2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát quang 2.2.1.1 Cấu tạo:
- Khối mạch khuếch đại tín hiệu RF : Modul khuếch đại RF có hệ số khuếch đại 36dB, chức năng khuếch đại tín hiệu RF để điều chế cho modul phát quang.
- Khối phát quang : Modul phát quang có chức năng chuyển đổi E/O phát ra nguồn tín hiệu quang.
- Khối mạch điều khiển : điều khiển khối mạch khuếch đại tín hiệu RF điều chế cho Modul phát quang.
- Khối hệ thống giám sát : giám sát các thông số kỹ thuật của máy.
- Khối nguồn : chuyển đổi nguồn AC 220V thành nguồn DC 24V, DC 5V, -5V cung cấp cho các khối trong máy phát quang làm việc.
Hình 2.3: Cấu tạo máy phát quang CATV
2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động
Tín hiệu RF được đưa vào khối mạch khuếch đại RF, tại đây tín hiệu RF in được phân chia tín hiệu qua bộ chia 1- 20dB với cổng tap 20 Db dùng để đo kiểm test tín hiệu RF in, cổng out của bộ chia cấp vào modul khuếch đại RF. Tín hiệu RF sau khi khuếch đại lên mức tín hiệu cao và được điều chỉnh mức các kênh trong dải tần số san bằng nhau nhờ các bộ EQ và ATT tiếp tục đưa và điều chế cho khối phát quang ( laser ) phát ra nguồn tín hiệu quang. Khối mạch điều khiển đồng thời có nhiệm vụ giám sát điều khiển khối mạch khuếch đại tín hiệu RF và khối phát quang làm việc.
+ Mức tín hiệu RF cấp cho máy phát quang thường ở mức từ 78dBμV– 88dBμV, hoạt động tốt nhất ở mức từ 82dBμV - 84dBμV. Mức tín hiệu các kênh xấp xỉ bằng nhau.
+ Công suất quang ra phải bằng công suất danh định của máy.
Các loại máy phát quang Truyền hình cáp Hà Nội sử dụng: loại máy phát λ1310nm công suất 13dBm ( hiện tại dùng cho dự phòng và cấp cho một số đối tác đang dùng hệ thống λ1310nm), máy phát λ1550nm công suất 7dBm, máy phát λ1550nm công suất 9dBm.
Hình 2.4: Máy phát quang 1550nm
Hình 2.5: Máy phát quang 1310nm
- Thông số kỹ thuật của máy phát quang loại 1310nm: + Bước sóng làm việc: 1310nm ± 10nm
+ Công suất phát quang: loại từ 4 – 24mw + Return loss: ≥ 55 dB
+ Loại cổng ra: SC/APC hoặc FC/APC + Dải tần số làm việc: từ 45 – 862MHz + Mức tín hiệu RF vào: từ 15 – 25dBmV
+ Độ bằng phẳng: ≤ ±0,75dB với dải tần từ 45 – 862MHz + Trở kháng đầu vào: 75Ω
+ Kiểu kết nối RF: Ftype
+ Hệ thống kênh truyền: PAL-D/60CH hoặc NTSC/80CH + CNR : ≥ 52dB
+ CTB : ≤ -70dB + CSO : ≤ -63dB + Giao diện quản lý: RJ45,RS232
+ Nguồn cấp: 90 – 265VAC hoặc -48VDC, 30 – 60VDC + Công suất tiêu thụ: ≤ 50W
+ Nhiệt độ làm việc: -5 - 65°C + Độ ẩm làm việc: 5 - 95% + Kích thước: 483x360x44mm
- Thông số kỹ thuật của máy phát quang loại 1550nm: + Bước sóng làm việc: 1540nm - 1563nm
+ Công suất phát quang: loại từ 5 – 13dBm + Return loss: ≥ 55 dB
+ Loại cổng ra: SC/APC hoặc FC/APC + Dải tần số làm việc: từ 47 – 862MHz + Mức tín hiệu RF vào: từ 18 – 28dBmV
+ Độ bằng phẳng: ≤ ±0,75dB với dải tần từ 45 – 862MHz ≤ ±1,5dB với dải tần từ 862 – 1000MHz + Trở kháng đầu vào: 75Ω
+ Kiểu kết nối RF: F-Female
+ CNR 1 : ≥ 52dB với hệ PAL-D/60CH : ≥ 50,5dB với hệ PAL-D/99CH
+ CNR 2 : ≥ 0,5dB với hệ PAL-D/60CH cho Back – to - Back : ≥ 49dB với hệ PAL-D/99CH cho 50Km cáp quang, 0 dBm tại phía thu
+ CTB : ≤ -65dB cho cả hai hệ thống + CSO : ≤ -65dB cho cả hai hệ thống + Giao diện quản lý: RJ45,RS232
+ Nguồn cấp: 90 – 265VAC hoặc -48VDC, 30 – 60VDC + Công suất tiêu thụ: ≤ 50W
+ Nhiệt độ làm việc: -5 - 65°C + Độ ẩm làm việc: 5 - 95% + Kích thước: 19x14,5x1,75 ( " )
2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang2.2.2.1 Sơ đồ khối máy khuếch đại quang EDFA2.2.2.1 Sơ đồ khối máy khuếch đại quang EDFA 2.2.2.1 Sơ đồ khối máy khuếch đại quang EDFA
Hình 2.6: Sơ đồ khối khuếch đại quang EDFA
- Cấu trúc máy khuếch đại quang gồm các khối sau: Khối cấp nguồn
Khối hệ thống giám sát Khối mạch điều khiển
Khối giao diện quản lý LAN, RS232 Khối module khuếch đại EDFA
+ Cấu trúc cơ bản của module khuếch đại quang sợi EDFA gồm sợi pha tạp Erbium, Laser bơm, bộ ghép bước sóng quang WDM và bộ cách li quang. + Sợi pha Erbium thường có độ dài lớn hơn hoặc bằng 10m
+ Trên thực tế, ánh sáng bơm sử dụng cho EDFA chỉ được sử dụng tại hai bước sóng 980nm và 1480nm.
+ Vùng bước sóng hoạt động của EDFA: 1530 -1565nm.
+ Độ khuếch đại giảm nhanh chóng ở vùng bước sóng lớn hơn 1565nm và 0dB tại bước sóng 1616nm.
Hệ thống truyền dẫn quang CATV hoạt động nói chung trong bước sóng duy nhất mà không có yêu cầu nghiêm ngặt về độ phẳng tăng. Để giảm bớt ảnh hưởng của CNR hư hỏng gây ra bởi EDFA, năng lượng đầu vào nên càng cao càng tốt để làm cho EDFA hoạt động trong sản lượng điện bão hòa. Giá trị tiêu biểu của điện đầu vào là > +3dBm. EDFA thiết kế tuyệt vời trong thông gió và tản nhiệt đảm bảo cuộc sống lâu dài và làm việc đáng tin cậy cao của laser bơm. RS232 và RJ45 cung cấp ion commutate nối tiếp và cổng quản lý mạng SNMP. Màn hình LCD ở mặt trước cung cấp các chỉ số làm việc của tất cả các thiết bị và báo động cảnh báo. Quang mất mát và đóng cửa tia laser tự động cung cấp bảo vệ an toàn của laser. Tất cả các cổng quang học có thể được cài đặt trong bảng điều khiển phía trước (cũng có thể là trong bảng điều khiển trở lại nếu khách hàng chỉ định).
2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động EDFA
- Trạng thái đất (mức có năng lượng thấp nhất) được ký hiệu 4I15/2, mức 4I13/2 là mức siêu bền tương ứng với mức năng lượng mà ion Er 3+ có thời gian sống lâu nhất.
- Thông qua sự hấp thu năng lượng của ánh sáng bơm sẽ chuyển từ trạng thái đất lên mức năng lượng tương ứng 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2…
- Các ion ở các mức 4I11/2, 4I9/2…sẽ phân ra không phát xạ và chuyển xuống trạng thái siêu bền.
- Khi tín hiệu quang tới đầu vào sợi EDF đến gặp các ion Er 3+ được kích thích và phân bố dọc theo lõi sợi sẽ xảy ra qúa trình bức xạ kích thích.
- Qúa trình này sẽ tạo ra các photon phụ có cùng pha và hướng với tín hiệu tới chính vì thế ta thu được cường độ ánh sáng tín hiệu tại đầu ra EDF lớn hơn đầu vào.
Đối với khuếch đại quang CATV cần chú ý những thông số kỹ thuật sau:
+ Mức tín hiệu quang cấp vào khuếch đại là -10dBm đến +10dBm ( hoạt động tốt nhất ở mức từ +2dBm đến +4dBm ).
+ Mức tín hiệu ra phải có mức gần đạt bằng công suất danh định của máy. Các loại máy khuếch đại quang có công suất từ 13dBm đến 16dBm được dùng cho hệ thống quang có cự lý lớn, các máy khuếch đại quang có công suất từ 19dBm đến 22dBm được sử dụng để phân phối nguồn quang cho các node quang, không nên sử dụng các loại máy có công suất lớn như 19dBm trở lên
cho hệ thống quang có cự ly lớn vì khi ghép nguồn quang 19dBm này vào sợi quang để truyền dẫn thì tại phía thu sẽ thu được tín hiệu xấu do tán sắc gây ra. Dải khuếch đại của EDFA
Hình 2.7: Dải khuếch đại làm việc của EDFA
Hình 2.8: Máy khuếch đại quang
- Thông số kỹ thuật của khuếch đại quang EDFA: + Bước sóng làm việc: 1540nm – 1563nm + Mức tín hiệu quang vào: -10dBm -> +10dBm + Mức tín hiệu quang ra: +10dBm –> +26dBm + Dải nguồn điều chỉnh: -6 –> 0dBm
+ Số cổng ra: 1 –> 8 loại SC/ACP, 1 –> 16 loại LC/APC + Độ lệch công suất ra: -0,5 -> +0,5dB
+ Độ cách li vào/ra: 30dB + Công suất tổn hao: -30dBm
+ Phản xạ ngược: 55dB với chuẩn APC + Giao diện quản lý mạng SNMP: RJ45 + Giao diện quản lý: RS232
+ Nguồn cấp: 220VAC, -48VDC, 24VDC + Công suất tiêu thụ: 50W
+ Nhiệt độ làm việc: -5 -> 65°C + Độ ẩm làm việc: 5 ->95%
+ Kích thước: 19x14,5x1,75 ( " ), 15,7x9,6x6,5 out-door
2.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của node quang và chuyển mạch quang.2.2.3.1 Node quang 2.2.3.1 Node quang
2.2.3.1.1 Cấu tạo:
Cấu tạo của node quang bao gồm các khối cơ bản sau:
- Khối 01: khối thu quang ( modul chuyển đổi O/E ) có chức năng thu tín hiệu quang đến và sau đó thực hiện chuyểnthành tín hiệu cao tần RF. Đối với các node quang hiện đại thì trong một node quang có hai khối thu quang ( một khối thu quang chính làm việc còn một khối thu quang dự phòng, đây là cấu hình 1+ 1 ). Bước sóng làm việc trong dải 1280nm đến 1610nm.
- Khối 02: là khối phục tín hiệu RF đường xuống: khối này bao gồm các bộ chia tín hiệu RF, bộ điều chỉnh suy hao EQ và ATT, bộ khuếch đại RF, chúng có chứ năng lần lượt là chia đều tín hiệu cho các cổng của node quang, khuếch đại tín hiệu điều chỉnh mức tín hiệu RF phù hợp với yêu cầu đầu ra.
- Khối 03: khối khuếch đại công suất trước khi đưa ra đầu ra.
- Khối 04: khối Diplexer ba cổng ( bộ lọc thông ): có chức năng lọc 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).
- Khối 06: khối ghép tín hiệu RF là khối kết hợp (Combiner) tín hiệu từ hai cổng ra kế cận của node quang theo hướng lên (hướng trở về HEADEND).
- Khối 05: TP (Test Point): là đầu kiểm tra, tại mỗi đầu ra sẽ có một đầu kiểm tra tín hiệu được chia ra bằng khối chia tín hiệu RF, thông thường mức tín hiệu đo
được tại vị trí này thấp hơn 20dBμV so với đầu ra ( đầu output ). RF1 đến RF4 là thứ tự cổng tín hiệu ra của node quang.
- Khối 07: khối khôi phục tín hiệu RF đường lên: khối này bao gồm các bộ ghép tín hiệu RF, bộ điều chỉnh suy hao EQ và ATT làm việc trong dải tần số từ 5MHz đến 65MHz, bộ lọc thông thấp L(Low, chúng có chứ năng lần lượt là ghép tín hiệu ngược dòng của các cổng node quang, khuếch đại tín hiệu RF ngược dòng, điều chỉnh mức tín hiệu RF phù hợp để điều chế cho khối phát quang ngược dòng.
- Khối 08: khối phát quang ( modul chuyển đổi E/O ) có chức năng chuyển đổi tín hiệu RF ngược dòng thành tín hiệu quang, tín hiệu quang náy được truyền về CMTS tại HEADEND. Nguồn quang sử dụng tại bước sóng 1310nm và có công suất rất khoảng 1mw.
Hình 2.9: Sơ đồ khối của node quang 4 cổng ra
2.2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của node quang
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý của node quang
Tín hiệu quang tại đầu vào được chuyển thành tín hiệu cao tần (RF) qua bộ chuyển đổi quang điện, tín hiệu RF thu được đưa vào bộ khuếch đại RF, tín hiệu cao
hiệu được điều chỉnh lại nhờ bộ cân chỉnh EQ, ATT và khuếch đại lên đưa vào bộ chia RF, tín hiệu lại tiếp tục được chia thành hai hướng vào bộ khuếch đại công suất trước khi đưa ra cổng. Tín hiệu hướng xuôi dòng đi qua khối Diplexer ( bộ lọc thông cao ) sau đó được đưa ra cổng out của node quang. Còn tín hiệu cao tần hướng ngược dòng (đi từ phía thuê bao truyền trên hệ thống mạng cáp đồng trục đến các cổng của node quang) sẽ đi qua cổng L của bộ lọc thông 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 ngược dòng (chiều lên) từ (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 để truyền về trung tâm trên các sợi cáp quang.
Chức năng chính của node quang là chuyển đổi tín hiệu quang thành tínhiệu 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 từ –5dBm÷ +2dBm và tín hiệu ra thông thường của một node quang trong khoảng 100dBµV÷106dBµV. Khoảng bước sóng hoạt động là từ 1280÷1610nm, trong truyền hình cáp CATV dùng cửa sổ quang 1310nm hoặc 1550nm.
Hình 2.11: Node quang loại WR8604 HA
- Thông số kỹ thuật đường xuống của node quang: + Dải bước sóng làm việc: 1280nm – 1610nm + Công suất thu quang: -5 -> +3dBm
+ Phản xạ ngược: ≥ 55 dB
+ Kiểu cổng quang: SC/APC hoặc FC/APC + Dải tần số làm việc: 47 – 862MHz
+ Độ bằng phẳng: ≤ ±1,0dB + Mức tín hiệu RF ra: 112dBμV + Mức điều chỉnh đầu ra: 0 – 18dB + Trở kháng đầu ra: 75Ω
+ Số lượng cổng ra: 4 hoặc 3, 2 + Kiểu kết nối RF: F-Female + CNR : ≥ 51dB + CTB : ≤ -65dB + CSO : ≤ -60dB + HUM : ≤ -60dB + Nguồn cấp: 60VAC
+ Công suất tiêu thụ: ≤3W + Nhiệt độ làm việc: -20 - +60°C + Độ ẩm làm việc: 5 - 95% + Kích thước: 530x275x220mm
- Thông số kỹ thuật đường lên của node quang:
+ Dải bước sóng làm việc: 1310nm – 1560nm, ứng dụng tiêu biểu là 1310nm + Loại laser: DFB hoặc FP
+ Công suất phát quang: 1dBm hoặc 2, 3, 4dBm + Phản xạ ngược: ≥ 55 dB
+ Kiểu cổng quang: SC/APC hoặc FC/APC + Dải tần số làm việc: 5 – 65MHz
+ Mức tín hiệu RF vào: 75 -80 dBμV + Độ bằng phẳng: ≤ ±1,0dB
+ Trở kháng: 75Ω
2.2.3.2 Chuyển mạch quang
Chuyển mạch quang là thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền dẫn quang CATV. Nó được sử dụng chủ yếu trong việc chuyển đổi hai kênh hoặc các tín hiệu quang học đa kênh, đảm bảo sự hoạt động bình thường của hệ thống không ngừng. Nó được thực hiện của các thiết bị nhập khẩu chuyển đổi với hiệu suất cao. Nó sử dụng hệ thống nhúng theo dõi tự động và giao diện Ethernet (10Base/100Base-TX) theo IEE802.3.
- Chuyển mạch quang ứng dụng trong CATV bao gồm các khối cơ bản sau: Khối Chuyển mạch quang hiệu suất cao ( Cut to two high-performance switch ) Khối bộ xử lý 32bit ( 32-bit processor )
Khối giao tiếp ( Interface )
Khối màn hình hiển thị và các nút điều khiển ( Disply and buttons ) Khối chia quang ( Optical splitter )
- Thông số kỹ thuật:
+ Bước sóng: 1200 – 1600nm + Chèn loss: ≤ 1,5dB
+ Thời gian chuyển đổi: ≤ 5ms + Quay trở lại: ≥ 55Db
+ Mức quang vào lớn nhất: 500mW
+ Mức quang vào tốt nhất: -10dB -> + 27Db + Số lần switch: ≥ 1000 triệu lần
+ Kiểu cổng kết nối quang: FC/APC hoặc SC/APC + Nguồn cung cấp điện áp: 160 -250V (50Hz) VAC
+ Công suất tiêu thụ điện: ≤ 2W + Nhiệt độ làm việc: -5 -> 55°C + Nhiệt độ lưu trữ: -30 -> + 70°C
Hình 2.12: Sơ đồ khối chuyển mạch quang
2.2.4 Máy thu quang
Đối với hệ thống mạng quang CATV thì máy thu quang có cấu tạo gần giống