Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông tin quang ứng dụng trong đo lường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
*********************

SAYSYSOUK THAVI VANH

NGHIÊN CứU THIếT Kế Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG
ứNG DụNG TRONG ĐO LƯờNG

CHUYấN NGNH: K THUT O VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

LuËN V¡N THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS PHẠM THƯỢNG HÀN

HÀ NỘI - 2008


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC
MỤC LỤC………………………………….………………………………...1
LỜI NÓI ĐẦU………………………………….……………………………4
PHẦN I. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN
GUANG………………………………………………………………………6
Chương I.Gíơi thiệu chung về thơng tin quang……………………………6
1.1.Lịch sử phát truiển của thơng tin quang……………………………..6
1.2.Các dạng kênh truyền thơng tin……………………………………...7
1.3.Mơ hình của hệ thống thông tin quang………………………………8

1.4.Sơ đồ khổi và nguyền tắc họat động của hệ thống thông tin quang..11
1.5.Ưu điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang……………………………11
Chương II: Các khâu cơ bản của hệ thống thông tin………………….....13
2.1. Nguyên lý truyền dẫn áng sáng ……………………………………13
2.2. Sợi quang…………………………………………………………..14
2.3. Nuyên lý chung……………………………………………………16
2.3.1. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang……………………16
2.3.2.Phân loại sợi quang………………………………………………19
2.4. Đặc tính của sợi quang…………………………………………….22
2.5. Cáp quang…………...……………………………………………..28
2.5.1. Cấu tạo của cáp quang…………………………………………...29
2.5.2.Phân loại cáp quang………………………………………………29
2.6.Hệ thống ký hiệu cáp……………………………………………….32
2.7.Các bộ biến đổi điện – quang……………………………………....34
2.7.1.Nguyên lý cơ bản…………………………………………………34
2.7.2. Nhừng điều kiện cơ bản của LASER bán dẫn…………………...37
2.7.3. Cấu trúc của một Laser bán dẫn…………………………………39
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
2.7.4. Diode phát sáng- LED(light emitingdiode)……………………...42
2.7.5. Giải tích sự bức xạ pho ton (ánh sáng ) của LED………………..45
2.7.6.Công nghệ chế tạo Diode hồng ngoại Ga Sa……………………..50
2.7.7.LED hồng ngoại (IR- LED- Infraced enmits)……………………51
2.8.Các bộ biến đổi quanq-điện………………………………………...52
2.8.1.Nguyên lý biến đổi quang - điện……………………………........52
2.8.2.Các nguyên lý tách quang ……………………………………….52

2.8.3.Nguyên lý chuyển đổi quang -điện tại lớp tiếp giáp P-N………...53
2.8.4.Chọn vật liệu cơ bản……………………………………………...54
2.8.5.Các loại diode quang…………………………………………….55
2.8.5.4.Các tham số cơ bản của các diode quang………………………61
2.8.5.5.So sánh các diode quang……………………………………….62
Kết luận phần I……………………………………………………………....64
PHẦN II: TÍNH TĨAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
ỨNG DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG………………………………………65
Chương.III. Nhiệm vụ thiết kế………………………………..…………...65
3.1.Sơ đồ khối chung hệ thống thông tin quang ứng dụng trong đo lường
………………………………………………………………………….65
3.2.Tính tóan thiết kế các khâu của hệ thống…………………………..66
3.3.Tính tóan cự li tối đa của trạm lặp………………………………….74
3.4.Tính tóan và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu………………….…76
3.5.Gíơi thiệu một số họ vi điều khiển…………………………………77
Kết luận chương III…………………………………………………………81
Chương IV.Hệ thu thập dữ liệu đo lường ( Data Acquistion-DAQ)….…82
4.1.Khai niệm chung vể hệ thu thập dữ liệu (DAQ)…………………...82
4.2.Cấu trúc tổng quát của hệ thống thu thập dữ liệu…………………..85
4.3.Các khâu cơ bản (CĐCH)………………………………………….87
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

2


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
4.4.Bộ đổi nối (MUX-MULTIPLEXER,DEMUX-DEMULTIPLEXER)..
………………………………………………………………………….90
4.5.Bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog-digital converter)………….95
4.6.Bộ vi xử lý……………………………………………………….....96

4.7.Thiết kế hệ thu thập số liệu và điều khiển………………………...106
Kết luận chương IV………………………………………………………...115
Chương V.Thiết kế phần mềm cho hệ thống …………………………...116
5.1.Toật tóan chương trình thu thập dữ liệu 6 kênh ………………….116
5.2.Chương trình cho vi xử lý………………………………………...117
5.3.Chương trình phục vụ……………………………………………..119
5.4.Chương trình chính………………………………………………..120
5.5. Đánh giá kết quả,sai số…………………………………………...128
Kết luận chương v …………..………………………………………...129
PHỤ LỤC.1…………………………………………………………..130
KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………..…133
HƯỜNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN.………………………. 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………..138

Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

3


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦU
Phương tiện thông tin ra đời nhằm đánh dấu sự phát triển của văn minh
nhân loại, cho tới bây giờ người ta cũng khơng thể nói hết được tầm quan
trọng của nó. Ngày nay các hệ thống thông tin hiện đại đã tạo điều kiện cho
con người ở khắp nơi trên thế giới được giao tiếp với nhau một cách thuận lợi
và nhanh chóng. Cùng với sự phát triển về cơng nghệ thông tin, các hệ thống
thông tin quang đã nổi lên như là hệ thống thông tin tiên tiến vào bậc nhất. Nó
đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thơng các nước trên thế giới với
đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, đảm

bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất. Trên thế giới hệ thống cáp quang
đã nhanh chóng được ứng dụng và nó đã được khai thác trong các lĩnh vực
khác nhau như: bưu điện, phát thanh, truyền hình, điện lực,… Hệ thống thơng
tin quang đã được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông tin, kết nối những thiết
bị đơn lẻ, những hệ thống đơn giản tạo ra những hệ thống phức tạp có độ tích
hợp lớn nhằm nâng cao hiệu quả của công việc. Trong mỗi ngành khác nhau
sẽ có những hệ thống khác nhau và việc khai thác hệ thống thông tin quang
cũng khác nhau.
Hệ thống đo lường điều khiển là một trong số các hệ thống có ứng dụng
hệ thống thơng tin quang. Trong đó thơng tin quang làm nhiệm vụ thơng tin
liên lạc giữa các thiết bị, trao đổi thông tin giữa các thiết bị với máy tính. Máy
tính làm nhiệm vụ giám sát, thu thập, xử lý số liệu và điều khiển, do đó nó
địi hỏi phải có tốc độ cao để có thể xử lý thơng tin và điều khiển trong thời
gian thực. Và thông tin quang đã đảm bảo hệ thống truyền tin làm việc liên
tục, thông tin truyền đi chính xác, tốc độ truyền cao, dung lượng đường truyền
lớn, có khả năng chống nhiễu cao, độ suy hao tín hiệu là nhỏ và có khả năng
truyền xa.
Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

4


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Với mục đích tìm hiểu sâu hơn về phương thức truyền quang cũng như
ứng dụng của nó trong hệ thống đo lường điều khiển, được sự hướng dẫn của
PGS.TS. Phạm Thượng Hàn em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ
thống thông tin quang ứng dụng trong đo lường “
Nội dung Luận văn thạc sỹ gồm 2 phần và 5 chường
Phần I: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thơng tin quang
Phần II: Tính tóan thiết kế hệ thống thơng tin quang ứng dụng trong đo

lường
Chương I. Giới thiệu chung về thông tin quang
Chương II .Các khâu cơ bản của hệ thống thông tin quang
Chương III. Nhiệm vụ thiết kế.
Chương IV. Tính tóan thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu đo lường
Chương V. Thiết kế phần mềm cho hệ thống

Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

5


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

PHẦN I
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRUYỂN CỦA THÔNG TIN QUANG
Có thể thấy rằng các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả
năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng, màu sắc của sự vật
thông qua đôi mắt. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thông tin
quang đã trải qua những bước phát triển và hoàn thiện được ghi nhận bằng
những cột mốc sau:
- 1970: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống
điện báo quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di
động trên đó. Tin tức được truyền bằng hệ thống này vượt chặng đường
200km trong vòng 15 phút.
- 1870: John Tyndall, nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ rằng ánh sáng
có thể dẫn được theo vịi nước uốn cong. Thí nghiệm của ơng sử dụng ngun
lý phản xạ tồn phần, điều mà vẫn cịn áp dụng cho sợi quang ngày nay.

- 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ giới thiệu về hệ thống
photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền bằng ánh sáng trong mơi trường
khơng khí mà khơng cần dây. Tuy nhiên hệ thống này chưa áp dụng được trên
thực tế vì có q nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng đường truyền.
- 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ nhận bằng sáng chế về hệ
thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn bằng các thanh thuỷ tinh.
- 1958: Arthur Schawlow và Charles H. Townes, xây dựng và phát triển
Laser.
- 1960: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận. Nhưng
phải có một mơi trường truyền dẫn quang thích hợp.
Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

6


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 1966: Charles H. Kao và George A. Hokham, hai kỹ sư ở phòng thí
nghiệm Standard Telecommunications của Anh, đề xuất việc dùng sợi thuỷ
tinh để dẫn ánh sáng. Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó cịn hạn
chế nên suy hao của sợi quang là quá lớn (1000dB/km).
- 1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang SI
(Step Index: sợi quang có chiết suất nhảy bậc) có suy hao nhỏ hơn 20 dB/km
ở bước sóng 633nm.
- 1972: Loại sợi Gi (Graded-Index: sợi quang có chiết suất giảm dần)
được chế tạo với độ suy hao 4dB/km.
- 1983: Sợi đơn mode (SM) được xuất xưởng ở Mỹ.
Ngày ngay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi, độ suy hao của
loại sợi này cịn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1.55nm.
1.2. CÁC DẠNG KÊNH TRUYỀN THÔNG TIN .
1.2.1. Kênh truyền hửu tuyến

* Việc truyền dẫn tín hiệu điện dựa trên những loại cáp đồng trục, cáp xoắn
có các đặc điểm sau:
+ Tốc độ truyền tín hiệu chậm.
+ Độ suy hao tín hiệu lớn.
+ Truyền ở khoảng cách gần.
+ Chịu ảnh hưởng của nhiễu vì vậy cần phải có biện pháp chống nhiễu.
+ Ngoài ra trong điều kiện cần ghép nối nhiều thiết bị thì số lượng cáp
sẽ lớn, gây ra khó khăn trong việc lắp đặt dây.
1.2.2. Kênh truyền vô tuyến
* Khi cần truyền tin ở những nơi có địa hình phức tạp, khó khăn cho
việc lắp đặt dây chúng ta có thể dùng hệ thống thu phát tín hiệu vơ tuyến điện
để truyền tin và đây là một bước cải tiến của việc dùng tín hiệu vơ tuyến để
mang thơng tin.
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

7


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
+Cần phải có một bộ thu phát tín hiệu đặt tại nơi thu và phát.
+ Cần phải có một cặp ăngten làm nhiệm vụ truyền nhận thơng tin.
+ Việc sử dụng tín hiệu vơ tuyến điện làm nhiệm vụ mang thơng tin có
thể bị ảnh hưởng bởi từ trường của trái đất, thời tiết, địa hình giữa nơi thu và
phát.
+ Ngồi ra người sử dụng phải đăng ký với cơ quan có thẩm quyền về
dải tần số của tín hiệu vơ tuyến điện.
1.2.3. Kênh truyền bằng cáp quang
Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu ánh sáng.Có các đặc điểm sau:
+ Thơng tin truyền đi ít bị suy hao.
+ Thơng tin truyền đi khơng chịu ảnh hưởng của nhiễu điện trường và

nhiễu từ trường.
+ Tốc độ truyền tin lớn.
+Dung lượng truyền tin lớn, truyền tải được nhiều thơng tin.
+Nều có cùng năng lực truyền dẫn thi giá thành cáp quang chỉ bằng
1/10 cáp điện.
Từ các nhận xét trên ta thấy việc truyền thông tin bằng áng sáng có
hiệu quả và kinh tế hơn so với các tín hiệu mang thơng tin khác.
1.3. MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG
Khác với thơng tin hữu tuyến và vô tuyến – các loại thông tin sử dụng
các môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian – thông tin
quang là một hệ thống truyền tin thơng qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là
thơng tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi
quang.
Nhưng thơng tin quang có tổ chức hệ thống tương tự như các hệ thống
thông tin khác vì vậy ta xét mơ hình chung của hệ thống.

Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

8


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết thơng qua
việc so sánh với một hệ thống thông tin điện:
TÝn hiệu thu

Nguụn tín hiệu

a/

Nguồn
thông tin

Phần
điện
tử

Kênh
truyền
dẫn

Điều
ch
A

B

Phần
điện
tử

Giải
điều
ch
C

Máy
tính

D

Hỡnh 1.1a.H thng thụng tin in.

b/

Nguồn
thông tin

Biến
đổi
điện
quang
E/ O

Phần
điện
tử

A

Biến
đổi
quang
điện
O/ E

Sợi
quang
SQ

B

C

Phần
điện
tử

Máy
tính

D

Hỡnh1.1b H thng thụng tin quang.
Hỡnh 1.1. S đồ hệ thống thông tin
Từ hai sơ đồ hệ thống trên ta thấy các phần tử của hai hệ thống là tương
đồng nhau:
- Nguồn tín hiệu thơng tin là như nhau, đều là các dạng thông tin thông
thường như tiếng nói, hình ảnh, số liệu…
- Phần điện tử: là phần chung của cả hai hệ thống, để xử lý nguồn tin,
tạo ra các tín hiệu điện đưa vào cá hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu
analog hoặc digital (điểm A).
+ Bộ biến đổi điện quang E/O để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào
cường độ bực xạ quang để phát đi, có chức năng như bộ điều biến của hệ
thống thông tin điện. Cũng như trong thông tin điện, với nhiều phương thức
điều biến khác nhau, trong thơng tin quang cũng có nhiều phương pháp điều
biến tín hiệu điện vào bức xạ quang. Tín hiệu phát ra tại điểm B trong hình b
Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

9

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
là tín hiệu quang cịn tín hiệu ra tại điểm B trong hình a là tín hiệu cao tần
được điều biến pha hoặc điều biên độ hoặc tần số.
+ Sợi quang để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ E/O đã điều biến
có vai trị như kênh truyền dẫn trong hình a.
+ Bộ biến đổi quang điện O/E là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ
sợi quang đưa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu phát đi,
có vai trị như bộ giải điều biến trong hình a. Tín hiệu vào của hai bộ này (ở
điểm C) khác dạng nhau nhưng tín hiệu ra ở điểm D là tín hiệu điện giống
nhau để đưa vào phần điện tử, tách ra tín hiệu thu giống tín hiệu phát đi ở
nguồn tin ban đầu.
- Tải tin: Trong hệ thống thơng tin điện thì tải tin là các sóng điện từ
cao tần, trong thông tin quang là ánh sáng cũng là sóng điện từ song có tần số
rất cao (1014 đến 1015Hz), do đó tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu
băng rất rộng.
- Vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Giống như ở hệ thống thơng tin điện, tín
hiệu truyền trên đường truyền bị suy hao nên sau một khoảng cách nhất định
phải có trạm lặp để khuyếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang để tiếp tục phát
đi.
- Năng lực truyền dẫn: Được đánh giá qua hai đại lượng.
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được.
+ Cự li trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp.
-Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và
cự li trạm lặp rất lớn. Các đại lượng trên được xác định bởi các yếu tố sau:
+ Tiêu hao và tách xạ và khả năng điều biến của linh kiện phát quang.
+ Độ nhạy của máy thu quang.
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử trong tồn hệ thống.

Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

10


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
1.4. SƠ ĐỒ KHỐI V NGUYấN TC HAT NG CA H THNG
THễNG TIN QUANG.

Đ
T
N
C

S1

cđch

S2

cđch

Sn

cđch

M
U
X

Cáp quang

A/D

E/O

ĐK

O/E

B§

D
E
M
U
X

CT1
CT2
CT3

ĐK

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống thơng tin quang
Các tín hiệu từ đối tượng nghiên cứu (S 1 , S 2 ,… S n ), được chuẩn hoá đi
vào bộ MUX, tín hiệu sau đó được đưa vào ADC biến đổi thành tín hiệu số và
đưa vào bộ biến đổi điện – quang trở thành các tín hiệu quang, các tín hiệu
điện (các mức tín hiệu được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện
“1/0” được biến đổi thành “có/khơng” của ánh sáng) và sau đó được truyền

vào cáp quang. Các tín hiệu truyền qua sợi quang sẽ bị suy hao về cơng suất,
dạng sóng. Vì vậy, khi truyền tín hiệu với khoảng cách xa cần phải có bộ lặp
tín hiệu (chính là các bộ khuếch đại tín hiệu), tín hiệu sau đó lại được đưa vào
cáp quang và truyền tiếp đi. Tại phía thu, tín hiệu được đưa tới bộ biến đổi
quang điện để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện và được đưa tới thiết
bị nhận.
1.5. ƯU ĐIỂM CỦA KÝ THUẬT TRUYỀN DẪN QUANG.
So với các hệ thống truyền dẫn trên các kim loại hệ thống truyền dây
dẫn trên cáp quang có những ưu diểm hơn hẳn sau:
+ Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn cáp kim loại, đường kính mầu của sợi
quang là 0,1mm, nhỏ hơn nhiều so với sợi cáp đồng trục có đường kính bằng
10mm. Sợi cáp nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong. Chi phí vật
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

11


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
liệu chế tạo cáp ít, cáp lại được lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, ngay cả bằng
tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng được nhiều kênh truyền dẫn mà
chỉ tăng đường kính cáp rất ít.
+ Sợi quang chế từ thuỷ tinh thạch anh là mơi trường trung tính với ảnh
hưởng của nước, axit, kiềm… nên khơng sợ bị ăn mịn và ngay cả khi lớp vỏ
bảo vệ bên ngồi có bị hư hỏng nhưng sợi thuỷ tinh cịn tốt thì vẫn bảo đảm
truyền tin tốt.
+ Sợi thuỷ tinh là sợi điện mơi hồn tồn cách điện, khơng sợ bị chập
ngồi.
+ Tín hiệu truyền trong sợi quang không bị ảnh hưởng của điện từ
trường ngồi nên có thể sử dụng sợi để cho các hệ thống thơng tin ở những
nơi có nhiễu điện từ trường mạnh như trong các nhà máy, nhà máy điện… mà

không cần che chắn ảnh hưởng điện từ.
+ Cũng vì nhẹ và khơng bị ảnh hưởng điện từ nên sợi quang cũng được
sử dụng nhiều trong máy bay, tầu thuỷ hoặc trong công nghiệp để truyền số
liệu. Không gây nhiễu ra bên ngồi và cũng khơng gây xun âm giữa các sợi
quang đảm bảo không bị nghe trộm.
+ Vì sợi quang là sợi điện mơi, nên đầu vào và đầu ra của hệ thống
hoàn toàn cách điện và khơng có mạch vịng chảy qua đất.
+ Tiêu hao nhỏ khơng phụ thuộc tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong
dải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn
cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng. Trong tương lai làm cáp thuê
bao cho các dịch vụ dải rộng cũng rất phù hợp.
+ Vì có tiêu hao nhỏ nên cho phép đạt cự li khoảng lặp lớn hơn cáp kim
loại rất nhiều.
* Ngoài những ưu điểm của sợi quang các linh kiện thu, phát quang
trong hệ thống truyền dẫn quang cũng có những ưu điểm.
Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

12


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
CHƯƠNG II
CÁC KHÂU CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
2.1. NGUYÊN LÝ TRUYỀ DN NH SNG
Nguyên lí cơ bản truyền dẫn ánh sáng dựa vào hiện tượng phản xạ toàn
phần của tia sáng tại mặt phân cách hai môi trường khi nó đi từ môi trường
đặc hơn sang môi trường loÃng hơn. Xét ví dụ trên hình 2.1a và 2.1b.
p

p

1

n2
2 n1

2

T



T

n2
n1

1

Vựng phn x ton phn
a)

Hỡnh 2.1a

b)

Hỡnh 2.1b

Cho một tia sáng đi từ một m«i tr­êng cã chiÕt suÊt n 1 sang m«i tr­êng
thø hai cã chiÕt suÊt n 2 < n 1 . Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân
cách hai môi trường một góc tới . Khi sang môi trường thứ hai, tia sáng bị

khúc xạ và hợp với pháp tuyến P một góc khúc xạ . Quan hệ của các góc
và với các chiết suất n 1 và n 2 tuân theo định luật khóc x¹ cđa Snelious.
n 1 . sinα = n 2 . sin
(2.1)
Khia tia tới đạt đến góc t (tia 2) thì nó không đi vào môi trường thứ hai
nữa, mà bị khúc xạ chạy song song với mặt phân cách, góc khúc xạ là t = 900.
B mụn k thut đo và tin học công nghiệp

13


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Theo (2.1) th× cã sin αt =

n2
n1

(2.2)

B©y giê nÕu cho tia tíi víi gãc tới > T thì tia sẽ bị phản xạ tại một
phân cách trở lại môi trường 1, do đó người ta gọi T là góc tới hạn. Độ lớn
của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất của hai môi trường.
Muốn có phản xạ toàn phần cần có hai điều kiện sau:
- Chiết suất n 1 > n 2
- Gãc tíi lín h¬n gãc tới hạn T .
Người ta ứng dụng nguyên tắc này để chế tạo sợi dẫn quang.
2.2. SI QUANG
2.2.1. Cấu tạo sợi quang
r

a

dm
dk

L
Hỡnh 2.2.cu to si quang
Sợi gồm một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n 1 , bán kính là a và đường
kính là d K và một líp vá cịng lµ vËt liƯu dÉn quang bao xung quanh ruét, cã
chiÕt suÊt n 2 < n 1 vµ đường kính là dm. Các tham số n 1 , n 2 và a quyết định đặc
tính truyền dẫn của sợi quang. Người ta gọi đó là các tham số cấu trúc. Từ n 1
và n 2 người ta định nghÜa:
§é lƯch chiÕt st ∆n = n 1 – n 2

(2.3)

Và độ lệch chiết suất tương đối:

B mụn k thut đo và tin học công nghiệp

14


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

∆=

∆n n1 − n2 n 2 − n 2
=
=

n1
n1
2n12

(2.4)

Hai tham sè nµy cịng qut định đặc tính truyền dẫn của sợi
2.3.NGUYấN Lí CHUNG.
ng dng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm
một lõi (Core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng
thuỷ tinh có chiết suất n1 > n2. Ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản
xạ nhiềulần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp xúc giáp giữa lõi va lớp bọc. Do
đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn
cong với một độ cong có giới hạn.

n2
n1

Hình 2.3. Ngun lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
a. Khẩu độ số AN (Numerical Apature)
Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu
sợi nhỏ hơn góc giới hạn θ max (hình 2.3) Sin của góc giới hạn này được gọi là
khẩu độ số. Ký hiệu AN:
θ max

AN = Sin

A
1
2

3

Hình 2.4. Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau
* Áp dụng cơng thức smell để tính AN
Tại điểm A đối với tia 2
n 0 Sin θ max = n 1 Sin (900 - θ C )
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

15


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Mà n 0 = 1 chiết suất của khơng khí
Sin (900 - θ C ) = Cos θ C
= 1 − Sin 2θ C
= 1−

n
n22
vì Sinθ C = 1
2
n2
n1

Do đó: AN = Sinθ max = n12 − n22 ≈ n1 2∆
Trong đó:
∆=

n12 − n22 n1 − n2

Độ lệch chiết suất tương đối
≈
2n12
n1

Độ lệch chiết suất tương đối ∆ có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức
là 0.2% đến 1,3%).
2. 3. 1. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất
lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn, chiết
suất của lớp bọc khơng thay đổi còn chiết suất của lõi thay đổi theo bán kính.
Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau:
 
 r 
n1 1 − ∆ 
n(r ) =  
 a 
n
 2

r≤a
a
Trong đó:
n 1 : Chiết suất lớn nhất ở lõi
n 2 : Chiết suất lớp bọc
∆=

n1 − n2
: Độ chênh lệch chiết suất

n1

r: Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất
a: Bk lõi sợi
b: Bk lớp bọc
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

16


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
g: Số mũ quyết định dạng biến thiên g ≥ 1
Các giá trị thông dụng của g:
g = 1 Dạng tam giác
g = 2 Dạng Parabol
g → Dạng bậc nhẩy

g=2
r(na)

n(r)
g=1

b

a

0

g→∞

a

b

Hình 2.5. Các dạng phân bố chiết suất
a. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc: (sợi SI: step – index)
Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp
bọc khác nhau một cáh rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn
phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác
nhau như hình vẽ.

dm
dk

Hình 2.6. Sự truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất nhảy bậc (SI)

Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

17


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc (v) V = c/n 1 ở đây n 1
không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác
nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa
một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng
hơn ở cuối sợi dây, đây là hiện tượng tán sắc (dispersion).
Do đó độ tán sắc lớn nên sợi SI khơng thể truyền tín hiệu số có tốc độ
cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi

có chiết suất giảm dần.
b. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded – Index)
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol:
 
 r 
n1 1 − ∆ 
n(r ) =  
 a 
n
 2

r≤a
a
Do chiết suất lỗi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lỗi
bị uốn cong dần.
Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI không bằng nhau và vận tốc
cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có
vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền
ngắn nhất nhưng đường đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn
nhất. Sợi GI có độ tán sắc nhỏ hơn nhiều so với sợi GI.
Góc mở θ ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo r vì n là một hàm của bán
kính.
2

r 
Sinθ (r ) = n12 (r ) − n = AN 1 −   ≤ AN
a
2
2

Trên trục sợi r = 0 thì θ(0) = θ max
Trên mặt giao tiếp r = a thì θ (a) = 0
Ngồi hai dạng chiết suất SI và GI cịn có một số dạng chiết suất khác
Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

18


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biệt như:
+ Dạng giảm chiết suất lớp học.
+ Dạng dịch độ tán sắc.
+ Dạng san bằng tán sc
2.3.2. Phân loại sợi quang
Các loại sợi quang có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau.
1. Theo cấu tạo: Phân chia theo kích thước ruột và vỏ, theo loại vật liệu
sử dụng và theo sự biến thiên của chiết suất trong ruột sợi.
2. Theo đặc tính truyền dẫn: Phân chia ra sợi đa mốt và sợi đơn mốt.
Trong thực tế, đơn giản và thuận tiện nhất là phân chia ra sợi đơn mốt
và đa mốt, vì trong đó cũng bao gåm sù kh¸c biƯt nhau vỊ cÊu tróc cđa vỏ và
ruột sợi.
2.3.2.1. Các loại sợi đa mốt và đơn mốt
Trên hình 2.7.là cấu tạo của các loại sợi đa mốt và đơn mốt. Đặc điểm
của sợi đa mốt là truyền dẫn đồng thời nhiều mốt, tạm thời hiểu là một loại
sóng, hoặc một tia thành phần, còn sợi đơn mốt chỉ truyền dẫn duy nhất một
mốt. Sợi đa mốt có đường kính ruột d K khá lớn, còn sợi đơn mốt thì d K rất
nhỏ. Nếu hiểu mốt là các tia sáng thành phần được truyền dẫn, thì trong sợi đa
mốt có nhiều tia được truyền dẫn theo các đường đi khác nhau (hình 2.7.a,b),
còn trong sợi đơn mốt chỉ có một mốt là một tia chạy song song với trục của

sợi. Nếu cho vào đầu vào sợi một xung rất hẹp thì ở đầu ra sợi đa mốt và đơn
một nhận được các xung bị biến dạng khác nhau như trên hình vẽ. Bản chất
của hiện tượng này sẽ đề cập dưới đây.
Theo sự biến thiên của chiết suất bên trong ruột sợi, thì người ta chia ra
sợi có chiết suất bậc SI (Step Index), và sợi có chiết suất biến thiên đều GI
(Graded Index), như thể hiện trên hình vẽ.
Trong sợi SI, chiết suất của ruột n 1 không thay đổi, và vì n 1 > n 2 của vỏ
nên tại mặt phân cách vỏ ruột chiết suất có bước nhảy. Trong sợi GI chiết
B mụn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

19


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
suÊt n 1 cña ruột đạt giá trị lớn nhất tại tâm ruột, và giảm dần cho đến mặt phân
cách vỏ ruột thì bằng giá trị n 2 của vỏ. Sợi đơn mốt được chế tạo là sợi SI.
Như vậy có thể tạm chia các loại sợi quang thành ba loại:
1. Sợi đa mèt chiÕt suÊt bËc: SI – MM (Multi Modes) - (STEPINDEX).
2. Sợi đa mốt chiết suất biến đổi: GI MM(GRADED-INDEX).
3. Sợi đơn mốt: SI SM (Single Mode).
r
n2
n1

a

n

SI-MM

Xung vo

r

Xung ra

n2
n1

n

GI-MM

b
r
Xung vào

Xung ra
n2
n

c
n1
SI-SM

Xung vào

Xung ra

Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

20


Trng i hc Bỏch Khoa H Ni
Hình 2.7. Các loại sợi quang SI-MM (a), GI-MM (b) và SI-SM (c) và biến
thiên của chiết suất theo bán kính của sợi.
Sự biến thiên của chiết suất của sợi có thể biểu thị qua c«ng thøc

r
n(r ) = n1 1 − 2∆ 
a

g

cho r ≤ a
cho r > a

n (r) = n 2

(2.5)

Tr­êng hợp g nhỏ thì (2.5) là cho sợi GI, còn khi cho g → ∞ th× cã n(r)
≈ n 1 , là sợi SI. Trong thực tế với g 10 đà coi sợi là sợi SI. Trong thông tin
đường dài, sợi GI có g 2 có đặc tính truyền dẫn tốt nhất, nên thường c
chọn sử dụng là 1 g 3.
Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu để chế tạo sợi quang, song các sợi
quang sử dụng trong viễn thông đều được chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có
chiết suất là:

n = r 1,5

(2.6)

Với r là hằng số điện môi tương đối của vật liệu. Thực ra chiết suất n
còn thay đổi theo bước sóng công tác như trên hình 2.8.

n
1,46
1,45
1,44

/àm
0

0,7 0,8 0,9

1

1,3

B môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1,6

21


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
H×nh 2.8. Sù phơ thc cđa chiÕt st cđa thủ tinh th¹ch anh (SiO 2 ) vào

bước sóng công tác
Khi muốn thay đổi chiết suất để chế tạo ruột và vỏ sợi, chẳng hạn từ
cùng thuỷ tinh thạch anh, người ta cho thêm hoạt chất vào, ví dụ:
- Cho GeO 2 làm tăng chiết suất.
- Cho Fluorid (F) làm giảm chiết suất.
2.4. C TNH CỦA SỢI QUANG
a. Định nghĩa
Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cự
li với quy luật hàm số mũ, ánh sáng bị tổn hao, hiện tượng này gọi là hiện
tượng suy hao của sợi quang. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công
suất có dạng:
−

P(z) = P (0) * 10

α
10

Trong đó:
P (0): Cơng suất ở đầu sợi (z = 0)
P (z): Công suất ở cự li z tính từ đầu sợi
α: Hệ số suy hao
+ Độ suy hao của sợi:

A(dB ) = 10 lg

P1
P2

Trong đó:

P 1 = P(0): Cơng suất đưa vào đầu sợi
P 2 = P(L): Công suất ở cuối sợi
+ Hệ số suy hao trung bình:

α (dB / Km ) =

A(dB )
L(Km )

Bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

22


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trong đó:
A: Suy hao của sợi
L: Chiều dài sợi
b. Các nguyên nhân gây suy hao
Suy hao do hấp thụ:
+ Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ
tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Mức độ hấp thụ
của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng
truyền qua nó.
Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thuỷ
tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỉ.
+ Sự hấp thụ của ion OH: Sự có mặt của các ion này trong sợi quang
cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt ở bước sóng 950nm,
1240nm, 1400nm độ hấp thụ tăng vọt. Trong quá trình chế tạo nồng độ ion
OH trong sợi được giữ ở mức dưới một phần tỉ để giảm độ hấp thụ của nó.

Suy hao do tán xạ:
+ Tán xạn Rayleigh: Khi sóng điện từ truyền trong mơi trường điện
mới gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xảy ra hiện tượng tán xạ, những chỗ
không đồng nhất này do cách sắp xếp của các phân tử thuỷ tinh, các khuyết
tật của sợi….Khi kích thước của các vùng khơng đồng nhất vào khoảng 1/10
bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng
truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ một
phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ phần còn lại truyền
theo các hướng khác.
Độ suy hao của tán xạ. Rayleigh tỉ lệ nghịc với luỹ thừa bậc bốn của
bước sóng nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài. Ở bước sóng 1300nm

Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

23


Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
suy hao chỉ khoảng 0,3 dB/Km và ở bước sóng 1500nm suy hao cịn thấp hơn
nữa.
Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc khơng hồn hảo: khi tia
sáng truyền đến những chỗ khơng hồn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị
tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác
nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và
bị suy hao dần.
Suy hao do sợi bị uốn cong:
Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao
của sợi cũng tăng lên, sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi
qua những chỗ uốn cong đó. Khi bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao
càng tăng vì thế bán kính uốn cong tối thiểu được cho phép là từ 30nm đến

50nm.
2.4.1. Hiện tượng tán xạ trong sợi quang
a. Định nghĩa
Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang xuất hiện hiện tượng
dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu thậm chí các xung lân cận cịn đè lên
nhau khi đó khơng phân biệt được các xung với nhau nữa gây méo tín hiệu
khi tái sinh hiện tượng này gọi là hiện tượng tán xạ.
Tán xạ có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng truyền dẫn:
+ Khi truyền tín hiệu digital trong miền thời gian nó gây ra sự gián
rộng các xung ánh sáng.
+ Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biến độ tín hiệu bị giảm nhỏ
và có hiện tượng dịch pha do đó độ rộng băng truyền dẫn của sợi bị giới hạn.
b. Hiện tượng tán xạ mode
Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode, các thành phần ánh sáng
lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nhau, nên có sự chênh
Bộ mơn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

24