Thiet ke-catv

1,610 views

Published on

0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,610
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
109
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Thiet ke-catv

  1. 1. MỤC LỤC Mục Lục .................................................................................................................. 1 Bảng chữ viết tắt..................................................................................................... 3 Lời nói đầu .............................................................................................................. 5 Chương I -Tổng quan về truyền hình cáp hữu tuyến ......................................... 8 1.1 – Tổng quan về truyền hình cáp ...................................................................... 8 1.2 - Vị trí các mạng truyền hình cáp và xu hướng phát triển .............................. 9 1.3 - Các công nghệ truy nhập cạnh tranh........................................................... 10 1.3.1 - Công nghệ ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) ...................... 10 1.3.2 - Fiber-In-The-Loop (FITL) .................................................................... 13 1.3.3 - Vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite) .............. 14 1.3.4 - Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh (MMDS) ..................................... 15 Chương II – Kiến trúc mạng truyền hình cáp .................................................. 18 2.1 - Kiến trúc mạng CATV truyền thống .......................................................... 18 2.2 - Kiến trúc mạng có cấu trúc ......................................................................... 20 2.2.1 - Các đặc điểm cơ bản mạng HFC .......................................................... 20 2.2.2 - Ưu và nhược điểm của mạng HFC ....................................................... 22 2.2.3 - Kết luận ................................................................................................. 24 Chương III – Các thiết bị chính trong mạng quang ......................................... 25 3.1 – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Headend ........................................... 25 3.1.1 - Sơ đồ khối cơ bản của Headend............................................................ 25 3.1.2 - Nguyên lý hoạt động của Headend ....................................................... 27 3.1.3 - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang .......................... 28 3.1.3.1 – Cấu tạo ............................................................................................ 28 3.1.3.2 – Hoạt động của máy phát ................................................................. 33 3.2 – Cấu tạo và hoạt động của node quang........................................................ 33 3.3 – Sợi quang.................................................................................................... 35 3.3.1 - Cấu tạo và dạng sợi quang .................................................................... 35 3.3.2 - Sợi đơn mode và sợi đa mode ............................................................... 35 3.3.3 - Các đặc tính của sợi quang ................................................................... 37 3.3.3.1 – Suy hao ........................................................................................... 37 3.3.3.2 – Các nguyên nhân gây nên suy hao ................................................. 37 3.3.4 - Độ nhạy thu và quỹ công suất ............................................................... 40 3.3.5 - Các giới hạn bởi suy hao....................................................................... 41 3.3.6 - Truyền lan ánh sáng trong sợi quang .................................................... 42 3.3.6.1 – Truyền lan tín hiệu trong sợi quang ............................................... 42 3.3.6.2 – Các mode truyền lan ....................................................................... 45 3.3.7 - Tán sắc sợi quang .................................................................................. 47 Đồ án tốt nghiệp 1 http://www.ebook.edu.vn
  2. 2. 3.3.7.1 – Tán sắc trong mode (Intramode Dispersion) .................................. 47 3.3.7.2 – Tán sắc mode .................................................................................. 49 3.3.7.3 – Tán sắc tổng cộng của sợi .............................................................. 50 3.3.7.4 – Sự hạn chế do tán sắc ..................................................................... 51 3.4 - Các mối hàn và các bộ kết nối (Connector) trong mạng quang. ................ 52 3.4.1 - Phương pháp hàn cáp ............................................................................ 54 3.4.2 - Các Connector ....................................................................................... 56 3.5 – Ghép công suất quang ................................................................................ 57 Chương IV - Các thiết bị chính trong mạng đồng trục .................................... 58 4.1 - Cáp đồng trục .............................................................................................. 58 4.1.1 - Suy hao do phản xạ ............................................................................... 58 4.1.2 - Trở kháng vòng ..................................................................................... 59 4.2 - Các bộ khuếch đại RF (Radio Friquency) .................................................. 60 4.2.1 - Đặc điểm các bộ khuếch đại ................................................................. 60 4.2.1.1 - Bộ khuếch đại trung kế ................................................................... 60 4.2.1.2 - Bộ khuếch đại fidơ .......................................................................... 61 4.2.1.3 - Bộ khuếch đại đường dây ............................................................... 62 4.2.2 - CNR của một bộ khuếch đại đơn và nhiều bộ khuếch đại nối tiếp. ..... 62 4.3 - Bộ chia và rẽ tín hiệu .................................................................................. 64 Chương V – Phương Pháp thiết kế mạng truyền hình cáp hữu tuyến ........... 65 5.1 – Lựa chọn các thông số kỹ thuật cho mạng truyền hình cáp hữu tuyến...... 65 5.1.1 - Phân bố dải tần tín hiệu ......................................................................... 65 5.1.2 - Tính toán kích thước node quang cho yêu cầu hiện tại ........................ 66 5.2 – Thiết kế ....................................................................................................... 67 5.2.1 - Lựa chọn sợi quang ............................................................................... 67 5.2.2 - Tính toán suy hao của hệ thống ............................................................ 68 5.3 – Nguyên tắc thiết kế phần mạng quang ....................................................... 69 5.4 – Nguyên tắc thiết kế phần mạng đồng trục ................................................. 72 5.5 – Thuyết minh phần mạng quang .................................................................. 72 5.6 – Tính toán phần mạng quang ....................................................................... 73 5.7 – Thuyết minh thiết kế phần mạng đồng trục ............................................... 78 5.8 – Tính toán phần mạng đồng trục ................................................................. 79 5.9 – Thuyết minh thiết kế mạng HFPC ............................................................. 85 5.10 – Tính toán mạng HFPC ............................................................................. 85 5.11 – So sánh mạng HFC và mạng HFPC ......................................................... 89 Kết luận ................................................................................................................. 90 Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 91 Đồ án tốt nghiệp 2 http://www.ebook.edu.vn
  3. 3. 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 BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Vòng Thuê bao số không đối xứng Asymetric Digital Subcriber Loop Tự điều chỉnh hệ số khuếch đại Automatic Gain Control Tiếp xúc góc Angled Physical Contact Phương thức truyền không đồng bộ Asynchronous Transfer Mode Tỉ số lỗi bit Bit Error Rate Hệ thống truyền hình cáp cộng đồng Community Antenna Television System Tỉ số sóng mang trên nhiễu Carrier-to-Noise Ratio Tổng đài trung tâm Central Office Laser hồi tiếp phân tán Distributed Feedback laser Ghép kênh phân chia theo mật độ Dense Wavelength Division bước sóng Multiplexing Vệ tinh quảng bá trực tiếp Direct Broatcast Satellite Đường thuê bao số Digital Subscriber Line Ghép kênh truy nhập đường thuê bao DSL Access Multiplexing số Khối cân bằng Equalizer Ghép kênh phân chia theo tần số Frequency Division Multiplexing Cáp quang đến khu vực Fiber To The Curb Cáp quang đến toà nhà Fiber To The Building Cáp quang đến gia đình Fiber To The Home Cáp quang trong mạng thuê bao Fiber In The Loop Chỉ số chiết suất Gradient Gratded Index Tán sắc vận tốc nhóm Group Velocity Dispersion Thiết bị đầu cuối số trung tâm Host Digital Terminal Mạng lai cáp quang/ cáp đồng trục Hybrid Fiber/ Coaxial network Mạng HFC thụ động Hybrid Fiber Passive/ Coaxial network Mạng lai cáp quang/ không dây Hybrid Fiber/ Wireless network Mạng lai cáp quang/ vô tuyến Hybrid Fiber/ Radio network Bộ lọc thông cao Hight Pass Filter Mạng liên kết số đa dịch vụ Intergrated Services Digital Network Bộ lọc thông thấp Low Pass Filter Giá phối dây chính Main Distribution Frame Dịch vụ phân phối đa điểm đa kênh Multipoint Multichanel Distribution Service Khẩu độ số Numerical Aperture Đơn vị mạng quang Đồ án tốt nghiệp 3 http://www.ebook.edu.vn
  4. 4. OTU POTS QPSK QAM RF SDH SI STB SMF STM VOD 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 Đồ án tốt nghiệp 4 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 http://www.ebook.edu.vn
  5. 5. 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 Đồ án tốt nghiệp 5 http://www.ebook.edu.vn
  6. 6. 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 Đồ án tốt nghiệp 6 http://www.ebook.edu.vn
  7. 7. 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. Đồ án tốt nghiệp 7 http://www.ebook.edu.vn
  8. 8. 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. Đồ án tốt nghiệp 8 http://www.ebook.edu.vn
  9. 9. hub thø cÊp node quang TAP headend hub s¬ cÊp node quang M¹ng truyÒn M¹ng ph©n phèi M¹ng truy nhËp H×nh 1.2 CÊu h×nh m¹ng truyÒn dÉn vµ ph©n phèi tÝn hiÖu 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 ÷ 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. Đồ án tốt nghiệp 9 http://www.ebook.edu.vn
  10. 10. 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 Đồ án tốt nghiệp 10 http://www.ebook.edu.vn
  11. 11. 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. Đồ án tốt nghiệp 11 http://www.ebook.edu.vn
  12. 12. Cấu trúc mạng cơ bản : ChuyÓn m¹ch ATM Internet PC SDLA ATU-C MDF splitter POTS/ISDN M¹ch vßng TB POTS/ISDN SPLITTER ATU- C¸c ®−êng kh«ng ph¶i xDSL PSTN ChuyÓn m¹ch CO H×nh 1.4 CÊu h×nh hÖ thèng sö dông c«ng nghÖ 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 6÷8 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 (ATUR). 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. Đồ án tốt nghiệp 12 http://www.ebook.edu.vn
  13. 13. 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 Đồ án tốt nghiệp 13 http://www.ebook.edu.vn
  14. 14. 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. M¹ng PSTN Video server t−¬ng t¸c ONU s pl it M¹ng ATM Video server Cæng Internet HÖ thèng truy nhËp chuyÓn m¹ch sè C¸p ®ång trôc H×nh 1.5 CÊu h×nh hÖ thèng 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 Đồ án tốt nghiệp 14 http://www.ebook.edu.vn
  15. 15. 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. Đồ án tốt nghiệp 15 http://www.ebook.edu.vn
  16. 16. - 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. Đồ án tốt nghiệp 16 http://www.ebook.edu.vn
  17. 17. Khèi ph¸t v« tuyÕn MMDS M«i tr−êng truyÒn dÉn Khèi h¹ tÇn STB Trung t©m H×nh 1.6 CÊu h×nh m¹ng dÞch vô ph©n phèi ®a kªnh ®a ®iÓm 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. Đồ án tốt nghiệp 17 http://www.ebook.edu.vn
  18. 18. 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: Head end Thuê bao Thuê bao Thuê bao Cáp trung kế Cáp fidơ Chú thích Pad Bộ khuếch đại Spliter Tap Cáp thuê bao Hình 2.1 Kiến trúc đơn giản mạng CATV truyền thống - 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 . Đồ án tốt nghiệp 18 http://www.ebook.edu.vn
  19. 19. 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. Đồ án tốt nghiệp 19 http://www.ebook.edu.vn
  20. 20. 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, Đồ án tốt nghiệp 20 http://www.ebook.edu.vn
  21. 21. 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 Đồ án tốt nghiệp 21 http://www.ebook.edu.vn
  22. 22. 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 ÷ 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 Đồ án tốt nghiệp 22 http://www.ebook.edu.vn
  23. 23. 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. Đồ án tốt nghiệp 23 http://www.ebook.edu.vn
  24. 24. Bộ chia Bộ chia Mạng truyền dẫn (Backbond) Mạng phân phối Mạng truy nhập Hình 2.3 Cấu trúc mạng HFPC 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. Đồ án tốt nghiệp 24 http://www.ebook.edu.vn
  25. 25. 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. Đồ án tốt nghiệp 25 http://www.ebook.edu.vn
  26. 26. Đồ án tốt nghiệp 26 Cáp đồng trục IS RF 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 RF RF RF RF Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) Thu vệ tinh (IF) IF IF IF IF IS RF RF RF RF RF RF RF RF RF IS IS IS Combiner RF Sợi quang Phát quang (Tx) Hình 3.1 Trung tâm Headen http://www.ebook.edu.vn
  27. 27. 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. Đồ án tốt nghiệp 27 http://www.ebook.edu.vn
  28. 28. 3.1.3 - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang 3.1.3.1 – Cấu tạo Tín hiệu vào Bộ lập mã Bộ điều khiển Ip Nguồn quang Tín hiệu quang ra Hình 3.2 Sơ đồ khối máy phát tín hiệu quang 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: Đồ án tốt nghiệp 28 http://www.ebook.edu.vn
  29. 29. N= Trong đó: 2L λ (3.1) 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 Gương Vùng hoạt tính Vùng hạn chế Vùng hạn chế (a) (b) Công suất đầu ra (mW) L λ (nm) Δλ (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 Đồ án tốt nghiệp 29 http://www.ebook.edu.vn
  30. 30. Công suất ra (mW) Đặc tính P – I của laser diode như hình 3.4. Đặc tính phổ của FP – LD như hình 3.3d. 0 Dòng (mA) Hình 3.4 Đặc tính P – I của laser diode 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 2πm, trong đó m là số nguyên, được gọi là bậc nhiễu xạ Bragg tức là: 2πneff (3.2) 2πm = 2Λ λB Với neff là chiết suất hiệu dụng của mode (neff ≈ 3,4 đối với bước sóng 1550nm InGaAsP laser). Λ 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 λB được gọi là bước sóng Bragg bậc 1 và: Đồ án tốt nghiệp 30 http://www.ebook.edu.vn
  31. 31. λB = 2Λneff (3.3) Λ Lớp tiếp xúc P Cách tử Vùng hoạt tính n Lớp tiếp xúc Hình 3.5 Cấu trúc diode laser hồi tiếp phân tán DFB 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). Đồ án tốt nghiệp 31 http://www.ebook.edu.vn
  32. 32. P(mW) Tín hiệu quang đầu ra IF (mA) Ith Ib Tín hiệu điện đầu vào Hình 3.6.(a) Điều chế tín hiệu số P(mW) Tín hiệu quang đầu ra Ib Ith IF (mA) Tín hiệu điện đầu vào Hình 3.6.(b) Điều chế tương tự Đồ án tốt nghiệp 32 http://www.ebook.edu.vn
  33. 33. 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: 03 05 04 RF1 02 01 06 TP1 RF2 TP2 RF3 TP3 08 07 RF4 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: Đồ án tốt nghiệp 33 http://www.ebook.edu.vn
  34. 34. (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 ÷ 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 ÷ +2dBm và tín hiệu ra thông thường của một node quang trong khoảng 108dBμV. Khoảng bước sóng hoạt động là từ Đồ án tốt nghiệp 34 http://www.ebook.edu.vn
  35. 35. 1270 ÷1550nm, 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 Vỏ Lớp vỏ bảo vệ Lõi Hình 3.8 Cấu tạo sợi quang 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 125μm. 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 Đồ án tốt nghiệp 35 http://www.ebook.edu.vn
  36. 36. truyền lan nhiều mode đồng thời được gọi là sợi quang đa mode (Multimode fiber). n2 n1 2a n2 n1 (a) 2a n2 (b) n1 2a (c) 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 λc là bước sóng mà trên sợi chỉ có một mode được truyền và được tính như sau: 2πa (3.4) λc = V n1 - n2 Trong đó: V = 2,405 đối với sợi có chiết xuất bậc (SI fiber) Đồ án tốt nghiệp 36 http://www.ebook.edu.vn
  37. 37. a[μm]: 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) = α (- z) P(0).10 10 (3.5) Trong đó: P(0)[mW]: là công suất quang đầu sợi P(z)[mW]: là công suất quang ở cự ly z α là hệ số suy hao - Độ suy hao của sợi quang được tính bởi công thức: P2 A[dB] = -10lgP 1 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] α[dB/km] = L[km] Trong đó: A[dB]: là độ suy hao của sợi quang L[km]: là chiều dài sợi quang (3.6) (3.7) 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 Đồ án tốt nghiệp 37 http://www.ebook.edu.vn
  38. 38. 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 2.8μm. 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) μm, ví dụ như ở 1.4μm, 0.93μm và 0.7μm (với n = 1,2 và 3) như thể hiện ở hình 3.10. Các đỉnh hấp thụ khác như là đỉnh ở 1.24μm là do tác động giữa liên kết OH và SiO2. Suy hao (dB/km) 5 Suy hao tổng 4 ion OH Tán xạ Rayleigh 3 2 Hấp thụ hồng ngoại Hấp thụ cực tím 1 0 0.7 OH 0.8 0.9 850nm 1.cửa sổ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1300nm 2.cửa sổ Bước sóng λ (μm) 1.5 1.6 1550nm 3.cửa sổ Hình 3.10 Suy hao tổng của sợi quang Đồ án tốt nghiệp 38 http://www.ebook.edu.vn
  39. 39. 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/λ4 và được tính như sau: 1 (3.8) αR = CR 4 [dB/km] λ 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 ÷ 1.0 (dB/km)/(μm)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 1.3μm và 1.55μm. 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: Đồ án tốt nghiệp 39 http://www.ebook.edu.vn
  40. 40. + 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 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: BER = 1 2π ∞ ∫e x2 -2 dx = Q( SNR ) ≈ SNR SNR 1 e 2 2πSNR (3.9) 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. Đồ án tốt nghiệp 40 http://www.ebook.edu.vn
  41. 41. 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: PTx (3.10) Bp = P min 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 αsợi[dB/km] thì suy hao tổng cộng của sợi là αsợi.L[dB]. Vì vậy ta cần có: (3.12) αsợi.L + αghép nối.N + Aloss ≤ Quỹ công suất Trong đó: αsợi[dB/km]: là suy hao sợi αghép 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 = Trong đó: 1 {10lgPTx – 10lgPRxmin - Aloss} αsîi (3.13) αsợi[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 Đồ án tốt nghiệp 41 http://www.ebook.edu.vn
  42. 42. Nếu công suất ra PTx của bộ phát và suy hao sợi quang αsợi 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, αsợi = 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 θ0. Theo định luật Snell thì gócφmin tạo ra sự phản xạ toàn phần sẽ được xác định như sau: n2 sinφmin = n (3.14) 1 Đồ án tốt nghiệp 42 http://www.ebook.edu.vn
  43. 43. Trong đó: φmin 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 φ < φmin 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 θ0max theo phương trình: (3.15) n0sinθ0max = n1sinθc = n12 - n22 Trong đó θc là góc khúc xạ tới hạn. Do vậy, các tia có góc vào θ0 < θ0max thì sẽ phản xạ hoàn toàn bên trong tại ranh giới lõi-vỏ của sợi quang. Hình 3.10 còn cho chúng ta rút ra được hai nhận xét quan trọng. Thứ nhất, các tia với các góc φ > φmin có các vận tốc theo trục z là khác nhau. Cụ thể, vận tốc theo trục z được tính bởi: C (3.16) vz = n sinφ 1 Vận tốc này phụ thuộc vào θ1 do vậy gây ra trễ truyền lan khác nhau, đó chính là tán sắc. Thứ hai, là các tia có θ1 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 φ < φmin 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 = n1sinθ0max = n12 - n22 = n1 2Δ (3.17) n1 - n2 Với Δ = n là độ chênh lệch chiết xuất tương đối giữa lõi và vỏ. Khẩu 1 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 n2 Vỏ Tia khúc xạ Trục φ n0 Tia phản xạ θ θ0 n1 n 2 Đồ án tốt nghiệp Lõi 43 Vỏ http://www.ebook.edu.vn Hình 3.11 Tia kinh tuyến trong sợi chiết xuất phân bậc
  44. 44. từ 0.14 ÷ 0.5. Đối với các ứng dụng trong viễn thông thì NA nằm trong khoảng 0.1 ÷ 0.2 tương ứng với các góc vào từ 5.70 ÷ 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. Đồ án tốt nghiệp 44 http://www.ebook.edu.vn
  45. 45. Trục n1 n2 Hình 3.12 Tia nghiêng trong sợi chiết xuất phân bậc 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: ψi(r,φ,z) = Ai(r,φ)ej(ωt - βziZ) (3.18) Trong đó: i là chỉ số của mode truyền lan ψi Ai(r,φ): là phân bố trường ngang βzi: 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, φ, 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(ωt - βziZ) 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 βzi thoả mãn biểu thức tán sắc như sau: n1 ω (3.19) β12 = C = βzi2 + Ki2 Đồ án tốt nghiệp 45 http://www.ebook.edu.vn
  46. 46. n1 ω Với β12 = C là hằng số truyền lan của một sóng hài ở tần số ω 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, βzi là số thực thoả mãn bất đẳng thức sau: (3.20) β12 - βzi2 = Ki2 > 0 Các mode truyền lan bậc càng cao (i càng lớn) thì Ki càng lớn và βzi càng nhỏ. Khi Ki vượt quá β1 thì βzi 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: βzi2 - β22 > 0 (3.21) n2 ω Với β2 = C 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 βzi nằm trong khoảng: n2 βzi (3.22) n 1 < β1 < 1 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 φ. Vận tốc theo trục z của mode lan truyền thứ i là hàm của hằng số truyền lan βzi của nó và được tính như sau: ∂ω (3.23) vgi = ∂βzi 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 = ω/βzi. 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 βzi là một hàm của ω, biểu thức (3.20) có thể được tính xấp xỉ khi sự phụ thuộc tần số của Ki là nhỏ, khi đó: ∂βzi β1 ≈ ∂β1 βzi Bởi vì β1 = n1ω/C Đồ án tốt nghiệp 46 http://www.ebook.edu.vn

×