nghiên cứu về kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang Radio over Fiber - RoF

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu bảng

Tên bảng	Trang
1.1	Các thông số tán sắc của một số sợi quang theo ITU	8
1.2	Phân loại, cơ chế và sử dụng sóng vô tuyến	12
1.3	Phân bổ tần số đối với các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng	14
2.1	So sánh các kỹ thuật truyền dẫn và phát sóng milimet	28
2.2	So sánh băng tần của các hệ thống sửa dụng kĩ thuật RoF	29

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 89 trang tài liệu này.

1. Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc, truy cập mạng của xã hội không ngừng phát triển. Con người luôn mong muốn có một tốc độ đường truyền mạnh hơn, nhanh hơn, băng thông rộng hơn, vùng phủ sóng rộng khắp, các dịch vụ đạt chất lượng cao, không xảy ra nghẽn mạng, nhưng giá cả thì phải chăng.

Đáp ứng lại nhu cầu đó em chọn đề tài “Nghiên cứu về Kỹ Thuật Truyền Sóng Vô Tuyến Qua Sợi Quang (Radio Over Fiber - RoF)”.

Kỹ thuật Radio over Fiber - RoF, một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai, với các ưu điểm vượt trội như: suy hao thấp, băng thông rộng, không chịu ảnh hưởng của nhiễu tần số vô tuyến …

Chính vì vậy, việc tìm hiểu về đề tài trên là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.

2. Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin quang và thông tin vô tuyến, nhằm mục đích hiểu rõ hơn về ưu, nhược điểm của hệ thống.

Tìm hiểu, nghiên cứu sâu về kỹ thuật Radio over Fiber, nêu lên được các ưu, nhược điểm, các đặc tính cơ bản của kỹ thuật.

Ứng dụng kỹ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây.

Phân tích hoạt động của 1 tuyến RoF cụ thể, nhằm biết được quá trình làm việc cụ thể của các thành phần trong tuyến.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

“Nghiên cứu về kỹ thuật truyền song vô tuyến qua sợi quang – Radio Over Fiber - RoF”

4. Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo các tài liệu: sách, website và các giáo trình lien quan. Nhờ sự giúp đở của giáo viên hướng dẫn.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kỹ thuật truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Radio over Fiber (RoF)), một kỹ thuật mà hiện nay được coi là nền tảng cho mạng truy nhập không dây băng thông rộng trong tương lai.

Tuy kỹ thuật RoF chỉ mới trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển và thử nghiệm nhưng những kết quả mà nó mạng lại rất khả quan, khiến nhiều người tin tưởng đó sẽ là một kỹ thuật cho các ứng dụng mạng truy nhập vô tuyến trong tương lai. Vì vậy, kỹ thuật RoF là một kỹ thuật rất cần mở rộng và phát triển rộng rãi vào cuộc sống hiện nay.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG – VÔ TUYẾN

1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Nội dung chương này nhằm giới thiệu tổng quan về:

+ Hệ thống thông tin quang

+ Hệ thống thông tin vô tuyến

1.2. THÔNG TIN QUANG [1]

Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến, các loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian, thông tin quang là một hệ thống truyền tin thông qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và sau đó ánh sáng được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận, nó lại được biến đổi trở lại thành thành thông tin ban đầu.

1.2.1. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin sợi quang

1.2.1.1. Ưu điểm

Trong thông tin sợi quang các ưu điểm sau của sợi quang đã được sử dụng một cách hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn thấp và băng thông lớn. Thêm vào đó, chúng có thể sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiễu hiệu ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất đang có hiện nay.

Trước hết, nó có dung lượng cực lớn: Băng thông(BW) gấp khoảng 10000 lần so với thông tin vi ba (BW thường chọn khoảng vài % tần số sóng mang(f), f của ánh sáng cỡ 200 THz, f của vi ba cỡ 20 GHz).

Thứ hai, độ tổn hao rất thấp: Tổn hao sợi quang có thể đạt 0,2 dB/km, so với cáp đồng trục 10 - 30 dB/km.

Thứ ba, kích thước nhỏ và gọn nhẹ: trong một dây cáp quang có nhiều sợi quang vì kích thước của nó rất nhỏ

Thứ tư, tính chống nhiễu cao: sợi quang được cấu tạo từ thủy tinh oxit (trong đó SiO2 là loại oxit thông dụng dùng để tạo ra sợi) nên không bị ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài và các loại nhiễu từ nhà máy điện nguyên tử, sấm sét...

Hình1.1: Sợi cáp quang

Thứ năm, giá thành sợi quang thấp: vì thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang có sẵn trong thiên nhiên, so với kim loại thì nguồn nguyên liệu này dồi dào.

Thứ sáu, khoảng cách truyền dẫn lớn: kết hợp khả năng khuếch đại của các bộ khuếch đại quang trên đường truyền cùng với sự suy hao thấp của cáp quang và độ nhảy thu cao của máy thu cho phép tăng khoảng cách truyền dẫn lên cực lớn. Hiện nay, người ta đã triển khai nhiều hệ thống cáp sợi quang vượt đại dương có khoảng cách hàng chục ngàn km với dung lượng đến hàng ngàn Gb/s.

Thứ bảy, tốc độ cao, hiệu suất lớn: các linh kiện thu và phát quang có khả năng điều chế tốc độ cao, kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang điện cao.

Thứ tám, khả năng truyền tín hiệu với các bước sóng khác nhau: thông tin sợi quang cũng cho phép truyền đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau. Đặc tính này cũng góp phần rất lớn làm tăng dung lượng truyền dẫn.

1.2.1.2. Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội như trên thì hệ thống thông tin quang còn có những nhược điểm sau:

- Hiệu suất ghép nguồn quang vào sợi thấp.

- Không thể truyền mã lưỡng cực.

- Hàn nối sợi quang khó khăn, yêu cầu kỹ thuật cao.

- Nếu có khí ẩm, nước lọt vào trong cáp thì sợi quang chóng bị lão hóa, suy hao tăng lên, mối hàn quang nhanh bị hỏng.

Những nhược điểm này phần lớn mang tính khách quan và có thể giải quyết được bằng khoa học công nghệ. Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội thì hệ thống thông tin quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phát triển nhanh vì những lợi ích thiết thực trong cuộc sống con người.

1.2.2. Mô hình tuyến truyền dẫn sợi quang hiện tại

Tuyến truyền dẫn quang tổng quát được mô tả như hình 1.2. Tín hiệu được sử dụng để truyền qua sợi quang trong trường hợp chung thường là tín hiệu xung số. Một tuyến quang tổng quát bao gồm các thành phần cơ bản là sợi quang, một bộ phát quang, một bộ thu quang và các bộ khuếch đại quang.

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin sợi quang tiêu biểu

1.2.2.1. Sợi quang

Sợi quang đóng vai trò truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong hệ thống thông tin sợi quang, rất ít gây méo tín hiệu so với hệ thống thông tin vi ba và vệ tinh. Một trong những ưu điểm chủ yếu của sợi quang là tổn hao ánh sáng trong sợi rất nhỏ, chẳng hạn khi hoạt động trong vùng bước sóng 1550 nm, tổn hao trong sợi đơn mode SMF chỉ khoảng 0,2 dB/km. Tổn hao sợi là cơ sở để xác định khoảng lặp trong các hệ thống thông tin sợi quang. Một thông số quan trọng khác trong sợi quang là tán sắc sợi gây ra vấn đề giản nở xung tín hiệu tại máy thu. Nếu các xung quang bị trải rộng vượt quá khe thời gian cho phép thì chất lượng tín hiệu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Tán sắc trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống sử dụng sợi quang đa mode vì các xung bị trải rộng do ánh sáng truyền trong sợi theo các mode khác nhau với tốc độ khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay người ta chỉ dùng sợi đơn mode để truyền dẫn. Ở tốc độ bít cao, trong sợi này cũng xảy ra tán sắc vật liệu do chiết xuất của sợi thay đổi theo bước sóng ánh sáng, cũng gây nên sự giản nở xung. Để giảm ảnh hưởng này, người ta sử dụng biện pháp bù tán sắc và dùng các nguồn phát quang có độ rộng phổ hẹp.

Truyền dẫn quang trong sợi quang

Ánh sáng có thể truyền trong môi trường trong suốt, nhưng với vận tốc nhỏ hơn

vận tốc trong chân không. Tỉ số giữa vận tốc ánh sáng trong chân không và trong vật liệu được gọi là chỉ số khúc xạ (n) và tính bởi công thức n=c/v , với c là vận tốc trong chân không còn v là vận tốc trong vật liệu. Khi ánh sáng truyền từ một môi trường có chỉ số khúc xạ cho trước sang một môi trường khác có chỉ số khúc xạ khác (ví dụ: khúc xạ xảy ra), góc khúc xạ sẽ phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của cả 2 vật liệu cũng như góc tới. Theo định luật Snell, ta có: nasinθa = nbsinθb với na, nb tương ứng là chỉ số khúc xạ của môi trường tới và môi trường khúc xạ, θa ,θb là góc tới và góc khúc xạ.

Hình 1.3 minh họa cấu trúc sợi quang bao gồm một lõi được bao quanh hoàn

toàn bởi một lớp vỏ (cả 2 đều chứa thủy tinh với các chỉ số khúc xạ khác nhau). Với sợi chiết xuất phân bậc SI, sự thay đổi chỉ số khúc xạ tại ranh giới lõi- vỏ là theo bậc. Nếu như chỉ số khúc xạ của vỏ nhỏ hơn của lõi thì sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần trong lõi và ánh sáng có thể truyền lan dọc theo sợi như trên hình 1.4. Hiện tượng phản xạ toàn phần sẽ xảy ra với góc tới lớn hơn góc tới hạn θc, được tính bởi công thức:

sin c =

nvõ n

(1.1)

lõi

vỏ

lõi

vỏ

lõi

125 50 125 5

(a) (b)

Hình 1.3:Mặt cắt sợi quang (a) đơn mode (b) đa mode (đơn vị μm)

Với nvỏ và nlõi tương ứng là chỉ số khúc xạ của vỏ và lõi. Vì vậy, để ánh sáng có thể truyền dọc theo sợi thì góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn θc.

Vỏ

Lõi

Vỏ

Hình 1.4: Truyền ánh sáng trong sợi quang bằng hiện tượng phản xạ toàn phần

Suy hao trên sợi quang

Hình 1.5 : Suy hao ánh sáng trên sợi quang

Suy hao của ánh sáng khi nó truyền dọc theo sợi là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi thiết kế hệ thống thông tin sợi quang vì nó đóng vai trò chủ yếu xác định khoảng cách truyền dẫn cực đại giữa phần phát và phần thu hoặc quyết định có đặt bộ khuếch đại trên đường truyền hay không. Cơ chế suy hao chủ yếu trên sợi là suy hao do hấp thụ, tán xạ và bức xạ năng lượng ánh sáng. Suy hao công suất tín hiệu trên

sợi quang P có chiều dài L được tính theo biểu thức :

P L  10 lg(

Pin )dB

Pout

(1.2)

Trong đó : Pin , Pout là công suất đầu vào và đàu ra của sợi quang

α: là suy hao tín hiệu trên 1 km sợi quang, α được tính theo công thức sau :



10 Pin 

 lg 

L P

dB / Km

out 

(1.3)

Một sợi quang lý tưởng không gây suy hao tín hiệu ánh sáng, nghĩa là:

Pin = Pout

Điều này có nghĩa là suy hao bằng 0. Điều này không thể có được. Trong thực tế, sợi quang hoạt động tại bước sóng 900 nm có suy hao trung bình 3 dB/km. Nghĩa là công suất quang giảm 50% khi truyền được 1 km và giảm 75% (tương ứng 6 dB) khi truyền qua 2 km.

Tán sắc trong sợi quang

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giản rộng ra bề mặt thời gian sau một khoảng đường truyền nhất định trong sợi cáp quang được gọi là hiện tượng tán sắc. Hình 1.6 minh họa sự giản rộng xung do tán sắc. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, kí hiệu là D, có đơn vị là giây (s) được xác định bởi công thức:



2 2

0 i



D (1.4)