Đề tài Tổng quan về một hệ thống thông tin quang

Lời nói đầu Ngày nay, công nghệ viễn thông và đã đang có những bước nhảy vọt kỳ diệu đưa toàn xã hội loài người bước sang một kỷ nguyên mới đó là kỷ nguyên thông tin. Trong đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ quang- điện tử, đã đưa hệ thống thông tin cáp sợi quang chiếm ưu thế trên các mạng thông tin quốc gia và toàn cầu. Hệ thống thông tin quang có ưu điểm nổi bật về độ linh hoạt và băng tần lớn hơn, kinh tế hơn v.v... Mà các linh kiện và hệ thống truyền dẫn trước đó không thể đáp ứng được. Để khai thác hết khả năng truyền dẫn của cáp quang ở một tốc độ cao hơn và băng tần rộng hơn nên trong hệ thống thông tin quang sử dụng kỹ thuật truyền dẫn SDH thay cho kỹ thuật PDH. Nhờ có kỹ thuật truyền dẫn SDH nên các nhu cầu dịch vụ như: truy cập từ xa, hội nghị truyền hình từ xa, đa dịch vụ (ISDN) v.v... được đáp ứng một cách dễ dàng. Với mong muốn tìm hiểu một vài khía cạnh của kỹ thuật truyền thông tin trên cáp sợi quang sử dụng công nghệ SDH. Đặc biệt là sự chuyển đổi mạng quang Hà Nội từ mạng PDH sang mạng SDH, trong giới hạn của đồ án em xin trình bày những vấn đề sau đây: TổNG QUAN Về MộT Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG. MạNG QUANG Hà NộI. THIếT Kế TUYếN THôNG TIN QUANG NộI HạT. Em xin trân thành cám ơn các thầy cô giáo trong trường và đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Trong đồ án này không tránh được những sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Xin chân thành cám ơn ! Giới thiệu tổng quát i.giới thiệu về lịch sử phát triển Kể từ khi con người biết sử dụng lửa để làm phương tiện truyền thông tin đi xa đến nay, thông tin quang đã trải qua quá trình phát triển như sau: Năm 1790: Claude Chope kỹ sư người Pháp đã xây dựng hệ thống điện báo quang. Thông tin truyền qua chặng đường này mất 15 phút đi được 200km. Năm 1870: John Tyndall nhà Vật lý học người Anh, chứng tỏ ánh sáng có thể truyền theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần. Năm 1880: Alexander Graham Bell là người Mỹ giới thiệu hệ thống photo phone tiếng nói, có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường mà không khí không cần dây. Năm 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ phát hiện ra môi trường truyền dẫn của hệ thống thông tin quang là các thanh thuỷ tinh. Năm 1958: Charles H. Cao và Geogge A.Hockhan hai kỹ sư người Anh đã đề xuất dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng. Năm 1970: Corning Glass Worlks chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao dưới 20dB/km ở bước sóng 653nm. Năm 1972 : Sợi SI được chế tạo với độ suy hao 4dB/km. Năm 1983: Sợi đơn mode SM được xuất xưởng tại Mỹ. Ngày nay sợi SM được sử dụng rộng rãi, độ suy hao của sợi này chỉ khoảng 0,2dB/km ở bước sóng 1550. II.sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn quang. Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang như hình 1. Tín hiệu có thể là Analog hoặc Digital, nhưng dạng Digital ngày nay được dùng phổ biến hơn. Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn quang Nếu cự ly giữa hai trạm đầu cuối quá xa có thể thêm một vài trạm lặp (tiếp vận) với sơ đồ hình 2. Hình 2: Sơ đồ khối trạm lắp Phần I Hệ thống thông tin quang Chương 1 Cơ sở quang học Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng. Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser. Ba vấn đề sau sẽ là cơ sở lý thuyết cho việc hình thành hệ thống thông tin quang. 1.Phổ của sóng điện từ 2. Chiết suất của môi trường 3.Hiện tượng phản xạ toàn phần I. phổ của sóng điện từ Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng hoặc hạt (photon). Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng. Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được sinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng. Hai đại lượng tần số và bước sóng tỷ lệ với nhau theo công thức: C(m/s)=l(m).f(HZ) hoặc E(ev) = h.f Trong đó : C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ] H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ] ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800nm đến 1600nm. Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm. Hình 1-1: Các bước sóng trong thông tin quang Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số càng lớn thì độ suy hao càng lớn. Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình 2-7) và đặc biệt ở bước sóng 1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km. Như vậy là vấn đề suy hao được giải quyết nên ở ba bước sóng đó hiện nay đang được dùng rộng rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm. Cùng đó ta đã khai thác thêm được các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khai thác được các ưu điểm của cáp sợi quang. ii. chiết suất của môi trường. Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy. trong đó : n : Chiết suất của môi trường V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường Mà C ³ V nên n ³ 1. Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó. III. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần:Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) như hình vẽ sau: n1 b 1 n2 n1 2 2 1 aT a P n2 P aT 2 Vùng phản xạ toàn phần a) (b) Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môi trường một góc a, khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợp với pháp tuyến P ở một góc b. Theo định luật khúc xạ Snelious ta có: n1.sinat = n2.sinb Khi tia tới đạt tới góc a thi tia khúc xạ sẽ chạy song song với mặt phân cách giữa hai môi trường. Tức là góc khúc xạ bt = 900. Suy ra: Sin at = Góc at được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc a >at thì tia phản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1. Vậy muốn có phản xạ toàn phần cần có hai điều kiện sau : Chiết suất n1 > n2 Góc tới lớn hơn góc tới hạn Kết luận Từ ba vấn đề mà chúng ta vừa nghiên cứu là cơ sở cho hệ thống thông tin quang từ việc chế tạo sợi quang và nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang. Từ đó, ta nhận thấy rằng trong thông tin quang cơ sở quang học là một tiền đề rất quan trọng. Chương 2 Sợi quang i. cấu tạo và phân loại sợi quang 1.1Cấu tạo: Sợi quang được sản xuất bằng vật liệu để truyền được ánh sáng như: Sợi thuỷ tinh dK dm Hình 2.1: Cấu tạo sợi quang Sợi nhựa flour Sợi quang cấu tạo gồm 2 phần chính: - Một lõi dẫn quang đặc có chiết suất n1, bán kính a, đường kính là dk và một lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh ruột có chiết suất n2 (n1>n2) và đường kính dm. Ngoài ra độ lệch chiết suất sợi quang: Dn = n1- n2 Và độ lệch tương đối: D = Hai tham số này quyết định đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang. 1.2. Phân loại sợi quang: Các loại sợi quang có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau nhưng có hai loại phân loại sau đây là chủ yếu: a. Phân loại căn cứ vào phương pháp truyền sóng: * Sợi Đa - mode (Multi - Modes): MM Trong lõi của sợi cáp có nhiều tia sáng được đồng thời truyền dẫn tới các đường đi khác nhau gọi là mode. Loại MM này có đường kính dk = (25 á 100). * Sợi đơn mode (Single - Modes): SM b. Phân loại theo chỉ số chiết suất: * Sợi có chiết suất phân bậc (Step - Index): SI Sợi này có chiết suất lõi n1 luôn luôn bằng hằng số và đột biến tại bề mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ: n1 n2 dK dm Hình 2-2 * Sợi có chiết suất liên tục (Gradien - Index): GI Chiết suất trong lõi sẽ giảm từ tâm của lõi ra vỏ lõi và đột biến rại bề mặt tiếp xúc giữa lõi và vỏ. n1 dK n2 dm Hình 2 - 3 Song trên thực tế người ta thường phân ra làm 3 loại: Sợi đa mode có chỉ số khúc xạ phân bậc SI - MM (Stepindex - MultiMode). Sợi đa mode có chỉ số khúc xạ liên tục GI - MM (GradienIndex - Multimode). Sợi đơn mode có chỉ số khúc xạ phân bậc SI - SM (StepIndex - SingleMode). Hình 2 – 4: Các loại sợi quang SI – MM(a), GI – MM(b), SI – SM(c) và sự biến thiên của chỉ số khúc xạ theo bán kính của sợi. Sự biến thiên của chiết suất trong một sợi có thể biểu thị qua công thức sau: Với Trong trường hợp nhỏ thì công thức trên là cho sợi GI, còn khi g thì n(r) n1 tức là ta có sợi SI. Trong thực tế g 10 đã được coi là sợi SI. Trong thông tin đường dài sợi GI có g 2 có đặc tính truyền dẫn tốt nhất nên thường được chọn sử dụng 1. Thông thường tiêu chuẩn về kích thước các loại sợi quang được từng quốc gia qui định và cũng đang được tiêu chuẩn hoá quốc tế. - Sợi SI - MM: Là loại sợi có chiết suất lõi không đổi. Đường kính lõi là 50 (). Đường kinh vỏ dm = 125 (). - Sơi GI -MM: Là loại sợi có chiết suât lõi giảm dần. Đường kính lõi là 50 (). Đường kinh vỏ dm = 125 (). - Sợi đơn mode: Có dm = 125 . Đường kính lõi dk = (), sợi SI -MM trong thực tế loại này ít dùng vì suy hao lớn, sợi GI - MM chỉ được dùng trong các tuyến cự li ngắn và trung bình với tốc độ số liệu khoảng vài trục Mbit/s, còn sợi mode thường được dùng ở các tuyến đường trục tốc độ cao. III. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang: Nguyên lí truyền sóng ánh sáng trong sợi cáp là để ánh sáng truyền từ đầu sợi đến cuối sợi quang không bị mất ở lớp vỏ thì phải dựa vào hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần. Như ở phần nói về hiện tượng phản xạ toàn phần (III, Chương I) đã trình bày về điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là: + n1 > n2 + Góc tới lớn hơn góc tới hạn. Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2. Vậy chỉ còn điều kiện là góc tới at phải lớn hơn góc tới hạn ath (at >ath). Nên người ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi. áp dụng công thức : Snelious để tính N: n0 n2 n1 ath at b Hình 2 - 5 n0Sinath=n1.Sinb. (n0=1 : chiết suất của không khí) ị 1.Sinath=n1.Sinb=n1Cosa1. (Sinb=Sin(900-at)=Cosat) Với gọi là độ lệch chiết suất tương đối Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở trong lõi là khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở . IV. sự lan truyền của các mode trong sợi quang. Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực của các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng. Một mode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơn thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang. Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp. Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên. Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay. Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và các mode lan truyền có những đặc tính sau : Các mode hoàn toàn độc lập với nhau. Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng. Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng. Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn lg sao cho các bước sóng của các mode đều phải tuân theo điều kiện l > lg. Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/l nên dk lớn hơn l nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dk rất nhỏ thì chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode). Người ta định nghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá: Với sợi SI, nếu V3,518 ta có sợi đa mode. Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyền sóng. Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyền sóng. Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giản nhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trên mặt cắt dọc của sợi. n2 n1 qmax qmax 1 2 3 b) a) 1 3 2 c) Hình 2 – 5: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và sợi đơn mode(c) ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khác nhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãng đường đi ngắn nhất (c). ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hình nón có nửa góc mở ath Sợi SI có Sợi GI có Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinath Như vậy sợi SI có Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2á0,37. Còn sợi GI có Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tại tâm lõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng 0. Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn, băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại. Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan truyền đến cuối sợi. Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia có hiện tượng giao thoa. Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của một sóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode. Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định. Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định. V. các thông số của Sợi quang 5.1. Suy hao của sợi quang: 5.1.1.Định nghĩa: Khi truyền ánh sáng trong sợi quang, công suất ánh sáng giảm dần theo cự ly với quy luật của hàm số mũ nên ánh sáng bị suy hao. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng: P(L)=P(0).10-a.1/10 Trong đó : P(0) là công suất ở đầu sợi (L) P(L) là công suất ở cự ly L tính từ đầu sợi : Hệ số suy hao. P1 = P(1) P1 = P(1) L L Hình 2 – 6: Công suất truyền trên sợi quang Độ suy hao của sợi quang tính bởi : . Trong đó : P1=P(0) P2=P(1) Hệ số suy hao trung bình : 5.1.2.Các nguyên nhân gây ra suy hao. a.Suy hao do hấp thụ. Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ ánh sáng. Mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Sự hấp thụ của các ion OH, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240 và 1400nm. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và hồng ngoại. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hướng sử dụng các bước sóng dài trong thông tin quang. b. Suy hao do tán xạ. Suy hao do tán xạ hay còn gọi là tiêu hao tán xạ Rayleigh, xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn. Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ bậc 4 của bước sóng : Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài như hình 2-7 a(dB/Km) 600 1200 1400 1600 800 1000 1 0 4 3 2 l(nm) Hình 2 – 6: Suy hao do tán xạ reyleigh Suy hao do mặt phân cách giữa các lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo, lúc đó tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc nạy một tia tới có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới sẽ khúc xã ra lớp vỏ bọc và đi ra ngoài và đi ra ngoài lớp bọc sau đó bị suy hao dần. c. Suy hao do sợi bị uấn cong. Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên chỗ uấn cong nhỏ thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Sự phân bố trường sẽ bị xáo trộn đi qua những chỗ uấn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi khi sợi bị uấn cong với bán kính uấn cong càng nhỏ càng suy hao nhiều. 5.1.3.Đặc tuyến suy hao. Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2-7. Nhìn vào hình 2-7 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao. * Cửa sổ thứ nhất:ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu. * Cửa sổ thứ hai : ở bước sóng 1300nm. Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4á0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay. * Cửa sổ thứ ba : ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai. 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1 2 3 4 5 l(mm) Q[dB/Km] Hình 2 – 7: Đặc tuyến suy hao (phổ suy hao) của sợi quang 5.2.Tán sắc (Dispersion). Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau. Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc. Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha. 0 tS tE t P AS E t P 0 Hình 2 – 8: ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b). S chỉ tín hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu. a: Dẫn xung, b: xụt biên độ. Hậu quả của tán sắc là làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn của sợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến. Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai. Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu. Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) là ts,te Độ giãn xung là Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là : Sau khi truyền qua sợi quang. Coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp Gauss tại mức suy hao 3 dB, độ rộng băng truyền dẫn B có quan hệ với t như sau: Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là: Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C bit/s Do ảnh hưởng của tán sắc, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng, nhưng hai xung kề nhau còn phân biệt được khi độ giãn xung t còn nhỏ hơn độ rộng xung phát đi từ đó có tốc độ bit là: C=1/ts=1/t=2,26.B=2.B Như vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C có quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau. Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộng bằng khoảng 1 HZ nhưng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Từ đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi. 5.2.1. Các nguyên nhân gây ra tán sắc. a.Tán sắc mode (Mode Despersion) Do năng lượng của ánh sáng phân tán thành nhiều mode. Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất. Tán sắc mode chỉ xảy ra ở sợi đa mode. Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tán sắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có: Trong đó: t1: Thời gian truyền tia thứ nhất t2: Thời gian truyền tia thứ hai. Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền Dt là: với Độ trải xung do tán sắc mode dmat là: Độ tán sắc mode là : . Với sợi GI độ trải xung do tán sắc mode nhỏ hơn sợi SI. b.Độ tán sắc thể : * Tán sắc chất liệu: Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Đó là nguyên nhân gây tán sắc chất liệu. Trong đó n(l) là chiết suất lõi. ởbước sóng 850nm độ tán sắc chất liệu khoảng (90á120) ps/nm.Km, ở bước sóng 1300nm độ tán sắc chất liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không. Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km. * Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng: Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng. Sự phân bố này gây nên sự tán sắc ống dẫn sóng. Tán sắc do ống dẫn sóng nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơn mode. 5.2.2.Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức: Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức với Dchr=Dmat+Dwg Trong đó Dchr: Độ tán sắc thể Dwg: Độ tán sắc ống dẫn sóng. 5.2.3.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt. a.Sợi dịch tán sắc. Vì độ suy hao ở mức sóng 1550 nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ở bước sóng 1300 nm nên ở tuyến cáp quang đường dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm lại lớn. Để giải toả trở ngại này người ta làm theo hai cách: - Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu Dmar = Dmar.Dl. - Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550 nm. Để có sợi dịch tán sắc thì chất liệu và tán sắc ống dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bước sóng 1550 nm ( hình 2-9). - 12 4 8 12 - 4 - 8 1200 1600 1500 1400 1300 dchr 1 3 2 l(nm) Hình 2 – 9: Tán sắc thể của các loại sợi 1: Sợi bình thường 2: Sợi dịch tán 3: Sợi san bằng tán sắc b. Sợi san bằng tán sắc Dung lượng của sợi quang có thể được nới rộng bằng cách ghép hai hay nhiều bước sóng trên cùng một sợi quang (WDM). Cần một sợi quang có độ tán sắc nhỏ trong khoảng một bước sóng. Sợi như vậy gọi là sợi san bằng tán sắc và sự biến thiên tán sắc theo bước sóng như hình (2-9). 5.3. Dải thông của sợi quang Sợi quang được xem như hàm truyền đạt P1(fm) và P2(fm) là biên độ công suất ở đầu và cuối sợi quang với tần số điều chế fm. Khi fm = hz tức là có điều chế thì hàm truyền đạt biểu diễn dạng chuẩn hoá: Đường biểu diễn của hàm truyền đạt như hình 2-10. Tần số điều chế mà tại đó biên độ của hàm truyền đạt bằng ẵ được gọi là dải thông B của sợi quang. Như vậy dải thông B là tần số điều chế mà tại đó công suất quang giảm đi 50% (hay 3dB). 1 1 0,5 0 B fm Hình 2 – 10: Hàm truyền đạt của sợi quang Dải thông của sợi quang tỷ lệ nghịch với độ tán sắc tổng cộng và được tính theo công thức: Để tính được dải thông chung của sợi quang ta sử dụng thông số B1 là dải thông ứng với một đơn vị độ dài (thường là 1km). Thừa số y có giá trị từ 0,5 đến 1 phụ thuộc vào chiều dài của sợi thường y = 0,6á0,8 5.4. Bước sóng cắt. Mỗi mode LP có một bước sóng truyền khác nhau, khi thừa số cắt Vc có: Vcn > V thì mode đó mới được truyền. Trong sợi đơn mode (chỉ có một mode là LP01) thì bước sóng cắt lc1 là bước sóng ngắn nhất mà sợi làm việc. Để tiện ta ký hiệu lc là lc1. VƠ Vùng đơn mode Vùng đa mode Mode LP01 LP12 Mode LP01 LP12 Mode LP01 , LP11 LP12 , LP21 Ơ l lC1 lC2 0 0 VC2 VC1=2.405 Sự phân chia vùng đơn mode và đa mode ở hình 2-11. Hình 2 – 11: Vùng đa mode và đơn mode Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang. Sợi càng dài và độ uốn cong càng nhỏ thì lc càng nhỏ và ngược lại. 4.5. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter) Khi sự phân tích suy hao của các mối nối và điều kiện phóng ánh sáng vào sợi thì sự phân bố trường là rất quan trọng. Năng lượng ánh sáng thể hiện qua năng lượng trường bức xạ F(r) không chỉ tập trung trong lõi mà một phần truyền ngoài lớp bọc. Sự phân bố trường như hình 2-12: Bán kính trường mode P là bán kính tại đó biên độ giảm đi 1/e lần (e = 2,718… nên 1/e ằ0,37 = 37%). Đường kính trường mode 2P phụ thuộc vào l, nếu l dài thì đường kính trường mode càng tăng. Đối với sợi SI - SM thì đường kính trường mode hơi lớn hơn đường kính lõi và tính theo công thức gần đúng sau Vi. hàn nối sợi quang 6.1. Yêu cầu kỹ thuật Với việc hàn nối phải đạt tổn thất quang càng bé càng tốt. Nhưng vì đường kính của sợi quang rất bé, nhất là ánh sáng chỉ được lan truyền trong lõi sợi quang, do đó rất khó phối hợp. Trong thực tế các đầu sợi quang khó lòng khớp sít vào nhau nên không tránh khỏi bị suy hao. 6.2. Các phương pháp hàn nối sợi quang Để hàn nối hai sợi quang với nhau người ta nghiên cứu phương pháp sau: - Dùng bộ nối tháo rời được và không tháo rời được. - Hàn nối bằng sợi keo dính và bằng hồ quang điện. Phương pháp đầu đạt độ chính xác không cao, nên hay sử dụng cho các loại sợi có tốc độ truyền dẫn thấp, cự ly gần. Phương pháp hàn nói thứ hai có độ chính xác cao, cố định. Trong hướng này có hai phương pháp chính là nối bằng keo dính và hồ quang. 6.2.1. Phương pháp dùng keo dính Cách này thực hiện hoàn toàn bằng nhân công, không có sự giám sát, điều chỉnh nên độ chính xác không cao và chỉ có thể áp dụng để nối sợi đa mode có đương kính ruột lớn, ở đây không trình bày cụ thể và điều kiện không cho phép. 6.2.2.Phương pháp dùng hồ quang. Được thực hiện nhờ các máy hàn. Hồ quang được tạo ra nhờ các tia lửa điện phóng điện. Nguyên lý của phương pháp này như ở hình 2 -13. các bước tiến hành: Dùng hoá chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ hai đầu sợi cầu nối. Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá (hình a). Điều chỉnh cho hai sợi lại gần, điều chỉnh sao cho đầu sợi hoàn toàn đồng trục, đồng tâm nhau (hình b) Đóng mạch tia lửa điện, hai đầu sợi nóng chảy và vài giây dính chặt vào nhau (hình c). Kiểm tra mối nối (mối nối tốt như một sợi bình thường tại chỗ nối), nếu xấu thì hàn lại (hình d). Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối (hình e). Ngày nay các nhà máy hàn đã được thiết kế hiện đại, việc làm này được thực hiện hoàn toàn tự động để tăng chất lượng. (a) (b) (c) (d) (e) Hình 2 – 13: Phương pháp hàn nối bằng hồ quang 10 10 10 10 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Số mối hàn(n) Suy hao 0 Việc hàn nối nhờ hoàn toàn tự động nên tiêu hao tại các mối nối rất nhỏ, với sợi đa mốt tiêu hao các mối nối trung bình là 0,038 dB, còn với sợi đơn mode thì là 0,5 dB. Trong thực tế, độ suy hao đạt khoảng 0,1 dB là chấp nhận được. Hình 2 – 14: Đồ thị suy hao thực tế mối hàn Furukawa – SI 475 6.3.Bảo vệ mối nối: Khi nối các sợi quang đã được tách ra, không còn các lớp bảo vệ của vỏ cáp vì vậy người ta dùng các hộp bảo vệ chỗ nối. Có nhiều loại hộp bảo vệ, có loại để trong nhà, có loại để ngoài trời, có loại chôn trực tiếp, tuỳ theo điều kiện môi trường và mục đích sử dụng ta chọn cho thích hợp. Chương 3 Cáp quang Cũng như cáp kim loại, cáp quang cáp quang cũng có các yêu cầu, đặc điểm cần phải đáp ứng. Trước hết, có lớp vỏ bao bên ngoài để bảo vệ sợi cáp quang khỏi ảnh hưởng của môi trường như côn trùng, độ ẩm hoặc các lực cơ học tác động. Cáp cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ. Không thấm nước, lọt nước. Chống được các ảnh hưởng của các tác động cơ học như va chạm, lực kéo, nén, lực uấn cong… ổn định khi nhiệt độ thay đổi, nhất là khi ở nhiệt độ rất thấp có tác động co ngót sợi. ít bị bão hoà, có thời gian làm việc lâu. Trọng lượng nhỏ và kích thước bé. I.cấu trúc cáp quang. Cho đến nay, cáp dẫn quang có rất nhiều cấu trúc khác nhau. Do công nghệ phát triển đã đưa ra được những mẫu cấu trúc cáp quang có đặc tính thoả mãn được nhiều yêu cầu. Để tạo được cáp dẫn quang, sợi quang trước hết phải được bọc sơ bộ bằng các lớp Polime mỏng rồi mới tạo thành cáp. Các sợi đã được bọc hoàn thiện làm thành phần chính của lõi cáp. Lõi cáp còn có thể thêm các sợi gia cường bằng nilon và các đôi giây bằng kim loại để cấp nguồn từ xa. Người ta có thể đặt các sợi dẫn cáp quang vào lõi cáp với nhiều hình thức. Chính vì vậy cáp quang có thể có dạng hình tròn hoặc dẹt, sợi dẫn quang có thể được bọc chặt hoặc bọc lỏng. Để tránh ảnh hưởng cơ học làm gãy đứt và thuận lợi khi hàn nối. Thường các sợi được đặt lỏng tự do trong lõi cáp, hoặc đặt lỏng có keo mềm độn vào. Các nước Tây Âu và úc thường thiết kế lõi cáp có các rãnh múi khế mà trong các rãnh đó là các sợi cáp quang. Còn các nước Châu Mỹ và Nhật thì thường cho sợi nằm lỏng trong các ống ghen nhỏ ở lõi cáp. Việc cấu trúc vỏ cáp rất phong phú, phù hợp với điều kiện từng môi trường đặt cáp. Hình 3 - 1: Cấu trúc tổng quát của cáp quang Hình 3 -1: Là hình minh hoạ tổng quát của cáp quang nó có những thành phần cơ bản sau: Sợi quang: Được đặt trong rãnh hoặc ống ghen. Thành phần chịu lực: Gồm có thành phần chịu lực trung tâm và chịu lực bên ngoài. Chất nhồi: Để làm đầy ruột cáp. Vỏ cáp: Để bảo vệ ruột cáp. Lớp gia cường: Bảo vệ sợi cáp trong điều kiện khắc nghiệt. II. Phân loại cáp quang: Người ta phân loại cáp quang theo nhiều loại khác nhau để thuận lợi cho việc nghiên cứu. 2.1. Phân loại theo cấu trúc: Cáp có cấu trúc cổ điển: Các sợi hoặc các nhóm sợi quang được phân bố đối xứng theo hướng xoay vòng đồng tâm, loại cấu trúc này rất phổ biến. Cáp có lõi trục có rãnh: Các sợi hoặc các nhóm sợi được đặt trên các rãnh có sẵn trên một lõi của cáp. Cáp có cấu trúc băng dẹt: Nhiều sợi quang được ghép trên cùng một băng và trong ruột cáp có nhiều băng xếp chồng lên nhau. Cáp có cấu trúc đặc biệt: Do nhu cầu, trong cáp có thể có các dây kim loại để cấp nguồn từ xa, để cảnh báo, để làm các đường nghiệp vụ… hoặc cáp đi trong nhà chỉ cần hai sợi là đủ…. b) c) a) d) e) Hình 3 – 2: Các ví dụ về cấu trúc cáp quang a.Cáp có cấu trúc đặc biệt c. Cáp có cấu trúc băng dẹt b. Cáp có lõi hình trục có rãnh d. Cáp sợi quang dùng trong nhà e. Cáp có dây đồng 2.2. Phân loại theo mục đích sử dụng: Cáp dùng để trên mạng thuê bao, nội hạt, nông thôn. Cáp trung kế giữa các tổng đài. Cáp đường dài. 2.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt: Cáp chôn trực tiếp. Cáp đặt trong ống nước. Cáp thả dưới nước. Cáp dùng trong nhà. Cáp treo ngoài trời. Chương 4 Tín hiệu được truyền trong sợi quang 4.1.Kỹ thuật PCM (Pluse codes modulation) Trong mạng viễn thông việc truyền dẫn tiếng nõi được thực hiện bằng số. Để thực hiện điều đó người ta phải thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu tương tự (Analog) sang tín hiệu số (Digital). Quy trình biến đổi đó được thực hiện bằng kỹ thuật PCM (Plulse code modulation) hay còn gọi là điều chế xung mã. Trong kỹ thuật PCM người ta xử lý tín hiệu tương tự qua ba bước sau: Lấy mẫu (Sampling) Lượng tử hoá(Quantization ) Mã hoá (coding) Sau các bước trên, tín hiệu tượng tự đã được số hoá và truyền đi tới đầu thu. Tại đó người ta sẽ thực hiện tái tạo lại tín hiệu tương tự ban đầu từ tín hiệu số thu được. Công việc này gọi là qúa trình giải mã (Decoding). Hình 4 – 1: Sơ đồ khối của một hệ thống truyền dẫn số sử dụng kỹ thuật PCM 4.1.1. Lấy mẫu (Sampling): Nguyên tắc cơ bản của điều xung mã (PCM) là quá trình chuyển đổi các tín hiệu liên tục như tiếng nói thành tín hiệu số. ở bước lấy mẫu có nhiệm vụ là rời rạc hoá các tín hiệu liên tục một cách tuần tự theo định lý Shanon - Kachennhicop. * Định lý Shanon - kachennhicôp: Tín hiệu liên tục theo thời gian có dải tần xác định hoàn toàn có thể xác định bằng các giá trị rời rạc có chu kỳ thoả mãn điều kiện. fs³ 2. Fmax fs = Tần số lấy mẫu Fmax : Giới hạn cực đại của tín hiệu liên tục Hình 4 – 2: Tín hiệu liên tục sau khi lấy mẫu Sau khi lẫy mẫu được các xung có biên độ bằng giá trị tức thời tại điểm lấy mẫu. Kết quả lấy mẫu ta được dãy xung điều biên PAM (Plulse amplitude Modulation). * Công cụ lấy mẫu; Điều biến xung (PAM) X(t) CLK(fs = 2Fmax) Hình 4 – 3: Sơ đồ khối cơ bản của công cụ lấy mẫu Nhận xét: Trong phổ của dãy xung điều biên có chứa thành phần của tín hiệu gốc từ (0 á Fmax). Vì vậy để khôi phục được dạng tín hiệu gốc từ dãy xung thu được thì chỉ cần dùng bộ lọc thông thấp. Nên điều kiện để lọc được: FmaxÊ fcÊfs - Fmax Fc: Tần số cắt bỏ của bộ lọc. 4.1.2. Lượng tử hoá ( Quantization). Sau khi rời rạc hoá tín hiệu tương tự một chuỗi các xung PAM có biên độ bằng giá trị tức thời tại thời điểm lấy mẫu. Song với quan điểm của truyền dẫn người ta không truyền đi những xung PAM vì : * Nếu truyền như vậy trên đường truyền tạp âm tác động mạnh nhất vào đỉnh xung nên biên độ xung thay đổi mà đỉnh xung là nơi mang tín hiệu nghĩa là tác động trực tiếp vào tin tức. * Do UPAM là một đại lượng ngẫu nhiên nên khi mã hoá sẽ có rất nhiều từ mã làm cho bộ mã hoá sẽ rất phức tạp và không tiêu chuẩn được bộ mã hoá. U DX 0 t Tất cả các mẫu nằm trong một khoảng cách đã cho sẽ được gán cho một giá trị số chung. Việc này được gọi là lượng tử hoá . Hình 4 – 4: Biểu đồ lượng tử hoá Dx: Bước sóng lượng tử hoá Do việc lượng tử hoá là làm tròn biên độ xung mẫu nên dẫn đến việc sai số lượng tử hoá. Độ méo lượng tử không độc lập mà có liên quan đến biên độ của xung. Để giảm nhỏ độ méo lượng tử có thể dùng hai cách sau: Hoặc là nén dải thông của tín hiệu trước khi lượng tử và dãn phục hồi ở phía thu Hoặc là tăng khoảng lượng tử theo biên độ đó là quá trình dãn Có nhiều phương pháp lượng tử hoá xong có hai phương pháp chủ yếu là : Lượng tử hoá đều: Toàn bổ dải biên độ của tín hiệu (dải động) được chia thành các đoạn đều nhau và ký hiệu là Dx (Bước lượng tử hoá) Trong đó : Tín hiệu thay đổi từ -Xmaxá +Xmax n : Số nguyên mức lượng tử hoá Các xung PAM ở gần mức nào đó thì sẽ làm tròn và gán cho giá trị ở mức đó (với sai số ±Dx/2). Quá trình lường trình hoá người ta đã làm tròn do vậy có gây lên sai số lượng tử hoá. Lượng tử hoá phi tuyến: ở phương pháp lượng tử hoá phi tuyến người ta sử dụng luật dãn nén. Nén là phương pháp thứ nhất được đề cập để đạt được một hệ thống lượng tử phi tuyến. Luật lượng tử logarit được sử dụng trong nén và dãn trong đó biến y theo quan hệ y = logx và quan hệ ngược lại được sử dụng trước khi khôi phục biến đầu vào tại đầu ra của hệ thống nhờ bộ dãn. Hiện nay người ta sử dụng hai luật nén Logarit thông dụng là m và A. Luật m được vùng Bắc Mỹ và Nhật sử dụng còn luật A thì được các nước Châu Âu sử dụng. Trong khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp, nên chỉ giới thiệu sơ qua về các phương pháp lượng tử hoá thông dụng để rút ra những ưu nhược điểm của từng phương pháp để so sánh giữa hai phương pháp trên. Sử dụng bộ lượng tử phi tuyến có bước lượng tử nhỏ đối với tín hiệu vào mức thấp. Sử dụng bộ lượng tử phi tuyến nén chỉ việc tiến hành mã hoá đều từ mã 8 bít thay cho mã hoá không đều với từ mã là 12 bít. 4.1.3. Mã hoá Mã hoá là một quá trình so các giá trị rời rạc nhận được bởi quá trình lượng tử hoá với các xung mã. Thông thường các mã nhị phân được sử dụng cho việc mã hoá là các mã nhị phân tự nhiên, các mã Gray ( các mã nhị phân phản xạ), và các mã nhị phân kép. Phần lớn các kí hiệu mã so sánh các tín hiệu vào với điện áp chuẩn để đánh giá xem có các tín hiệu nào không. Như vậy, một bộ chuyển đổi D/A hoặc bộ giải mã là cần thiết cho việc tạo điện áp chuẩn. Trong viễn thông công cộng PCM, tiếng nói được biểu diễn với 8 bít. Tuy nhiên trong trường hợp của luật m, các từ PCM được lập nên bảng như sau: Bit đầu = (0,1) Bit phân đoạn = (000,001,…….,111) Bit phân trước = (0000,0001,….,1111) Có nhiều phương pháp mã hoá nhưng những phương pháp mã hoá sau chủ yếu là: Mã hoá trực tiếp Xung PAM được so sánh trực tiếp với các điện áp mẫu ( mức chuẩn) nhận được các từ mã tương ứng như vậy bộ mã hoá cần phải có tất cả các mức chuẩn nên dẫn đến bộ mã hoá cồng kềnh, thời gian rất chậm. b.Mã hoá theo phương pháp gián tiếp. * Phương pháp đếm qua trung gian: Xung PAM được biến đổi thành các đại lượng đếm được như tần số, thời gian và thực hiện đếm ( đếm theo cơ số 2). Phương pháp này thời gian mã hoá chậm vì phải đếm qua tất cả các giá trị mà xung PAM có thể có. * Mã hoá theo phương pháp so sánh: Xung PAM được so sánh với các điện áp mẫu URFi (Referent) theo thứ tự từ cao đến thấp theo nguyên tắc. Xung PAM ³ URFi thì bi (bít thứ i) nhận giá trị 1 Xung PAM Ê URFi thì bi nhận giá trị bằng 0 Trong đó : URF1 = 64D URF4 = 8D URF7 = D URF2 = 32D URF5 = 4D URF3 = 16D URF6 = 2D Hình 4 – 5: Sơ đồ khối của bộ mã bằng phương pháp so sánh MR (memory): Bộ nhớ UPAM trong suốt thời gian mã hoá COM(compare): So sánh UPAM với các điện áp mẫu URFi : Mạch tạo ra điện áp mẫu CU(Coutrol Umit): Khối điều khiển có 8 đầu ra từ b0áb7 nhận các giá trị tương ứng với đầu vào X P/S(Paralel/Series): Bộ biến đổi từ mã từ song song sang nối tiếp 4.2.Kỹ thuật ghép kênh. Ghép kênh là ta ghép nhiều tín hiệu trong 1 dải dẫn chung (hoặc trong một dòng số) để đồng thời truyền dẫn trên một phương tiện truyền dẫn nhất định, để tăng hiệu suất truyền của dẫn, tăng khối lượng tin tức truyền đi. Có nhiều phương pháp ghép kênh như: Phương pháp ghép kênh không biến đổi tín hiệu Phương pháp ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Mutilplex) Phương pháp ghép theo thời gian TPM (Time Division Mutilplex) Song ở đây ta chỉ giới thiệu về hai phương pháp ghép kênh là FDM và TDM chủ yếu là phương pháp TDM mà trong thông tin quang sử dụng. 4.2.1.Phương pháp FDM: Sử dụng ghép kênh theo tần số FDM, tín hiệu được truyền đi liên tục theo thời gian để phân biệt giữa các tín hiệu khác nhau thì người ta đánh dấu (phân chia) bằng các dải tần riêng biệt. Mỗi tín hiệu được đánh dấu bằng một dải tần riêng biệt liên tiếp nhau tạo thành một dải tần chung. Người ta dùng kỹ thuật chuyển phổ bằng phương pháp điều chế tín hiệu (điều chế đơn biên) dụng bộ lọc thông dải để lọc lấy một biên. Ghép theo phương pháp ghép chồng: n kênh thoại được dùng n sóng mang khác nhau ba bộ lọc thông dải khác nhau để ghép từng kênh 1. Nếu số kênh thoại n lớn dẫn đến gặp khó khăn trong chế tạo, sử dụng và khai thác (phương pháp này hiện nay không dùng). Phương pháp tạo ra các nhóm kênh cơ bản : Nhóm sơ cấp (PG: Primary Group) Nhóm cơ bản(BG: Basic Group) Siêu nhóm (SG: Super Group) Nhóm chính(MG: Master Group) Siêu nhóm chính(SMG: Super Master Group) Nhóm cực lớn (JG : Jumbor Group) 4.2.2. Phương pháp TDM (Time Division Mutilplex): Khi sử dụng phương pháp ghép phân chia theo thời gian, liên lạc không có lỗi chỉ có thể thực hiện được nếu các bit, các khung và các kênh ghép động bộ hoá cùng một kiểu như nhau tại nơi phát và nơi thu. Ghép kênh là một quá trình chuyển đổi một số tín hiệu số thành tính hiệu số tốc độ cao. Vì ở Việt Nam, chúng ta thường sử dụng các thiết bị viễn thông theo tiêu chuẩn Châu Âu. Nên ở đây ta cũng chỉ tìm hiểu về phương pháp ghép kênh theo thời gian theo tiêu chuẩn Châu Âu. Cấu trúc khung ghép cơ sở theo tiêu chuẩn sau: Một chu kỳ ghép (1 khung ghép) t=125ms Một khung ghép chia làm 32 khe thời gian ts=3,9ms Tốc độ truyền dẫn =2,048Mb/s Một khe thời gian chia thành 8 bít từ (b0áb7) : b=488ns Chu kỳ một đa khung =2 ms 2ms 125ms 3,9ms Ts0 Ts1 Ts2 Ts31 16 2 1 Hình 4 – 6: Cấu trúc khung ghép tiêu chuẩn Châu Âu Các khe thời gian từ Ts1áTs15 cài được 15 byte thoại số các kênh thoại này được đánh số từ 1á15. Còn các khe từ Ts17áTs31 cài 15 byte thoại số được đánh số từ 16á30. Khe Ts0 để cài từ mã đồng bộ khung ghép có dạng đặc biệt để đầu thu có thể nhận biết được từ đo tách ra được chính xác kênh thoại theo thứ tự. Khe Ts16 để cài báo hiệu. Một khe Ts16 cài được hai kênh báo hiệu (mỗi kênh báo hiệu là 4 bit), do cần 30 kênh báo hiệu cho 30 kênh thoại nên người ta tổ chức ghép đa khung Do cấu trúc ghép như vậy nên người ta gọi nó là PCM-30, ngoài PCM-30 người ta có thể ghép theo tiêu chuẩn Mỹ - Nhật được gọi là PCM-24 4.2.3. Giới thiệu tổng quát về các phân bậc dòng số : a.Công nghệ PDH. Để tăng cường hiệu quả sử dụng truyền dẫn người ta thực hiện việc ghép kênh với các cấp cao hơn để tăng tốc độ truyền dẫn. Theo khuyến nghị của CCITT cho tiêu chuẩn ghép kênh sử dụng ở Châu Âu cũng như ở Việt Nam. Thì tốc độ ghép kênh và tốc độ bit như sau: Hình 4 – 7: Phân cấp PDH * Nhược điểm của PDH Khả năng quản lý, điều hành, giám sát kém không linh hoạt. Trong cấp ghép cơ sở không tổ chức các khe riêng biệt, không đưa vào các thông tin nghiệp vụ quản lý, kiểm tra. Do ghép xen bit nên không thể kiểm tra đến từng byte số liệu. Thiết bị ghép và tách kênh cồng kềnh phức tạp không có khả năng tách trực tiếp các luồng cơ sở từ luồng truyền dẫn. Chỉ sử dụng cao nhất là 140Mb/s. Tồn tại 3 phân cấp không đồng nhất (Tiêu chuẩn Châu Âu, Mĩ, Nhật) nên không thể đấu chéo tạo mạng chung. b. Công nghệ SDH. Do những nhược điểm của công nghệ PDH nên không thể đáp ứng được nhu cầu phát triển thông tin ngày càng cao như các mạng ISDN, truyền số liệu... Nên cần phải có một hệ thống truyền dẫn mới trên thế giới và kỹ thuật SDH ra đời nhằm đáp ứng rôngj rãi các nhu cầu. * Các đặc điểm chính của công nghệ SDH. Về nghép các luồng đồng bộ với nhau. Đảm bảo việc quản lý nguồn thông tin. Đảm bảo điều hành mạng. Đặc điểm quan trọng của SDH là có khả năng kết hợp với PDH trong mạng lưới hiện tại nó ghép thực hiện việc hiện đại hoá mạng lưới một cách dần dần theo từng giai đoạn phát triển và có thể tiếp nhận tất cả các tín hiệu PDH trước đây. *Cấu trúc của một khung ghép STM – 1. C32 VC32 AU32 C21 C11 C4 C12 C22 C31 TUG22 TUG21 VC21 TU21 VC11 TU11 VC12 TU12 VC22 TU22 TU32 VC4 AU4 STM1 STMN VC31 AU31 TU31 x 4 x 3 x 3 x 4 x 4 x 16 x 4 Hình 4 - 7: Cấu trúc khung SDH (STM) Do các ưu điểm của SDH nên hiện nay trong thông tin quang chủ yếu được truyền dẫn theo công nghệ SDH. 4.3. Linh kiện biến đổi điện quang (E/O). 4.3.1. Nguyên lý chung: Ngày nay có hai loại dùng làm linh kiện để chuyển đổi tín hiệu điện thành các tín hiệu quang là LED và laser. Các đặc tính kỹ thuật của nguồn quang phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng. Bước sóng ánh sáng do nguồn quang phát ra phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra chúng. Mỗi chất bán dẫn có bề rộng năng lượng Eg khác nhau mà Eg lại quyết định tần số nên quyết định bước sóng ánh sáng phát ra: Eg = h.v = hay Ta thấy: Bước sóng ánh sáng phát ra tỉ lệ nghịch với bề rộng khe năng lượng của chất bán dẫn chế tạo. Vậy muốn có nguồn quang phát ra bước sóng dài thì phải dùng chất bán dẫn có bề rộng khe năng lượng hẹp. 4.3.2 LED (Light Emiting Diode): a. Cấu tạo và phân loại: Ngày nay đã có nhiều loại LED song ít được sử dụng vì phổ của LED quá rộng, dạn chế dung lượng và cự ly thông tin, nên chỉ sử dụng để truyền cự ly ngắn. Có các loại LED sau đây: LED tiếp xúc mặt Gaas : Hạn chế từ Gaas với nồng độ khác nhau để tạo nên lớp N và P. Bước sóng của LED Gaas khoảng 880á950 nm. Led Burrus : Có cấu trúc nhiều lớp bao gồm các lớp N và P có bề dày và nồng độ khác nhau. Vùng phát sóng của Led Burrus hẹp. Trên bề mặt của Led có khoét lỗ để đưa sợi quang vào gần vùng phát sáng. Bước sóng của Burrus khoảng từ 800á850 nm, Led này được chế tạo từ AlGaas/ Gaas. Led phát bước sóng dài: Dùng chất bán dẫn InGaas P/InP chế tạo. Loại Led này cũng có cấu trúc nhiều lớp, có vùng phát sáng hẹp. ở đây dùng lớp nền InP có dạng một thấu kính để ghép ánh sáng vào sợi quang. Bước sóng phát ra khoảng 1300á1550nm. Led phát xạ cạnh ELED (edge Led): ELED có cấu tạo đặc biệt khác hẳn với các loại Led phát xạ mặt. Các điện cực tiếp xúc phải kín mặt trên và đáy của ELED. Vì vậy ánh sáng không thể phát ra phía hai mặt được mà được giữ trong vùng tích cực có dạng vạch hẹp. Lớp tích cực mỏng, bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. ánh sáng phát ra ở cả hai đầu, một trong hai đầu được nối với sợi quang. Hình 4 – 8: Cấu tạo của led phát xạ rìa ELED Cấu trúc này có vùng phát sáng hẹp và góc phát sáng nhỏ nên hiệu suất ghép ánh sáng vào sợi quang cao. Nhưng khi hoạt động, nhiệt độ ELED tăng khá cao nên phải có giải nhiệt. b. Đặc tính kỹ thuật của LED: Thông số điện: Dòng điện hoạt động từ (50á30) m Điện áp sụt trên Led từ (1.5 á2.5) Công suất phát quang: Là công suất tổng cộng mà nguồn phát quang ra. Công suất phát của LED từ (1 á3) mW Góc phát quang: Công suất ánh sáng do các nguồn quang phát ra cực đại ở mục phát quang và giảm dần theo góc hợp với trục. Góc phát quang xác định ở mức công suất quang giảm một nửa (3dB) so với mức cực đại. Hiệu suất ghép quang: Được tính bởi tỷ số công suất quang ghép vào sợi quang với công suất phát quang tổng của nguồn quang. Hiệu suất ghép của Led phát xạ mặt khoảng (1 á5)% do đó tuy công suất phát của Led phát xạ mặt lớn hơn nhưng công suất phát đưa vào sợi quang của ELED lại lợi. Độ rộng phổ: Nguồn quang phát ra công suất cực đại tại bước sóng trung tâm, giảm dần về hai phía. Độ rộng phổ là khoảng bước sóng trong đó cống suất không nhỏ hơn phần nửa công suất đỉnh. Popt (mw) 1 0,5 40nm 800 900 l(nm) Hình 4.9: Độ rộng phổ của Led ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì công suất bức xạ sẽ giảm. 4.3.3.Laser (Light Amplification by Stimulateol Emission of Radiation): Có rất nhiều loại laesr nhưng giới hạn ở đây chỉ tìm hiểu về 3 loại Laser chính là: Laser dịch thể kép chôn BH : Buried HeteroustructuRe. Diode phản hồi phân bố DFB : Distributed Feedback Laser FD : FabRy Pesot (Bộ cộng hưởng quang) a. Cấu tạo FP, BH và DFB: * Laser FP : Là loại laser chế tạo theo nguyên lý bộ cộng hưởng quang gồm có hai lớp bán dẫn P, N. Giữa có một lớp gọi là kích thích có một hạt photon bức xạ vào giữa hai lớp quá trình. Xảy ra như sau: Khi một nguyên tử bị kích thích sẽ xảy ra quá trình giống như phản ứng dây truyền trong các bộ dao động hồi tiếp. Nguyên tử bị bức xạ sẽ dao động và lan truyền đập vào nguyên tử thứ hai và cứ như vậy. Nhờ gương phản xạ một phần ở một đầu laser mà ánh sáng được dẫn ra một phần nhỏ. Gương còn lại của bộ cộng hưởng là gương phản xạ toàn phần (100) % . Hai gương này phản xạ ở hai đầu laser tạo thành bộ cộng hưởng quang. Khoảng cách giữa hai gương gọi là hộp cộng hưởng quang. L = n Laser FP hiện nay ít được dùng do laser BH và DFB có những ưu việt hơn. Laser FP có đặc tính chọn lọc tần số. Chỉ có ánh sáng của các bước sóng nào có thể tạo ra trong bộ cộng hưởng phản ứng dây truyền chỉ phản xạ kích thích. Đây cũng là nguyên lý cơ bản của laser. Lớp tích cực(InGaAsP) (2mm x 0,2mm x 300mm) * Cấu tạo BH và DFB: Hình 4 – 10: Cấu trúc Laser BH và DFB b. Đặc tính kỹ thuật của Laser: * Thông số điện: Dòng điện kích từ vài chục đến vài trăm mA Điện áp sụt trên laser từ (1.5 á2.5) v Khi có dòng kích cho laser nhỏ, thì laser phát xạ tự phát nên công suất thấp. Khi được kích với dòng điện lớn, laser được kích thích lúc này công suất quang tăng nhanh theo dòng. Công suất phát từ (1 á10) mW. Với laser ngày nay có thể đạt được 50mW. P (mw) Laser LED Miền kích I (mA) I ngưỡng Hình 4.11: Đặc tuyền phát quang của laser Góc phát sáng theo phương ngang của lớp tích cực chỉ khoảng 50- 100 còn theo phương vuông góc với lớp tích cực góc phát có thể đạt 400. Độ rộng phổ: Phổ của laser rất hẹp trong khoảng từ (1 á4)nm nên có độ tán sắc chất liệu giảm. Dạng phổ (như hình vẽ 4.12) gồm nhiều vạch rời rạc. a) l b) l Hình 4.12: Phổ phát xạ của BH Dạng hình thành Dạng thực tế Hiệu suất ghép: Vì có cùng phủ sáng nhỏ và góc phát sáng hẹp nên đạt hiệu suất cao từ (30 - 90)%. Còn phổ phát xạ của laser DBF thì hẹp hơn của BH P(opt) 0,1nm l Hình 4.13: Phổ phát xạ của Laser DFB Thời gian chuyển: Để công suất quang tăng từ (10 -90)% thì mức xác lập của laser rất nhanh, không quá 1ns. ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ thay đổi thì dòng ngưỡng nhiệt của laser cũng thay đổi nên công suất phát quang cũng thay đổi khi mà dòng điện . Ikích = const Ta thấy khi nhiệt độ tăng thì dòng I ngưỡng cũng tăng. Khi nhiệt độ thay đổi thì bước sóng cũng thay đổi theo. 4.4. Linh kiện biến đổi quang điện (O/E): 4.4.1. Nhiệm vụ và nguyên lý : ở đầu cuối hệ thống truyền dẫn, các máy thu có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang điều khiển từ cáp quang đưa tới thành tín hiệu ban đầu đưa vào thiết bị ghép kênh đầu cuối. Ngoài ra trên đường truyền dẫn tại các trạm lập cũng chưa có khả năng thực hiện khuyếch đại quang. Cũng giống như trong máy thu, tín hiệu quang trước tiên được chuyển đổi thành tín hiệu điện để tái sinh, tức là được khuyếch đại và tái tạo dạng xung nhị phân để lại đưa vào điều khiển một diode LED hoặc LD cho phát tiếp đi tín hiệu quang. Phân tử ở phía trước máy thu để thực hiện chức năng này là bộ biến đổi quang điện, cũng còn gọi là linh kiện thu quang hoặc bộ tách quang. Các linh kiện tách quang có nhiệm vụ đón nhận bức xạ quang và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Chúng được phân chia thành hai nhóm. * Nhóm 1: Là linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi quang năng thành nhiệt, để chuyển đổi gián tiếp ánh sáng thành tín hiệu điện hầu như không được ứng dụng trong kỹ thuật viễn thông. * Nhóm 2: Là các linh kiện hoạt động theo nguyên lý biến đổi trực tiếp lượng tử ánh sáng thành tín hiệu điện, được gọi là bộ tách quang lượng tử, hoặc đơn giản là bộ tách quang, bởi vì hiện này là linh kiện chính được sử dụng trong kỹ thuật viễn thông. Các bộ tách quang lượng tử lại được chia ra thành linh kiện sử dụng hiệu ứng quang ngoại và hiệu ứng quang nội. Hiệu ứng quang ngoại nghĩa là quá trình phát xạ các điện tử từ vật rắn vào không gian khi có tác động của các lượng tử ánh sáng. Các linh kiện này là các tế bào quang điện chân không hoặc các bộ nhân quang điện, rất phổ biến trong các thiết bị còn dùng đèn điện tử. Chúng có nhược điểm là kích thước lớn, cần điện áp cung cấp lớn hằng trăm vôn và hiệu suất lượng từ hoá rất thấp ở các bước sóng dài. Hiệu ứng quang nội là quá trình tạo ra các phân tử mạng điện trong chất rắn, cụ thể là tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống trong bán dẫn, khi có tác động của các lượng tử ánh sáng. Các linh kiện loại này bao gồm điển trở quang, phô to diode, transistor quang và thysistor quang. Các linh kiện này phù hợp cho sử dụng trong các hệ thống thông tin hiện đại, vì phù hợp với công nghệ vi điện tử. Trong các hệ thống thông tin quang hiện nay chỉ sử dụng hại loại diode quang phổ biến là diode PIN và diode quang thác APD. Cả hai đều sử dụng hiệu ứng quang nội xảy ra ở vùng lân cận lớp tiếp giáp P - N. Trong các phần tiếp theo cũng chỉ chú trọng tìm hiểu vào hai loại diode này. Quá trình biến đổi quang điện ngược lại với quá trình trong diode LED và LD. Mở LED và LD do ảnh hưởng của điện áp thuận dặt vào mà các cặp điện tử và lỗ trống tái hợp với nhau để bức xạ ra các photon. Lớp tiếp giáp P - N cảu diode thu quang có đặt một điện áp phân cực ngược để tạo ra trường dịch chuyển các phân tử tải điện thiểu số sẽ được sinh ra, sao cho khi chưa có tác dụng của ánh sáng vào thì trong diode thu chưa có dòng điện, chỉ có thể xuất hiện một dòng tối hoặc một dòng rò rất nhỏ, bởi vì diode hoàn toàn bị khoá. Khi cho ánh sáng tác động vào, năng lượng h.f của các photon được trao cho các điện tử để nâng điện tử dải khoá lên dải dẫn. Ed dài dần Ef mức fecmi Eh dải hoá E E P h.f n h.f Hình 4.14: Nguyên tắc tạo các cặp điện tử – lỗ trống ở tiếp giáp P - N Tại chính tiếp giáp P - N sinh ra một miền điện tích không gian do chính điện áp phân cực ngược đặt vào và ở đó có một điện trường. Các điện tử - lỗ trống mới sinh ra ở lân cận vùng điện tích không gian này là các phần tử thiểu số. Do tác động của điện trường vùng điện tích không gian các điện tử thiểu số từ miền P được dịch chuyển qua vùng này sang miền N và các lỗ trống thiểu số từ miền N trôi sang miền P, như thế trên mạch ngoài có một dòng điện chảy qua gọi là dòng quang điện. Tần số và cường độ của dòng này hoàn toàn do tần số và cường độ của ánh sáng kích thích quyết định . Độ rộng của miền điện tích không gian và tốc độ trôi của các phần tử mang dòng thiểu số quyết định thời gian trôi của chúng, do đó cần lưu ý khi sử dụng để truyền với tốc độ cao, vì lúc đó các xung ánh sáng rất hẹp 4.4.2. Phân loại và những thông số cơ bản a. Các yêu cầu cơ bản. Các diode quang hoạt động gắn liền với mạch khuyếch đại thu. Các máy thu phải thoã mãn các yêu cầu cao về chất lượng truyền dẫn, do đó các diode quang cũng phải có nhiều đặc tính tốt. Chúng phải thõa mãn các yêu cầu sau : Có hiệu suất lượng tử hoá cao. Hiệu suất được định nghĩa là Có thời gian tăng nhỏ Điện dung tiếp giáp nhỏ. Dòng tối ( dòng ngược) nhỏ. Tạp âm nội nhỏ. Có độ nhạy lớn. Độ nhạy phổ của diode quang có nhiều cách định nghĩa, trong đó có một định nghĩa đơn giản, đó là tỉ số của dòng quang điện sinh ra và công suất ánh sáng đưa vào : b. Phân loại Trong kỹ thuật thông tin quang hiện nay sử dụng hai loại cấu trúc diode quang cơ bản là diode PIN và diode quang thác APD. 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 cặp điện tử - lỗ trống để dịch chuyển nhờ điện trường ngoài, tạo thành dòng quang điện. Diode APD còn có khả năng khuyếch đại dòng quang điện nhờ hiện tượng ion hoá do va chạm, do đó tăng được độ nhạy. * Diode PIN Diode PIN có cấu tạo và nguyên lý như hình vẽ sau : Ed Eh N+ Điện cực Miền trôi Rt U I d P+ Điện cực vòng ánh sáng Lớp chống phản xạ SiO2 a) b) Hình 4.15: Cấu tạo diode quang PIN (a) và phân bố dải năng lượng (b) Trong ba lớp bán dẫn P - I - N của diode PIN thì lớp bán dẫn I là lớp bán dẫn không pha tạp chất hoặc rất ít. Quá trình hấp thụ photon để tách ra các tia điện tử và lỗ trống xảy ra trong lớp 1. Bề dày lớp P phụ thuộc vào khả năng xâm nhập của ánh sáng vào bán dẫn. Khi bước sóng ánh sáng tăng thì khả năng đi qua chất bán dẫn tăng. * Diode quang thác APD. Để tăng độ nhạy của diode quang, người ta có thể ứng dụng hiệu ứng giống như hiệu ứng nhân điện từ trong các bộ phận nhân quang điện. Cấu tạo của diode quang sẽ có dạng đặc biệt, đó là diode quang thác như hình 4.16 sau Về cơ bản cấu tạo của APD giống của PIN, lớp I của PIN được thay thế bằng một lớp bán dẫn P dẫn yếu là Sp. Hai lớp còn lại vẫn là bán dẫn, dẫn tốt P+ và N+. Miền Sp tạo thành miền trôi, và là nơi sinh ra các cặp điện từ - lỗ trống. p+ N N+ SP Điện cực N Rt ánh sáng Điện cực vòng Vùng thác U a) b) Hình 4.16: Cấu tạo của diode APD (a) và sự phân bố cường độ điện trường Khi có ánh sáng đập vào miền dẫn thì năng lượng từ ánh sáng sẽ được truyền vào các điện tử làm cho điện tử trở thành điện tử tự do và nó được gia tốc bởi điện thế phân cực. Các điện tử được gia tốc sẽ nhập vào các điện tử và làm cho các điện tử đó trở thành điện tử tự do và cứ lặp đi lặp lại trở thành dòng thác lũ điện tử. Vậy trong APD dòng quang điện được nhân lên m lần. Dòng quang điện do APD tạo nên sẽ là Iph = S.M.Popt APD có hệ số khuyếch đại tuỳ thuộc vào vật liệu. * So sánh APD và PIN Độ nhạy : APD có độ nhạy cao hơn PIN. Độ nhạy của APD lớn hơn PIN từ 5 á 15dB (hình 4.17). Tuy nhiên do diode PIN có tạp âm rất nhỏ nên người ta làm thêm trong transitor trường nửa là PIN - FET, lúc này thì PIN sẽ có độ nhạy cao gần bằng APD. ADP Tốc độ bit (Mbit/s) PIN 10 100 1000 1 -70 -60 -50 -40 -30 Độ nhạy (dB) Hình 4.17: Độ nhậy của PIN và APD Thời gian đáp ứng : APD có thời gian đáp ứng nhanh hơn PIN do đó dải thông của APD rộng hơn nhiều. Đáp ứng định nhiệt : PIN có độ ổn định nhiệt cao hơn APD. Dòng tối : Của APD cao hơn so với PIN. Giá thành : APD cao hơn khoảng 5 á 10 so với PIN. Chương 5 Hệ thống quang dẫn quang Digital 5.1.Đặc trưng kỹ thuật cơ bản: Chương này nhằm giới thiệu tổng quát về hệ thống truyền dẫn quang digital đang được sử dụng phổ biến hiện nay trên mạng viễn thông toàn thế giới, đó là các hệ thống truyền dẫn quang thu trực tiếp, ghép kênh thời gian rín hiệu điện nhờ kỹ thuật điều xung mã PCM. Các hệ thống được xem xét là các hệ thống băng rộng, với tốc độ truyền dẫn từ 32 Mbit/s hoặc 34 Mbit/s trở lên. 5.1.1. Phần tín hiệu điện: Các thông tin cần truyền như tiếng nói, tín hiệu truyền thanh, truyền hình, truyền số.. đều được sử lý thành tín hiệu digital và ghép với nhau thành chùm tín hiệu tốc độ cao nhờ kỹ thuật PCM. Hiện tại có hai hệ thống ghép kênh PCM cơ bản là PCM - 30 với tốc độ cơ sở là 2,048 Mbit/s và PCM - 24 với tốc độ 1,544Mbit/s. Các hệ thống này đều là ghép kện truyền dẫn không đồng bộ. Khi ghép các luồng tốc độ nhỏ để có luồng tốc độ cao hơn cần phải phối hợp tốc độ các luồng bằng cách đưa các bit chèn và bit báo chèn bổ xung. Các hệ thống truyền dẫn digital được sử dụng ở VN đều là loại xây dựng theo ghép kện cơ sở PCM - 30 của Châu âu, trog đó kênh thoại được truyền với tốc độ 64 Kbit/s dưới dạng digital. Tín hiệu truyền thanh chất lượng cao được truyền dẫn với tốc độ 384 Kbit/s tương đương với 6 kênh thoại. Còn tín hiệu truyền hình màu được truyền với tốc độ 34 Kbit/s nhờ kỹ thuật DPCM (điều xung mã vi phân). 5.1.2. Phần truyền dẫn quang: Sử dụng nguyên lý điều biến quang trực tiếp ở đầu thu và giải điều trực tiếp ở đầu thu sau khi các tín hiệu điện đã được số hoá. Điều đó có nghĩa là thực hiện điều biến quang. Cũng như trong thông tin điện, quá trình điều biến một nguồn quang la làm thay đổi luồng bức xạ theo thời gian nhờ một tín hiệu điện, thường là tín hiệu có ích. Như thế luồng bức xạ quang là một tải tin. Trong thông tin điện thế tín hiệu tin tức điều khiển biên độ hoặc tần số hoặc pha của tải tin, còn trong thông tin quang thì hiệu tin tức điều khiển cường độ hoặc điều biến pha. Các phần tử đều truyền dẫn bằng rộng và người ta cần có cự ly khoảng lặp lớn nên các phần tử của hệ thống đều được chọn cẩn thận: Sợi quang là sợi đơn mode, làm việc ở bước sóng là 1,3mm hoặc 1,55mm với tán xạ dịch chuyển. Diode phát quang là diode laser đơn mode. Diode thu và máy thu là diode APD, PIN với bộ khuyếch đại tạp âm bé, hoặc tổ hợp PIN- MESFET. Có tạp âm bé và độ nhạy lớn. 5.1.3. Yêu cầu truyền dẫn: Theo sơ đồ khối tổng quát tổ chức hệ thống truyền dẫn như trên hình 1. Về phía thiết bị ghép kênh (điện) ở các đầu cuối cần có các mạch giao tiếp (Interface) chuẩn, đảm bảo truyền luông tín hiệu đigital không bị hạn chế, không phụ thuộc vào nội dung chuỗi xung. Tổ chức CCITT đã có khuyếch nghị cho các điểm giao tiếp theo tốc độ luồng bit theo tiêu chuẩn của tổ chức CEPT. Chuỗi tín hiệu cần dịch chuyển đổi theo mã đường dây phù hợp để có phổ đồng đều, đảm bảo tái sinh tín hiệu không có lỗi và tái sinh nhịp chính xác. Sự suy giảm chất lượng truyền dẫn, nhưng phải đảm bảo tỷ lệ lỗi bit BER là 10-9, 10-10 hoặc 10-11 trên mỗi khoảng lặp. Như thế đối với cáp quang cần có dự trữ cho lắp đặt và hàn nối. Trong quá trình hoạt động cần phải luôn giám sát tình trạng và cho cảnh báo chính xác. Nếu cáp có sự cố bị hỏng thỉ phải cắt mạch laser để an toàn cho con người. 5.2. Cấu trúc thiết bị: Nhiệm vụ chủ yếu của thiết bị truyền dẫn quang, không xét đến phần thiết bị ghép kênh, là truyền đưa tín hiệu điện một cách chính xác dưới dạng tín hiệu quang, sao cho ở đầu thu tín hiệu có dạng đúng như tín hiệu phát. Các xung bị dãn rộng vì suy hao và tán xạ của tuyến truyền quang cần phải được tái sinh về dạng ban đầu. Vì vậy, trên tuyến truyền dẫn phải có các thiết bị đầu cuối và các thiết bị trạm lặp như hình 5.1 P T P T P T P T P T P T P T P T Trạm đầu cuối A Cáp quang Cáp quang Cáp quang Cáp quang Cáp quang Trạm lặp Trạm đầu cuối xen, rẽ kênh C Trạm lặp Trạm đầu cuối B Hình 5.1: Sơ đồ tuyến thông tin quang 5.2.1. Thiết bị trạm đầu cuối. Trên hình 5.2 giới thiệu các khối chức năng của thiết bị trạm đầu cuối. Tại đầu vào F2 - a phía ghép kênh có một chuỗi xung tín hiệu điện đưa đến. Tín hiệu này là một dạng mã truyền dẫn theo khuyến nghị của CCITT có thể có nhiều trạng thái, chẳng hạn như + L, 0, - L. Thiết bị này sẽ đổi mã CCITT thành tín hiệu như phân có hai trạng thái phù hợp với truyền dẫn bằng ánh sáng, nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ bit luồng bit được đưa qua bộ ngẫu nhiên hoá SCR nó xáo trộn các xung một cách ngẫu nhiên, nhưng lại có qui ước để thu xung có thể hoàn trả trở lại trật tự cũ để tín hiệu có phổ phân bố đồng đều hơn gần với phổ tín hiệu điều hoà và do đó phù hợp với môi trường truyền dẫn. Sau đó chuỗi xung đưa đến bộ mã hoá coder để tạo mã đường dây phù hợp rồi đưa vào kích thích diode laser phát ra chuỗi xung quang đưa vào sợi quang. Sửa dạng Đổi mã B/U Ngẫu nhiên hoá Mã hoá Kích thich E/O O/E Chuyển đổi nhịp Tách nhịp Điều chỉnh công suất laser Giám sát Tái tạo nhịp Nghiệp vụ Chuyển đổi nhịp Giải ngẫu nhiên hoá Đổi mã U/B Giải mã Phục hồi Khuyếch đại E/O AGC Decoder SCRAMBLER Ghép kênh F2 Sợi quang F1 CODER Hình 5.2: Sơ đồ khối một trạm lặp đầu cuối quang ở hướng thu, tín hiệu quang từ sợi quang vào đầu F1 - b được diode quang chuyển đổi thành tín hiệu điện. Sau khi được khuyếch đại tín hiệu được tái sinh biên độ và thời gian rồi đưa vào bộ giải mã và bộ giải ngẫu nhiên để lấy lại chuỗi tín hiệu đúng như ở đầu phát để cung cấp ra mạch Interface vào ghép kênh F2 - b. 5.2.2. Thiết bị trạm lắp. Trên hình 5.3 sau là sơ đồ một trạm lắp. Các khối chức năng thu phát của nó giống như trạm đầu cuối. Các bộ ngẫu nhiên hoá, giải ngẫu nhiên mã hoá và giải không cần có, vì trạm này không cần lấy thông tin ra. Tại đây có chức năng giám sát mã truyền dẫn để đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Hình 5.3: Các khối chức năng 5.3.Các khối chức năng. a. Diode laser phát: Thường tên hệ thống truyền dẫn cự li xa phải dùng diode laser, vì sợi quang phải là sợi đơn mode, chỉ có thể mới đảm bảo tốc độ bit lớn và khoảng lặp lớn. Bởi vì đặc tuyến bức xạ của laser phụ thuộc vào từng mẫu chế tạo và vào nhiệt độ nên cần phải có mạch điều chỉnh biên độ ( cường độ) bức xạ và đảm bảo bước sóng ra không thay đổi. Chức năng này như đã trình bày ở chương trước, do mạch điều khiển và một diode quang giám sát thực hiện cùng với một bộ phận ổn nhiệt. b.Mạch thu quang: Gồm một modul thu, là diode quang và bộ tiền khuyếch đại và một bộ khuyếch đại chính. ở dải bước sóng dài hiện nay thì diode quang silic không được chọn sử dụng mà là diode Ge - APD hoặc diode PIN loại III - V hoặc tổ hợp PIN - MESFET với tốc độ bit 150 Mbit/s thì độ nhậy máy thu có thể đạt ( -42á -45) dBm với BER = 10-10. Mức thu lớn nhất cho phép với độ nhậy lớn nhất là khoảng - 20dB. Với tuyến truyền ngắn nhất hoặc sợi quang có suy hao bé thì phải dùng thêm bộ suy hao quang. c. Bộ khuyếch đại chính: Nhiệm vụ của nó là khuyếch đại tín hiệu điện yếu của dòng quang điện dến một giá trị xác định. Mạch có mạch điều chỉnh biên độ. Các tín hiệu dịch vụ được phát đi dưới dạng điều biên được tách ra ở đây. d. Bộ tái sinh tín hiệu: Tái tạo lại tín hiệu bị méo do suy hao và tán xạ sợi quang. Mạch gồm một bộ quyết định biên độ và quyết định thời gian để quyết định việc tái sinh biên độ và tái sinh thời gian. Để tái sinh thời gian cần có tấn số nhịp từ tín hiệu đến. Nhịp được tách ra sử dụng cho cả phần thiết bị ghép kênh. Các mạch tách nhịp thường là các bộ tạo sóng L - C hoặc thạch anh chất lượng cao. Có thể sử dụng mạch vòng khoá pha PLL, đó là một điều chỉnh theo pha là mộ bộ dao động có tần số và pha được đồng bộ với tín hiệu vào mạch này thực chất là một bộ dao động điều khiển điện áp VCO ( Voltage contrrolled oscillator) và một bộ tách sóng pha có nhiệm vụ so sánh dịch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra của VCO. Mạch điều chỉnh sẽ khắc phục sự chênh lệch của tần số pha. 5.2.4. Mã trong thông tin quang. Chuỗi tín hiệu điện PCM có dạng phù hợp với môi trường truyền dẫn điện đã được CCITT quy định. Thông dụng hiện nay thường là mã HDB - 3 là mã có mật độ cao có không quá ba bit "0" ( Hight Density Bipolar ) có ba trạng thái 0, +1 và -1. Mã này không thể truyền trực tiếp trên sợi quang được. Để phù hợp với trạng thái có và không có ánh sáng thì tốt nhất là phải dunga mã nhị phân. Do đó cần thực hiện đổi mã theo xu thế sau : Hệ thống có dung lượng nhỏ, tốc độ là 2 hoặc 8 Mbit/s thì cần áp dụng phương pháp đổi mã đơn giản, rẻ tiền và có thể băng tần truyền dẫn bị rộng ra nhưng cũng chưa ảnh hưởng. Một phương pháp đơn giản là đổi mã 1B/2B, tức là chuyển một bit thành hai bit 01 hoặc 10. Hệ thống có dung lượng lớn, tốc độ bit từ 34 Mbit/s trở lên thic cần thực hiện đổi mã phức tạp trách làm tăng độ rộng băng truyền dẫn. Một phương pháp đơn giản là đổi mã HDB - 3 sang mã đảo cực CMI ( Code Mark Ivension ) theo quy tắc là một dấu hiệu mã HDB - 3 được đổi thành một dấu hiệu của mã CMI như sau : Dấu hiệu nhị phân 0 1 Dấu hiệu mã HDB3 0 +1 hoặc - 1 Dấu hiệu mã CMI 0L 11,00 Tuy nhiên cả hai cách trên đều làm tăng gấp đôi độ rộng băng truyền dẫn. a. Mã HDB - 3 ( Hight Dentry Binary with maximum of conseccutive zerros ) là mã nhị phân mật độ cao có cực đại 3 số 0 liên tiếp thuật toán này để một tín hiệu nhị phân thành tín hiệu HDB -3 phụ thuộc vào các quy tắc sau đây . * Dãy 3 số "0" trở xuống tín hiệu nhị phân vẫn giữ nguyên trong tín hiệu HDB - 3. * Thay thế tổ hợp 4 bit "0" bằng tổ hợp 000V nếu số bít B giữa 2 V là lẻ còn thay thế bằng tổ hợp BOOOV nếu số B giữa 2V là chẵn. Trong đó : B là bít nhị phân tuân theo luật đảo dấu. V là bit phạm luật đảo dấu. Hình 5.4: Kiểu mã HDB - 3 b. Mã CMI ( Code Mark Invension) Đây là kiểu phương pháp mã số có 2 mức, cũng như trong trường hợp phương pháp mã số lưỡng cực, mã số NRZ ( Non Return Zerro) được chuyển đổi luân phiên. Không được mã số thành các sóng vuông "- +" hoặc "-+" có pha riêng tại điểm trung tâm của 1 bit. Tương ứng, năng lượng một chiều không tồn tại và trạng thái tín hiệu thay đổi nhiều. Vì vậy, nó có hiệu ứng định thời gian tốt hơn so với NRZ. ITU - T đã đề xuất mã số này như một giao diện chuẩn cho các liên lạc ghép kênh của hệ thống CEPT4. Hình 5.5: Mã CMI c. Mã, đổi mã trong thông tin quang. Ta thấy thông tin truyền quang trong sợi quang phải qua hai lần đổi mã. Thứ nhất từ mã tín hiệu điện, thường là mã nhị cựu có ba trạng thái +1, 0,-1 ( HDB - 3) người ta đổi sang mã nhị phân (0,1). Sau đó lại đổi mã nhị phân thành mã mới để tránh sự lặp lại cả các chuỗi bít "0" và "1" liên tiếp, thường là mã 5B/6B. Người ta phải đổi từ mã nhị phân sang mã 5B/6B vì mã nhị phân sau khi vào bộ ngẫu nhiên hoá trộn chuỗi xung một cách ngẫu nhiên theo quy luật nhất định để tránh sự lặp lại một chuỗi dài các bit " 0"và "1" giống nhau những vẫn không thể loại trừ hầu hết các chuỗi "0" và "1" do tính ngẫu nhiên của nó. Vì vậy là tốt nhất là sử dụng thêm bộ mã hoá để đổi mã một lần nữa cho nên người ta sử dụng loại mã tương đối đơn giản là 5B/6B trong đó một mã từ 5 bit được thay bằng từ mã 6 bit. Theo khả năng lựa chọn, tuỳ theo nhu cầu các hãng có quy tắc đổi mã 5B/6B riêng của họ. Bảng 5.1. là quy tắc đổi mã của hãng sản xuất Maconi. Bảng 5.2. là bảng đổi mã của hệ thống truyền dẫn được sử dụng cho tổng đài E - 10B Hà Nội của hãng sản xuất ACATEL - CIT. Từ mã 5B Bảng 6B + - 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 5.1: Quy tắc đổi mã 5B/6B của Maconi Từ mã 5B 6B bảng 1 6B bảng 2 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 010101 000101 010001 010011 100100 100101 110001 100001 001100 001101 011001 001001 101100 000111 101000 101001 010100 010110 110010 010010 100110 000110 100100 100011 011100 001011 011000 011010 100010 001110 101010 001010 010101 010111 111000 010011 110101 100101 110001 110011 011101 001101 011001 011011 101100 101101 111001 101001 110110 010110 110010 011110 100110 100111 110100 100011 011100 001011 111010 011010 101110 001110 101010 101011 Bảng 5.2: Bảng đổi mã 5B/6B ALCATEL - CIT Vì một từ mã có 5 bit được thay thế bằng 6 bit nên số tổ hợp mã 6 bit tăng gấp đôi số tổ hợp 5 bit cho nên có nhiều tổ hợp mã để lựa chọn chứa ít phần tử "0" và "1" liên tiếp. Theo cách này tốc độ sẽ tăng lên 20%. Nếu tốc độ truyền là 34Mbit/s thì sẽ tăng lên sau khi đổi mã 5B/6B là 41,24Mbit/s còn tốc độ 140Mbit/s sẽ tăng lên 168Mbit/s. Nếu tổ hợp 5 bit sẽ có 25 = 32 từ mã chứa các bit "0" và "1". Người ta sẽ loại đi các tổ hợp bất lợi chứa một chuỗi "0" và "1" liên tiếp. Các tổ hợp 6 bit được dùng có số bit "1" và "0" chênh lệch không quá 2, bao gồm các tổ hợp chứa 3 bit "0" + 3 bit "1" hoặc 4 btit "1" + 2 bit "0". Khi độ chênh lệch bằng 2 thì nhóm bit kế tiếp tục được tra ở cột khác. Các tổ hợp tương ứng mã 5B/6B sẽ được ghi vào trong ROM để dễ tìm. Phần II ứng dụng công nghệ thông tin quang vào mạng Hà nội Chương 1 Cấu hình mạng quang hà nội I. Mạng vòng ring. 1.1. Mạng Với sự phát triển không ngừng cảu các ngành khoa học nói chung và ngành viễn thông nói riêng, người cảm thấy như thế giới thu hẹp lại. Chúng ta có thể liên lạc 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 các dịch vụ viễn thông như mạng telex, mạng số liệu công cộng, mạng chuyển mạch gói,... Mỗi mạng có những cấu trúc và đặc tính riêng. 1.2. Mạng vòng Ring SDH. Hiện này hầu hết mạng quang Hà Nội đều sử dụng công nghệ truyền dẫn SDH. Các tuyến trung kế 34 Mbit/s PDH tại Hà Nội đã được thay thế bằng hệ thống thông tin quang 155Mbit/s SDH và thiết lập một số mạng Ring 622 Mbit/s và kết nối vòng Ring 2,5 Gbit/s giữa các HOST. Kỹ thuật SDH cho phép toạ nên rất nhiều cấu hình mạng phức tạp, tuy vậy chúng đều dựa trên một số cấu trúc cơ bản sau. a. Cấu trúc điểm tới điểm ( Point to Point). Cấu trúc này được sử dụng như đối với kỹ thuật PDH thường việc lựa chọn cấu trúc này sẽ có hiệu quả đối với tuyến có dung lượng cao vì cấu trúc này chủ yếu để ghép nhiều luồng nhánh vào luồng có tốc độ cao. Hình 1.1: Cấu trúc điểm tới điểm b. Cấu trúc xen rẽ kênh. Nếu xét về mặt trao đổi thông tin giữa hai điểm bất kỳ của cấu trúc này thì nó cũng tương tự như cấu trúc điểm - điểm. Tức là nó cũng dùng để ghép nhiều luồng tín hiệu nhánh vào luồng có tốc độ cao hơn. Điểm khác biệt duy nhất là từ bộ xen rẽ kênh này có thể có tất cả các bộ xen rẽ kênh còn lại. Hình 1.2: Cấu trúc xen rẽ kênh c. Cấu hình mạng Ring Đối với các mạng có độ tin cậy cao, thông tin không được phép gián đoạn thì người ta sử dụng mạng Ring. Cấu trúc này có ưu điểm là cho phép ta chọn hướng lưu thoại trong trường hợp bị đứt sợi quang hoặc có sự cố thiết bị, do đó luôn đảm bảo lưu thông tuyến. Hình 1.3: Cấu trúc mạch vòng 1.3. Chế độ bảo vệ Vấn đề bảo vệ an toàn là yêu cầu quan trọng bậc nhất đối với các heth truyền dẫn. Tức là phải đảm bảo tính liên tục của thông tin, làm cho thông tin không bị gián đoạn khi sự cố xảy ra trên hệ thống truyền dẫn. Các sự cố xảy ra trên mạng thường được chia ra làm hai loại là sự cố thiết bị truyền dẫn và sự cố tuyến truyền dẫn. Để bảo vệ trong trường hợp sự cố xảy ra với thiết bị ta thường dùng thêm các thiết bị dự phòng. Còn đối với các sự cố đối với tuyến truyền dẫn ta cũng phải có các tuyến truyền dẫn dự phòng. Trong hệ thống truyền dẫn SDH ta cũng dùng phương pháp dự phòng thiết bị và tuyến truyền dẫn như vậy. Tuy nhiên công nghệ SDH cho phép tạo nên cấu hình mạng vòng mà công nghệ truyền dẫn trước đó không tạo nên được. Mạng vòng Ring có thể chia ra làm hai kiểu là mạng vòng một hướng và mạng vòng hai hướng. Đồng thời trong mỗi kiểu ta có thể lựa chọn bảo vệ hướng theo đường truyền( Path Protection) hoặc theo đoạn ( Section Protection). Dưới đây ta sẽ lần lượt xem xét các trường hợp. a. Mạng Ring một hướng. Hình 1.4: Mạng vòng một hướng Trong sơ đồ này tín hiệu đi từ A đến C theo hướng A à B à C. Còn tín hiệu đi từ C đến A theo các đường cáp khác theo hai hướng Cà D àEàA. b. Mạng Ring hai hướng. Mạng Ring hai hướng được mô tả trên hình 1.5. Trong sơ đồ này tín hiệu đi từ A đến theo đường CàBàA theo một cáp khác. Hình 1.5: Mạng vòng hai hướng c. Bảo vệ đường truyền ( Path Protection) Kiểu này được thực hiện bằng cách sắp xếp các luồng dự phòng cho hai điểm bất kỳ. Mỗi một luồng tín hiệu công tác ở mức tín hiệu nhánh đều được dự phòng bởi tín hiệu nhánh tương ứng theo chiều ngược lại và được mô tả ở hình 1.6. Tín hiệu đi từ A đến C theo hướng A à B àC còn tín hiệu đi từ C đến A theo hướng C àDà E àA. Khi có sự cố trên đường truyền( ví dụ BC0 thì tín hiệu từ C đến A vẫn được giữ nguyên, còn tín hiệu từ A đến C sẽ đi theo tuyến A à E à D à C. Hình 1.6: Bảo vệ đường truyền d. Kiểu bảo vệ theo đoạn ( Section protection) Việc bảo vệ trong phương pháp này chỉ được thực hiện trên phần đoạn có sự cố và khi chuyển sang luồng dự phòng thì toàn bộ luồng tín hiệu SDH sẽ bị đổi hướng. ở hình 1.7 mô tả phương pháp bảo vệ theo đoạn. Khi tín hiệu làm việc bình thường đi theo đường A à B àC. Giả sử sự cố xảy ra trên đoạn BC, thì thiết bị ADM tại B sẽ tự động đấu vòng tại phía có sự cố, do đó luồng tín hiệu từ B đến C sẽ chuyển sang luồng từ B à ÀEàC. Hình 1.7: Bảo vệ theo đoạn e. Mạch vòng tự phục hồi theo hướng bảo vệ luồng. Là sự kết hợp phương pháp mạng vòng một hướng và phương pháp bảo vệ theo luồng. Khi vận hành bình thường tín hiệu đi từ A đến C theo hướng A àB àC và tín hiệu đi từ C đến A theo hướng C à DàEàA. Trong trường hợp xảy ra sự cố, ví dụ trên đoạn AB hoặc BC thì chuyển mạch P2 ( Hình 1.8) đổi chiều. Tín hiệu từ C đến A sẽ chuyển sang hướng AEDC. Còn nếu sự cố xảy ra trên đoạn AE, ED hoặc đầu cuối thì chuyển mạch P1 sẽ đổi chiều còn P2 giữ nguyên trạng thái. Kết quả là tín hiệu A đến C vẫn giữ nguyên còn tín hiệu từ C đến A sẽ chuyển từ hướng C - D -E -A sang C - B -A. Cách bảo vệ này đơn giản nhưng đòi hỏi dự phòng 100%. Hinh 1.8: Mạch vòng một hướng bảo vệ luồng g. Mạch vòng tự phục hồi một hướng bảo vệ theo đoạn Ban đầu tín hiệu đi từ A đến C theo hướng ABC còn tín hiệu từ C đến A theo hướng C à D à E àA. Khi có sự cố xảy ra, ví dụ trên đoạn ED thiết bị ADM sẽ tự động đấu vòng tại phía xảy ra sự cố. Do đó tín hiệu đi từ A đến C vẫn được giữ nguyên, còn tín hiệu từ C đến A theo hướng C àDàCàBàÀEàA. Hình 1.9: Mạng vòng một hướng bảo vệ theo đoạn h. Mạch vòng tự phục hồi hai hướng bảo vệ theo đoạn. Kiểu bảo vệ này hoạt động tương tự như mạng vòng một hướng bảo vệ đoạn. Mạch vòng hai hướng bảo vệ đoạn tuỳ theo số lượng được sử dụng 4 sợi ta sẽ chọn hai sợi công tác và hai sợi dự phòng như hình 1.10 sau. Mạch vòng hai hướng không áp dụng cách bảo vệ theo luồng vì lý do là để làm được điều này đòi hỏi số kênh dự phòng lớn hơn nhiều lần so với số kênh làm việc. Hình 1.10: Mạng vòng hai hướng bảo vệ theo đoạn i. Mạng đa vòng ( Multil Ring) Mạng đa vòng là mạng có hai hay nhiều mạng vòng giao nhau. Cấu trúc đa vòng làm độ tin cậy của mạng tăng lên tỷ lệ với số mạng vòng giao nhau. Điều đó có nghĩa là nếu mạng tạo nên bởi hai mạng vòng giao nhau thông tin sẽ không bị gián đoạn khi có hai sự cố xảy ra. Trong cấu trúc đa vòng, tại các điểm giao nhau của các mạng vòng có thể dùng nhiều bộ ADM nhưng cũng có thể sử dụng các bộ phối luồng để tránh quá tải lưu lượng và tăng độ mềm dẻo của mạng. Hình 1.11: Mạng đa vòng * Lựa chọn phương pháp bảo vệ Để lựa chọn phương pháp bảo vệ thích hợp ta sẽ so sánh cac phương pháp bảo vệ đã trình bày ở trên. Về mức độ phức tạp trong việc sử dụng thì bảo vệ một hướng là đơn giản nhất : Nếu lấy một luồng nào đó nối hai điểm thì phần luồng còn lại trên mạng vòng sẽ dùng để dự phòng cho hai điểm đó theo hướng ngược lại. Quá trình bảo vệ cũng đơn giản chỉ cần dùng phương pháp chuyển mạch khi xảy ra sự cố. Phương pháp này có thể áp dụng cho mạng truy cập khi mà số ADM sử dụng tương đối ít và có dung lượng cao. Nó làm giảm nhẹ việc thiết kế cũng như việc phân bố lại lưu lượng khi cần thiết. Nhưng như vậy phải dự phòng 100% nên rất tốn kém. Phương pháp bảo vệ hai hướng phức tạp hơn phương pháp bảo vệ một hướng nhưng bù lại phương pháp này có hiệu suất sử dụng kênh cao, ít tốn kém về mặt kinh tế. Phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa kh sử dụng các tuyến đường trục mà số nút xen sẽ lớn. Như vậy ta phải tuỳ theo các ứng dụng để lựa chọn phương pháp bảo vệ thích hợp. 1.4. Thay thế và chuyển đổi phát triển mạng. Đối với mạng truyền dẫn khi chuyển đổi từ PDH sang SDH đã tồn tạ một cấu hình mạng cũ. Do đó phải tận dụng các tuyến của mạng cũ càng nhiều càng tốt bằng cách chuyển đối cấu hình mạng và thiết lập thêm các đường truyền mới. Điều này được mô tả như hình 1.12. Hình 1.12: Chuyển đổi mạng có sẵn sang mạng mạch vòng a) c) b) Trong mạng vòng hầu hết lưu lương tập trung tại một vài nút, điều này có thể gây tắc nghẽn lưu lượng ở một đoạn nào đó trong mạng. Như hình 1.13 khi hầu hết dung lượng tập trung giữa hai nút A và C ta có thể thiết lập thêm các tuyến truyền dẫn phụ giữa hai nút A và C để tăng dung lượng giữa hai nút này. Dọc theo tuyến mạng vòng từ nút A tới nút B và tới nút C ta có thể thiết lập các tuyến điểm nối điểm nhằm làm đơn giản sự vận hành và quản lý mạng. Hình 1.13: Phân bố lưu lượng của một mạng vòng Nếu không tạo được các tuyến mới ta có thể thực hiện truyền dẫn một phần lưu lượng của tuyến thông tin từ A đến C sang hướng khác của mạng vòng như tuyến A - F - E - D -C như hình 1.13b. Để tăng khả năng cung cấp dung lượng truyền dẫn nhiều hơn nữa giữa các nút A và C, ta có thể thiết lập một tuyến truyền dẫn điểm nối điểm trực tiếp giữa hai nút như hình 1.13c. Ngoài ra, ta cũng có thể mở rộng mạng Ring khi cần mở mạng lưới viễn thông. Hình 1.14 mô tả sự phát triển của một mạng Ring. Hình 1.14: Mở rộng mạng Ring II. cấu trúc mạng Hà Nội Với xu hướng phát triển mạnh mẽ của mạng viễn thông nói chung và mạng viễn thông Hà Nội nói riêng thì việc sử dụng công nghệ truyền dẫn PDH là không phù hợp do các nhược điểm của PDH sau đây : * Nhược điểm cảu cách kết nối này là nếu một tổng đài hoặc một tuyến đường dây nào đó bị hư hỏng thi tín hiệu trên toàn tuyến bị mất. * Mạng PDH không linh hoạt trong đầu nối khi có nhu cầu xen, rẽ ví dụ cần lấy ra ( hay xen) vào một luồng 2Mbit/s từ luồng 140Mbit/s cần phải thực hiện giải ( hay ghép) qua đủ các phân bậc : 140 M à 34M à 8Mà 2M). Việc giải (hay ghép) qua đủ các phân bậc các cấp độ trung gian nên cần có thời gian để thiết lập và cần có đủ thiết bị tách ghép chồng nên rất phức tạp và tốn kém. * Các luồng PDH chứa ít thông tin quản lý mạng cho nên việc tổ chức quản lý mạng rất khó. * PDH tồn tại ba tiêu chuẩn có tốc độ dòng số khác nhau nên không thể nối ghép được với nhau. * Chưa có tiêu chuẩn chung cho thiết bị đường dây, các nhà sản xuất chỉ có tiêu chuẩn riêng cho thiết bị của mình. * Mạng PDH chủ yếu đáp ứng các dịch vụ điện thoại thông thường. Đối với các dịch vụ mới như truyền số liệu, điện thoại truyền hình, mạng ISDN.. thì mạng PDH khó có thể thực hiện được. * Một nhược điểm khác liên quan đến vấn đề điều khiển trong mạng có nhiều thiết bị ghép luồng. Mỗi luồng 2 Mbit/s có thể đi theo nhiều hướng khác trước khi đến đích, do đó vấn đề quản lý luồng tại mỗi trạm là phải đồng bộ và chặt chẽ. Trong thực tế, nhiều khi dễ sinh ra lỗi lầm trong quản lý hoặc trong đầu nối không chỉ ảnh hưởng đến luồng đang kết nối mà còn ảnh hưởng đến luồng đang khai thác. * Nếu trong vòng Ring có một tổng đài, một tập trung thuê bao hoặc một đường dây xảy ra sự cố. Nó sẽ tự động truyền dẫn theo chiều ngược lại( ngược chiều kim đồng hồ), như vậy các tập trung thuê bao vẫn hoạt động tốt. * Có thể kết nối mạng nhiều loại thiết bị thuộc các tiêu chuẩn khác nhau mà không cần chú ý đến dung lượng làm việc của chúng. ( Tất nhiên cần phải chú ý đến việc lựa chọn nguyên lý ghép là cố định hoặc không cố định, hoặc là lựa chọn giữa nguyên lý ghép không đồng bộ bit hoặc đồng byte). * Không cần phải thay hàng loạt thiết bị đơn hiện hữu đang sử dụng trong mạng vì thiết bị SDH có thể thực hiện việc truyền tín hiệu cận đồng bộ nhờ vào nguyên lý truyền đưa bằng các container. * Tinh giảm mạng lưới thiết bị đơn giản nhờ vào kỹ thuật ghép một tầng không cần phải thực hiện tách gheps theo từng cấp như trong PDH. * Bảo vệ mạng trong trường hợp có sự cố làm gián đoạn thông tin bằng việc tiến hành tái cầu hình mạng lưới để duy trì liên lạc một cách tự động ( ứng dụng trong mạng Ring). * Vấn đề quản lý mạng đơn giản hơn và có thể thay đổi một cách mềm dẻo hơn bằng việc thay đổi đáng kể một số phần cứng bằng phần mềm và người điều hành sẽ điều khiển thay đổi cấu hình của mạng bằng phần mềm. * ứng dụng được các loại dịch vụ mới như ISDN. 2.1. Tổ chức và kết nối mạng Ring Hà Nội Về phần kết nối vẫn như cũ. Các HOST Hùng Vương, Từ Liêm, Thượng Đình, Đuôi Cá, Bờ Hồ và tổng đài quốc tế AXE - 10, tổng đài liên tỉnh TDX 10 kết nối thành vòng Ring có dung lượng 2,5Gb/s và 48 sợi quang. Gọi là vòng Ring cấp 1. Riêng HOST Bờ Hồ còn có thêm một tổng đài quân đội và một tổng đài công an cùng HOST NEAX 61 Chợ Mơ và HOST ALCATEL Trần Khát Trân kết nối với nhau đi qua một TANDEM vào HOST Bờ Hồ. HOST Bờ Hồ có 2 vòng Ring cấp II. Vòng Ring thứ nhất bao gồm: CSND Quang Trung, CSND Nguyễn Du, CSND Phúc Tân, CSND Trần Nhật Duật, CSND Cung văn hoá Việt Xô. Vòng Ring này có dung lượng 622 Mbit/s, 48 sợi quang truyền dẫn trong khoảng 20 km. Vòng Ring thứ hai bao gồm: CSND Yên Phụ, CSND Hàng Hành, CSND Đồng Xuân, CSND Phúc Xá, CSND Hàng Bông, CSND Quảng Bá. Vòng Ring này có dung lượng 622Mb/s, 48 sợi quang truyền dẫn trong khoảng 20Km. * Tại EWSD Thượng Đình có một vòng Ring cấp II : Gồm các DLU( tập trung thêu bao ) ngã Tư Sở, DLU Kiêm Liên, DLU Cống Mộc, DLU Trung Tự, DLU Kim Giang, DLU Thanh Xuân nam, DLU Thanh Xuân Bắc, DLU Thanh Xuân Bắc mới, DLU Khương Thượng, DLU Sân bay Bạch Mai. Vòng Ring này cũng có dung lượng 622Mbit/s 48 sợi quang và truyền dẫn trong khoảng 22km. Cũng tại Thượng Đình còn có EWSD Ô chợ Dừa cũng kết nối vào. * EWSD Ô chợ Dừa cũng có một vòng Ring gồm các tập trung thêu bao DLU Hoàng Cầu, DLU Nam Đồng, DLU Đặng Tiến Đông, DLU Khâm Thiên, DLU Tôn Đức Thắng. Vòng Ring cũng có dung lượng 622Mbit/s, 48 sợi quang, truyền dẫn trong khoảng 15 km. * HOST NEAX 61 Đuôi Cá có một vòng Ring cấp II gồm : Đại từ 4E1, Ngọc Hồi 8E1, Cầu Bươu 4E1. * HOST Hùng Vương 1000 E10 Hùng Vương kết nối với hai vòng Ring và hai tập trung thêu bao là Điện Biên 12E1, KS La Thành 4E1. Vòng Ring thứ nhất có hai tập trung thêu bao : Quán Thánh 12E1, Phan Đình Phùng 8E1. Vòng Ring thứ hai có ba tập trung thêu bao : Hoàng Hoa Thám 4E1, Ngọc Hà 8E1, Cửa Đông 6E1. * HOST 1000 E10 Từ Liêm kết nối với 4 vòng Ring có tốc độ là 155Mbit/s . Vòng Ring thứ nhất có 2 tập trung thêu bao : Lạc Long Quân 8 E1, Bưởi 8E1. Vòng Ring thứ hai có 3 tập trung thêu bao : Cổ Nhuế 8E1,ĐHSPNN 12E1, Nhà VHA Từ Liêm 2E1. Vòng Ring thứ ba có hai tập trung thêu bao : Yên Hoà 6E1, Ngọc Trục 2E1. Vòng Ring thứ tư có hai tập trung thêu bao : Thủ Lệ 8E1, Nam Thành Công 16 E1. Ngoài các vòng Ring trên, sau đây là bảng thông số các tuyến truyền dẫn từ HOST đến vệ tinh của mạng viễn thông. HOST Tổng đài vệ tinh Khoảng cách (m) Dung lượng (E1) Bờ Hồ Nguễn Du Hàng Hành Đồng Xuân Cung văn hoá Yên Phụ Quang Trung Phúc Xá Phúc Tân Trần Nhật Duật Hàng Bông Hàng Mắm 1440 1273 2780 3250 4536 1200 2500 1800 1300 2000 3000 16 16 16 + 12 16 16 + 12 6 8 12 12 12 12 Hùng Vương Vạn Phúc Thuỵ Khuê Nguyễn Thái Học Điện Biên Quán Thánh Cát Linh Ngọc Hà Phan Đình Phùng Cửa Đông Hoàng Hoa Thám KS La Thành 1648 2301 3700 1500 2500 1500 1200 3000 3000 3000 4000 12 + 4 12 + 4 12 + 4 12 12 12 8 8 6 4 4 Từ liêm Láng Trung Đội Cấn Đại Mỗ Ngọc Khánh Nghĩa Đô Cầu Diễn Nam Thăng Long Bưởi Thủ Lệ Lạc Long Quân Cổ Nhuế Ngọc Trục Nam Thành Công ĐHSP Ngoại Ngữ Yên Hoà Nhà VH Từ Liêm Trung Hoà 4811 5300 3215 2700 3042 4630 7640 3200 1500 5500 5200 100 4500 2100 1500 1500 1500 16 16 + 4 16 16 16 8 + 8 8 + 8 8 8 8 8 2 16 8 8 2 2 Thượng Đình Ngã Tư Sở Thanh Xuân Bắc Thanh Xuân Nam Kim Liên Kim Giang Trung Tự Cống Mộc TXB Mới SB Bạch Mai Khương Thượng 1881 1911 2651 3782 2500 4587 4000 1800 4200 4800 15 8 6 + 10 16 4 + 4 16 + 8 12 + 8 16 16 16 Đuôi Cá Thanh Trì Tân Mai Đại La Phương Liệt Ngọc Hồi Cầu Bươu Đại Từ 4670 4000 2220 2358 8000 9000 3000 16 12 + 4 12 12 + 4 8 4 4 Trần Khát Trân Nguyễn Công Trứ Bạch Đằng Ng. C. Trứ Mới BV Hữu Nghị Bà Triệu-Tuệ Tĩnh Đầm Trấu 4000 3000 1500 1800 2500 5200 16 12 12 16 16 12 Ô Chợ Dừa Đặng Tiến Đông Hoàng Cầu Nam Đồng Tôn Đức Thắng Khâm Thiên 5300 5150 1800 4200 4800 16 + 8 16 + 8 12 12 16 Chợ Mơ Mai Động Bách Khoa Bà Triệu Lạc Trung Mai Hương Xã Trần Phú Trại Găng Yên Sở 2000 1700 3200 4770 1200 5000 1800 6000 16 16 16 12 + 4 16 4 12 8 Đức Giang Gia Lâm Phố Trâu Quỳ Sài Đồng Yên Viên 2500 10000 8000 6000 6 12 8 4 Phủ Lỗ Đông Anh Nội Bài 8000 5770 4 8 Bảng 1: Thông số các tuyến truyền dẫn từ HOST đến vệ tinh Hình 1.15: Sơ đồ mạng Hà Nội đến tháng 6/1997 2.2. Sơ đồ mạng Hà Nội sau khi chuyển đổi và nối vòng Ring Các cấu trúc mở rộng các Ring 155Mbit/s. * HOST Hùng Vương Hình 1.16: Mở rộng HOST Hùng Vương * HOST Từ Liêm Hình 1.17: Mở rộng HOST Từ Liêm Đuôi Cá Cầu bươu 4 E1 * HOST Đuôi Cá Hình 1.18: Mở rộng HOST Đuôi Cá * HOST Chợ Mơ Hình 1.19: Mở rộng HOST Chợ Mơ * HOST Trần Khát Trân Hình 1.20: Mở rộng HOST Trần Khát Trân b. Các mạng Ring cấp II ( 622 Mbit/s ) * HOST Bờ Hồ Hình 1.21: Ring cấp II tại Bờ Hồ * HOST Thượng Đình Hình 1.22: Ring cấp II tai HOST Thượng Đình * HOST Ô Chợ Dừa Hình 1.23: Ring cấp II tại HOST Ô Chợ Dừa c. Ring cấp I ( 2,5 Gb/s) nối giữa các HOST Mạng Ring giữa các HOST được thiết lập truyền dẫn ở tốc độ 2,5Gb/s nhằm thoả mãn dung lượng cho các tổng đài vệ tinh và tạo phát triển sau này. Mạng Ring này được thiết lập một cáp dự phòng. Hình 1.24: Mạng Ring cấp I nối các HOST Sơ đồ toàn mạng HN sau khi chuyển đổi và nối Ring Hình 1.25: Sơ đồ mạng SDH Hà Nội 6/1997 Chương 2 Nghiên cứu một số thiết bị của hãng siemens Trong giới hạn của đồ án này, em xin đề xuất việc chọn một đối tác cung cấp thiết bị là hãng SIEMENS vì những lí do sau. * Hãng Siemens là một hãng sản xuất thiết bị viễn thông lớn và rất rất có uy tín trên thị trường ( thiết bị của hãng chiểm tới : 24,8% thị trường thiết bị SDH của thế giới ). Thiết bị SDH của hãng này cũng đã được sử dụng cho tuyến điểm nối điểm 155 Mbit/s từ C2 đến Bờ Hồ. * Thiết bị SDH của Siemens được sản xuất theo tiêu chuẩn của ITU - T của Châu Âu. * Siemens đã có sản phẩm phối luồng DXC và giao diện 34Mbit/s đưa ra thị trường. Hiện nay cũng đã có các sản phẩm SDH 622 Mbit/s và 2,5 Gb/s. * Ngoài ra bưu điện Hà Nội cũng đã lựa chọn hãng Siemens là nhà cung cấp thiết bị SDH cho mạng Hà Nội. Trong khuôn khổ của chương này ta tìm hiểu về hai thiết bị sau là : Thiết bị SMA ( Synchronous Multiplex) Thiết bị SL ( Synchronous Line) I. Thiết bị SMA. 1.1.Giới thiệu thiết bị. Thiết bị SMA có thể hoạt động ở các tốc độ 155Mbit/s( SMA -1); 622Mbit/s ( SMA -4); 2,5 Gb/s( SMA -16). Cùng với các luồng 2 Mbit/s; 34Mbit/s; 140 Mbit/s và 155 Mbit/s. Mỗi thiết bị SMA bao gồm sự kết hợp quang đáp ứng với các mức phân bận SDH và hoạt động dưới các cấu hình. * Thiết bị xen/ rẽ kênh ADM ( Add\Multiplex) được sử dụng trong các cấu hình mạng vòng ( Ring) hoặc chuỗi ( Chain ) cho việc truy nhập tín hiệu các luông PDH và SDH. * Thiết bị nối chéo luồng cục bộ ( Local Cross - Connect Multiplex ) được sử dụng khi vận hành đơn lẻ hoặc kết nối nhiều nhất là 4 vòng SDH ( chuyển mạch không khối - non Blocking). * Thiết bị ghép kênh đầu cuối ( Terminal Multiplex ): được sử dụng cho các điểm tới ddiemr ( Point to Point) hoặc cho việc truy nhập tới các mạng truyền dẫn SDH trong đó cấu hình ADM được sử dụng nhiều nhất. Hình 2.1 dưới sẽ mô tả một cách tổng quát về thiết bị SMA. Hình 2.1: Tổng quát về thiết bị SMA Tất cả các thiết bị SMA đều được quản lý, điều khiển giám sát bởi hệ thống quản lý tập trung EMOS ( Element Management Operation Systems ) EMOS có thể kết nối trực tiếp tới thiết bị SMA thông qua giao diện Q hoặc kết nối từ xa thông qua thông tin dữ liệu DDCC ( Data Communication Channel). Giao diện F dành cho việc kết nối tới đầu khai thác cục bộ LCT ( Local Craft Terrminal ) để ddk đo thử và giám sát thiết bị SMA. Việc truy cập vào dữ liệu cơ sở của thiết bị SMA được chia làm nhiều cấp và được bảo vệ bằng tên người dùng ( user name ) cùng với từ khoá ( Password ) tại các thiết bị đầu cuối cục bộ. Ngoài ra, việc truy nhập tới các mức thấp hơn trong khi vận hành cũng bị hạn chế trừ khi xảy ra sự cố với thông tin từ bộ phận quản lý phần tử hoặc đối với các thiết bị đầu cuối đảm đương nhiệm vụ quản lý các phần tử trong mạng. 1.2. Đặc điểm thiết bị. * Cung cấp khả năng ghép kênh và chuyển mạch luộng một cách linh hoạt, hiệu quả với mức chuyển mạch TU -12; TU - 2; TU -3; AU -4. Thiết bị SMA cho phép kết nối một giao diện đường bất kỳ với bất kỳ cổng nhánh ( Tributary Port ) hay giao diện đường nào khác. Các giao diện đường dây phục vụ kỹ thuật ( EOW) cùng các kênh dữ liệu. * Giao diện Q được sử dụng như là Qx\B3 ( Theo tiêu chuẩn cho Etherrnet ) hoặc Qx\B2 ( theo tiêu chuẩn X25 ) để kết nối thiết bị SMA với hệ thống vận hành quản lý thiết bị EMOS. * Có thể lựa chọn tới các byte mào đầu (Over head) của tín hiệu STM - 1 và STM - 4 để đưa ra kỹ thuật hệ thống hay đo lường giám sát từ xa. * Quản lý, điều khiển được truy nhập từ xa hoặc nội bộ để cung cấp một cách bao quát về cảnh báo, tình trạng, các thông số đo lường, giám sát, cấu hình các luồng vá các tuyến bảo vệ dự phòng. Việc truy nhập khác nhau cho người khai thác nhằm ngăn chặn việc sử dụng trái phép. * Ngắt Laser tự động cho mục đích an toàn. * Tính linh hoạt, cấu trúc modul cùng với việc điều khiển hoàn toàn phần mềm. *Bảo vệ toàn diện một cách có hệ thống co các tuyến và luồng thông tin với các các kết cấu bảo vệ ( 1 + 1) ; ( 1;1) và (1; N). * Có khả năng lựa chọn rộng rãi các giao diện bao gòm các modul các tốc độ STM -1 ; STM -4) , các luồng thông thường ( 2\34\140\155Mbit/s ) và phần mềm cho tất cả các đơn vị của hệ thống làm cho thiết bị SMA có khả năng nâng cấp dễ dàng theo yêu cầu của tương lai. 1.3. ứng dụng của thiết bị Thiết bị SMA có thể vận hành dưới 4 cấu hình. Bộ xen \ rẽ kênh ADM. Bộ nối chéo luồng cục bộ ( Bộ ghép - phân kênh ) Bộ phối luồng DXC. Bộ ghép kênh đầu cuối tuyến quang LTE. Trong đó chỉ có hai cấu hình thường được sử dụng là : bộ xen rẽ kênh ADM và bộ ghép đầu cuối tuyến quang LTE. 1.3.1. Cấu hình bộ xen rẽ kênh ADM. Đây chính là cấu hình chính của thiết bị SMA, nó cho phép thực hiện chức năng xen rẽ kênh ( Add - Drop MultiPlexer ) và các luồng tín hiệu ở tất cả các tod 1,5 - 2 - 34 - 45- 140 Mbit/s và STM - 1 cùng với một thiết bị phần cứng, thiết bị SMA có thể nhận dạng bất kỳ nhánh nào load thông tin ( khung STM - N của tín hiệu quang ). Chức năng chính của cấu hình ADM được chỉ ra trên hình 2.2 Hình 2.2: Cấu hình ADM Trong hệ thống SDH, ADM có khả năng điều khiển từ xa và đặt lại cấu hình theo yêu cầu của luồng. Tất cả những điều này được thực hiện bởi EMOS. Thiết bị ADM thường được sử dụng trong cấu hình mạng vòng và chuỗi. * Cấu hình ADM được sử dụng theo hai kiểu : Nếu SMA dùng trong mạng Ring thì nó có chức năng như là bộ ghép kênh vòng chủ ( Ring Masster MultiPlexer ), tạo khả năng đồng bộ hoá với tất cả các thiết bị truyền dẫn khác trên mạng Ring. Nếu không cấu hình là bộ ghép kênh vòng chủ thì SmA sẽ được gắn với một Card thông tin, lúc này nó thực hiện chức năng là bộ ghép kênh tuyến cổng ( Gateway Multiplex ) và cung cấp khả năng truy nhập mạng cho bộ quản lý. Việc truy nhập này thông qua một liên kết dữ liệu bên ngoài và nối với Card thông tin trong SMA. Một bộ ghép kênh tuyến cổng có thể thực được chức năng của bộ xen / rẽ hoặc bộ ghép kênh đầu cuối. Hình 2.3: Sơ đồ khối cấu hình xen/rẽ kênh Trong cấu hình này, các luồng thông tin vào cả hai phía West và East đều có thể bị tách ra và đưa tới các Card luồng trong các VC -12. Tương tự, các luồng thông tin khác cũng có thể được chèn vào trong dưới dạng VC - 12 và đi tới đầu ra. Cấu hình này cũng thực hiện xen/rẽ các luồng 6 Mbps ( VC -2), 34 Mbps hoặc 45 Mbps ( VC -3), 140 Mbps ( VC-4) và cả tín hiệu 1,5 Mbps( VC -11). 1.3.2. Cấu hình bộ ghép kênh đầu cuối (Terminal MultiPlexer) Trong cấu hình, SMA chỉ được ghép một Card tuyến. Như vậy, các luồng thông tin đi vào thiết bị chỉ theo một hướng East hoặc West. Bộ ghép kênh đầu cuối đơn thuần chỉ là nơi đến của các luồng thông tin, nó không thiết lập chế độ dự phòng cho các luồng đi qua và tất cả các luồng đều bị tách ra khỏi vị trí của nó trong luồng chính SMA cũng có thể được gắn các Card thông tin để thực hiện bộ ghép kênh tuyến cổng. Cấu hình này không thực hiện chức năng đồng bộ chủ. Hình 2.4: Cấu hình bộ ghép kênh đầu cuối 1.4. Kết cấu nối chéo. Việc kết nối chéo các luồng tín hiệu có thể thực hiện giữa tuyến truyền dẫn này với tuyến truyền dẫn khác, giữa tuyến truyền dẫn với luồng tín hiệu và giữa các luồng tín hiệu với nhau. Mỗi Card luồng 2 Mbps có 16 cổng, các Card luồng 34 Mbps, và 45 Mbps có ba cổng, Card luồng 140 Mbps chỉ có một cổng, một Card STM -1 ( quang hoặc điện ) có thể cung cấp 63 luồng 2 Mbps. Việc nối chéo luồng được thực hiện bằng cách cho các tín hiệu đi qua Card chuyển mạch nhờ sự kết hợp giữa các cổng. Nối chéo luồng được thực hiện ở mức VC, mức VC được dùng để nối chéo luồng phụ thuộc vào Card luồng được nối chéo. Các Card luồng 2 Mbps thực hiện nối chéo ở mức Vc - 12. Các Card luồng 34 Mbps hoặc 45 Mbps nối chéo ở mức VC - 3. Các Card luồng 140 Mbps nối chéo VC - 4. Các Card STM - 1 có thể nối chéo ở các mức Vc - 4, VC -3 và VC - 12 1.5. Đồng bộ Tín hiệu đồng bộ thực hiện đồng bộ hoá các chức năng bên trong với tín hiệu đồng bộ ra STM -4. Tín hiệu đồng bộ có thể được cung cấp từ bên ngoài thông qua cổng giao diện đồng bộ SIP ( SynchronisatioInterrface Port ) từ các nguồn dao động nội, hoặc có thể được tái tạo từ từ tín hiệu STM - N, tín hiệu 2 Mbps và 140 Mbps nhận được. Tất cả các nguồn đều được giám sát chặt chẽ, nếu xảy ra trượt tín hiệu đồng bộ, nguồn định thời bộ ghép kênh MTS ( Multiplexer Timing Soourrce ) sẽ chuyển mạch tự động tới các nguồn đồng bộ khác theo thứ tự ưu tiên định trước. Nếu tín hiệu trượt được khôi phục, MTS có thể chuyển mạch này đều không làm sai lệch pha của tín hiệu. Các vùng trong thiết bị SMA được đồng bộ bằng việc sử dụng các vòng khoá pha PLL ( Pharse Locked Loop ) với các chế độ hoạt động. Chế độ vận hành bình thường ( Normal Mode). Chế độ lưu giữ ( Holdover Mode ) Chế độ vận hành tự do ( Freerun Modde ). 1.5.1. Chế độ vận hành bình thường Chế độ này được thiết lập thông qua các thiết bị đầu cuối cục bộ ( Local Terminal ). Nó cho phép lựa chọn các luồng tín hiệu đồng hồ đầu vào khác nhau để vận hành khoá pha PLL. Tín hiệu vào tuyến cổng STM -1 ( Line Port ) theo hướng East và West. Tín hiệu vào các cổng luồng ( Tribs Port ) STM -1, 140 Mbps, 34 Mbps và 2 Mbps. Hai cổng tín hiệu đồng bộ ngoài ( East Timing Sign Port ) 2 Mbps hoặc 2MHz. Tại cùng một thời điểm, chỉ có ba nguồn đồng hồ được sử dụng, bao gồm hai cổng tuyến và cổng thứ ba là cổng luồng hoặc tín hiệu đồng hồ ngoài. Quá trình lựa chọn các luồng đồng hồ được mô tả như sau : Hình 2.5: Quá trình lựa chọn nguồn đồng hồ Các đồng hồ luồng (Tributary Timing Source) sẽ được lựa chọn trước nhờ các thiết bị đầu cuối cục bộ cho phù hợp với các card luồng và các cổng trên card. Sau đó, tín hiệu đồng hồ luồng được chọn ở trên và các tín hiệu đồng hồ ngoài được lựa chọn theo thứ tự ưu tiên của chúng rồi kết hợp với hai nguồn đồng hồ tuyến cổng để đưa tới các bộ lựa chọn(selector), toả ra ba nhánh đồng hồ: Đồng hồ tuyến hướng West. Đồng hồ tuyến hướng East. Đồng hồ hệ thống (system Clock). Mỗi nhánh đồng hồ được cấu hình riêng rẽ để lựa chọn một trong ba nguồn đồng hồ được thực hiện đồng bộ hoá một cách độc lập với hai nhánh đồng hồ kia. Cấu hình vận hành độc lập này cho phép SMA vận hành được trong các mạng có nhiều tín hiệu đồng hồ. Quá trình chọn lựa các nguồn dòng đồng hồ được thực hiện thông qua, thiết bị đầu cuối cục bộ. Mỗi nhánh tín hiệu đồng hồ sẽ được đặt một mức ưu tiên khác nhau và giá trị ưu tiên cao nhất sẽ được thiết lập cho tín hiệu đồng hồ hay được sử dụng nhất. Khi chế độ Normal được thiết lập (thường dùng trong cấu hình ADM), cấu trúc đồng bộ sẽ được thực hiện bằng ưu tiên các nguồn đồng bộ và có thể hoạt động ở các chế độ. Chế độ đồng bộ thẳng (Through Timing Mode) Chế độ đồng bộ vòng (Loop Timing Mode) Chế độ đồng bộ luồng (Triabutary Timing Mode) Chế độ đồng bộ ngoài (External Timing Mode) Chế độ đồng bộ hỗn hợp (Mixed Timing Mode) Chế độ đồng bộ BIST/SSU (BIST/SSU Timing Mode) 1.5.2. Chế độ lưu giữ. Đây là chế độ dự phòng, xuất hiện khi tất các đầu ra của các nguồn tín hiệu đồng hồ bị sự cố. Ban đầu, khi hệ thống hoạt động bình thường, một bộ nhớ chức năng sẽ liên tục bị cập nhật các trạng thái của tín hiệu đồng hồ PLL. Khi xảy ra sự cố, bộ nhớ trên sẽ tự động thiết lập lại trạng thái mà nó ghi được cho nguồn có sự cố cho đến khi có nguồn mới hoạt động hoặc khôi phục được nguồn ban đầu. 1.5.3. Chế độ vận hành tự do. Chế độ này có được thiết lập khi một thiết bị SMA được sử dụng để cung cấp tín hiệu đồng hồ cho mạng truyền dẫn chứa nó. Trong chế độ Freeruning không có các tín hiệu đồng hồ đầu vào hay tín hiệu đồng hồ được tách ra từ luồng khác. Sự đồng bộ được tạo ra từ vòng khoá pha PLL riêng lẻ (trên card chuyển mạch) cấu hình như một bộ dao động nội rất ổn định. Chế độ này chỉ dùng cho mạng nhỏ, đối với mạng lớn hơn cần có một bộ dao động ngoài (External Osscillator) để cung cấp cho SMA chủ(Master) thông qua một cổng đồng bộ ngoài (External Sync. Port). Chế độ vận hành tự do còn được gọi chế độ vận hành mặc định và nếu có một thiết bị SMA không được đặt cấu hình đồng bộ thì nó sẽ hoạt động ở chế độ mặc định. 1.6.Các tính năng bảo vệ. Để khắc phục lỗi truyền dẫn trong SMA, chống lại các lỗi do bên ngoài gây ra thiết bị SMA được trang bị các tính năng bảo vệ - chủ yếu tạo ra các tuyến truyền dẫn đúp - nhằm đảm bảo chất lượng thông tin tốt nhất trên mạng truyền dẫn. Trong thiết bị SMA sử dụng một số cấu trúc bảo vệ sau: 1.6.1 Bảo vệ ( 1 + 1) cho đường truyền đoạn ghép kênh Trong thiết bị SMA, bảo vệ đường 1+ 1 có hiệu lực cho tất cả các giao diện tuyến và luồng. Các chức năng của giao diện vật lý đồng bộ, đầu cuối đoạn lặp, đầu cuối đoạn ghép kênh đều được xử lý trên cả hai đường làm việc và bảo vệ. Tín hiệu trên cả hai đường là giống hệt nhau, đầu sẽ thu xác định từ các thông tin giám sát ( được lưu giữ trong phần SOH ) để lựa chọn đường truyền có chất lượng tốt nhất. Cấu trúc bảo vệ có thể được thiết lập ở chế độ Revert hoặc Non Revert một chiều hoặc hai chiều. Hình 2.6: (1 + 1) Line Protection Trong chế độ Revert, quá trình vận hành sẽ thiết lập lại đường truyền trước đó một cách tự động, nghĩa là khi chất lượng của một đường truyền dẫn là tốt thì nó được chỉ định làm đường truyền dẫn hoạt động. Còn chế độ non Revert thì không có sự tái thiết lập tự động, các đường truyền hoạt động và bảo vệ sẽ chuyển đổi chức năng cho nhau để vận hành một cách linh hoạt. 1.6.2. Bảo vệ ( 1 + 1) cho sự kết nối các mạng con có giám sát đường truyền ( Subnetwork Connection Protection With Path Monitoring ). Cấu trúc bảo vệ này đạt được thời gian chuyển mạch nhanh và được sử dụng trong bất kỳ cấu hình nào có thể thiết lập được hai đường vật lý độc lập. Thiết bị SMA cung cấp chuyển mạch bảo vệ tất