Các ưu điểm và nhược của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang

Lêi nãi ®Çu:

====***====

C¸ch ®©y 20 n¨m, tõ khi hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang chÝnh thøc ®a

vµo khai th¸c trªn m¹ng viÔn th«ng. mäi ngêi ®Òu thõa nhËn r»ng ph¬ng thøc

truyÒn dÉn quang ®· thÓ hiÖn kh¶ n¨ng to lín trong c«ng viÖc chuyÓn t¶i c¸c

dÞch vô viÔn th«ng ngµy cµng phong phó. vµ hiÖn ®¹i cña nh©n lo¹i, c¸c hÖ

thèng th«ng tin quang víi nh÷ng u ®iÓm vÒ b¨ng tÇn réng, cã cù ly th«ng tin

cao. §· cã søc hÊp dÉn m¹nh ®èi víi c¸c nhµ khai th¸c. c¸c hÖ thèng th«ng tin

quang kh«ng chØ ®Æc biÖt phï hîp víi c¸c tuyÕn th«ng tin xuyªn lôc ®Þa, ®êng

trôc vµ trung kÕ mµ cßn cã tiÒm n¨ng to lín trong viÖc thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng

cña m¹ng néi h¹t víi cÊu tróc linh ho¹t vµ ®¸p øng mäi lo¹i h×nh dÞch vô hiÖn

t¹i vµ t¬ng lai.

Trong vßng mêi n¨m qua, cïng víi sù vît bËc cña c«ng nghÖ ®iÖn tö , viÔn

th«ng, c«ng nghÖ sîi quang vµ th«ng tin quang ®· cã nh÷ng tiÕn bé vît bËc, gi¸

thµnh kh«ng ngõng gi¶m t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc ngµy cµng réng r·i trªn nhiÒu

lÜnh vùc th«ng tin, c«ng nghÖ th«ng tin quang ®· ®îc khai th¸c phæ biÕn trªn

m¹ng líi hiÖn nay chØ lµ giai ®o¹n sù khëi khai ph¸ c¸c tiÒm n¨ng cña nã. nh ta

®· biÕt kü thuËt vµ c«ng nghÖ th«ng tin quang cã mét tiÒm n¨ng v« cïng phong

phó vµ c«ng viÖc nghiªn cøu ph¸t triÓn cßn ®ang tiÕn tíi phÝa tríc víi mét tiÒn

®å réng lín, néi dung cuèn s¸ch ‘ §å ¸n tèt nghiÖp‘. Nµy chØ nãi ®îc mét phÇn

trong sîi quang nªn ®ang cßn nhiÒu h¹n chÕ vµ thiÕu sãt vËy mong c¸c thÇy c«

gióp ®ì nhiÒu. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n.

Trang 1

CH¦¥NG I :

Tæng quan vÒ th«ng tin quang.

1.1 tiÕn tr×nh ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin quang.

Tõ xa xa loµi ngêi ®· biÕt sö dông ¸nh s¸ng ®Ó truyÒn th«ng tin nhê tÝn

hiÖu khãi hay ¸nh s¸ng ph¶n x¹ ra g¬ng....

ý tëng truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi thuû tinh cã thÓ coi b¾t nguån tõ thÝ

nghiÖm vÒ ‘’ suèi ¸nh s¸ng ‘’ cña john Tydll ë anh vµo thÕ kû thø 19

( n¨m1870).Ngêi ta quan s¸t ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ mét nguån s¸ng, cã thÓ truyÒn

qua mét dßng níc hÑp do hiÖn tîng ph¶n x¹ toµn phÇn .

C¸c thÝ nghiÖm ®Çu tiªn vÒ truyÒn dÉn ¸nh s¸ng qua sîi thuû tin ®îc thùc

hiÖn ë ®øc vµo n¨m 1930. Do c¸c sîi thuû tin lóc b©y giê chØ cã mét líp chiÕt

xuÊt nªn dÔ g·y vµ suy hao rÊt lín .

Sù ph¸t minh laser vµo ®Çu n¨m 1960 ®· cho phÐp ph¸t triÓn nh÷ng øng

dông míi trªn sîi quang.Sau khi laser ra ®êi, ngêi ta ®· thùc hiÖn nh÷ng hÖ

thèng th«ng tin quang thö nghiÖm ,lÊy kh«ng khÝ lµm m«i trêng truyÒn dÉn nh

th«ng tin b»ng sãng v« tuyÕn. Nhng viÖc truyÒn ¸nh s¸ng trong kh«ng khi thêng

bÞ h¹n chÕ bëi ®iÒu kiÖn h¹n chÕ do tÝnh truyÒn th¼ng cña tia còng nh c¸c ®iÒu

kiÖn thêi tiÕt nh ma b·o, s¬ng mï,nhiÖt ®é thay ®æi..., lµm cho th«ng tin mÊt æn

®Þnh h¬n sãng v« tuyÕn .Ngêi ta dù tÝnh cã thÓ truyÒn qua nh÷ng kho¶ng c¸ch

xa nhê sîi quang, nhng suy hao cña sîi quang ë thêi ®iÓm nµy lµ rÊt lín

( 1000dB/km vµo n¨m 1967 ). Do vËy ,viÖc sö dông sîi quang chØ lµ h¹n chÕ ë

nh÷ng kho¶ng c¸ch ng¾n vµ trong phßng thÝ ngiÖm .

Vµo n¨m 1970 ngêi ta chÕ t¹o thµnh c«ng sîi quang b»ng Silic cã suy hao

20 dB/km.

N¨m 1976 ,hÖ thèng th«ng tin b»ng sîi quang dµi 10km lÇn ®Çu tiªn ®îc

l¾p ®Æt t¹i Atlanta (Mü) víi tèc ®é 45Mbit/s .

Víi nh÷ng tiÕn bé ®¹t ®îc trong viÖc chÕ t¹o c¸c linh kiÖn vi ®iÖn tö , ®iÖn

quang vµ nh÷ng c«ng nghÖ míi nh khuÕch ®¹i quang, ghÐp kªnh theo bíc sãng,

Trang 2

®· gióp chóng ta thùc hiÖn c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn cã tèc ®é ®Õn 40 G bit/ s

víi cù li ®Õn hµng ngh×n Km (tuyÕn SEA - ME - WE 3)

C¸c hÖ thèng truyÒn dÉn quang kh«ng nh÷ng ®îc sö dông ngµy cµng nhiÒu

trong m¹ng viÔn th«ng mµ cßn thªm nhiÒu øng dông trong hÖ thèng c«ng

nghiÖp vµ d©n dông .

1.2.C¸c u ®iÓm vµ nh îc cña hÖ thèng truyÒn dÉn c¸p sîi quang

a).hÖ thèng truyÒn dÉn quang cã nh÷ng u ®iÓm sau:

§é réng b¨ng tÇn lín (kho¶ng 15 THz ë nm) vµ suy hao thÊp (0,2 – 0,25

dB / KM ë bíc sãng 1550nm). ®é réng b¨ng tÇn lín vµ suy hao thÊp ®iÒu nµy

cho phÐp truyÒn dÉn tèc ®é bit cao trªn cù li rÊt xa.

Sîi quang kh«ng bÞ ¶nh hëng cña nhiÔm ®iÖn tõ .

TÝnh an toµn vµ tÝnh b¶o mËt cao do kh«ng bÞ rß sãng ®iÖn tõ nh c¸p kim

lo¹i. Sîi quang cã kÝch thíc nhá, kh«ng bÞ ¨n mßn bëi a xit, kiÒm, níc cã ®é

bÒn cao.

HÖ thèng truyÒn dÉn quang cã kh¶ n¨ng n©ng cÊp dÔ dµng lªn tèc ®é bit

cao h¬n b»ng c¸ch thay ®æi bíc sãng c«ng t¸c vµ kü thuËt ghÐp kªnh. b).Nhîc

®iÓm cña hÖ thèng truyÒn dÉn quang:

- Kh«ng truyÒn dÉn ®îc nguån n¨ng lîng cã c«ng suÊt lín , chØ h¹n chÕ ë

møc c«ng suÊt cë vµi miliwat.

- TÝn hiÖu truyÒn bÞ suy hao vµ gi·n réng, ®iÒu nµy lµm h¹n chÕ cù li hÖ

thèng truyÒn dÉn. ThiÕt bÞ ®Çu cuèi vµ sîi quang cã gi¸ thµnh cao so víi hÖ

thèng dïng c¸p kim lo¹i .

- HÖ thèng th«ng tin quang yªu cÇu cÊu t¹o c¸c linh kiÖn rÊt tinh vi vµ ®ßi

hái ®é chÝnh x¸c tuyÖt ®èi lµ trong viÖc hµn nèi lµ phøc t¹p.

- ViÖc cÊp nguån ®iÖn cho c¸c tr¹m trung gian lµ khã v× kh«ng lîi dông

lu«n ®îc ®êng truyÒn nh ë trong c¸c hÖ thèng th«ng tin ®iÖn .

1.3. C¸c hÖ thèng truyÒn dÉn sè b»ng c¸p sîi quang trong

m¹ng viÔn th«ng.

Trang 3

1.3.1.HÖ thèng truyÒn dÉn b»ng sîi quang, ®iÒu chÕ cêng ®é t¸ch sãng

trùc tiÕp.

Trong hÖ thèng ®iÒu chÕ cêng ®é – thu trùc tiÕp , ngêi ta dïng tÝn hiÖu

®iÖn ®Ó ®iÒu chÕ cêng ®é bøc x¹ cña nguån quang. ë ®Çu thu vµ tÝn hiÖu ®îc

t¸ch ra trùc tiÕp trªn dièt quang tõ nguån c«ng xuÊt quang nhËn ®îc .

C¸c hÖ thèng truyÒn dÉn hiÖn nay ®Òu sö dông nguyªn lý trªn.hÖ thèng

®iÒu chÕ cêng ®é thu trùc tiÕp cã u ®iÓm lµ ®¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn do c¸c phÇn

tö nguån quang, sîi quang, thu quang ®Òu kh«ng ®ßi hái cao vÒ c¸c th«ng sè,

chÕ ®é ho¹t ®éng : bÒ réng phæ, æn ®Þnh tÇn sè, nhiÖt ®é, ph©n cùc nhng khi

truyÒn dÉn ë tèc ®é cao tõ 2,5 Gbit/s trë lªn th× ®é nh¹y thu bÞ gi¶m m¹nh,

khiÕn cù ly tr¹m lÆp bÞ h¹n chÕ, ®ång thêi kh«ng tËn dông ®îc b¨ng tÇn rÊt réng

cña sîi quang ( hµng chôc ngh×n GHz).

C¸c hÖ thèng th«ng tin quang hiÖn nay truyÒn cã tèc ®é bit theo tiªu chuÉn

ph©n cÊp ®ång bé (SDH): 155 Mbit/s 622M bit/s 2500M bit/s vµ 10Gbit/s. Nhê

sö dông c¸c bé khuÕch ®¹i quang, cù li c¸c tuyÕn th«ng tin c¸p sîi quang 2,5

Gbit/s trªn ®Êt liÒn ®¹t kho¶ng 150 Km . víi hÖ thèng c¸p quang th¶ biÓn, ngêi

ta ®· thùc hiÖn tuyÕn 2,5 Gbit/s cã chiÒu dµi 10.073Km trªn tuyÕn sö dông 199

bé khuÕch ®¹i quang EDFA.(Erbium Doped Fiber Amplifier )

Bé biÕn ®æi E/0 Bé biÕn ®æi O/E

C¸p C¸p

Quang Quang

ThiÕt bÞ ®Çu cuèi tuyÕn ThiÕt bÞ ®Çu cuèi tuyÕn

H×nh 1.1. C¸c thµnh phÇn chÝnh cña tuyÕn truyÒn dÉn c¸p sîi quang

HÖ th«ng tin quang gåm c¸c thµnh phÇn chÝnh :

Trang 4

Khèi

ghÐp

kªnh

Bé

®iÒu

khiÓn

Nguån

quang

Tr¹m

LÆp

KhuÕch

®¹i

Kh«i

phôc

tÝn

hiÖu

Khèi

T¸ch

Kªnh

C¸c

luång tÝn

hiÖu ®iÖn

C¸c

luång tÝn

hiÖu ®iÖn

Khèi dån kªnh / t¸ch kªnh : GhÐp c¸c luång tÝn hiÖu cã tèc ®é thÊp

(2Mbit/s, 34Mbit/s, 140M bit/s,158Mbit/s..)thµnh luång tÝn hiÖu cã tèc ®é bit

cao h¬n vµ ngîc l¹i .

Khèi ph¸t : Gåm cã m¹ch kiÒu khiÓn, nguån quang thùc hiÖn viÖc ®iÒu

biÕn c¸c tÝn hiÖu thµnh c¸c tÝn hiÖu quang ®Ó truyÒn vµo sîi quang .

C¸c hÖ thèng th«ng tin quang coherent trong t¬ng lai th× ¸p dông nguyªn lý

®iÒu pha hoÆc ®iÒu tÇn tÝn hiÖu quang.

C¸p sîi quang : §Ó truyÒn dÉn tÝn hiÖu ¸nh s¸ng.

Tr¹m lÆp : HoÆc lµ bé khuÕch ®¹i quang ®èi víi tuyÕn cã tÝn hiÖu dµi .

Khèi thu quang : Gåm cã photodide ®Ó chuyÔn tÝn hiÖu quang thµnh tÝn

hiÖu ®iÖn , khèi khuÕch ®¹i vµ kh«i phôc tÝn hiÖu .

C¸c hÖ thèng th«ng tin quang ®· ph¸t triÓn qua 4 thÕ hÖ:

ThÕ hÖ 1: Sö dông sîi quang ®a chiÕt xuÊt bËc ( Step Index – SI ) vµ

chiÕt suÊt biÕn ®æi ( Graded Index – GI ), ho¹t ®éng ë bíc sãng 850nm. Linh

kiÖn thu, ph¸t thêng ®îc sö dông lµ LED vµ diode PIN.

ThÕ hÖ 2:Sö dông sîi quang ®a mode, GI, ho¹t ®éng ë bíc sãng 850n

mvµ 1300nm. Nhê sö dông diode laser, hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang thÕ hÖ

2 cã thÓ truyÒn hµng chôc Mbit/s qua cù ly vµi chôc km (B.L∼ 1000MHz. Km).

ThÕ hÖ 3: Sö dông sîi quang ®¬n mode , ho¹t ®éng ë bíc sãng 1300nm.

Do sîi quang ®¬n mode cã ®é réng b¨ng tÇn cao h¬n nhiÒu sîi quang ®a

mode, hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang thÕ hÖ 3 cã thÓ truyÒn tèc ®é hµng tr¨m

Mbit/s qua cù ly th«ng tin tr¹m lÆp tíi gÇn 100km.

ThÕ hÖ 4: Sö dông sîi quang ®¬n mode , ho¹t ®éng ë bíc sãng 1550nm. ë

hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang thÕ hÖ 4, ngêi ta b¾t ®Çu sö dông c¸c diode

laser ®¬n mode cã bÒ réng phæ hÑp ( lo¹i håi tiÕp ph©n bè DFB-Ditributed

Feedback ), cho phÐp truyÒn tèc ®é 2.5Gbit/s qua cù ly 150 – 200km kh«ng

cÇn tr¹m lÆp.Trong thêi gian tíi, ph¬ng híng ph¸t triÓn chÝnh cña c«ng nghÖ

th«ng tin c¸p sîi quang tiÕp tôc ph¸t triÓn hÖ Trong thèng IMDD song song víi

Trang 5

c«ng nghÖ ghÐp kªnh theo bíc sãng, thêi kü thuËt khuÕch ®¹i quang sîi ( EDFA

) vµ kü thuËt bï t¸n s¾c. Môc ®Ých lµ t¨ng tèc ®é truyÒn dÉn lªn hµng chôc

Gbit/s vµ cù ly tr¹m lÆp lªn hµng tr¨m km.

Sîi hång quang- HÖ thèng quang

coherent – GhÐp WDM

1000 Híng trong t¬ng lai

DFBLD-( håi tiÕp ph©n bè)

1500nm

100

1300nm

10 850nm

sîi ®a mode sîi ®¬n mode

1

0.01 0.1 1 10 100

tèc ®é bit (G bit/sd )

H×nh 1.2. C¸c thÕ hÖ ph¸t triÓn cña hÖ thèng th«ng tin c¸p sîi quang.

1.3.2. HÖ thèng th«ng tin quang Coherent:

§é nh¹y thu( dBm )

thu trùc tiÕp

Trang 6

-40

thu Coherent

-60

-80

102

103

104

Tèc ®é ®êng truyÒn ( Mbit/s )

H×nh 1.3. Sù phô thuéc ®é nh¹y thu vµo tèc ®é ®êng truyÒn .

Tõ nhiÒu n¨m nay, ngêi ta ®· tiÕn hµnh nghiªn cøu vµ thö nghiÖm vÓ hÖ

thèng th«ng tin quang coherent. c¸c u ®iÓm næi bËt cña hÖ thèng th«ng tin

quang coherent so víi. HÖ thèng ®iÒu chÕ trùc tiÕp cêng ®é ¸nh s¸ng lµ :

C¶i thiÖn ®¸ng kÓ ®é nh¹y thu tõ 15-20dB. §iÒu nµy cho phÐp t¨ng cù li

truyÒn dÉn kh«ng cÇn tr¹m lÆp tõ 75-100km.

N©ng cao n¨ng lùc truyÒn dÉn nhê kh¶ n¨ng sö dông kü thuËt ghÐp kªnh

theo tÇn sè (FDM). víi kü thuËt FDM, chóng ta cã thÓ sö dông mét b¨ng th«ng

réng kho¶ng 20.000Ghz (ë bíc sãng 1500mm-1600mm). T¬ng ®¬ng víi kh¶

n¨ng truyÒn dÉn trªn 120 triÖu kªnh tho¹i trªn mét ®«i quang.

S¬ ®å mét hÖ thèng coherent cã thÓ biÓu diÔn nh h×nh

VÏ:

TÝn hiÖu vµo

Trang 7

Diode §iÒu Bé khuÕch ®¹i

Laser chÕ ngoµi C¸p sîi quang quang

§iÒu Khèi thu M¹ch KhuÕch TÝn hiÖu ra

khiÓn quang trung tÇn ®¹i vµ gi¶i

ph©n cùc ®iÒu chÕ

Bé dao

®éng néi

H×nh 1.4 S¬ ®å mét hÖ thèng th«ng tin quang coherent

ë ®Çu ph¸t : tÝn hiÖu quang ®îc ®iÒu chÕ trªn nguyªn lý dÞch pha PSK

PSK: hoÆc kho¸ dÞch tÇn FSK kü thuËt FSK cho PHÐp gi¶m ®é thu xuènh

2-3dB, nhng yªu cÇu bÒ réng phæ cña nguån ph¸t rÊt hÑp (tû sè bÒ réng phæ/tèc

®é truyÒn ∼10-4) trong khi kü thuËt FSK yªu cÇu tû sè bÒ réng phæ/ tèc ®é

truyÒn ∼10-1).

Sîi quang: Sîi quang dïng trong hÖ thèng coherent cã thÓ lµ lo¹i sîi

quang ®¬n mode th«ng thêng hoÆc sîi ®¬n b¶o toµn ph©n cùc .

NÕu sö dông sîi ®¬n mode thêng, tríc bé thu ta cÇn sö dông bé ®iÒu chØnh

ph©n cùc .

Khèi thu: Trong hÖ thèng coherent , khèi thu ®îc chia thµnh hai lo¹i

Trang 8