Bài giảng Chương 5: Hệ thống thông tin quang (tiếp)

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: Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 Email: emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 2 NỘI DUNG CHƯƠNG 5 • Hệ thống TTQ số • Hệ thống TTQ tương tự • Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 3 Hệ Thống TTQ Số • Tuyến điểm nối điểm ƒ Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của hệ hố hô i t ng t ng t n quang ƒ Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 4 Hệ Thống TTQ Số • Tuyến điểm nối điểm (tt) ƒ Bù suy hao định kỳ bằng cách: (a) sử dụng các trạm tái à (b) ử d kh ế h đ itạo v s ụng u c ạ quang. Bộ thuTrạm tái tạoBộ phát Trạm tái tạo RxRx TxTx Rx Tx (a) Bộ thuBộ khuếch đạiBộ phát Bộ khuếch đại RxTx www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 5 (b) 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 đị h hô ỉ lệ bi lỗi BER h ờ iá ị iên t ng qua t t , t ư ng g tr t u biểu là BER < 10-9 Một ố ấ đề t thiết kế hệ thố TTQ• s v n rong ng ƒ Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ ƒ Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ ƒ Quỹ công suất quang ƒ Quỹ thời gian lên www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 6 Hệ Thống TTQ Số ƒ 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 10log 10 Trong đ : » Pt (mW) là công suất phát trung bình của Tx » Pr (mW) là độ nhạy máy thu hoạt động ở tốc độ bit BT » (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 ó lự h á fa ng n quang c : s a c ọn c s ng, a c ọn m y phát, máy thu thích hợp và sợi quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 7 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) • Đối với sợi đa mode GI: BTL = 2C/(n1Δ2) • Đối với sợi đơn mode: – Ở vùng 1310nm: có tán sắc nhỏ nhất, độ lớn tán sắc chủ yếu phụ ổthuộc vào độ rộng ph nguồn quang. Tích BTL bị giới hạn như sau: khi |M| 2 /k tá ắ iới h B L ≤ 125 (Gb/ ) k ( ) 14 −≤ λσMLBT » σλ= ps m, n s c g ạn T s . 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 www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 8 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 ổ 1550 ( ó thể h t độ ở tố độ 20 Gb/ ới kh ảs nm c oạ ng c s v o ng khuếch đại khoảng 80 km) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 9 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 c á c h ( k m ) K h o ả n g www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 10 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 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 ) là ô ất hát S (dB ) là độ h ủ á th sLt MASP ++= spliceconfL LA ααα ++= » t m c ng su p ; m n ạy c a m y u » AL (dB) là suy hao kênh tổng cộng » MS (dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB à là h á t à h á ối hà» αcon v αsplice suy ao c c connec or v suy ao c c m n dọc theo tuyến sợi quang (dB); αf là suy hao trung bình của sợi quang (dB/km) • Tìm khoảng cách truyền lớn nhất với các linh kiện cho trước . www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 11 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 hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn • Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ: 2/12222 )( TTTT ++= » Trong đó Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với á hát ợi à á th recfibertrr m y p , s quang v m y u www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 12 Hệ Thống TTQ Số ƒ Quỹ thời gian (tt) • Thời gian lên của máy phát Ttr được xác định chủ yếu bởi các thành phần điện tử của mạch điều khiển và các phần 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 máy 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. www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 13 Hệ Thống TTQ Số ƒ Quỹ thời gian (tt) • Thời gian lên của sợi quang Tfiber được tính theo công thức: ó 22 mod 2 chrefiber TTT += Trong đ » T mode là tán sắc mode LT )/( Δ LT )8/( 2ΔSợi SI: ; Sợi GI: » Tchr là tán sắc màu trong sợi quang cne 1mod ≈ cne 1mod ≈ λσLMTchr ≈ » Đối với sợi đơn mode T mode = 0 và Tfiber = Tchr. σλ là độ rộng phổ của nguồn quang (độ rộng nửa công suất). www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 14 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 bước sóng 1,3 µm được thiết 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 rộng phổ của nguồn quang 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 ê ủ ệ ố ằ ậ é ệ ố àl n c a h th ng b ng Tr = 0,524 ns. Nh n x t: h th ng n 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 ã RZ đượ ê ầ t ướ ười thiết kế hảing c. u m c y u c u r c, ng p 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 lớn hơn ở cùng một tốc độ bit . www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ 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 giải mã / Thông tin vào Thông tin ra Mạch định dạng tín hiệu 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 HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 16 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 khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn 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 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 iải ã (d d ) h bộ iải điềtrư c ưa qua g m eco er ay g u chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 17 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • 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 VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 18 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM ƒ Nhiều tín hiệu quang có tốc độ bit BT chia sẻ cùng tần số ó à đ hé iề để h ỗis ng mang v ược g p trong m n quang tạo c u bit có tốc độ NB, với N là số kênh Cấu trúc bộ phát OTDM dựa trên các sợi dây trễ quang www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 19 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM ƒ Một laser có thể tạo ra chuỗi xung một cách có chu kỳ ở ố độ bằ ới ố độ bi B ủ ộ kê h T hiêt c ng v t c t T c a m t n . uy n n, laser sẽ tạo ra các xung có độ rộng Tp sao cho Tp < TB = 1/NBT để đảm bảo mỗi xung vừa với vị trí của nó ở khe thời gian TB. ƒ Ghép N chuỗi bit được thực hiện bằng kỹ thuật làm trễ. Chuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (n - 1)/(NBT), n = 1, 2, , N. Ngõ ra của tất cả các nhánh được tổ hợp lại để tạo tín hiệu ghép www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 20 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Ghép kênh theo bước sóng WDM ƒ Ghép kênh theo bước sóng là thực hiện truyền nhiều b ớ ó ( ó ) ê ù ộ iư c s ng s ng mang quang tr n c ng m t sợ quang, mà mỗi bước sóng được điều chế từ các chuỗi bit (dưới dạng điện) khác nhau Tx 1 Tx1 Tx 2 Tx2 Sợi quang Tx N TxN www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 21 Ghép kênh Tách kênh Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Ghép kênh theo bước sóng WDM ƒ Giả sử hệ thống này ghép N kênh, mỗi kênh có tốc độ bi ứ là B B B đ ề ù lút tương ng T,1, T,2, T,N ược truy n c ng c trên sợi quang có chiều dài L thì tích BTL tổng cộng của tuyến là: BTL = (BT,1 + BT,2 + + BT,N )L ƒ Nếu N kênh này có tốc độ bằng nhau thì dung lượng của hệ thống tăng lên N lần www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 22 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Ghép kênh sóng mang phụ SCM ƒ Khái niệm ghép kênh sóng mang phụ SCM ở đây là ừ ô hệ i b ó ử d hiề ómượn t trong c ng ng v a, n s ụng n u s ng mang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tần số FDM trong miền điện). Băng thông tổng cộng bị giới hạn khoảng 1GHz khi cáp đồng trục được sử dụng để truyền nhiều tín hiệu viba. Tuy nhiên, nếu tín hiệu viba được truyền trên sợi quang thì băng thông của tín hiệu có thể dễ dàng vượt qua 10GHz trên một sóng mang quang. Cơ chế như vậy được gọi là SCM. ểƒ Sự kết hợp giữa SCM và WDM có th tăng băng thông lên đến 1 THz www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 23 Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • 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 được sử dụng để điều chế quang ở bộ phát (Tx) www.ptit.edu.vn GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢPBÔ ̣ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2 Trang 24