Xem mẫu
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
nguon tai.lieu . vn
