Minh Họa Sự Giản Nở Xung Do Tán Sắc Khi Ánh Sáng Được Truyền Trong Sợi

Trong đó: τi , τ0 là độ rộng xung vào và xung ra. Độ tán sắc qua mỗi km sợi được tính bằng ns/km hoặc ps/km. Đối với loại tán sắc phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang thì đơn vị được tính là ps/nm.km.

Hình 1.6: Minh họa sự giản nở xung do tán sắc khi ánh sáng được truyền trong sợi

Có các loại tán sắc là :

- Tán sắc mode (đối với sợi đa mode) : Xảy ra khi nhiều mode truyền đối với cùng một tín hiệu truyền với vận tốc khác nhau trong sợi quang. Tán sắc mode không xảy ra trong sợi đơn mode

- Tán sắc vật liệu hay là tán sắc màu : Trong môi trường tán sắc, chỉ số khúc xạ là một hàm của bước sóng. Vì thế, nếu tín hiệu được truyền với nhiều hơn một bước sóng, một số bước sóng sẽ truyền với vận tốc nhanh hơn các bước sóng khác. Bởi vì không laser nào có thể tạo ra tín hiệu với một bước sóng chính xác nên tán sắc màu xảy ra hầu hết ở các hệ thống.

- Tán sắc ống dẫn sóng : Xảy ra do sự truyền lan của các bước sóng khác nhau phụ thuộc khác nhau vào đặc tính ống dẫn sóng như chỉ số khúc xạ và hình dạng của vỏ, lõi. Suy hao thấp nhất tại vùng cửa sổ 1550 nm. Dựa trên các kĩ thuật tiên tiến như dịch tán sắc, sợi quang có thể đạt mức tán sắc 0 tại bước sóng giữa 1300 nm đến 1700 nm.

Bảng 1.1: Các thông số tán sắc của một số sợi quang theo ITU

Loại sợi quang

Hệ số tán sắc tại 1550 nm
SMF (ITU-T G.652)	+17 ps/km.nm
DSF (ITU-T G.653)	0 ps/km.nm
NZ DSF (ITU-TUG G.655)	+3 ps/km.nm

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 89 trang tài liệu này.

1.2.2.2. Bộ phát quang

Hoạt động của Laser

Laser là cụm từ viết tắt của khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích (LASER–Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Việc phát xạ kích thích cho phép laser tạo ra các chùm sáng kết hợp công suất cực lớn (ánh sáng chứa nhiều nhiều bước sóng riêng biệt).

Cơ chế của phát xạ kích thích dựa trên các mức năng lượng của nguyên tử. Nguyên tử ở trạng thái ổn định (trạng thái nền) sẽ có các điện tử ở mức năng lượng thấp nhất có thể. Trong mỗi nguyên tử, tồn tại các mức năng lượng rời rạc gọi là các trạng thái. Để chuyển mức của nguyên tử từ trạng thái nền, nguyên tử phải hấp thu năng lượng. Sau đó, nguyên tử sẽ không ổn định và có xu hướng quay trở lại trạng thái nền bằng việc phát xạ ra photon – phân tử ánh sáng.

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một laser, bao gồm 2 gương tạo thành một hốc, môi trường laser và thiết bị kích thích. Thiết bị kích thích sử dụng dòng điện cho môi trường laser – được tạo từ các chất có trạng thái gần ổn định. Dòng điện sẽ kích thích các điện tử trong môi trường laser và khi điện tử trở lại trạng thái nền nó sẽ phát xạ ra một photon ánh sáng.

T hiỏt bị kích thích

Chùm sáng

Môi trưỏng laser

G ươ ng phỏn xạ

Hình 1.7: Cấu trúc chung của một Laser.

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon đi qua rất gần với một điện tử bị kích thích. Photon sẽ làm cho điện tử giải phóng năng lượng và trở lại trạng thái nền. Trong quá trình đó, điện tử sẽ giải phóng ra một photon khác có cùng hướng và tần số với photon kích thích. Các photon mà tần số là một phần nguyên của chiều dài hốc cộng hưởng sẽ kết hợp với nhau tạo ra ánh sáng có tần số cho trước ở ngay trong hốc. Giữa phát xạ bình thường và phát xạ kích thích, ánh sáng tại tần số lựa chọn trước xây dựng nên cường độ trước khi năng lượng biến mất khỏi môi trường nhanh như là khi nó được đưa vào. Các gương hỗ trợ cho phát xạ kích thích sản sinh ra các ánh sáng cường

độ cao. Một trong 2 gương là phát bộ phận, do đó các photon sẽ thoát khỏi buồng dưới dạng các chùm sáng hẹp tập trung. Bằng cách thay đổi chiều dài của buồng sẽ điều chỉnh được tần số của ánh sáng phát xạ.

Tần số của photon phát xạ phụ thuộc vào sự thay đổi mức năng lượng của nó và được tính theo công thức :

f Eg

(1.5)

Với f là tần số photon, Eg là năng lượng vùng cấm, h là hằng số Planck (=6,626 x 10-34 J.s).

1.2.2.3. Bộ thu quang

Máy thu quang đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống thông tin quang, nó có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu quang nhận được tại đầu ra của sợi quang thành tín hiệu điện ban đầu. Hình 1.8 trình bày sơ đồ khối tổng quát của một máy thu quang. Nó gồm một bộ ghép, một photodiode (bộ tách sóng quang) và một bộ giải điều chế và mạch điện tử làm nhiệm vụ điều khiển và hồi tiếp.Bộ ghép tập trung tín hiệu quang vào bộ tách sóng quang. Các photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến vì tính tương thích của chúng với toàn bộ hệ thống quang.

Bộ giải điều chế

Mạch điện tử

Một thông số quan trọng của máy thu là độ nhảy. Nó được định nghĩa là công suất quang trung bình nhỏ nhất đến máy thu sao cho máy thu vẫn làm việc bình thường, nghĩa là thỏa mãn tỷ số BER cho trước ứng với tốc độ bít nhất định (đối với máy thu số).

Bộ ghép

Tín hiệu quang (vào)

Photodiode

Hình 1.8 : Sơ đồ khối tổng quát của máy thu quang.

Tín hiệu điện (ra)

Có hai loại photodiode bán dẫn được sử dụng phổ biến là photodiode PIN và photodiode thác ADP. PIN và APD là các photodiode bán dẫn có một vùng nghèo có khả năng tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống (EHPs) khi hấp thụ photon và và chuyển đổi

nó thành dòng photo nhờ điện trường lớn bên trong. APD có thêm một lớp khuếch đại, cho phép các cặp cặp điện tử - lỗ trống sơ kích thích các cặp điện tử - lỗ trống thứ cấp cấp trong suốt quá trình ion hóa. Vì vậy, ADP có độ lợi dòng lớn hơn. Tuy nhiên nó có tốc độ đáp ứng chậm khi độ lợi tăng cao.

1.2.2.4. Bộ khuếch đại quang

Mặc dù tín hiệu quang có thể truyền với khoảng cách lớn trước khi cần phải khuếch đại nhưng các mạng quang vẫn tận dụng các ưu điểm của các bộ khuếch đại quang. Việc khuếch đại toàn quang có thể khác so với khuếch đại quang điện ở chỗ nó chỉ thực hiện việc khuếch đại công suất tín hiệu chứ không định đạng hay định thời lại tín hiệu. Kiểu khuếch đại này gọi là 1R và là hoàn toàn trong suốt đối với dữ liệu. Các bộ khuếch đại 1R là sự lựa chọn cho các mạng toàn quang trong tương lai. Các bộ khuếch đại quang-điện có thể thực hiện được cả 3 chức năng (3R) là tái tạo, định dạng và định thời. Tín hiệu quang vào bộ khuếch đại đầu tiên sẽ được chuyển đổi sang miền điện và sau đó trước khi chuyển đi sẽ lại được đưa sang miền quang.

Các bộ khuếch đại sợi pha tạp bao gồm sợi quang được pha với một nguyên tố (đất hiếm) có thể khuếch đại ánh sáng. Nguyên tố được sử dụng nhiều nhất là erbium, cung cấp độ khuếch đại đối với các bước sóng 1525-1560 nm. Tại phía cuối của sợi, một laser sẽ phát tín hiệu mạnh ở một bước sóng thấp hơn (còn gọi là bước sóng bơm) vào sợi quang. Tín hiệu bơm sẽ kích thích các nguyên tử được bơm pha trộn lên một mức năng lượng cao hơn. Điều này cho phép tín hiệu dữ liệu kích thích các nguyên tử bị kích thích làm chúng giải phóng ra photon. Hầu hết các bộ khuếch đại EDFA đều được bơm bằng laser tại bước sóng 980 hoặc 1480 nm.

Một hạn chế của khuếch đại quang là phổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang là không đồng đều. Do đó, nếu như tín hiệu quang nhiều bước sóng qua một loạt các bộ khuếch đại dẫn tới công suất của các bước sóng là không như nhau.

1.3. THÔNG TIN VÔ TUYẾN

1.3.1. Giới thiệu thông tin vô tuyến

Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin là: phía phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ, phía thu nhận sóng điện từ phía phát qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc.

Thông tin vô tuyến đã có được sự phát triển nhanh chóng trong những năm qua. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) dự báo, số thuê bao di động trên khắp thế giới sẽ

ngang với dân số toàn cầu ngay trong năm tới. Đến cuối năm 2013, tỉ lệ đăng kí thuê bao di động chung toàn cầu sẽ lên tới 98%, trong đó tỉ lệ ở các nước phát triển là 128%, còn ở các nước đang phát triển là 89%.[2]

1.3.2. Các đặc tính của sóng vô tuyến

Tần số sử dụng cho sóng điện từ như vai trò sóng mang trong thông tin vô tuyến được gọi riêng là "tần số vô tuyến" (RF). Tần số này chiếm một dải rất rộng từ VLF (tần số cực thấp) tới sóng milimét.

Bảng 1.2 trình bày băng tần số vô tuyến được phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế hiện hành và theo cơ chế và phương thức sử dụng sóng vô tuyến.

Bảng 1.2: Phân loại, cơ chế và sử dụng sóng vô tuyến

Tần số

Phân loại băng tần	Cơ chế truyền sóng vô tuyến	Cự ly thông tin và lĩnh vực sử dụng
3KHz–30KHz	VLF	Sóng đất – điện ly	Thông tin đạo hàng quân sự khắp thế giới
30KHz–300KHz	LF	Sóng đất	1500Km đạo hàng vô tuyến
300KHz–3Mhz	MF	Sóng ngắn (cự ly ngắn) – sóng dài (cự ly dài)	Phát thanh cố định Hàng không, đạo hàng, liên lạc nghiệp dư
3MHz–30MHz	HF	Sóng trời	3 - 6MHz : Thông tin liên tục lục địa 6 - 30Mhz : Thông tin di động Thông tin kinh doanh và nghiệp dư, dân sự quốc tế
30MHz–300MHz	VHF	Sóng trời Sóng đối lưu	Thông tin trực thi, VHF, FM Đa thông tin
300MHz–3GHz	UHF	Sóng trời Sóng đối lưu	Radar, đa thông tin Thông tin di động
300MHz–30GHz	SHF, Viba	Sóng trời	Thông tin vệ tinh, thông tin cố định Radar
30GHz–300GHz	EHF, Milimeter	Sóng trời	Thông tin cho tương lai

1.3.2.1. Sự lan truyền của băng tần số thấp

Sự lan truyền của băng tần số thấp là nhờ vào sóng đất. Nó được thực hiện nhờ nhiễu xạ sóng điện từ. Hiện tượng nhiễu xạ có mối quan hệ chặt chẽ với độ dẫn điện và hằng số điện môi của đất trong đường lan truyền. Vì cự ly truyền sóng trên mặt biển dài hơn so với mặt đất cho nên tần số thấp được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến đạo hàng. Trong trường hợp tần số cực thấp, bước sóng lớn hơn nhiều so với chiều cao từ bề mặt trái đất lên tới tầng điện ly. Cho nên, mặt đất và tầng điện ly đóng vai trò như hai bức tường. Nó được gọi là chế độ ống dẫn sóng mặt đất – điện ly mà nhờ nó, có thể thông tin tới toàn thế giới. Băng tần số cực thấp được sử dụng chủ yếu cho thông tin hàng hải và thông tin đạo hàng.

1.3.2.2. Sự lan truyền của băng tần số cao

Thông tin cự ly xa bằng băng tần số cao được thực hiện nhờ sự phản xạ của sóng trời trên tầng điện ly. Trong phương thức thông tin này, mật độ thu sóng trời phụ thuộc vào tần số vô tuyến và trạng thái của tầng điện ly, trạng thái này thay đổi theo thời gian, theo ngày, theo mùa và theo điều kiện thời tiết.

1.3.3. Thực trạng của thông tin vô tuyến hiện nay

Hình 1.9: Sơ đồ chỉ ra các thành phần của mạng truy nhập vô tuyến băng hẹp

Hình 1.9 mô tả cấu hình của một hệ thống truy nhập vô tuyến băng hẹp (ví dụ như GSM). Trạm trung tâm (CS) chịu trách nhiệm xử lý cuộc gọi và chuyển mạch, trong khi trạm gốc (BS) hoạt động với các giao diện vô tuyến với các thiết bị di động (MU) hoặc thiết bị đầu cuối vô tuyến (WTU). Các BSs có thể được kết nối tới CS thông qua rất nhiều công nghệ: cáp đồng trục, sóng vi ba hoặc là liên kết sợi quang. Khi tín hiệu tới BS, chúng sẽ được xử lý và điều chế lên sóng mang thích hợp. Bán kính vùng phủ bởi tín hiệu phát ra từ BS chính là bán kính ô của mạng. Tất cả MU/WTU trong ô đó sẽ chia sẻ phổ tần vô tuyến. Đối với mạng WLAN sẽ được cấu

hình ở trong một mô hình tương tự, với giao diện vô tuyến được gọi là Radio Access Point (RAP).

Các tần số sóng mang thấp sẽ cho băng thông thấp. Do đó, một trong những lý do tại sao hệ thống truy nhập vô tuyến lại cung cấp dung lượng hạn chế là bởi vì chúng hoạt động ở các tần số thấp. GSM hoạt động ở các tần số 900 MHz hoặc 1800 MHz với độ rộng kênh là 200 kHz. UMTS hoạt động tại các tần số xung quanh 2GHz và có độ rộng kênh là 5 MHz. Tuy nhiên, bên cạnh đó cũng có sự cạnh tranh mạnh mẽ cho phổ tần số giữa rất nhiều hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng các tần số sóng mang dưới 6GHz, bao gồm quảng bá TV và radio, và các hệ thống cho các dịch vụ thông tin quan trọng như sân bay, cảnh sát, cứu hỏa, các cá nhân sử dụng radio, wireless LANs và rất nhiều hệ thống khác…. Các tần số thấp giúp cho đầu cuối vô tuyến chi phí thấp (tại BS và MU/WTU).

Bảng 1.3: Phân bổ tần số đối với các hệ thống truy nhập vô tuyến băng rộng.

Tần số

Hệ thống vô tuyến
2 GHz	Hệ thống UMTS/3G
2.4 GHz	IEEE 802.11 b/g WLAN
5 GHz	IEEE 802.11 a WLAN
2-11 GHz	IEEE 802.16 WiMAX
17/19	Indoor Wireless (Radio) LANs
28 GHz	Fixed wireless access – Local point to Multipoint (LMDS)
38 GHz	Fixed wireless access – Picocellular
58 GHz	Indoor wireless LANs
57-64 GHz	IEEE 802.15 WPAN
10-66 GHz	IEEE 802.16 WiMAX

Do đó, để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến là sử dụng các ô có kích thước nhỏ hơn (gọi là micro và picocells). Điều này rất khó thực hiện đối với các sóng mang vi ba tần số thấp. Ngược lại, các sóng vô tuyến tại tần số sóng mm các suy hao truyền lan lớn cùng với các đòi hòi về LOS sẽ tạo điều kiện để hình thành nên các ô nhỏ.

Một cách khác để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến là gia tăng tần số sóng mang, để tránh cho các tần số ở băng ISM bị nghẽn. Các tần số sóng mang

cao hơn sẽ đưa ra băng thông điều chế lớn hơn, song có thể dẫn tới các chi phí gia tăng cho đầu cuối vô tuyến tại các BSs và MUs/WTUs.

Các cell nhỏ hơn sẽ giúp cho cải thiện hiệu suất trải phổ thông qua việc tái sử dụng tần số nhiều hơn. Nhưng đồng thời kích cỡ ô nhỏ hơn đồng nghĩa với việc số lượng lớn hơn các BSs hoặc RAPs cần thiết để bao phủ một vùng rộng lớn. Hơn thế nữa, các mạng truyền dẫn (feeder) phải đủ lớn cần thiết để phục vụ số lượng lớn các BSs/RAPs đó. Vì thế, trừ phi chi phí cho các BSs/RAPs, và mạng truyền dẫn giảm một cách rõ rệt nếu không việc cài đặt hệ thống rộng và bảo trì các hệ thống kể trên sẽ là rất lớn. Đó là lý do ra đời của công nghệ Radio-over-Fiber (RoF). Với các thành quả trong việc đơn giản hóa các BSs thông qua việc tổng hợp các chức năng hệ thống vô tuyến tại CS.

1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG

Qua tìm hiểu tổng quan về thông tin quang và thông tin vô tuyến ta thấy được những ưu điểm to lớn của chúng về khả năng truyền dẫn, dung lượng, băng thông, ngày càng đáp ứng đầy đủ các dịch vụ thông tin băng rộng, đa phương tiện, trở thành nền tảng cho việc xây dựng các xa lộ thông tin toàn cầu.