Bài giảng Thiết kế hệ thống thông tin quang im - Dd

LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (cáp quang được chế tạo từ sợi thuỷ tinh). Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hản các phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh – nó còn là phương tiện truyền dân an toàn nhất trong môi điều kiện kể cả thời bình cũng như thời chiến tranh điện tử. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa... Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại: cồng kềnh và tốt kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực xâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã, phố, phường... Nó sẽ xuyên trái đất vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hoá, đời sống và phục vụ mọi yêu cầu cho con người trong thời đại thông tin hện nay và là yếu tố chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Trong phạm vi thiết kế môn học này em sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thốn thông tin quang và các bước triển khai một hệ thống thông tin quang. HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG IM – DD I.GIỚI THIỆU Hệ thống thông tin quang IM-DD sử dụng điều biến cường độ IM (Intensity Modulation), và tách sóng trực tiếp DD (Direct Detector) thông tin về pha của tín hiệu không đóng vai trò quan trọng (khác biệt với hệ thống TTQ kết hợp Coherent) .Hệ thống TTQ IM-DD ra đời đầu tiên, đã và đang được sử dụng rộng rãi trong mạng quang tại Việt nam và nhiều nước khác. Tốc độ hiện nay đạt (2,5 ->10 Gb/s STM-4,STM-64) Signal out Clock pulse Bộ mã hóa Bộ kích thích Nguồn phát quang Bộ giải mã Tách song quang Bộ khuyếch đại Mạch quyết định Tách xung Clock Sợi quang Signal in Clock pulse Sơ đồ hệ thống thong tin quang IM 1.1 Đặc điểm: - Được triển khai đầu tiên vào năm 1978 cho tới nay được ứng dụng trong mọi cấp mạng. - Tương thích với nhiều loại sợi quang. - Có thể truyền các loại tín hiệu tương tự, số băng rộng băng hẹp. * Ưu điểm: - Nguyên tắc hoạt động đơn giản ,đơn giản trong việc chế tạo ,thiết kế hệ thống, duy tu bảo dưỡng -> giá thành rẻ. - do sử dụng 1 bước sóng trên lớp đường quang -> không tồn tại nhiễu giữa các kênh quang. * Nhược điểm: - Năng lực của hệ thống chưa cao :cự ly chưa xa do công suất nguồn quang còn hạn chế ,tốc độ chưa cao do giới hạn ghép kênh phía điện (sử dụng công nghệ SDH modul truyền dẫn tối đa mới là STM-64). - Chỉ truyền 1 bước sóng trên sợi quang nên chưa tận dụng được băng thông của sợi. - Chưa tận dụng hết tham số ánh sáng trong quá trình truyền tin (mới chỉ sử dụng cường độ bức xạ). 1.2 Các vấn đề cần quan tâm để hệ thống IM-DD công tác ổn định : Ảnh hưởng của điều chế nguồn không hoàn hảo: Đối với các nguồn quang thì ngay cả khi không có dòng điện tín hiệu kích thích thì ánh sáng bức xạ ra của LED và LD có thể không hoàn toàn tắt hẳn .Để các nguồn quang làm việc trong vùng đặc tính tuyến tính và mở rộng băng tần công tác của chúng ,trong nhiều trường hợp người ta còn đặt trước cho các nguồn quang một dòng điện ban đầu Ảnh hưởng của nhiễu dòng tối : Người ta có thể chia nhiễu dòng tối ra làm 2 thành phần là nhiễu dòng tối khối và nhiều dòng tối bề mặt .Với thu quang là PIN thì không cần quan tâm tới nhiễu dòng tối ,còn với APD thì không cần quan tâm tới nhiễu dòng tối bề mặt . Ảnh hưởng của nhiệt độ : +Đối với nguồn quang: Khi nhiệt độ tăng -> công suất bức xạ giảm -> ảnh hưởng tới S/N giảm, nhiệt độ tăng làm cho bề dày dải cấm thay đổi -> độ rộng phổ sẽ tăng .Khi nhiệt độ tăng thì thời gian tăng sườn xung tín hiệu sẽ tăng và tốc độ bít sẽ giảm, bước sóng công tác bị thay đổi. +Với sợi quang: Khi nhiệt độ tăng -> tiêu hao riêng trên sợi quang sẽ thay đổi. +Với bộ tách sóng: khi nhiệt độ tăng thì hệ số nhân hạt M sẽ tăng với APD -> nhiễu lượng tử tăng và nhiễu nhiệt tăng -> S/N giảm. Ảnh hưởng của sự hóa già: Do ảnh hưởng của thời gian làm cho các phần tử của hệ thống thông tin quang có xu hướng giảm chất lượng do các tham số hệ thống bị thay đổi ,một số phần tử trên hệ thống bị sửa chữa thay thế điều này dẫn tới sự không đồng nhất của hệ thống -> ảnh hưởng tới tham số của hệ thống .Vì vậy người ta đưa ra quỹ dự trữ suy hao cho sợi quang (0,1dB/Km), dự trữ cho thiết bị ITU khuyến nghị dự trữ cho cả phía phát và phía thu là 3dB/khoảng lặp. 1.3 Hai điểm quan trọng nữa cần lưu ý với phần tử phát quang laser: 1. Sự già vì nhiệt: Khi nhiệt độ tăng một chút, độ dốc đặc tuyến Pas theo Ib (Pas là công suất ánh sáng phát ra, Ib là dòng bơm) giảm, gây giảm công suất quang phát ra. Khi nhiệt độ giảm thì độ dốc đó lại tăng trở lại. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ môi trường lớn quá một mức nào đó thì sau khi nhiệt độ giảm, độ dốc đặc tuyến không tăng trở lại như cũ nữa. Chính vì thế cần phải bảo ôn nghiêm ngặt cho laser. 2. Mặt ghép của laser bán dẫn khá mỏng, do vậy dễ bị đánh thủng bởi tĩnh điện. Vì vậy, khi thao tác với khối laser phát nhất thiết nhân viên phải tiếp mát thân thể để tránh tĩnh điện cơ thể (tích lại do quần áo nilon cọ sát, nhất là vào những ngày trời khô, ở chỗ có khí hậu khô hay trong phòng máy có điều hòa không khí và hút ẩm) làm thủng mặt ghép laser. II.QUY TRÌNH THIẾT KẾ TUYẾN: Quy trình thiết kế tuyến: Gồm 6 bước thì 3 bước đầu tiên phụ thuộc rất nhiều vào tuyến cần thiết kế, địa hình và kinh nghiệm lựa chọn thiết bị của người thiết kế, còn 3 phần sau là phần tính toán cụ thể. Chọn tuyến Chọn cáp quang Chọn thiết bị Tính toán chiều dài cực đại cho phép Tính toán và kiểm tra thời gian tăng suờn xung Kiểm tra tỷ số lỗi bít 2.1 Chọn tuyến: Chọn tuyến phải đáp ứng, thoả mãn các yêu cầu: - Tuyến ngắn nhất có thể - Tuyến phải thuận tiện cho việc thi công, xây dựng, duy tu, bảo dưỡng, khai thác và ứng cứu thông tin (Hành lang đường bộ, đường sắt). - Tránh đầm lầy, ao hồ, khu dân cư, kiến trúc lớn. - Tránh các công trình ngầm. - Chọn tuyến: phải dựa trên bản đồ hành chính, địa hình và số liệu điều tra, khảo sát. 2.2 Chọn Cáp: - Chọn sợi: vì đây là hệ thống IM - DD thông thường, không sử dụng khuếch đại quang sợi; không sử dung công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng và chọn loại sợi quang đơn mod silica chuẩn hiện nay đó là: loại NDSF (cụ thể là SMF - 28). Loại sợi này có hệ số tán sắc bằng 0 nằm trong vùng bước sóng 1310nm. Nhưng nó lại gây tán sắc khá lớn với buớc sóng 1550nm và cần được bù tán sắc (khoảng 17 PS/nm/KM) - Chọn số lượng sợi quang: Ở đây ta chỉ chọn 1 sợi quang truyền đơn hướng. - Các thông số sợi: Bước sóng công tác: 1550nm (chú ý: bù tán sắc 17PS/nm/ Km cho sợi đã chọn) Suy hao riêng của sợi: ở bước sóng 1550nm theo khuyến nghị ta có suy hao riêng của sợi SMF- 28 là: 0,2 db/Km. Hệ số tán sắc của loại sợi này theo khuyến nghị: 20PS /nm/km. Chiều dài chế tạo sợi : Lo = 3Km 2.3 Chọn thiêt bị : Trong hệ thống này ta chọn 4 loại thiết bị : Đầu cuối: TE Thiết bị xen tách kênh: ADM Trạm lặp: RG Đầu nối chéo số: DXC Các thông số sử dụng thay thế : a) Phát: +) Công suất phát trung bình t = 5 Dbm +) Độ rộng phổ: đây là Laser lên có độ rộng phổ chọn là: Δλ = 0,2nm +) Thời gian tăng sườn xung: Tos= 0,8ns b) Bên thu: + Độ nhạy máy thu: S = - 40 dBm + Thời gian tăng sườn xung của phôtôđiôt: tính toán dựa vào tụ C và điện trở tải + Hệ số khuếch đại: M = 1 (vì ta chọn PIN ) + Trở tải: Rc = 50 Ω ; C = 1 pF 2.4 Xác định chiều dài lớn nhất của khoảng lặp: Đây là phần quan trọng nhất của người thiết kế, vì thiết bị có thể được lựa chọn trước và yêu cầu lắp đặt tuyến, phần này sẽ quyết định xem tuyến có hoạt động đựoc hay không và chất lượng của tuyến sẽ như thế nào. Vị trí của các trạm, chiều dài và khoảng cách các trạm ra sao, đặt ở đâu. Do yêu cầu thiết kế tuyến (cụ thể ở đây thì tuyến của bạn yêu cầu là Ltt=150KM). Để tuyến có thể hoạt động thì bạn cần đặt các trạm lặp xen giữa tuyến để bù phần suy hao và tán sắc trong quá trình thông tin truyền trong sợi quang. Trong các hệ thống thông tin quang thì 3 vấn đề quan trọng cần phải tính đến đó là: suy hao, tác sắc và các hiệu ứng phi tuyến ( hiệu ứng phi tuyến chỉ tính đến đối với các hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng WDM). Với tuyên quang của bạn không có WDM nên không cần chú ý đến phi tuyến nữa. Trong đó thì suy hao sẽ ảnh hưởng đến cự ly thông tin, còn tác sắc thì vừa ảnh hưởng đến cự ly thông tin lại vừa ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn. a) Xác đinh chiều dài cực đại giới hạn bởi quỹ công suất (quỹ suy hao). Quỹ suy hao lớn nhât : S-> R là : Amax = Af +Ac + As +Am Trong đó : Af: là suy hao sợi quang đã chọn ở trên Ac: là suy hao mối nối chọn là: 0,3 db(max) (có 2 bộ ghép nối ở bên thu và phát). As: là suy hao do mối hàn chọn là: 0,5 db(max) (chú ý đến việc tính toán số lượng mối hàn trên toàn tuyến, nó phụ thuộc vào Ltt và Lo của sợi quang) Thay vào công thức cân bằng công suất: Pr = Pt - A max Ta có công thưc tính chiều dài cực đại giới hạn bởi quỹ công suất là: Chú ý: λ = 0, 2 db/Km đã chọn ở phần chọn sợi b) Xác định chiều dài cực đại giới hạn bởi tác sắc :L2max Tán sắc sợi phụ thuộc vào độ rộng băng tần sơi quang WBf ta có : WBf = 0,441/T ; Với: T = D. Δλ. L tán xạ sợi quang để thảo mãn yêu cầu về tán sắc thì ta phải có : WBf > WBth trong đó WBth (độ rộng băng tần tin hiệu) phụ thuộc vào mã đường điện: NRZ hay là RZ WBth của mã RZ = BR WBth của mã NRZ = BR/2 Vậy C) Chiều dài cực đại của khoảng lặp : Lmax Như ở trên đã xét đến chiều dài cực đại của khoảng lặp bị giới hạn bởi quỹ suy hao và tán sắc →Vì trong hệ thống IM- DD thì tồn tại cả 2 vấn đề suy hao và tán sắc lên chiều dài cực đại của khoảng lặp Lmax phải thoả mãn cả 2 giới hạn trên. → Lmax = Min { L1max ; L2max} Tiến hành so sánh Ltt với Lmax: Nếu Lmax > Ltt : thì đáp ứng được yêu cầu truyền dẫn Nếu Lmax < Ltt : thì không đáp ứng được yêu cầu và cần phải khắc phục bằng việc chọn lại cá phần tử của tuyến hoặc bù suy hao bằng cách bổ xung thêm trạm lặp RG 2.5 Thời gian tăng sườn xung của hệ thống. Gọi là thời gian tăng sườn xung của hệ thống ta có : (hệ thống) = Trong đó : os là thời gian tăng sườn xung của nguồn quang đã chọn ở trên: 0,8 ns of là thời gian tăng sườn xung của sợi oR là thời gian tăng sườn xung của bộ thu quang Với oR = Vì mạch tương đương của bộ thu quang là mạch tập trung lên ta có C=2,9.R.C Với R và C là phần tử trở tải và tụ điốt đã chọn ở trên (R = 50 Ωm; C=1pF) tín hiệu : phụ thuộc vào mã điều chế : Nếu là NRZ → tín hiệu = 0 ,7 /BR Nếu là RZ → tín hiệu = 0,35 /BR → tiến hành so sánh giữa hệ thống với tín hiệu Nếu hệ thống ≤ tín hiệu : thì thoả mãn điều kiện tăng sườn xung Nếu hệ thống > tín hiệu : thì cần phải chọn lại các phần tử có thời gian tăng sườn xung thoả mãn. 2.6 Tính toán tỉ số lỗi BER : Căn cứ vào Công thức giữa tỉ số lỗi BER và tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N từ đó ta tính được BER của hệ thống (chú ý là S/N ở đây chỉ phụ thuộc vào nhiễu nhiệt mà thôi). Việc chọn thiết bị thu ứng với một tỷ lệ lỗi bit BER cho trước là một công đoạn quang trọng, bởi lẽ độ nhậy tính được ta sẽ có công suất phát tối ưu và như vậy sẽ làm cho tuyến hoạt động ổn định. Với BER cho trước thì ta sẽ có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ bảng dưới đây: S/N (dB) 10 10-2 10-3 10-7 10-6 10-5 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-4 BER = 1/2 erfc(Q) 1 2 3 4 5 6 7 5 10 15 20 23 Q = Hình 5.2 Tỷ số bit BER Sau đó so sánh BER hệ thống với BER khuyến nghị : +) Nếu BER hệ thống: ≤ thì thoả mãn +) Nếu BER hệ thống: > thì không thoả mãn và cần chọn lại các tham số bên thu để được BER theo yêu cầu +) Với BER = thì từ hình vẽ ta sẽ có S/N = 22,6dB hay S/N = 182 lần KL: Phần thiết kế đã được trình bày song, Điều quan trọng của người thiết kế là tính toán được các tham số của tuyến truyền dẫn như: chiều dài cực đại của trạm lặp ; tỉ số lỗi BER ; và thời gian tăng suờn xung , và các tham số bên thu và phát để tuyến hoạt động ổn định . Khi không thoả mãn 1 yêu cầu nào đó thì cần phải đua ra các giải pháp như : thay thế thiết bị ; tăng vị trí trạm ...... Chú ý : Với tuyến truyền dẫn Ltt= 150KM của bạn thì trong 3 buớc cuối thì chỉ cần thay số là tìm ra các tham số cụ thể .. III. TÍNH TOÁN TỔN HAO TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN Loại tổn hao Đơn vị Số lượng Tổng Tổn hao sợi 0,25dB/km 100km 25dB Tổn hao mối hàn 0,1dB 20 2dB Tổn hao mối nối 1dB 2 2dB Dự phòng 5dB 5dB PA =34dB 3.1 Độ nhạy của máy thu trong trường hợp sử dụng PIN Ta sẽ có công thức S/N đối với thiết bị thu PIN như sau: Với: B t= B = 2,5Gb/s (do mã sử dụng là RZ) Chọ thiết bị thu là photodiode PIN G6742-003 của Hamamatsu Photonic (có thông số kèm theo) Các thông số của PIN: R ==0,95A/W RL = 50 Id = 0,3.10-9 A Các hằng số : K = 1,38.10-23 J/K, h = 6,626.10-34 Js, c= 3.108 m/s Thay các giá trị vào ta được phương trình: 182 = Ta được phương trình theo: PS 0, 9025.PS -138, 3.10-9PS -15, 1.10-11 = 0 Giải phương trình bậc hai ta được: PS = 13.10-6 W PS = -12, 8.10-6W (loại) Vậy độ nhạy của máy thu là: PS = 13.10-6 W hay PS =-18.7dBm Từ đó ta có công suất phát tối ưu cho laser trong trường hợp sử dụng PIN: PT =PA +PS = 34 + (-18,7) = 15,34dbm Như vậy chọn thiết bị phát với công suất danh định là: PT = 15,12Mw 3.2 Tính toán thời gian lên -Thời gian lên tối đa của hệ thống tt = 0,7/Bt = 0,7/2,5.109 = 2.8.10-10 s -Thời gian lên của thiết bị thu: tn = 350/B = 350/2,5.109 = 14.10-10 s -Thời gian lên tán sắc mode của sợi quang: tt = 440.Lq/B0 = 440.1000,5/2,5.107 = 176.10-6 s Trong đó: q: là tham số có giá trị từ 0,5 đến 1 Bo : băng tần một km cáp sợi quang (MHz) L : chiều dài của cáp - Thời gian lên tán sắc vật liệu ống dẫn sóng: tvl = D.L. = 17.0.04.100 = 68ps = 68.10-12 Khi đó thời gian lên của tuyến : tt = tt = 2,65.10-10 s Như vậy thời gian lên của tuyến là: tt = 2,65.10-10 s KẾT LUẬN: Kết quả việc tính toán dựa vào các thông số cho trước của tuyến đã cho thấy rằng, ở APD có hệ số nhân M nên tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu S/N có giá trị lớn hơn nên độ nhạy máy thu được nâng cao hơn so với PIN. Do đó, việc lựa chọn APD làm thiết bị thu quang sẽ kéo theo thuận lợi là chỉ cần sử dụng diode Laser với công suất phát nhỏ hơn rất nhiều so với khi dùng PIN làm thiết bị thu quang.