p ), khi này độ rộng vùng
nghèo tăng ( vùng ít điện tử và lỗ trống ) , điện trường nội của vùng nghèo ngăn
sự khuyếch tán của điện tử và lỗ trống đang chiếm đa số ở vùng n và p đi qua
vùng nghèo . Trong chuyển tiếp chỉ tồn tại một dòng điện ngược rất nhỏ do sự
dịch chuyển của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp p-n , dòng điện này là dòng tối
ĩd .
Khi ánh sáng có năng lượng photon : w= h.y > Eg chiếu vào chuyển tiếp ( từ
vùng p ) thì vùng p , vùng nghèo , vùng n các điện tử được hấp thụ ánh sáng ,
điện tử từ vùng hoá trị sẽ dịch lên vùng dẫn , kết quả là tạo nên các cặp điện tủ’ -