Chương III CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG VÀ MẠNG HFC
3.5.2.Các bộ thu quang trong mạng HFC
G G F G G F G F F F .... . 1 ... . 1 1 2 1 2 1 3 1 2 1 − + + − + − + =
Trong trường hợp đơn giản nhất là tất cả các bộ khuếch đại là giống nhau thì CNR của toàn hệ thống được tính theo công thức:
CNRN = CNR – 10lg(N)
Trong trường hợp tổng quát CNRN của toàn hệ thống gồm các bộ khuếch đại khác nhau được tính theo công thức:
CNRN (dB) = - 10lg (10-CNR 10 + 10-CNR 10 +…+ 10-CNR 10)
3.3.5.Bộ chia và rẽ tín hiệu
Sơ đồ đơn giản của bộ rẽ tín hiệu Tap cổng ra suy hao 20 dB:
Hình3. 13: Sơ đồ khối đơn giản của Tap 4 đường suy hao 20 dB đảm bảo
Tap được sử dụng để đưa tín hiệu tới cáp thuê bao. Một Tap điển hình bao gồm một khối ghép định hướng RF và các khối chia công suất.
Khối ghép định hướng rẽ ra một phần năng lượng tín hiệu đầu vào con các khối chia công suất chia tín hiệu tới thường là 2, 4, 8 cổng ra. Công suất tổn hao giữa cổng vào so với cổng ra được gọi là suy hao xen (Insertion) còn với các cổng khác (cổng rẽ)
gọi là suy hao cách ly (Isolation loss). Suy hao của Tap thường độc lập với tần số và nhiệt độ.
3.4.MẠNG TRUY NHẬP HFC HAI CHIỀU
Sự phát triển từ các mạng cáp HFC một chiều sang cáp mạng truy nhập HFC băng rộng hai chiều được thúc đẩy bởi sự ra đời của 3 hệ thống thiết bị mới:
- Đầu thu tín hiệu truyền hình số cao cấp: STB cao cấp. - Modem cáp: Cable Modem.
- Các hệ thống thoại IP hoạt động qua mạng HFC.
3.4.1.Set – Top – Box (STB)
STB bao gồm cả loại số và tương tự, là thành phần rất quan trọng trong mạng HFC. STB số là kết nối cho sự phát triển từ các TV tương tự hiện nay tới các TV số cao cấp trong tương lai.
STB số có các chức năng cơ bản như sau:
- Dò tìm kênh số (MPEG-2) và các dịch vụ video tương tự trong dải tần đường xuống.
- Giải điều chế kênh tín hiệu số thu được. - Mã hóa/giải mã các dịch vụ lựa chọn.
- Quản lý báo hiệu thuê bao từ CATV headend. - Cung cấp giao diện thuê bao người sử dụng.
Sự triển khai STB cao cấp của Motorola/General Instrument chứa Dual Cable TV Tuner và tích hợp modem cáp cho phép thuê bao đồng thời xem TV và “lướt” Web qua mạng HFC. Thuê bao còn cung cấp các dịch vụ như: PPV số, NVOD, VoD. Ngoài ra STB cao cấp còn cung cấp dịch vụ truy nhập Internet hai chiều tốc độ cao sử dụng giao thức DOCSIS. Các dịch vụ mới như thoại IP, thoại thấy hình IP, các trò chơi tương tác sẽ được hỗ trợ trong tương lai gần. STB cao cấp đóng vai trò là thiết bị giao phát các gói IP tới các thiết bị ngoài.
STB cao cấp cũng truyền tải, xử lý và mã hóa tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao (HDTV). Tất cả các ứng dụng đều sử dụng khả năng đồ họa 2D/3D của STB khi ứng dụng đó được chuyển tới bộ thu của TV ở tín hiệu video băng tần gốc hoặc tín hiệu video được điều chế RF.
Các STB cao cấp có một số giao diện vào và ra gồm cổng USB, giao diện Firewall IEEE 1394 và kết nối Ethernet. Giao diện IEEE 1394 là chuẩn bus nối tiếp hiệu năng rất mạnh, nó được phát triển cho truyền tải các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực và các tốc độ 100Mb/s, 200Mb/s, 400Mb/s qua mạng cáp.
3.4.2.Thoại IP
Thuật ngữ thoại IP có nghĩa là sử dụng giao thức IP để truyền tín hiệu thoại qua mạng viễn thông. Thuật ngữ này được viết tắt VoIP. Thoại IP có thể thực hiện được bằng IP phone hoặc một máy điện thoại truyền thống kết nối với modem cáp hoặc bằng STB số.
IP Telephone là một thiết bị mới thay thế kết nối tới một cổng PABX riêng, nó kết nối tới cổng Ethernet chuẩn của modem cáp/STB số/máy tính cá nhân (PC). IP phone có thể hoạt động như một thiết bị IP chuẩn có địa chỉ IP riêng, có các chức năng tích hợp nén tín hiệu thoại. Để kết nối một máy điện thoại truyền thống với modem cáp/STB số tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển đổi thành các gói tín hiệu số. Gần đây các khối giao diện mới (Module) được phát triển cắm thêm vào modem cáp/STB và cung cấp các chức năng này. Các gói này sẽ được gửi đi qua mạng HFC sử dụng giao thức DOCSIS.
3.4.3.Modem cáp (Cable Modem)
Modem cáp là công nghệ hấp dẫn nhất, cung cấp truy nhập Internet hai chiều tốc độ cao qua các mạng HFC. Kể từ khi sự phát triển của dịch vụ World Wide Web (www) và sự phát hành vào năm 1993 của trình duyệt web (Web Browser), số lượng Website gia tăng một cách bùng nổ trên khắp thế giới, tăng gấp đôi cứ sau 3 tháng.
Để truy nhập Internet, hiện nay đang sử dụng các modem thoại đạt tốc độ chỉ 29,8 Kb/s tới 56 Kb/s. Các mạng điện thoại đang tồn tại hiện nay không được thiết kế
để xử lý lượng dữ liệu lớn đã trở nên tắc nghẽn. Chính vì vậy việc truy nhập vào các trang Web đồ sộ có sử dụng đa phương tiện mất rất nhiều thời gian.
Công nghệ modem cáp hoạt động qua mạng HFC hai chiều có thể cung cấp tốc độ dữ liệu đường xuống lớn hơn 30 Mb/s, tốc độ này gấp 1000 lần so với tốc độ modem thoại thông thường và tốc độ đường lên cũng rất cao khoảng 10 Mb/s.
Hầu hết các modem cáp được thiết kế có lưu lượng không đối xứng. Điều này là bởi vì phần lớn người sử dụng Web tải về (Download) các ứng dụng chứa nhiều đa phương tiện trong khi đường lên chỉ dùng cho các ứng dụng tốc độ thấp như: Email, truyền file…
3.4.4.Đặc điểm của truyền dần đường lên trong truyền hình cáp hai chiều
- Các nguồn nhiễu đường lên
Băng tần truyền dẫn tín hiệu đường lên ở Mỹ là 5–42 MHz và ở châu Âu là 5– 65 MHz. Các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới truyền tín hiệu đường lên trong hệ thống CATV bao gồm:
+ Nhiễu đầu vào.
+ Méo đường truyền thông thường. + Nhiễu của laser và các bộ thu quang.
Nhiễu đầu vào là quan trọng nhất và nguồn nhiễu đầu vào làm méo dạng tín hiệu đường lên trong mạng HFC được chia làm 3 loại:
+ Tín hiệu sóng ngắn dải hẹp: chủ yếu từ các dải phát thanh và các trạm rađa phát trên mặt đất, tín hiệu này được ghép vào đường lên tại nhà thuê bao hoặc tại các thiết bị phân phối CATV.
+ Nhiễu sinh ra bởi các nguồn nhân tạo và các hiện tượng tự nhiên khác nhau. + Nhiễu tức thời tương tự như nhiễu cụm nhưng có thời gian tồn tại ngắn hơn. - Lọc nhiễu đường lên
Sự xuất hiện nhiễu đầu vào và các nhiễu băng hẹp khác trong truyền dẫn đường lên đã tạo ra một cách thức mới cho các nhà điều hành CATV. Nhiều tổ chức đang
thực hiện phát triển các phương pháp chống lại ảnh hưởng của nhiễu đầu vào từ headend đưa tới. Các phương pháp này bao gồm các kỹ thuật lọc chủ động và thụ động tại bất kỳ điểm nào dọc theo kênh đường lên từ thuê bao tới node quang.
Một phương pháp khác được dùng là sử dụng bộ lọc thông dải ở phía thuê bao. Nhiễu đầu vào đường lên được lọc khi thuê bao không truyền dữ liệu. Nhược điểm của phương pháp này là độ trễ của các chuyển mạch khi có nhiều thuê bao trong cùng node quang để truyền dữ liệu đồng thời.
3.5.CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠNG HFC VÀ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA MẠNG HFC
3.5.1.Nguồn quang trong mạng HFC
Diode laser bán dẫn là nguồn quang sơ cấp sử dụng ở cả đường lên và đường xuống trong mạng HFC và cả các mạng CATV DWDM sau này. Tuy nhiên trong các mạng CATV gồm từ kiến trúc HFC truyền thống tới DWDM. Laser phải có các đặc điểm hoạt động tùy thuộc vào loại lưu lượng được phát.
a.Laser điều chế trực tiếp
- Các tính năng yêu cầu đối với laser DFB đường xuống
Để truyền tải đa kênh video AM/QAM đường xuống, sử dụng laser DFB điều chế trực tiếp phải tuân theo các yêu cầu truyền tải tín hiệu của mạng HFC. DFB phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
+ Mode đơn dọc với tỷ lệ mode khử cao (>30 dB). + Công suất quang ra cao với hiệu suất lượng tử cao. + Nhiễu RIN thấp (155 dBc/Hz).
+ Méo phi tuyến trong vùng phổ CATV thấp (50 – 860 MHz). + Các đặc tính làm việc ổn định trong điều kiện, nhiệt độ yêu cầu.
Độ dịch phổ (chirping) thấp khi làm việc ở bước sóng 1550 nm (< 100 MHz/mA).
Tại các node quang, với một độ nhạy thu cho trước, laser được thiết kế để truyền tải tín hiệu video AM/QAM với CNR lớn nhất có thể đạt được. Để đạt được CNR lớn nhất, công suất quang ra cũng như hệ số điều chế quang/kênh (m) phải càng lớn càng tốt để hạn chế được nhiễu RIN, tổn hao sợi quang và nhiễu phía thu. Một hệ thống SCM với N kênh, mỗi kênh có hệ số điều chế m và dòng tổng tại đầu thu I(t). Trong trường hợp N lớn, dòng tách quang I(t) được coi như một quá trình ngẫu nhiên
với kỳ vọng IP, phương sai chuẩn 2 1 ) 2 (N mIP P = σ .
Hệ số điều chế RMS tiêu chuẩn hóa được định nghĩa:
2 N m FP P = = σ µ
Tỷ lệ sóng mang/méo phi tuyến do hiệu ứng cắt gây ra như sau:
( 2) 2 2 2 1 6 1 2 1 µ µ µ + Π = epx r NLD C 2 1 =
r là hệ số méo trong bảng tần số CATV. Giới hạn trên của số lượng kênh phát do méo cắt phi tuyến được gọi là giới hạn Saleh.
Bảng tóm tắt các tính năng yêu cầu đối với laser DFB điều chế trực tiếp dùng cho các kênh AM/QAM đường xuống truyền dẫn trong mạng.
Tham số Đặc điểm
Bước sóng 1310 nm hoặc 1550 nm ± 10 nm
Công suất quang 3 – 14mW
Dải tần làm việc 50 – 860 MHz
Mức RF vào (tín hiệu video) +10 tới +25dBmV/kênh
Hệ số điều chế quang (m) 3 – 4 %/kênh
CNR (đối với 80 kênh tải) 52dB (với công suất tại đầu thu 0dBm)
Méo CTB -65 dBc Thay đổi đáp ứng tần số ± dB (50-860 MHz)
Suy hao đường xuống 26 dB(RF đầu vào)
Khoảng nhiệt độ hoạt động 00C tới 500C
Nhiệt độ bảo quản -400C tới 500C
Độ ẩm 85%
Bảng3. 3: Các tính năng của laser DFB điều chế trực tiếp
- Các tính năng yêu cầu đối với laser đường lên
Laser bán dẫn FP điều chế trực tiếp được sử dụng để truyền tải các kênh số QPSK/16QAM đường lên trong mạng HFC. Các laser đường lên không yêu cầu cung cấp cùng tỷ lệ CNR hay độ tuyến tính như laser đường xuống vì chúng không dùng để truyền tải các kênh AM/VSB. Các tín hiệu quang được phát ra ở bước sóng 1310nm hoặc 1550nm.
Tham số Đặc điểm
Bước sóng 1310 nm hoặc 1550 nm ± 10%
Công suất quang 3 – 5 mW
Dải tần làm việc 5 – 42 MHz
Mức RF vào +10 tới + 25 dBmV/kênh
Dải động 15 đảm bảo
CNR (các kênh QPSK) ≥ 16 dB tại BER 10-7
C/(N+1) các kênh QPSK ≥ 20 dB tại BER ≤ 10-7
Sai số mức công suất ra ≥ -25 dBc
Tổn hao đường lên > 16 dB (RF vào)
Dải nhiệt độ làm việc -200C tới + 650C Nhiệt độ bảo quản -400C tới + 700C
Bảng3. 4: Các tính năng đối với laser đường lên b.Laser điều chế ngoài
Có 2 loại LD điều chế ngoài thường được dùng hiện nay: - Diode bơm điều chế ngoài Nd
YAG laser làm việc ở bước sóng 1319 nm có nhiều ưu điểm như phổ vạch rất hẹp (< 200 KHz), nhiễu RIN thấp (< -165 dBc/Hz).
- Laser DFB làm việc ở bước sóng 1550 nm
Từ giữa thập niên 90 laser SL-MQW có công suất (>20 mW) và nhiễu RIN thấp đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống HFC. Để thực hiện truyền dẫn qua mạng HFC, các bộ phát laser điều chế ngoài dùng các bộ điều biến quang hay điều chế cường độ. Các bộ điều chế cường độ sử dụng rộng rãi nhất là bộ điều chế MZI và BBI.
Trong bộ điều chế MZI: một luồng tín hiệu đầu vào được chia thành 2 luồng bởi bộ chia 3dB Y và được kết hợp với bộ ghép Y thành một luồng đầu ra. Tín hiệu được dẫn dọc theo đường truyền để gây ra độ dịch pha giữa 2 nhánh do tác dụng của điện trường giữa 2 điện cực. Tín hiệu ở 2 nhánh được kết hợp lại, ở đầu ra hoặc là “có” hoặc là “không”.
Hình3. 14: Khối điều chế MZI
Vấn đề đối với laser điều chế ngoài đó là mức suy hao xen cao của các bộ điều chế quang. Suy hao xen gồm có:
+ Suy hao của bộ chia Y 3dB.
+ Suy hao đường truyền (thường rất nhỏ, có thể bỏ qua).
+ Do bộ điều chế được định thiên tại mức nửa công suất nên gây ra suy hao 3dB.
+ Suy hao gây ra do điện cực tải do không phối hợp trở kháng với tín hiệu RF vào.
Mức suy hao xen của bộ điều chế MZI thường vào khoảng 7 dB.
Hình3. 15: Khối điều chế BBI
Các hạn chế của bộ điều chế MZI được loại bỏ bằng cách thay thế phối ghép tín hiệu Y bằng một coupler định hướng để tạo ra bộ điều chế BBI. Coupler ghép định hướng 2x2 sẽ trộn 2 sóng quang dẫn chúng tới 2 cổng ra. Kết quả là 2 cổng ra đều có thể sử dụng và suy hao 3 dB vốn có của bộ MZI không còn.
3.5.2.Các bộ thu quang trong mạng HFC
Bộ thu quang trong mạng HFC thường được đặt trong node quang và headend, thực hiện chuyển đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu RF. Trong mạng HFC thường sử dụng diode tách sóng quang PIN.
Có 2 loại bộ thu cơ bản được sử dụng tùy theo ứng dụng của chúng: - Bộ thu số: được thiết kế thu tín hiệu số quang băng gốc.
- Bộ thu tương tự: được dùng thu tín hiệu RF hoặc viba.
- Các bộ thu số có đáp ứng đồng đều ở tần số thấp cũng như ở tần số cao tùy theo tốc độ dữ liệu truyền.
- Các bộ thu tương tự chỉ yêu cầu đáp ứng đồng đều trong khoảng tần số quan tâm:
+ 50-860 MHz đối với các bộ thu đường xuống. + 5-42 MHz đối với các bộ thu đường lên.
Cấu hình cơ bản của bộ thu quang được chia thành 2 phần: - Phần thu đầu cuối.
- Phần khuếch đại và điều khiển tín hiệu. Phần thu đầu cuối gồm:
+ Photodiode PIN.
+ Mạch tiền khuếch đại tạp âm nhỏ: chuyển đổi dòng tách quang thành điện áp có mức nhiễu và méo phi tuyến thấp. Các bộ tiền khuếch đại có thể là mạch khuếch đại sử dụng transistor BIT hoặc transistor GaAsJET.
+ Mạch số mạch giao diện giữa photodiode và mạch tiền khuếch đại. Phối hợp trở kháng photodiode và mạch tiền khuếch đại.
3.5.3.Khuếch đại quang sợi EDFA
Các hệ thống EDFA được thiết kế cung cấp hệ số khuếch đại rất cao (G>40 dB) và công suất quang ra cao (>20 dBm).
a.Các cấu hình cơ bản
Hình3. 16: Các cấu hình cơ bản hệ thống EDFA
- Laser diode bơm.
- Một hoặc hai bộ lọc WDM. - Một sợi EDF.
- Một bộ cách ly quang.
Sợi EDF thường có lõi nhỏ hơn và hệ số NA lớn hơn so với sợi đơn mode SMF. Do vậy để ghép nối giữa hai loại sợi khác nhau phải dùng các kỹ thuật ghép nối không chuẩn. Để ghép ánh sáng từ laser bơm vào sợi SMF, sử dụng các loại vi thấu kính khác nhau, tùy theo đặc điểm của sợi quang mà các loại thấu kính này có thể là tròn, méo hoặc làm giả thấu kính trực tiếp ngay trên sợi quang bằng cách làm nhọn đầu sợi quang.
Hệ thống EDFA thứ hai trong hình , tín hiệu phát được khuếch đại khi sử dụng bơm ngược hướng. Do vậy tín hiệu vào truyền ngược hướng với bước sóng hơn.
Hệ thống thứ ba trong hình sử dụng bơm cả hai hướng thuận và ngược chiều từ