Đề tài Các thành phần của hệ thống thông tin quang

Các thành phần của hệ thống thông tin quang Mở đầu Phần I: Tổng quan về hệ thống thông tin quang Chương I: Sơ lược về hệ thống thông tin quang 6 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang 6 1.2 Cấu trúc của hệ thống thông tin quang 7 1.3 Ứng dụng và ưu nhược điển của hệ thống thông tin quang 8 Chương II: Các thành phần của hệ thống thông tin quang quang 2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn 9 2.1.1 Cơ sở quang học 9 2.1.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn 10 2.1.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang 11 a/ Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc b/ Dạng dịch độ tán sắc. c/ Dạng san bằng tán sắc 2.1.4 Sợi đơn mode và sợi đa mode 14 2.2 Các thông số của sợi quang 15 2.2.1 Suy hao trong sợi quang 15 2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao 15 a/ Suy hao do hấp thụ b/ Suy hao do tán sắc c/ Suy hao do uốn cong 2.2.3 Tán sắc 19 a/ Địng nghĩa tán sắc b/ Các nguyên nhân gây tán sắc 2.3 Cấu trúc sợi quang 22 2.3.1 Lớp phủ 23 2.3.2 Lớp vỏ 23 a/ Dạng ống đệm lỏng b/ Dạng đệm khí c/ Dạng băng dẹt 2.4 Các linh kiện biến đổi quang 25 2.4.1 Khái niệm chung về biến đổi quang 25 2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang 25 a/ Đối với nguồn quang b/ Đối với linh kiện tách sóng quang c/ Nguyên lý chung 2.4.3 Nguồn quang 28 a/ Nguyên lý chung b/ Diot LED c/ Diot LASER (LD) 2.4.4 Tách sóng quang 32 1 Nguyên lý chung 32 2 Những thông số cơ bản 33 a/ Hiệu suất lượng tử b/ Đáp ứng c/ Độ nhậy d/ Dải rộng e/ Tạp âm 3 Diot thu PIN 35 4 Diot thu APD 37 5 Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD 38 2.5 Hàn nối sợi quang 39 2.6 Hệ thống thông tin quang 41 1. Khái niệm 41 2. Cấu trúc hệ thông tin quang 42 3. Mã hoá hệ thông thông tin quang 45 2.7 Thiết kế tuyến thông tin quang 48 1.Yêu cầu 48 2.Tính toán thiết kế 49 3.Ví dụ tính toán 52 Phần II: Công nghệ truyền dẫn SDH ChươngI: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn 55 1.1 Kỹ thuật điều chế xung mã 55 1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM 55 1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM 56 a/ Lấy mẫu b/ Lượng tử hoá c/ Mã hoá 1.2Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58 1.2.1 Khái niệm về thông tin nhiều kênh 58 1.2.2 Ghép kênh nhóm sơ cấp và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam 58 1.2.3 Hệ thống PCM cấp I 59 ChươngII: Công nghệ truyền dẫn SDH 61 2.1 Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH (Pleosynchronous Digital Hierarchy) 61 2.2 Định nghĩa SDH(Synchrônous Digital Hierarchy) và sự cần thiết của nó 62 2.3 Cấu trúc khung SDH 65 1. Cấu trúc ghép cơ bản 65 2. Cấu trúc khối 67 a/ Container C b/ Container ảo c/ Cấu trúc các VC d/ Đơn vị luồng TU e/ Nhóm đơn vị luồng TU f/ Các đơn vị quản lý TU g/ Nhóm các đơn vị quản lý AUG h/ Cấu trúc khung i/ Cấu trúc khung STM-N Chương III: Mạng SDH 84 1.1 Các vùng mạch SDH 84 1.1.1 Đường dẫn 84 1.1.2 Vùng ghép kênh 84 1.1.3 Vùng lặp 84 3.2 Hai thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ 85 3.2.1 Các hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao 85 a/ Các hệ thống đường dây b/ Các thiết bị nối chéo bậc cao 3.2.2 Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp 85 a/ Truy suất và ghép b/ Hệ thống kết nối chéo bậc thấp 3.3 Kết nối chéo DDC 86 3.4 Mạng 87 3.5 Mạng vòng ring SDH 87 3.5.1 Vòng ring một hướng tự bảo vệ cho vùng dẫn 87 3.5.2 Mạng vòng ring hai hướng 88 3.5.3 Bảo vệ theo đường truyền 88 3.5.4 Mạng vòng tự phục hồi một hướng tự bảo vệ luồng 89 3.5.5 Mạng vòng tự phục hồi một hướng theo đoạn 89 3.5.6 Mạng vòng tự phục hồi hai hướng theo đoạn 89 3.6 Mạng ring trong ba vùng ứng dụng của ALCATEL 90 Kết luận THUYẾT MINH ĐỒ ÁN Đồ án của em chia làm 2 phần Phần I: Tổng quan về hệ thông tin quang. Phần II: Công ghệ truyền dẫn SDH. Trong phần I gồm có 2 chương: Chương I: Sơ lược về hệ thông thông tin quang. Ở chương này em nghiên cứu lịch sử phát thiển của hệ thông tin quang, cấu trúc hệ thống này và các ứng dụng và ưu nhược điểm của nó. Chương II: Các thành phần của hệ thông tin quang. Chương II em nghiên cưu về lý thuyết trung về truyên dẫn + Các thông số của sợi quang bao gồm: Suy hao trong sợi quang Các nguyên nhân gây suy hao Tán sắc + Cấu trúc của sợi quang gồm lớp phủ và lớp vỏ + Các linh kiên biến đổi quang gồm có các yêu cầu kĩ thuật của linh kiện biến đổi quang, nguồn quang và tách sóng quang. + Hàn nối sợi quang: Các yêu cầu kĩ thuật của mối nối + Hệ thống thông tin quang gồm có cấu trúc hệ thống thông tin quang và mã hoá hệ thống thông tin quang. + Thiết kế tuyến thông tin: tính toán thiết kế và ví dụ để tính toán. Phần II: gồm có 3 chương Chương 1: Sơ lược về công nghệ truyền dẫn. Trong chương này em nghiên cứu + Kỹ thuật điều chế xung mã gồm cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM và cơ sở lý thuyết PCM + Thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam: ghép kênh nhóm sơ cấp và hệ thống PCM cấp 1. Chương 2: Nghiên cứu công ghệ truyền dẫn SDH. Trong chương này em nghiên cứu + Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH + Sự cần thiết của SDH + Cấu trúc khung SDH gồm cấu trúc ghép cơ bản và cấu trúc khối Chương 3: Nghiên cứu mạng SDH Trong chương 3 em nghiên cứu + Các vùng mạnh SDH gồm đường dẫn, vùng ghép kênh và vùng lặp + Thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ: Có hai thành phần là Hệ thống đường dây và thiết bị nối chéo bậc cao Các bộ ghép kênh truy suất và thiết bị kết nối chéo bậc thấp + Kết nối chéo DDC + Mạng + Mạng vòng ring SDH Trong mạng này gồn có 6 mạng vòng là: Vong ring một hướng tợ bảo vệ cho một vùng dẫn. Mạng vòng ring hai hướng. Bảo vệ theo đường truyền. Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng bảo vệ theo luồng. Mạng vòng ring tự phục hồi một hướng theo đoạn. Mạng vòng ring tự phục hồi hai hướng bảo vệ theo đoạn PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin quang. Nh­ chóng ta đã biết thông tin quang học đã có từ lâu đời. Cho tới thế kỷ 18 thông tin quang học theo nghĩa rộng vẫn chỉ dừng ở mức đèn tín hiệu,...... Lịch sử phát triển thông tin quang học được tóm tắt bởi các mốc sau: Năm 1790 Claude Chappe- kỹ sư người Pháp đã xây dựng một hệ thống điện báo quang. Hệ thống này gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu di động trên đó. Tốc độ thông tin được truyền với hệ thống này khoảng 15 phót cho cù ly 200km. Năm 1870 John Tyndall- nhà vật lý người Anh, đã chứng minh ánh sáng có thể truyền được theo ống nước uốn cong. Việc truyền ánh sáng trong ống nước uốn cong là sự ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần. Năm 1880 Alexander Graham Bell người Mỹ giới thiệu hệ thống điện thoại quang, trong hệ thống này, ánh sáng mang điện năng được truyền qua môi trường không khí. Nhưng vì môi trường không khí có nhiều nguồn gây nhiễu nên thực tế hệ thống này chưa được sử dụng. Năm1934 Noman R.Funch- kỹ sư người Mỹ dùng các thanh thuỷ tinh làm môi trường truyền dẫn ánh sáng trong thông tin quang. Năm 1960 Theodor H.Maiman đưa laze vào hoạt động và đã thành công. Năm 1962 laze bán dẫn và photodiode bán dẫn hoàn thiện. Năm1966 Charles H. KaoVà George A. Hockhan người Anh dùng sợi thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sánh. Sợi thuỷ tinh được chế tạo lúc này có sự suy hao quá lớn( d @ 1000dB/km). Năm 1970 hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quangcó chiết suất bậc với suy hao nhỏ hơn 20dB/km. Năm 1983 sợi quang đơn mốt được sản suất tại Mỹ. Ngày nay sợi quang đơn mốt được sử dụng rộng rãi. Độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0.2dB/km ở bước sóng 1550nm. Cấu trúc của hệ thông tin quang. Trặm lặp trên đường truyền Nguån tÝn hiÖu PhÇn tö ®iÖn E O E O E O E O PhÇn tö ®iÖn Tín hiệu ra Biến đổi Biến đổi Sơ đồ tuyến truyền quang dẫn Theo sơ đồ hệ thống ta có: + Nguồn tín hiệu ban đầu: Tiếng nói, Fax, Camera...... + Phần tử điện xử lý nguồn tin tạo ra tín hiệu đưa vào hệ thống. + Bộ biến đổi E/O có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang với các mức tín hiệu đệm được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện “0” và “1” được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng “không” và “có”. Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi. Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang nh­:LED, laserđioe. + Trạm lắp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, dạng sóng (độ rông xung) bị dãn ra do nhiều nguyên nhân khác nhau. Vì vậy để truyền được tín hiệu đi xa cần có trạm lặp. Trặm lặp này có nhiệm vụ khôi phục lại nguyên dang tín hiệu của nguồn phát và khuếch đại tín hiệu. Sau đó đưa vào tuyến truyền dẫn tiếp theo. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn (cự ly tuyến thông tin lớn) thì cần thiết có tr ặm lặp. O E O E Tín hiệu Tín hiệu KĐ Cáp quang Cáp quang Sơ đồ khối trặm lặp 1.3. ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống thông tin quang. Những ứng dụng của sợi quang. Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. Vị trí Sợi quang trong mạng thông tin hiện nay. + Mạng đường trục xuyên quốc gia. + Đường trung kế. + Đường cáp thả biển xuyên lục địa ( Xuyên Quốc Gia). + Đường số liệu. + Mạng truyền hình. Ưu điểm Suy hao truyền dẫn rất nhỏ so với truyền thông tin qua đây kim loại nên số trặm lặp giảm. Sợi quang được chế tạo từ nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệ rất rồi dào và rẻ tiền dẫn đến giảm được giá thành. Sợi quang có đường kính nhỏ, trọng lượng nhẹ. Sợi quang có tính bảo mật trong thông tin cao, không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ trường bên ngoài. Tính cách điện cao, không gây chập cháy. Dễ lắp đặt, bảo dưỡng, uốn cong. Dùng hệ thống thông tin cáp sợi quang kinh tế hơn nhiều so với cáp kim loại có cùng dung lượng và cự ly. Nhược điểm. Do cấu trúc sợi quang nhỏ nên thiết bị quang phải tương thích. Kĩ thuật hàn nối khó khăn, yêu cầu độ chính xác cao. Thiết bị tốn kém. Nhờ có những ưu nhược điểm trên nên sợi quang đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin và các mục đích khác. Chương II. Các thành phần của hệ thống thông tin quang 2.1 Lý thuyết chung về quang dẫn. 2.1.1 Cơ sở quang học. Sự truyền ánh sáng trên sợi dẫn quang là hiện tượng phản xạ ánh sáng, ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ (800 – 1600)nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là: 850nm, 1300nm, 1550nm. Vận tốc ánh sáng: C=V.l. Trong đó: V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng. l là vận tốc ánh sáng Triết suất của môi trường: n=C/V Trong đó: n là triết suất của môi trường V là tần số ánh sáng C là vận tốc ánh sáng trong chân không Vì V1 Sự phản xạ toàn phần. Định luật Snell: n1Sina =n2 Sinb. Tia khóc x¹ 1’ Tia ph¶n x¹ 1’ Tia tíi n2 n1 3 2 1’’ Sù ph¶n x¹ vµ khóc x¹ ¸nh s¸ng Ta có quan hệ giữa tia phản xạ với tia khúc xạ và tia tới. Góc phản xạ bằng góc tới. a=a’ *Góc khúc xạ được xác định theo định luật Snell. n1Sina =n2 Sinb. Trong đó: n1 : chiết suất môi trường 1 n2 : chiết suất môi trường 2 Khi n1>n2 thì a > b nếu tăng a thì b cũng tăng theo và b luôn lớn hơn a khi b = 90 tức là song với mặt tiép giáp, thì a được gọi là góc tới hạn aT. Nếu tiếp tục tăng cao cho a>aT thì không còn tia khúc xạ mà chỉ còn tia phản xạ hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật Snell ta có thể tính được góc tới hạn aT: SinaT = hay aT=artsin 2.1.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang dẫn Giả sử một tia sáng do một nguồn bên ngoài xâm nhập vào mặt cắt ngang của sợi quang để làm truyền. Tia khóc x¹ n2 n1 nk Trôc sîi quang Tia ph¶n x¹ Tia sáng thâm nhập tao nên một góc q với trục sợi quang nguồn bức xạ tạo ra ánh sáng. Tia sáng phải đi qua môi trường không khí có nk = 1 rồi vào ruột sợi có n1> nk tia tới mặt cắt sẽ bị khúc xạ tạo nên góc khúc xạ b. Sự phản xã toàn phần chỉ xẩy ra với những tia có góc tới q < qmax. Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số. NA = Sinqmax. áp dụng công thức Snell để tính NA. Tại điểm A ta có: nksinqmax = n1sin90. Mà nk là chiết suất không khí(n1=1). Để dảm bảo đIều kiện phản xạ toàn phần theo định luật Snell thì: Sinamin = và amin đảm bảo đIều kiện toàn phần. Do đó: NA = sinmax= n21-n22 =n1 Với là sự khác nhau về chiết suất. * giá trị cực đại max gọi là góc nhận ánh sáng và sinmax max sẽ bị khúc quang không thể truyền đi được xa. 2.1.3 Các dạng phân bố triết suất trong sợi quang. Sợi quang có cấu trúc chung bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn và một lớp vỏ cũng bằng thuỷ tinh có triết suất lớn hơn. Triết suất của lớp vỏ không đổi còn triết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách từ trục ra). Sự biến thiên triết suất theo bán kính được biết dưới dạng tổng quát nh­ sau: n2[1-(r/a)g ] với (trong lõi) n(r) ={ n1(1-2)1/2-n1(1-)=n2 với > a (lớp vỏ) Trong đó: n1: triết suất lớn nhất của lõi. n2: triết suất lớp bọc. = : độ chênh lệch triết suất r: khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính triết suất. a: bán kính lõi sợi. b: bán kính lớp vỏ g: số mũ quyết định dạng biến thiên, g1 Các giá trị thông dụng của g: g = 1: dạng tam giác g = 2: dạng parabol g = : dạng nhẩy bậc (SI: Step-Index). rmax=n1 rmax r a a b b C¸c d¹ng ph©n bè triÕt suÊt g = g=1 g = 2 Sợi quang có triết suất nhẩy bậc. Đây là sợi quang có cấu tạo đơn giản nhất với triết suất của lõi và lớp vỏ khác nhau một cách rõ rệt nh­ hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang phòng cào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau. n2 b n1 a 0 a b Sù truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang cã triÕt suÊt nhÈy bËc (SI) Các tia sáng truyền trong lõi cùng với vận tốc: v = Trong đó n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sánh rộng hơn ở cuối sợi. Đây là hiện tượng tán sắc do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cù ly dài được. Sợi quang có triết suất giảm dần (GI: Graded-Index). Sợi GI có dạng phân bố triết suất lõi hình parabol, vì triết suất lõi thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong. Sù truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi GI n(r) n2 n1 Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền ngắn nhất vì triết suất ở trục là ngắn nhất. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI. a/ Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc: (Hình a). Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang muốn thuỷ tinh có triết suát lớn phải thêm nhiều tạp âm vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm triết suất lớp vỏ bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch triết suất nhưng có triết suất lõi n1 không cao. b/ Dạng dịch độ tán sắc (Hình b): Độ tán sắc tổng ộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng triết suất nh­ hình b. c/ Dạng san bằng tán sắc (Hình c): Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có dạng triết suất nh­ hình c. H×nh a H×nh b H×nh c 2.1.4 Sợi đa mode và đơn mode. Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125m). Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 50m (a: bán kính lõi) Vỏ: có triết suất n2<n1: đường kính D = 2b = 125m (b: bán kính vỏ) Độ lệch triết suất tương đối: = = 0,01=0,1% Sợi đa mode có thể có triết suấtnhẩy bậc hoặc triết suất giảm dần: §­êng tuyÕn ¸nh s¸ng MÆt c¾t triÕt suÊt d a/ Sîi SI-MM n1 n2 d b/ SîiGI-MM Kích thước sợi dây mode theo tiêu chuản CCITT (50/125m). *Sợi đơn mode (SM: single Mode). Các thốngố của sợi SM thông dụng là: Lõi: có triết suất n1 = 1,46; đường kính d = 2a = 9 đến 10m Vỏ: có triết suất n2<n1: đường kính D = 2b = 125m. Độ chênh lệch triết suất tương đối: = = 0,003=0,3% Khi giảm kích thước lõi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì được gọi làđơn mode. Trong sợi tryền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố triết suất nhẩy bậc. Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, Đặc biệt ở bước sóng =1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp (~0). Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phảicó độ chính xác cao. Cácyêu cầu này ngày càng có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến. d D KÝch th­íc sîi ®¬n mode n1 n2 = 0,3% 2.2 Các thông số của sợi quang. 2.2.1. Suy hao trong sợi quang. Suy hao là tham số hiển thị sự suy giảm năng lượng ánh sáng khi truyền ánh sáng trong sợi quang. Khi lan truyền trong sợi quang công suất ánh sáng bị giảm dần theo cù ly vớiquy luật hàm mũ tương tự nh­ tínhiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm mũ truyền công suất có dạng. P(L) = P(1).10 Trong đó: P(L): công suất cự ly tính từ đầu sợi. P(1): công suất đầu sợi (L=0) : hệ số suy hao P1=P(1) P2=P(L) L Z C«ng suÊt truyÒn trªn sîi quang Suy hao của sợi quang được tính theo công thức. A = log (dB) với P2<P1. Trong đó: P1: ông suất quang đưa vào đầu sợi quang P2: Công suất quang đưa vào cuối sợi quang Suy hao trung bình trên 1km sợi quang theo công thức: a = (dB/Km) Trong đó: A: Suy hao sợi quang [dB] L: Chiều dài sợi quang [Km] 2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao. a/. Suy hao do hấp thụ. (Hình a,b,c). Sự hấp thụ kim loại: Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp năng lượng ánh sáng. Các tạp chất kim loại trong sợi quang hấp thụ ánh sáng thường gặp là Cu, Fe, Mn, Cr, Ni…….. - Mức độ hấp thụ ánh sáng nhiều hay Ýt phụ thuộc loại tạp chất, lượng tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9). - Sự hấp thụ Ion OH: Do các Ion còn lại trong sợi quang sau khi chế tạo đã hấp thụ ánh sáng. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng nhiều hay Ýt cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm. Nh­ vậy độ Èm cũng là một nguyên nhân gây ra suy hao của sợi quang. - Sự hấp thụ ở vùng cực tím và hồng ngoại: Do vùng ánh sáng cực tím và hồng ngoại hấp thụ ánh sáng mà bản thân ánh sáng truyền trong sợi quang năm trong vùng hồng ngoại và cận cực tím. Mức độ hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng truyên trong sợi quang. b/. Suy hao do tán sắc (Hình 1). Do tán xạ Rayleigh: Hiện tượng này xẩy ra do sợi quang sau khi chế tạo có những chỗ không đồng nhất cho nên khi ánh sáng truyền trong sợi quang gặp những chỗ gây ra tán xạ Rayleigh. Khi kích thước của vùng không đồng nhất bằng 1/10 thì chúng trở thành những nguồn, điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua các điểm này sẽ toả ra nhiều hướng, chỉ còn một phần năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo hướng khác. Độ suy hao của tán xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (-4) nên giảm rất nhanh về phia bước sóng dài nhưng nó ảnh hưởng đáng kể ở bước sóng ngắn. ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi silicon khoảng từ 1 đến 2 dB ở = 1300nm suy hao là 0,3dB/km. Còn ở = 1550nm suy hao nhỏ nhất. Hiện tượng tán xạ Rayleigh còn được áp dụng trong kĩ thuật đo lường, trong các máy đo quang Do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc (vỏ) không hoàn hảo: Hiện tượng này xẩy ra khi mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo, làm cho tia sáng không phản xạ toàn phần trong lõi mà có một phần khúc xạ ra vá do không thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần. c/. Suy hao do uốn cong (Hình 2). Những chỗ uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang lớn do tia sáng tự lệch trục, sự phân bố thường bị sáo trộn khi đi qua những chỗ tự uốn cong nhỏ dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi quang. 500 600 800 1000 1200 1400 1600 0 c/. §é hÊp thô cña c¸c t¹p chÊt kim lo¹i a(dB/km) nm 600 500 400 300 200 100 600 800 1000 1200 1400 1600 3 2 1 0 a(dB/km) nm 600 800 1000 1200 1400 1600 3 2 1 0 a(dB/km) nm b/. §é hÊp thô OH 600 800 1000 1200 1400 1600 100 10 1 0.1 0.01 nm a/. Suy hao hÊp thô vïng cùc tÝm vµ hång ngo¹i hÊp thô hång ngo¹i hÊp thô cùc tÝm 600 800 1000 1200 1400 1600 100 10 1 0.1 0.01 nm a/. Suy hao hÊp thô vïng cùc tÝm vµ hång ngo¹i hÊp thô hång ngo¹i hÊp thô cùc tÝm a(db/km) a(db/km) 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 a(db/km) 4 0,3 m H1: Suy hao do t¸n x¹ Rayleigh 1 3 5 2 - - - - - - - - - 10 1 0,1 10 20 30 0 40 50 60 10 R(nm)H H×nh 1 Suy hao do uèn cong thay®æi theo b¸n kÝnh R 2.2.3. Tán sắc. a. Định nghĩa tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang ký hiệu D, đơn vị giây (s) được tính bằng: Trong đó: Ti là độ rộng xung vào To là độ rộng xung ra - Độ tán sắc do chất liệu người ta đánh giá trên mỗi km sợi ứng với mỗi mm của bề rộng phổ của nguồn quang, lúc đó đơn vị tính là PS/Km.Km. - Độ tán sắc qua mỗi Km sợi tính bằng đơn vị us/Km hoặc PS/Km. Ti L T0 P0 P0/2 b. Các nguyên nhân gây tán sắc. - Tán sắc Mode: chỉ xuất hiện ở sợi damode. Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ với thời gian khác nên có sự chênh lệch thời gian, sinh ra méo xung. Dạng xung đầu vào máy thu phụ thuộc 2 yếu tố chính: + Thành phần công suất từ nguồn từ nguồn phát quang ghép vào sợi. + Sự phân bố các mạch mode truyền dẫn trên sợi quang với loại sợi SI - MM. L n2 n1 2 1 + Tia 1: Tia dài nhất + Tia 2: tia ngắn nhất d2 = L Thời gian truyền của tia 1: 1 = d1/V. (Với V là vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi V = C/n1) mà cos 1 - sin c = nên Thời gian truyền của tia 2: Thời gian chênh lệch giữa 2 đường truyền là: Trong đó: độ chênh lệch chiết suất. Thời gian chênh lệch trên mỗi loại sợi cũng chính là độ giản xung do tán sắc mode. Đối với sợi có chiết suất giảm dần GI độ giãn xung do tán sắc mode nhỏ hơn so với SI. Độ dẫn xung qua mỗi khối lượng sợi hay độ tán sắc mode: - Tán sắc thể: gồm có tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc thể còn gọi là tán sắc bước sóng. + Tán sắc vật liệu: là hiện tượng do ánh sáng truyền trong sợi quang không phải là đơn sắc mà là đa sắc. Mỗi bước sóng khác nhau sẽ có chiết suất khác cho nên vận tốc truyền khác. Tán sắc do vật liệu được xác định bởi: : triết suất lõi sợi. Độ tán sắc chất liệu cho biết mức độ giãn xung của mỗi mm bề rộng nguồn quang qua mỗi km sợi với đơn vị là PS/nm. Km. Ở bước sóng 850mm độ tán sắc M = 90 120PS/nm. Km. Ở bước sóng 1300mm tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng ngược dẫn nên M =0. Ở bước sóng 155mm thì M = 20PS/nm. Km. + Tán sắc ống dẫn sóng: là hiện tượng do phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng gây ra tán sắc. Tán sắc ống dẫn sóng rất nhỏ chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode T¸n s¾c cña c¸c lo¹i sîi + Tóm lại: tán sắc xảy ra trong sợi quang bao gồm tán sắc mode và tán sắc thể. Sợi quang mode chỉ có tán sắc thể vì trong sợi quang đơn mode chỉ - - - - - - - - 0 4 8 12 -4 -8 -12 dchr (PS/nm.Km) 12 1 2 1300 1600 truyền mét tia sáng cho nên không có tán sắc mode xẩy ra. Ddchr: chromatic dispersion. 2.3. Cấu trúc sợi quang. Thành phần chính của sợi quang gồm lõi (core) và lớp bọc (cladding). Trong viễn thông dùng loại sợi có cả 2 lớp trên bằng thủy tinh, lõi để dẫn ánh sáng và lớp vỏ bọc để giữ ánh sáng tập trung trong lõi nhờ sự phản xạ thành phần giữa lớp lõi và lớp vỏ bọc. Để bảo vệ sợi quang tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm một vài lớp nữa. - Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primany coating). Líp vá Líp phñ Líp bäc Lâi 10 m 15 m 250 m 0,9 m - Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating). Cấu trúc sợi quang. 2.3.1. Lớp phủ Có tác dụng bảo vệ sợi quang. - Chống lại sự xâm nhập của hơi nước. - Tránh xước gây nên vết nứt. - Giảm ảnh hưởng vì uốn cong. Vật liệu có thể là Epoxyrylate, polyrethanes ethylen - Vinyl - Cicetate... chiết suất lớp phủ lớn hơn triết suất lớp bọc sát lõi sợi. Lớp phủ này được nhuộm màu và thêm các vòng đánh dấu. Thông thường đường kính lớp phủ thứ nhất là 250m đối với sợi có đường kính lớp bọc là 125 m. 2.3.2. Lớp vỏ. Có tác dụng tăng cường sức chịu đựng của sợi quang trước các tác dụng có bọc và sự thay đổi nhiệt độ. - Dạng ống đệm. - Dạng đệm khít. - Dạng băng dẹt. Mỗi dạng có những ưu điểm nhược điểm khác nhau do đó nó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. a. Dạng ống đệm lỏng. - Èng đệm lỏng thường gồm 2 lớp, lớp trong có hệ số ma sát nhỏ để sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, lớp ngoài bảo vệ sợi quang trước ảnh hưởng cực cơ học. Đối với cáp trong nhà thì bên trong ống dẫn lỏng không cần chất nhồi nhưng với cáp ngoài trời thì phải bơm thêm chất nhồi có tính chất sau: + Có tác dụng ngăn Èm. + Có tính nhớt không tác dụng hóa học với các thành phần khác của cáp. + Để tẩy, sạch khí cần hàn nối. + Khó cháy: 1,2 1,4 (mm) Sîi Líp phñ èng ®Öm ChÊt gel Cấu trúc ống đệm lỏng có nhiều ưu điểm nên được dùng trong các đường truyền dẫn cần chất lượng cao, trong điều kiện môi trường thay đổi nhiều. Cấu trúc ống đệm. b. Dạng đệm khít. 0,9nm Sîi Líp phñ Líp ®Öm Líp vá Để đảm bảo vệ sợi quang dưới tác dụng của nhiều điều kiện bên ngoài là bọc một lớp vỏ ôm sát lớp nh­. Phương pháp này làm giảm đường kính của lớp vỏ do đó giảm kích thước và trọng lượng của cáp, song sợi quang lại chịu ảnh hưỏng trực tiếp khi cáp bị kéo căng, để giảm ảnh hưởng này người ta chèn thêm một lớp đệm mềm ở giữa lớp phủ và lớp vỏ. Hình thức này gọi là cấu trúc đệm tổng hợp. Sợi quang có vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được dùng làm cáp đặt trong nhà... Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp c. Dạng băng dẹt Cấu trúc băng dẹt cũng là một dạng vỏ đệm khít nhưng bọc nhiều sợi quang thay vì một sợi. Số sợi trong băng có thể đến 12, bề rộng của mỗi băng tuỳ thuộc vào số sợi trong băng. Nhược điểm: Có nhược điểm giống nh­ cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang chịu ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng. B¨ng 8 B¨ng 4 Cấu trúc băng dẹt. 2.4. Các linh kiện biến đổi quan 2.4.1. Khái niệm chung về biến đổi quang. Linh kiện biến đổi quang được đặt ở 2 đầu sợi quang . - Linh kiện biến đổi từ tín hệu điện sang tín hệu quang, được gọi là nguồn quang linh kiện này có nhiệm vụ phát ra áp suất có công suất tỷ lệ với dòng chạy của nó. - Linh kiện biến đổi tín hệu quang thành tín hệu điện gọi là linh kiện thu quang nó tạo ra dòng điện có cường độ tỷ lệ với công suất quang chiếu vào nó. Chất lượng các linh kiện này vào chất lượng của sợi quang quyết định chất lượng, cự ly của tuyến truyền dẫn quang. 2.4.2. Yêu cầu kỹ thuật của linh kiện biến đổi quang. a. Đối với nguồn quang. Nguồn quan là những thiết bị thực hiện việc biến đổi tín hệu điện quang rồi phát ra tín hệu vào đường truyền. * Những yêu cầu cơ bản của nguồn phát: - Bước bóng nguồn phát phù hợp với bước sóng thông dụng nh­: 850nm, 1300nm, 1550nm. - Công suất phát sáng được phát ra không chỉ một bước sóng duy nhất là một khoảng bước sóng, do vậy gây nên hiện tượng tán sắc lớn, do vậy độ rộng phổ hẹp càng tốt. - Góc phát sáng càng nhỏ càng tốt. - Thời gian truyền: Để truyền tốc cao thời gian chuyển trạng thái phải nhanh. - Đổ ổn định: Máy phát quang phải có công suất ổn định mới đảm bảo độ trung thực của T/h. - Thời gian sử dụng cân, giá thành hạ. b. Đối với linh kiện tách sóng quang. - Bước sóng: Đối với bước sóng hoạt động của hệ thống 850 nm, 1300nm 1550nm, phải nhạy. - Độ nhạy: Càng cao càng tốt, tức là khả năng tách được các tín hiệu quang thật nhỏ với số lỗ bịt cho phép độ nhạy càng cao thì có thể mở rộng cự ly thông tin. - Đáp ứng nhanh: Để có thể làm việc trong hệ thống có tốc độ bít cao. - Dòng tốt nhỏ: khi chưa có tách sóng chiều vào nhưng linh kiện tách sóng quag vẫn có dòng điện tách sóng nhiễu chạy qua. Dòng điện này càng nhỏ càng tốt. - Tạp âm: tạp âm càng thấp càng tốt sẽ đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (S/N). - Độ cậy cao, giá thành hạ. c. Nguyên lý chung. Các linh kiện biến đổi quang điện -> điện quang dùng trong thông tin quang hiện nay là các linh kiện bán dẫn. Bán dẫn có 2 mức Eg E Ec Ev + Mức hóa trị + Mức dẫn điện. Do đó năng lượng của điện tử chia làm 3 vùng + Vùng dẫn điện + Vùng cấm + Vùng hoá trị + E: năng lượng điện tử C¸c vïng n¨ng l­îng cña chÊt b¸n dÉn + Ec: Mức năng lượng dẫn + Ev: Mức năng lượng hóa trị + Eg: Khe năng lượng + X: Khoảng cách vật chất. + Khi mét photon bức xạ vào chất bán dẫn cung cấp năng lượng (E=h.v) cho một điện tử đang ở vùng hóa trị thì điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn photon biến mất điện từ sẽ để lại một cổ trống trong vùng hoá trị. Nh­ vậy một photon (có năng lượng thích hợp) chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một điện tử và một cổ trống còn photon thì biến mất. Đó là hiện tưởng hấp thụ, được ứng dụng trong photon diode làm linh kiện thu quang. + Nếu vùng dẫn số điện tử nhiều hơn mức cân bằng thì điện tử thừa sẽ rơi xuống vùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với cổ trống. Trong khi dịch chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, năng lượng chênh lệch được bức xạ dưới dạng photon. Nh­ vậy khi một điện tử kết hợp với một cổ trống có thể làm bức xạ ra mét photon đó là hiện tượng phát xạ tự phát được ứng dụng trong diode phát quang (LED) dùng làm nguồn quang. + Hiện tượng phát xạ kích thích. Là hiện tượng đặc biệt do ánh sáng được phát ra trong quá trình tái hợp điện tử và cổ trống lại kích thích các điện tử đang ở vùng dẫn có mức cao năng lượng xuống vùng hóa trị có mức năng lượng thấp tại hợp với các lỗ trống phát ra lượng ánh sáng mới. Quá trình tái hợp đủ lỗ trống xảy ra liên tục làm cho năng lượng ánh sáng phát ra rất lớn. l l 0 l 0 hv hv hv Vïng dÉn ®iÖn Khe n¨ng l­îng Vïng ho¸ trÞ HÊp thô Ph¸t x¹ tù ph¸t Ph¸t x¹ kÝch thÝch 2.4.3. Nguồn quang. a. Nguyên lý chung. Có 2 loại được dùng làm nguồn quang - Diode phát quang LED (lLight Emitting Diode) - Diode laser hay LD Cả hai linh kiện đều phát triển từ Diode bán dẫn của loại P và N. Các đặc tính kỷ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng, riêng bươcsóng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo nguồn quang. Mỗi chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng Eg khác nhau. Mà Eg quyết định tần số và do đó quyết định bước sóng của năng lượng ánh sáng phát ra theo công thức. Eg =Hv = Hay Trong đó: H: hằng số planck = 6,625.10-34T.s C: Tốc độ ánh sáng trong chân không = 3.108m/s Eg: Bề rộng khe năng lượng (đơn vị ev) V: Tần số ánh sáng phát ra (đơn vị Hz). b. Diot LD Tiếp xúc bề mặt: Loại này dùng bán dẫn Ga As với nồng độ khác nhau để làm lớp nên N và lớp phát sáng loại P. Với P có độ dày cỡ 250m. Mặt ngoài lớp phủ chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang LED tiếp xúc mặt có bước sóng công tác từ 880-950m. Líp tiÕp xóc P Líp c¸ch ®iÖn (Al2C3 ¸nh s¸ng Líp chèng ph¶n x¹ Líp P-Ga As(khuÕch t¸n) Líp N- Ga As (nÒn) Líp tiÕp xóc Líp P-Ga As(khuÕch t¸n) Cấu tróc LED tiếp xúc bề mặt - LED Burrus. Được chế tạo theo cấu trúc nhiều lớp (Helerostruc ture) bao gồm các lớp bán dẫn loại N và P với bề mặt dày và nồng độ khác nhau. Với cấu trúc nhiều lớp và vạch tiếp xúc P có kích thước nhỏ vùng phát sóng của diode này tương đối hẹp. Ngoài bề mặt có khoét được để đưa quang vào gần vùng ánh sáng. Líp tiÕp xóc (®­êng kÝnh nhá) Líp P- Al Ga As (líp tÝch cùc) Vïng ph¸t s¸ng Líp c¸ch ®iÖn Líp tiÕp xóc N Líp N - Ga As (líp nÒn ) Líp N - Al Ga As Líp P+ Al Ga As Cấu tróc LED Burus Lớp tiếp xúc P (đường kính nhỏ) Bước sóng của LED Burrus dùng bán dẫn ALGAAS/GAAS khoảng 800-8500m. Dùng In GAAS/InP thì bước sóng phát ra dài hơn - LED phát bước dài. Một loại LED phát bước sóng dài (1300mm và 1550mm) dùng bán dẫn In Ga ASP/InP. Dùng lớp nền InP dạng thấu. Kính để ghép vào sợi quang. Vïng ph¸t s¸ng Líp P+ - lua AsP Líp tiÕp xóc N Líp N - InP nÒn ) Líp c¸ch ®iÖn Al2O3 Líp P-- lgna AsP Líp chèng ph¶n x¹ Líp P+ - lgua AsP Líp to¶ nhiÖt LCD phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emelting diode) Các điện cực tiếp xúc bằng kim loại phủ kim mặt đáy nên ánh sáng không thể phát ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp lớp tích cực rất mỏng bằng thiết bị có triết xuất lớn kép giữa 2 líp PN có triết suất nhỏ hơn. Cấu trúc như vậy giống như cấu trúc sợi quang. Nên khi mét trong 2 đầu ống dẫn sóng được nối với sợi quang thì vùng phát sóng hẹp, góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất phép ánh sáng, vào sợi quang cao. Tuy nhiên nó cũng có hạn chế là khi hoạt động nhiệt độ của ELED tăng khá cao nên đòi hỏi phải giải nhiệt. Líp tiÕp xóc P C¸ch ®iÖn TiÕp xóc N Líp P-AL Ga As Líp P- Ga As Líp P-AL Ga As Líp P- Ga As c. Diot LESER (LD) + Cấu tạo Mét LD thông thường được cấu tạo bằng 3 lớp hoạt động của lasser xảy ra ở vùng được ghép bởi 2 lớp bán dẫn loại N và P được gọi là vùng hoạt chất. Vùng này đóng vai trò nh­ một chất cộng hưởng. Khi đó dòng điện bơm từ phía (+) đến (-) thì ánh sáng lesser được phát ra theo hướng mũi tên B¸n dÉn lo¹i N Líp tÝch cùc B¸n dÉn lo¹i N Ánh sáng cấu tạo Diode laser + Nguyên lý: Trong hệ thống thông tin quang, các nguồn phát sáng laser là các laser bán dẫn thường là laser Diode (LD). Các loại này có thể khác nhau những nguyên lý cơ bản là nh­ sau: Hấp thụ photon phát xạ tự phát, phát xạ kích thích. Hoạt động của laser gồm 2 quá trình cơ bản. Quá trình khuếch đại do phát xạ kích thích. Quá trình dao động dựa trên đặc tính của hộp cộng hưởng cho ra phổ bước sóng giới hạn hẹp đến mức tối đa. Đây cũng là điểm khác biệt giữa LED và LD làm LD có đặc tính tốt hơn hẳn LED nhưng do cấu tạo cũng nh­ hoạt động phức tạp hơn. Quá trình phát xạ tự phát của LD giống LED. Tuy nhiên mặt sau của LD được phủ một lớp phản xạ rất cao 99% còn mặt trước được cắt để một phần bức xạ ra ngoài 1 phần ánh sáng phát ra lan truyền như đang được khuyếch đại sẽ đập vào mặt gương phản xạ, một phần bức xạ ra ngoài, Một phản xạ lại hướng đột diện, ánh sáng lại được phản xạ tương tự mặt gương đối diện. Bằng cách này trong khi lặp lại quá trình phản hồi (1 phần ánh sáng được khuyếch đại sẽ được kết hợp với ánh sáng đầu vào, khuếch đại để vòng 1 lần nữa). Khi dòng vào đủ lớn năng lượng được khuếch đại bằng phát xạ cương bước trở nên lớn hơn suy hao do điện tử hấp thụ ở vùng hoá trị và truyền qua bề mặt phản xạ. Tại thời điểm đó bắt đầu dao động và tạo ánh sáng laser. Dòng tại đó gọi là dòng ngưỡng. Dòng ngưỡng phải nhỏ để tránh sự quá tải nhiệt cho chất bán dẫn khi hoạt động liên tục ở công suất cao. Xét về hốc cộng hưởng quang đơn giản có thể xem gồm 2 mặt gương phẳng song song phản xạ ánh sáng. Hốc cộng hưởng có nhiệm vụ tạo ra mét dao động có tần số nhất định. Điều kiện để cho dao động đạt trạng thái bền là biên độ phức, nghĩa là gồm độ lớn, pha của thành phần sóng trở về 1 điểm phải đúng với biên độ và pha sóng xuất phát nó. 2.4.4. Tách sóng quang. 1. Nguyên lý chung Các linh kiện tách sóng quang hiện nay cũng là loại linh kiện bán dẫn. Cấu tạo của chúng cũng phát triển từ tiếp giáp PN. Có 2 loại linh kiện tách sóng quang được sử dụng hiện nay: - PIN: Loại diodethu quang gồm 3 lớp bán dẫn P1I và N trong đó P và N là 2 lớp bán dẫn có pha tạp chất còn (intrinsic) không pha tạp chất hoặc pha với nồng độ rất thấp. - APD: (Avalanche photo diode) loại diode thu quang d có độ nhạy và hoạt động ở tốc độ cao. Nguyên lý chung của chúng về cơ bản giống nhau ở chỗ ánh sáng đưa vào miền tiếp giáp P-N được phân cực ngược tạo ra trong đó các tạp chất điện tử là trống để dịch chuyển nhờ điện trường ngạch tạo ra dòng quang đi B¸n dÉn P Vïng hiÓm B¸n dÉn N Photo Vïng trêi Ev Ec Sự hình thành các vùng khuếch tán điện tử và cổ trống của tiếp giáp P và N khi phân cực ngược. Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài điện tử là hạt tải điện thiểu số bên P và N cổ trống là hạt tải điện thiếu số bên N chuyển qua P tạo thành dòng quang điện trên mạch ngoài. Cường độ ánh sáng quyết định số lượng các hạt tải điện được tạo ra. 2. Những thông số cơ bản. a. Hiệu suất lượng tủ. Là tỉ số giữa số điện tử được tạo ra và số lượng photon hấp thụ của chất bán dẫn. hiệu suất được viết bởi công thức. Trong đó: là hiệu xuất lương tử. ne: là số lượng điện tử được tạo ra nph là số lương photon hấp thụ. Mỗi chất bán dẫn chỉ nhạy với một khoảng bức sóng ánh sáng nhất định vì hiệu suất lượng tử của từng chất bán dẫn thay theo bước sóng của ánh sáng. b. Đáp ứng. Là tỉ số giữa dòng quang điện sinh ra và công suất quang tác động vào chất bán dẫn. Đáp ứng được viết bởi công thức: R = Trong đó: R: Đáp ứng có đơn vị là A/W. Iph dòng quang điện có đơn vị là A Ioph: Công suất quang có đơn vị là W R phụ thuộc vào hiệu suất lượng tử của vật liệu là hoạt động theo công thức Trong đó: e. Điện tích điện tử là e = 1,6.10-9 (hay As) h: Hằng số planck: h= 6,625-10-34 c. Độ nhạy. Đó là mức công suất ánh sáng nhỏ nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được với tỷ số lồi BER theo tiêu chuẩn CCIII, BER = 10-10. Độ nhạy càng cao có khả năng tăng cự ly thông tin. d. Dải động. Là khoảng cách chênh lệch giữa mức công suất quang cao nhất và mức công suất quang thấp nhất mà linh kiện thu quang (PIN) thu được trong một giới hạn tỉ số lồi BER theo tiêu chuẩn. e. Tạp âm. Tạp âm trong các linh kiện thu quang được thể hiện dưới dạng dòng điện tạp âm. Các nguồn tạp âm đáng kể của linh kiện thu quang là: - Tạp âm nhiệt: Gây ra do R tải và diode thu quang và trở kháng của bộ khuếch đại đầu. Tạp âm nhiệt It phụ thuộc nhiệt độ, độ rộng bằng tạp âm, R tải hệ số tạp âm của bộ khuếch đại. I2t = .B Trong đó: K: Hằng số Bolizman 1,38 .10-38 J/0k T: nhiệt dộ tuyệt đối 0k B: Bề rộng bằng (Hz) R: Điện trở tải (ohm) - Tạp âm lương tử: Do biến động ngẫu nhiên năng lượng của photon đập vào diode thu quang. Dòng tạp âm lượng tử Iq được tính bởi. Iq2= 2.e.R.Popt.B = 2e.Iph.B - Tạp âm dòng tời là dòng điện chạy qua PIN khi chưa có ánh sáng chiếu vào nó tạp âm do dòng tời được tính bởi công thức. ID2 =2e.iD.B ID là dòng tời của diode phát quang 3. Diot thu PIN Cấu tạo của diode thu quang gồm 3 lớp bán dẫn P-I-N trong đó lớp I là lớp không pha tạp chất. Quá trình hấp thụ phonton để tách ra các điện tử và cổ trống xảy ra trong líp I. Do đó lớp I càng dày thì hiệu suất lương tử càng cao nhưng thời gian trải điện tử sẽ càng chậm. Giảm khả năng làm việc với tốc độ cao của PIN. Bề dày lớp P phụ thuộc khả năng thâm nhập của ánh sáng và bán dẫn ánh sáng có dài thì khả năng thâm nhập càng lớn. Vßng tiÕp xóc kim lo¹i C¸ch ®iÖn (SiO2) Líp chèng ph¶n x¹ P I N TiÕp xóc kim lo¹i ¸nh s¸ng Cấu tạo của Mode thu quang PIN. RS Id V1 V Iph = R. Popt Ta có mạch tương đương: Trong đó: Iph: Dòng điện Vi = VT. ln= R: Đáp ứng RS: R nối tiếp Id: Dòng qua diode VT = = 26mv ở 3000K IS: Dòng bão hòa của diode. 4. Diot thu APD. Ứng dụng hiệu ứng nhận điện tử trong bán dẫn người ta chế tạo APD gồm 3 lớp là: P+, P-, PN-; Trong đó P+, PN- là hai lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất cao còn P- là lớp có nồng độ tạp chất thấp. Dưới tác dụng của nguồn phân cực ngược quá trình nhân điện tử xảy ra trong vùng tiếp giáp PN- là cao nhất. Vùng này gọi là vùng thác lũ. Khi có ánh sáng chiếu vào các photon được hấp thụ trong líp P- và tạo ra cặp điện tử - lỗ trống. Lỗ trống di chuyển về phía lớp P+ nối cực âm của nguồn còn điện tử di chuyển về phía tiếp giáp PN-. Điện trở cao trong vùng PN- sẽ tăng tốc độ cho điện tử. Điện tử va chạm vào các nguyên tử của tinh thể bán dẫn tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống mới. Quá trình tiếp diễn và số lượng các hạt tải điện tăng lên rất lớn. Nh­ vậy trong APD dòng quang điện đã được nhân lên M lần với M là số điện tử thứ cấp phát sinh ứng với một điện tử sơ cấp. Dòng quang điện do APD tạo ra sẽ là: Iph = R. M. Popt Trong đó: M: hệ số nhân R: Đáp ứng (A/w) Popt: Công suất quang (w) Hệ số nhân M thay đổi theo điện áp phân cực ngược và cũng phụ thuộc nhiệt độ nên việc giữ cho hệ số nhân M ổn định rất khó khăn. Ngoài ra, nếu vùng thác lũ càng rộng thì hệ số M cũng càng lớn. Nhưng lúc đó thời gian trôi của điện tử càng chậm nên tốc độ hoạt động của APD giảm. Giá trị của hệ số nhân M từ 10 1000 lần, trên thực tế chỉ chọn điểm phân cực cho APD sao cho M = 50 200 lần vì M càng lớn thì dòng nhiễu của APD cũng càng cao. Cấu tạo của một APD. TiÕp xóc N N- (Ingu Ac) N (Ingu AS) N (Iup) P (Iup) P (Iup) TiÕp xóc P ¸nh s¸ng CÊu t¹o APD nhãm III - V 5. Đặc tính kỹ thuật của PIN và APD. - Độ nhạy: Độ nhạy của APD lớn hơn độ nhạy của PIN từ 5 15dB, tuy nhiên nếu dùng PIN kết hợp với FET thì độ nhạy của PIN - FET gần bằng độ nhạy của APD. - Điện áp phân cực: Điện áp phân cực của APD lớn hơn điện áp phân cực của PIN (APD khoảng Hà Nộiàg trăm vôn, PIN không dưới vài chục vôn).. - Dải động: Dải động của APD lớn hơn dải động của PIN và có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi hệ số nhân M. - Dòng tối của APD lớn hơn dòng tối của PIN. - Độ ổn định khi làm việc của APD nhỏ hơn PIN vì hệ số nhân của APD vừa phụ thuuộc điện áp phân cực vừa thay đổi theo nhiệt độ. * Ưu điểm của 2 loại tách sóng quang PIN và APD trái ngược nhau không giống nh­ hai loại nguồn quang LED và Leser. Đặc tính kỹ thuật của leser tốt hơn LED về nhiều mặt trong khi đó APD chỉ hơn PIN về độ nhạy và tốc độ làm việc. Các mặt hạn chế của APD là: - Chế độ làm việc kém ổn định nên cần mạch điện phức tạp. - Dòng nhiễu lớn. - Điện áp phân cực cao và yêu cầu độ ổn định cao. - Giá thành cao. Do đó APD và PIN đều tồn tại song song. Có thể khắc phục được các nhược điểm của PIN bằng cách dùng kết hợp PIN với một transistor trường (FET). Trong mạch khuếch đại. Nếu linh kiện kết hợp này được gọi là PIN - FET chúng được sử dụng khá phổ biến trong cácd hệ thống thông tn quang hiện nay, độ nhạy của PIN - FET có thể so sánh được với APD. - 30 . - 40 . - 50 . - 60 . - 70 . . . . APD PIN - Tèc ®é bÝt (b/s) 1 10 100 1000 2.5. Hàn nối sợi quang. 1. Các yêu cầu nối. Do những hạn chế về kỹ thuật chế tạo, phương tiện chuyển cũng như trong quá trình lắp đặt và vận hành hệ thống thông tin quang, việc hàn nối giữa các sợi quang với nhau hoặc giữa các sợi quang với linh kiện thu - phát đóng một vai trò quan trọng. Hàn nối tốt cũng làm giảm suy hao đường truyền hàn nối sợi quang gồm những phương pháp sau: + Dùng keo dính. + Hàn nối bằng hồ quang. + Dùng bộ nối tháo rời và bộ nối không tháo rời. Những phương pháp chính hiện nay là hàn nối bằng hồ quang gồm các bước nh­ sau: a. b c d Quá trình hàn nối sợi a. Dùng hóa chất để tẩy và tách sạch lớp vỏ bảo vệ của 2 sợi quang cần nối kẹp 2 đầu lên bộ giá đỡ. b. Điều chỉnh cho 2 đầu sợi dây gần nhau (bằng 10% đường kính lõi) c. Đóng mạch tia lửa điện. Quá trình này xảy ra tù động thời gian phóng điện được tính toán sao cho phù hợp với từng loại sợi và kích thước của sợi. d. Nối xong nếu khuyết tật phải cho hàn lại. e. Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối. Ngày nay các máy hàn đã được thiết kế hiện đại, việc hàn nối đã được máy hàn tự động hàn hết các khâu quan trọng. Con người chỉ thực hiện các động tác đơn giản nh­: tách sợi, tẩy bỏ lớp bảo vệ, bọc mối nối, hàn nối vỏ gia công chịu lực bảo vệ các mối nối. Do đó tiêu hao mối hàn nối rất thấp. Máy hàn cũ sản xuất năm 1992 tiêu hao hàn nối: = 0,2 0,6dB Máy hàn mới sản xuất năm 1995: tb = 0,038dB Trong thực tế thường chấp nhận: = 0,1dB Sau đây là một vài ví dụ suy hao do mối hàn của máy Furukawa - S5147S của Nhật. Sè mèi hµn (n) Suy hao (dB) 40 30 20 10 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Phân bè suy hao của mối hàn (sợi đa mode) n: Số mối hàn AVG: Suy hao trung bình : Suy hao trên một mối hàn 2.6. Hệ thống thông tin quang. 1. Khái niệm. Một hệ thống thông tin quang bao gồm: - Linh kiện phát quang ở phần phát - Cáp quang - Cáp bộ nối - Các thiết bị tiếp vận và các thiết bị ghép kênh - Chỗ hàn nối - Linh kiện thu quang ở phần thu Các hệ thống đang sử dụng hiện nay thuộc loại điều chế và tách sóng quang trực tiếp, không thông qua mét giai đoạn biến đổi tần số quang nào. Và truyền T/h sè (Digital) xd T/h điều chế xung mã PCM qua các bước ghép kênh số cấp cao để tận dụng khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang. Để mở rộng dải thông tin truyền dẫn và kéo dài cự ly tiếp vận các phần tử sau được chọn: - Sợi quang loại dơn Mode SM, hoạt động ở bước sóng 1300nm hoặc 1550nm. - Nguồn quang: Sử dụng laser đơn mode. - Tách sóng quang: Sử dụng diode quang APD hoặc PIN - FET. 2. Cấu trúc hệ thống thông tin quang. * Chức năng: - Hướng phát: Tiếp nhận tín hiệu từ thiết bị ghép kênh đưa đến, đổi tín hiệu điện sang dạng mã thích hợp với đường dây quang và cho tín hiệu điện kích thích nguồn quang phát ra tín hiệu quang. - Hường thu: Tín hiệu quang được chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi được khuếch đại, phục hồi, tín hiệu điện được chuyển sang mã thích hợp với thiết bị ghép kênh. * Hướng phát: + Sử dụng: Từ đầu vào (ghép kênh) có một chuỗi xung tín hiệu điện đưa đến, đi qua bộ sử dụng xung, san bằng san khi đã được khuếch đại. Đồng thời được đồng bộ (xác định xung clock). + Biến đổi mã: B/v (Bipalar/ Unipolor): Mã truyền dẫn của tín hiệu điện thường là mã nhị cực có 3 trạng thái + V, 0, - V không phù hợp với đường truyền dẫn quang. Là loại chi 2 trạng thái sáng và tối. Do đó khối đổi mã chuyển tín hiệu ở mã nhị cực sang mã đơn cực. Mã nhị cực thường dùng là mã HDB3 còn mã đơn cực thường dùng là mã NRZ. + Ngẫu nhiên hóa: (SCR: Scramhler): Có tác dụng trộn chuỗi xung một cách ngẫu nhiên theo mét quy luật nhất định để tránh sự lặp lại một chuỗi dài các bít giống nhau. Sự sáo trộn này làm cho sự phân bố phổ của tín hiệu cần chuyển động đều hơn. + Mã hóa: Lại một lần nữa chuỗi xung được đổi sang dạng mã thích hợp với đường truyền dẫn quang. Loại mã này tác dụng tránh tình trạng xuất hiện các nhóm bít chứa nhiều bít "1" hoặc "0" liên tiếp đầu thu không nhận được. Trừ một nhóm bít để phát hiện lỗi. Loại thường dùng là mã 5B. 6B. Một nhóm 5 bít được đổi thành 6 bít. 5B: gồm 32 nhóm tổ hợp: 6B: gồm 64 nhóm tổ hợp 00000 000000 00001 000001 … … 11111 111111 Trong 64 hàng của mã 6B người ta chọn lấy 32 hàng không chứa 5 số không liên tiếp. Do đó 32 trường hợp 5B cho tương ứng 32 trường hợp 6B đã được chọn. Số bít 5B đổi thành 6B tăng thêm 20%: tức là tốc độ bít tăng thêm 6/5 lần khi dùng mã 5B 6B. Nếu truyền tốc độ 35MB/s thì tốc độ trên đường dây quang là 42MB/s, 140MB/s trở thành 168 MB/s. Người ta có thể dùng 32 tổ hợp để phát hiện lỗi. + Mạch kích thước: Tổng hợp dòng điện phân cực và chuyển xung tín hiệu để kích thích nguồn quang. Chuyển từ Uxung -> Ixung. + Nguồn quang: Linh kiện thường là laser. Công suất phát luôn được mạch điều khiển công suất APC. Thăm dò để điều chỉnh dòng phân cực nhằm giữ cho công suất quang được ổn định. * Hướng thu: + Mạch thu quang: Biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện sử dụng diode quang sang tín hiệu điện sử dụng diode thu quang có thể là PIN hoặc APD trong đó có mạch điều khiển khuếch đại. + Khối khuếch đại: Tín hiệu thu, điều chỉnh được bộ khuếch đại để giữ mức tín hiệu ra đồng đều khi tín hiệu vào thay đổi. Mạch điều chỉnh bộ khuếch đại AGC làm nhiệm vụ này. + Mạch phục hồi: Qua đường truyền ngoài việc biên độ tín hiệu bị suy giảm do suy hao sợi quang, dạng tín hiệu còn bị méo do tán sắc của sợi. Mạch phục hồi có tác dụng khôi phục lại xung và định lại thời gian nhịp của quang. + Giải mã: Chuyển từ mã 6B về 5B theo quy tắc đã mã hóa ở đầu phát và phát hiện cảnh báo trong bộ giảm sát. + Giải ngẫu nhiên: Trộn tín hiệu theo quy luật ngược lại quá trình ngẫu nhiên hóa ở đầu phát. + Đổi mã: Chuyển từ mã đơn cực sang mã nhị cực sau đó chuyển đến thiết bị ghép kênh. + Tín hiệu nghiệp vụ: Được chuyển sang dạng số, đưa vào mạch kích thích để điều chế biên độ tín hiệu quang của luồng tín hiệu chính. Ở hướng thu tín hiệu nghiệp vụ được tách ra từ khối khuếch đại. + Thiết bị ghép kênh: Thiết bị ghép kênh trong hệ thống thông tin quang hiện nay là thiết bị ghép kênh số. tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu điều chế xung mã (PCM) và ghép kênh theo nguyên tắc phân kênh thời gian (TDM) các tiêu chuẩn PCM được dùng hiện nay là: Tiêu chuẩn Châu Âu (CEPT) tốc độ luồng tín hiệu số cơ bản là 2.048 Mb/s gồm 30 kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s. Tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản: Tốc độ luồng cơ bản là 1,54 Mb/s gồm 24 kênh, tốc độ mỗi kênh là 64 Kb/s. Tiêu chuẩn Đặc trưng Cấp bậc Cấp 1 Cấp 2 Cấp 3 Cấp 4 Cấp 5 Châu âu Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 2.048 8.448 34.368 139.264 2.048 4 4 4 4 30 480 480 1920 7680 Bắc Mỹ Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 1.544 6.312 44.736 274.176 565 1.544 4 7 6 2 24 96 672 4032 8064 Nhật Bản Tốc độ bit Hệ số nhân Số kênh thoại 1.544 6.312 32.064 97.728 397.2 1.544 4 5 3 4 24 96 480 1440 5760 Ở Việt Nam xây dựng hệ thống ghép kênh theo tiêu chuẩn Châu Âu. Một kênh thoại tiêu chuẩn có phổ giới hạn 0,3 3,4 KHZ được chuyển sang dạng số có tốc độ 64 Kb/s. Một kênh truyền thanh được truyền với tốc độ 384 Kb/s tương đương với 6 kênh thoại. * Thiết bị tiếp vận: Khác với thiết bị trạm đầu cuối, thiết bị trạm tiếp vận giao tiếp với đường dây quang ở cả 2 phía. Trong thiết bị tiếp vận không có các khối mã B/V ngẫu nhiên mã hóa và các bộ biến đổi ngược lại. Vì dạng mã trên đường dây quang được giữ nguyên chức năng của các khối còn lại tương tự chức năng của các khối tương ứng trong thiết bị trạm đầu cuối. 3. Mã hóa hệ thống thông tin quang. Chuỗi tín hiệu PCM có dạng phù hợp trong môi trường truyền dẫn điện. Thông dụng hiện nay thường là mã HDB3 là mã nhị phân mật độ cao có cực đại 3 số không liên tiếp và có trạng thái - 1, 0, +1. Mã này không thể truyền trên sợi quang. Do tín hiệu quang chỉ có 2 trạng thái sáng và tối. Để phù hợp với trạng thái sáng, tối thì tốt nhất dùng mã đơn cực và hướng dùng là NRZ. Người ta thường thực hiện đổi mã theo xu hướng sau: - Đối với hệ thống có dung lượng nhỏ, tốc độ 2 hoặc 8 Mb/s thì sử dụng phương pháp đổi mã đơn giản có thể băng tần truyền dẫn bị rộng ra nhưng cũng chưa ảnh hưởng thường dùng mã 1B/ 2B tức là truyền 1 bít thành hai bít 01 hoặc 10. - Đối với hệ thống có dung lượng lớn, tốc độ bít từ 34 Mb/s trở lên thì cần thực hiện đối mã phức tạp tránh làm tăng độ rộng băng truyền. Một phương pháp đơn giản là đổi mã HDB-3 sang mã đảo cực CMI theo quy tắc là một dấu hiệu HDB-3 được đổi thành một cấu hiệu CMI nh­ sau: Dấu hiệu nhị phân 0 1 Dấu hiệu mã HDB-3 0 +1 hoặc -1 Dấu hiệu mã CMI 01 11 hoặc 00 Mã CMI là mã NRZ (nhị phân đơn cực Not Retum tozero) không trở về mức không. Bít "0" được ký hiệu 01, bít 1 được ký hiệu 11 hoặc 00 trong khoảng khe thời gian. Bộ ngẫu nhiên hóa SCN đã làm sáo trộn truổi tín hiệu để tránh xuất hiện truổi "0" "1" không làm tăng độ rộng băng truyền dẫn. Song không loại trừ hết các chuỗi "0" "1" do tính ngẫu nhiên của nó. Do vậy phải sử dụng thêm hệ mã hóa để biến đổi lại một lần nữa. Hiện nay nhiều hệ thống đang sử dụng loại mã khối 5B, 6B. Để làm tăng tốc độ truyền do số bít tăng lên sau khi được mã hóa và không làm tăng độ rộng băng truyền dẫn lên nhiều. Sau đây là bảng đổi mã 5B 6B của Marconi: 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 11111 110010+ 110011- 110110- 100011+ 110101- 100101+ 100110+ 100111- 101011- 101001+ 101010+ 001011+ 101100+ 101101- 101110- 001110+ 110001+ 111001- 111010- 010011+ 110100+ 010101+ 010110+ 010111- 111000+ 011001+ 011010+ 011011- 011100+ 011101- 011110- 001101+ 110010- 100001+ 100010+ 100011- 100100+ 100101- 100110- 000111- 101000+ 101001- 101010- 001011- 101100- 000101+ 000110+ 001110- 110001- 010001+ 010010+ 010011- 110100- 010101- 010110- 010100+ 011000+ 011001- 011010- 001010+ 011100- 001001+ 001100+ 001101- Bảng gồm một cột 5B và 2 cột 6B. Các tổ hợp 6 bit được dùng có số bit, "1" "0" chênh lệch không quá 2 bao gồm tổ hợp chứa 3 bit "0" và bít "1" hoặc 4 bít "0" và 2 bít "1" hoặc 2 bít "0" và 4 bít "1". Khi độ chênh lệch bằng 2 nhóm kế tiếp được tra ở cột khác. 2.7. Thiết kế tuyến thông tin quang. 1. Yêu cầu: Kỹ thuật thông tin quang phát triển với tốc độ nhanh. Có nhiều hệ thống quang đang được sử dụng hiện nay dẫn đến sự khác nhau về loại sợi, bước sóng công tác, loại linh kiện thu phát quang… Do đó khi thiết kế truyền thông tin quang người ta cố gắng chọn các phần tử cùng thế hệ để giảm chi phí lắp đặt. * Cơ sở của việc lựa chọn: - Sợi quang: Thường chọn sợi đơn một (SM) để giảm suy hao và tăng giải thông dễ hàn nối tăng cự ly truyền dẫn. - Bước sóng: Bước sóng 1300mm đang được sử dụng phổ biến vì độ tán sắc của sợi là thấp nhất. Khi cần truyền với cự ly tiếp vận dài người ta chọn bước sóng 1550mm do độ suy hao ở bước sóng này thấp nhất. Đặc biệt dùng sợi đơn mode dịch tán sắc sợi quang làm việc ở bước sóng 1500m có độ tán sắc rất nhỏ. - Linh kiện thu quang: + LED: Hoạt động ổn định hơn và giá thành rẻ hơn nên được chọn trong những hệ thống mà sự hạn chế về công suất phát và bề rộng phổ của nó không ảnh hưởng đến hệ thống. + LESER: Được chọn trong những tuyến có cự ly dài và tốc độ truyền dẫn cao. - Linh kiện: Có thể chọn PIN hoặc APD ngày nay người ta thường chọn APD hoặc PINFET. * Chọn thiết bị. Chọn thiết bị chuẩn với hệ thống đáp ứng được mọi chỉ tiêu cho phép. Ngày nay các thiết bị đều được chọn để áp dụng công nghệ SDH và đều có chuẩn. Cù ly L (km) <2km <15km <40km <80km Dung lượng B (MB/s). 155 MB/s STM-1 dung lượng 1920 kênh 622 Mb/s STM-4 dung lượng 4 x 1920 kênh 2500 Mb/s STM-16 dung lượng 16 x 1920 kênh Mã hiệu các hệ thống SDH. Trong bảng: I (Intraband) cù ly S (Sboztband) L (long) số chỉ dung lượng * Chọn thiết bị chuẩn. Chỉ tiêu kỹ thuật cần phát * Phát: - Source: , PS phát cực đại: công suất phát cực tiểu. - Khoảng cách giữa phát và thu (S - R) Receiver. - Tiêu hao cho phép tính bằng dB. - Tiêu hao trên sợi L (km) + Tiêu hao mối hàn + Tiêu hao Jack nối + Tiêu hao dự phòng do linh kiện già hóa. - Mức tắn sắc cho phép. * Thu: + Chỉ tiêu kỹ thuật: - P receiver, Prmin, Prmax. - Prmin: chỉ đảm bảo tỉ số BER (lỗi bít) 10-9 10-10. - Prmax: Đảm bảo an toàn. Tránh tín hiệu tới đầu thu lớn cháy đầu thu. 2. Tính toán thiết kế tuyến: Việc tính toán tuyến truyền dẫn quang có thể được tiến hành theo nhiều hướng, phụ thuộc vào yêu cầu đặt ra. Tính cù ly tối đa của đoạn tiếp vận. Biết tốc độ bit và đặc tính của các phần tử trong tuyến. Tính giới hạn đặc tính của các phần tử khi biết tốc độ và cự ly cần truyền. Thường công suất phát của LD ghép vào sợi quang chỉ khoảng 1mW (odB/m). Thực tế: Tiêu hao bộ nối, Jack nối (nonnecfor). Biến động mức điện phát sai sè do đo. Linh kiện bị già hóa. Suy hao của sợi quang. Sau đây là biểu đồ suy hao tính toán truyền dẫn PS Pr OF Jack Hµn PS Pr Tiªu hao do Jack Do sai sè ®o ®¹c Linh kiÖn giµ hãa Jack Do sai sè ®o ®¹c Linh kiÖn giµ hãa Port Dbm 10 10 1 0 0,1 -10 0,01 -20 0,001 -30 0,0001 -40 - Suy hao trung bình mỗi khớp nối là 0,5 dB (ít nhất là 2 giắc). - Suy hao mối hàn phụ khi sửa chữa. Thông thường nên trừ suy hao dự phòng cho cáp quang khoảng (0,2 dB 0,3 dB). - Dự phòng do thiết bị lão hóa 0,3 dB 5dB. * Cách tính quỹ tổng quát: Quỹ công suất của tuyến là: Pb (dB) = Pt - Pr - Lm - Lc PS: Công suất phát Pr: Độ nhạy máy thu tại điểm R Lm: Suy hao dự phòng Lc: Suy hao mối hàn, giắc cắm. Quü c«ng suÊt -nmèi hµn Khoảng cách tối đa của trạm tiếp vận. a(dB/Km) Lmax (Km) = : Suy hao sợi quang. + : Suy hao trung bình của mối hàn/km. ChiÒu dµi cuén c¸p Suy hao trung b×nh mçi mèi hµn = : Độ suy hao trung bình của sợi quang. : Suy hao dự phòng cho cáp + Suy hao trung bình của cáp là: (db/km) = + + - Tính cự ly giới hạn do giải thông. - Các thông số cần biết. + Tốc độ bít cần truyền: 8,34; 140, 565 MB/s + Loại mã đường dây được sử dụng. Khi dùng mã 1B. 2B thì tốc độ truyền tăng gấp đôi. 5B. 6B thì tốc độ truyền tăng 6/5 lần. + Độ tán sắc Mode (GHz. Km) + Độ tán sắc thể + Độ rộng phổ của quang. - Cách tính: Dải thông được tính B = 0,44 Dt (GHz) Dt: Độ tán sắc (ns) + Độ tán sắc của tuyến: Dt = Tán sắc Mode Dmod được tính: Dmod = 0,44/BL BL dải thông giới hạn bởi tán sắc mode K (GHz. Km) L Cù ly giới hạn bởi quỹ công suất (Km) Tán sắc sắc thể Dchr được tính: Dchr = Dmat + Dwg, Dwg << Dmat Dchr Dmat dmat. Trong đó: Dmat: tán sắc chất liệu (hs) Dwg: tán sắc ống dẫn sóng dmat: tán sắc chất liệu (hs/ nm. km) : Độ rộng phổ của nguồn quang (nm) - Độ rộng phổ tối đa cho phép Dmax = 1/4Br Br = tốc độ bít x hệ số tăng bít của mã đường dây Br: Tốc độ bít thực sự (Gbit/s) So sánh Dt với Dmax Nếu Dt Dmax: Dải thông bị giới hạn Nếu Dt > Dmax: Dải thông không bị giới hạn. Nhưng phải giảm cự ly của đoạn tiếp vận cho Dt = Dmax Sợi đơn Mode không có tán săc Mode nên: Dt = Dchr = dmat. Độ tán sắc của sợi đơn Mode rất nhỏ, đặc biệt khi dùng ở bước sóng 1300nm, nên giải thông của sợi đơn mode rất rộng. Trong nhiều trường hợp người ta không cần thiết tính cự ly giới hạn do dải thông. 3. Ví dụ về tính toán. VD1: Cho công suất PS = OdBm = 1mW Tiêu hao do Jack mất 1dB, do đó 1dB, già hóa linh kiện 3dB, tiêu hao trên mối hàn 0,1dB. Phía thu Pr = -2,5dBm. Quỹ công suất S-R = 19dB = 25dB -1-2-3dB. Do có 2 mối hàn. Tính cù ly cực đại của hệ thống. Giải: Sợi quang = 1310nm -> = 0,4 dB/km = 1550nm -> = 0,25 dB/km Llý tưởng = = 47,5km. Giả sử dùng cuộn cáp dài 1km để lắp đặt ta có số mối hàn giữa các sợi 47-1-46dB. Vậy tiêu hao do mối hàn 46 x 0,1 = 4,6dB. Vậy Lmax = = 26km VD2: Thiết kế tuyến theo yêu cầu cự ly: L = 35km B = 622 Mh/s B1: Tra bảng để chọn linh kiện. L4.1 có độ dài 40km Sợi quang G652 Có hệ số suy hao = 0,4dB/km. Độ tán sắc = ops. B2: Tra bảng chọn thông số của thiết bị L4.1 Psmax = + 2dBm Prmax = - 2,8 dBm Psmin = - 3 dBm Prmin = - 8dBm Quỹ công suất S - R = 10 24dB B3: Tính P2 điều kiện - 28km Pr - 8dBm Tính: Pmax = Psmax - mối hàn - già hóa - giác nối sợi = 0,4 x 3,5km = 14dB già hóa = 0 (do thiết bị mới); Jack = 1 x 2 = 2dB. Do đó: Pmax = 2dB - 14 - 3,4 - 2 = 17,4 dBm Tính Prmin = Psmin - sợi - mối hàn - giác nối = - 3 - 14 - 3,4 - 2 - 1dB (dự phòng buồng quá lớn). = - 22,4 dBm Thiết bị tính toán ta có: - 22,4 dBm < Pr = 17,4dBm. Thỏa mãn điều kiện - 28dB Pr - 8dB Thiết bị đạt yêu cầu. Lưu ý: Gỉa sử Pmin tính được < - 28dBm. Ta có thể chỉnh Psmin trong khoảng (-3, + 2) hoặc chọn thiết bị cấp cao nếu độ chênh lệch quá lớn. VD3: Dùng sợi đa mode để truyền tốc độ 8Mb/s mã 5B. 6B Biết: Ps = -20dBm, độ nhạy máy thu Pr = -51dB, Jack = 1 x 2 = 2dB, mối hàn = 0,1 Cuộn cáp: 2km Giới hạn giải thông tán sắc mode Bz = 1GHz tán sắc chất liệu. Dmat = 3,5Ps/ nm. km. Độ rộng phổ = 100nm Suy hao dự phòng do thiết bị Lm = 4dB. Suy hao dự phòng cho cáp m = 0,15 dB/km Suy hao trung bình sợi = f = 0,5 dB/km Tính Lmax = ? B1: Xác định quỹ công suất. Db = Ps - Pr - Lm - Jack = - 20dBm = (-51dBm) - 4dB - 2dB = 25dB Suy hao trung bình của cáp: c = f + s + m (s = mối hàn/ Lcuộn cáp) = 0,5 + 0,1/2 + 0,15 = 0,7 dB/km Cù ly giới hạn bởi Pb: L = Pb/c = = 36km B2: Với độ tán sắc Dmode = = = 16hs Độ tán sắc sắc thể: Dchr = dmat. = 3,5. 100.36 = 12hs Độ tán sắc tổng cộng: Dt = Độ tán sắc cho phép: Dmax = So sánh Dt < Dmax nên dải thông không bị giới hạn Vậy cù ly L = 36km PHẦN II Công nghệ truyền dẫn SDH Chương I Sơ lược về công nghệ truyền dẫn 1.1 Kĩ thuật điều chế xung mã. 1.1.1 Cấu hình cơ bản của tuyến truyền tin PCM Trong mạng số việc truyền dẫn tiếng nói được thực hiện bằng số. Để thực hiện được điều đó người ta phải thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số. Quy trình biến đổi đó được gọi là kĩ thuật PCM (Plulse Code Modunlation) hay còn gọi là điều chế sung mã. Trong kĩ thuật PCM người ta sử lý tín hiệu tương tự qua ba giai đoạn cơ bản sau: - Lấy mẫu (Sampling) - Lượng tử hoá (Quantitation) - Mã hoá (Coding) Sau giai đoạn trên, tín hiệu tương tự sẽ được mã hoá và truyền đi tới đầu thu. Tại đây người ta sẽ thực hiện tái tạo tín hiệu ban đầu. Công việc này được gọi là quá trình giải mã (Decoding). Quá trình này được thực hiện theo thứ tự đảo đúng như quá trình mã hoá. T¸i t¹o vµ thuyÒn dÉn LÊy mÉu M· ho¸ T¸i t¹o vµ trÔ Gi¶i m· Läc §Çu vµo t­¬ng tù §Çu ra sè §Çu ra sè PhÇn thu PhÇn ph¸t CÊu h×nh c¬ b¶n cña ph­¬ng ph¸p PCM. §Çu ra t­¬ng tù 1.1.2 Cơ sở lý thuyết PCM Hệ thống PCM có khả năng truyền những đặc tính của một đường cong tiếng nói phức tạp trong Modem chỉ có hai điều kiện sử lý “Đóng” và “Mở”. a). Lấy mẫu: Nguyên tắc cơ bản của điều xung mã là quá trình chuyển đổi các tín hiệu liên tục như tiếng nói thành tín hiệu số rời rạc và sau đó tái tạo chúng thành thông tin ban đầu. Muốn làm được việc này, các phần tử thông tin được rót ra từ các tín hiệu tương tự một cách tuần tự. Quá trình này được gọi là công việc lấy mẫu. Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại. (a): Tín hiệu tiếng nói n(t) (b): Xung lấy mẫu S(t) (c): Chức năng lấy mẫu (d): Tín hiệu PAM đã lấy mẫu ( Pulse Amplinde Moylation) Trong kĩ thuật tín hiệu thoại người ta thường sử dụng tín hiệu phổ tiếng nói nằm trong giới hạn 300Hz đến 3400Hz. Bởi vậy trước khi lấy mẫu phải cho tín hiệu thoại qua bộ lọc thông thấp để hạn chế để hạn chế phổ tiếng nói dưới 3400Hz. Theo thuyết lấy mẫu của Shanon, các tín hiệu ban đầu có thể được khôi phục khi tiến hành công việc lấy mẫu trên các phần tử tín hiệu được truyền đi ở chu kì nhanh hơn hai lần tần số cao nhất Tmax< 1/2¦max. Nên trong kĩ thuật PCM tần số lẫy mẫu là 8000 mẫu trong một giây cho tín hiệu có bằn tần từ 300Hz đến 3400Hz. - Lấy mẫu theo quãng thời gian. DT£1/2¦max Ở tần số ¦max = 3400Hz rất khó lọc nên trong thực tế người ta lấy ¦max =1/2x4000 Hz = 120 ms. Trong đó ¦max là tần số lớn nhất của tín hiệu thoại được sử dụng. b). Lượng tử hoá. Sau khi rời rạc hoá tín hiệu tương tự thành một chuỗi các tín hiệu chung PAM có biên độ thay đổi theo giá trị biên độ của tín hiệu đầu vào tương tự. Công việc tiếp theo là đo độ cao của từng xung trong đường cong PAM và gán cho mỗi xung một giá trị bằng số. Tất cả các mẫu nằm trong một khoảng cách đã cho sẽ được gán cho một trị số chung. Việc này được gọi là tương tự hoá một mẫu. t Biªn ®é BiÓu ®å l­îng tö ho¸ mét mÉu Do việc làm tròn biên độ xung mẫu nên không thể tránh khỏi sai số dẫn đến biến đổi dạng lượng tử. Độ méo lượng tử không độc lập mà có liên quan tới biên độ, Các xung mẫu nhỏ có biến dạng lượng tử nhỏ còn các xung mẫu lớn nhận biến dạng lượng tử lớn. Để giảm độ méo lượng tử có thể dùng hai cách nh­ sau: Hoặc là tăng khoảng lượng tử theo biên độ đó là quá trình nén giản. Đối với kĩ thuật điện thoại PCM. CCITT khuyến nghị sử dụng hai quy luật lượng tử đó là Luật A và Luật M. Trong đó luật M sử dụng cho khối Bắc Mỹ và Nhật bản. ở đây ta xét hệ chuẩn 30/32 đang sử dụng rộng rãi trong nước. + Phổ tín hiệu thoại 0.3KHz đến 3,4KHz + Tần số lấy mẫu tín hiệu ¦ = 8KHz với (T- 125ms) + Dùng kĩ thuật nén giản A = 87,6 Ax/1+ lnA với 0 £ x £ 1/A 1 + lnAx/1 + lnA với 1/A £ x £ 1 ở hệ thống chuẩn PCM 30/32 + Khe hở thời gian cho một kênh là T = 125/32 = 3,9 ms + Số đơn vị mã trong một tổ hợp là 8 bit/s + Thời gian cho 1 bit = 488 hs + Tốc độ bit cho một kênh thoại là 64Kb/s + Tốc độ bit của toàn hệ PCM 30/32 là 2,048 Mb/s Trong hệ PCM 30/32 sử dụng 30 kênh cho tín hiệu thoại, kênh 0 dùng cho đồng bộ và kênh 16 dùng cho báo hiệu. c). Mã hoá. Trong thoại người ta dùng các khoảng cách lượng tử hoá 256 cho ta 256 trị số khác nhau để truyền. Mã hoá là gán cho 256 trị số có thể một dạng để truyền dẫn.Để thực hiện mã hoá người ta dùng các xung nhị phân. Tám xung nh­ vậy (8 bit) là đủ tạo ra một mã hoá duy nhất cho mối giá trị xung lượng tử (28 =256). Mã nhị phân 8 bit thường được coi là một từ PCM. Một từ PCM tương ứng với một mẫu, mỗi giây có 8000 từ PCM được tạo ra. Với một hệ thồng chuyển mạch chúng ta có một dòng bit 8x8000 = 64Kb/s trên đường nối số. Đó chính là tốc độ bit cho một kênh thoại cơ sở. 1.2 Kỹ thuật TDM và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam. 1.2.1. Khái niệm về thông tin nhiều kênh. Để có thể truyền dẫn được vài cuộc đàm thoại trên cùng một cằp dây. Trong trường hợp tương tự, người ta sử dụng ghép đường. ở đây các tín hiệu thoại được ghép với các tần số sóng mang có băng tần khác nhau với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplex). ở đây đầu thu người ta tách các tín hiệu sóng mang và phục hồi các kênh ban đầu. Một kỹ thuật hoàn toàn khác được sử dụng trên mạng số là phương pháp ghép đường phân chia thời gian TDM (Time Division Multiplex). Ví dụ trong trường hợp cần phải ghép 3 kênh số để đưa lên cùng một đường dây, thì mỗi bit trên đường dây này chỉ được dùng trên trong khoảng thời gian bit thứ 3 của mỗi bit nguyên thuỷ. Tốc độ bit trên đường dây chung do vậy cao gấp 3 lần. 1.2.2. Ghép kênh nhóm sơ cấp và tiêu chuẩn ghép kênh ở Việt Nam. Khi sử dụng phương pháp ghép kênh phân chia theo thời gian, liên lạc không có lỗi chỉ có thể thực hiện được nếu các bit, các khung và các kênh được đồng bộ hoá cùng một kiểu nh­ nhau tại nơi phát và nơi thu. Ghép kênh là một quá trình chuyển đổi một số tín hiệu thành tín hiệu số tốc độ cao. Trong nhóm sơ cấp PCM-I người ta sử dụng phương pháp xen từ để đơn giản hơn sự thiết lập mà hoá chung cho nhiều đường gọi. Ngoài ra khi ghép kênh tín hiệu người ta bổ xung thêm các tín hiệu điều khiển khác nhau nh­ các xung đồng bộ khung để thiết lập các xung đồng bộ hoá. Sự ghép kênh sơ cấp hoặc phân kênh của thiết bị đầu ra PCM có khả năng ghép kênh đồng bộ 24 kênh hoặc 30 kênh của các tín hiệu thoại. ở Việt Nam sử dụng ghép kênh PCM 30. Đặc tính cơ bản: + Tốc độ truyền dẫn 2,048Mb/s. + Sè bit trong mét khung: 32x8 = 256. + Sè khung ghép kênh (chu kì) 16 (2ms) + Đồng bộ khung: kiểu tập trung. + Sè khe thời gian mét khung: 32. Đặc tính đường gọi: + Tần số mẫu (chu kì) : 8KHz (125ms) + Sè b được mã hoá: 8b + Quy luật nén giãn: Luật A =87,6 13 đoạn. Đặc tính truyền dẫn: + Mã đường HDB 3 + Giá trị suy hao do cáp cho phép 8 đến 42 dB 1.2.3. Hệ thống PCM cấp 1. Trong hệ thống PCM cấp 1 gồm có 32 kênh được ghép việc thực hiện ghép không phải theo từng bit mà theo từng PCM. Một từ PCM chứa 8 bít, các từ PCM của 32 kênh được cất trong bộ nhớ đệm. Sau đó từng PCM của 32 kênh được đọc ra và nén đến 1/32 của độ dài ban đầu của chúng (Tốc độ bít trở lên gấp 32 lần) trước khi từ PCM được phát ra trên đường dây chung. Khoảng phân định cho mỗi từ PCM trên đường dây TDM được gọi là khe thời gian (Time Slot) Cấu tróc một khung 32 khe thời gian. Khung 125s B¸o hiÖu §ång bé 0 1 2 15 16 17 81 Kênh 0 và kênh 16 được dùng cho đồng bộ và báo hiệu. Còn 30 kênh được dùng cho các tín hiệu thoại. Khe thời gian TSO dùng cho đồng bộ dòng bít sao cho phát và thu đều đồng nhất khi bắt đầu một khung mới. Tốc độ bít của một kênh PCM là 64Kb/s, ở mỗi bộ ghép kênh tốc độ bít sẽ là: 32 x 64 = 2048Kb/s. Để phát hiệu quả các tín hiệu có tốc độ khác nhau người ta ghép thành các đa khung ghép kênh. Vì cần phải có 256 bit cho mét khung nên phải sử dụng 16 khung để tạo một đa khung. Cấu hình này còn gọi là nhóm sơ cấp kiểu E1 được mô tả như sau: Mét khung 125s Mét ®a khung kÐp 2ms 125s 3,9s §ång bé vµ b¸o hiÖu ®a khung kÐp TÝn hiÖu ®ång bé khung C¸c he thêi gian sè 1-8 TS1-TS15 TS17-TS31 488ns 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 16 17 18 29 30 31 TS0 TS0 X 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 x 0 x x 1 2 3 4 5 6 7 8 Vậy số bít pháy đi là 8 bit x 32 TS/khungx16 khung = 4096 bit/2ms Chương II Công nghệ truyền dẫn SDH 2.1. Công nghệ ghép kênh cấp cao PDH (Pleosynchronous Digital Hierarchy). Để tăng cường hiệu quả đường truyền dẫn người ta sử dụng việc ghép kênh với các cấp cao hơn (cấp II, III, IV) để tăng tốc độ truyền dẫn. Theo khuyến thị CCITT cho tiêu chuẩn ghép kênh sử dụng ở Châu Âu cũng nh­ ở Việt Nam, thì tốc độ ghép kênh và tốc độ bít nh­ sau: 2048Kb/s (30) kªnh tho¹i 64Kb/s 8448Kb/s (120) 34368Kb/s (480) 193264Kb/s IV 1 32 4 4 4 II III CÊu h×nh ghÐp kªnh cao cÊp PDH. Để ghép kênh cần phải đồng bộ một cách hợp lý tần số và pha của từng tín hiệu số. Việc ghép kênh TDM được tiến hành bằng cách đồng bộ hoá các pha của G 701 trong khuyến nghị ITU-T định nghĩa việc chèn xung nh­ một cầu chỉnh. ở công nghệ ghép kênh cấp cao việc ghép kênh TDM từ cấp II dến các cấp cao hơn người ta không sử dụng các loại báo hiệu để đồng bộ cho các tốc độ cao hơn. Các bít chèn được chèn vào chỉ nhằm mục đích căn chỉnh về pha để đồng bộ mới, không mang nội dung thông tin. 2.2. Định nghĩa SDH (Synchronous Digital Hierarchy) và sự cần thiết của nó. Phân cấp đồng bộ (CHD) là mạng truyền dẫn tạo bởi sự kết hợp các thiết bị truyền dẫn có tốc độ khác nhau 1.5, 2, 6, 34, 45, 140 Mb/s. Hình vẽ sau: SDH 34Mbit/s 1,5Mbit/s 6,322Mbit/s 140Mbit/s 45Mbit/s 2Mbit/s 2Mbit/s 140Mbit/s 1,5Mbit/s 6,322Mbit/s 45Mbit/s 34Mbit/s C¸c tèc ®é PDH ®­îc sö dông ®Ó truy nhËp vµo ghÐp kªnh SDH Hệ thồng SDH, dựa trên cơ sở các khuyến nghị ITU-TC 707, G708 và G709 (theo thủ tục của CCITT), cho biết các tiêu chuẩn quốc tế bao hàm các quá trình ghép đồng bộ và truyền dẫn đồng bộ. - G 707 Tốc độ hệ thống phân cấp số đồng bộ. - G 70uarGiao tiếp nút mạng cho hệ thống phan cấp số đòng bộ. - G709 Cấu trúc ghép đồng bộ. Các chuẩn hoá đưa ra một khuyến nghị trong bao gồm các tốc độ truyền dẫn số cận đồng bộ (loại trừ 8Mb/s). Các tín hiệu nhánh có thể được gọi trong mét Container kích cơ tiêu chuẩn và được đặt vào một vị trí dễ dàng nhận dạng trong cấu trúc ghép. Cấu trúc ghép cũng cung cấp các kênh quản lý mạng gắn vào. * Các đặc điểm của SDH - Ưu điểm của SDH + Đơn giản hoá các kỹ thuật ghép, giải ghép so với PDH + Mã truyền dẫn cho tín hiệu quang được tiêu chuẩn hoá tương thích với các thiết bị của nhà sản xuất. + Truy nhập tới các luồng nhánh tốc độ thấp không cần đến quá trình ghép, giải pháp ghép trọn vẹn tín hiệu tốc độ cao. Điều này cho phép ứng dụng nốt xen, ré và nốt xen chéo kênh có hiệu quả. + Các kênh quản lý mạng cung cấp các khả năng quản lý, vận hành và bảo dưỡng (OAM) cho phép mạng quản lý có hiệu quả. + Dễ dàng phát triển đến mức ghép cao hơn. + Cho phép truyền tải các tín hiệu số ở các tốc độ bít xác định trong khuyến nghị ITU-TG.702 (loại trừ 8 bit/s) và tốc độ bít băng rộng. Điều này cho phép thiết bị SDH được đưa vào các mạng hiện tại một cách trực tiếp và một phạm vi rộng các dịch vụ. + Tiêu chuẩn SDH định nghĩa khấu độ cáp trung bình tiếp nhận bên trong thiết bị từ các nguồn cung cấp khác nhau. - Nhược điểm của SDH + Kỹ thuật phức tạp hơn do cần phải ghi lại sự tương quan về pha giữa tín hiệu luồng và các Overhead. + Do suất phát từ Mĩ cho nên dung lượng không đẩm bảo cho hệ thống tín hiệu CEPT. + Việc nhồi byte-byte làm tăng độ Jittẻ hơn kiểu bit-bit của PDH. + Vì tín hiệu PDH của hệ Mĩ và CEPT có tốc độ khác nhau do đó việc ghép luồng không đồng bộ nhau mà phải sử dụng một số giao tiếp khác. + Đồng hồ phải được cung cấp từ bên ngoài. + Thiếu tín hiệu ghép trung gian 8 Mb/s. + Luồng STM-1 tốc độ 155Mbit/s chỉ chứa 63 luồng 2 Mb/s hoặc 3 luồng 34Mb/s. So sánh sự khác nhau giữa PDH và SDH. PDH Bé dao động nội dao động tự do Ghép kênh không đồng bộ Có cấu trúc khung đặc trưng cho mỗi cấp Ghép luồng theo nguyên lý xen bit Đồng bé theo nguyên lý xen bit Truy xuất luồng riên lẻ sau khi giải ghép đến cấp tương ứng. SDH- Dao động nội được điều khiển đồng bộ với nguồn đồng hồ ngoài Ghép kênh đồng bộ Cấu tróc khung đồng nhất. Ghép xen luồng theo nguyên lý xen byte Đồng bé theo nguyên lý hiệu chỉnh dương/âm/zero xen bytbit Truy xuất trực tiếp từ luồng tốc độ cao hơn. Sơ đồ so sánh giữa bộ phối luồng của PDH và SDH, qua sơ đồ ta thấy việc phối hợp luồng của PDH từ tín hiệu cấp cao (140 Mb/s, 34Mb/s, 8Mb/s) phải chuyển qua tất cả các cấp cao tương ứng xuống cấp thấp nhất (cấp 1-2 Mb/s) rồi mới có thể thực hiện các luồng được. Trong khi đó SDH có thể phối hợp trực tiếp các tín hiệu PDH và SDH có tốc độ khác nhau. O L T E O L T E I F U I F U I F U I F U I F U I F U O L T E O L T E 1 2M So s¸nh sù kh¸c nhau gi÷a c¸c bé phèi ghÐp luång PDH vµ SDH. ThiÕt bÞ ph©n luång PDH (DXC) ThiÕt bÞ ph©n luång SDH (DXC) 1 STM-1 1 140M 4 140M 64 8M STM-4 1 STM-4 4 16 140M 2.3. Cấu trúc khung SDH. 1 Cấu trúc ghép cơ bản. STM (Synchorous Transport Module) – Module truyền đồng bộ. Các cấp STM-n được ghép từ STM-1. Các tín hiệu PDH có thể ghép vào SDH và được truyền dẫn thông qua hệ thống này, điều này giải thích tại sao CCITT đề xuất ra STM-1 vì tất cả các tín hiệu PDH 1,5Mb/s đến 140Mb/s có thể ghép vào trở thành tín hiệu SDH theo kiến nghị G.707. Trong đó: Cn Container cấp n: Đơn vị chứa thông tin. VCn: Vitualy : Container ảo cấp n. TVn : Tribuatary : Đơn vị luồng cấp n sử lý con trá khi nhân 3 đường. TUGn: Tribuatary Unit Group: Nhóm đơn vị luồng. AU: Administrative Unit: Đơn vị quản lý AUG: Administrative Unit Group: Nhóm đơn vị quản lý. POH: Path Over Head: Thông tin giám sát từ đầu của đoạn. SOH: Section Over Head: Thông tin quản lý từ đầu của đường Mô hình ghép luồng của CCITT. Định nghĩa và các khái niệm. C(n): Là cấp thấp nhất trong hệ thống dùng để bố trí các luồng truyền dẫn cận đồng bộ và có tốc độ khác nhau. VC(n): Gồm các C(n) tương ứng + POH thông boá vị trí. TU(n): Gồm các VC(n) tương ứng + các chỉ dẫn POINTER TUG(n): Là nơi ghép các TU với nhau để tạo thành một khung có tốc độ cao hơn. POINTER: dùng để tương hợp các luồng tín hiệu có thời gian định thời khác nhau, điều khiển ghép luồng đưa lên luồng số có tốc độ cao hơn. AU: là đơn vị quản lý ghép các VC với con trỏ chức năng AU và TU có các điểm tương tự nhau, điểm khác nhau giữa AU và TU là: + AU là tập hợp luồng có thể được kết nối chéo trong mạng lưới và có thể được truyền giữa các STM-1. + TU là một đơn vị khung không thể truyền giữa các STM-1 nếu không có cấp AU STM gồm có AU và từ vào đoạn SOH thông báo đoạn tuyến được truyền đưa. Cấu tróc khung STM-1 được biểu diễn nh­ sau: 270 byte 1 1: :9 10 270 RSOH PAYLOAD 9 byte 4 Pointer 9 MSOH 2430 125s 2. Cấu trúc các khối. a). Container: Là đơn vị truyền dẫn nhỏ nhất trong khung truyền dẫn. Các luồng thông tin đồng bộ hay cận đồng bộ đưa vào khung STM-1 qua các Container tính bằng byte và được tính trong 125ms Các loại Container tương ứng có các luồng số vào nh­ sau: Ký hiệu Tín hiệu đường truyền dẫn(Kb/s) C-11 1,544 C-12 2.048 C-2 6.312 C-3 44.736 & 34.368 C-4 13.264 Sè bit trong 125ms của các luồng số trên luôn nhỏ hơn kích thước của các Container tương ứng. Vì vậy phải chèn thêm từng bit hoặc từng byte vào để các luồng số vào vừa vặn với các Container. Nội dung các Container gồm: Thông tin thuần tuý nh­ là tín hiệu PDH Các bit hoặc các byte chèn cố định để tương thích tốc độ bit của tín hiệu chứ không mang thông tin. Các bit chèn cơ hội nhừm chính xác khung thời gian. Các bit cần thiết thì được sử dụng cho các bit dữ liệu hoặc cũng có khi chỉ là các bit chèn thuần tuý. Trong trường hợp này, trong khung còn có các bit điều khiển nhồi để thông báo cho đầu thu biết các byte nhồi không cố định có thể là byte dữ liệu hoặc một byte nhồi thuần tuý. b). Container ảo (Virtual Container) VC = C = POH Một VC là sự kết hợp của Container và từ mào đầu POH để tạo thành một khung hoàn chỉnh truyền đến đầu thu. Chức năng của POH là mang thông tin bổ trợ thông báo vị trí nơi mà Container này sẽ được truyền đến. Trong VC thì POH sẽ được gắn ở đầu khung và tại đầu thu sẽ được dịch ra trước tiên khi mà Container được giải mã. Ngoài ra POH còn chức năng mang thông tin về giám sát và bảo trì đường truyền. VC có nhiều loại và được chia thành hai loại nh­ sau: Tất cả các Container khi được ghép trong mét Container lớn hơn thì được gọi là Container cấp thấp tương ứng có Container ảo cấp thấp. Đó là VC-11, VC-12 và VC-2. Tất cả các Container truyền trực tiếp trong khung STM-1 gọi là container cấp cao là VC-4, nếu VC-3 truyền trực tiếp trong khung thì VC-3 cũng được gọi là container cấp cao. c). Cấu trúc của các VC. - VC-11: gồm 25 byte dữ liệu cộng với một byte POH được xắp xếp trên 3 hàng đọc 9 byte. Được sử dụng để truyền dẫn tín hiệu1,5Mb/s theo tiêu chuẩn châu Mĩ. - VC-12: Gồm 34 byte dữ liệu cộng với một byte POH được sử dụng để tương thích với luồng 2Mb/s theo tiêu chuẩn châu Âu và được xắp xếp theo 4 hàng dọc 9 byte. Có 3 loại tín hiệu sau có thể được bố trí trong VC-12. + Tín hiêuh 2Mb/s không đồng bộ: Cho phép mang tín hiệu 2 Mb/s nhưng không có khả năng giám sát trên từng bit. + Tín hiệu 2 Mb/s đồng bộ bit: Cho phép giám sát trên từng bit nhưng không có khả năng nhận dạng được khung. + Tín hiệu 2 Mb/s đồng bộ byte: Cho phép giám sát nhận dạng tất cả các bit dữ liệu. VC-11 và VC-12 có thể được truyền đi theo phương pháp xen byte vào trong VC-3 hoặc VC-4. VC-11 và VC-12 được truyền đi theo từng đa khung 500ms gồm có 4 khung 125ms và được gắn 1 TU, các con trỏ gắn vào VC-1x/VC-2 theo từng 125 ms mét. + VC-2: gồm 106 byte dữ liệu cộng với một POH được sử dụng để tương thích với luồng 6,312 Mb/s, cấu trúc gồm 12 hàng dọc 9 byte. POH 12 9 C-2 CÊu tróc VC-2 9 C-3 85 VC-3 POH VC-3: Gồm 756 byte dữ liệucộng với 9 byte POH xắp xếp thành một hàng dọc trong đó mỗi byte POH được thực thực hiện một chức năng riêng của mình. Cấu trúc khung gồm 85 hàng dọc 9 byte. Cấu tróc VC-3 d). Đơn vị luồng TU (Tribuari Unit) Gồm các VC với Pointer TU = VC + Ptr Trước khi chuyển đến STM-1, ngoại trừ VC-4 tất cả các VC đều có thể xen vào một VC lớn hơn. Như vậy cần phải thiết lập con trá (Pointer) để ghi lại quan hệ phase giữa hai VC. Các con trỏ thêm vào các container ảo cấp thấp để tạo nên TU. Theo sau là các đơn vị luồng số TU và các con trỏ tương ứng của chúng. Cấu trúc của các TU. Các TU-11, TU-12 đều cần tạo bở các VC tương ứng cộng thêm một byte pointer. TU-11 = VC-11 + Ptr TU-12 = VC-12 + Ptr TU-2 = VC-2 + Ptr C-12 3 9 C-11 CÊu tróc VC-11 9 4 CÊu tróc VC-12 + Pointerr 4 VC-14 9 VC-11 3 9 Sự hình thànhcủa cấu trúc TU-11 và TU-12 12 VC-2 C-2 9 C-2 POH +Pointer TU-2 9 12 C-2 Sự hình thành cấu trúc TU-2 từ VC-2 TU-3 = VC-3 + Ptr TU-3 VC-3 POH 85 C-3 + 3 byte pointer TU-3 PTR C-3 9 TU-3 85 Sự hình thành TU-3 từ VC-3 TU-3 có cấu trúc khung (9x83 = 3) byte. Con trá TU-3 có kích thước 3 byte, con trá TU-3 chứa địa chí byte đầu tiên của POH của VC-3 (byteJ1). 3 x TU-3 ghép xen kẽ từng byte tạo thành VC- 4. Ba con trỏ của 3x TU-3 có vị trí cố định trong khung VC-4 và vị trí của 3x VC-3 tương ứng trong VC-4. Sự hình thành 3x TU-3 trong STM-1 được chỉ ra dưới hình vẽ sau: STM-1 VC-4 TU-4 Các byte chèn cố định 1 con trá AU 3 con trá AU-3 e). Nhóm đơn vị luồng TU (Tribuari Unit Group) TUG là nhóm các TU ghép lại theo phương thức xen byte. Cấu tróc TUG. - TUG-2: Có kích thước 9x12 byte. Cấu trúc này hoàn toàn giồng cấu trúc khung của TU-2. Mét TUG-2 có thể hình thành bởi: TUG-2 = 3 x TU-12 TUG-2 = 4 x Tu-11 TUG-2 = 1 x Tu-2 Do vậy TUG-2 có kích thước 108 byte với tốc độ bit là 6912 Kb/s. 3 9 TU-11 9 TUG-2 12 4 9 TUG-12 9 TUG-2 12 TUG-2 Sù h×nh thµnh tõ c¸c TU-12 Sù h×nh thµnh TUG-2 tõ c¸c TU-11 * Nhận xét : - Các byte đầu tiên của hàng đầu tiên tương ứng với từ kiểu cấu trúc là các byte pointer. - TU-2 có kích thước tương ứng với một TUG-2. - Có hai cách để bố trí VC-12 vào trong moTUG-2: chốt (cloked mode) và nối (Floating mode). + Kiểu nối cho phép các VC được gắn vào khung TUG tại một vị trí nào đó và sử dụng pointer liên kết với mỗi VC để chỉ thị điểm ban đầu của VC trong TUG-2. Vị trí cong trỏ sẽ được gắn cố định trong TUG tương ứng bất kể vị trí của VC. + Kiểu chốt thì ngược lại VC được gắn vào TUG-2 tại một vị trí cố định và do đó không cần sử dụng pointer nh­ kiểu nối. 85 TU-3PTR TU-3 9 : con trá TU-3PTR TU-3 9 các byte nhồi cố định 86 Cấu tróc TUG-3 từ TU-3 - Mét TUG-3 có thể được tạo thành từ 1 x TU-3 hoặc ghép xen kẽ từng byte 7 x TUG-2. - Kích thước TUG-3 gồm 9 x 86 byte trong đó có 3 byte con trá TU-3. Nếu TUG-3 chứa 1 x TUG-3 thì cột đầu tiên chứa 3 byte cong trá TU-3 và 6 byte còn lại là byte nhồi cố định. Nếu TUG-3 được tạo thành từ 7 x TUG-2 thì nguyên tắc ghép cũng ghép từng byte. Cột đầu tiên chứa 3 byte con trỏ và 6 byte nhồi cố định. Tuy nhiên trong trường hợp này pointer trong TUG-3 không mang địa chỉ của một tín hiệu riêng lẻ nào cả, tức là không có chức năng. Trong trường hợp này giá trị con trỏ là vô nghĩa. Xong vị trí các container áo nh­ VC-1, VC-12 hoặc VC-2 được ghi lại trong các con trỏ tương ứng nh­ TU-1, TU-12, TU-2, các con trỏ này có vị trí cố định trong khung. 12 9 9 1 7 2 TUG-2 21 81 : Poiter : Byte nhồi cố định Cấu tróc TUG-3 từ 7xTUG-2 3 x TG-3 được ghép vào VC-4 theo trình tự cột thứ nhất của VC-4 chứa VC-4 POH. Cột thứ nhất và thứ hai chứa các byte nhồi cố định. TUG-3 86 2 1 2 3 VC-4 P O H 1 9 9 216 Các byte chèn cố định Cấu tróc TUG-3 trong TUG-4 Sự hình thành TUG-3 trong khung STM-1 được chỉ ra dưới hình sau. STM-1 1 270 RSOH AU-4 AU-4 AU-4PTR 1 86 J1 H1 B3 H2 TUG3=1 MSOH C2 H3 G H1 TUG-3=2 I R R H2 F2 R H3 H1 TU-3PTR H4 H2 1 TUG-3=3 85 Z3 H3 J1 AUG Z4 B3 R C2 R G I C-3 F2 H4 Z3 Z4 Chèn từng byte 34,368Mb/s VC-3 R= Các byte chèn cố định 3xTUG-3 trong STM-1 f). Các đơn vị quản lý AU. - Các AU bao gồm các container ảo cấp cao (High Over Virtual Container) cộng với Pointer. AU = HOVC + Ptr - Trong trường hợp này các giá trị của con trá AU-Ptr được ganws trong khung STM-1 để ghi nhận mối tương quan phase giữa khung truyền dẫn và các VC tương ứng. Các byte AU- Ptr này được gắn không cố định vào trong byte đầu tiên của hàng thứ 4 trong khung STM-1 có chức năng đánh dấu các AU. Tuy nhiên các AU-Ptr của AU-3 và AU-4 khác nhau. - AU-3 : được tạo thành 1 x VC-3. Cấu trúc AU-3 gồm có 9 x 87 + 3 byte. trong đó con trá AU-3 có kích thước 3 byte. AU-3 87 3 9 CÊu tróc khung AU-3 - VC-3 có thể truyền trực tiếp vào AU-3. Vì dung lượng truyền dẫn của..... (87 cột) lớn hơn dung lượng truyền dẫn vào VC-3 (85 cột) nếu người ta bố trí các byte nhồi cố định chèn vào để thích ứng tốc độ bit 3 x AU-3 được xen kẽ từng byte để truyền vào STM-1. Mỗi AU-3 có một con trá (3 byte) có chức năng định ví trí cho VC-3 bằng cách chỉ thị byte đầu tiên của POH trong VC-3 tương ứng 3 x AU-3 trong STM-1. + AU-4: Được tạo thành từ 1x VC-4. Có cấu trúc gồm 9 x 261 =9 byte Pointer tương ứng với khung STM-1 được cấu thành từ Container C-4 gồm 9 x 260 + 1 cột VC-4 POH (9 byte). STM-1 VC-4 9 270 9 261 RSOH 1 260 AU-4PTR J1 B3 MSOH C2 G1 F2 C-4 H4 Z3 Z4 Z5 VC-4POH - AU-4 chuyển vào STM-1 thông qua AUG. Cấu trúc khung của AU-4 và AUG hoàn toàn giống nhau. g). Nhóm các đơn vị quản lý AUG. Nhiều AU ghép byte với nhau tạo nên AUG. Cấu trúc khung AUG gồm (9x 261 + 9) byte, giống nh­ cấu trúc khung STM-1 khi chưa có SOH. AUG có thể được hình thành từ 1x AU-4 hoặc ghép xen kẽ từng byte 3x AU-3. h). Cấu trúc khung. STM-1 = AUG + SOH - Khung STM-1 gồm 9x 270 byte và truyền theo nguyên tắc từ trái sang phải và từ trên xuống dưới. - Trong đó SOH là thông tin quản lý được dùng cho hệ thống SOH. Có vị trí 9 cột đầu tiên tính từ trái qua phải, bao gồm: + Thông tin quản lý trạm lặp RSOH (Repeat Section Overhead) gồm 3 hàng x 9 byte đầu. + Các byte ở hàng thứ 4 dùng cho con trỏ gồm 1 hàng x 9 byte. + Thông tin quản lý ghép kênh MSOH (Multiplex Section Overhead) gồm 5 hàng còn lại 9x 261 byte dùng để tải tin. Khung STM-1 được truyền 8000 lần/s là tốc độ bít được sử dụng cho tín hiệu PCM. Mét khung STM-1 chiếm 125 ms do đó tốc độ STM-1 là: 8000 khung x 9 hàng/khung x 270 byte/hàng x 8 bit/byte = 155520 Kb/s @ 155 Mb/s i). Cấu trúc khung STM-n. - Cấu trúc khung STM-n giống nh­ cấu trúc khung STM-1 chỉ khác là tốc độ dwx liệu truyền trong 125ms là: n x9 x270 byte. - STM-n (với n = 4 hoặc n = 16) là mức truyền dẫn cấp cao của SOH đạt được bằng cách ghép n cấp STM-1 theo phương thức từng byte tạo thành các mức sau: + STM-4 có tốc độ truyền dẫn 155,52 x 4 = 622,08 Mb/s + STM-16 có tốc độ truyền dẫn 155,52 x 16 = 2,488 Gb/s STM1=1 A1 A2 P1 P2 M U A1 B1 C1D1 P1 A2 B2C2 X STM-16 16:1 STM-16 16 Tạo khung STM-16 từ STM-1 Ngoài ra để có được STM-16 ta cũng có thể ghép 4 x STM-4 với nhau theo phương thức ghép từng 4 byte mét. Ưu điểm này cho phép ghép nhiều luồng số có tốc độ thấp lên luồng số có tốc độ cao hơn một cách trực tiếp hoặc cũng có thể gián tiếp qua nhiều bước ghép. STM-14 M U X 4:1 M U X 4:1 M U X 4:1 M U X 4:1 M U X 4:1 A1 D1 A2 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 A1 4 A1 A2 M1 M2 D1 D2 E1 E2 H1 H2 I1 I2 L1 L2 P1 P2 STM-11 STM-11 STM-14 STM-14 STM-11 STM-14 STM-11 STM-4 16:1 A1 A1 D1 E1 H1 P1 A2 16 4 4 STM-16 4 4 4 T¹o khungSTM-16 tõ STM-4 Qua các phân tích ở trên ta rót ra được bảng về tốc độ bit và độ lớn của các khối chức năng cơ bản cũng nh­ tổng kết quá trình tạo khung STM-1 nh­ sau: Container Độ lớn (bytes) Tốc độ bit (bit/s) C-11 25 1600 C-12 34 2176 C-2 106 6784 C-3 756 48384 C-4 2340 149760 Virtual container Độ lớn (bytes) Tốc độ (bit/s) C-11 26 1664 C-12 34 2240 C-2 107 6884 C-3 765 48960 C-4 2349 150336 Tributary unit Độ lớn (bytes) Tốc độ (bit/s) TU-11 27 1728 TU-12 36 2304 TU-2 108 6912 TU-3 768 49152 Tributary unit group Độ lớn (bytes) Tốc độ (bit/s) TUG-2 108 6912 AU-3 786 50304 Adminstrative group Độ lớn (bytes) Tốc độ (bit/s) AU-4 2358 150912 Adminstrative unit group Độ lớn (bytes) Tốc độ (bit/s) AUG 2358 15912 Bảng kích thước và tốc độ bit các khối chức năng Sơ đồ tổng kết quá trình tạo khung STM-1 CHƯƠNG III: Mạng SDH 3.1. Các vùng mạng SDH. 3.1.1. Đường dẫn. Là đường kết nối logic từ điểm mà tín hiệu luồng số được đi vào container ảo VC của nó đến điểm mà nó được lấy ra Container ảo VC. 3.1.2. Vùng ghép kênh. - Trong mạng SDH vùng ghép kênh gồm các phương tiện truyền dẫn và các bộ lặp liên kết với chúng. Vùng này cung cấp phương tiện truyền dẫn thông tin giữa hai nút mạng liên tiếp nhau. Nút mạng là nơi tạo ra từ mac MSOH, và là đích cuối cùng của từ mão này. - Là mức mà ở đó mạng SDH có thể thi hành các chức năng khác nhau trong các trường hợp khác nhau nh­ hư hỏng thiết bị hay làm giảm chất lượng đường truyền dẫn. - Các byte mang chức năng bảo vệ có trong từ mão MSOH được gắn vào luồng tín hiệu và truyền dẫn đến đầu nối khác. Nếu phát hiện lỗi, mạng SDH sẽ chuyển mạch liên kết các VC đến mạch truyền dẫn dự phòng. - Mạch dự phòng là các kênh dự phòng bao gồm các phương tiện truyền dẫn, các bộ lặp và thiết bị đầu cuối vùng ghép kênh. 3.1.3. Vùng lặp. Trong mạng SDH, vùng lặp bao gồm các phương tiện truyền dẫn từ các thiết bị liên quan giữa một phần tử mạng và một bộ lặp hoặc giữa hai bộ lặp với nhau. Bé ghÐp kªnh ®Çu cuèi SDH Bé ghÐp kªnh ®Çu cuèi SDH TÝn hiÖu luång sè TÝn hiÖu luång sè HÖ thèng kÕt nèi chÐo SDH Bé lÆp SDH Bé lÆp SDH Vïng lÆp * Vïng ghÐp kªnh Vïng ghÐp kªnh Vïng lÆp * Vïng lÆp C¸c vïng m¹ng SDH Ph©n c¸c VC GhÐp c¸c VC 3.2. Hai thành phần chủ yếu của mạng đồng bộ. Các thành phần của mạng được chia ra làm ba nhóm chính. - Thiết bị sử lý VC ở cấp bậc cao, các đơn vị có liên quan đến các hệ thống đường dây và các hệ thống kết nối chéo cấp bậc cao. - Các đơn vị sử lý nội dung của các VC-4: các bộ ghép kênh truy xuất và các hệ thống kết nối chéo cấp bậc thấp. - Thiết bị quản lý mạng. 3.2.1. Các hệ thống đường dây và thiết bị kết nối chéo cấp bậc cao. a). Các hệ thống đường dây. - Là nơi xuất phát đến các đường dây. Chúng bao gồm: + Vùng cáp quang. + Các bộ lặp (nếu cần thiết). + Thiết bị đầu cuối đường dây. - Các hệ thống đường dây thiết kế để truyền dẫn 4 đến 16 luồng số trong khung STM-4 hoặc STM-16. Các luồng này có thể truy xuất được tại giao tiếp với STM-1. Các hệ thống đường dây gồm các bộ ghép kênh tốc độ cao và các phần tử đầu cuối hệ thống đường dây. b). Thiết bị kết nối chéo cấp bậc cao. - Đơn vị này lắp đặt tại các nút của mạng truyền dẫn để chuyển mạch các VC-4 trong các điểm truy xuất khác nhau. - Các điểm truy xuất hệ thống là các điểm truy xuất đường dây STM-1, STM-4 và STM-16. - Các dụng lượng xử lý theo dự án có thể lên tới 100Gb/s. 3.2.2. Các bộ ghép kênh truy xuất và thiết bị kết nối chéo cấp bậc thấp. a). Truy xuất và ghép. - Các bộ ghép kênh truy xuất thiết kế để chèn các tín hiệu bất đồng bộ vào các khung STM-1. - Các bộ rớt và xen kênh ADM có hai điểm truy xuất STM-1. Nó có thể lấy ra hoặc xen vào các tín hiệu. b). Hệ thống kết nối chéo cấp bậc thấp. - Thiết bị kết nối chéo cấp bậc thấp chuyển mạch các VC cấp bậc thấp giữa các điểm truy xuất của chúng. Các đơn vị chuyển mạch xử lý các tín hiệu nh­ 2,6 hay 3,4 Mb/s tương ứng với các cấp của VC. - Do cấu trúc khung đồng bộ nên có thể chuyển mạch các VC mà không cần phải ghép hay phân kênh. Tuy nhiên phải sử dụng các chức năng điều khiển trong cấu trúc khung. - Các điểm truy xuất của đơn vị chuyển mạch có thể là đường dẫn STM-1, hai là các điểm truy xuất cận đồng bộ thông qua truy xuất các bộ ghép kênh. Xö lý VC-i (1,2,3) VC-1 STM-1 Bé ghÐp kªnh G703 E/O Bé ghÐp ®­êng d©y Xö lý VC-4 VC-4 STM-N STM-1 E/O E/O VC-1 STM-N STM-N E/O E/O Rít vµ xen c¸c VC-4 STM-N VC-1 STM-N STM-N E/O E/O §¬n vÞ chuyÓn m¹ch VC-4 VC-1 STM-1 STM-1 E/O E/O Rít vµ xen c¸c VC-i G703 VC-1 STM-N STM-N E/O E/O §¬n vÞ chuyÓn m¹ch VC-i G703 C¸c bé ghÐp kªnh ThiÕt bÞ rít vµ xen kªnh ADM C¸c ®¬n vÞ chuyÓn m¹ch C¸c lo¹i thiÕt bÞ 3.3. Kết nối chéo DCC. Kết nối chéo DCC là một phần mở rộng của hệ ghép kênh có rớt và xen kênh. Nó bao gồm các chức năng sau: + Xắp xếp lại mạch. + Bảo vệ, phục hồi mạng. + Cung cấp kết nối các đường thuê bao băng rộng. + Các dịch vụ quảng bá (Một đầu vào n đầu ra). Kết nối chéo số có thể thực hiện trên tất cả các mức của VC và các luồng có tốc độ cao hơn 155,52 Mb/s nh­ hình sau: Bất kì VC-x nào trong tín hiệu ghép STM-n đều có thể được chuyển mạch thời gian cuat tín hiệu STM-n đầu vào đến một khe thời gian khác của tín hiệu STM-n đầu ra. 2Mb/s 34Mb/s 155Mb/s 140Mb/s 622Mb/s 140Mb/s 34Mb/s 622Mb/s 155Mb/s 2Mb/s KÕt nèi chÐo t¹i VC-12 DXC 4/1 Siemen kh«ng cã ®­êng 522Mb/s trong DXC 4/1 DXC 4/4 2,448Mb/s 155Mb/s 140Mb/s 622Mb/s 140Mb/s 622Mb/s 155Mb/s 2,448Mb/s KÕt nèi chÐo t¹i VC-4 Siemen kh«ng cã ®­êng 622Mb/s hoÆc 2,448Mb/s trong DXC 4/4 KÕt nèi chÐo sè 3.4. Mạng. Với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học nói chung và của ngành thông tin nói riêng, con người cảm thấy thế giới nh­ thu hẹp lại. Chúng ta có thể liên hệ sang các nước khác một cách dễ dàng. Công việc đó là nhờ vào sự phát triển của mạng viễn thông. Ngày nay có rất nhiều dịch vụ viễn thông nh­ mạng Telex, mạng số liệu công cộng, mạng chuyển mạch gói .... mỗi mạng có những cấu trúc và đặc tính riêng. 3.5. Mạng vòng Ring SDH. 3.5.1. Vòng Ring một hướng nh­ hình sau: ADM ADM ADM ADM ADM A B C D E Trong sơ đồ này tín hiệu từ A đến C theo hướng A-B-C còn tín hiệu từ C đến A đi theo đường cáp khác theo hướng từ C-D-E-A. Trong trường hợp mạng sảy ra sự cố ở một điểm trên mạng. Tín hiệu truyền dẫn trong hệ thống sẽ được truyền qua sợi dự phòng. 3.5.2. Mạng Ring hai hướng. Mạch vòng hai hướng được mô tả nh­ hình sau: ADM ADM ADM ADM ADM A B C D E STM-N Trong sơ đồ này tín hiệu đi từ A đến C theo hướng A-B-C, còn tín hiệu từ C đến A đi theo một cáp khác. 3.5.3. Bảo vệ theo đường truyền. Kiểu bảo vệ này được thực hiện bằng cách xắp xếp các luồng dự phòng cho hai điểm bất kì. - Bảo vệ theo luồng. - Bảo vệ theo đoạn. ADM ADM ADM A B C D E a ADM ADM ADM A B C D E b ADM ADM Mỗi luồng tín hiệu công tác ở mức tín hiệu nhánh đều được dự phòng bởi một tín hiệu nhánh tương ứng theo chiều ngược lại và được mô tả nh­ hình (a). Tín hiệu từ A đến C theo hướng A-B-C. Còn tín hiệu từ C đến A theo hướng C-D-E-A. Khi có sự cố trên đường truyền (VD đoạn BC) thì tín hiệu C đến A vẫn được giữ nguyên, còn tín hiệu từ A đến C, sẽ đi theo tuyến A-E-D-C. ở hình (b) khi ở chế độ làm việc bình thường được quy định giống như ở hình (a). Khi có sự cố sảy ra (VD trên đoạn BC) thiết bị ADM tại B và C sẽ tự động đấu vòng tại chỗ ở phía sự cố, kết quả là luồng tín hiệu B-C sẽ chuyển sang luồng tín hiệu B-A-E-D-C. 3.5.4. Mạng vòng tự phục hồi một hướng bảo vệ luồng. Là sự kết hợp phương án mạng vòng một hướng mà phương pháp bảo vệ theo luồng. ADM ADM ADM A B C D E M¹ch vßng mét h­íng b¶o vÖ luång 3.5.5. Mạng vòng tự phục hồi một hướng theo đoạn. Ban đầu tín hiệu từ A đến C theo hướng A-B-C còn tín hiệu từ C đến A theo hướng C-D-E-A. Khi có sự cố sảy ra (VD trên đoạn ED). Thiết bị ADM sẽ tự động đấu vòng tại phía sảy ra sự cố. Do đó tín hiệu từ A đến C vẫn được giữ nguyên, còn tín hiệu từ C đến A theo hướng C-D-C-B-A-E-A. 3.5.6. Mạch vòng tự phục hồi lại hướng bảo vệ đoạn. - Mạng vòng một hướng tự bảo vệ theo đoạn. ADM ADM ADM ADM ADM A B C D E ADM ADM ADM ADM ADM A B C D E Protect Work - Mạng vòng hai hướng tự bảo vệ theo đoạn. Kiểu bảo vệ hoạt động tương tự nh­ mạng vòng một hướng bảo vệ đoạn. Mạng vòng hai hướng tự bảo vệ theo đoạn này tuỳ thuộc theo số lượng sợi được sử dụng mà có các phương án khác nhau. Nếu mạng vòng sử dụng bốn sợi ta sẽ chọn hai sợi công tác và hai sợi dự phòng nh­ hình (b). Mạng vòng hai hướng không áp dụng cách bảo vệ theo luồng vì lý do là để làm được điều này đòi hỏi số lượng kênh dự phòng lớn hơn số kênh công tác nhiều lần. 3.6 Mạng Ring trong 3 vùng ứng dụng của ALCATEL. SDH sử dụng trong 3 vùng ứng dụng của một mạng quốc gia bao gồm: - Mạng kết nối nội hạt (The Local Network). - Mạng địa phương (The Regional Network). - Mạng quốc gia hay mạng đường trục. ALCATEL 1654SL hoÆc1664SL ALCATEL1644SX ALCATEL1651SX ALCATEL1644SX ALCATEL1644SX Tæng ®µi ALCATEL1644SX Tæng ®µi ALCATEL1353Nx ALCATEL1644SX ALCATEL1644SX ALCATEL1644SX Tæng ®µi Tæng ®µi Tæng ®µi ALCATEL1353Nx ALCATEL1651SM ALCATEL1651SM ALCATEL1651SM ALCATEL1641SM ALCATEL1641SM ALCATEL1641SM M¹ng ring ba vïng øng dông Trong mạng nội hạt, các bộ ghép kênh 1641 SM được kết thông đồng bộ nhau theo mạch vòng Ring, hoặc có thể theo đường thẳng với tốc độ 155,52 Mb/s. Các bộ ghép 1641 SM có thể được xen vào hoặc rớt xuống các luồng 1,5 Mb/s, 2Mb/s hoặc 34 Mb/s trong các tín hiệu ghép hay cũng có thể phân kênh luồng STM-1. Với cấu trúc vòng Ring đảm bảo cho luồng tín hiệu không bị ngắt quãng trong trường hợp dây gặp phải sự cố bằng cách định tuyến luồng tín hiệu theo một đường khác của vòng Ring không bị sự cố. TÝn hiÖu 2Mbps Alcatel 1641 SM Alcatel 1514MX TÝn hiÖu 64Kb/s Alcatel 1514MX TÝn hiÖu 64Kb/s Alcatel 1514MX TÝn hiÖu 64Kb/s 2Mbps 2Mbps 2Mbps Alcatel 1514MX TÝn hiÖu 64Kb/s Alcatel 1641MX Trung t©m néi h¹t M¹ng thuª bao Alcatel 1641MX Trung t©m néi h¹t Trung t©m tù ®Þnh tuyÕn 155Mbps 2Mbps 155Mbps TÝn hiÖu 2Mbps TÝn hiÖu 2Mbps CÊu h×nh m¹ng néi h¹t Alcatel 1641SM 155Mbps 155Mbps Alcatel 1641SX M¹ng trung kÕ Trung t©m néi h¹t Với bộ ghép kênh 1651 SM được kết nối thông với nhau tạo thành vòng Ring cho mạng Regional. Vòng Ring này có thể kết nối đến các vòng Ring nội hạt (hay các đường kết nối thẳng) của các bộ ghép kênh 1641 SM. Ngoài ra chúng có thể kết nối mạng nội hạt gián tiếp qua các bộ chuyển mạch 1641 SX. M¹ch vßng ring 155 or 140 Mbps Alcatel 1641SM Alcatel 1641SM §¬n vÞ chuyÓn m¹ch Alcatel 1641SX §­êng kÕt nèi STM-4 622Mbps Alcatel 1641SM §­êng kÕt nèi STM-4 622Mbps §­êng kÕt nèi STM-4 622Mbps Alcatel 1651 SM Alcatel 1641 SM C¸c tÝn hiÖu 2 Mbps Bé ghÐp kªnh Alcatel 1651 SM CÊu h×nh m¹ng ®Þa ph­¬ng ThiÕt bÞ kÕt nèi chÐo Alcatel 1641SX C¸c tÝn hiÖu 155 hoÆc 140 Mbps Alcatel 1641SM m¹ch th¼ng Đường kết nối đến mạng quốc gia được tạo thông qua các thiết bị kết nối chéo cấp cao như 1644 SX được bổ sung thêm cho mạng quốc gia. Hệ thống kết nối chéo được kết nối thông qua bởi các hệ thống truyền dẫn quang ALCATEL 16,54 SL hoặc 1644 SL. Có ba mức mạng được giám sát bởi hệ thống giám sát nối tiếp ALCATEL NX. Tất cả hệ thống này đều có các bộ giao tiếp cận đồng bộ để có thể giao tiếp với mạng cận đồng bộ đã có.