intTypePromotion=1
ADSENSE

Đồ án Tốt nghiệp: nghiên cứu về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF)

Chia sẻ: Trạc Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

16
lượt xem
2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang và thông tin vô tuyến, nhằm mục đích hiểu rõ hơn về ưu, nhược điểm của hệ thống. Tìm hiểu, nghiên cứu sâu về kỹ thuật Radio over Fiber, nêu lên được các ưu, nhược điểm, các đặc tính cơ bản của kỹ thuật; ứng dụng kỹ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây; phân tích hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể, nhằm biết được quá trình làm việc cụ thể của các thành phần trong tuyến.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án Tốt nghiệp: nghiên cứu về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber - RoF)

  1. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF LỜI CẢM ƠN Sau gần 2 tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Tập đồ án này là kết quả ba năm học tập tại khoa CNTT Ứng dụng, trường Cao đẳng CNTT Hữu nghị Việt – Hàn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của em đến tất cả các thầy cô giáo trong khoa, những người đã tận tâm, nhiệt tình giúp đỡ, giảng dạy tất cả các môn học để em có kiến thức thực hiện tốt đề tài. Qua đây em gửi lời cảm ơn đến cô Phan Thị Lan Anh, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp. Đà Nẵng, tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện Phan Thị Kim Thoa Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang i
  2. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i MỤC LỤC ..................................................................................................................... ii CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYẾN ...........................................................................................................................3 1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG........................................................................................3 1.2. THÔNG TIN QUANG [1]......................................................................................3 1.2.1. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang ........................................3 1.2.1.1. Ưu điểm .......................................................................................................3 1.2.1.2. Nhược điểm .................................................................................................4 1.2.2. Mô hình tuyến truyền dẫn sợi quang hiện tại ...............................................5 1.2.2.1. Sợi quang ...................................................................................................5 1.2.2.2. Bộ phát quang ............................................................................................9 1.2.2.3. Bộ thu quang ............................................................................................10 1.2.2.4. Bộ khuếch đại quang ................................................................................11 1.3. THÔNG TIN VÔ TUYẾN ...................................................................................11 1.3.1. Giới thiệu thông tin vô tuyến ........................................................................11 1.3.2. Các đặc tính của sóng vô tuyến .....................................................................12 1.3.2.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp .........................................................13 1.3.2.2. Sự lan truyền của băng tần số cao ...........................................................13 1.3.3. Thực trạng của thông tin vô tuyến hiện nay ................................................13 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................15 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI QUANG - RoF ................................................................................................................................16 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG......................................................................................16 2.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN TRÊN SỢI QUANG ........................................................................................................................16 2.2.1. Khái niệm về công nghệ RoF ........................................................................16 2.2.2. Các thành phần cơ bản của tuyến quang sử dụng công nghệ RoF ...........17 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang ii
  3. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF 2.2.3. Kỹ thuật truyền dẫn RoF ..............................................................................18 2.2.4. Ưu và nhược điểm của công nghệ RoF ........................................................19 2.2.4.1. Ưu điểm của công nghệ ............................................................................19 2.2.4.2. Những nhược điểm của công nghệ..........................................................19 2.3. CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN QUA SỢI QUANG ....20 2.3.1. Tạo tín hiệu RF bằng IM-DD ........................................................................20 2.3.1.1. Giới thiệu về kỹ thuật IM- DD .................................................................20 2.3.1.2. Ưu điểm của kỹ thuật IM- DD .................................................................21 2.3.1.3. Nhược điểm của kỹ thuật IM- DD ...........................................................22 2.3.2. Tạo tín hiệu RF bằng bộ điều chế ngoài.......................................................22 2.3.3. Tạo tín hiệu RF bằng kỹ thuật điều chế trộn nhiều sóng quang (optical heterodyne) ...............................................................................................................25 2.3.3.1. Giới thiệu về kỹ thuật optical heterodyne ................................................25 2.3.3.2. Nguyên lý của optical heterodyne ...........................................................25 2.3.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của optical heterodyne .....................................27 2.3.4. So sánh các kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang .........................28 2.4. CÁC KỸ THUẬT GHÉP KÊNH TRONG ROF ...............................................29 2.4.1. Kỹ thuật ghép kênh sóng mang con SCM....................................................29 2.4.2. Ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM ...............................................30 2.5. CẤU HÌNH TUYẾN ROF ...................................................................................32 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................35 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RoF CHO MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY ..............................................................................................................36 3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG......................................................................................36 3.2. ROF TRONG WLAN Ở BĂNG TẦN 60GHz – GIAO THỨC MAC .............36 3.2.1. Giới thiệu.........................................................................................................36 3.2.2. Kiến trúc mạng ...............................................................................................37 3.2.3. Mô tả giao thức MAC – Giao thức bàn cờ ...................................................38 3.2.3.1. Gới thiệu về giao thức MAC .....................................................................38 3.2.3.2. Hoạt động cơ bản của giao thức MAC ....................................................39 3.2.3.3. Sự chuyển giao trong giao thức MAC .....................................................40 3.2.3.4. Các thông số quan trọng của giao thức MAC .........................................43 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang iii
  4. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF 3.3. ROF TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG ROAD VEHICLE (RVC) ............44 3.3.1. Giới thiệu.........................................................................................................44 3.3.2. Kiến trúc mạng ...............................................................................................45 3.3.3. Hoạt động cơ bản trong mạng ......................................................................46 3.4. ROF ỨNG DỤNG CHO MẠNG TRUY NHẬP VÔ TUYẾN Ở NGOẠI Ô, NÔNG THÔN ..............................................................................................................48 3.4.1. Giới thiệu.........................................................................................................48 3.4.2. Kiến trúc mạng ...............................................................................................48 3.4.3. Hoạt động của mạng ......................................................................................49 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................50 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ROF CỤ THỂ SỬ DỤNG SIMULINK TRONG MATLAB ...................................................................52 4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG......................................................................................52 4.2. MỘT TUYẾN ROF CỤ THỂ ..............................................................................53 4.2.1. Cấu hình hệ thống ..........................................................................................53 4.2.2. Các thành phần của hệ thống........................................................................53 4.2.3. Hoạt động của hệ thống .................................................................................53 4.3. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN DOWNLINK ...............................54 4.3.1. Bộ điều chế “dual Mach-Zehnder” – Kỹ thuật điều chế OSSBC ..............54 4.3.2. Tác động sợi quang ........................................................................................57 4.3.3. Tách sóng tại BS – các sản phẩm RF ...........................................................58 4.4. TUYẾN UPLINK ..................................................................................................59 4.5. MÔ PHỎNG TUYẾN DOWNLINK ..................................................................59 4.5.1. Giới thiệu.........................................................................................................59 4.5.2. Mô hình hóa và các thông số .........................................................................60 4.5.3. Các kết quả mô phỏng và phân tích .............................................................61 4.6. PHÂN TÍCH BER CỦA TUYẾN ........................................................................65 4.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................66 KẾT LUẬN ..................................................................................................................67 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...............................................................................68 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................69 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang iv
  5. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF CÁC TỪ VIẾT TẮT 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 4G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư ASK Amplitude Shift Keying Điều chế số theo biên độ tín hiệu BB Base Band Băng tần cơ sở BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CS Central Station Trạm trung tâm DFB Distributed Feed Back( laser) Laser hồi tiếp phân tán DWDM Density Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng mật độ cao EA Electro Absorption Bộ hấp thụ electron EAM Electro Absorption Modulator Bộ điều chế hấp thụ electron EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Khuêch đại quang sợi có pha tạp Erbium EOM External Optical Modutators Bộ điều chế quang ngoài ETSI European Telecommunications Viện các tiêu chuẩn Viễn thông standards Institute Châu Âu FSK Frequency Shift Keying Điều chế số theo tần số tín hiệu IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử Electronics Engineers IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IM-DD Intensity Modulation – Direct Điều chế cường độ và tách sóng Detection trực tiếp LAN Local Area Network Mạng nội bộ LO Laser Ocsillator Bộ dao động laser Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang v
  6. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF LTE Long Term Evolution Công nghệ tiến hóa lâu dài MH Mobile Host Thiết bị di động trong mạng MZM Mach- Zehnder Modulator Bộ điều chế Mach- Zehnder OFDM Orthogonal Frequency- Ghép kênh phân chia theo tần số Division Multiplexing trực giao OSSBC Optical Single-Side-Band Điều chế quang đơn biên Modulation PD Photo Detector Tách sóng quang PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kĩ thuật số hỗ trợ cá nhân PSK Phase Shift Keying Điều chế số theo phase tín hiệu PSTN Public Switched Telephone Mạng chuyển mạch điện thoại Network công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RAP Radio Access Point Giao diện truy cập vô tuyến WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng Wi-Fi Wireless Fidelity Là mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wimax Worldwide Interoperability for Là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho Microwave Access việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn WLAN Wireless Local Area Networks Mạng LAN không dây Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang vi
  7. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu Tên hình vẽ Trang hình vẽ Cáp Corning sử dụng dưới biển có thể có đến 144 sợi 1.1 4 quang 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin sợi quang tiêu biểu 5 Mặt cắt sợi quang (a) đơn mode (b) đa mode (đơn vị 1.3 6 μm) Truyền ánh sáng trong sợi quang bằng hiện tượng 1.4 6 phản xạ toàn phần 1.5 Suy hao ánh sáng trên sợi quang 7 Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng 1.6 8 được truyền trong sợi 1.7 Cấu trúc chung của một Laser 9 1.8 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang 10 Sơ đồ chỉ ra các thành phần của mạng truy nhập vô 1.9 13 tuyến băng hẹp 2.1 Mô hình khái niệm về hệ thống RoF 16 2.2 CS và một microcell (BS và MS) trong kiến trúc RoF 17 2.3 Sử dụng phương pháp điều chế với sóng mang quang 18 2.4 Tạo tín hiệu RF bằng điều chế cường độ trực tiếp 21 2.5 Sơ đồ khối bộ điều chế ngoài 23 2.6 Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3 23 Bộ điều chế Mach-Zehnder LiNbO3 2.7 24 (a) không có điện áp. (b) có điện áp điều khiển 2.8 Sơ đồ khối kỹ thuật tách sóng hetorodyne 25 Ghép kênh sóng mang con giữa tín hiệu số và tín hiệu 2.9 29 tương tự 2.10 Sự kết hợp truyền dẫn DWDM và RoF 30 2.11 DWDM trong RoF 31 2.12 Kiến trúc vòng ring RoF dựa trên DWDM. 32 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang vii
  8. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF 2.13 Các cấu hình trong tuyến RoF 34 3.1 Kiến trúc mạng RoF tiêu biểu dùng trong WLAN 37 3.2 Hoạt động cơ bản của giao thức MAC 39 3.3 Độ trễ chuyển giao trong giao thức MAC 41 MH dùng cặp tần số (ƒ1,ƒm +1) khi di chuyển từ 3.4 42 picocell 1 sang picocell 2 3.5 Phân bổ băng thông 43 3.6 Mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF. 45 3.7 Kiến trúc mạng RVC dựa trên kỹ thuật RoF 46 3.8 Ấn định khung trong khi di chuyển. 47 Kiến trúc mạng RoF bao gồm K bộ thu phát (TRX) và 3.9 49 N trạm BS. 4.1 Cấu hình một tuyến RoF 53 4.2 Bộ điều chế ngoài “Dual Mach-Zehnder” 54 4.3 Phổ biên độ 57 4.4 Sơ đồ mô phỏng tuyến downlink 60 4.5 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh trên. 62 4.6 Sản phẩm tại BS của bộ điều chế nhánh dưới. 62 4.7 Sản phẩm ngõ ra của tuyến downlink. 62 BS với bộ lọc thông dải để lấy tín hiệu dữ liệu ở tần số 4.8 63 RF 4.9 Phổ tín hiệu tại BS 63 4.10 Hình dáng tín hiệu với bit 1 64 4.11 Bộ điều chế có dữ liệu 64 Hình dáng tín hiệu dữ liệu với các bit 1-0 lần lượt 4.12 65 (isignal). 4.13 Phổ của tín hiệu dữ liệu 65 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang viii
  9. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang Các thông số tán sắc của một số sợi quang 1.1 8 theo ITU 1.2 Phân loại, cơ chế và sử dụng sóng vô tuyến 12 Phân bổ tần số đối với các hệ thống truy nhập 1.3 14 vô tuyến băng rộng So sánh các kỹ thuật truyền dẫn và phát sóng 2.1 28 milimet So sánh băng tần của các hệ thống sửa dụng 2.2 29 kĩ thuật RoF Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang ix
  10. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc, truy cập mạng của xã hội không ngừng phát triển. Con người luôn mong muốn có một tốc độ đường truyền mạnh hơn, nhanh hơn, băng thông rộng hơn, vùng phủ sóng rộng khắp, các dịch vụ đạt chất lượng cao, không xảy ra nghẽn mạng, nhưng giá cả thì phải chăng. Đáp ứng lại nhu cầu đó em chọn đề tài “Nghiên cứu về Kỹ Thuật Truyền Sóng Vô Tuyến Qua Sợi Quang (Radio Over Fiber - RoF)”. Kỹ thuật Radio over Fiber - RoF, một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai, với các ưu điểm vượt trội như: suy hao thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến … Chính vì vậy, việc tìm hiểu về đề tài trên là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. 2. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang và thông tin vô tuyến, nhằm mục đích hiểu rõ hơn về ưu, nhược điểm của hệ thống. Tìm hiểu, nghiên cứu sâu về kỹ thuật Radio over Fiber, nêu lên được các ưu, nhược điểm, các đặc tính cơ bản của kỹ thuật. Ứng dụng kỹ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây. Phân tích hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể, nhằm biết được quá trình làm việc cụ thể của các thành phần trong tuyến. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu “Nghiên cứu về kỹ thuật truyền song vô tuyến qua sợi quang – Radio Over Fiber - RoF” 4. Phương pháp nghiên cứu Tham khảo các tài liệu: sách, website và các giáo trình lien quan. Nhờ sự giúp đở của giáo viên hướng dẫn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber (RoF)), một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai. Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 1
  11. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Vì vậy, kỹ thuật RoF là một kỹ thuật rất cần mở rộng và phát triển rộng rãi vào cuộc sống hiện nay. Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 2
  12. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYẾN 1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG Nội dung chương này nhằm giới thiệu tổng quan về: + Hệ thống thông tin quang + Hệ thống thông tin vô tuyến 1.2. THÔNG TIN QUANG [1] Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi trở lại thành thành thông tin ban đầu. 1.2.1. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang 1.2.1.1. Ưu điểm Trong thông tin sợi quang các ưu điểm sau của sợi quang đã được sử dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễu hiệu ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay. Trước hết, nó có dung lượng cực lớn: Băng thông(BW) gấp khoảng 10000 lần so với thông tin vi ba (BW thường chọn khoảng vài % tần số sóng mang(f), f của ánh sáng cỡ 200 THz, f của vi ba cỡ 20 GHz). Thứ hai, độ tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2 dB/km, so với cáp đồng trục 10 - 30 dB/km. Thứ ba, kích thước nhỏ và gọn nhẹ: trong một dây cáp quang có nhiều sợi quang vì kích thước của nó rất nhỏ Thứ tư, tính chống nhiễu cao: sợi quang được cấu tạo từ thủy tinh oxit (trong đó SiO2 là loại oxit thông dụng dùng để tạo ra sợi) nên không bị ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài và các loại nhiễu từ nhà máy điện nguyên tử, sấm sét... Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 3
  13. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF Hình1.1: Sợi cáp quang Thứ năm, giá thành sợi quang thấp: vì thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang có sẵn trong thiên nhiên, so với kim loại thì nguồn nguyên liệu này dồi dào. Thứ sáu, khoảng cách truyền dẫn lớn: kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhảy thu cao của máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn. Hiện nay, người ta đã triển khai nhiều hệ thống cáp sợi quang vượt đại dương có khoảng cách hàng chục ngàn km với dung lượng đến hàng ngàn Gb/s. Thứ bảy, tốc độ cao, hiệu suất lớn: các linh kiện thu và phát quang có khả năng điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao. Thứ tám, khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: thông tin sợi quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau. Đặc tính này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn. 1.2.1.2. Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin quang còn có những nhược điểm sau: - Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp. - Không thể truyền mã lưỡng cực. - Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao. - Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suy hao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng. Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 4
  14. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải quyết được bằng khoa học công nghệ. Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội thì hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển nhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người. 1.2.2. Mô hình tuyến truyền dẫn sợi quang hiện tại Tuyến truyền dẫn quang tổng quát được mô tả như hình 1.2. Tín hiệu được sử dụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số. Một tuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phát quang, một bộ thu quang và các bộ khuếch đại quang. Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin sợi quang tiêu biểu 1.2.2.1. Sợi quang Sợi quang đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong hệ thống thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh. Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sáng trong sợi rất nhỏ, chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao trong sợi đơn mode SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổn hao sợi là cơ sở để xác định khoảng lặp trong các hệ thống thông tin sợi quang. Một thông số quan trọng khác trong sợi quang là tán sắc sợi gây ra vấn đề giản nở xung tín hiệu tại máy thu. Nếu các xung quang bị trải rộng vượt quá khe thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Tán sắc trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang đa mode vì các xung bị trải rộng do ánh sáng truyền trong sợi theo các mode khác nhau với tốc độ khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ dùng sợi đơn mode để truyền dẫn. Ở tốc độ bít cao, trong sợi này cũng xảy ra tán sắc vật liệu do chiết xuất của sợi thay đổi theo bước sóng ánh sáng, cũng gây nên sự giản nở xung. Để giảm ảnh hưởng này, người ta sử dụng biện pháp bù tán sắc và dùng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp.  Truyền dẫn quang trong sợi quang Ánh sáng có thể truyền trong môi trường trong suốt, nhưng với vận tốc nhỏ hơn Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 5
  15. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF vận tốc trong chân không. Tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và trong vật liệu được gọi là chỉ số khúc xạ (n) và tính bởi công thức n=c/v , với c là vận tốc trong chân không còn v là vận tốc trong vật liệu. Khi ánh sáng truyền từ một môi trường có chỉ số khúc xạ cho trước sang một môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác (ví dụ: khúc xạ xảy ra), góc khúc xạ sẽ phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của cả 2 vật liệu cũng như góc tới. Theo định luật Snell, ta có: nasinθa = nbsinθb với na, nb tương ứng là chỉ số khúc xạ của môi trường tới và môi trường khúc xạ, θa ,θb là góc tới và góc khúc xạ. Hình 1.3 minh họa cấu trúc sợi quang bao gồm một lõi được bao quanh hoàn toàn bởi một lớp vỏ (cả 2 đều chứa thủy tinh với các chỉ số khúc xạ khác nhau). Với sợi chiết xuất phân bậc SI, sự thay đổi chỉ số khúc xạ tại ranh giới lõi- vỏ là theo bậc. Nếu như chỉ số khúc xạ của vỏ nhỏ hơn của lõi thì sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần trong lõi và ánh sáng có thể truyền lan dọc theo sợi như trên hình 1.4. Hiện tượng phản xạ toàn phần sẽ xảy ra với góc tới lớn hơn góc tới hạn θc, được tính bởi công thức: nvõ sin  c = (1.1) nlõi vỏ vỏ lõi lõi 1 25 50 1 25 5 (a) (b) Hình 1.3:Mặt cắt sợi quang (a) đơn mode (b) đa mode (đơn vị μm) Với nvỏ và nlõi tương ứng là chỉ số khúc xạ của vỏ và lõi. Vì vậy, để ánh sáng có thể truyền dọc theo sợi thì góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc. Vỏ c Lõi Vỏ Hình 1.4: Truyền ánh sáng trong sợi quang bằng hiện tượng phản xạ toàn phần Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 6
  16. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF  Suy hao trên sợi quang Hình 1.5 : Suy hao ánh sáng trên sợi quang Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống thông tin sợi quang vì nó đóng vai trò chủ yếu xác định khoảng cách truyền dẫn cực đại giữa phần phát và phần thu hoặc quyết định có đặt bộ khuếch đại trên đường truyền hay không. Cơ chế suy hao chủ yếu trên sợi là suy hao do hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng. Suy hao công suất tín hiệu trên sợi quang P có chiều dài L được tính theo biểu thức : )dB Pin P  L  10 lg( Pout (1.2) Trong đó : Pin , Pout là công suất đầu vào và đàu ra của sợi quang α: là suy hao tín hiệu trên 1 km sợi quang, α được tính theo công thức sau : 10  Pin   lg  dB / Km  L  Pout  (1.3) Một sợi quang lý tưởng không gây suy hao tín hiệu ánh sáng, nghĩa là: Pin = Pout Điều này có nghĩa là suy hao bằng 0. Điều này không thể có được. Trong thực tế, sợi quang hoạt động tại bước sóng 900 nm có suy hao trung bình 3 dB/km. Nghĩa là công suất quang giảm 50% khi truyền được 1 km và giảm 75% (tương ứng 6 dB) khi truyền qua 2 km.  Tán sắc trong sợi quang Hiện tượng một xung ánh sáng bị giản rộng ra bề mặt thời gian sau một khoảng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc. Hình 1.6 minh họa sự giản rộng xung do tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu là D, có đơn vị là giây (s) được xác định bởi công thức: (1.4) D   02   i2 Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 7
  17. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF Trong đó: τi , τ0 là độ rộng xung vào và xung ra. Độ tán sắc qua mỗi km sợi được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang thì đơn vị được tính là ps/nm.km. Hình 1.6: Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi Có các loại tán sắc là : - Tán sắc mode (đối với sợi đa mode) : Xảy ra khi nhiều mode truyền đối với cùng một tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang. Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode - Tán sắc vật liệu hay là tán sắc màu : Trong môi trường tán sắc, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng. Vì thế, nếu tín hiệu được truyền với nhiều hơn một bước sóng, một số bước sóng sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các bước sóng khác. Bởi vì không laser nào có thể tạo ra tín hiệu với một bước sóng chính xác nên tán sắc màu xảy ra hầu hết ở các hệ thống. - Tán sắc ống dẫn sóng : Xảy ra do sự truyền lan của các bước sóng khác nhau phụ thuộc khác nhau vào đặc tính ống dẫn sóng như chỉ số khúc xạ và hình dạng của vỏ, lõi. Suy hao thấp nhất tại vùng cửa sổ 1550 nm. Dựa trên các kĩ thuật tiên tiến như dịch tán sắc, sợi quang có thể đạt mức tán sắc 0 tại bước sóng giữa 1300 nm đến 1700 nm. Bảng 1.1: Các thông số tán sắc của một số sợi quang theo ITU Loại sợi quang Hệ số tán sắc tại 1550 nm SMF (ITU-T G.652) +17 ps/km.nm DSF (ITU-T G.653) 0 ps/km.nm NZ DSF (ITU-TUG G.655) +3 ps/km.nm Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 8
  18. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF 1.2.2.2. Bộ phát quang  Hoạt động của Laser Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (LASER–Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Việc phát xạ kích thích cho phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiều bước sóng riêng biệt). Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử. Nguyên tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất có thể. Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các trạng thái. Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu năng lượng. Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái nền bằng việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng. Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc, môi trường laser và thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môi trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định. Dòng điện sẽ kích thích các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ra một photon ánh sáng. T hiỏt bị kích thích C hùm sáng Môi trưỏng laser G ươ ng phỏn xạ Hình 1.7: Cấu trúc chung của một Laser. Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon đi qua rất gần với một điện tử bị kích thích. Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền. Trong quá trình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với photon kích thích. Các photon mà tần số là một phần nguyên của chiều dài hốc cộng hưởng sẽ kết hợp với nhau tạo ra ánh sáng có tần số cho trước ở ngay trong hốc. Giữa phát xạ bình thường và phát xạ kích thích, ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xây dựng nên cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nó được đưa vào. Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 9
  19. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF độ cao. Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới dạng các chùm sáng hẹp tập trung. Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điều chỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ. Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó và được tính theo công thức : Eg f  (1.5) h Với f là tần số photon, Eg là năng lượng vùng cấm, h là hằng số Planck (=6,626 x 10-34 J.s). 1.2.2.3. Bộ thu quang Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu điện ban đầu. Hình 1.8 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một máy thu quang. Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và mạch điện tử làm nhiệm vụ điều khiển và hồi tiếp.Bộ ghép tập trung tín hiệu quang vào bộ tách sóng quang. Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến vì tính tương thích của chúng với toàn bộ hệ thống quang. Một thông số quan trọng của máy thu là độ nhảy. Nó được định nghĩa là công suất quang trung bình nhỏ nhất đến máy thu sao cho máy thu vẫn làm việc bình thường, nghĩa là thỏa mãn tỷ số BER cho trước ứng với tốc độ bít nhất định (đối với máy thu số). Mạch điện tử Tín Tín hiệu Bộ giải điều hiệu Bộ ghép Photodiode quang chế điện (vào) (ra) Hình 1.8 : Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang. Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến là photodiode PIN và photodiode thác ADP. PIN và APD là các photodiode bán dẫn có một vùng nghèo có khả năng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống (EHPs) khi hấp thụ photon và và chuyển đổi Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 10
  20. Nghiên cứu về kỹ thuật Radio over Fiber - RoF nó thành dòng photo nhờ điện trường lớn bên trong. APD có thêm một lớp khuếch đại, cho phép các cặp cặp điện tử - lỗ trống sơ kích thích các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp cấp trong suốt quá trình ion hóa. Vì vậy, ADP có độ lợi dòng lớn hơn. Tuy nhiên nó có tốc độ đáp ứng chậm khi độ lợi tăng cao. 1.2.2.4. Bộ khuếch đại quang Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phải khuếch đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đại quang. Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó chỉ thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại tín hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu. Các bộ khuếch đại 1R là sự lựa chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai. Các bộ khuếch đại quang-điện có thể thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời. Tín hiệu quang vào bộ khuếch đại đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và sau đó trước khi chuyển đi sẽ lại được đưa sang miền quang. Các bộ khuếch đại sợi pha tạp bao gồm sợi quang được pha với một nguyên tố (đất hiếm) có thể khuếch đại ánh sáng. Nguyên tố được sử dụng nhiều nhất là erbium, cung cấp độ khuếch đại đối với các bước sóng 1525-1560 nm. Tại phía cuối của sợi, một laser sẽ phát tín hiệu mạnh ở một bước sóng thấp hơn (còn gọi là bước sóng bơm) vào sợi quang. Tín hiệu bơm sẽ kích thích các nguyên tử được bơm pha trộn lên một mức năng lượng cao hơn. Điều này cho phép tín hiệu dữ liệu kích thích các nguyên tử bị kích thích làm chúng giải phóng ra photon. Hầu hết các bộ khuếch đại EDFA đều được bơm bằng laser tại bước sóng 980 hoặc 1480 nm. Một hạn chế của khuếch đại quang là phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang là không đồng đều. Do đó, nếu như tín hiệu quang nhiều bước sóng qua một loạt các bộ khuếch đại dẫn tới công suất của các bước sóng là không như nhau. 1.3. THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.3.1. Giới thiệu thông tin vô tuyến Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc. Thông tin vô tuyến đã có được sự phát triển nhanh chóng trong những năm qua. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) dự báo, số thuê bao di động trên khắp thế giới sẽ Phan Thị Kim Thoa – Lớp: CCVT03C Trang 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2