HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Fundamental of Optical Fiber Communications
ộ
Q
g
g
g
Giảng viên: Bộ môn: Email:
Th.S Đỗ Văn Việt Em - Th.S Phạm Quốc Hợp Thông Tin Quang – Khoa Viễn thông 2 emdvv@ptit.edu.vn, pqhop@ptithcm.edu.vn
KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG
CHƯƠNG 5
HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Trang 2
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
NỘI DUNG CHƯƠNG 5
Hệ thống TTQ số • Hệ thống TTQ số • Hệ thống TTQ tương tự • Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh • Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
Trang 3
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm
(cid:131) Tuyến điểm nối điểm là loại kiến trúc đơn giản nhất của
hệ thống thông tin quang hệ hố hô i
(cid:131) Chuyển tải thông tin dạng luồng số bit từ một nơi này đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được đến một nơi khác một cách chính xác nhất có thể được (cid:131) 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
(cid:131) Cần thiết phải bù đắp các suy hao trong sợi quang
Trang 4
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• Tuyến điểm nối điểm (tt)
(cid:131) Bù suy hao định kỳ bằng cách: (a) sử dụng các trạm tái
Bộ phát
Trạm tái tạo
Trạm tái tạo
Bộ thu
Tx
Rx
Tx
Rx
Tx
Rx
(a)(a)
Bộ phát
Bộ khuếch đại
Bộ khuếch đại
Bộ thu
Tx
Rx
(b)
tạo và (b) sử dụng khuếch đại quang. kh ế h đ i à (b) ử d
Trang 5
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• Yêu cầu của hệ thống là tốc độ bit BT và khoảng
ỉ lệ bi
lỗi BER h ờ
iá ị
iê
thiết kế hệ thố
cách truyền dẫn L. Tiêu chuẩn chất lượng được xác đị h hô định thông qua tỉ lệ bit lỗi BER, thường giá trị tiêu biểu là BER < 10-9 • Một số vấn đề trong thiết kế hệ thống TTQ TTQ Một ố ấ đề t (cid:131) Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ (cid:131) Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (cid:131) Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (cid:131) Quỹ công suất quang Quỹ thời gian lên (cid:131) Quỹ thời gian lên
Trang 6
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• khoảng cách truyền dẫn lớn nhất được giới hạn bởi
log
L
=
10
10 a
f
P t P r
⎛ ⎜⎜ ⎝
⎞ ⎟⎟ ⎠
(dB/Km) là suy hao trung bình của sợi quang bao gồm cả
Trong đó: ó » Pt (mW) là công suất phát trung bình của Tx » Pr (mW) là độ nhạy máy thu hoạt động ở tốc độ bit BT »
fa suy hao các mối hàn và các các connector
• Nhiều vần đề cần phải được đề cập khi thiết kế một hệ thống á
thự tế ự lự
bướ
lự
ti
h
h
ó
thô thông tin quang thực tế: sự lựa chọn bước sóng, lựa chọn máy phát, máy thu thích hợp và sợi quang
(cid:131) Ảnh hưởng của suy hao đến hệ thống TTQ
Trang 7
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• 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:
ổ
– Ở vùng 1310nm: có tán sắc nhỏ nhất, độ lớn tán sắc chủ yếu phụ thuộc vào độ rộng phổ nguồn quang. Tích BTL bị giới hạn như sau:
−
≤
( 4
) 1
LBT
λσM
tá
2 /k
B L ≤ 125 (Gb/ ) k
iới h
ắ
» khi |M|σλ = 2ps/km, tán sắc giới hạn BTL ≤ 125 (Gb/s).km.
ộ
khi |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
(cid:131) Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ
Trang 8
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
– Ở vùng 1550nm:
» có suy hao nhỏ nhất. » 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.
/
ạ
ụ
ở tố độ 20 Gb/
ới kh ả
» Bị giới hạn bởi tán sắc khi BT > 5Gb/s. Ví dụ: với M = 16 ị g T 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 sổ 1550nm (có thể hoạt động ở tốc độ 20 Gb/s với khoảng ( ó thể h t độ ổ 1550 khuếch đại khoảng 80 km)
(cid:131) Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống TTQ (tt)
Trang 9
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
(cid:131) Minh họa Suy hao (các đường liền nét) và tán sắc (các
)
m k ( h c á c g n ả o h K
đường không liên tục) giới hạn cự ly truyền dẫn L
Trang 10
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• 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 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)
L
=
ααα
+
+
A L
con
f
splice
+=
+
P t
MAS L
s
P (dB ) là ô
ất hát S (dB ) là độ h
ủ
là
h
h
à
à
t
Trong đó: » Pt (dBm) là công suất phát; S (dBm) là độ nhạy của máy thu á th » AL (dB) là suy hao kênh tổng cộng » MS (dB) là độ dự phòng hệ thống, thường ~ 4-6 dB » αcon và αsplice là suy hao các connector và suy hao các mối hàn á á ối hà 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. • Tìm khoảng cách truyền lớn nhất với các linh kiện cho trước
(cid:131) Quỹ công suất
Trang 11
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• 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 khả năng hoạt động đúng ở tốc độ bit mong muốn
• Thời gian lên tổng cộng của tòan hệ thống TTQ:
T T
T T
2/1 ) )
= =
+ +
+ +
2 T T r
2 T ( ( T tr
2 fiber
2 rec
» Trong đó Ttr, Tfiber và Trec là các thời gian lên tương ứng với á th
máy phát, sợi quang và máy thu
hát ợi
à
á
(cid:131) Quỹ thời gian
Trang 12
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• 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 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.
ụ g
y p
• Thời gian lên của máy thu Trec được xác định chủ yếu bởi dải
thông điện 3 dB sau tách quang.
(cid:131) Quỹ thời gian (tt)
Trang 13
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
• Thời gian lên của sợi quang Tfiber được tính theo công thức:
T
=
+
2 fiber
2 T mod
e
2 T chr
Trong đó ó » T mode là tán sắc mode
T T
( (
)8/ )8/
Lc L
≈
2Δ 2 Δ
T T
≈
Sợi SI:
)/ )/ Lc L ; Sợi GI:
mod
e
n 1
mod
e
( Δ ( 1 n Δ
Tchr ≈
λσLM
» Tchr là tán sắc màu trong sợi quang
» Đối với sợi đơn mode T mode = 0 và Tfiber = Tchr.
σλ là độ rộng phổ của nguồn quang (độ rộng nửa công suất).
(cid:131) Quỹ thời gian (tt)
Trang 14
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Số
,
g
q
g
ộ ộ g p
, ệ
λ
ủ
ố
ố
é
ệ
ệ
ằ
ậ
à
ã RZ đượ
đượ Nế
ầ t ướ
• 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 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 rec 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 lên của hệ thống bằng Tr = 0,524 ns. Nhận xét: hệ thống này 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 động được. Nếu mã RZ được yêu cầu trước, người thiết kế phải ười thiết kế hải ê 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. lớn hơn ở cùng một tốc độ bit
(cid:131) Quỹ thời gian (tt)
Trang 15
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Tương Tự
• Cấu trúc nguyên lý hệ thống thông tin quang tổng
quát cho truyền dẫn số hoặc analog
Thông tin vào
Thông tin ra
Bộ giải mã / Bộ giải mã / Giải điều chế
Bộ mã hóa / Bộ mã hóa / Mạch định dạng tín hiệu
Thành phần điện
Điều chế
Bộ khuếch đại
Nguồn quang
Bộ tách sóng quang
Môi trường truyền dẫn: quang
Đầu phát
Thành phần quang
Đầu thu
Trang 16
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Hệ Thống TTQ Tương Tự
(cid:131) 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 hay khuếch đại để kích hoạt động cho nguồn quang (optical source).
(cid:131) Sợi quang: đóng vai trò môi trường truyền dẫn của hệ
thống.
ớ khi đ bộ iải d ) h ã (d
(cid:131) Phía đầu thu: ánh sáng đến đầu bên kia của sợi quang được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện bằng bộ tách 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 trước khi đưa qua bộ giải mã (decoder) hay bộ giải điều bộ iải điề chế (demodulator) để khôi phục lại tín hiệu gốc ban đầu
Trang 17
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
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
Trang 18
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
à đ để hé iề
CấutrúcbộphátOTDM dựatrêncácsợidâytrễquang CấutrúcbộphátOTDMdựatrêncácsợidâytrễquang
(cid:131) Nhiều tín hiệu quang có tốc độ bit BT chia sẻ cùng tần số ó sóng mang và được ghép trong miền quang để tạo chuỗi h ỗi bit có tốc độ NB, với N là số kênh
Trang 19
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh phân chia theo thời gian OTDM
ới ố độ bi B ủ ộ kê h T hiê
ị
(cid:131) Một laser có thể tạo ra chuỗi xung một cách có chu kỳ ở ố độ bằ tốc độ bằng với tốc độ bit BT của một kênh. Tuy nhiên, 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 g / T thời gian TB.
(cid:131) Ghép N chuỗi bit được thực hiện bằng kỹ thuật làm trễ. Chuỗi bit của nhánh thứ n được làm trễ một lượng (n- 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
Trang 20
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh theo bước sóng WDM
(cid:131) Ghép kênh theo bước sóng là thực hiện truyền nhiều
ó ( ó ) ê ù ộ i
1
1
Tx
Tx
2
2
Tx
Tx
Sợi quang
N
N
Tx
Tx
Ghép kênh
Tách kênh
ạ g ệ ) b ớ bước sóng (sóng mang quang) trên cùng một sợi quang, mà mỗi bước sóng được điều chế từ các chuỗi bit (dưới dạng điện) khác nhau
Trang 21
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh theo bước sóng WDM
là B ứ B B đ ù ề
BTL = (BT,1+ BT,2+… + BT,N)L
(cid:131) Giả sử hệ thống này ghép N kênh, mỗi kênh có tốc độ bi bit tương ứng là BT,1, BT,2, … BT,N được truyền cùng lúc lú trên sợi quang có chiều dài L thì tích BTL tổng cộng của tuyến là: y
(cid:131) Nếu N kênh này có tốc độ bằng nhau thì dung lượng của
hệ thống tăng lên N lần hệ thống tăng lên N lần
Trang 22
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
Các kỹ thuật truyền dẫn đa kênh
• Ghép kênh sóng mang phụ SCM
(cid:131) Khái niệm ghép kênh sóng mang phụ SCM ở đây là
ô ó ừ hiề ó ử d
g ệ ) g ộ g ị g g
mượn từ trong công nghệ vi ba, nó sử dụng nhiều sóng hệ i b mang viba để truyền nhiều kênh (ghép kênh theo tần số FDM trong miền điện). Băng thông tổng cộng bị giới hạn ạ g 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 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.
ể (cid:131) Sự kết hợp giữa SCM và WDM có thể tăng băng thông
lên đến 1 THz
Trang 23
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: ĐỖ VĂN VIỆT EM - PHẠM QUỐC HỢP BỘ MÔN: THÔNG TIN QUANG – KHOA VIỄN THÔNG 2
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) đượcsửdụngđểđiềuchếquangởbộphát(Tx)
