Đề tài Phương pháp thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến

Mục Lục Bảng chữ viết tắt ADSL AGC APD ATM BER CATV CNR CO DFB DWDM DBS DSL DSLAM EQ FDM FTTC FTTB FTTH FITL GI GVD HDT HFC HFPC HFW HFR HPF ISDN LPF MDF MMDS NA ONU OTU POTS QPSK QAM RF SDH SI STB SMF STM VOD Asymetric Digital Subcriber Loop Automatic Gain Control Angled Physical Contact Asynchronous Transfer Mode Bit Error Rate Community Antenna Television System Carrier-to-Noise Ratio Central Office Distributed Feedback laser Dense Wavelength Division Multiplexing Direct Broatcast Satellite Digital Subscriber Line DSL Access Multiplexing Equalizer Frequency Division Multiplexing Fiber To The Curb Fiber To The Building Fiber To The Home Fiber In The Loop Gratded Index Group Velocity Dispersion Host Digital Terminal Hybrid Fiber/ Coaxial network Hybrid Fiber Passive/ Coaxial network Hybrid Fiber/ Wireless network Hybrid Fiber/ Radio network Hight Pass Filter Intergrated Services Digital Network Low Pass Filter Main Distribution Frame Multipoint Multichanel Distribution Service Numerical Aperture Optical Network Unit Optical Terminal Unit Plain Old Telephone Service Quadrature Phase Shift Keying Quadrature Ampliture Modulation Radio Frequency Synchronous Digital Hierarchy Step Index Set – Top - Box Single Mode Fiber Synchronous Transfer Mode Video On Demand Vòng Thuê bao số không đối xứng Tự điều chỉnh hệ số khuếch đại Tiếp xúc góc Phương thức truyền không đồng bộ Tỉ số lỗi bit Hệ thống truyền hình cáp cộng đồng Tỉ số sóng mang trên nhiễu Tổng đài trung tâm Laser hồi tiếp phân tán Ghép kênh phân chia theo mật độ bước sóng Vệ tinh quảng bá trực tiếp Đường thuê bao số Ghép kênh truy nhập đường thuê bao số Khối cân bằng Ghép kênh phân chia theo tần số Cáp quang đến khu vực Cáp quang đến toà nhà Cáp quang đến gia đình Cáp quang trong mạng thuê bao Chỉ số chiết suất Gradient Tán sắc vận tốc nhóm Thiết bị đầu cuối số trung tâm Mạng lai cáp quang/ cáp đồng trục Mạng HFC thụ động Mạng lai cáp quang/ không dây Mạng lai cáp quang/ vô tuyến Bộ lọc thông cao Mạng liên kết số đa dịch vụ Bộ lọc thông thấp Giá phối dây chính Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh Khẩu độ số Đơn vị mạng quang Đơn vị đầu cuối quang Dịch vụ thoại thông thường Điều chế khoá dịch pha cầu phương Điều chế biên độ cầu phương Tần số cao tần Phân cấp số đồng bộ Chỉ số chiết suất phân bậc Đầu thu tín hiệu số Sợi quang đơn mode Phương thức truyền đồng bộ Truyền hình theo yêu cầu Lời nói đầu Truyền hình cáp (CATV) từ lâu đã không còn xa lạ đối với người dân ở các nước phát triển trên thế giới. Tuy nhiên việc phát triển và mở rộng các mạng truyền hình cáp vẫn chưa được quan tâm nhiều bởi vì trước đây mạng truyền hình cáp chỉ đơn thuần cung cấp các dịch vụ về truyền hình, không thể cung cấp các dịch vụ khác như thoại, số liệu…Thuật ngữ CATV xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1948 tại Mỹ khi thực hiện thành công hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến và thuật ngữ CATV được hiểu là hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến (Cable TV). Một năm sau, cũng tại Mỹ hệ thống truyền hình cộng đồng sử dụng anten (Community Antenna Television-CATV) cung cấp dịch vụ cho thuê bao bằng đường truyền vô tuyến đã được lắp đặt thành công. Từ đó thuật ngữ CATV được dùng để chỉ chung cho các hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Những năm gần đây, do tăng nhu cầu thưởng thức các chương trình truyền hình chất lượng cao, nội dung phong phú cũng như sự tiến bộ trong công nghệ, các mạng truyền hình cáp đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Giờ đây không chỉ cung cấp các chương trình truyền hình thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của người xem mà chúng còn trở thành một tiềm lực cạnh tranh đáng kể đối với các mạng viễn thông khác trong cung cấp các dịch vụ viễn thông. Tại Việt Nam hiện nay có các dịch vụ truyền hình như truyền hình quảng bá, dịch vụ truyền hình MMDS và dịch vụ truyền hình cáp hữu tuyến. Truyền hình quảng bá sử dụng môi trường hoàn toàn không khí để truyền tín hiệu và các thuê bao chỉ việc cắm anten để thu tín hiệu từ anten phát của các đài truyền hình là đã có thể xem chương trình nên các thuê bao không cần phải đóng cước dịch vụ và các nhà sản xuất chương trình cũng không phải tốn kém về phương tiện truyền dẫn. Tuy nhiên vì là chương trình truyền hình tương tự và sử dụng dải tần số ngoài không gian nên tài nguyên bị hạn hẹp dẫn đến số lượng kênh phát ra của dịch vụ truyền hình quảng bá rất hạn chế và nó chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các nguồn nhiễu của môi trường truyền dẫn như: nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các đài phát lân cận … và nó cũng chịu ảnh hưởng rất lớn của thời tiết. Dịch vụ truyền hình quảng bá không thể tăng thêm kênh chương trình khác do băng thông bị hạn chế. Vì tài nguyên tần số không gian là một tài nguyên quý giá đối với mỗi quốc gia và ngoài việc dành cho dịch vụ truyền hình nó còn dành cho nhiều dịch vụ khác nữa như: thông tin liên lạc trong quân đội, thông tin di động … Còn dịch vụ truyền hình MMDS thì sử dụng sóng mang phụ của thông tin vi ba (900MHz) để truyền tải các kênh truyền hình và kéo cáp từ trung tâm truyền hình đến trạm vi ba, sử dụng anten phát của trạm vi ba để phát sóng đến các vùng xung quanh trạm trong một phạm vi bán kính nhất định, nó được chia thành các cell hình dải quạt để phủ sóng. Đối với dịch vụ này thì thuê bao cũng chỉ cần dựng cột anten là có thể thu được chương trình truyền hình và giải mã để xem. Tuy nhiên đây là phương thức truyền trong tầm nhìn thẳng nên anten thu của thuê bao bắt buộc phải nhìn thấy anten phát của trạm vi ba gần nó thì mới thu được tín hiệu. Đây là một nhược điểm của dịch vụ vì nó sẽ hạn chế đối với các vùng dân cư trong khu vực có nhiều toà nhà cao tầng che chắn (như là các khách sạn) hoặc các khu vực dân cư có nhiều cây cối che phủ. Các khu vực đó không thể bắt được tín hiệu do tín hiệu không thể xuyên qua chướng ngại vật hoặc đi cong xuống. Còn nữa nó cũng tương tự như dịch vụ truyền hình quảng bá ở chỗ băng thông bị hạn chế nên kênh truyền hình phát ra cũng bị hạn chế và nó cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các nguồn nhiễu công nghiệp, nhiễu của các đài phát lân cận và chính nó cũng gây nhiễu cho các đài phát khác, cũng chịu ảnh hưởng mạnh của thời tiết. Do các hạn chế của các dịch vụ truyền hình như ở trên nên việc phát triển truyền hình cáp hữu tuyến HFC là điều tất yếu vì: Mạng HFC sử dụng cáp quang ở mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu nên đã sử dụng được các ưu điểm của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác như: Băng thông của cáp quang rất lớn (1014 ~ 1015 Hz), suy hao đường truyền rất nhỏ, không chịu ảnh hưởng bởi nhiễu của môi trường ngoài và nhiễu điện từ, có thể tích hợp được nhiều dịch vụ trên cùng một đường truyền… Tại Hà Nội, nhu cầu phát triển mạng truyền hình cáp hữu tuyến qui mô, hiện đại cung cấp nhiều chương trình cho người dân Thủ đô đã được lập kế hoạch phát triển và đang được triển khai trên diện rộng. Cùng với sự phát triển này, đề tài tốt nghiệp “Phương pháp thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến” trình bày những nội dung cơ bản nhất các công nghệ sử dụng trong mạng truyền hình cáp hữu tuyến về kiến trúc mạng HFC, hướng phát triển của mạng và so sánh các ưu nhược điểm của mạng HFC với các dịch vụ truyền dẫn cạnh tranh khác. Nội dung bản đồ án gồm năm chương được giới thiệu sơ lược sau đây: Chương I: Giới thiệu tổng quan về truyền hình cáp hữu tuyến nói chung, vị trí của truyền hình cáp trên thị trường thông tin và xu hướng phát triển của nó trong thời gian tiếp theo sau này. Ngoài ra còn điểm qua một số công nghệ truy nhập cạnh tranh với mạng truyền hình cáp. Chương II: Giới thiệu về các mạng truyền hình cáp truyền thống và mạng truyền hình kết hợp. Giới thiệu và so sánh giữa các cấu trúc mạng khác nhau. Chương III: Giới thiệu về một số thiết bị quan trọng sử dụng trong việc thiết kế và lắp đặt mạng quang (mạng truyền dẫn và mạng phân phối tín hiệu truyền hình). Nêu nguyên tắc làm việc của một trạm trung tâm truyền hình cáp cơ bản, cấu tạo của thiết bị trung tâm. Chương IV: Giới thiệu về các thiết bị chính dùng trong mạng cáp đồng trục (mạng truy nhập tín hiệu). Chương V: Nêu nguyên tắc thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến và thiết kế một mạng truyền hình cáp cụ thể trên địa bàn thành phố Hà Nội. Ngoài ra có thiết kế thêm thí dụ về kiến trúc mạng HFPC để so sánh với kiến trúc mạng HFC và đưa ra kết luận về việc lựa chọn kiến trúc mạng nào thì phù hợp cho tình hình nước ta hiện nay.Trong chương này có tính toán chi tiết tín hiệu từ trung tâm đến tận thiết bị nhà thuê bao. Tuy nhiên chỉ chọn lựa thí điểm một số vùng nhất định. Trong quá trình làm đồ án do thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi những sơ suất và một số nội dung chưa được chi tiết, mong các thầy cô giáo góp ý và thông cảm. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo cũng như các anh chị trong phòng thiết kế của công ty truyền hình cáp Hà Nội đã tận tính giúp đỡ trong quá trình làm đồ án. Chương I -Tổng quan về truyền hình cáp hữu tuyến 1.1 – Tổng quan về truyền hình cáp Mạng truyền hình cáp bao gồm 3 thành phần chính: Hệ thống thiết bị tại trung tâm, hệ thống mạng phân phối tín hiệu và thiết bị thuê bao. Hệ thống thiết bị trung tâm Hệ thống trung tâm (Headend System) là nơi cung cấp, quản lý chương trình hệ thống mạng truyền hình cáp. Đây cũng chính là nơi thu thập các thông tin quan sát trạng thái, kiểm tra hoạt động mạng và cung cấp các tín hiệu điều khiển. Với các hệ thống mạng hiện đại có khả năng cung cấp các dịch vụ truyền tương tác, truyền số liệu, hệ thống thiết bị trung tâm còn có thêm các nhiệm vụ như: mã hoá tín hiệu quản lý truy nhập, tính cước truy nhập, giao tiếp với các mạng viễn thông như mạng Internet... Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp: Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là môi trường truyền dẫn tín hiệu từ trung tâm mạng đến các thuê bao. Tuỳ theo đặc trưng của mỗi hệ thống truyền hình cáp, môi trường truyền dẫn tín hiệu sẽ thay đổi: với hệ thống truyền hình cáp như MMDS môi trường truyền dẫn tín hiệu sẽ là sóng vô tuyến. Ngược lại, đối với hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến (Cable TV) môi trường truyền dẫn sẽ là các hệ thống cáp hữu tuyến (cáp quang, cáp đồng trục, cáp đồng xoắn ...). Mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp hữu tuyến có nhiệm vụ nhận tín hiệu phát ra từ các thiết bị trung tâm, điều chế, khuếch đại và truyền vào mạng cáp. Các thiết bị khác trong mạng có nhiệm vụ khuếch đại, cấp nguồn và phân phối tín hiệu hình đến tận thiết bị của thuê bao. Hệ thống mạng phân phối tín hiệu truyền hình cáp là bộ phận quyết định đến đối tượng dịch vụ, khoảng cách phục vụ, số lượng thuê bao và khả năng mở rộng cung cấp mạng. headend hub sơ cấp hub thứ cấp node quang TAP Mạng truyền dẫn Mạng phân phối Mạng truy nhập node quang Hình 1.2 Cấu hình mạng truyền dẫn và phân phối tín hiệu Thiết bị tại nhà thuê bao Với một mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ tương tự, thiết bị tại thuê bao có thể chỉ là một máy thu hình, thu tín hiệu từ mạng phân phối tín hiệu. Với mạng truyền hình cáp sử dụng công nghệ hiện đại hơn, thiết bị thuê bao gồm các bộ chia tín hiệu, các đầu thu tín hiệu truyền hình (Set-top-box) và các cáp dẫn... Các thiết bị này có nhiệm vụ thu tín hiệu và đưa đến TV để thuê bao sử dụng các dịch vụ của mạng: Chương trình TV, truy nhập Internet, truyền dữ liệu... 1.2 - Vị trí các mạng truyền hình cáp và xu hướng phát triển Các mạng CATV đã trải qua các giai đoạn phát triển từ mạng tương tự quảng bá một chiều đồng trục tới mạng HFC tương tác 2 chiều truyền tải các kênh Video tương tự/ số và dữ liệu tốc độ cao. Mạng đồng trục băng rộng kiến trúc cây và nhánh truyền thống được hỗ trợ bởi công nghệ RF phục vụ tốt các dịch vụ quảng bá và các dịch vụ điểm-đa điểm. Dùng nhiều bộ khuếch đại (30 á 40), có thể làm giảm chất lượng và tính năng của kênh Video AM-VSB, làm giảm thị hiếu của khách hàng. Việc sử dụng các kết nối vi ba mặt đất đã giảm số lượng các bộ khuếch đại, cải thiện được hiệu năng truyền dẫn các kênh quảng bá tương tự. Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ sợi quang từ cuối những năm 80 đã khiến cho công nghiệp truyền hình cáp phát triển mạnh mẽ. Sự ra đời của laser điều chế trực tiếp DM-DFB 550 MHz và các bộ thu quang hoạt động ở dải bước sóng 1310 nm đã làm thay đổi kiến trúc truyền thống mạng cáp đồng trục. Mạng HFC cho phép truyền dẫn tin cậy các kênh Video tương tự quảng bá qua sợi đơn mode SMF tới các node quang, do đó số lượng các bộ khuếch đại RF đã được giảm đi rất nhiều. Hơn nữa các nhà điều hành còn thực hiện triển khai thiết bị headend sử dụng các Ring sợi quang để kết nối giữa headend trung tâm và các headend thứ cấp hoặc các Hub tại những vị trí quan trọng. Do vậy, các nhà điều hành cáp có thể hạ giá thành và cải thiện hơn nữa chất lượng và tính hữu dụng của các dịch vụ quảng bá truyền thống. Sự phát triển của nhiều thiết bị quan trọng như: Các bộ điều chế QAM, các bộ thu QAM giá thành hạ, các bộ mã hóa và giải mã tín hiệu Video số, cho phép các nhà điều hành cáp cung cấp thêm khoảng 10 dịch vụ Video số mới trong các kênh Video AM/VSB dùng với STB số. Việc triển khai nhanh chóng mạng HFC 750 MHz và một số dịch vụ viễn thông cung cấp khả năng cạnh tranh truy nhập và nhiều loại hình kinh doanh cho khách hàng tại các thị trường quan trọng. Vào giữa thập kỷ 1990, kiến trúc mạng HFC đã bắt đầu có hướng phát triển mới. Cuộc cách mạng này là do những áp lực sau của thị trường: Bùng nổ nhu cầu truy nhập dữ liệu tốc độ cao trong các khu vực dân cư. Nhu cầu chuyển phát các dịch vụ số tương tác. Gia tăng cạnh tranh từ nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các nhà cung cấp dịch vụ DBS (Direct Broadcast Satellite). Sự tiến bộ trong công nghệ sợi quang, đặc biệt là laser và bộ thu quang và quản lý mạng cáp. Những nhu cầu và áp lực của thị trường đã tác động tới các nhà điều hành cáp xem lại kiến trúc mạng HFC hiện tại và tiến tới mạng truy nhập CATV DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). 1.3 - Các công nghệ truy nhập cạnh tranh Có nhiều công nghệ truy nhập có thể phục vụ các dịch vụ băng rộng tới thuê bao. Phần này sẽ cung cấp tổng quan một số công nghệ cạnh tranh cùng những ưu nhược điểm từng loại. 1.3.1 - Công nghệ ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) Công nghệ ADSL sử dụng đường dây thoại xoắn đôi hiện có để cung cấp băng thông yêu cầu cho các dịch vụ băng rộng như truy nhập Internet, thoại hội nghị, đa phương tiện tương tác và VOD. Công nghệ ADSL được thiết kế để giải quyết tình trạng tắc nghẽn nghiêm trọng hiện nay trong các mạng thoại giữa tổng đài trung tâm (CO: Central Office) và thuê bao. ADSL có thể chuyển phát tốc độ dữ liệu trong khoảng từ 64 kb/s đến 8,192 Mb/s cho kênh đường xuống và tốc độ trong khoảng 16 kb/s tới 768 kb/s cho các kênh đường lên trong khi vẫn đồng thời dùng các dịch vụ thoại truyền thống POTS (Plain Old Telephone Service). ADSL rất phù hợp để đáp ứng nhu cầu truy nhập Internet tốc độ cao. Đường truyền dẫn ADSL cung cấp tốc độ dữ liệu tới 8 Mbit/s xuống khách hàng và 640 Kbit/s luồng lên mở rộng dung lượng truy nhập mà không cần lắp đặt thêm cáp mới. Ngoài ra, việc sử dụng ADSL sẽ chuyển lưu lượng dịch vụ Internet qua các mạng chuyển mạch gói hoặc ATM giúp hoạt động hiệu quả hơn, giải quyết được vấn đề tắc nghẽn trên mạng thoại. Cấu trúc mạng cơ bản : Internet Chuyển mạch ATM SDLAM ATU-C splitter MDF PSTN Chuyển mạch CO POTS/ISDN SPLITTER ATU-R PC Mạch vòng TB Các đường không phải xDSL POTS/ISDN Hình 1.4 Cấu hình hệ thống sử dụng công nghệ ADSL Mạch vòng thuê bao là một đôi dây đồng xoắn đôi nối cụm thuê bao và tổng đài trung tâm. Đối với ADSL full-rate (cung cấp tốc độ 6á8 Mbit/s luồng xuống), bộ Splitter được lắp đặt tại cả hai đầu cuối mạch vòng. Phía khách hàng modem ADSL mà dây ADSL kết nối tới gọi là khối kết cuối ADSL đầu xa (ATU-R). ở phía tổng đài, các bộ Splitter được lắp đặt nơi các mạch vòng thuê bao kết cuối trên giá phối dây chính MDF (Main Distribution Frame), đầu ra có hai đôi dây. Đôi thứ nhất kết nối tới mạng chuyển mạch thoại để cung cấp dịch vụ thoại truyền thống. Đôi dây thứ hai kết nối tới khối kết cuối ADSL trung tâm (ATU-C). Để truyền dẫn hiệu quả, các khối ATU-C được kết hợp với chức năng ghép kênh tạo nên bộ ghép kênh truy nhập DSL (DSLAM: Digital Subscriber Line Access Multiplexer) trong tổng đài trung tâm và được kết nối tới mạng các nhà cung cấp dịch vụ. Số liệu qua ADSL được đóng gói trong các tế bào ATM. DSLAM cần có khả năng xử lý các tế bào ATM để thực hiện ghép kênh lưu lượng thống kê. Tổng tốc độ các đường ADSL qua tất cả các khối ATU-C có thể lớn hơn tốc độ đường STM-1. ứng dụng của ADSL Đặc điểm truyền tốc độ hai chiều không đối xứng của ADSL làm cho kỹ thuật này phù hợp với hầu hết các ứng dụng yêu cầu băng thông luồng xuống lớn hơn băng thông luồng lên. VoD là hướng phát triển ban đầu của ADSL nhưng sau đó truy nhập Internet tốc độ cao nhanh chóng trở thành hướng phát triển chủ yếu. Ngoài ra còn một số ứng dụng khác đang được phát triển và sử dụng công nghệ này như sau: Telecommuting: Dịch vụ thoại và truy nhập dữ liệu từ xa, cho phép người sử dụng làm việc tại nhà và kết nối tới cơ sở dữ liệu tại nơi làm việc. Dịch vụ truyền video hoặc thông tin thời gian thực: ADSL cho phép phân phối những ứng dụng băng rộng theo thời gian thực như tin tức, token chứng khoán, thời tiết ... Chương trình đào tạo từ xa: ADSL full-rate với chất lượng dịch vụ đảm bảo có thể cung cấp luồng video theo tiêu chuẩn MPEG-2 cho phép các trung tâm giảng dạy gửi video minh hoạ bài dạy và trao đổi trực tiếp với học viên từ nhiều vị trí. Chữa bệnh từ xa: Các bác sĩ có thể chẩn đoán và khám chữa bệnh từ xa. Hội nghị truyền hình: Mặc dù dịch vụ này yêu cầu băng thông hai chiều đối xứng nhưng ADSL full-rate có thể cung cấp một kênh H0 (384´384Kbit/s) chuyên dụng ngoài băng thông có sẵn của ADSL cho ứng dụng này trong khi vẫn đảm bảo phục vụ các ứng dụng khác. 1.3.2 - Fiber-In-The-Loop (FITL) Công nghệ truy nhập FITL thường dùng cáp quang theo kiến trúc hình sao (điểm-đa điểm), gồm một họ các kiến trúc như: Cáp quang tới tận node FTTN Cáp quang tới tận hộ dân cư FTTC Cáp quang tới tận hộ thuê bao FTTH Các hệ thống FITL được phát triển theo hướng tương thích với các dịch vụ, hệ thống truyền dẫn, hệ thống điều hành của các nhà khai thác nội vùng (LEC). Kiến trúc nguyên thủy FITL được chỉ ra trong hình 1.5. Một mạng FITL gồm một kết cuối host số (HDT: Host Digital Terminal) với các khối ONU trong kiến trúc hình sao, được HDT quản lý. HDT cung cấp các hoạt động và giao diện cần thiết của hệ thống FITL cho phần còn lại của mạng LEC. Ví dụ, HDT có thể tách riêng lưu lượng chuyển mạch nội hạt và ra bên ngoài để quản lý định tuyến. Các dịch vụ băng rộng như Internet, tương tác đa phương tiện và thoại được phát tới HDT, HDT có thể được đặt tại CO hoặc tại đầu xa, như tín hiệu băng gốc. Điều này trái ngược với các mạng HFC, trong đó các dịch vụ băng rộng được điều chế RF. Tại HDT, tín hiệu số băng gốc được chuyển mạch và gửi tới các khối mạng băng rộng qua cáp quang. ONU được đặt gần thuê bao và phục vụ nhiều khách hàng. ONU thực hiện chuyển đổi quang điện và các chức năng quan trọng khác. Tín hiệu điện sau đó được phát tới thuê bao qua cáp đồng trục hoặc cáp đồng xoắn đôi. Một khối giao diện mạng đặt tại phía thuê bao sẽ tách tín hiệu Video, tín hiệu dữ liệu, và tín hiệu thoại như chỉ ra trong hình 1.5. Tín hiệu Video số được tách kênh và giải mã bởi một STB. Video server splitter Video server tương tác Cổng Internet Hệ thống truy nhập chuyển mạch số ONU Cáp đồng trục Mạng ATM Mạng PSTN Hình 1.5 Cấu hình hệ thống Fiber – in – the – loop Một kiến trúc FITL khác là FTTH. Như tên gọi của nó, cáp quang sẽ thay thế cáp đồng trục hoặc cáp đồng xoắn đôi từ ONU đến thuê bao. Sự khác nhau giữa kiến trúc FTTH và FTTC nằm ở vị trí lắp đặt của ONU. Trong kiến trúc FTTH, ONU được đặt tại nhà thuê bao. Vì vậy, nhu cầu dùng công nghệ cáp xoắn đôi ngoài nhà thuê bao được loại bỏ trong kiến trúc FTTH. Phần mạng giữa HDT và các ONU trở thành mạng quang thụ động, điều này trở nên rất quan trọng khi nâng cấp trong tương lai. Băng thông rộng sẵn có (hàng THz) của sợi quang để chuyển phát các dịch vụ băng rộng cho thuê bao là một trong những ưu điểm của kiến trúc mạng toàn quang này. Với việc dùng công nghệ WDM, các hệ thống FTTH có khả năng truyền tải tốc độ hàng Gb/s ví dụ OC-48/STM-16 (2.5GHz) hoặc các dịch vụ băng rộng tương thích với SONET/SDH tới thuê bao. Hơn nữa, vì mỗi ONU được đặt tại nhà thuê bao, do vậy không cần thiết công suất ngoài hoặc bảo dưỡng thêm. Nhược điểm chính của FTTH là giá thành mỗi OTU tương đối cao và chi phí lắp đặt cáp quang ban đầu. Bất chấp nhược điểm này, kiến trúc FTTH có nhiều tiềm năng hứa hẹn để cung cấp các dịch vụ băng rộng cho thuê bao. 1.3.3 - Vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite) Công nghệ DBS dựa trên các vệ tinh đồng bộ địa tĩnh cung cấp các chương trình truyền hình đa kênh cho các thuê bao có trang bị các bộ thu DBS. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay chưa có vệ tinh riêng và cũng chưa có các kênh truyền hình trả tiền qua vệ tinh riêng. Các chương trình truyền hình qua vệ tinh được cung cấp bởi các nhà cung cấp dịch vụ nước ngoài và thông qua các vệ tinh nước ngoài. Người dân muốn đăng ký dịch vụ truyền hình qua vệ tinh cần phải được sự cho phép của Bộ Văn Hoá Thông Tin. Vì vậy, truyền hình trả tiền qua vệ tinh ở Việt Nam gặp nhiều hạn chế như: không có kênh truyền hình và ngôn ngữ tiếng việt đăng ký dịch vụ phức tạp, chi phí thuê bao cao. Chính vì những lý do này mà số lượng người xem truyền hình qua vệ tinh ở Việt Nam rất ít. 1.3.4 - Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh (MMDS) (MMDS: Multipoint Multichanel Distribution Service) Công nghệ truy nhập MMDS là một công nghệ không dây (wireless) khác được dựa trên các kênh Video tương tự và số quảng bá mặt đất. Kiến trúc cơ bản MMDS gồm các khối phát vô tuyến MMDS đặt tại các tháp radio cùng với anten, một anten của thuê bao, một bộ hạ tần và một STB. Mỗi vùng phục vụ được chia thành các cell có phần giao nhau, mỗi cell có bán kính 40 km. Đối với truyền dẫn yêu cầu mức tin cậy cao, tầm nhìn giữa anten phát và thu được yêu cầu bình thường. Vì tầm nhìn luôn không thuận lợi nên nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng chủ yếu trong hệ thống MMDS là tín hiệu fading nhiều đường. Sử dụng công nghệ MMDS có những thuận lợi và khó khăn sau: 1 – Thuận lợi Triển khai mạng đơn giản, chi phí thấp: Do môi trường truyền dẫn tín hiệu MMDS là sóng vi ba (sóng vô tuyến) cho nên khi triển khai mạng đến thuê bao không cần phải kéo cáp tới tận hộ thuê bao, mà chỉ cần dựng cột anten thu tại thuê bao sao cho có thể nhìn thấy cột anten phát (tại cột anten của đài THVN) là có thể thu được tín hiệu và giải mã để xem. Đặc điểm này sẽ giúp nhà cung cấp dịch vụ MMDS không mất thời gian, công sức và chi phí đào đường rải cáp, đảm bảo mỹ quan đô thị. 2 – Khó khăn Hạn chế vùng phủ sóng: Do sử dụng sóng viba tại dải tần 900MHz để truyền tín hiệu Video, MMDS đòi hỏi anten phát và anten thu phải nhìn thấy nhau thì mới thu được tín hiệu tốt. Vì vậy đối với các hộ dân cư nằm ở phía sau các khu khách sạn cao tầng, các khu cao ốc, việc thu tín hiệu MMDS rất khó thực hiện. Điều này cũng xảy ra đối với các gia đình ở trong các ngôi nhà thấp, bị các vật cản như cây cối che chắn. Đât chính là trở ngại lớn cho việc cung cấp dịch vụ MMDS đến với mọi người dân sử dụng dịch vụ. Chịu tác động mạnh bởi nhiễu công nghiệp: Do sử dụng phương thức điều chế tín hiệu truyền hình tương tự (analog) không có khả năng chống lỗi, lại truyền bằng sóng vô tuyến, tín hiệu MMDS bị ảnh hưởng rất mạnh bởi các nguồn nhiễu công nghiệp: nhiễu từ mạng điện lưới, nhiễu từ các thiết bị điện: môtơ điện, quạt điện… mà không có cách hạn chế và khắc phục. Điều này dẫn đến giảm chất lượng hình ảnh của dịch vụ MMDS. Chịu ảnh hưởng lớn bởi thời tiết: khi thời tiết xấu, ví dụ như mưa to, sét… tín hiệu MMDS vô tuyến bị suy hao rất lớn trong không gian, dẫn đến giảm mạnh chất lượng tín hiệu hình ảnh. Yêu cầu phổ tần số vô tuyến quá lớn: Muốn có khả năng cung cấp nhiều chương trình truyền hình tương tự, MMDS đòi hỏi phải có dải tần đủ lớn . Ví dụ: để có thể cung cấp 13 kênh truyền hình tương tự, MMDS đòi hỏi phải có dải tần tối thiểu là 13kênh x 8MHz/kênh = 104MHz. Đây là một dải tần vô tuyến rất lớn, và khi càng tăng số lượng chương trình thì yêu cầu độ rộng băng tần cũng tăng theo. Trong khi đó phổ tần vô tuyến là nguồn tài nguyên quý giá đối với mỗi một quốc gia. Không chỉ có dịch vụ truyền hình MMDS, truyền hình quảng bá mặt đất sử dụng nguồn tải nguyên quý giá này, mà còn rất nhiều các dịch vụ viễn thông khác cũng như các trạm phát vô tuyến thuộc nghiệp vụ an ninh – quốc phòng tham gia sử dụng nguồn tài nguyên quý giá này. Vì thế việc chiếm dụng phổ tần vô tuyến quá lớn của MMDS là không hiệu quả. Gây can nhiễu các đài phát vô tuyến khác: Mặc dù được phân một dải tần riêng, nhưng máy phát MMDS cũng như các máy phát vô tuyến khác luôn sinh ra các tần số hài bậc cao có thể ảnh hưởng đến các trạm phát vô tuyến nghiệp vụ khác. Khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ truyền hình số: Hiện nay việc không sử dụng MMDS để cung cấp dịch vụ truyền hình là xu hướng thực tế trên thế giới (do các nhược điểm trên) . Chính vì thế việc các thiết bị phát tín hiệu truyền hình số MMDS không được phát triển, thêm nữa, các thiết bị giải mã ở phía thuê bao cũng không được các nhà sản xuất thiết bị nghiên cứu và sản xuất. Do đó việc ứng dụng truyền hình số để nâng cao chất lượng hình ảnh, dịch vụ của MMDS sẽ không có tính khả thi. Khối phát vô tuyến MMDS Môi trường truyền dẫn STB Trung tâm Khối hạ tần Hình 1.6 Cấu hình mạng dịch vụ phân phối đa kênh đa điểm MMDS Một công nghệ gần với MMDS là công nghệ lai ghép giữa cáp quang và không dây (HFW) hay còn gọi là lai ghép giữa quang và vô tuyến (HFR). Kiến trúc này tương tự như HFC ở đó một headend trung tâm phát các dịch vụ băng rộng tới nhiều cell RF qua cáp đơn mode SMF, tới thuê bao được thực hiện qua 2 chiều MMDS. Có nhiều ưu điểm trong kiến trúc này: Tăng độ tin cậy truyền dẫn 2 chiều giữa thuê bao và headend so với kiến trúc MMDS truyền thống. Giảm lắp đặt vùng RF và chi phí bảo dưỡng. Kiến trúc này thường phù hợp triển khai trên diện rộng trong các khu vục thành thị tại đó mạng cáp quang đã được xây dựng. Chương II – Kiến trúc mạng truyền hình cáp 2.1 - Kiến trúc mạng CATV truyền thống Hình 2.1 là sơ đồ đơn giản của một mạng cáp toàn đồng trục. Các chương trình thu được từ vệ tinh hoặc viba tại headend, headend thực hiện nhiệm vụ sau: Hình 2.1 Kiến trúc đơn giản mạng CATV truyền thống Head end Cáp fidơ Cáp thuê bao Cáp trung kế Thuê bao Thuê bao Thuê bao Chú thích Pad Bộ khuếch đại Spliter Tap Thu các chương trình (ví dụ từ NBC, CBS, và các mạng cáp như MTV& ESPN) Chuyển đổi từng kênh tới kênh tần số RF mong muốn, ngẫu nhiên hóa các kênh khi có yêu cầu. Kết hợp tất cả các tần số vào một kênh đơn tương tự băng rộng (ghép FDM). Phát quảng bá kênh tương tự tổng hợp này xuống cho các thuê bao . Hệ thống mạng truyền dẫn bao gồm: Cáp chính trung kế (Trunk cable). Fidơ cáp: Cáp rẽ ra từ các cáp trung kế Cáp thuê bao (Drop cable): Phần cáp kết nối từ cáp nhánh fidơ đến thuê bao hộ gia đình. Lưu lượng Video tổng đường xuống phát từ headend và được đưa tới các cáp trung kế. Để cung cấp cho toàn một vùng, các bộ chia tín hiệu (spliter) sẽ chia lưu lượng tới các cáp nhánh fidơ từ cáp trung kế. Tín hiệu đưa đến thuê bao được trích ra từ các cáp nhánh (fidơ cáp) nhờ bộ trích tín hiệu Tap. Mức tín hiệu suy hao tỷ lệ với bình phương tần số trung tâm khi truyền qua cáp trục (cáp trung kế, cáp fidơ và cáp thuê bao). Do vậy tín hiệu ở tần số càng cao suy hao càng nhanh so với tần số thấp. Đó là lý do tại sao các nhà cung cấp mong muốn ít kênh. Mức tín hiệu cũng bị suy giảm khi đi qua các bộ Spliter và Tap . Trên đường đi của tín hiệu, các bộ khuếch đại tín hiệu được đặt ở các khoảng cách phù hợp để khôi phục tín hiệu bị suy hao. Các bộ khuếch đại được cấp nguồn nhờ các bộ cấp nguồn đặt rải rác trên đường đi của cáp, các bộ nguồn này được nuôi từ mạng điện sở tại. Các bộ khuếch đại xa nguồn được cấp nguồn cũng chính bằng cáp đồng trục: dòng điện một chiều được cộng chung với tín hiệu nhờ bộ cộng. Đến các bộ khuếch đại, dòng một chiều sẽ được tách riêng để cấp nguồn cho bộ khuếch đại. Vì các kênh tần số cao tín hiệu suy hao nhanh hơn nhất là trên khoảng cách truyền dẫn dài, các kênh tần số cao cần có mức khuếch đại cao hơn so với các kênh tần số thấp. Do đó cần phải cân bằng công suất trong dải tần phát tại những điểm cuối để giảm méo. Để phủ cho một vùng, một bộ khuếch đại có thể đặt ở mức cao, kết quả là cả mức tín hiệu và méo đều lớn. Do vậy tại nhà thuê bao gần headend cần một thiết bị thụ động làm suy giảm bớt mức tín hiệu gọi là Pad. Các hệ thống cáp đồng trục cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu thu của TV. Mặc dù nhiều vùng tín hiệu truyền hình vô tuyến quảng bá thu được có chất lượng khá tốt nhưng CATV vẫn được lựa chọn phổ biến vì khả năng lựa chọn nhiều chương trình. Tuy nhiên mạng toàn cáp đồng trục có một số nhược điểm sau: Mặc dù đạt được một số thành công về cung cấp dịch vụ truyền hình, các hệ thống thuần túy cáp trục không thể thỏa mãn các dịch vụ băng rộng tốc độ cao. Dung lượng kênh của hệ thống không đủ để đáp ứng cho phát vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS. Hệ thống cáp đồng trục có thể cung cấp hơn 40 kênh nhưng các thuê bao DBS có thể thu được gấp 2 lần số kênh trên, đủ cho họ lựa chọn chương trình. Các mạng cáp yêu cầu cần thêm dung lượng kênh để tăng cạnh tranh. Truyền dẫn tín hiệu bằng cáp đồng trục có suy hao rất lớn, nên cần phải đặt nhiều bộ khuếch đại tín hiệu trên đường truyền. Do vậy phải có các chi phí khác kèm theo: nguồn cấp cho bộ khuếch đại, công suất tiêu thụ của mạng tăng lên… dẫn đến chi phí cho mạng lớn. Các hệ thống cáp đồng trục thiếu độ tin cậy. Nếu một bộ khuếch đại ở gần headend không hoạt động (ví dụ như mất nguồn nuôi), tất cả các thuê bao do bộ khuếch đại đó cung cấp sẽ mất các dịch vụ. Mức tín hiệu (chất lượng tín hiệu) sẽ không đủ đáp ứng cho số lượng lớn các thuê bao. Do sử dụng các bộ khuếch đại để bù suy hao cáp, nhiễu đường truyền tác động vào tín hiệu và nhiễu nội bộ của bộ khuếch đại được loại bỏ không hết và tích tụ trên đường truyền, nên càng xa trung tâm, chất lượng tín hiệu càng giảm, dẫn đến hạn chế bán kính phục vụ của mạng. Các hệ thống cáp đồng trục rất phức tạp khi thiết kế và vận hành hoạt động. Việc giữ cho công suất cân bằng cho tất cả các thuê bao là vấn đề rất khó. Để giải quyết các nhược điểm trên, các nhà cung cấp cùng đi tới ý tưởng sử dụng cáp quang thay cho cáp trung kế đồng trục. Toàn hệ thống sẽ có cả cáp quang và cáp đồng trục gọi là mạng lai giữa cáp quang và đồng trục (mạng lai HFC). Yêu cầu đối với hệ thống quang tương tự là duy trì sự tương thích với các thiết bị cáp kim loại hiện có. 2.2 - Kiến trúc mạng có cấu trúc 2.2.1 - Các đặc điểm cơ bản mạng HFC Khái niệm: Mạng HFC (Hybrid Fiber/Coaxial network) là mạng lai giữa cáp quang và cáp đồng trục, sử dụng đồng thời cáp quang và cáp đồng trục để truyền và phân phối tín hiệu. Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các node quang là cáp quang, còn từ các node quang đến thuê bao là cáp đồng trục. Mạng HFC bao gồm 3 mạng con (segment) gồm: Mạng truyền dẫn (Transport segment) Mạng phân phối (Distribution segment) Mạng truy nhập (Acess segment) Mạng truyền dẫn bao gồm hệ thống cáp quang và các Hub sơ cấp, nhiệm vụ của nó là truyền dẫn tín hiệu từ headend đến các khu vực xa. Các Hub sơ cấp có chức năng thu/phát quang từ/đến các node quang và chuyển tiếp tín hiệu quang tới các Hub khác. Mạng phân phối tín hiệu bao gồm hệ thống cáp quang, các Hub thứ cấp và các node quang. Tín hiệu quang từ các Hub sẽ được chuyển thành tín hiệu điện tại các node quang để truyền đến thuê bao. Ngược lại trong trường hợp mạng 2 chiều, tín hiệu điện từ mạng truy nhập sẽ được thu tại node quang và chuyển thành tín hiệu quang để truyền đến Hub về headend. Mạng truy nhập bao gồm hệ thống cáp đồng trục, các thiết bị thu phát cao tần có nhiệm vụ truyền tải các tín hiệu cao tần RF giữa node quang và các thiết bị thuê bao. Thông thường bán kính phục vụ của mạng con truy nhập tối đa khoảng 300m. Mạng truyền dẫn (backbone) Mạng phân phối Mạng truy nhập Hình 2.2 Kiến trúc mạng HFC Hoạt động của mạng: Tín hiệu Video tương tự cũng như số từ các nguồn khác nhau như: Các bộ phát đáp vệ tinh, nguồn quảng bá mặt đất, Video sever được đưa tới headend trung tâm. Tại đây tín hiệu được ghép kênh và truyền đi qua Ring sợi đơn mode (SMF). Tín hiệu được truyền từ headend trung tâm tới thông thường là 4 hoặc 5 Hub sơ cấp. Mỗi Hub sơ cấp cung cấp tín hiệu cho khoảng hơn 150.000 thuê bao. Có khoảng 4 hoặc 5 hub thứ cấp và headend nội hạt, mỗi hub sơ cấp chỉ cung cấp cho khoảng 25000 thuê bao. Hub thứ cấp được sử dụng để phân phối phụ thêm các tín hiệu video tương tự hoặc số đã ghép kênh với mục đích giảm việc phát cùng kênh video tại các headend sơ cấp và thứ cấp khác nhau. Các kênh số và tương tự của headend trung tâm có thể cùng được chia xẻ sử dụng trên mạng backbone. Mạng backbone được xây dựng theo kiến trúc Ring sử dụng công nghệ SONET/SDH hoặc một số công nghệ độc quyền. Các đặc điểm của SONET/SDH được định nghĩa cấp tốc độ số liệu chuẩn từ tốc độ OC-1 (51,84 Mb/s)/STM-1 (155,52 Mb/s) tới các tốc độ gấp nguyên lần tốc độ này. Trong mạng SONET/SDH, tín hiệu Video tương tự được số hoá, điều chế, ghép kênh TDM và được truyền ở các tốc độ khác nhau từ OC-12/STM-4 (622 Mb/s) tới OC-48/STM-16 (2448 Mb/s). ở đây sử dụng kỹ thuật ghép kênh thống kê TDM để tăng độ rộng băng tần sử dụng. Ghép kênh thống kê TDM thực hiện cấp phát động các khe thời gian theo yêu cầu để thực hiện các dịch vụ có tốc độ bít thay đổi qua mạng SONET/SDH. Để giảm chi phí lắp đặt, phần lớn các nhà điều hành CATV lựa chọn sử dụng thiết bị tương thích với chuẩn SONET/SDH, tuỳ theo các giao diện mạng. Dung lượng node quang được xác định bởi số lượng thuê bao mà nó cung cấp tín hiệu. Node quang có thể là node cỡ nhỏ với khoảng 100 thuê bao hoặc cỡ lớn với khoảng 2000 thuê bao. 2.2.2 - Ưu và nhược điểm của mạng HFC Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu, mạng HFC sẽ sử dụng các ưu điểm vượt trội của cáp quang so với các phương tiện truyền dẫn khác: Dải thông cực lớn, suy hao tín hiệu rất thấp, ít bị nhiễu điện từ, chống lão hóa và ăn mòn hóa học tốt. Với các sợi quang được sản xuất với công nghệ hiện đại ngày nay, các sợi quang cho phép truyền các tín hiệu có tần số lên tới hàng trăm THz (1014 á 1015 Hz). Đây là dải thông tín hiệu vô cùng lớn, có thể đáp ứng mọi yêu cầu dải thông đường truyền mà không một phương tiện truyền dẫn nào khác có thể có được. Tín hiệu quang truyền trên sợi quang hiện nay chủ yếu nằm trong 2 cửa sổ bước sóng quang là 1310 nm và 1550 nm. Đây là 2 cửa sổ có suy hao tín hiệu rất nhỏ: 0,3 dB/km với bước sóng 1310 nm và 0,2 nm với bước sóng 1550 nm. Trong khi đó với một sợi cáp đồng trục loại suy hao thấp nhất cũng phải mất 43 dB/km tại tần số 1 GHz. Tín hiệu truyền trên sợi cáp là tín hiệu quang, vì vậy không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ từ môi trường dẫn đến đảm bảo được chất lượng tín hiệu trên đường truyền. Được chế tạo từ các chất trung tính là Plastic và thủy tinh, các sợi quang là các vật liệu không bị ăn mòn hóa học dẫn đến tuổi thọ của sợi cao. Có khả năng dự phòng trong trường hợp sợi quang bị đứt. Trước đây các mạng con truy nhập thường sử dụng các thiết bị tích cực là các bộ khuếch đại tín hiệu nhằm bù suy hao cáp để truyền tín hiệu đi xa. Theo kinh nghiệm của các nhà điều hành mạng cáp của châu Âu và châu Mỹ, trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và các thiết bị ghép nguồn cho chúng. Các thiết bị này nằm rải rác trên mạng, vì thế việc định vị, sửa chữa thông thường không thể thực hiện nhanh được nên ảnh hưởng đến chất lượng phục vụ khách hàng của mạng. Với các mạng truy nhập đồng trục, khi cung cấp dịch vụ 2 chiều, các bộ khuếch đại cần tích hợp phần tử khuếch đại tín hiệu cho các tín hiệu ngược dòng dẫ đến độ ổn định của mạng giảm. Hiện nay xu hướng trên thế giới đang chuyển dần sang sử dụng mạng truy nhập thụ động, tại đó không sử dụng bất cứ một thiết bị tích cực nào nữa, mà chỉ còn các bộ chia tín hiệu, các bộ ghép định hướng và các bộ trích tín hiệu thụ động. Một mạng HFC chỉ sử dụng các thiết bị cao tần thụ động được gọi là mạng HFC thụ động HFPC (Hybrid Fiber/Passive Coaxial) như thể hiện trong hình 2.3. Sử dụng mạng truy nhập thụ động hoàn toàn sẽ tạo ra các ưu điểm sau: Chất lượng tín hiệu được nâng cao do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu mà hoàn toàn chỉ dùng các thiết bị thụ động nên tín hiệu tới thuê bao sẽ không bị ảnh hưởng của nhiễu tích tụ do các bộ khuếch đại. Sự cố của mạng sẽ giảm rất nhiều dẫn đến tăng độ ổn định và chất lượng phục vụ mạng vì trục trặc của mạng truyền hình cáp phần lớn xảy ra do các bộ khuếch đại và thiết bị ghép nguồn cho chúng. Các thiết bị thụ động đều có khả năng truyền tín hiệu theo 2 chiều vì thế độ ổn định của mạng vẫn cao khi cung cấp dịch vụ 2 chiều. Sử dụng hoàn toàn các thiết bị thụ động sẽ giảm chi phí rất lớn cho việc cấp nguồn bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa các thiết bị tích cực dẫn đến giảm chi phí điều hành mạng. Nếu sử dụng mạng đồng trục thụ động, số lượng thuê bao tại một node quang sẽ giảm đi, dẫn đến dung lượng đường truyền cho tín hiệu hướng lên sẽ tăng lên, tạo ra khả năng cung cấp tốt các dịch vụ 2 chiều tốc độ cao cho thuê bao. Tuy nhiên, mạng truy nhập cáp đồng trục thụ động HFPC cũng có một số nhược điểm sau: Do không sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu cao tần, tín hiệu suy hao trên cáp sẽ không được bù dẫn đến hạn chế lớn bán kính phục vụ của mạng. Do không kéo cáp đồng trục đi xa, số lượng thuê bao có thể phục vụ bởi một node quang có thể giảm đi. Để có thể phục vụ số lượng thuê bao lớn như khi sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu, cần kéo cáp quang đến gần thuê bao hơn và tăng số node quang dẫn đến tăng chi phí rất lớn cho mạng. Hình 2.3 Cấu trúc mạng HFPC Mạng truyền dẫn (Backbond) Mạng phân phối Mạng truy nhập Bộ chia Bộ chia 2.2.3 - Kết luận Như đã trình bày ở trên, ưu điểm của mạng này là nhược điểm của mạng kia. Tuỳ thuộc vào mô hình kinh tế, điều kiện địa lý để áp dụng loại mạng nào cho phù hợp. Nếu xét trong cùng một phạm vi phục vụ, mạng HFPC yêu cầu số lượng node quang lớn hơn mạng HFC. Vì vậy: Trong điều kiện mạng quang đã có sẵn, nên chọn phương án xây dựng mạng HPFC nhằm mục đích giảm chi phí đầu tư cho mạng đồng trục, đẩy nhanh tốc độ triển khai mạng, nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả khai thác. Trong điều kiện mạng quang còn hạn hẹp, nên chọn phương án xây dựng mạng HFC. Khi đó, để đẩy nhanh tốc độ mở rộng mạng phải vươn dài mạng đồng trục bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại cao tần. Đối với tình hình nước ta hiện nay thì cấu trúc mạng HFC hợp lý hơn vì ở Việt Nam mạng truyền hình cáp vẫn đang còn mới mẻ, mạng mới được đưa vào sử dụng trong khoảng thời gian ngắn nên cơ sở hạ tầng còn thiếu thốn. Hệ thống mạng hầu như phải kéo mới nên để giảm chi phí lắp đặt cho cả nhà khai thác lẫn các thuê bao thì mạng HFC là hợp lý nhất nên trong phạm vi đồ án này em chỉ xét cấu trúc mạng HFC và phương pháp thiết kế mạng này. Chương III – Các thiết bị chính trong mạng quang 3.1 – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Headend 3.1.1 - Sơ đồ khối cơ bản của Headend 1/ Khối RF/IF là khối chuyển đổi từ tín hiệu cao tần (RF) của truyền hình quảng bá lên tín hiệu trung tần (IF) của hệ thống truyền hình cáp (hay còn gọi là bộ upconverter). 2/ Khối thu tín hiệu vệ tinh là khối có chức năng chuyển đổi từ tín hiệu vệ tinh (là hai tín hiệu audio và video tách biệt) có tần số cao xuống tín hiệu trung tần (IF) của hệ thống truyền hình cáp (gọi là bộ downconverter). 3/ Khối IF/IF là bộ lọc trung tần có chức năng lọc đúng tần số của kênh truyền hình cần thu. 4/ Khối IF/RF là khối chuyển đổi từ tín hiệu trung tần lên tín hiệu cao tần trong dải tần của hệ thống truyền hình cáp để ghép kênh và truyền lên mạng đến thuê bao. 5/ Khối combiner là khối kết hợp kênh hay còn gọi là khối ghép kênh nó có chức năng ghép các kênh truyền hình thu được từ truyền hình quảng bá và từ vệ tinh vào một dải tần đường xuống (65MHz ~ 862MHz) của hệ thống truyền hình cáp theo phương thức ghép kênh theo tần số (FDM). 6/ Khuếch đại RF là bộ khuếch đại tín hiệu cao tần trước khi đưa vào bộ chia tín hiệu cao tần để vào máy phát. 7/ Máy phát quang có chức năng chuyển đổi từ tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ghép nó vào sợi quang để truyền đi. RF RF RF RF RF RF RF RF RF RF RF RF RF RF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF IF A/V A/V A/V A/V A/V A/V IF IF IF IF Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Combiner RF IS Phát quang (Tx) Sợi quang Cáp đồng trục Hình 3.1 Trung tâm Headen IS IS IS IS 3.1.2 - Nguyên lý hoạt động của Headend Các chương trình quảng bá mặt đất (VTV1, VTV2, VTV3, …) được thu qua các anten VHF (very hight friquency), mỗi một kênh truyền hình được thu qua một anten riêng, các kênh truyền hình thu được sau đó đưa vào khối chuyển đổi từ tín hiệu cao tần RF thành tín hiệu trung tần IF (upconverter). Lúc này tín hiệu thu được từ mỗi anten là một dải tần bao gồm kênh tín hiệu cần thu và các kênh tín hiệu khác lọt vào (ví dụ: anten VHF cần thu kênh VTV3 nhưng trong tín hiệu thu được có cả các kênh khác như HTV, VTV2). Tín hiệu trung tần chung này được đưa qua bộ lọc trung tần để lọc lấy kênh tín hiệu cần thu (VTV3). Mỗi bộ lọc trung tần được điều chỉnh để chỉ thu một kênh tín hiệu. Tín hiệu trung tần ra khỏi bộ lọc chỉ có một kênh duy nhất. Các kênh tín hiệu này sẽ được đổi lên tần số RF qua bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu RF nằm trong dải tần đường xuống của mạng CATV. Sau đó tín hiệu RF này được đưa vào bộ kết hợp (combiner 16:1) để ghép kênh với các kênh tín hiệu khác theo phương thức ghép kênh theo tần số (FDM: Friquency Division Multiplexing). Các tín hiệu vệ tinh được thu qua anten parabol là các tín hiệu truyền hình bao gồm nhiều kênh ghép lại với nhau, để tách các kênh này ra thành các kênh độc lập thì chúng được chia thành nhiều đường bằng các bộ chia vệ tinh. Sau đó mỗi đường sẽ được đưa vào bộ thu vệ tinh (downconverter) để chuyển từ tần số cao thành tần số thấp, tín hiệu ra khỏi bộ thu là tín hiệu A/V. Đây chưa phải là tín hiệu mà CATV cần nên sau đó chúng được đưa vào bộ chuyển đổi A/V thành IF.Tín hiệu ra là tín hiệu IF trộn cả Audeo và Video. Tín hiệu trung tần này vẫn là sự kết hợp của nhiều kênh tín hiệu , để lấy ra một kênh theo yêu cầu thì chúng được đưa qua bộ lọc trung tần giống như khi thu các chương trình truyền hình quảng bá và tín hiệu ra là kênh tín hiệu cần thu. Các kênh này tiếp tục được đưa vào bộ chuyển đổi IF/RF để được tín hiệu RF nằm trong dải tần CATV. Sau đó được đưa vào combiner 16:1 để ghép kênh với các kênh truyền hình khác thu từ vệ tinh và các kênh truyền hình quảng bá trong dải tần đường xuống (70MHz ~ 862MHz). Tín hiệu ra là tín hiệu RF đã ghép kênh bao gồm nhiều kênh được ghép lại với nhau. Tín hiệu này đã có thể đưa vào máy thu hình của thuê bao giải mã và xem được, nhưng để truyền đi xa và theo nhiều hướng khác nhau thì nó được đưa vào bộ khuếch đại để khuếch đại lên sau đó chia ra bằng bộ chia tín hiệu cao tần (bộ chia ký hiệu ISV hoặc IS). Tín hiệu sau bộ chia mỗi đường được đưa vào một máy phát quang, tại đây tín hiệu RF được chuyển thành tín hiệu quang và ghép vào sợi quang để truyền đến thuê bao qua mạng HFC. 3.1.3 - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang 3.1.3.1 – Cấu tạo Bộ lập mã Bộ điều khiển Nguồn quang Hình 3.2 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu quang Tín hiệu vào Tín hiệu quang ra Ip Máy phát quang bao gồm 3 khối chính như sau: + Bộ lập mã có chức năng chuyển các mã đường truyền khác nhau (RZ, NRZ, AMI…) thành mã đường truyền thích hợp trên đường truyền quang, thường là mã Manchester. + Bộ điều khiển có chức năng chuyển tín hiệu vào biểu diễn theo áp thành tín hiệu biểu diễn theo dòng phù hợp với nguồn laser. Vì nguồn laser chỉ làm việc với tín hiệu dòng. + Nguồn quang trong trường hợp này dùng nguồn laser loại phân bố phản hồi (DFB) để nâng cao chất lượng tín hiệu. Có các loại nguồn quang thường dùng sau: 1/ Laser điode có khoang cộng hưởng Fabry – perot Laser đioe có cấu trúc dị thể kép như LED , nhưng có khả năng khuếch đại. Để đạt được mục đích này thường dùng khoang cộng hưởng Fabry-perot, bằng cách mài nhẵn hai đầu dị thể kép thành hai gương phản xạ như hình 3.2a. Cấu trúc này của laser diode được viết tắt là FP-LD. Khoảng cách hai gương trong laser diode Fabry-perot là L. các gương này có khả năng tạo ra hồi tiếp tích cực, tức là sự quay lại của các photon kích thích trong vùng hoạt tính sẽ kích thích nhiều photon hơn. ánh sáng đi ra ngoài qua hai gương phản xạ. Xét điều kiện khuếch đại trong laser diode Fabry-perot: một sóng truyền từ gương bên trái tới gương bên phải, như hình 3.3b. Tại gương bên phải, sóng này sẽ phản xạ và tiếp tục truyền như thế. Dạng sóng này gọi là sóng đứng. Để trong buồng cộng hưởng chỉ có sóng với bước sóng ổn định thì nó phải là sóng đứng. Yêu cầu vật lý này có thể được viết như sau: N = (3.1) Trong đó: L: là khoảng cách hai gương N: là số nguyên Để thoả mãn điều kiện cộng hưởng, hai gương phản xạ phải cách nhau một khoảng là L bằng số nguyên lần nửa bước sóng. Quá trình phát xạ của FP-LD được thực hiện khi một vài bước sóng cộng hưởng nằm trong đường cong khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn hơn suy hao, như trong hình 3.3c Vùng hạn chế Vùng hạn chế Gương Vùng hoạt tính Dl l (nm) Công suất đầu ra (mW) L (a) (b) (c) Hình 3.3 Laser Fabry-perot: (a) Cấu tạo của khoang cộng hưởng; (b) Hình thành sóng đứng trong khoang cộng hưởng; (c) Phổ phát xạ của FP-LD Đặc tính P – I của laser diode như hình 3.4. Đặc tính phổ của FP – LD như hình 3.3d. Dòng (mA) Công suất ra (mW) Hình 3.4 Đặc tính P – I của laser diode 0 2/ Laser diode DFB (Distributed FeedBack) Nguyên lý hoạt động của laser DFB là sư dụng hiện tượng phản xạ Bragg vào mục đích nén các mode bên trong và chọn lọc tần số. Trong thiết bị này buồng cộng hưởng Fabry-perot được thay thế bằng cách tử nhiễu xạ (Hình 3.5). Sóng quang lan truyền song song với cách tử, do cách tử có cấu trúc tuần hoàn chu kỳ tạo hiện tượng giao thoa giữa hai sóng ghép la truyền ngược nhau. Để hiện tượng giao thoa sóng xảy ra thì sau một chu kỳ của cách tử pha của sóng phải thay đổi 2pm, trong đó m là số nguyên, được gọi là bậc nhiễu xạ Bragg tức là: 2pm = 2L (3.2) Với neff là chiết suất hiệu dụng của mode (neff ằ 3,4 đối với bước sóng 1550nm InGaAsP laser). L là chu kỳ cách tử, hệ số 2 xuất hiện trong biểu thức trên vì ánh sáng phải phản xạ hai lần để trùng pha với pha của sóng tới. Nếu điều kiện (3.2) không thoả mãn thì ánh sáng tán xạ từ cách tử sẽ giao thoa triệt tiêu lẫn nhau, kết quả là sóng không thể lan truyền đi được. Khi m = 1 thì bước sóng lB được gọi là bước sóng Bragg bậc 1 và: lB = 2Lneff (3.3) Hình 3.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán DFB P L Lớp tiếp xúc Cách tử Lớp tiếp xúc Vùng hoạt tính n Công thức (3.3) là trường hợp đặc biệt của định luật Bragg và nếu m = 1 đơn vị thì sóng được gọi là thoả mãn điều kiện Bragg thứ nhất. Ngoài ra cũng có thể ánh sáng phản xạ thoả mãn điều kiện Bragg thứ hai. Thực tế thì khi m = 2, chu kỳ cách tử tăng lên và dễ chế tạo hơn. Lưu ý rằng cách tử không nằm trong lớp hoạt tính nguyên nhân là do cách tử nằm trong vùng hoạt tính sẽ gây ra sự chuyển vị bề mặt và điều này sẽ làm tăng tỷ lệ tái hợp không bức xạ. Lớp cách tử được thực hiện nhờ công nghệ quang khắc hoặc công nghệ ăn mòn hoá học. Đặc tuyến P-I của laser được thể hiện như trong hình 3.4 và chức năng điều chế tín hiệu tương tự được thể hiện như trong hình3.6a và điều chế tín hiệu số được thể hiện như trong hình 3.6b. ở đây logic 0 tương ứng với trạng thái tối và logic 1 tương ứng với trạng thái sáng của ánh sáng laser. Một tín hiệu thay đổi thẳng từ giá trị dưới ngưỡng đến giá trị trên ngưỡng của đặc tuyến laser (dòng bơm). Tín hiệu quang đầu ra Tín hiệu điện đầu vào Hình 3.6.(a) Điều chế tín hiệu số IF (mA) Ith Ib P(mW) Tín hiệu quang đầu ra Tín hiệu điện đầu vào Hình 3.6.(b) Điều chế tương tự IF (mA) Ith Ib P(mW) 3.1.3.2 – Hoạt động của máy phát Tín hiệu cao tần RF qua bộ lập mã (nếu là tín hiệu số thì nó sẽ được chuyển đổi mà đường truyền hiện tại thành mã đường truyền thích hợp cho đường truyền quang thường là mã Manchester) sau đó tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển để chuyển tín hiệu điện áp thành tín hiệu dòng bơm thích hợp cho nguồn laser và nguồn laser có chức năng chuyển tín hiệu điện đó thành tín hiệu ánh sáng và ghép vào sợi quang qua bộ nối. 3.2 – Cấu tạo và hoạt động của node quang 1 - Sơ đồ khối của node quang 4 cổng ra: 01 03 02 04 05 06 TP1 RF1 07 08 RF2 RF3 RF4 TP2 TP3 TP4 Hình 3.7 Sơ đồ khối của node quang 4 cổng ra 2 - Cấu tạo của node quang bao gồm các khối cơ bản sau: (01) Khối thu quang có chức năng thu tín hiệu từ tuyến đến và sau đó chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) (02) Khối khôi phục tín hiệu: khối này bao gồm các bộ chia tín hiệu, bộ suy hao (pad), bộ khuếch đại, chúng Có chứ năng lần lượt là chia đều tín hiệu cho các cổng khác, điều chỉnh mức tín hiệu phù hợp với yêu cầu đầu ra và khuếch đại tín hiệu. (03) Khối khuếch đại công suất trước khi đưa ra đầu ra. (04) Khối Diplexer ba cổng: có chức năng rẽ tín hiệu đường xuống và đường lên. Tín hiệu có đường xuống sẽ đi theo cổng H (Hight) còn đường lên sẽ theo cổng L (Low). (05) Là các bộ rẽ tín hiệu (trích tín hiệu ra ) để kiểm tra. (06) Là khối kết hợp (Combiner) tín hiệu từ hai cổng theo hướng lên (Hướng trở về trung tâm) TP (Test Point): là đầu kiểm tra,tại mỗi đầu ra sẽ có một đầu kiểm tra tín hiệu được trích ra bằng khối chia tín hiệu. 3 - Nguyên lý hoạt động của node quang Tín hiệu quang tại đầu vào được chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) qua điốt quang điện vào bộ khuếch đại, tín hiệu cao tần (RF) được chia đều thành hai hướng vào hai khối tương tự nhau. Tại đây tín hiệu được khôi phục lại nhờ bộ cân chỉnh và khuếch đại lên đưa vào bộ chia, tín hiệu lại tiếp tục được chia thành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra cổng. Tín hiệu hướng xuống đi qua khối Diplexer sẽ đi qua cổng H ra cổng ra. Còn tín hiệu cao tần hướng lên (đi từ phía thuê bao) sẽ đi qua cổng L vào khối Combiner và được kết hợp với tín hiệu đến từ các cổng khác qua bộ lọc, bộ lọc sẽ lọc lấy khoảng tín hiệu trong băng tần hướng lên (5MHz á 65MHz) sau đó được khuếch đại và được đưa vào khối phát quang. Tại đây tín hiệu cao tấn (RF) sẽ được chuyển thành tín hiệu quang qua điôt điện quang để truyền về trung tâm trên các sợi cáp hướng lên. 4 - Chức năng của node quang Chức năng chính của node quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu cao tần (RF) và ngược lại. Đồng thời nó cũng khuếch đại tín hiệu và cân chỉnh lại tín hiệu tương tự như tín hiệu tại máy phát. Vì tín hiệu khi truyền trên sợi quang bị suy hao và các xung bị giãn ra do hiện tượng tán sắc của sợi quang mà đặc biệt là truyền trên sợi đơn mode nên sự ảnh hưởng này lại càng lớn. Chúng làm suy giảm chất lượng tín hiệu vì vậy cần cân chỉnh và khuếch đại. Tín hiệu vào của node quang nằm trong khoảng –2.5dBm á +2dBm và tín hiệu ra thông thường của một node quang trong khoảng 108dBmV. Khoảng bước sóng hoạt động là từ 1270 á1550nm, trong truyền hình cáp dùng cửa sổ quang 1310nm để có suy hao trên sợi quang thấp. 3.3 – Sợi quang 3.3.1 - Cấu tạo và dạng sợi quang Lớp vỏ bảo vệ Hình 3.8 Cấu tạo sợi quang Vỏ Lõi Để truyền lan được ánh sáng, một sợi quang cơ bản có cấu tạo như hình 3.8. Mặc dù trên thực tế, sợi quang có thể có nhiều lớp nhưng chỉ có hai lớp cơ bản là lớp lõi (core) và lớp vỏ (cladding) đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền lan ánh sáng. Cả lớp lõi và lớp vỏ được chế tạo từ thuỷ tinh Silic, tuy nhiên chúng có chiết xuất khác nhau, lõi có chiết xuất lớn hơn vỏ để đảm bảo điều kiện phản xạ để có thể duy trì việc truyền lan ánh sáng bên trong lõi sợi quang. Chênh lệch chiết xuất giữa lớp lõi và lớp vỏ thường khoảng một vài phần trăm. Hầu hết các loại sợi quang đều có đường kính lớp vỏ khoảng 125mm. Bên ngoài lớp vỏ này thường là một vài lớp bọc bảo vệ để tránh sự tác động cơ học vào sợi gây biến đổi các đặc tính cơ lý của sợi. 3.3.2 - Sợi đơn mode và sợi đa mode Khi ánh sáng truyền lan bên trong lõi của một sợi quang phụ thuộc vào hệ số khúc xạ của lõi (hệ số khúc xạ là hằng số hoặc thay đổi), có thể có các phân bố trường điện từ khác nhau qua mặt cắt của sợi. Mỗi một phân bố thường thoả mãn phương trình Maxwell và các điều kiện biên tại mặt phân cách lõi-vỏ được gọi là một mode quang (Transverse mode). Các mode khác nhau truyền lan dọc trên sợi quang ở các vận tốc khác nhau. Sợi quang cho phép lan truyền chỉ một mode duy nhất được gọi là sợi quang đơn mode (single mode fiber). Sợi quang cho phép truyền lan nhiều mode đồng thời được gọi là sợi quang đa mode (Multimode fiber). (a) (c) (b) n1 n2 2a 2a 2a n1 n1 n2 n2 Hình 3.9 Mặt cắt và các tia sáng truyền trong (a) sợi đa mode chiết xuất phân bậc, (b) sợi đa mode chiết xuất Gradien và (c) sợi đơn mode chiết xuất phân bậc Điều mấu chốt trong việc thiết kế, chế tạo sợi để truyền đơn mode là đường kính lõi sợi phải nhỏ, xuất phát từ mối quan hệ giữa bước sóng cắt của sợi với đường kính lõi. Bước sóng cắt lc là bước sóng mà trên sợi chỉ có một mode được truyền và được tính như sau: lc = (3.4) Trong đó: V = 2,405 đối với sợi có chiết xuất bậc (SI fiber) a[mm]: là bán kính của lõi n1 là chiết xuất của lõi n1 là chiết xuất của vỏ Khi đương kính lõi của sợi đơn mode không lớn hơn nhiều so với bước sóng thì sẽ có một sự phân chia công suất đáng kể ở lớp vỏ. Vì thế cần phải định nghĩa một tham số khác được gọi là đương kính trường mode (Mode Field Diameter). Một cách trực giác, đó chính là độ rộng của trường mode. Đặc biệt, đường kính trường mode chính là trung bình bình phương độ rộng của trường nếu phân bố trương theo Gauss. Khi phân bố trường không phải dạng Gauss thì có nhiều cách định nghĩa đường kính trường mode. 3.3.3 - Các đặc tính của sợi quang 3.3.3.1 – Suy hao - Công suất quang truyền lên sợi giảm theo quy luật hàm số mũ: P(z) = P(0).10(-z) (3.5) Trong đó: P(0)[mW]: là công suất quang đầu sợi P(z)[mW]: là công suất quang ở cự ly z a là hệ số suy hao - Độ suy hao của sợi quang được tính bởi công thức: A[dB] = -10lg (3.6) Trong đó: P1[dBm]: là công suất quang đầu vào P2[dBm]: là công suất quang đầu ra - Hệ số suy hao trung bình (suy hao trên một đơn vị chiều dài): a[dB/km] = (3.7) Trong đó: A[dB]: là độ suy hao của sợi quang L[km]: là chiều dài sợi quang 3.3.3.2 – Các nguyên nhân gây nên suy hao có 4 yếu tố gây suy hao cơ bản như sau: 1 – Suy hao hấp thụ của vật liệu ánh sáng truyền lan trong sợi quang bị hấp thụ do các vật liệu sợi và được biến đổi thành nhiệt gây nên suy hao mà không lọt ánh sánh ra ngoài. Có hai dạng suy hao hấp thụ vật liệu cơ bản là suy hao do bản thân sợi quang và suy hao do có tạp chất trong thuỷ tinh chế tạo sợi quang. Suy hao do bản thân vật liệu sợi là do các cộng hưởng nguyên tử của vật liệu sợi. Trên hình 3.9 cho chúng ta thấy sự hấp thụ xảy ra ở cá hai miền hồng ngoại và cực tím. Sự hấp thụ không phải do bản thân vật liệu chế tạo sợi gây ra bởi các cộng hưởng nguyên tử của các thành phần khác còn gọi là tạp chất như các ion kim loại, ion Hydroxyn và các liên kết OH mà tần số cộng hưởng cơ bản của nó ở bước sóng 2.8mm. Do liên kết OH có thể hấp thụ ánh sáng tại tần số cộng hưởng và các sóng hài, do đó có nhiều đỉnh hấp thụ tại các bước sóng 2.8/(n + 1) mm, ví dụ như ở 1.4mm, 0.93mm và 0.7mm (với n = 1,2 và 3) như thể hiện ở hình 3.10. Các đỉnh hấp thụ khác như là đỉnh ở 1.24mm là do tác động giữa liên kết OH và SiO2. Suy hao tổng Tán xạ Rayleigh Hấp thụ cực tím Hấp thụ hồng ngoại OH 850nm 1.cửa sổ 1300nm 2.cửa sổ 1550nm 3.cửa sổ 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0 1 2 3 4 5 ion OH Bước sóng l (mm) Suy hao (dB/km) Hình 3.10 Suy hao tổng của sợi quang 2 – Suy hao do tán sắc Có 4 loại suy hao tán sắc trong sợi quang là Rayleigh, Mie, Brillouin và Raman mà trong đó quan trọng nhất là suy hao do tán sắc Rayleigh. Suy hao do tán sắc Rayleigh tỉ lệ thuận với 1/l4 và được tính như sau: aR = CR[dB/km] (3.8) ở đây, CR được gọi là hệ số tán sắc Rayleigh. Giá trị thực tế đo được thể hiện ở hình 3.10 và nằm trong khoảng từ 0.8 á 1.0 (dB/km)/(mm)2 và là một hàm của chênh lệch chiết xuất giữav lõi với vỏ, đường kính lõi và kiểu của vật liệu. Nói một cách tổng quát, chênh lệch chiết xuất giữa lõi và vỏ càng lớn thì suy hao do tán sắc Rayleigh càng lớn. Suy hao tổng bao gồm suy hao vật liệu và suy hao do tán sắc Rayleigh được thể hiện như ở hình 3.10 cho thấy có hai cửa sổ thấp ở 1.3mm và 1.55mm. Do vậy hầu hết các nguồn quang thường hoạt động ở các bước sóng đó để có suy hao là nhỏ nhất. Các tán sắc Rayleigh và Mie là các tán sắc tuyến tính, trong đó công suất một mode của từng loại thiết bị biến thành mode bức xạ bởi tính không đồng nhất của chỉ số chiết xuất (Rayleigh) hoặc tính không đồng nhất của bề mặt dẫn sóng (Mie). Các tán cắc Brillouin và Raman là các tán sắc không tuyến tính , trong đó công suất một mode của từng loại bị biến thành một mode có tần số khác. Tán sắc Brillouin có thể coi như một sự điều chế sóng mang ánh sáng bởi sự dao động phân tử nhiệt, tần số của ánh sáng bị điều chế sẽ bị dịch lên hoặc dịch xuống so với tần số sóng mang vốn có. Tán sắc Raman giống như tán sắc Brillouin. Thực tế, cả hai tán sắc Brillouin và Raman cần công suất lớn, thông thường 100mW với Brillouin và 1W với Raman. Vì thế chúng không đáng kể khi công suất được truyền chỉ cỡ vài mW. 3 – Suy hao uốn cong Tín hiệu trong sợi quang còn chịu suy hao bức xạ tại các điểm uốn cong bởi các mode vi phân được tạo ra. Trong thực tế, suy hao uốn cong không đáng kể trừ khi bán kính uốn cong sợi quá nhỏ, do vậy thường bỏ qua suy hao uốn cong này. Tuy nhiên khi tuyến truyền dẫn quang dài và có nhiều điểm uốn cong thì suy hao do uốn cong có thể đáng kể. Khi đó cần sử dụng các sợi có đường kính trường mode nhỏ hơn để giảm suy hao uốn cong. 4 – Suy hao ghép nối và mối hàn Tín hiệu quang còn bị suy hao tại điểm kết nối giữa hai sợi bằng bộ ghép nối hoặc mối hàn. Suy hao này gây ra bởi nhiều nguyên nhân sau đây: - Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài: + Không đồng tâm giữa hai lõi sợi + Mặt cắt sợi bị nghiêng + Có khe hở giữa hai đầu sợi được nối với nhau + Bề mặt đầu sợi không phẳng - Suy hao bởi các yếu tố nội tại: + Lõi sợi bị elip + Không tương thích về chiết xuất + Không đồng nhất về đường kính trường mode Thông thường suy hao nối ghép khoảng 0.2dB và suy hao mối nối khoảng 0.05dB. 3.3.4 - Độ nhạy thu và quỹ công suất Do suy hao sợi quang, công suất ánh sáng sẽ bị suy giảm khi lan truyền và suy hao sợi sẽ hạn chế cự ly liên lạc và tốc độ bít. Giới hạn suy hao đó có thể được thấy rõ thông qua khái niệm độ nhạy thu và quỹ công suất. 1 - Độ nhạy thu Trong mỗi hệ thống viễn thông, một công suất thu tối thiểu cần thiết phải có để đạt được các đặc tính nhất định, công suất thu tối thiểu đó được gọi là độ nhạy thu. Nếu công suất tín hiệu thu được thấp hơn công suất tối thiểu cần thiết thì hệ thống sẽ không thoả mãn các chỉ tiêu kỹ thuật hoặc thậm chí có thể không làm việc được. 2 – BER của truyền dẫn số BER = ũ Ơ SNR e - dx = Q() ằ e - (3.9) Trong truyền dẫn số, phẩm chất được đánh giá dựa trên thông số BER mà nó là phần trăm các bít lỗi thu được. Một nguyên nhân cơ bản gây ra các bít lỗi chính là tạp âm. Công suất tín hiệu càng lớn hơn công suất tạp âm thì BER càng nhỏ. Từ kết quả các nghiên cứu, BER đối với các tạp âm trắng phân bố Gauss (chính là tạp âm nhiệt) được tính như sau: Với tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR >>1. Nếu BER yêu cầu nhỏ hơn 10-9 thì SNR sẽ phải ít nhất là 36 lần tức là 16dB. Vì vậy, với một công suất tạp âm tổng cộng đã cho của hệ thống, độ nhạy thu sẽ phải gấp 36 lần công suất tạp âm. 3 – Quỹ công suất Quỹ công suất được định nghĩa là hiệu số giữa mức công suất phát và công suất thu cần thiết và được tính theo công thức: Bp = (3.10) Hoặc: BD[dB] = PTx[dBm] – PRxmin[dBm] (3.11) Với: PTx[dBm]: là công suất phát PRxmin[dBm]: là công suất thu tối thiểu cần thiết (độ nhạy thu) Như vậy, suy hao tổng cộng trên đường truyền phải thấp hơn quỹ công suất. Trong sợi quang, suy hao được tính theo dB/km. Nếu một sợi quang có độ dài L[km] và có suy hao asợi[dB/km] thì suy hao tổng cộng của sợi là asợi.L[dB]. Vì vậy ta cần có: asợi.L + aghép nối.N + Aloss Ê Quỹ công suất (3.12) Trong đó: asợi[dB/km]: là suy hao sợi aghép nối[dB/mối hàn]: là suy hao mỗi ghép nối N: là tổng số điểm ghép nối trên tuyến truyền dẫn Alos[dB]: là các suy hao khác Quỹ công suất có thể được cải thiện bằng một số cách, ví dụ như: có thể tăng PTx bằng cách tăng công suất ra của laser hoặc giảm PRxmin bằng các bộ tách sóng quang dạng thác lũ (Avalanche Photodetector). Quỹ công suất còn có thể tăng lên bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại quang mà chúng có thể rất quan trọng trong các hệ thống thông tin xuyên đại dương bởi ở các hệ thống này thì suy hao là yếu tố vô cùng quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống. 3.3.5 - Các giới hạn bởi suy hao Từ biểu thức về quỹ công suất (3.12) ta thấy cự ly truyền dẫn bị hạn chế bởi: Lmax = {10lgPTx – 10lgPRxmin - Aloss} (3.13) Trong đó: asợi[dB/km]: là suy hao sợi PTx[dBm]: là công suất phát PRxmin[dBm]: là độ nhạy thu để đảm bảo chất lượng truyền dẫn nhất định. Alos[dB]: là các suy hao khác Nếu công suất ra PTx của bộ phát và suy hao sợi quang asợi là cho trước thì khoảng cách liên lạc có thể đạt được phụ thuộc cơ bản vào PRxmin. Ví dụ: Nếu PTx = 0dBm, PRxmin = -45dBm, asợi = 0.2dB/km, N = 2 và các suy hao khác trên hệ thống Aloss = 5dB thì ta có: Quỹ công suất = 45dB. Từ đó ta tính được khoảng cách tối đa: Lmax = (45 – 5 -2)/0.2 = 190[km] 3.3.6 - Truyền lan ánh sáng trong sợi quang Ngoài vấn đề suy hao, tán sắc sợi (Dispersion) cũng là một yếu tố hạn chế khác đến việc truyền dẫn sóng ánh sáng. Tán sắc là một hiện tượng mà các photon (tức là các mode) có tần số khác nhau truyền lan với các vận tốc khác nhau. Do vậy, một xung ánh sáng sẽ trở nên rộng hơn và chồng lấn lên nhau khi nó truyền lan trên sợi quang. Trong phần này sẽ đi vào cơ sở vật lý của việc truyền lan ánh sáng trong sợi quang, sau đó sẽ đề cập đến các dạng tán sắc khác nhau trong sợi và các hạn chế do tán sắc. Việc truyền lan tín hiệu trong sợi quang có thể được mô tả bằng phương pháp quang hình hoặc bằng các hàm Maxwell có thể thể hiện một cách chính xác, tuy nhiên rất phức tạp. Để đơn giản trong đồ án này chủ yếu xem xét bản chất vật lý của việc truyền sóng với một mức độ toán học đơn giản nhất. 3.3.6.1 – Truyền lan tín hiệu trong sợi quang Để truyền được trong sợi quangthì tia sáng phải tuân theo định luật phản xạ toàn phần của Snell. Trong sợi quang có hai loại tia có thể truyền đi trong đó là tia kinh tuyến (Hình 3.11) và tia nghiêng (Hình 3.12). Tia kinh tuyến là tia truyền dọc theo sợi quang theo đường zic zắc và các tia này cắt ngang trục của lõi sợi sau mỗi lần phản xạ, còn tia nghiêng là tia truyền dọc theo sợi quang theo đường xoắn ốc và đường đi của các tia này thường dài hơn các đương kinh tuyến do đó suy hao mạnh hơn. Vì vậy, việc đi vào phân tích loại tia nghiêng này là không cần thiết vì nó không phản ánh về các tia lan truyền trong sợi. Nên chỉ xem xét các tia kinh tuyến mới có ý nghĩa trong mục đích này. Tuy nhiên, các tia nghiêng cũng góp phần vào việc kết luận quá trình tiếp nhận các tia sáng và suy hao tín hiệu của sợi quang. Các tia kinh tuyến được thể hiện trong hình 3.11 là xét cho loại sợi có chỉ số chiết xuất phân bậc. Với góc vào của tia sáng hợp với lõi trục một góc q0. Theo định luật Snell thì gócfmin tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xác định như sau: sinfmin = (3.14) Trong đó: fmin là góc tới hạn n1 là chiết xuất lõi n2 là chiết xuất vỏ Như vậy, mọi tia sáng khi tiếp xúc vào ranh giới lõi-vỏ với góc f < fmin sẽ bị khúc xạ ra ngoài vỏ và sẽ bị suy hao ở lớp vỏ. Điều kiện của phương trình 3.14 sẽ bị ràng buộc với góc vào lớn nhất q0max theo phương trình: n0sinq0max = n1sinqc = (3.15) Trong đó qc là góc khúc xạ tới hạn. Do vậy, các tia có góc vào q0 fmin có các vận tốc theo trục z là khác nhau. Cụ thể, vận tốc theo trục z được tính bởi: vz = sinf (3.16) Vận tốc này phụ thuộc vào q1 do vậy gây ra trễ truyền lan khác nhau, đó chính là tán sắc. Thứ hai, là các tia có q1 càng lớn thì vận tốc theo trục z càng lớn và do đó có vận tốc góc càng nhỏ. Như trên hình thể hiện thì ta thấy rằng vận tốc góc càng lớn thì sự thẩm thấu của năng lượng ánh sáng vào lớp vỏ càng lớn. Các tia có vận tốc góc lớn tương ứng với các mode truyền lan bậc cao. Khi vận tốc góc quá lớn, tức là f < fmin thì tia sáng sẽ truyền lan vào lớp vỏ và không phản xạ trở lại lõi được. Phương trình (3.15) cũng xác định khẩu độ số NA (Numerical Aperture) và được định nghĩa như sau: NA = n1sinq0max = = n1 (3.17) Hình 3.11 Tia kinh tuyến trong sợi chiết xuất phân bậc Tia khúc xạ Tia phản xạ Lõi Vỏ Vỏ n2 n1 n2 Trục f q q0 n0 Với D = là độ chênh lệch chiết xuất tương đối giữa lõi và vỏ. Khẩu độ số NA là một thông số rất quan trọng đối với sợi quang vì nó thể hiện sự tiếp nhận ánh sáng và khả năng tập trung các tia sáng của sợi, cũng vì thế mà cho phép chúng ta tính toán được hiệu quả của quá trình ghép nguồn phát vào sợi dẫn quang. Giá trị của khẩu độ số NA luôn nhỏ hơn một đơn vị và nằm trong khoảng từ 0.14 á 0.5. Đối với các ứng dụng trong viễn thông thì NA nằm trong khoảng 0.1 á 0.2 tương ứng với các góc vào từ 5.70 á 11.50. Do đó các connector quang thường có góc nghiêng tiếp xúc là 80. ý nghĩa của khẩu độ số NA được thể hiện trong hình 3.11. Hình 3.12 Tia nghiêng trong sợi chiết xuất phân bậc n1 n2 Trục 3.3.6.2 – Các mode truyền lan Phương pháp quang hình trên chỉ cho thấy một cách gần đúng sự truyền lan ánh sáng trong thực tế. Để nghiên cứu chính xác hơn chúng ta phải dùng các hàm Maxwell. Tuy nhiên nếu chỉ để hiểu các đặc tính truyền lan trong sợi và tán sắc của sợi chúng ta có thể sử dụng các phương pháp toán học không phức tạp lắm. Với điều kiện biên tại giao diện lõi-vỏ (tương ứng với định luật Snell ở công thức (3.14) trong phần phân tích quang hình), chỉ có một tập xác định các hàm sóng thoả mãn phương trình Maxwell mới có thể truyền lan trong sợi quang, mỗi một hàm sóng đó được gọi là một mode truyền lan và được biều diễn dưới dạng: yi(r,f,z) = Ai(r,f)ej(wt - bziZ) (3.18) Trong đó: i là chỉ số của mode truyền lan yi Ai(r,f): là phân bố trường ngang bzi: là hằng số truyền lan theo trục z Biểu thức (3.18) cho thấy hàm sóng là hàm theo thời gian và các tham số không gian r, f, z. Hệ toạ độ trụ được dùng ở đay bởi sợi quang chính là một ống dẫn sóng tròn. Trong biểu thức (3.18), tham số ej(wt - bziZ) biểu thị việc truyền lan sóng dọc theo trục z của sợi. Hằng số truyền lan hướng z: Từ khái niệm các mode truyền lan bzi thoả mãn biểu thức tán sắc như sau: b12 = = bzi2 + Ki2 (3.19) Với b12 = là hằng số truyền lan của một sóng hài ở tần số w và trong môi trường điện môi đồng nhất có chiết xuất n1. Ki là hằng số truyền lan theo phương ngang của mode truyền lan thứ i. Từ đó ta có, mỗi mode truyền lan có một cặp Ki, bzi là số thực thoả mãn bất đẳng thức sau: b12 - bzi2 = Ki2 > 0 (3.20) Các mode truyền lan bậc càng cao (i càng lớn) thì Ki càng lớn và bzi càng nhỏ. Khi Ki vượt quá b1 thì bzi trở thành số ảo và mode đó có một sự suy giảm hàm mũ khi nó truyền lan. Biểu thức (3.20) là điều kiện truyền lan cho các sóng bên trong lõi sợi. Có một sự tương tự cho lớp vỏ nhưng với điều kiện khác: bzi2 - b22 > 0 (3.21) Với b2 = Điều kiện này có nghĩa là không có truyền lan trên lớp vỏ, nói cách khác là sóng trong lớp vỏ bị suy hao. Các biểu thức (3.20) và (3.21) đều yêu cầu bzi nằm trong khoảng: < < 1 (3.22) Điều kiện (3.22) chính là tương ứng điều kiện phản xạ toàn phần trong phần phân tích quang hình. Biểu thức (3.17) cho thấy khi n2 xấp xỉ n1 thì NA càng nhỏ, do đó chỉ có rất ít mode lan truyền được. Vận tốc truyền lan theo trục z: Tương tự với nhận xét được nêu trong phần phân tích quang hình, vận tốc của tia sáng phụ thuộc vào góc tới f. Vận tốc theo trục z của mode lan truyền thứ i là hàm của hằng số truyền lan bzi của nó và được tính như sau: vgi = (3.23) Với vgi thường được gọi là vận tốc nhóm và cho thấy rằng công suất của tín hiệu quang lan truyền nhanh như thế nào. Vận tốc nhóm khác với vận tốc pha vpi = w/bzi. Vận tốc pha vpi cho biết pha của tín hiệu quang thay đổi nhanh như thế nào.Mặc dù để việc tính toán chính xác vận tốc nhóm vgi cần phải biết bzi là một hàm của w, biểu thức (3.20) có thể được tính xấp xỉ khi sự phụ thuộc tần số của Ki là nhỏ, khi đó: ằ Bởi vì b1 = n1w/C = = (n1 + w) = = (3.24) Với n1g là chỉ số khúc xạ nhóm: n1g = n1 + w (3.25) Từ kết quả trên, dùng phép ràng buộc ta có: vgi = = ()-1 = ()-1 ằ ()-1 = = vg (3.26) So sánh (3.26) với (3.16) ta thấy tỉ số bzi/b1 là tương đương với sinq1 hoặc tỉ lệ với C/n1 trong biểu thức (3.10). Bởi mỗi mode truyền lan có bzi riêng nên mỗi mode có trễ truyền lan khác nhau. Điều này khẳng định điều đã nhận xét quá trình truyền lan trong phần phân tích quang hình rằng các tia tới với góc tới khác nhau có vận tốc theo trục z là khác nhau. 3.3.7 - Tán sắc sợi quang Như đã nêu ở trên, vận tốc nhóm vgi trong biểu thức (3.26) là một hàm của tần số và của các mode truyền lan. Nếu một xung quang có chứa các thành phần tần số khác nhau và các mode truyền lan khác nhau thì các trễ truyền lan khác nhau của các thành phần này sẽ làm xung bị giãn rộng và chồng lấn lên nhau ở cuối sợi quang. Tổng quát, có ba loại tán săc sợi như sau: Tán sắc vật liệu (Material Dispersion). Tán sắc ống dẫn sóng (Waveguide Dispersion). Tán sắc mode (Modal Dispersion). Hai loại tán sắc đầu (tán sắc vật liệu và tán sắc ống dẫn sóng) có thể quy cho sự phụ thuộc tần số của vận tốc truyền lan và gộp chúng lại gọi chung là tán sắc trong mode (intramode) hay còn gọi là tán sắc vận tốc nhóm (Group Velocity Dispersion - GVD). Loại thứ ba (tán sắc mode) được gọi là tán sắc giữa các mode (intermode) do sự phụ thuộc của các vận tốc truyền lan vào các mode truyền lan khác nhau. Từ cách phân loại này, sợi đơn mode chỉ có tán sắc trong mode. 3.3.7.1 – Tán sắc trong mode (Intramode Dispersion) Tán sắc trong mode có thể hiểu như sau: bởi vận tốc nhóm của một mode là phụ thuộc tần số nên trễ truyền lan đơn vị (tức là nghịch đảo của vận tốc nhóm) cũng phụ thuộc tần số. Khai triển chuỗi Taylor đối với trễ đơn vị tại bước sóng xác định ta có: tg = tg (l0) + (l - l0) + 0.5(l - l0)2 + … (3.27) Trong đó tg (l0) là trễ truyền lan khoảng cách đơn vị ở bước sóng trung tâm l0. Từ khai triển trên, tán sắc trong mode được tính bởi: Dintra = = () = () (3.28) Trong đó chỉ số i đối với bzi được bỏ đi cho đơn giản. Biểu thức (3.27) có thể tính gần đúng như sau: tg = tg (l0) + (l - l0)Dintra + 0.5(l - l0)2 (3.29) Nếu chỉ giữ lại hai toán hạng đầu, độ rộng xung tăng do tán sắc bản thân mode Dintra sẽ được tính bởi: Dtg = DintraDl (3.30) Với Dl là độ rộng phổ tín hiệu. Để tìm Dintra ta dùng định nghĩa ở (3.28) và phép ràng buộc ta có: Dintra = () (3.31) Từ (3.24) ta có Dintra: Dintra = + () = Dmaterial + Dwaveguide (3.32) ở đây tán sắc vật liệu: Dmaterial = ằ (-l) ằ (-l) (3.33) Và tán sắc ống dẫn sóng: Dwaveguide = () (3.34) Từ các định nghĩa trên, lưu ý rằng Dmaterial là tham số không phụ thuộc mode lan truyền mà chỉ phụ thuộc vào n1. Tán sắc vật liệu của sợi quang Silic thông thường được coi là một hàm của bước sóng và được mô tả ở hình 3.12 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0 10 20 -20 -10 Bước sóng l (mm) Ps/(nm.km) Hình 3.13 Tán sắc vật liệu trong sợi quang Tán sắc ống dẫn sóng thì ngược lại, nó phụ thuộc vào mode lan truyền thứ i được xác định bởi cấu trúc ống dẫn sóng quang. Nói một cách tổng quát, việc tính toán tán sắc ống dẫn sóng là rất phức tạp. 3.3.7.2 – Tán sắc mode Tán sắc mode là do sự trễ truyền lan khác nhau của các mode khác nhau. Từ (3.20) bzi là khác nhau đối với các mode khác nhau. Do vậy, vận tốc nhóm tương ứng vgi trong (3.23) cũng khác nhau. Cụ thể, ta có thể tính tán sắc mode như sau: Dmode = - = tg.max - tg.min (3.35) Với tg.max và tg.min là trễ truyền lan nhóm đơn vị cực đại và cực tiểu. Với sợi chiết xuất bậc (SI): có thể tính toán tán sắc mode của sợi SI bằng phương pháp quang hình. Theo công thức (3.16) ta có: tg.max ằ = (3.36) Vậy tán sắc mode: Dmode = tg.max - tg.min ằ ( - 1) = D (3.37) Kết quả (3.37) cho thấy rằng tán sắc mode trong sợi SI tỉ lệ thuận với độ chênh lệch chiết xuất D. Do NA tỉ lệ thuận với nên có một sự tương ứng giữa hiệu suất ghép nối và tán sắc. n(r) = n1(1 - 2D[r/a]a)1/2 Với r <a (3.38) n1(1 - 2D)1/2 Với r ³ a Với sợi chiết xuất Gradient (GI): Mặt cắt chỉ số chiết xuất của sợi GI có thể được biểu thị tổng quát bởi biểu thức sau: Trong đó a là tham số được tối ưu hoá sao cho có thể đạt được tán sắc mode cực tiểu. Tán sắc mode trong sợi GI rất khó xác định được trong phương pháp quang hình. Theo các kết quả nghiên cứu thì khi: a = 2(1 - D) (3.39) thì tán sắc mode là cực tiểu và được xác định bằng biểu thức: Dmode = (3.40) Khi đó tán sắc mode trong sợi GI là nhỏ hơn nhiều so với sợi SI được tính bởi (3.37) do yếu tố D2 (vì D < 1 nên D2 <<1). Tổng số mode có thể truyền lan được trong sợi GI được tính như sau: M = a2b12() (3.41) 3.3.7.3 – Tán sắc tổng cộng của sợi Từ tán sắc trong mode và tán sắc mode có thể tính được tán sắc tổng cộng của sợi quang. Thay vì cộng trực tiếp chúng, người ta dùng công thức tổng bình phương như sau (do tán sắc có tính ngẫu nhiên): D2total = D2intraDl2 + D2mode (3.42) Với Dl là độ rộng phổ của ánh sáng được tính bằng nm. Do một sợi quang được thể hiện cho một kênh thông tin, tạp âm tổng của sợi quang thường được dùng để đặc trưng cho băng thông truyền dẫn: Bsợi = (3.43) Biểu thức (3.43) cho thấy tán sắc tổng và độ dài sợi quang càng lớn thì tốc độ bít có thể truyền càng thấp. 3.3.7.4 – Sự hạn chế do tán sắc Tương tự như với tán sắc sợi, tán sắc sợi làm hạn chế cự ly truyền cực đại ở một tốc độ bít nhất định được gọi là giới hạn tán sắc và có thể được hiểu như: Khi tín hiệu được truyền đi trên sợi quang đến đầu thu chúng trở nên rộng hơn và chồng lấn lên nhau, nếu khoảng cách truyền dẫn quá lớn thì đến một lúc nào đó ta không thể phân biệt được các xung và không thể tách tín hiệu có ích ra được (thể hiện trong hình 3.14). Sự can nhiễu này trong truyền dẫn số được gọi là can nhiễu giữa các bít và kết quả là làm tăng BER (thể hiện trong hình 3.15 là hình xung số). Các xung tách nhau ở t1 Các xung còn phân biệt được ở t2 Khó phân biệt xung ở t3 Không phân biệt được xung ở t4 Giao nhau Dạng xung và biên độ Chiều dài sợi Hình 3.14 Sự giãn xung và suy hao của hai xung kề nhau khi chúng được truyền dọc theo sợi Nói chung BER không tăng đáng kể trừ khi DT’ = T’ – T0 là quá lớn. Một nguyên tắc cơ bản là nếu thoả mãn: DT’ = T’ – T0 = DtotalL Ê = (3.44) thì BER không xuống cấp đáng kể. Trong hệ thống thông tin cáp sợi quang, sự giãn xung không chỉ gây ra bởi tán sắc sợi mà còn do một yếu tố khác đó là độ rộng sườn trước nguồn phát quang và của bộ thu cũng gây ra giãn xung. Tương tự với tổng bình phương của tán sắc sợi tổng cộng, độ giãn xung tổng cộng là tổng bình phương của tất cả các yếu tố: DT’ = tt2 + tr2 + (DtotalL)2 (3.45) Với tt và tr là độ rộng sườn trước của máy phát và máy thu. Kết hợp (3.44) và (3.45) ta có: tt2 + tr2 + (DtotalL)2 < ()2 (3.46) Đây chính là biểu thức tổng quát cho giới hạn tán sắc. Tín hiệu phát Tín hiệu thu Hình 3.15 Dạng các xung phát và thu được T0 T’ 3.4 - Các mối hàn và các bộ kết nối (Connector) trong mạng quang. Một nhân tố quan trọng trong việc lắp đặt hệ thống thông tin quang là sự kết nối qua lại giữa các thiết bị hoặc giữa các thành phần với nhau. Các liên kết đó xảy ra tại nguồn quang, thiết bị tách quang hay các điểm trung chuyển trong đường truyền khi có hai sợi quang hoặc các sợi cáp nối với nhau. Việc sử dụng các mối hàn hay dùng các bộ kết nối (connector) tuỳ thuộc vào liên kết đó là tạm thời hay lâu dài. Liên kết lâu dài là các điểm nối hiếm khi thay đổi như nối hai sợi quang, nối giữa sợi quang và dây nhảy. Còn liên kết tạm thời là liên kết giữa các thiết bị có thể thay đổi được như: Giữa sợi quang và node quang ,sợi quang và hub, giữa sợi quang và các bộ chia,…..Nói chung, các mối hàn có suy hao thấp hơn so với các connector nhưng lại yêu cầu thiết bị hàn đắt tiền và nhiều nhân lực hơn connector. Đối với sợi đơn mode, yêu cầu độ chính xác rất cao tại điểm kết nối giữa các sợi quang. Các nguyên nhân gây nên suy hao trong cả connector và mối hàn có thể chia làm hai loại cơ bản: Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài và suy hao bởi các yếu tố nội tại. Suy hao bởi các yếu tố bên ngoài như: Sự không đồng tâm giữa hai lõi sợi, chất lượng mặt cắt sợi và có khe hở giữa hai đầu sợi. s d q Hình 3.16 Các mối hàn gây suy hao giữa hai sợi quang (a) có khe hở, (b) Trục hai sợi bị lệch, (c Đầu cuối hai sợi tạo góc) (a) (b) (c) Có 3 yếu tố gây suy hao bên ngoài trong mối hàn quang cơ bản sau (Hình 3.16) + Có khe hở giữa hai sợi quang + Trục của hai sợi bị lệch + Trục của hai sợi tạo góc Trong trường hợp có khe hở thì trục của hai sợi quang trùng nhau nhưng mặt cắt của hai sợi cách nhau một khoảng s. Khoảng cách này tạo ra một vùng không gian tạo ra sự phản xạ và nếu sự phản xạ này lớn thì người ta gọi là phản xạ Fresnel và gây ra suy hao. Còn trong trường hợp lệch trục là trục của hai sợi song song với nhau nhưng lệch nhau một khoảng d. Trường hợp tạo góc là trục của hai sợi không song song với nhau mà tạo với nhau thành một góc hay mặt cắt giữa hai đầu cuối sợi tạo thành với nhau một góc q như trong hình 3.16. Để khắc phục suy hao bởi các yếu tố bên ngoài thì đầu cuối hai sợi quang phải mịn ,trục của hai sợi phải trùng nhau và mặt cắt hai sợi phải khít nhau. Suy hao bởi các yếu tố nội tại do các nguyên nhân gây ra như: Đường kính hai sợi không bằng nhau, lõi sợi hình elip,… Cả hai loại suy hao bên trong và bên ngoài đều ảnh hưởng đến hiệu suất ghép của sợi quang, hiệu suất giữa nguồn và sợi quang. Trong sợi đa mode, thì suy hao do bẻ góc là lớn nhất rồi đến suy hao do lệch trục và suy hao ít nhất là suy hao do có khe hở. Đối với sợi đơn mode thì suy hao do lệch trục nhiều hơn so với suy hao do có khe hở và do bẻ góc như được thể hiện trong hình 3.16. Vì trong sợi đơn mode chỉ có một mode được truyền lan và nó truyền dọc theo trục của sợi nên ánh sáng ghép vào sợi không đồng tâm sẽ bị suy hao một cách nhanh chóng. Do đó, đối với kết nối suy hao thấp (Ê 0.5dB) thì để giảm suy hao do lệch trục phải được điều chỉnh chính xác đến mm (với n là số nguyên) còn đối với sợi đa mode thì điều chỉnh chính xác đến mm. 0 0 0 0 10 20 30 40 4 3 2 1 1 2 3 0.5 1.0 1.5 2.0 Độ lệch d (mm) Góc q (Độ) Khoảng hở s (mm) Suy hao ghép (dB) Lệch trục Bẻ góc Khe hở Hình 3.17 Suy hao ghép trong sợi đơn mode đối với nguồn MDF và bước sóng 10mm trong các trường hợp: Khe hở, lệch trục và bẻ góc 3.4.1 - Phương pháp hàn cáp Hàn bằng cách làm nóng chảy sợi quang: Trong phương pháp này việc đầu tiên cần phải làm là gia công bề mặt lõi sợi nơi cần làm mịn bề mặt sợi và mặt cắt phải vuông góc với trục của sợi. Sau đó hai đầu cuối của sợi phải được đặt vào cái giá có rãnh hình chữ V và chụm đầu với nhau như trong hình 3.18. Tiếp theo chúng được cố định bằng các thiết bị được điều khiển bằng tay hoặc bằng bộ vi xử lý. Bước tiếp theo tại điểm tiếp xúc được làm nóng chảy bằng đèn hồ quang hoặc bằng laser vì vậy đầu cuối sợi quang bị chảy ra một cách nhanh chóng và liên kết lại với nhau. Kỹ thuật này có thể được sử dụng cho các sợi đơn mode và sợi đa mode với suy hao nhỏ hơn 0.1dB. hơn nữa, các sợi quang nóng chảy có thể bao phủ gần như là kích thước sợi quang ban đầu. Hiện nay hầu như các máy hàn quang đều sử dụng phương pháp hàn bằng cách làm nóng chảy sợi quang. Các sợi quang được đưa vào máy hàn và nó được điều chỉnh hoàn toàn tự động bằng bộ vi xử lý và hàn cũng hoàn toàn tự động. Các nhân viên kéo cáp chỉ thực hiện một số bước như sau: Đầu tiên dùng dao chuyên dụng cắt cáp. Sau đó tuốt vỏ bảo vệ ở ngoài cùng, tiếp theo là tuốt lớp vỏ chỉ định màu của sợi quang và lớp vỏ trong suốt. Rửa sạch sợi quang bằng cồn (thường để đầu sợi cáp tuốt vỏ khoảng 1 á 1.5m) và cắt bằng đầu cuối sợi. Sau khi xong các khâu chuẩn bị thì sợi quang được đưa vào máy hàn quang có rãnh chữ V để cố định cáp. Sau khi nhấn nút set thì máy sẽ tự động điều chỉnh vị trí tương đối của hai sợi quang cần hàn và hai tia hồ quang sẽ làm nóng chảy sợi quang và chúng được liên kết lại với nhau một cách nhanh chóng. Điện cực Sợi quang Các thanh cố định cáp Hình 3.18 Phương pháp hàn sợi quang nóng chảy Rãnh chữ V 3.4.2 - Các Connector Hình 3.19 Cấu tạo của conector Thấu kính Thấu kính Sợi quang ra Keo dính Sợi quang vào Vỏ bọc cố định Trong mạng truyền hình cáp hữu tuyến thường dùng hai loại connector chính là FC/APC (Angled Physical Contact) và SC/APC. FC/APC là loại connector đầu tròn có ren vặn để cố định đầu cáp. Còn SC/APC là loại đầu vuông không có ren mà chỉ có khớp cố định khi cắm vào. Tuy SC/APC ổn định hơn FC/APC nhưng lại có suy hao lớn hơn. Cấu tạo của hai loại này được thể hiện như trong hình 3.19. Nguyên tắc hoạt động của hai loại connector là bức xạ chùm tia ở sợi quang phía truyền và hội tụ lại tại lõi của sợi quang phía thu sau khi đi qua hai thấu kính. Chức năng của các connector là kết nối giữa các thiết bị quang nơi có thể dễ dàng thay đổi và chuyển tuyến sau này. 3.5 – Ghép công suất quang Việc ghép công suất ánh sáng từ nguồn quang vào sợi quang phải xét đến khẩu độ số NA, kích cỡ sợi, cường độ phát xạ và phân bố công suất theo góc của nguồn quang. Lượng công suất quang phát ra từ nguồn quang có thể ghép được vào sợi được đặc trưng bởi hiệu suất ghép h: h = (3.47) Trong đó: PF: là công suất được ghép vào sợi quang PS: là công suất phát ra từ nguồn quang h phụ thuộc vào loại sợi gắn vào nguồn và vào xử lý ghép (có sử dụng thấu kính ghép hoặc các biện pháp năng cao hiệu suất ghép hay không). Hình 3.19 thể hiện góc phát xạ tia sáng của nguồn quang vào sợi quang và góc nhận ánh sáng (cũng chính là khẩu độ số NA) của sợi quang. Hình 3.20 Góc ghép của nguồn quang vào sợi quang Lõi Vỏ Vỏ n2 n1 n2 Nguồn quang Góc phát của nguồn Góc nhận của sợi quang Trong mạng truyền hình cáp thực tế thì việc ghép tín hiệu từ nguồn quang vào sợi hay ghép giữa các sợi quang với nhau có thể dùng cả hai phương pháp là dùng một dây nhảy hay còn gọi là dây đuôi lợn (pigtail) nó bao gồm một đoạn cáp quang ngắn và một connector và dùng mối hàn trực tiếp. Dùng dây nhảy thì tiện lợi cho việc lắp đặt, sửa chữa và chuyển tuyến sau này nhưng nó lại có suy hao lớn (suy hao tính cho một kết nối hoàn chỉnh từ sợi phát sang sợi thu là 0.8dB/kết nối). Còn hàn trực tiếp thì mối hàn đó sẽ cố định không thay đổi, không sửa chữa được nhưng lại có suy hao nhỏ hơn (khoảng 0.05dB/mỗi hàn). Chương IV - Các thiết bị chính trong mạng đồng trục 4.1 - Cáp đồng trục Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi cho việc phân phối tín hiệu các trương trình truyền hình . Hình 4.1 vẽ sơ đồ cấu trúc cáp đồng trục sử dụng trong CATV. Lớp vỏ nhựa Vỏ bọc nhôm Dây dẫn trong ( Đồng bọc nhôm) Lớp bọt nhựa Hình 4.1 Cấu tạo cáp đồng trục Phần lõi của dây dẫn trong thường làm bằng đồng với điện trở nhỏ thuận lợi cho việc truyền dòng điện cường độ cao. Lớp vỏ ngoài cáp và phần lõi trong thường làm bằng nhôm. Vật liệu giữa hai lớp nhôm thường là nhựa. Giữa lõi và phần ngoài có các túi không khí để giảm khối lượng và tránh thấm nước. Ngoài cùng là một lớp vỏ bọc chống các tác động cơ học. Đường kính tiêu chuẩn của cáp là 0.5; 0.75; 0.85 và 1 inch, trở kháng đặc tính của cáp thường là 75W. Tín hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền theo chiều dài của cáp. Lượng suy giảm phụ thuộc vào đường kính cáp, tần số, hệ số sóng đứng và nhiệt độ. Các thông số của cáp đồng trục: 4.1.1 - Suy hao do phản xạ Suy hao do phản xạ là đại lượng được đo bằng độ khác biệt của trở kháng đặc tính cáp so với giá trị danh định. Nó bằng tỷ số giữa công suất tới trên công suất phản xạ: Lr[dB] = 10log[dB] (4.1) Khi trở kháng thực hiện càng gần với giá trị danh định, công suất phản xạ càng nhỏ và suy hao phản xạ càng nhiều. Khi phối hợp lý tưởng ta có Pr = 0. Tuy nhiên, trong thực tế giá trị Lr vào khoảng 28dB á 32dB. Nếu suy hao phản xạ quá nhỏ, phản hồi sẽ xuất hiện trên đường dây và sẽ tạo nên tín hiệu có tiếng ù. 4.1.2 - Trở kháng vòng Công suất từ các bộ khuếch đại bù lại suy giảm trên đường truyền thường được cung cấp bởi dòng một chiều/xoay chiều điện áp thấp truyền trong cáp theo tần số RF. Do mức điện áp thấp, thông thường khoảng 45V, trở kháng vòng(trở kháng phối hợp của dây dẫn trong và ngoài của cáp) là một đặc tính quan trọng. Dòng điện này chảy qua trong toàn bộ thiết diện của cáp, và vì vậy trở kháng của dây dẫn trong đối với nó sẽ cao. Có ba loại cáp đồng trục khác nhau được sử dụng trong mạng cáp phân phối: + Cáp trung kế + Cáp fidơ + Cáp thuê bao Khuếch đại trung kế Khuếch đại cầu/trung kế Cáp fidơ Khuếch đại đường dây Tap Cáp thuê bao Hình 4.2 Phần cáp đồng trục trong kiến trúc cây và nhánh trong mạng HFC Các loại cáp và các loại bộ khuếch đại Node quang Cáp trung kế: Đường kính từ 0.5 á 1 inch dùng truyền tín hiệu bắt đầu từ node quang. Tổn hao truyền dẫn đối với loại cáp 1 inch là 0.89dB/100m ở tần số 50MHz và 3.97dB/100m ở 750MHz . Cáp fidơ được sử dụng nối giữa các bộ khuếch đại đường dây và các bộ chia tín hiệu, còn cáp thuê bao có đường kính nhỏ hơn cáp fidơ dùng để kết nối từ các bộ chia tới thiết bị thuê bao. Vị trí lắp đặt trong mạng được chỉ trong hình 4.2. 4.2 - Các bộ khuếch đại RF (Radio Friquency) 4.2.1 - Đặc điểm các bộ khuếch đại Các bộ khuếch đại đường truyền bù lại suy giảm tín hiệu, chúng đóng vai trò quan trọng khi thiết kế hệ thống. Mỗi bộ khuếch đại có chứa một bộ ổn định để bù lại suy giảm ở các tần số khác nhau. Trong hệ thống truyền hình cáp thường sử dụng bộ khuếch đại cầu. Với trở kháng lớn, tín hiệu từ đường trung chuyển có thể được lấy ra mà không ảnh hưởng đến chất lượng toàn bộ kênh truyền. Yêu cầu đối với bộ khuếch đại là ổn định phải cao do có sự tích luỹ độ suy hao của nhiều thành phần mắc nối tiếp : - Chúng phải làm việc được trên mọi phạm vi dải tần rộng, hệ số khuếch đại phải đạt được giá trị phù hợp tại các miền tần số cao. - Bộ ổn định có khả năng bù lại suy giảm theo tần số một cách phù hợp. - Bộ khuếch đại có đặc tuyến tuyến tính cao để tránh xuyên âm. - Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại và đặc tuyến tần số để bù lại sự thay đổi do nhiệt độ. - Tỷ số CNR của riêng một bộ khuếch đại phải đủ lớn để chống được mức nhiễu tầng của các bộ khuếch đại. Có ba loại bộ khuếch đại được sử dụng trong mạng CATV HFC tuỳ thuộc vào vị trí của chúng: +Bộ khuếch đại trung kế. +Bộ khuếch đại fidơ. +Bộ khuếch đại đường dây. Vị trí của từng loại trong mạng được nêu trong hình 4.2. Đặc điểm của từng loại: 4.2.1.1 - Bộ khuếch đại trung kế Được đặt tại điểm suy haolên tới 20 á 22dB tính từ bộ khuếch đại trước đó, mức đầu ra thường khoảng 30 á 36dBmV. Ưu điểm: Mức CNR cao(300MHz). Vì cáp đồng trục khi truyền dẫn tổn hao phụ thuộc nhiều vào tần số nên biên độ tín hiệu Video phát đi cần phải được giữ cân bằng nhằm duy trì sự đồng đều trong toàn vùng phổ tín hiệu RF đã phát. Các bộ giữ cân bằng đường xuống được thiết kế để bù cho các đoạn cáp đồng trục có độ dài cố định. Bằng cách tăng suy hao ở tần số thấp, bộ cân bằng cho phép các bộ khuếch đại trung kế duy trì mức khuếch đại thích hợp với từng khoảng tần số trong phổ tín hiệu truyền dẫn. Ngoài ra, một số bộ khuếch đại trung kế còn được trang bị bộ cân bằng dự đoán trước (Bode Equalizer) để bù tổn hao cáp gây ra do sự thay đổi của nhiệt độ: Phân đều (Flatness) Khuếch đại (Gain) Postamp Tiền khuếch đại Tín hiệu vào Tín hiệu ra 24 V Khối cân bằng(EQ) Hình 4.3 Sơ đồ khối đơn giản bộ khuếch đại trung kế Dự đoán (Bode) HPF LPF Các bộ khuếch đại trung kế thường dùng mạch tự điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC: Automatic Gain Control). Khoảng điều chỉnh chênh lệch mức khuếch đại thường trong khoảng 6 á 10dB. Các khối AGC trong bộ khuếch đại trung kế tách tín hiệu mẫu của các kênh hoa tiêu tại đầu ra bộ khuếch đại, tín hiệu mẫu này thường được dùng để tạo ra mức điện áp phù hợp để điều khiển mức khuếch đại (Gain) và độ dốc (Slope) đặc tuyến của bộ khuếch đại, các tần số hoa tiêu chuẩn khác nhau đối với từng nhà sản xuất. Tất cả các bộ khuếch đại trong truyền hình cáp đều dùng một số mạch khuếch đại đẩy kéo để giảm thiểu hài méo bậc hai. 4.2.1.2 - Bộ khuếch đại fidơ Được sử dụng không chỉ để phát xuống nhữnh kênh tín hiệu Video tới các bộ khuếch đại trung kế mà còn chia tín hiệu tới các fidơ cáp khác nhau (thường là 4 cáp fidơ). Mức tín hiệu ra thường khoảng 40 á 50dBmV(cao hơn 12dB so với bộ khuếch đại trung kế). Tuy nhiên, đầu ra có méo phi tuyến mức độ cao hơn so với bộ khuếch đại trung kế. 4.2.1.3 - Bộ khuếch đại đường dây Khoảng cách giữa các bộ khuếch đại này khoảng 120m á 130m, đặt ở phía gần thuê bao. Để giảm hiệu ứng méo phi tuyến ở tín hiẹuVideo phát đi cũng như duy trì sự đồng đều trong toàn dải tần tín hiệu, tối đa chỉ sử dụng 2 á 4 bộ khuếch đại đường dây, tuỳ thuộc vào số lượng Tap (bộ trích tín hiệu) giữa các bộ khuếch đại đường dây dải rộng. Trong các hệ thống CATV hai chiều có sử dụng một thiết bị đăc biệt là bộ lọc Diplexer (hình 4.4) cho phép tách riêng tín hiệu đường lên và đường xuống. Tại các hệ thống truyền hình cáp tại Bắc Mỹ các kênh tín hiệu đường lên được đặt ở dải tần số 5 á 65MHz. Dải tần số tín hiệu đường xuống là 70 á 862MHz. Diplexer có độ cách ly giữa các dải tần khoảng 60dB. Cổng C Cổng H Cổng L Các bộ lọc Hình 4.4 Minh họa đơn giản một diplexer Diplexer là một thiết bị có ba cổng: cổng H, Cổng L, Cổng chung C. Đường từ cổng chung C tới cổng thấp L là một bộ lọc thông thấp cho phép tín hiệu đường lên ở băng tần thấp hơn được phát đi. Đường đi từ cổng chung C tới cổng cao H là một bộ lọc thông cao cho phép phát các kênh tín hiệu đường xuống. Trong một bộ khuếch đại đường dây (khuếch đại trung kế và khuếch đại cầu) các tín hiệu đường xuống chuyển qua cổng H, tín hiệu đường lên chuyển qua cổng L. 4.2.2 - CNR của một bộ khuếch đại đơn và nhiều bộ khuếch đại nối tiếp. Một trong những thông số quan trọng nhất đánh giá hiệu năng truyền dẫn của hệ thống CATV là tỷ số sóng mang trên nhiễu (CNR: Carrier Noise Rate ). CNR của một bộ khuếch đại đơn được tính theo công thức : CNR[dB] = - (-59.16) – F – G (4.2) Trong đó Pra[dBmV]: Là công suất ra của bộ khuếch đại. KB: Là hằng số Boltzman(1.38x10-23J/k). T[k]: Là nhiệt độ Kenvil của bộ khuếch đại. G[dB]: Là hệ số khuếch đại. B[MHz]: Là dải tần làm việc. Giá trị (-59.16)dBmV là nhiễu nhiệt trong dải tần 4MHz. F[dB]: Là tạp âm nhiệt của bộ khuếch đại. Tạp âm nhiệt thông thường đối với các bộ khuếch đại trung kế thường trong khoảng 7 á 10dB với mức tín hiệu vào là +10dBmV và hệ số khuếch đại là 20dB. Trong trường hợp có n bộ khuếch đại khác nhau mắc nối tiếp: Giả sử bộ khuếch đại thứ n có tạp âm nhiệt là Fn và hệ số khuếch đại là Gn như trong hình vẽ: G1 F1 G2 F2 CNRn F Hình 4.5 Sơ đồ n bộ khuếch đại nối tiếp Gn Fn Tạp âm nhiệt của toàn bộ hệ thống được tính : F = F1 + + +…+ (4.3) Trường hợp đơn giản nhất là tất cả bộ khuếch đại RF là giống nhau thì CNR của toàn hệ thống là: CNRn = CNR - 10log(n) (4.4) Ví dụ, nếu một hệ thống CATV có bốn bộ khuếch đại nối tiếp với CNR của mỗi bộ là 56dB thì CNR của toàn hệ thống sau bộ khuếch đại thứ 4 là 50dB. Trường hợp tổng quát CNRn của toàn hệ thống gồm các bộ khuếch đại khác nhau được tính theo công thức : CNRn[dB] = -10log[ 10-CNR1/10 + 10-CNR2/10 +…+10-CNRn/10] (4.5) 4.3 - Bộ chia và rẽ tín hiệu Sơ đồ đơn giản của bộ rẽ tín hiệu Tap cổng ra suy hao 20dB: Hình 4.6 Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB Đường nguồn AC Khối ghép định hướng -12 dB Đường RF -4 dB -4 dB Chia tín hiệu Đường vào Đường ra Tap được sử dụng để đưa tín hiệu tới các thuê bao. Một Tap điển hình bao gồm một khối ghép định hướng RF và các khối chia công suất . Khối ghép định hướng rẽ ra một phần năng lượng tín hiệu đầu vào, còn các khối chia công suất (Spliter) chia tín hiệu tới thường là 2,4,8 cổng ra. Công suất tổn hao giữa cổng vào so với cổng ra gọi là suy hao xen (Insertion Loss), còn với các cổng ra khác (cổng rẽ) gọi là suy hao cách ly (Isolation Loss). Suy hao xen của Tap thường độc lập với tần số và nhiệt độ. Suy hao cách ly lớn hơn rất quang trọng đối với các hệ thống CATV hai chiều để ngăn tín hiệu đường lên của một thuê bao này lọt vào tín hiệu đường xuống của thuê bao khác. Thông thường suy hao cách ly vào khoảng 20dB giữa dải tần đường lên và đường xuống. Tap được đặc trưng bởi giá trị rẽ, được đánh giá bằng tỉ lệ giữa công suất ra và công suất tín hiệu vào. Giá trị rẽ thường trong khoảng 4 á 35dB. Chương V – Phương Pháp thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến 5.1 – Lựa chọn các thông số kỹ thuật cho mạng truyền hình cáp hữu tuyến 5.1.1 - Phân bố dải tần tín hiệu Hầu hết các hệ thống HFC tại Mỹ hiện nay đều phân bố dải tần như sau: từ 5MHz – 40MHz dành cho dải tần ngược (truyền số liệu từ thuê bao đến trung tâm), từ 52MHz – 750MHz dành cho dải tần hướng xuống trong đó: dải tần từ 52MHz – 550MHz dùng cho các kênh truyền hình tương tự, từ 550MHz – 750MHz dùng cho các kênh truyền hình số và các kênh truyền số liệu hướng xuống (downstream data). Vậy dải thông dành cho các kênh truyền số liệu hướng lên chỉ là 35MHz, trong khi đó dải thông của kênh truyền số liệu hướng xuống có thể đạt đến 120MHz – 150MHz. Điều có thể nhận thấy dải thông cho kênh hướng lên nhỏ hơn nhiều so với kênh hướng xuống. Ngoài ra hầu hết nhiễu hệ thống cũng đều xuất hiện tại các tần số thấp, phần cuối của phổ tần, điều này lại càng làm cho dải thông hướng lên nhỏ hơn. Tần số 750MHz Hình 5.1 Phân bố dải tần cho các mạng truyền hình cáp tại Mỹ 550MHz 500MHz 40MHz 5MHz 50MHz Data, interative upstream Analog Video Dowstream Digital video, data Dowstream Do yêu cầu dải thông càng ngày càng tăng, đặc biệt là dải thông tín hiệu hướng lên, hiện nay các thiết bị truyền hình cáp mới ra đời đều hỗ trợ cho phương thức phân bố dải tần mới, trong đó dải tần hướng xuống lên đến 860 hoặc 870MHz, đồng thời dải tần số hướng lên cũng được tăng từ 5 – 65MHz. Với phân bố dải tần này, dải thông hướng lên tăng gấp đôi, trong đó dải thông hướng xuống cũng tăng hơn 100MHz. Ta sẽ lựa chọn phân bố tần số theo phương án này cho mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Hình 5.2 Phân bố dải tần cho các mạng truyền hình cáp Châu âu Data, interative upstream 5MHz 65MHz 500MHz 70MHz 550MHz 862MHz Analog Video Dowstream Digital video, data Dowstream Data, interative upstream Tần số 5.1.2 - Tính toán kích thước node quang cho yêu cầu hiện tại Kích thước node quang là số lượng thuê bao được cung cấp dịch vụ tại một node quang. Số lượng thuê bao tại một node quang là thông số quan trọng hàng đầu khi thiết kế mạng, vì ảnh hưởng đến một loạt các thông số quan trọng của mạng, như: tốc độ bít tín hiệu hướng lên của mỗi thuê bao (đối với mạng hai chiều), cấu hình mạng truy nhập, khả năng cung cấp dịch vụ cho thuê bao hiện tại và tương lai, khả năng phát triển và nâng cấp mạng trong tương lai. Một hệ thống mạng được xây dựng thông thường phải đáp ứng được yêu cầu sử dụng ít nhất trong 15 đến 20 năm, và phải có khả năng nâng cấp để đáp ứng trong những năm tiếp theo. Vì vậy triển khai mạng truy nhập đồng trục cần tính đến mức tập trung của thuê bao và cấu trúc mạng cáp quang của khu vực node quang bao phủ, cần kết hợp các yếu tố như cấu trúc địa lý thành phố, hướng đường phố và định hướng phát triển của thuê bao trong thời gian tiếp theo, căn cứ vào tình hình thực tế để xác định số lượng thuê bao của mỗi node quang. Nếu thuê bao tập trung thì 1000 ~ 1500 thuê bao/ node quang là phù hợp. Khi sử dụng 1500 thuê bao /1 node quang thì nên chọn node quang có 4 cổng ra, mạng phân phối cáp đồng trục thì nên chọn cấu trúc dạng sao và cố gắng cân đối số lượng thuê bao ở các cổng ra của mỗi node quang để tiện cho việc nâng cấp sau này. 5.2 – Thiết kế Thiết kế một hệ thống cáp quang là một quy trình phức tạp. Người thiết kế phải đánh giá nhiều yếu tố như: tốc độ dữ liệu, suy hao đường truyền, môi trường, loại cáp, thiết bị có được, các loại giao diện điện tử, bộ nối, hàn quang, các giao thức… Một quy trình hoàn chỉnh sẽ rất phức tạp, tuy nhiên nó có thể được đơn giản hoá nhờ các chỉ dẫn kèm theo các thiết bị quang do các nhà sản xuất cung cấp. Những chỉ dẫn này thường mang đầy đủ các thông tin để có thể chọn được loại cáp quang thích hợp và dễ lắp đặt. Những yếu tố khác như loại cáp, panel, jumper, môi trường, … thì người thiết kế phải tự đánh giá. Phần này sẽ trình bầy phương pháp thiết kế đơn giản dựa trên các khuyến nghị của nhà sản xuất. Các phương pháp tính toán để chọn lựa loại cáp quang sử dụng trong mạng. 5.2.1 - Lựa chọn sợi quang Điều đầu tiên phải được quyết định là lắp đặt hệ thống quang đơn mode hay đa mode. Cả hai hệ thống đều có những ưu nhược điểm của mình. Các ưu điểm của hệ thống sợi quang đơn mode Sợi quang đơn mode có băng tần truyền dẫn rất lớn, lý tưởng cho truyền dẫn cự ly xa. Sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ hơn sợi quang đa mode. Cáp sợi quang đơn mode rẻ hơn sợi quang đa mode. Sợi quang đơn mode hiện có hoạt động ở bước sóng 1310nm hoặc 1550nm ưu điểm của hệ thống sợi quang đa mode Sợi quang đa mode thích hợp cho các cự ly dưới 2km. Hệ thống sợi quang đa mode có băng tần ít phụ thuộc vào chiều dài của sợi . Có thể truyền số liệu tốc độ 100Mbps, cự ly nhỏ hơn 2km, sử dụng sợi quang FĐI tiêu chuẩn 62,5/125. Thiết bị quang đa mode thường rẻ hơn đơn mode. Các LED rẻ thường được dùng làm nguồn quang. Cáp sợi quang đa mode thường đắt hơn đơn mode, nhưng đối với những ứng dụng cự ly ngắn thì sự tiết kiệm chi phí từ các thiết bị quang có thể bù lại chi phí cáp quang đa mode. Sợi quang đa mode hiện có hoạt động ở bước sóng 850nm hoặc 1310nm. Có thể kết luận chung rằng các ưu điểm nêu trên của sợi quang đơn mode thích hợp hơn cho mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Còn sợi quang đa mode chỉ có thể được lắp đặt cho hệ thống phục vụ cho các ngành công nghiệp khác cự ly ngắn. 5.2.2 - Tính toán suy hao của hệ thống Tổng suy hao tuyến là suy hao công suất trong một tuyến sợi quang do tất cả các yếu tố bao gồm: các bộ nối, mối hàn, suy hao sợi quang, độ cong của cáp… Suy hao công suất quang do các bộ nối gắn với thiết bị quang có thể bỏ qua vì nó đã được tính gộp vào thiết bị. Tổng suy hao tuyến phải nằm trong phạm vi cho phép của thiết bị quang thì hệ thống mới có thể hoạt động tốt. Điều này được xác định nhờ việc lập kế hoạch chi tiết các suy hao công suất cho toàn bộ hệ thống quang. Tất cả các yếu tố có liên quan hoặc có thể sẽ liên quan đến suy hao tuyến đều cần phải được tính đến. Các nhà sản xuất thiết bị quang thường khuyến nghị một hoặc nhiều loại sợi quang có thể sử dụng phù hợp với thiết bị của họ. Những loại sợi quang này đã được thử nghiệm với thiết bị của họ trong một cấu hình điểm - điểm tiêu chuẩn cho các chỉ số độ dài và suy hao cực đại của sợi quang. Thiết bị sẽ hoạt động tốt nếu ta sử dụng loại sợi quang đã được khuyến nghị trong các giới hạn về chiều dài và suy hao của sợi. Một phương pháp dùng để xác định tổng suy hao tuyến là đánh giá phân bố suy hao tuyến quang. Đánh giá này liệt kê tất cả các yếu tố liên quan hoặc sẽ liên quan đến suy hao quang của hệ thống. Kết quả sẽ đưa ra tổng suy hao tuyến yêu cầu cho hệ thống sợi quang. Sau đó sẽ so sánh với suy hao cực đại của thiết bị để xác định liệu thiết kế có đạt chỉ tiêu về suy hao hay không. Các yếu tố để đánh giá hệ thống quang Các khuyến nghị về bán kính sợi quang (125mm) Khuyến nghị về suy hao cực đại của sợi quang (0,35dB/km) Khuyến nghị về