1. 3 Mụ hỡnh tổng quỏt hệ thống mạng truyền hỡnh cỏp
1.4. 1 Xử lý tớn hiệu truyền hỡnh cỏp kỹ thuật số
1.4.1.1 - Tớn hiệu truyền hỡnh số.
Trong hệ thống truyền hỡnh số núi chung và hệ thống truyền hỡnh cỏp núi riờng thỡ khõu xử lý tớn hiệu đầu tiờn là khõu chuyển đối tớn hiệu truyền hỡnh từ dạng tƣơng tự sang dạng số . Qỳa trỡnh chuyển đổi tớn hiệu truyền hỡnh từ dạng tƣơng tự sang dạng số đƣợc thực hiện theo cỏc trỡnh tự nhƣ sau:
Tớn hiệu video tƣơng tự đƣợc chia thành 2 loại chớnh: Tớn hiệu video thành phần (component video) và tớn hiệu video tổng hợp (composite video).Cú 2 dạng thức lấy mẫu: Lấy mẫu tớn hiệu video tổng hợp (PAL, NTSC) và lấy mẫu tớn hiệu video thành phần : Y, R-Y và B-Y
Lấy mẫu tớn hiệu video
Theo định lý lấy mẫu Nyquist - Shannon thỡ tần số lấy mẫu phải > 2 lần tần số lớn nhất của tớn hiệu (sẽ trỏnh đƣợc hiện tƣợng chồng phổ). Với dải thụng video là 6 MHz thỡ tần số lấy mẫu tối thiểu cho tớn hiệu video phải lớn hơn hoặc bằng 12 MHz. Tuy nhiờn nếu chọn tần số lấy mẫu (fsa) khụng cú quan hệ với tần số súng mang màu (fsc) thỡ cú hiện tượng xuyờn điều chế giữa fsa và fsc, gõy ra mộo tớn hiệu sau khi khụi phục. Cú thể chọn tần số lấy mẫu fsa
= 3fsc, tuy nhiờn chất lƣợng khụng đỏp ứng đƣợc cho Studio. Tiờu chuẩn tần số lấy mẫu đƣợc ỏp dụng cho video số composite là: fsa = 4fsc .
Nhƣ vậy tần số lấy mẫu đối với tớn hiệu tổng hợp hệ PAL: 4,433.MHz X 4 = 17,7344 MHz .Sử dụng cấu trỳc lấy mẫu trực giao, mỗi mẫu đƣợc lƣợng tử hoỏ 8 bit hoặc 10 bit sẽ tạo ra dũng bit nối tiếp cú tốc độ 141,76 Mbps hoặc 177,2 Mbps. Tớn hiệu Video tổng hợp dƣới dạng số cú chất lƣợng hạn chế do khụng thể giải quyết cỏc vấn đề pha tải màu, can nhiễu giữa tớn hiệu chúi và màu nờn khụng cũn đƣợc sử dụng rộng rói trong những năm gần đõy.
Lượng tử hoỏ & mó hoỏ.
Lƣợng tử hoỏ là quỏ trỡnh biến đổi biờn đổi tớn hiệu tƣơng tự thành một tập hợp cỏc mức rời rạc hữu hạn. Khoảng cỏch giữa hai mức kề nhau đƣợc gọi là bƣớc lƣợng tử. Số cỏc mức lƣợng tử đƣợc xỏc định theo biểu thức N =
2n , với n: là số bit biểu diễn 1 mẫu. Cú 2 phƣơng thức lƣợng tử: Lƣợng tử hoỏ tuyến tớnh- cỏc bƣớc lƣợng tử đều bằng nhau và Lƣợng tử hoỏ phi tuyến- cỏc bƣớc lƣợng tử khỏc nhau. Quỏ trỡnh lƣợng tử tớn hiệu tƣơng tự sẽ tạo ra sai số, gọi là sai số lƣợng tử (eq) là sự khỏc nhau giữa tớn hiệu đầu ra đó lƣợng tử Q(x) so với đầu vào (x)eq=x-Q(x) .
Với nguồn tớn hiệu video cú phõn bố ngẫu nhiờn thỡ sai số lƣợng tử phụ thuộc vào số bit biểu diễn mẫu, khoảng cỏch giữa cỏc bƣớc lƣợng tử, tớnh thống kờ của nguồn tớn hiệu. Sai số lƣợng tử (eq) là một nguồn nhiễu (nhiễu lƣợng tử) khụng thể trỏnh khỏi trong hệ thống số. Với cỏc ứng dụng trong truyền hỡnh ngƣời ta sử dụng lƣợng tử hoỏ 8 bit, 10 bit hoặc 12bit. Hầu hết cỏc thiết bị cú chất lƣợng cao đều sử dụng lƣợng tử hoỏ 10bit/mẫu ( 210 = 1024 mức lƣợng tử). Sau quỏ trỡnh lƣợng tử hoỏ là quỏ trỡnh mó hoỏ cỏc mẫu để tạo thành chuỗi dữ liệu nhị phõn gồm cỏc bit 0 và 1.
1.4.1.2- Nộn tớn hiệu video.
Tớn hiệu Video đó từng đƣợc nộn từ những năm 1950. Cựng với sự ra đời của hệ truyền hỡnh mầu (PAL,NTSC và SECAM), ba tớn hiệu (R,G,B) với tổng bề rộng dải thụng 15MHz đó đƣợc nộn xuống cũn ~5MHz. Kỹ thuật nộn thực hiện bằng cụng nghệ Analog nờn đạt đƣợc tỷ lệ nộn thấp. Kỹ thuật nộn sử dụng cụng nghệ số đạt hệ số nộn rất cao .
Nộn video số MPEG
MPEG là từ viết tắt cho Nhúm những chuyờn gia nghiờn cứu về hỡnh ảnh chuyển động. MPEG (Moving Picture Expert Group) đƣợc thành lập vào năm 1988 bởi cỏc tổ chức ISO, IEC cú nhiệm vụ nghiờn cứu soạn thảo tiờu cỏc chuẩn nộn Audio, Video số. MPEG cú tớnh linh hoạt cao, với tốc độ bit
truyền cú thể đƣợc điều chỉnh để thỏa món yờu cầu ứng dụng. Chuẩn MPEG- 2 4 : 2: 0 MP @ ML (main profile at high level ) đƣợc chọn là chuẩn tớn hiệu đầu vào của hệ thống truyền dẫn DVB.
1.4.1.3 - Nộn tớn hiệu Audio.
Tiờu chuẩn nộn audio MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3) thƣờng đƣợc biết dƣới tờn MUSICAM gồm 3 lớp mó húa I, II, III tƣơng ứng với hiệu quả nộn và độ phức tạp tăng dần, đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau, đặc biệt là trong Phỏt thanh - Truyền hỡnh. Tiờu chuẩn nộn audio MPEG-2 (ISO/IEC 13818-3) là bƣớc phỏt triển mở rộng dựa trờn cơ sở MPEG-1. Phƣơng thức nộn Dolby AC3 ứng dụng trong HDTV số cũng là biến thể từ Audio MPEG-2. Đối với lĩnh vực truyền hỡnh tiờu chuẩn MPEG-2 cú ƣu điểm nổi bật là đảm bảo khả năng đồng bộ giữa Audio và Video sau khi phõn kờnh và giải nộn.
Nguyờn lý nộn audio MPEG chủ yếu dựa vào khả năng bị hạn
chế(masking) của hệ thống thớnh giỏc đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh vẽ dƣới Bộ mó húa cảm thụ.
- Mụ hỡnh cảm thụ thớnh giỏc (Psychoacoustic Model): Khối này mụ phỏng hiệu ứng che lấp, làm cơ sở cho việc cấp phỏt bit cho cỏc mẫu một cỏch hợp lý, tăng hiệu quả nộn Audio.
1.4.2 - Mó húa và điều chế tớn hiệu truyền hỡnh cỏp kỹ thuật số (DVB-C) Để truyền dẫn trong mạng DVB, dữ liệu hỡnh ảnh phải đƣợc mó húa dạng MPEG-2 để giảm tốc độ dữ liệu theo giao diện ITU-R BT.601 từ 270 Mbit/s xuống cũn 3-5 Mbit/s (―ITU-R BT.601/656 và MPEG-2‖). Việc so sỏnh điều chế tƣơng tự với điều chế số trong truyền hỡnh số (DVB) cho thấy rằng điều chế DVB tạo ra 1 phổ phẳng với mật độ cụng suất trung bỡnh khụng đổi trong cả dải thụng kờnh. Kỹ thuật điều chế số giỳp sử dụng tối ƣu kờnh truyền dẫn trong tất cả cỏc kiểu DVB, tức là DVB-C (Cỏp), DVB-S (Vệ tinh), DVB-T (Mặt đất).
CHƢƠNG 2 – THIẾT BỊ TRUYỀN HèNH CÁP VÀ THễNG SỐ KỸ THUẬT
2.1 - Cỏp đồng trục.
Cỏp đồng trục đƣợc sử dụng rộng rói cho việc phõn phối tớn hiệu cỏc chƣơng trỡnh truyền hỡnh.
Hỡnh 2.1: Cỏp đồng trục RG6
2.1.1 - Cấu trỳc cỏp đồng trục
Phần lừi của dõy dẫn trong thƣờng làm bằng đồng với điện trở nhỏ thuận lợi truyền trong dũng điện cƣờng độ cao. Lớp vỏ ngoài của cỏp và vỏ phần lừi trong thƣờng làm bằng nhụm. Vật liệu giữa 2 lớp nhụm thƣờng là nhựa. Giữa lừi và phần ngoài cú cỏc tỳi khụng khớ để giảm khối lƣợng và trỏnh thấm nƣớc. Ngoài cựng là một lớp vỏ bọc chống tỏc động cơ học. Đƣờng kớnh tiờu chuẩn của cỏp là 0,5; 0,75; 0,875 và 1 inch, trở khỏng đặc tớnh của dõy cỏp là 75Ω. Tớn hiệu sẽ bị suy giảm khi truyền theo chiều dài, tần số của tớn hiệu. Lƣợng suy giảm phụ thuộc vào đƣờng kớnh cỏp, tần số, hệ số súng đứng và nhiệt độ.
2.1.2- Phõn loại cỏp đồng trục
Cú 3 loại cỏp đồng trục khỏc nhau đƣợc sử dụng trong mạng cỏp phõn phối:
- Cỏp trung kế đƣờng kớnh từ 0,5 đến 1 inch dựng truyền tớn hiệu bắt đầu từ
node quang. Tổn hao truyền dẫn đối với loại cỏp 1 inch là 0,89 dB ở tần số 50 MHz và 3,97 dB ở 750 MHz (tớnh với 100 m cỏp)
- Cỏp fidơ đƣợc sử dụng nối giữa cỏc bộ khuếch đại đƣờng dõy và cỏc bộ chia tớn hiệu
- Cỏp thuờ bao cú đƣờng kớnh nhỏ hơn cỏp fidơ dựng để kết nối từ cỏc bộ chia tới thiết bị đầu cuối thuờ bao. Vị trớ lắp đặt của cỏc cỏp trong mạng đƣợc chỉ trong hỡnh
Hỡnh vẽ 2.1.2: cỏc loại cỏp và cỏc loại bộ khuếch đại
2.1.3 - Cỏc thụng số của cỏp đồng trục.
Suy hao do phản xạ:
Suy hao do phản xạ là đại lƣợng đƣợc đo bằng độ khỏc biệt của trở khỏng đặc tớnh cỏp so với giỏ trị danh định. Nú bằng tỷ số giữa cụng suất tới trờn cụng suất phản xạ: lr (dB) = 10log(Pt / Pr) (dB)
Khi trở khỏng thực càng gần với giỏ trị danh định, cụng suất phản xạ càng nhỏ và suy hao phản xạ càng nhiều. Khi phối hợp lý tƣởng ta cú Pr = 0. Tuy nhiờn trong thực tế giỏ trị Lr vào khoảng 28-32 dB. Nếu suy hao phản xạ quỏ nhỏ, phản hồi sẽ xuất hiện trờn đƣờng dõy sẽ tạo nờn tớn hiệu cú tiếng ự.
Trở khỏng vũng:
Trở khỏng vũng là trở khỏng phối hợp của dõy dẫn trong và ngoài của cỏp, đõy là một đặc tớnh quan trọng. Dũng điện chảy qua trong toàn bộ tiết diện của cỏp, và vỡ vậy trở khỏng của dõy dẫn trong đối với nú sẽ cao.
2.1.4 - Giới thiệu một số cỏp đồng trục
Cỏp đồng trục QR 540
Thụng số vật lý:
Tờn thụng số Đơn vị Giỏ trị
Đƣờng kớnh lừi kim loại Mm 3,15
Đƣờng kớnh lớp điện mụi Mm 13,03
Đƣờng kớnh lớp vỏ bọc kim loại Mm 13,72
Độ dày lớp vỏ kim loại Mm 0,343
Độ dày lớp vỏ bọc kim loại Mm 0,89
Dõy chịu lực kim loại Mm 2,77
Lực kộo tối thiểu là góy dõy chịu lực Kgf 816
Điện dung Nf/km 50
Trở khỏng súng Ω 75
Cỏp đồng trục RG 11
Thụng số vậy lý:
Tờn thụng số Đơn vị Giỏ trị
Đƣờng kớnh lừi kim loại Mm 1,63
Đƣờng kớnh lớp điện mụi Mm 7,11
Đƣờng kớnh lớp vỏ bọc kim loại Mm 7,29
Độ dày lớp vỏ kim loại Mm 0,18
Đƣờng kớnh lớp vỏ bảo vệ kim loại Mm 10,03 Độ dày lớp vỏ bọc kim loại Mm 1,07
Dõy chịu lực kim loại Mm 1,83
Lực kộo tối thiểu là góy dõy chịu lực Kgf 166
Điện dung Nf/km 70
Trở khỏng súng Ω 75
Điện trở thuần tổng thể Ω/km 6,0
Cỏp đồng trục RG 6:
Tờn thụng số Đơn vị Giỏ trị
Đƣờng kớnh lừi kim loại Mm 1,02
Đƣờng kớnh lớp điện mụi Mm 4,57
Độ dày lớp vỏ kim loại Mm 0,18 Độ dày lớp vỏ bọc kim loại Mm 0,76
Dõy chịu lực kim loại Mm 1,30
Lực kộo tối thiểu là góy dõy chịu lực Kgf 82
Điện dung Nf/km 90
Trở khỏng súng Ω 75
Điện trở thuần tổng thể Ω/km 6,5
2.2 - Cỏp Quang.
Cỏc thành phần chớnh của tuyến truyền dẫn quang bao gồm: Phần phỏt quang, cỏp sợi quang và phần thu quang. Phần phỏt quang đƣợc cấu tạo từ nguồn phỏt tớn hiệu quang và cỏc mạch điện điều khiển liờn kết với nhau. Cỏp sợi quang gồm cú cỏc sợi dẫn quang và cỏc lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi cỏc tỏc động cú hại từ mụi trƣờng bờn ngoài. Phần thu quang do bộ tỏch súng quang và cỏc mạch khuếch đại, tỏi tạo tớn hiệu hợp thành. Ngoài ra, tuyến thụng tin quang cũn cú cỏc bộ nối quang-connector, cỏc mối hàn, cỏc bộ nối quang, chia quang và cỏc trạm lặp.
2.2.1 - Cấu trỳc sợi quang
Sợi quang là ống dẫn điện mụi hỡnh trụ. Thành phần chớnh gồm lừi và lớp vỏ bọc. Lừi để dẫn ỏnh sỏng cũn lớp bọc để giữ ỏnh sỏng tập trung trong lừi sợi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lớp lừi và lớp bọc. Để bảo vệ sợi quang trỏnh những tỏc dụng do điều kiện bờn ngoài, sợi quang cũn bọc thờm hai lớp nữa, gồm:
- Lớp vỏ thứ nhất: Cú tỏc dụng bảo vệ sợi quang trỏnh sự xõm nhập của hơi
nƣớc, trỏnh sự trầy xƣớc gõy nờn những vết nứt và giảm ảnh hƣởng vỡ uốn cong.
- Lớp vỏ thứ hai: Cú tỏc dụng tăng cƣờng sức chịu đựng của sợi quang trƣớc
tỏc dụng cơ học và ảnh hƣởng của nhiệt độ.
2.2.1.1 - Sợi đơn mốt và sợi đa mốt
Khi ỏnh sỏng truyền lan bờn trong lừi của một sợi quang phụ thuộc vào hệ số khỳc xạ của lừi (hệ số khỳc xạ là hằng số hoặc thay đổi), cú thể cú cỏc phõn bố trƣờng điện từ khỏc nhau qua mặt cắt của sợi. Mỗi một phõn bố thƣờng thoả món phƣơng trỡnh Maxwell và cỏc điều kiện biờn tại mặt phõn cỏch lừi-vỏ đƣợc gọi là một mode quang (Transverse mode). Cỏc mode khỏc nhau truyền lan dọc trờn sợi quang ở cỏc vận tốc khỏc nhau. Sợi quang cho phộp lan truyền chỉ một mode duy nhất đƣợc gọi là sợi quang đơn mode (single mode fiber). Sợi quang cho phộp truyền lan nhiều mode đồng thời đƣợc gọi là sợi quang đa mode (Multimode fiber).
Hỡnh vẽ dƣới: Mặt cắt và cỏc tia sỏng truyền trong
(a) sợi đa mode chiết xuất phõn bậc,
(b) sợi đa mode chiết xuất Gradien và
Điều mấu chốt trong việc thiết kế, chế tạo sợi để truyền đơn mode là đƣờng kớnh lừi sợi phải nhỏ, xuất phỏt từ mối quan hệ giữa bƣớc súng cắt của sợi với đƣờng kớnh lừi. Bƣớc súng cắt c là bƣớc súng mà trờn sợi chỉ cú một mode đƣợc truyền và đƣợc tớnh nhƣ sau:
c = 2 aV n1 - n2 Trong đú:
V = 2,405 đối với sợi cú chiết xuất bậc (SI fiber) a[ m]: là bỏn kớnh của lừi
n1 là chiết xuất của lừi n1 là chiết xuất của vỏ
Khi đƣơng kớnh lừi của sợi đơn mode khụng lớn hơn nhiều so với bƣớc súng thỡ sẽ cú một sự phõn chia cụng suất đỏng kể ở lớp vỏ. Vỡ thế cần phải định nghĩa một tham số khỏc đƣợc gọi là đƣơng kớnh trƣờng mode (Mode Field Diameter). Một cỏch trực giỏc, đú chớnh là độ rộng của trƣờng mode. Đặc biệt, đƣờng kớnh trƣờng mode chớnh là trung bỡnh bỡnh phƣơng độ rộng
của trƣờng nếu phõn bố trƣơng theo Gauss. Khi phõn bố trƣờng khụng phải dạng Gauss thỡ cú nhiều cỏch định nghĩa đƣờng kớnh trƣờng mod
2.2.2 - Cỏc thụng số đặc trƣng của sợi quang
Cụng suất quang truyền trong sợi giảm theo quy luõt hàm số mũ:
P(z) = P(0) x 10(-a/10)z Trong đú: P(0) là cụng suất quang đầu sợi. P(z): Là cụng suất quang ở cự ly z. a: Là hệ số suy hao.
Độ suy hao của sợi quang đƣợc tớnh bởi cụng thức:
A(dB) = -10log (P2/P1) Trong đú: P1 là Cụng suất quang đầu vào.P2 là cụng suất quang đầu ra.
Hệ số suy hao trung bỡnh (suy hao trờn một đơn vị chiều dài) : a(dB/km) = A (dB)/L(km) Trong đú: A Là độ suy hao của sợi quang. L: Là chiều dài của sợi quang.
Cỏc nguyờn nhõn gõy nờn suy hao:
- Suy hao do hấp thụ vật liệu: Sự cú mặt của cỏc tạp chất kim loại và cỏc ion OH trong sợi quang là cỏc nguồn điểm hấp thụ ỏnh sỏng. Mức độ hấp thụ tựy thuộc vào bƣớc súng ỏnh sỏng truyền qua nú và tựy thuộc vào nồng độ tạp chất của vật liệu.
- Suy hao do tỏn xạ Rayleigh: Ánh sỏng khi truyền trong sợi quang gặp những chỗ khụng đồng nhất sẽ bị tỏn xạ. Tia xạ truyền qua chỗ khụng đồng nhất bị tỏa ra nhiều hƣớng. Chỉ cú một phần ỏnh sỏng tiếp tục truyền theo hƣớng cũ, do đú năng lƣợng bị mất mỏt. độ suy hao của tỏn xạ Rayleigh tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bƣớc súng (Ằ- 4) nờn độ suy hao giảm rất nhanh về phớa bƣớc súng dài. Ngoài tỏn xạ Rayleigh, ỏnh sỏng truyền trong sợi cũn bị tỏn xạ khi gặp những chỗ khụng hoàn hảo giữa lớp vỏ và lớp lừi. Một tia tới sẽ cú nhiều tia phản xạ khỏc nhau. Những tia cú gúc phản xạ nhũe hơn gúc tới hạn sẽ bị khỳc xạ ra lớp vỏ và bị suy hao dần.
- Suy hao ghộp nối và mối hàn: Tớn hiệu quang cũn bị suy hao tại điểm kết nối giữa hai sợi bằng bộ ghộp nối hoặc mối hàn. Suy hao này gõy ra bởi nhiều nguyờn nhõn sau đõy:
- Suy hao bởi cỏc yếu tố bờn ngoài:
+ Khụng đồng tõm giữa hai lừi sợi + Mặt cắt sợi bị nghiờng
+ Cú khe hở giữa hai đầu sợi đƣợc nối với nhau + Bề mặt đầu sợi khụng phẳng
- Suy hao bởi cỏc yếu tố nội tại: + Lừi sợi bị elip
+ Khụng tƣơng thớch về chiết xuất
+ Khụng đồng nhất về đƣờng kớnh trƣờng mode
Thụng thƣờng suy hao nối ghộp khoảng 0.2dB và suy hao mối nối khoảng 0.05dB.
- Suy hao do sợi bị uốn cong: Với những chỗ uốn cong nhỏ ( vi uốn cong), tia sỏng truyền bị lệch làm cho sự phõn bố trƣờng bị xỏo trộn và năng lƣợng