Đồ án: ghép kênh quang phân chia theo thời gian otdm

Tìm hiểu đồ án ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM, công nghệ truyền dẫn quang tiên tiến với băng thông cao và hiệu suất tối ưu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Duyên
• Người hướng dẫn: ThS. Tô Văn Tuấn
• Trường học: Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Phúc Yên
• Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Ghép Kênh Quang Phân Chia Theo Thời Gian OTDM
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Vĩnh Phúc

Tóm tắt

I. Khái quát về hệ thống ghép kênh quang phân chia theo thời gian OTDM

Ghép kênh quang phân chia theo thời gian (OTDM) là công nghệ tiên tiến cho phép truyền tải nhiều kênh thông tin qua một sợi quang duy nhất. Hệ thống OTDM hoạt động dựa trên nguyên lý interleaving các xung quang có độ rộng siêu ngắn từ các nguồn khác nhau. Mỗi kênh được gán một khe thời gian riêng biệt, cho phép sử dụng tối ưu băng thông của sợi quang. Công nghệ này đạt được dung lượng truyền tải lớn hơn so với các phương pháp ghép kênh truyền thống. OTDM giải quyết các thách thức về dung lượng và hiệu suất trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Ứng dụng rộng rãi của OTDM trong các mạng lưới quang học tốc độ cao làm cho nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các dự án đồ án kỹ thuật viễn thông.

1.1. Nguyên lý hoạt động của ghép kênh OTDM

Nguyên lý ghép kênh OTDM dựa trên việc interleaving các xung ánh sáng cực ngắn từ nhiều nguồn phát. Mỗi kênh được phân bổ một khe thời gian không trùng lặp. Các xung được đồng bộ hóa với độ chính xác cao để tránh xen nhiễu. Quá trình này tạo ra một dòng dữ liệu tổng hợp với tốc độ truyền cao hơn tổng tốc độ của các kênh riêng lẻ.

1.2. Ưu điểm của công nghệ OTDM

Ghép kênh quang OTDM mang lại nhiều lợi thế: tăng dung lượng truyền tải, giảm chi phí hạ tầng, hiệu suất spектра cao, và khả năng mở rộng linh hoạt. Công nghệ này yêu cầu ít thiết bị hơn so với các phương pháp ghép kênh khác, từ đó giảm chi phí triển khai và bảo trì hệ thống viễn thông.

II. Nguyên lý phát tín hiệu trong hệ thống OTDM

Quá trình phát tín hiệu trong hệ thống OTDM bắt đầu từ các nguồn phát quang độc lập. Mỗi nguồn phát (LED hoặc Laser Diode) tạo ra các xung ánh sáng tương ứng với dữ liệu được truyền. Các xung này được điều khiển bởi các bộ điều chế quang (optical modulator) để mã hóa thông tin số. Sau đó, các tín hiệu được gắn nhãn thời gian riêng biệt bằng cách sử dụng các bộ xen rẽ kênh (MUX). Các xung đến từ các kênh khác nhau được sắp xếp theo thứ tự thời gian chặt chẽ. Bộ khuếch đại sợi quang EDFA sẽ khuếch đại tín hiệu tổng hợp trước khi truyền qua sợi quang. Quá trình này đòi hỏi đồng bộ hóa tuyệt đối giữa các kênh để tránh sai lệch.

2.1. Vai trò của bộ ghép kênh thời gian MUX

Bộ ghép kênh thời gian (MUX) là thành phần quan trọng chịu trách nhiệm sắp xếp các xung quang từ nhiều kênh thành một dòng dữ liệu duy nhất. MUX sử dụng các bộ chuyển mạch quang tốc độ cao để chọn các xung từ các kênh khác nhau theo trình tự định trước. Độ chính xác của bộ ghép kênh ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu tổng hợp.

2.2. Tác động của đồng bộ quang đến tín hiệu phát

Đồng bộ quang (optical synchronization) trong OTDM đảm bảo rằng các xung từ các kênh được sắp xếp chính xác theo thứ tự thời gian. Hệ thống sử dụng khóa pha quang (PLL) để trích lấy tín hiệu đồng hồ tham chiếu từ tín hiệu tổng hợp. Độ chính xác đồng bộ ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi bit (BER) của toàn bộ hệ thống.

III. Giải ghép và xen rẽ kênh trong hệ thống OTDM

Giải ghép kênh (demultiplexing) là quy trình ngược lại với ghép kênh, trong đó dòng dữ liệu tổng hợp được phân tách thành các kênh riêng lẻ. Tại phía nhận, bộ giải ghép kênh (DEMUX) nhận tín hiệu tổng hợp và sử dụng các cửa sổ thời gian chính xác để trích lấy từng kênh. Xen rẽ kênh (interleaving) đề cập đến quá trình sắp xếp các xung từ các kênh khác nhau với các khe thời gian không trùng lặp. Quá trình này yêu cầu bộ điều khiển xen rẽ có khả năng tạo ra các khe thời gian cố định và chính xác. Hiệu suất của giải ghép ảnh hưởng đến chất lượng nhận và tỷ lệ lỗi bit. Các phương pháp giải ghép bao gồm sử dụng chuyển mạch phân cực quang và các bộ lọc quang học tinh vi.

3.1. Quy trình giải ghép kênh quang

Giải ghép kênh quang sử dụng các công nghệ chuyển mạch quang tốc độ cao để phân tách các xung dựa trên thời gian đến của chúng. Bộ giải ghép (DEMUX) điều khiển các cổng quang bằng tín hiệu đồng hồ tham chiếu. Mỗi xung được định tuyến đến đúng cổng ra tương ứng với kênh của nó. Độ chính xác thời gian phải nằm trong vài picosecond.

3.2. Vai trò của xen rẽ kênh trong hiệu suất truyền tải

Xen rẽ kênh (interleaving) trong OTDM cho phép sử dụng hiệu quả băng thông quang bằng cách tối ưu hóa thứ tự các xung. Quá trình này giảm thiểu khoảng trống giữa các xung và tăng hiệu suất spектра. Kỹ thuật xen rẽ thích hợp giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit và độ tin cậy của hệ thống truyền tải quang.

IV. Bộ khuếch đại sợi quang EDFA trong hệ thống OTDM

Bộ khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium (EDFA) là thành phần thiết yếu trong các hệ thống ghép kênh quang OTDM hiện đại. EDFA hoạt động bằng cách khuếch đại ánh sáng ở các bước sóng trong cửa sổ C (1530-1565 nm) và cửa sổ L (1565-1625 nm). Nguyên lý hoạt động dựa trên khuếch đại kích thích của các ion Erbium trong sợi quang. Quá trình khuếch đại bao gồm: hấp thụ năng lượng từ nguồn bơm, chuyển năng lượng này đến các ion Erbium, và phát xạ lượng tử khi các tín hiệu quang đi qua. EDFA cung cấp độ lợi cao, hệ số nhiễu thấp, và băng thông rộng. Công nghệ bơm kép (dual pumping) tại 980nm và 1480nm cho phép tối ưu hóa hiệu suất khuếch đại. EDFA đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho các mạng quang học tốc độ cao.

4.1. Nguyên lý khuếch đại trong EDFA

Nguyên lý khuếch đại EDFA dựa trên khuếch đại kích thích (stimulated amplification) của ánh sáng bởi các ion Erbium. Sợi quang pha trộn Erbium được bơm bằng laze nguồn ở 980nm hoặc 1480nm. Tín hiệu cần khuếch đại tương tác với các ion Erbium ở trạng thái năng lượng cao, dẫn đến phát xạ bổ sung. Hiệu suất khuếch đại được xác định bởi mật độ ion Erbium, độ dài sợi, và công suất bơm.

4.2. Ứng dụng EDFA trong hệ thống OTDM

Trong hệ thống OTDM, EDFA được sử dụng để khuếch đại tín hiệu ghép kênh quang tổng hợp trên toàn bộ cửa sổ C hoặc L. Điều này cho phép truyền tải các kênh đa tốc độ mà không cần khuếch đại riêng cho từng kênh. Công suất bơm cao và phổ khuếch đại rộng của EDFA làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng OTDM hiệu suất cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Khái quát về hệ thống thông tin quang  Tỉ số tín trên tap điện S/N (SRN) hay quang OSNR  Tỉ số lỗi bit BER ( )  Độ rộng băng tần điện BW (MHz) hay quang BWo (MHz)  Đối với sợi quang: hệ số suy giảm riêng (dB/km), độ mở số NA, tích cự ly và tốc độ bit BxL (Mbit/skm)  Đối với máy phát quang: công suất phát ghép vào sợi Pt (mW hay dBm), bước sóng làm việc, độ rộng phổ (nm), thời gian tăng trưởng phát (ns)  Đối với máy thu quang: độ nhạy thu Pr min (mW hay dBm), bước sóng làm việc, thời gian tăng trưởng thu (ns), dải động của máy thu (dBm). GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 4 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang CHƯƠNG II. Cấu tạo và phân loại cáp sợi quang 2. Cấu tạo cáp sợi quang Sợi quang có cấu tạo hình trụ, gồm hai lớp chính từ chất điện môi đồng tâm nhau.

Lớp trong gọi là lớp lõi (core), lớp ngoài là lớp vỏ (clading). Ngoài ra còn có lớp bảo vệ và vỏ bọc bên ngoài. Chất điện môi chủ yếu để chế tạo sợi quang phổ biến là thủy tinh thạch anh (SiO) hoặc chất dẻo tổng hợp. Sợi quang thủy tinh thạch anh có tiêu hao thấp và đường kính nhỏ nên giá thành cao, còn sợi quang làm bằng chất dẻo có đường kính lớn hơn và tiêu hao lớn hơn, giá thành thấp.

Chiết suất của lõi sợi quang là n 1 lớn hơn chiết suất của vỏ sợi quang n 2. Lớp clading là thủy tinh hay plastic, có nhiệm vụ bảo vệ cho ánh sáng truyền lại lõi. Lớp vỏ bọc và bảo vệ bên ngoài là lớp vỏ nhựa PVC giúp bảo vệ core và cladding không bị bụi ẩm và trầy xước. Lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có ba lớp chính là vỏ bảo vệ bên ngoài, lớp áo giáp và lớp chịu lực.

Phân loại sợi quang Có nhiều cách phân loại sợi quang như phân loại theo vật liệu chế tạo, phân loại theo phân bố chiết suất, phân loại theo mode lan truyền. Phân loại theo vật liệu chế tạo gồm có sợi quang thạch anh, sợi quang làm bằng thủy tinh hỗn hợp và sợi quang làm bằng chất dẻo. Phân loại theo phân bố chiết suất có sợi quang chiết suất nhảy bậc SI (Step Index), sợi quang chiết suất biến đổi Gradien GI (Gradex Index). Theo mode lan truyền: có sợi quang đơn mode (single mode), sợi quang đa mode (multi mode).

Phổ biến nhất người ta phân loại sợi quang theo lan truyền kết hợp với phân bố chiết suất. Theo đó người ta phân sợi quang thành 3 loại sau: 1. Sợi quang đa mode chiết suất bậc nhảy MM_SI. Chiết suất của lớp vỏ lõi là n1 và lớp vỏ là n2 đều là hằng số nhưng khác nhau, trong sợi có thể truyền đồng thời GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 5 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang nhiều loại mode sóng (nhiều tia sóng) khác nhau với hằng số truyền riêng của mỗi mode.

Với sợi làm bằng thủy tinh thạch anh thì chiết suất n1=1,5; n2=1,48. Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi Gradien MM_GI. Lõi sợi có chiết suất phân bố biến đổi là hàm số theo bán kính của lõi, với giá trị lớn nhất tại tâm là n 1 và giảm dần theo bán kính đến giá trị n2, còn vỏ sợi có chiết suất cố định là n2. Trong sợi MM_GI truyền được đồng thời nhiều mode sóng, mỗi mốt sóng truyền theo các đường cong dạng hình sin có chu kỳ gặp nhau sau một khoảng nhất định.

Phân bố chiết suất của sợi GI theo quy luật sau: khi (2.1) khi Sợi MM_SI được dùng phổ biến trong kỹ thuật có mặt cắt dạng parabol (dạng tối ưu) với tham số mặt cắt. Sợi quang đơn mode chiết suất nhảy bậc SM_SI. Chiết suất vùng lõi và vỏ của sợi quang này cũng là hằng số khác nhau n 1, n2, nhưng bán kính vùng lõi nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode. Trong sợi quang đơn mode chỉ truyền một sợi mode sóng duy nhất là mode sóng cơ bản.

Tia sóng của mode này truyền song song với trục sợi trong vùng lõi. Đường kính lõi Đường kính vỏ Đường kính vỏ bảo ∆(%) µm µm vệ (µm) SM: 8-10 125 250 hay 500 0,1 – 0,2 MM: 50 250 250 - 500 1 -2 Bảng 2. Bảng kích thước hình học và độ chênh chiết suất ∆ của một số loại sợi quang chế tạo từ thủy tinh thạch anh 2.2 Cở sở lý thuyết truyền dẫn ánh sáng GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 6 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang 2.1 Cơ sở lý thuyết Việc truyền dẫn sóng ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng khúc xạ trong lõi sợi và phản xạ toàn phần ánh sáng trên bề mặt phân chia giữa lớp lõi và lớp vỏ của sợi quang. Để giải thích hiện tượng trên ta xét sự phản xạ và khúc xạ sóng ánh sáng trên bề mặt phân chia hai môi trường điện môi có chiết suất khác nhau là n 1>n2 khi sóng ánh sáng truyền từ môi trường một sang môi trường hai.

Để cho đơn giản ta coi mặt phân chia hai môi trường là phẳng rộng vô hạn. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng Khi tia sóng truyền từ môi trường một đến mặt phân cách chia hai môi trường dưới góc (góc lập giữa tia tới và pháp tuyến n cuả mặt phân cách) thì tại mặt phân chia hai môi trường sẽ xuất hiện tia phản xạ quay trở lại môi trường một với góc phản xạ và tia khúc xạ 1’ đi tiếp và môi trường hai với góc khúc xạ là. Theo định luật khúc xạ ta có hệ thức sau: (2. Vậy sẽ tồn tại trường hợp khi tia tới (tia 2) truyền với góc tới có giá trị để đạt được điều kiện: GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 7 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang (2.5) hay Nếu tia sáng tới thứ 3 truyền đến mặt phân chia với một góc lớn hơn góc tới hạn thì tia khúc xạ không còn truyền trong môi trường 2 mà quay trở lại môi trường 1 trùng với tia phản xạ 3’ với góc phản xạ.

Hiện tượng trên gọi là sự phản xạ toàn phần hai điều kiện để xảy ra sự phản xạ toàn phần là n 1>n2,. Do sợi quang cấu tạo bởi 2 lớp chiết suất, lớp lõi kém hơn lớp vỏ n 1>n2 nên khi tia sáng truyền vào lớp lõi lập với pháp tuyến mặt phân chia giữa lớp lõi và vỏ có góc tới lớn hơn góc tới hạn thì tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân cách và truyền dọc trong lõi sợi quang theo đường zích zắc mà không đi ra ngoài vỏ.2 Truyền ánh sáng trong sợi quang Đối với sợi quang GI, chiết suất lõi sợi biến đổi theo lõi sợi quang không theo đường thẳng zích zắc theo đường cong dạng hình sin với chu kỳ tập trung quanh trục lõi sợi quang. Điều này được giải thích như sau: vận tốc truyền sóng trong trong lõi sợi quang được xác định bởi công thức:. Tại vùng gần trục, do chiết suất lõi sợi lớn nên vận tốc truyền của tia nhỏ nên quãng đường truyền ngắn còn vùng xa trục do chiết suất lõi nhỏ, nên vận tốc của tia lớn hơn và tia đi được quãng đường lớn hơn.

Kết quả là các tia truyền theo các đường cong có độ dài khác nhau nhưng sau cùng một khoảng thời gian sẽ gặp nhau theo chu kỳ. Khẩu điều chế số Để đặc trưng về khả năng ghép lượng ánh sáng vào lõi sợi quang người ta đưa vào đại lượng gọi là khẩu độ số, kí hiệu là NA. GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 8 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang Ta đã biết, để tia sáng đi vào lõi sợi quang và truyền dọc theo lỡi sợi cần thực hiện được điều kiện phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia giữa lõi và vỏ, nghĩa là phải có góc tới lớn hơn góc tới hạn. Khẩu điều chế số Trên hình vẽ ta thấy, tia tới 1 khi từ không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc là , ứng với góc tới nhỏ hơn góc tới hạn khi đến mặt phân chia sẽ khúc xạ ra vùng vỏ và bị tiêu hao, không truyền dọc theo sợi.

Tia tới 2 khi đi vào lõi sợi lập với trục sợi một góc ứng với góc tới hạn nên đến mặt giới hạn sẽ truyền dọc theo mặt này. Còn tia thứ 3 khi truyền từ ngoài không khí vào lõi sợi lập với trục sợi một góc sẽ ứng với góc tới lớn hơn góc tới hạn nên sẽ phản xạ toàn phần liên tiếp trên mặt phân chia và truyền dọc theo lõi sợi quang. Do đó góc được gọi là góc tiếp nhận cực đại ánh sáng và khẩu độ số của sợi được định nghĩa là: (2.6) Theo định luật khúc xạ ta có: (2.7) Vì chiết suất của không khí n 0=1, và góc tới hạn được tính theo biểu thức: , nên độ mở số được tính là: GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 9 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang (2.8) Khi tính khẩu điều chế số nhờ áp dụng định luật khúc xạ ta mới chỉ tính đến các tia sáng đến nằm trong mặt phẳng đi đi qua tâm sợi (mặt kinh tuyến) mà chưa tính đến các tia sáng đến sợi nằm lệch mặt phẳng này và truyền vào sợi theo các đường xoắn zích zắc. Vì vậy, NA trong thực tế khác chút ít so với công thức tính theo lý thuyết đã cho.

Trong thực tế các sợi quang có NA như sau: NAMMSI=0. Lý thuyết mode sóng Lý thuyết mode sóng dựa trên việc tìm nghiệm phương trình Mac-xoen hay phương trình sóng thuần nhất trong và điều kiện bờ trên mặt phân chia của các lớp sợi quang. Các phương trình đó có dạng như sau: - Các phương trình Mac-xoen cho trường điều hoà tần số : (2.13) Điều kiện bờ là: Ở đây j=1,2 là chỉ số của vùng lõi và vỏ. Các phương trình sóng thuần nhất: (2.14) với điều kiện bờ như trên Ở đây là chỉ số của vùng lõi và vỏ.

GVHD: ThS Tô Văn Tuấn 10 SVTH: Nguyễn Thị Duyên Chương II: Cáp sợi quang Việc tìm nghiệm của các phương trình sóng trong vùng lõi và vỏ sợi nói chung là rất khó, thường phải giải gần đúng. Mỗi một nghiệm riêng của phương trình mô tả một dạng trường hay một mode sóng đang tồn tại trong sợi quang. Các mode sóng trong sợi quang có đặc tính như sau:  Mỗi mode có hình ảnh phân bố trường riêng trong sợi.  Các mode là độc lập với nhau.

 Mỗi mode có vận tốc và hằng số truyền riêng.