CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG - Trang chủcaodang.tdt.edu.vn/lecturer/upload/files/document/Ha-Duy-Hung-06... · CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG (5 tiết)

Bài giảng điện tử thông tin Biên soạn Ths Nguyễn Hoàng Huy

Trang 102

CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG (5 tiết)

PHẦN 1: LÝ THUYẾT (4 tiết) 7.1 Hệ thống điện thoại công cộng (PSTN) 7.1.1 Nguyên lý hoạt động Một sơ đồ khối đơn giản hóa của một hệ thống vòng cục bộ (còn được gọi là mạng dịch vụ điện thoại cổ điển đơn giản) được mô tả như sau

Hình 7.1: Hệ thống điện thoại cục bộ đã đơn giản hóa


Trang 103

Trạm chuyển mạch cục bo (CO) nối hai bên hội thoại bằng cách tạo một kết nối cứng giữa hao vòng cục bộ thích hợp. Về cơ bản đây là một kết nối nối tiếp ống nghe và ống nói than của mỗi máy điện thoại với một acquy đặt tại trạm. Chuỗi sự kiện xảy ra khi thiết lập một cuộc gọi cục bộ như sau: Bên gọi nhấc máy điện thoại lên, hành động này đóng tiếp điểm chuyển mạch để cho dòng điện DC chạy qua đường dây điện thoại của người gọi. Bên gọi có thể quay số bằng cách quay số xung hoặc ấn nút. Nếu quay số xung, dòng điện đường dây DC bị ngắt một số lần bằng số được quay (với tốc độ 10 xung/s). Khi nhận được dãy số hoàn chỉnh của bên gọi, CO đặt bộ tạo chuông (90V, 20Hz, bật 2s, tắt 4s) vào đường dây tương ứng với số được quay. Kết quả làm rung chuông máy điện thoại được gọi. Khi bên được gọi trả lời, dòng điện DC chạy vào đường dây báo hiệu cho CO biết để ngắt bộ tạo chuông và nối với nhau qua chuyển mạch CO. Dòng điện DC bây giờ chạy qua các đường dây của cả hai bên gọi và được gọi, như vậy có một kết nối giữa hai bên. Khi một người nói, các dao động âm làm cho điện trở của phần microphone than thay đổi đồng bộ với các dao động để cho dòng điện DC được điều chế. Biến đổi này tạo ra tín hiệu âm thanh AC và được nối với ống nghe của bên kia. Đây là hoạt động toàn song công, cả hai bên có thế nói và nghe đồng thời. Việc cung cấp cho mỗi thuê bao một đôi dây riêng trên tất cả các đường tới CO là rất tốn kém. Trong các ứng dụng mà ở đó một số lượng lớn thuê bao tập trung cách CO một khoảng cách nào đó thì giá thành của hệ thống có thể giảm đi đáng kể bằng cách sử dụng các thiết bị đầu cuối từ xa (RT – Remote Terminal). Các RT cho phép đặt các máy điện thoại các CO một khoảng cách bất kì.

Hình 7.2: Sơ đồ khối hệ thống điện thoại có các đầu cuối từ xa

Thiết bị đẩu cuối từ xa RT cung cấp điện áp acquy và dòng điện rung chuông cho máy điện thoại của thuê bao. Đường hai dây mang các tín hiệu VF song công đến và đi khỏi thuê bao được chuyển sang một đường bốn dây mang hai đường đơn (đơn công) phát và thu các tín hiệu bằng một mạch lai (hybrid). Mạch lai là một biến áp cân bằng (hay


Trang 104

một mạch điện tử tương đương) để tạo nên sự cách ly giữa tín hiệu phát và thu. Do đó hiện tượng tự dao động sẽ không xảy ra khi tín hiệu phát được khuếch đại hồi tiếp qua đường dây thu. Tín hiệu thoại VF phát được chuyển sang một tín hiệu PCM DS-0 và nó được ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) với các tín hiệu PCM đến từ các thuê bao khác nối vào RT. Tín hiệu TDM được gửi đi trên một đường trung kế DS-1 tới CO. Tương tự, tín hiệu DS-1 thu được từ CO được phân kênh và giải mã để có âm thanh VF cho thuê bao.

Hình 7.3: Hệ thống điện thoại có các đầu cuối từ xa Đối với các cuộc gọi đường dài, CO cục bộ chuyển mạch cuộc gọi tới các đường trung kế nối CO cục bộ với các CO ở xa. Các đường trung kế này thường mang tín hiệu TDM hoặc FDM, nhưng TDM thường được sử dụng hơn. Các bộ lặp một chiều được sử dụng trên các đường trung kế đường dài. Trong các hệ thống điện thoại hiện nay, người ta thay thế các chuyển mạch tương tự tại các CO bằng các chuyển mạch số.


Trang 105

7.1.2 Mạng PSTN hiện tại ở Việt Nam a. Tổng quan về cấu trúc phân cấp mạng lưới viễn thông theo ITU. Độ phức tạp của một mạng viễn thông phụ thuộc vào lưu lượng thông tin cần chuyển tải, số lượng các node chuyển mạch và số lượng các liên kết truyền dẫn. Do đó quy mô của một mạng có thể từ rất đơn giản đến cực kỳ phức tạp. Theo ITU (International Telecommunication Union) mạng viễn thông cơ bản có thể được phân tích thành mạng nội hạt và mạng đường trục.

Hình 7.4: Cấu trúc phân cấp theo ITU

Mạng đường trục Mạng đường trục gồm các tuyến truyền dẫn đường trục và các tổng đài chuyển tiếp. Các tổng đài chuyển tiếp đóng vai trò như một cổng vào ra để các tổng đài nội hạt qua nó tham gia vào mạng truyền dẫn đường trục. Tổng đài chuyển tiếp thực hiện đo các cuộc gọi đường dài và quản lý cước đường dài đối với các tổng đài nội hạt trực thuộc. Để thực hiện tính cước người ta chia đất nước theo các vùng hành chính, cước phí tiêu chuẩn được đặt theo khoảng cách giữa các vùng cước. Mạng đường trục được phân cấp theo từ 2 đến 4 tầng chuyển mạch tuỳ theo độ lớn của vùng và lượng tải. Mỗi tầng trung tâm chuyển mạch được đặt tại 1 vùng quản trị của nó. Các tổng đài ở cấp đường trục được nối với nhau theo hình lưới để đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố. Mạng nội hạt Mạng nội hạt bao gồm các tổng đài nội hạt, các bộ tập trung lưu lượng, và các đường dây thuê bao, tuyến truyền dẫn trung kế kết nối các tổng đài nội hạt. Phần kết nối từ đường dây thuê bao đến tổng đài nội hạt được gọi là mạng truy nhập.


Trang 106

Các cuộc gọi nội hạt sẽ được kết nối qua một hay nhiều tổng đài nội hạt, các cuộc gọi đường dài được kết nối thông qua tổng đài nội hạt lên các tổng đài chuyển tiếp (transit) của mạng đường dài. b. Cấu trúc mạng viễn thông hiện tại của Việt Nam (VNPT) Cấu trúc mạng lưới viễn thông PSTN hiện tại của Việt Nam được chia làm 3 cấp: - Cấp quốc tế bao gồm các trạm vệ tinh mặt đất và tổng đài chuyển mạch đi quốc tế. - Cấp quốc gia (liên tỉnh) bao gồm các tuyến truyền dẫn đường trục, các tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia. - Cấp nội tỉnh bao gồm các tuyến truyền dẫn nội tỉnh, các tổng đài Host, các tổng đài vệ tinh và tổng đài transit nội tỉnh (tandem). Cấp quốc tế Bao gồm 8 trạm mặt đất thông tin vệ tinh của hệ thống Intelsat, Intersputnik và 3 tổng đài Gateway AXE-105 chuyển mạch đi quốc tế tại Hà Nội, Đà Nẵng, TP.Hồ Chí Minh. Mạng chuyển mạch cấp quốc tế gồm 3 trung tâm chuyển mạch tương ứng cho 3 vùng lưu lượng miền Bắc, miền Nam, miền Trung. Các nút chuyển mạch quốc tế được nối với nhau theo hình lưới để đảm bao tính an toàn khi xảy ra sự cố. Mạng truyền dẫn cấp quốc tế gồm có: tuyến cáp quang biển TVH (Thái Lan -Việt Nam - Hồng Kông), đường cáp quang nối 6 nước khu vực Đông Nam Á: Trung Quốc - Việt Nam - Lào - Thái lan - Malaysia - Singapore và tuyến cáp quang biển SE-ME-WE3 nối từ châu Âu sang châu Á. Cấp quốc gia (liên tỉnh) Mạng truyền dẫn liên tỉnh gồm tuyến truyền dẫn đường trục Bắc Nam sử dụng mạng Ring cáp quang tốc độ 20Gbps và viba số 140Mbps, 622 Mbps, mạng truyền dẫn cáp quang liên tỉnh phía Đông Bắc, Tây Bắc, Tây Nam, Đông Nam. Mạng chuyển mạch liên tỉnh được tổ chức gồm 3 trung tâm chuyển mạch: vùng mạng miền Bắc, vùng mạng miền Nam, vùng mạng miền Trung. Ba trung tâm này được nối với nhau và nối với các nút chuyển mạch quốc tế theo hình lưới. Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh phía Bắc tại Hà Nội gồm tổng đài chuyển mạch TDM, AXE-10 thực hiện nhiệm vụ xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh và thành phố sau đây: Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Tây, Hoà Bình, Sơn La, Lai Châu, Hà Giang, Tuyên Quang, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Lào Cai, Yên Bái, Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Bắc Ninh, Bắc Giang, Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Huế. Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh phía Nam tại TP.Hồ Chí Minh gồm các tổng đài TDX-10, và AXE- 10 xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh/thành phố sau đây: TP. Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bạc Liêu, Cà Mau, Bến Tre, Tiền Giang, Bình Dương, An Giang, Cần Thơ, Kiên Giang,, Bình Phước, Đồng Tháp, Long An, Vĩnh Long, Tây Ninh, Vũng Tàu, Lâm Đồng, Khánh Hoà, Bình Thuận, Ninh Thuận, Gia Lai, Kom Tum, Đắc Lắc. Trung tâm chuyển mạch liên tỉnh miền Trung tại Đà Nẵng là tổng đài chuyển mạch AXE-10 xử lý các cuộc gọi liên tỉnh từ các tổng đài Host của các tỉnh/thành phố sau đây: Đà Nẵng, Quảng Nam, Ninh Thuận, Bình Thuận, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Kom Tum, Gia Lai Đắc Lắc. Cấp nội tỉnh


Trang 107

Từ trung tâm tỉnh đến trung tâm huyện của các tỉnh, thành phố đã được số hoá hoàn toàn cả về truyền dẫn lẫn chuyển mạch. Các tổng đài chuyển mạch nội tỉnh (Host) gồm rất nhiều chủng loại khác nhau do nhiều hãng viễn thông cung cấp như Alcatel, NEC, Siemens, Kerea, Bosch,… Các tổng đài nội tỉnh được nối với nhau bằng các mạch vòng quang và được kết nối trực tiếp với tổng đài transit quốc gia. Ở các tỉnh, đặc biệt vùng miền núi, các tổng đài cấp huyện thường là các tổng đài độc lập, các tổng đài cấp huyện không được nối trực tiếp với tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia, mà nó nối tới các tổng đài chuyển mạch nội tỉnh, các tổng đài nội tỉnh này mới được kết nối lên tổng đài chuyển tiếp (transit) quốc gia. Mạng truyền dẫn nội tỉnh được truyền dẫn bằng cáp quang và viba có dung lượng từ 2Mbps đến 34Mbps, thực hiện kế hoạch cáp quang hoá thông tin nội hạt tại nhiều tỉnh và thành phố trong cả nước.

Hình 7.5: Cấu trúc mạng PSTN của Việt Nam

7.2 Hệ thống thông tin vệ tinh 7.2.1 Tổng quan Thông tin vệ tinh : là truyền tín hiệu từ nơi này đến nơi khác thông qua một trạm trung gian gọi là vệ tinh. Thông tin vệ tinh được ứng dụng rộng rãi : thông thoại, truyền số liệu, truyền hình, thông tin di động… Đặc điểm của Thông tin vệ tinh :

+ Có khả năng đa truy nhập. + Vùng phủ sóng rộng. + Ổn định cao, có khả năng cao về thông tin băng rộng. + Có thể ứng dụng trong thông tin di động. + Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn , xuyên lục địa.


Trang 108

+ Tuy nhiên , thời gian trễ lớn gây cảm giác chậm pha , tiếng dội. Tần số làm việc của vệ tinh được chọn sao cho các suy hao phải đạt cực tiểu (vùng “cửa sổ tần số” nằm trong khoảng 1 đến 10 GHz ) : + Suy hao không gian tự do. + Hấp thụ của không khí. + Suy hao qua tầng điện ly. + Suy hao do mưa. Do đó hiện nay, tại Việt Nam và các nước đang phát triển , người ta chủ yếu sử dụng băng C vùng tần số 6 GHz và 4 GHz cho phát và thu. Với các tần số phát và thu sau đây: - Đường lên (phát mặt đất – vệ tinh ) : ft = 5.925 đến 6.425 GHz . - Đường xuống ( vệ tinh – mặt đất ) : fR = 3.70 đến 4.20 GHz. - Băng thông cho mỗi chiều là : B = 500 MHz. Do tần số thu phát cách nhau nên cho phép tách sóng thu và phát có mức công suất hoàn toàn khác nhau trên một anten. Ngoài ra người ta còn sử dụng các băng khác với các cặp tần số sau : - Băng Ku : 14 GHz / 11GHz , băng thông 500MHz. - Băng Ka : 30 GHz / 20 GHz , băng thông 3500 MHz. Tuy nhiên suy hao sóng rất lớn trong dải này. 7.2.2 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh và các yếu tố đặc trưng của chúng

Hình 7.6

Hệ thống vệ tinh gồm hai loại : + Vệ tinh quỹ đạo thấp : chuyển động khác chu kỳ quay của trái đất. + Vệ tinh địa tĩnh: 1>Vệ tinh địa tĩnh bao gồm một hệ thống nhiều vệ tinh ( tối thiểu là 3 vệ tinh ở một quỹ đạo nhất định ) làm nhiệm vụ truyền thông tin trên toàn trái đất. Mỗi vệ tinh được "treo " ở một độ cao nhất định đối với trái đất, để lực ly tâm bằng lực hướng tâm và


Trang 109

bay theo quỹ đạo của mình cùng với vận tốc góc với trái đất quay xung quanh trục của nó.Vì nó được “treo” cố định nên các antenna từ trái đất không phải điều chỉnh hướng theo nó khi trái đất xoay xung quanh trục của nó. 2> Quỹ đạo vệ tinh phải thỏa các điều kiện của định luật Kepler : +Quỹ đạo vệ tinh phải nằm ở mức xích đạo để vệ tinh không di chuyển lệch hướng + Quỹ đạo vệ tinh phải tròn để tốc độ vệ tinh không thay đổi . +Bán kính quỹ đạo vệ tinh phải đạt 42000 km (tính từ tâm trái đất). Vậy chu kỳ quay của vệ tinh có thời gian bằng với trái đất tức là 23 giờ 56 phút. Đặt vệ tinh quay cùng một kinh tuyến với nơi mà nó phủ sóng thì khoảng cách thu là ngắn nhất nên tiêu hao qua không gian tự do của sóng điện từ thấp nhất. Vì vậy nếu ở bắc bán cầu thì antenna thu hướng về phía nam,ở nam bán cầu thì hướng ngược lại ,còn ở xích đạo thì hướng thẳng đứng. 3> Một vệ tinh có antenna phát tia sóng rộng có thể phủ 1/3 trát đất nhưng thực tế nó có tia phủ sóng hẹp để tăng mức tín hiệu. 4> Đối với Việt Nam thì anten thu phải hơi hướng về phía nam và xác định đúng điểm có tín hiệu trên trục nam -bắc ,sau đó quay theo hướng đông tây để thu một vệ tinh cụ thể. Có rất nhiều vệ tinh trên quỹ đạo, anten chỉ thu được một số vệ tinh nào đó lọt vào trong "khoảng thấy" của nó. 7.2.3 Cấu trúc một hệ thống thông tinh vệ tinh Vệ tinh gồm có các phần sau : anten, các bộ repeater, điều khiển và đo lường từ xa, nguồn cho vệ tinh. a) Repeater : Một vệ tinh gồm nhiều bộ repeater giống nhau được phân bố trên dải băng thông 500MHz. Mỗi repeater khuếch đại mức tín hiệu khoảng 100 dB và chuyển từ tần số sóng mang chiều lên sang tần số sóng mang chiều xuống.

Hình 7.7

b) Điều khiển và đo từ xa : + Điều khiển độ lợi repeater. + Chỉnh hướng tính anten, quỹ đạo vệ tinh ... Trạm mặt đất 1. Chọn vị trí trạm mặt đất :

a. Tầm nhìn vệ tinh rõ cả hai chân trời. b. Tránh nhiễu loại sóng vi ba mặt đất. c. Tránh vùng có cuờng độ dòng điện lớn…

2. Cấu hình cơ bản của trạm mặt đất :

anten

Khuếch đại LNA

Dao động nội

Khuếch đại công suất

cao

anten

SSB


Trang 110

Gồm các phần sau: phần thông tin, phần nghiệp vụ, phần nguồn, phần nhà trạm. Phần thông tin gồm:

a. Anten. b. Khuếch đại nhiễu thấp LNA. c. Khuếch đại công suất cao. d. Các bộ biến đổi tần số phát thu. e. Bộ điều chế và giải điều chế. f. Thiết bị sóng mang đầu cuối. g. Thiết bị điều khiển giám sát.

Hình 7.8

Máy phát công suất cao: Do cực ly lớn nên máy phát có công suất càng cao càng tốt khoảng vài trăm W đến vài chục KW. Linh kiện sử dụng : + Đèn sóng chạy TWT. + Klystron. + FET. Hai dạng cấu hình của máy phát công cao: + Khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang (băng rộng). + Khuếch đại nhiều sóng mang. Khuếch đại nhiễu thấp Do tín hiệu thu được từ vệ tinh rất nhỏ nên cần khuếch đại lên mức đủ lớn để giải khuếch đại, đảm bảo chất lượng tín hiệu . Tạp âm sinh ra trong máy thu thường biểu thị : F = (S/N đầu vào bộ khuếch đại) / (S/N đầu ra bộ khuếch đại). Trong thông tin vệ tinh người ta sử dụng nhiệt tạp âm thay cho hệ số tạp âm F. Công suất tạp âm của một điện trở là:

Pn = kTB với k = 1,38. 10 –23 J/0K ; T = 273 + 0C ; B = băng thông.

LNA Bộ đổi tần xuống

Bộ khuếch đại IF

Bộ gải điều chế

Thiết bị đa truy nhập

HPA Bộ đổi tần lên

Bộ khuếch đại IF

Bộ điều chế

Dao động nội

Dao động nội

Hệ thống

feeder

anten


Trang 111

7.2.4 Truyền dẫn tín hiệu truyền hình qua vệ tinh Các tín hiệu TV chất lượng quảng bá được chuyển tiếp qua vệ tinh nhờ các bộ phát đáp đơn (dải thông 36MHz), mỗi bộ phát đáp sử dụng cho một tín hiệu TV. Quá trình được thực hiện bằng cách điều chế tín hiệu hỗn hợp dải thông 4.5MHz, 5.5MHz, 6.5MHz vào một sóng mang FM – 6GHz. Tín hiệu hình hỗn hợp gồm có tín hiệu video

đen trắng, các tín hiệu sóng mang phụ về màu và tín hiệu đồng bộ. Tín hiệu âm thanh cũng được chuyển tiếp qua cùng bộ phát đáp bằng cách điều tần nó vào một sóng mang phụ 6.8GHz được ghép kênh phân chia theo tần số với tín hiệu video tổng tợp. Tín hiệu băng rộng thu được sẽ điều chế tần số máy phát.

Hình 7.9 Độ lệch đỉnh của tín hiệu video hỗn hợp là 10.5MHz còn độ lệch đỉnh của sóng mang phụ là 2MHz, độ lệch đỉnh toàn bộ là f = 12.5MHz. Dải thông băng cơ sở xấp xỉ B = 6.8MHz. Dải thông truyền dẫn là: BT = 2(f+B) = 38.6MHz Dải thông này được bộ phát đáp 36MHz chấp nhận. 7.2.5 Đa truy nhập tín hiệu dữ liệu và điện thoại qua vệ tinh Mỗi bộ repeater với dải thông 36 MHz , có thể thông tin một chiều giữa trạm này và trạm khác., nhưng do số trạm mặt đất rất nhiều hơn số repeater trên vệ tinh nên để sử dụng hiệu quả một repeater người ta lập quá trình đa truy xuất. Có ba phương thức đa truy nhập :

a. Đa truy nhập phân chia tần số (FDMA). b. Đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA). c. Đa truy nhập trải phổ (CDMA).

Phân loại theo phân phối kênh : + Phân phối trước. + Phân phối theo nhu cầu. 1. Đa truy nhập phân chia tần số (FDMA):

a. Dùng n sóng mang tải tin trong dải băng của repeater.

+

Bộ tạo sóng mang phụ FM

fsc = 6.8MHz f = 75kHz

Máy phát FM fc = 6GHz

(f)video = 10.5MHz (f)sc = 2MHz

Tín hiệu audio vào (dải thông 15kHz)

Tín hiệu video hỗn hợp vào (dải thông 15kHz)

Tới vệ tinh


Trang 112

b. Mỗi sóng mang dùng cho một trạm mặt đất để phát lên vệ tinh và vệ tinh phát tất cả các sóng mang đến các trạm còn lại.

c. Trạm mặt đất thu n sóng mang , giải điều chế và tách riêng các kênh tinh có đích là trạm đó.

Một trạm mặt đất gồm một bộ điều chế FM, một mạch phát và nhiều bộ thu giải điều chế FM. Đặc điểm: sử dụng rộng rãi, thiết bị đơn giản, không cần điều khiển đồng bộ.

Hình 7.10 2. Đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA):

a. Sử dụng một sóng mang điều chế số PSK. b. Phát từng gói xung tuần hoàn và có đồng bộ từ các trạm mặt đất. c. Tổ chức phát từng gói xung đến vệ tinh theo trình tự thời gian và không chồng

lên nhau. d. Mỗi gói xung được đánh dấu bằng đoạn tin đầu có ghi nơi xuất phát và nơi đến . e. Vệ tinh thu nhập gói xung ở tần số phát và sau đó phát xuống tất cả các trạm mặt

đất ở tần số thu. Đặc điểm : Giữ nguyên công suất phát cho mỗi kênh, tỷ số S/N, nhưng cần sự đồng bộ cao.

Hình 7.11

Phát f6 Thu f3

Repeater

Phát f1, f2, f3 Thu f4, f5, f6

Phát f4 Thu f1

Phát f5 Thu f2

f1 f2 f3 f4 f5 f6

Từ trạm chuẩn

Từ trạm A

Từ trạm chuẩn

Từ trạm D

Từ trạm C

Từ trạm B

Một khung

Thời gian bảo vệ


Trang 113

3. Đa truy nhập trải phổ (CDMA):

a. Điều chế PSK bởi mã tốc độ cao hơn. b. Điều chế PSK lần thứ hai thành tín hiệu tổng hợp. c. Trãi phổ tín hiệu phát ra cả băng tần do mã tốc độ cao chiếm giữ. d. Phía thu trãi phổ nguợc lại và sử dụng mã giống bên phát. e. Tín hiệu các trạm trong bộ repeater có cùng vị trí cả về thời gian và tần số.

7.3 Hệ thống thông tin sợi quang 7.3.1 Tổng quan 1/. Thông tin sợi dẫn quang : Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian. Thông tin sợi dẫn quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi dẫn quang. Trong môi trường này thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi dẫn quang. Tại nơi nhận, ánh sáng đuợc biến đổi thành tín hiệu điện như ban đầu. 2/. Sợi dẫn quang : Trong kỹ thuật thông tin sợi dẫn quang, sợi dẫn quang là một môi trường truyền dẫn ánh sáng trong dải bước sóng từ 0,8m đến 1,6m. 3/. Cấu tạo sợi dẫn quang : Sợi dẫn quang chủ yếu bao gồm 3 lớp : + Tâm sợi quang ở giữa, truyền dẫn ánh sáng. + Bao quanh tâm sợi là lớp vỏ (cladding) để ánh sáng chỉ truyền lan trong tâm. Thông thường để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong tâm thì chiết suất của tâm lớn hơn chiết suất của vỏ từ 0,1% đến 2%. + Lớp vỏ bọc ở bên ngoài bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời cách ly nó khỏi bị sức nén xuyên tâm và những ứng suất khác trên cáp sợi quang.

Hình 7.12: Cấu trúc cáp sợi quang 4/. Phân loại sợi dẫn quang : Có hai loại sợi dẫn quang chính : loại đơn mode (single mode) và loại đa mode (multi mode). a/. Sợi đa mode (multi mode) : Sợi đa mode là sợi truyền được hàng trăm, ngàn tia sáng có các góc tới giao diện tâm/vỏ sợi dẫn quang khác nhau đi qua . Số mode ánh sáng tối đa (các đường đi ánh sáng) trong một sợi dẫn quang có thể được xác định như sau :

.2

21

2

anVN

Với V >> 2.024

Lớp bọc

Vỏ sợi

Tâm sợi


Trang 114

Trong đó : a : Bán kính tâm. n1 : Chiết suất tâm.

n2 : Chiết suất vỏ. : Bước sóng ánh sáng.

* Có hai loại sợi đa mode : Sợi chiết suất nhảy bậc và sợi chiết suất thay đổi dần. a1/. Sợi có chiết suất nhảy bậc : Là sợi dẫn quang mà lớp tâm sợi và lớp vỏ có chiết suất khác nhau nhưng đồng nhất. Tại mặt phân cách tâm-vỏ có sự thay đổi đột ngột về chiết suất.

Hình 7.13: Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang chiết suất bậc a2/. Sợi có chiết suất thay đổi dần : Là loại sợi dẫn quang có chiết suất của tâm sợi thay đổi từ cực đại ở tâm sợi và giảm dần đến cực tiểu bằng chiết suất vỏ sợi. Chiết suất của vỏ là đồng nhất.

Hình 7.14: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang có chiết suất thay đổi dần

b/. Sợi đơn mode (single mode) : Là sợi dẫn quang chỉ truyền lan một mode ánh sáng (một đường đi của tia sáng ở tâm

Các tia sáng

Lớp bọc sợi dẫn quang chiết suất nhảy bậc

Vỏ

Tâm

Vỏ

n1

n

n2

n1

n2 Các tia sáng

Lớp bọc sợi dẫn quang chiết suất thay đổi dần

Vỏ

Tâm

Vỏ

n2

n1

n

n

1

21

nnn


Trang 115

sợi quang). Loại này có được là nhờ giảm đường kính tâm đến một kích thước mà nó chỉ cho phép một mode ánh sáng lan truyền.

Hình 7.15: Sự lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang đơn mode

5/. Các đặc tính suy hao của sợi dẫn quang : Cự ly giữa các thiết bị tái tạo ( Repeater ) và các loại thiết bị phát và thu được xác định bằng các đặc tính suy hao của sợi quang. Các nguyên nhân suy hao của sợi quang bao gồm sự hấp thụ, tán xạ, phát xạ ở các chỗ cong và do sự ghép nối sợi dẫn quang. 6/. Ghép nối sợi dẫn quang : Sợi dẫn quang có thể được ghép nối bằng phương pháp hàn cố định hoặc bằng phương pháp ghép nối tạm thời ( các loại cáp quang có thể được ghép nối vào hoặc tháo ra ). 7.3.2 Suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang Một trong những thông số quan trọng khi thiết kế thông tin sợi quang là sự suy hao tín hiệu truyền trong sợi quang. Điều đó có nghĩa là công suất truyền trong sợi quang bị giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ như tín hiệu điện truyền trong các môi trường khác. Việc tính toán khoảng cách của các bộ lặp trên đường truyền dẫn sợi quang phụ thuộc vào thông số suy hao trên đường truyền. Biểu thức gần đúng cho công suất truyền dẫn trên sợi quang:

z

z PP 10010

trong đó: P0 – công suất đầu sợi (z = 0) Pz – công suất ở cự ly z - hệ số suy hao (dB/km) = A(dB)/L(km) = 10lg(Pvào/Pra)/L Các nguyên nhân suy hao: Sự hấp thụ của các tạp chất kim loại trong sợi thủy tinh Sự hấp thụ của các ion OH- Sự suy hao do tán xạ Suy hao do sợi bị uốn cong

Một số chỉ tiêu kỹ thuât của sợi quang đơn mode

Thông số Giá trị Đường kính lõi 8.7 1.3m Đường kính bề mặt sợi 125 1.3m Độ méo bề mặt sợi 2 Đường kính lớp phủ ngoài 250 15m Kích thước vết 5 0.5m Độ lệch tâm 1m Bước sóng cắt hiệu dụng của mode 1130 – 1270 nm Sai số chỉ số khúc xạ 0.3 0.5 Bước sóng tán sắc không 1310 nm danh định Tán sắc cực đại tại 1310 nm 20 nm 3.5 ps/nm – km Tán sắc tại 1550 nm 17 2 ps/nm – km Đường kính trường mode 9.8 1m


Trang 116

Suy hao tại 1310 nm Cực đại 0.5 dB/km Suy hao tại 1550 nm Cực đại 0.4 dB/km Đặc tuyến suy hao của các sợi quang có khác nhau, tuy vậy về tồng quát có ba vùng bước sóng có suy hao nhỏ nhất được gọi là ba cửa sổ suy hao Cửa sồ thứ nhất có bước sóng 850nm được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 – 3 dB/km. Ngày nay bước sóng này ít dùng vì suy hao chưa phải là thấp nhất. Cửa sổ thứ hai ở bước sóng 1300. Suy hao ở bước sóng này tương đối thấp, khoảng 0.4 – 0.5 dB/km. Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên hiện nay đang được sử dụng rộng rãi. Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm, cho đến nay, suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0.2dB/km. Trong sợi quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng này lớn hơn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi 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 ở cả hai điểm: suy hao thấp và độ tán sắc bé. 7.3.3 Hệ thống thông tin sợi quang 1/. Hệ thống truyền dẫn ANALOG :

Cấu trúc hệ thống truyền dẫn ANALOG

2/. Hệ thống truyền dẫn DIGITAL :

Hình 7.16: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn DIGITAL

3/. Cấu trúc hệ thống thông tin sợi dẫn quang : a/. Phần phát : Bộ mã hóa hay điều chế , để chuyển đổi tin tức thành dạng tín hiệu phù hợp trước khi đưa đến bộ chuyển đổi điện thành quang. Bộ chuyển đổi điện quang nhằm đóng mở các phần tử phát xạ ánh sáng của diode laser hay diode phát quang để phản ứng với các tín hiệu số đầu vào, điều chế cường độ ánh sáng và chuyển đổi dòng tín hiệu IE đầu vào thành một sóng quang có công suất quang tương ứng POE ở đầu ra.

Tiền điều chế

BIẾN ĐỔI ĐIỆN/ QUANG

ĐẦU VÀO SỢI DẪN QUANG

BIẾN ĐỔI QUANG/ ĐIỆN

GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐẦU RA

MÃ HÓA BIẾN ĐỔI

ĐIỆN/ QUANG

ĐẦU VÀO SỢI DẪN QUANG BIẾN ĐỔI

QUANG/ ĐIỆN

GIẢI MÃ ĐẦU RA


Trang 117

Sợi dẫn quang truyền dẫn sóng ánh sáng từ máy phát đến máy thu (có thể đi hàng mấy mươi cây số không cần bộ phục hồi ). b/.Phần thu : Bộ chuyển đổi quang thành điện nhận công suất quang thu POR và chuyển ngược lại thành dòng điện IR. Bộ giải mã hay giải điều chế chuyển đổi tín hiệu điện thu được trở lại dạng tín hiệu nguyên thủy. 4/. Những thành phần cơ bản của hệ thống truyền dẫn quang : Hệ thống truyền dẫn quang bao gồm các phần tử phát xạ ánh sáng (nguồn phát sáng), sợi dẫn quang (môi trường truyền dẫn) và các phần tử thu để nhận ánh sáng truyền qua sợi dẫn quang. Các phần tử sau đây thường được sử dụng : a/. Phần tử phát xạ ánh sáng :

+ Diode phát quang (LED). + Diode Laser (LD).

b/. Sợi dẫn quang : + Sợi dẫn quang đa mode chiết suất bậc. + Sợi dẫn quang đa mode chiết suất thay đổi dần. + Sợi dẫn quang đơn mode.

c/.Phần tử thu ánh sáng : + Diode quang PIN (PIN-PD). + Diode quang thác (APD).

Các phần tử cấu hình cũng như sự lựa chọn đúng bước sóng cần dùng phải được xem xét một cách cẩn thận khi thiết kế hệ thống truyền dẫn quang. Dải suy hao thấp của sợi quang và vùng bước sóng nhạy quang của các phần tử thu ánh sáng cũng rất cần phải được chú ý . 5/. Mô hình thiết kế hệ thống truyền dẫn quang digital :

Hình 7.17: Hệ thống thông tin quang

Chất lượng truyền dẫn của một hệ thống truyền dẫn digital được đánh gía bằng hệ số Bit lỗi.

Thông tin

Thiết bị ghép kênh

Bộ phục hồi

Thiết bị tách kênh

Thông tin

Sợi dẫn quang

Sợi dẫn quang

Mạch phát quang

Mạch thu quang


Trang 118

PHẦN 2: BÀI TẬP (1 tiết) 1. Thông tin vệ tinh là gì ? Vẽ sơ đồ khối tổng quát và nêu nhiệm vụ của từng khối

trong hệ thống ? 2. Trình bày các ưu điểm và khuyết điểm của thông tin vệ tinh ? 3. Hãy nêu tần số làm việc và phương thức điều chế được sử dụng trong thông tin vệ

tinh ? 4. Trình bày cấu tạo của sợi dẫn quang ? Thế nào là sợi đơn mode, đa mode ? Nêu

những ưu, khuyết điểm của chúng? Vùng ánh sáng có bước sóng nào dùng cho sợi quang trong một hệ thống thông tin sợi dẫn quang.

5. Sợi dẫn quang có ưu, khuyết điểm gì so với các môi trường truyền dẫn khác? 6. Hãy cho biết ưu điểm của hệ thống truyền dẫn sợi dẫn quang Digital so với hệ

thống truyền dẫn sợi dẫn quang Analog. 7. Phân tích sự lan truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang (Đơn mode, Đa mode).

Documents

CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG - Trang chủcaodang.tdt.edu.vn/lecturer/upload/files/document/Ha-Duy-Hung-06... · CHƯƠNG 7: CÁC HỆ THỐNG VIỄN THÔNG (5 tiết)